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Was ist elektrischer Strom?
Stromfluim elektrischen Leiter
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Elektrischer Strom ist fle Leute fast genauso mysteriie "agnete, denn man sieht und hihn nicht. Dabei ist das Phmen Elektrizitrelativ leicht erklar. Nachfolgend erfahren Sie in einfachen Worten, was Strom ist, wie die Leitung von Strom funktioniert und wie Strom "hergestellt" wird.
Was ist elektrischer Strom?
Wie Ihnen sicherlich bekannt ist, hat Strom mit Elektronen zu tun. Elektronen selbst sind extrem kleine Elementarteilchen, die alle die absolut gleiche negative Ladung besitzen. Von elektrischem Strom redet man dann, wenn Elektronen sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Genaugenommen reicht schon ein einzelnes Elektron. Nehmen wir einmal an, im luftleeren Raum bewegen sich einige Elektronen, z.B. wie in Bild 1 auf einer bestimmten Bahn, dann flie entlang dieser Bahn elektrischer Strom.
Bild 1: Elektronenbewegung / Elektrischer Strom
Jetzt werden Sie sich vielleicht wundern: Stromfluohne elektrischen Leiter? Ja genau; der elektrische Strom ist nicht notwendigerweise z.B. an eine Kupferleitung gebunden, wie Ihnen in der Natur vorkommende Blitze bestgen. Und in Fernsehgern werden Elektronen im Vakuum in Richtung Mattscheibe regelrecht geschossen. Es w zwar logisch, den Stromfluso zu definieren, daer in der Richtung der sich bewegenden Elektronen erfolgt. Aufgrund historischer Irrtman dachte vor langer Zeit, der Stromflubasiere auf der Bewegung positiv geladener Teilchen) wurde der Stromfluaber umgekehrt zur Bewegungsrichtung der Elektronen definiert und bis heute beibehalten. Strom flie daher vom Pluspol einer Spannungsquelle zum Minuspol, wend die den Strom verursachenden Elektronen vom Minus- zum Pluspol flien. Strom ist daher genaugenommen etwas Virtuelles, wend die Elektronen echte Teilchen sind. Fazit: Unter elektrischem Strom versteht man sich in eine bestimmte Richtung bewegende Elektronen bzw. ganz allgemein gesprochen elektrisch geladene Teilchen.
Stromfluim elektrischen Leiter
Wenngleich ein Stromfluproblemlos auch im Vakuum mch ist, verwendet man erweise elektrische Leiter, um Strom von einem Ort an einen anderen zu leiten. Sehr gut geeignet hierfd Metalle. Der Grund liegt darin, daim festen Aggregatzustand der Metalle deren Atome eine sogenannte Metallbindung eingehen. Dies bedeutet, dajedes Atom einige seiner Elektronen sozusagen in einen gemeinsamen Fonds abgibt. Diese Elektronen sind keinem Atom fest zugeordnet, sondern schwirren wie ein Gas zwischen diesen her. Die Atomreste ohne diese Elektronen sind positiv geladen. Man bezeichnet sie daher als Ionen. In Bild 2 sind sie in grarbe dargestellt. Eine wesentliche Eigenschaft der Metalle ist, daderen Ionen regelmg angeordnet sind, d.h. ordentlich in Reih' und Glied. Um diese Ionen herum schwirren die blau dargestellten freien Elektronen herum, die aufgrund ihrer negativen Ladung wie Klebstoff zwischen den positiv geladenen Metallionen wirken, so dadiese sich nicht abston (gleiche Ladungen ston sich ja bekanntlich ab).
