Elektrischer Strom

Aufbau eines einfachen elektrischen Stromkreises

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Elektrischer Strom erhitzt die Drähte eines Haarföns ebenso wie die Elektronenkanone in einer Fernsehröhre oder die Hochspannungsleitungen von Kraftwerken - was unter Umständen zu kostspieligen Energieverlusten führt. Doch Strom liefert jedoch mehr als nur Wärmeenergie. Die Leistung eines Elektromotors beruht auf dem Magnetfeld, das einen stromdurchflossenen Draht umgibt. Elektromagnetische Wellen können Informationen übertragen; Ströme, die durch Salzlösungen fließen, bewirken die chemische Aufspaltung von Verbindungen. Nahezu alle Stoffe (abgesehen von "Supraleitern") setzen aber dem elektrischem Strom einen Widerstand entgegen. Damit überhaupt ein Strom fließt, muss zwischen den Polen einer Energiequelle, zum Beispiel einer Batterie oder eines Generators, eine elektrische Spannung vorhanden sein.

Elektrischer Strom ist eine Bewegung geladener Teilchen. Bei vielen leitfähigen Stoffen handelt es sich dabei um Elektronen, die sich im Inneren eines metallischen Kristallgitters frei zwischen den Atomen bewegen können. Diese Eigenschaften weisen alle Metalle in fester und in flüssiger Form auf. So genannte Isolatoren wie beispielsweise die meisten Kunststoffe lassen dagegen normalerweise keinen Stromfluss zu. Bei starker Erwärmung gehen Metalle in den gasförmigen Zustand über. Sie liegen dann als Einzelatome vor, die gebundene Elektronen mit sich führen. Da keine freien Elektronen existieren, wird auch kein Strom übertragen. Allerdings kann ein Gas unter besonderen Bedingungen als Leiter fungieren. In einer Quecksilber-Dampflampe zum Beispiel befindet sich Quecksilberdampf unter sehr niedrigem Druck. Legt man eine hohe Spannung an die Röhre, brechen die Gasmoleküle auseinander. Dadurch werden Elektronen frei, die geringe Mengen Strom transportieren können.

Ein Objekt, das angehoben wird, erwirbt eine der Höhe entsprechende potenzielle Energie. Ist es einmal losgelassen, wird die Energie frei, während es auf den Boden fällt. Die Aufgabe einer Batterie in einer Schaltung ist es, das elektrische Potenzial an einem Anschluss gegenüber dem anderen zu erhöhen. Elektrischer Strom bewegt sich von Bereichen hohen Potenzials zu Bereichen niedrigeren Potenzials, ähnlich wie ein Objekt unter dem Einfluss der Schwerkraft zu Boden fällt. Werden also die beiden Enden einer Batterie mit einem Stück Draht oder einem anderen Leiter verbunden, fließt Strom von einem Anschluss zum anderen. Der Potenzialunterschied zwischen den Anschlüssen der Batterie wird als Spannung bezeichnet und in Volt gemessen. Wie viel Strom durch eine elektrische Schaltung fließt, wenn eine bestimmte Potenzialdifferenz besteht, hängt vom Widerstand der Schaltung ab. Je größer der Widerstand, desto kleiner der Strom und umgekehrt. Dies ist in vereinfachter Form das Ohm’sche Gesetz.

Fließt Strom durch einen Leiter, wird Energie benötigt, um den Widerstand des Leiters zu überwinden. Dieser Widerstand wird in Ohm gemessen. Er setzt elektrische Energie in Wärmeenergie um. Deshalb heizen sich elektrische Geräte auf – ein bis auf spezielle Anwendungen unerwünschter Effekt. Ein Stromfluss lässt sich nur bei gleich bleibender Energiezufuhr durch eine Batterie oder einen Generator aufrechterhalten. Diese Geräte erzeugen eine in Volt messbare Spannung, die an einen Widerstand angelegt werden muss, damit überhaupt ein Strom fließen kann. Dabei wandern die Elektronen außerhalb der Spannungsquelle vom Elektronenüberschuss zum Elektronenmangel, also vom negativen Pol, der Elektronenquelle, zum positiven Pol. Der elektrische Widerstand mancher Materialien, den so genannten Supraleitern, verschwindet unter extremen Bedingungen. Dies geschieht bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts, also knapp oberhalb von -273,15°C. Inzwischen sind auch Hochtemperatur-Supraleiter gefunden worden, die schon bei rund -140 °C ihren elektrischen Widerstand verlieren.