Bild 2: Freie Elektronen im Metallgitter (Momentaufnahme)
Durch diese Eigenschaft sind in Metallen sehr leicht bewegliche Elektronen vorhanden. Wenn man nun einen Draht nimmt und salopp gesprochen an einem Ende Elektronen hineindrverdrt man damit die dort vorhandenen Elektronen, da sich ja gleiche Ladungen abston. Diese Elektronen verdren ihrerseits weiter hinten befindliche Elektronen usw., so dadie vorne hineingedr Elektronen sehr schnell dafgen, daam anderen Ende ein Elektronenhuentsteht. Ein metallischer Draht wirkt also fktronen ungef so wie ein bereits mit Wasser gef Rohr fsermolekenn man vorne Wasser hineinflien l, lt es hinten sofort heraus. In einem Punkt hinkt jedoch der Vergleich: Aus einem Staht laufen die Elektronen nicht heraus, wenn man es irgendwo hinlegt.
Strom und Spannung
Wichtige Kenngr des elektrischen Stroms sind Strom (genaugenommern Stromste) und Spannung. Die Mainheit f Stromste ist Ampere und wird mit "A" abgekwend die Spannung in Volt d.h. "V" angegeben wird. Man kann sich diese Kenngr am einfachsten dadurch verdeutlichen, daman einen Vergleich mit einem Wasserrohr zieht. Die Stromste beschreibt die Menge der durchflienden Elektronen pro Zeiteinheit, im Vergleich also die durchfliende Wassermenge pro Zeiteinheit. Die Spannung beschreibt hingegen, um den Vergleich zu bemunter welchem Druck das Wasser steht. Wie beim Wasser auch, kann eine hohe Spannung vorhanden sein (= hoher Wasserdruck), ohne daein Strom flie (= Hahn zugedreht). Andererseits kann bei einem schon sehr geringen Druck eine sehr hohe Wassermenge pro Zeiteinheit flien, wie es gre Flemonstrieren. Beim elektrischen Strom ist das nicht anders.
Gleich- und Wechselstrom
Wenn die Elektronen nur in eine Richtung flien, spricht man von Gleichstrom. In der Praxis d Ihnen als Gleichstromquellen Batterien und Akkumulatoren in verschiedenen Ausfsformen gelig sein aber auch sogenannte Netzger. Von Wechselstrom spricht man dann, wenn in einem vorgegebenen Takt die Elektronen fe bestimmte Zeit in die eine, dann in die andere Richtung flien. Bekanntestes Beispiel fe Wechselstromquelle ist die Steckdose, die Teil einer 230-Volt-Installation (fr20 Volt) ist. Auf den ersten Blick mag es schwachsinnig erscheinen, Strom mal in die eine und kurz darauf in die andere Richtung zu schicken. Dies ist aus technischer Sicht aber erforderlich, weil man nur bei Wechselstrom Spannungen einfach transformieren kann. erlandleitungen arbeiten z.B. mit 380000 Volt (=380 kV), wend Hauptverteilungsstre in der Stadt mit 10000 oder 20000 Volt (=10 kV bzw. 20 kV) und das Ihnen bekannte "Lichtnetz" mit 230 Volt betrieben werden. Diese Spannungen muman ineinander umwandeln, was bei Wechselstrom leicht und fast verlustlos mit einem Transformator erfolgen kann, bei Gleichstrom in direkter Form aber upt nicht mch ist.
Stromkreis
Elektronen kann man nicht einfach aus dem Nichts heraus erzeugen, weshalb der weitverbreitete Begriff Stromquelle im eigentlichen Sinne des Wortes nicht richtig ist. Auch Wasser wird ja nicht erzeugt, sondern z.B. dem Grundwasser entnommen und durch eine Pumpe in das Wasserversorgungsnetz eingespeist. Das z.B. aus einem Hahn ausfliende Wasser flie auf einem langen Weg ins Meer und dann via Wolkenbildung und Regen wieder zurs Grundwasser und damit zur Pumpe. Beim Strom ist es sehr lich: Man kann lediglich die in einem Material vorhandenen Elektronen durch geeignete Maahmen (genaueres folgt gleich) dazu bewegen, in eine bestimmte Richtung zu flien. Im Gegensatz zu Wasser gibt es kein dem Grundwasser entsprechendes Elektronenreservoir, dem man zuerst einmal Elektronen entnehmen kann und das man zu einem spren Zeitpunkt wieder auffBeim Strom muman sofort nachf Dies erreicht man sehr leicht dadurch, daman die Elektronen nicht wie das Wasser erschiedene Umwege zurfen l, sondern einen speziell dafgerichteten Ral vorsieht, d.h. einen weiteren Draht. Zudem sollte der Strom keine undefinierten Re einschlagen, da hohe Spannungen fsch und Tier geflich sein kn.
Bild 3: Stromkreis
In Bild 3 sehen Sie links eine Stromquelle, die die Spannung U1 zur Verfstellt. Der positive Pol der Stromquelle ist inen Schalter an einen Verbraucher gefnd von dort zur den Minuspol der Stromquelle. Als elektrischen Verbraucher kn Sie sich beispielsweise ein Heizelement oder eine Gle vorstellen. In diesem ston die Elektronen auf leichten Widerstand beim Hindurchbewegen und geben so Energie ab. Dadurch erhitzt sich das Material. Bei einer Gle wird die Weerzeugung derart auf die Spitze getrieben, dadas Material weilwird und so Licht emittiert. Ist der Schalter offen, flie kein Strom I1. Denn die Elektronen stehen zwar sozusagen "unter Druck", kn aber die elektrischen Leitungen nicht verlassen. Damit kn sie nirgendwohin flien, wodurch auch kein Strom flien kann. Der Schalter ke auch in der unteren Leitung liegen, denn dessen Position ist egal. Wichtig ist nur, dader Stromkreis an mindestens einer Stelle unterbrochen werden kann. Am Verbraucher liegt bei geetem Schalter mangels Stromquelle die Spannung U2 = 0 V, wodurch auch kein Strom durch den Verbraucher flien kann, d.h. I2 = 0 A.. Schlie man den Schalter, ern sich schlagartig die Verhnisse. Da die Leitungen (wenigstens im Idealfall) keine Spannung "verbrauchen", ist die Spannung U2 am Verbraucher identisch mit U1. Und weil keine Elektronen aus der Leitung auf dem Weg zum Verbraucher verloren gehen (analog zu einer dichten Wasserleitung), ist der Strom I1 auch genauso growie I2. Was Sie vielleicht schen wird, ist die Tatsache, dader Strom I3 ebenfalls so growie I1 bzw. I2 ist. Dies ist aber bei nrer Betrachtung ganz logisch: Auch elektrische Verbraucher verbrauchen d.h. vernichten selbstverstlich keine Elektronen. Vielmehr wandeln sie nur die Bewegungsenergie der Elektronen um, und zwar z.B. in We bei einem Heizelement bzw. We und Licht bei einer Gle. Dies hat zur Folge, dahinten bei jedem Verbraucher genausoviele Elektronen herauskommen wie vorne reingesteckt werden. Und gleiche Elektronenmenge pro Zeiteinheit bedeutet gleiche Stromste. Damit ist auch die Forderung erfdaalle Elektronen zurr Stromquelle flien m
Dynamo / Generator
Als Stromlieferanten kennen Sie sicherlich die Generatoren in den Kraftwerken, die eine meist durch Turbinen erzeugte Drehbewegung dazu benutzen, Elektronen in die richtige Richtung abzulenken. Hierbei wird ausgenutzt, dasich Elektronen im Magnetfeld ablenken d.h. in eine Richtung dirigieren lassen, wenn man einen Stromleiter in ein Magnetfeld hinein- und wieder herausbewegt. Mehr en Zusammenhang zwischen Strom und Magnetfeldern kn Sie in "agnete nachlesen. Vom Prinzip her funktioniert ein Generator im Kraftwerk wie ein einfacher Farraddynamo. Der grundslicher Aufbau eines Gleichstromgeneratores ist in Bild 4 dargestellt.