Ein einziges Elektron überträgt eine winzige elektrische Ladung, doch ist die Anzahl der Elektronen auch in den kleinsten geladenen Stoffen sehr hoch. Rund 10¹⁸ Elektronen zusammen, das sind eine Milliarde mal eine Milliarde Teilchen, entsprechen einer Ladung von einem Coulomb. Ein Stück Draht ist jedoch elektrisch neutral, da die gesamte negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird. Einem Strom von einem Ampere entspricht einem Ladungs-Fluss von einem Coulomb pro Sekunde. Im Stromkreis einer Autodeckenbeleuchtung beispielsweise bewegen sich daher pro Sekunde viele Milliarden Elektronen an jedem Punkt der Leitung vorbei. Strom lässt sich jedoch nicht nur über die Anzahl der fließenden Elektronen messen; man kann seine Größe zum Beispiel auch anhand seiner magnetischen Wirkung bestimmen. Bestimmte Strom-Messgeräte oder Amperemeter ähneln einem Elektromotor. Elektrischer Strom fließt durch eine Drahtspule, die an einer Spindel zwischen den Polen eines Magneten befestigt ist. Die Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetfeld erzeugt eine Drehwirkung auf die Drahtspule, die eine Nadel entlang einer Skala bewegt. Der Drehkraft wirkt eine an der Spindel angebrachte Feder entgegen, die mit zunehmender Bewegung des Zeigers eine immer größere Kraft ausübt. Da die auf die Spule wirkende Kraft proportional zu dem sie durchfließenden Strom ist, zeigt die Auslenkung der Nadel die Stärke des Stromes an.

Galvanische Elemente, meist nicht ganz korrekt als Batterien bezeichnet, sind Quellen der so genannten elektromotorischen Kraft. Die meisten galvanischen Elemente machen sich die chemische Reaktion zwischen zwei Elektroden zunutze, bei der sich eine positive und eine negative Ladung aufbauen. Sobald ein Stromkreis zwischen ihnen geschlossen ist, werden die Elektronen von der positiven Elektrode aufgenommen und von der negativen Elektrode abgegeben und halten so den Stromfluss aufrecht. Eine einfaches galvanisches Element kann durch Kupfer- und Zinkelektroden in wässriger Schwefelsäure hergestellt werden. Unter Einwirkung der Säure löst sich das Zink, tritt als positive Ionen in die Lösung ein und gibt dabei Elektronen ab, so dass sich die Zinkelektrode negativ auflädt. Elektronen der Kupferelektrode werden von Wasserstoffionen der Säure aufgenommen; die Kupferanode wird dabei positiv aufgeladen: Eine an den Stromkreis angeschlossene Glühbirne leuchtet auf.

Elektronen erzeugen nicht nur durch ihre Drehbewegungen im Atom magnetische Felder. Auch ein Fluss aus Milliarden von Elektronen - der elektrische Strom - bewirkt ein magnetisches Feld. Dieses im 19. Jahrhundert von Michael Faraday beobachtete Phänomen bezeichnet man als "Elektromagnetismus". Das Magnetfeld um einen geraden Draht besteht aus geschlossenen konzentrischen Kraftlinien, deren Mittelpunkt innerhalb des Drahtes liegt. Diese Form lässt sich technisch kaum ausnutzen. Wird der Draht dagegen zur Spule gewunden, entsteht durch die Wechselwirkung der Felder der einzelnen Wicklungen ein Feld, das dem eines Stabmagneten gleicht, jedoch nach Belieben an- und ausgeschaltet werden kann. Um das Magnetfeld der Spule zu verstärken, erhalten solche Elektromagnete einen Eisenkern. Sie dienen dann zum Beispiel auf Schrottplätzen als Lastenheber. Auch Elektromotoren und Generatoren basieren auf elektromagnetischen Kräften.