Bild 4: Aufbau eines Gleichstromgenerators
Ein Gleichstromgenerator besteht aus einem U-fgem Permanentmagneten (rot-blau), zwischen dessen Enden im Magnetfeld sich eine Spule befindet, die um die Lsachse drehbar gelagert ist. Auf der Drehachse befindet sich ein Kommutator (orange/grer mit 2 feststehenden Schleifern (violett) abgetastet wird. Der Kommutator ist auf der linken Seite zuslich in Frontansicht dargestellt. Es handelt sich um eine dicke Metallscheibe, deren beiden Hten durch einen grgestellten Isolator voneinander getrennt sind. Die beiden Spulenenden sind mit je einer Scheibenhte verbunden. Der Kommutator dreht sich zwischen den feststehenden Schleifern, an die die Stromleitungen angeschlossen sind, welche an die Anschluontakte 1 und 2 gefind. An diese wird dann der elektrische Verbraucher wie z.B. eine Gle angeschlossen. Wenn Sie verstanden haben, was Magnetfelder, Elektronen und Bewegung miteinander zu tun haben (siehe "agnete), ist die Funktionsweise eines Generators schnell erkl: Das Innenleben des Generators, d.h. die Spule incl. Kommutator werden zur Stromerzeugung in Drehung versetzt. Die Spule dreht sich in einem konstanten Magnetfeld, welches vom Permanentmagneten erzeugt wird. Durch die Drehung ert sich das effektiv durch die Spule fliende Magnetfeld, weil sich die wirksame Fle der Spule ert wie in Bild 5 dargestellt.
Bild 5: Wirksame Fle
Wegen dieser derung des effektiven Magnetfelds im Verlaufe einer Drehung werden in der Spule die Elektronen in eine Richtung abgelenkt und damit ein Strom induziert. Dadurch ergibt sich in der Spule ein Strom mit dem in Bild 6 oben dargestellten Verlauf. Nun kommt der Kommutator ins Spiel: Nach einer halben Umdrehung vertauscht er die Spulenanschlu den Anschluontakten 1 und 2. Damit wird alle halbe Umdrehung der Strom umgepolt. Als Ergebnis erh man daher an den Anschluontakten den in Bild 6 unten dargestellten Stromverlauf, d.h. einen pulsierenden Gleichstrom. L man hingegen den Kommutator weg und schlie die beiden Spulenenden an zwei getrennte Schleifringe an, erh man Wechselstrom. Gre Generatoren mit optimierter Auslegung besitzen einen extrem hohen Wirkungsgrad, der in gron Kraftwerken nur ganz geringfnter 100% liegt.
Bild 6: Stromverlauf
Andere bekannte Stromquellen sind beispielsweise Batterien, bei denen auf chemischem Wege ein Stromfluerzeugt wird und die nach Gebrauch weggeworfen werden m und "Akkumulatoren, die man im Gegensatz zu Batterien wieder aufladen kann. Beide sind daher eher als Stromspeicher zu sehen. Auf den ersten Blick eine echte Stromquelle ist hingegen die Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff und Sauerstoff auf "kaltem" Wege zu Wasser reagieren und die frei werdende Energie nicht wie bei der Verbrennung in We umgewandelt sondern als kinetische Energie den Elektronen zugefird, so daein Stromfluentsteht. Freier Wasserstoff kommt in der Natur kaum vor, sondern mudurch elektrische Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse) erzeugt werden, so dadie Brennstoffzelle als saubere Lg zur groirtschaftlichen Energieerzeugung nicht in Frage kommt. Weiterhin bekannt sind Solarzellen (das sind grolige Fotodioden), bei denen das eintreffende Licht teilweise seine Energie an die Elektronen abgibt, so daauch hier ein Stromfluzustande kommt. Leider ist der Wirkungsgrad sehr gering. Aus diesen Grwerden zur Stromerzeugung fast ausnahmslos Generatoren verwendet.
CCInfo wird unterston "trompreise vergleichen koennen Sie bei strom.idealo.de
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