Elektromotor: Prinzip nach Michael Faraday

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Ebenso wie die Pole zweier Magnete können sich die Magnetfelder eines stromdurchflossenen Drahtes und eines Magneten gegenseitig abstoßen. Elektromotoren arbeiten mit diesem Effekt. Eine unter Strom stehende Drahtschleife wird hier an einer Spindel in einem Magnetfeld angebracht. Die bei Stromfluss auf den entgegengesetzten Seiten der Spule entstehenden magnetischen Felder erzeugen durch die Wechselwirkung mit dem vorhandenen Magnetfeld eine Drehbewegung. Die meisten in der Technik eingesetzten Elektromotoren arbeiten mit mehreren Spulen, wobei nur die jeweils senkrecht zum magnetischen Feld stehende unter Strom gesetzt wird, um eine annähernd konstante Drehwirkung zu gewährleisten. Einige Elektromotoren funktionieren mit Gleichstrom, andere mit Wechselstrom. Elektromotoren sind besonders effizient, da sie über 70% der eingesetzten Energie in Drehkraft umwandeln.

Bei Stromfluss erzeugt ein Elektromotor eine Drehbewegung; ein Generator funktioniert genau umgekehrt. Er besteht prinzipiell aus denselben Bauteilen wie ein Elektromotor, doch erzeugt – oder "induziert" – hier ein Magnetfeld, in dem sich eine Drahtspule bewegt, in ihr einen elektrischen Strom. Auf diese Weise lässt sich Bewegungsenergie in elektrischen Strom umwandeln. Große Generatoren erzeugen so sehr viel elektrische Energie. Drahtspulen lassen sich auch verwenden, um eine Wechselspannung zu erhöhen oder zu verringern. Fließt ein Wechselstrom durch eine um einen Eisenkern gewickelte Spule, wird ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt. Die Höhe der Spannung, die dadurch in einer zweiten um den Eisenkern gewickelten Spule gewonnenen wird, verhält sich proportional zu ihrer Windungszahl. Nach diesem Prinzip arbeitet der "Transformator".

Die Batterie in einer Taschenlampe hält bis sie erschöpft ist eine stetige Spannung aufrecht, die einen Strom durch den Glühfaden der Birne fließen lässt. Er bewegt sich immer in eine Richtung und wird als Gleichstrom bezeichnet. Haushalte werden dagegen mit Wechselstrom versorgt. Eine 50 Mal in der Sekunde von positiv zu negativ und zurück wechselnde Spannung bewirkt hier einen genauso schnell schwingenden Strom. Die beiden Stromarten haben verschiedene Anwendungen: Gleichstrom wird von den meisten empfindlichen elektronischen Geräten benötigt, während Wechselstrom zur Leistungsübertragung über größere Entfernungen und für kräftige Elektromotoren verwendet wird.

Radios und andere Geräte sind häufig für den Betrieb mit Batterien, die eine niedrige Gleichspannung liefern, ausgelegt. Will man das Radio am Stromnetz betreiben, muss die hohe Spannung des Netzes heruntertransformiert und danach in Gleichstrom verwandelt werden. Diese Umwandlung geschieht mit Hilfe von Dioden (Halbleiterbauelementen), die Strom nur in eine Richtung durchlassen. Der Wechselstrom des Stromnetzes im Haushalt ändert ständig seine Richtung. Wird er durch eine Diode geleitet, kann nur eine Halbschwingung des Stroms passieren. Der sich ergebende Strom fließt nur in eine Richtung. Die andere Hälfte des Stroms wird von der Diode vollständig blockiert. Dieser Vorgang wird als "Halbwellengleichrichtung" bezeichnet. Eine spezielle Anordnung von vier Dioden ermöglicht die "Vollwellengleichrichtung": Beide Halbschwingungen des Stroms können ausgenutzt werden und führen zu einer höheren Gleichstromausbeute.

Dreht sich ein Magnet in einer Drahtspule, wird eine elektrische Wechselspannung erzeugt. Eine Autolichtmaschine und ein Generator eines Elektrizitätswerks arbeiten nach demselben Prinzip - allerdings liefert ein Kraftwerks-Generator wesentlich höhere Spannungen. Sein Rotor ist ein Elektromagnet, gespeist von Gleichstrom aus der Erregermaschine, und dreht sich mit 3000 bis 15 000 Umdrehungen pro Minute. Strom erhält er durch Gleitkontakte oder Bürsten aus Graphit, einer Form des Kohlenstoffs, die Strom gut leitet und deren Reibungswiderstand gering ist. Der Rotor induziert eine Wechselspannung von 22 000 Volt in den drei Sätzen von Spulenwindungen aus massivem Kupfer. Diese laufen durch den schichtweise aufgebauten Stator, der aus dünnen Eisenplatten mit einer isolierenden Lackschicht zur Vermeidung von gefährlichen Wirbelströmen aufgebaut ist. Die 10 000 Ampere des erzeugten Stroms verursachen in den Windungen sehr viel Wärme. Kühlwasser kreist deshalb durch den Generatorkern. Zusätzlich blasen Ventilatoren von beiden Seiten Wasserstoffgas durch den Rotor, um so dessen Abwärme abzuführen.

In den kalten Wintermonaten liegt der Verbrauch naturgemäß höher als im Sommer. Auch übersteigt der Energiebedarf in der Vorabendzeit den der frühen Morgenstunden. Manchmal nimmt er sogar von einer Minute zur nächsten zu, wenn zum Beispiel Millionen von Zuschauern eine beliebte Fernsehsendung einschalten. Verteilersysteme berücksichtigen diese verschiedenen Zyklen und stellen sicher, dass zusätzliche Kapazität auch kurzfristig bereitsteht. Die größten Kraftwerke erbringen ihre Spitzenleistung erst nach Stunden oder gar Tagen und bleiben daher ständig in Betrieb. Steigt der Bedarf, liefern zusätzliche Gasturbinen-Generatoren binnen Minuten bis zu 200 Megawatt Leistung. Zeitweilig kann die erzeugte Strommenge den Verbrauch übersteigen. Keine Batterie wäre in der Lage, einen solchen Energieüberschuss zu speichern. In einem Pumpspeicherwerk wird der überschüssige Strom verwendet, Wasser aus einem tiefer gelegenen Becken in ein höheres zu pumpen. Nimmt der Bedarf, etwa in den Abendstunden, plötzlich zu, steht die Wasserkraft hier unmittelbar zur Verfügung. Das Wasser schießt durch Rohrleitungen abwärts in die Turbine. Diese treibt einen Generator an, der so auf Abruf Strom erzeugt. Um den schwankenden Strombedarf eines Landes zu decken, schließen sich alle Kraftwerke und städtischen Zentren gewöhnlich zu einem nationalen Verbundnetz zusammen.

Strom erwärmt den Leiter, durch den er fließt und verbraucht dabei Energie. Transformatoren kommen zum Einsatz, um den Energieverlust auf dem langen Weg zwischen Kraftwerk und Verbraucher zu verkleinern. Sie wandeln den Strom der Kraftwerke, der sich durch hohe Stromstärke und niedrige Spannung auszeichnet, in Strom mit niedriger Stromstärke und hoher Spannung um. Insgesamt besitzt das Stromnetz, das uns über die Steckdose mit elektrischer Energie versorgt, eine hierarchische Gliederung. Im Wesentlichen lassen sich vier Spannungsebenen unterscheiden. Lange Strecken zwischen zehn bis zu mehreren hundert Kilometern werden durch Höchst- (220 000/380 000 Volt) und Hochspannungsleitungen (110 000 Volt) überbrückt. In den Umspannanlagen werden die Hochspannungen auf 20 000 Volt heruntertransformiert, um dann auf entsprechenden Mittelspannungsleitungen in verschiedene Stadtgebiete geleitet zu werden. In einer Ortsnetz- oder Trafostation wird die Spannung schließlich auf die 400 Volt herabgesetzt, mit der sie unsere Hausanschlüsse erreicht. Dort werden 230 Volt für die Steckdosen ausgekoppelt. Pro Ortsnetzstation werden bis in mehrere hundert Meter Entfernung einige zehn bis einige hundert Haushalte mit Strom versorgt.