GRUNDLAGEN zum Thema 'STROM'

I. STROMKREIS

1. Ladung, Strom und Spannung

In einer "Taschenlampe" bilden die Batterie , das Glühlämpchen, die Kabelverbindungen und der Schalter einen Stromkreis. Ist der Schalter geschlossen, so fließt elektrischer Strom, die Lampe leuchtet. Dabei bewegen sich Elektronen durch den Draht. Um die Vorgänge beschreiben zu können, muß man elektrische Größen einführen und ihre Beziehungen zueinander kennenlernen.

Elektrische Ladung

Atome bestehen aus dem Atomkern und der Atomhülle. Im Kern befinden sich Neutronen und Protonen, in der Hülle Elektronen.

Elektronen und Protonen tragen Ladungen, die gleich groß aber entgegen­gesetzt sind. Der Betrag dieser Ladung heißt Elementarladung e.

Beispiele für die Ladungen einiger Teilchen:

Für Ladungen gilt folgendes Gesetz:

Gesetz von der Erhaltung der Ladung

In einem abgeschlossenem System bleibt die Summe der elektrischen Ladung stets gleich.

Lange Zeit nahm man an, daß Ladungen nur als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung auftreten. Die Ladungsgröße von elementarsten Teilchen (Quarks) wurde als  (bzw.) der Elementarladung bestimmt - allerdings können Quarks nicht einzeln beobachtet werden, sondern bilden zusammen Elementarteilchen mit ganzzahligen Ladungen bzw. mit Ladung Null (Neutronen)

Die elektrische Ladung tritt meßbar nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung auf.

Die elektrische Ladung tritt gequantelt auf. Diese Quantelung der Ladung macht sich vor allem im atomaren Bereich bemerkbar. In der Elektronik und im Alltag treten so große Ladungsmengen auf, daß die Ladungen kontinuierlich erscheinen.

Elektrische Stromstärke

Bewegen sich elektrische Ladungen, so spricht man von elektrischem Strom. Fließen in jeder Sekunde gleich viele Ladungen in gleicher Richtung durch einen elektrischen Leiter, so spricht man von einem stationären elektrischen Strom oder von Gleichstrom. In diesem Fall ist die durch den Leiter fließende Ladungsmenge DQ zur verstrichenen Zeit Dt direkt proportional:

DQ=I Dt

Der Proportionalitätsfaktor ist die elektrische Stromstärke I. Für sie ergibt sich:

Elektrische Stromstärke

I          Elektrische Stromstärke

DQ Ladungsmenge, die durch den Leiter fließt

Dt dazu benötigte Zeit

Im internationalen Maßsystem (SI) ist die elektrische Stromstärke als Basisgröße festgelegt:

Die Einheit der elektrischen Stromstärke I heißt

1Ampere=1A

Einheit: [I]=1A (Basisgröße des SI

Die Größe der elektrischen Stromstärke wird mit Strommeßgeräten (Amperemeter) bestimmt.

Mit Hilfe der Einheit für die elektrische Stromstärke wird die Einheit für die Ladung festgelegt:

Die Ladungsmenge, die in einer Sekunde bei einer Stromstärke von einem Ampere durch den Leiter fließt, heißt

1 Coulomb=1C

Einheit: [Q]=1C=1As

Für die Elementarladung e gilt:

Elektrische Spannung

Im Stromkreis der eingeschalteten Taschenlampe verrichtet die Batterie Arbeit an den fließenden Elektronen. Die Arbeit, die zum Verschieben einer Ladungsmenge von 1C von einem Pol der Batterie (allg. vom Punkt A) zum anderen Pol der Batterie (allg. zum Punkt B) notwendig ist, heißt elektrische Spannung (zwischen den Punkten A und B) Die Arbeit pro 1C Ladungsmenge erhält man, wenn man die Arbeit W beim Verschieben einer Ladung Q durch die Ladung Q dividiert:

Elektrische Spannung

U Elektrische Spannung
W Arbeit
Q Ladung

Einheit: [U]==1V (Volt)

Die Größe der elektrischen Spannung wird mit Spannungsmeßgeräten (Voltmeter) bestimmt.

Beispiele für verschiedene Spannungswerte:

Bemerkung:

1.) Eine Spannung kann ähnlich wie die potentielle Energie nur zwischen 2 Punkten angegeben werden, also beispielsweise als Spannung zwischen zwei Polen einer Batterie oder als Spannung zwischen einer Hochspannungsleitung und der Erde u.ä.

2.) In atomaren Bereichen treten Energien von sehr kleiner Größenordnung auf. Daher verwendet man häufig die Energieeinheit eV (Elektronenvolt), um kleine Energiemengen besser angeben zu können:

1eV ist jene Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1V erhält:

1eV=1,6×J

Stromarbeit und Stromleistung

Die Elektronen wechselwirken bei ihrer Bewegung durch den ständig mit den Gitteratomen und geben einen Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Dadurch wird die thermische Bewegung der Gitteratome heftiger, der Leiter wird erwärmt (Joulesche Wärme).

In Verbrauchern wird die Energie in andere Energieformen umgesetzt (z.B. mechanische Energie bei einem Elektromotor)

Die Arbeit, die der elektrische Strom verrichten kann, entspricht der Energie, die in den einzelnen Ladungsträgern "gespeichert" ist. Demzufolge gilt:

W=U×DQ

W.. Arbeit

U Spannung (Energie pro Ladungseinheit)

DQ Ladungsmenge, die durch den Leiter fließt

Die Ladungsmenge DQ ergibt sich daraus, wie lange ein Strom mit der Stärke I durch den Leiter fließt:

DQ=I Dt

Damit ergibt sich:

Für die elektrische Leistung folgt wegen :

(Vorsicht! Verwechsle nicht Arbeit W mit der Einheit Watt W.)

II Elektrischer Widerstand

Das Ohmsche 'Gesetz'

Georg Simon Ohm (1787-1854) fand 1826 einen Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung.

Die Elektronen werden bei ihrer Wanderung durch den Leiter durch Stöße gegen die Gitteratome ständig abgebremst. Diese Behinderung wirkt der Bewegung der Energie entgegen. Daher tritt bei jeder Spannung eine ganz bestimmte Stromstärke auf:

I= bzw. U=R×I

Die Größe R heißt elektrischer Widerstand.

Bemerkung:

1.) Der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters ist gegeben durch:

R=

R Widerstand

l Länge des Leiters

A Querschnittsfläche des Leiters

r spezifischer Widerstand (abhängig von Temperatur und Material)

2.) Der Kehrwert des elektrischen Widerstandes R wird als Leitwert G bezeichnet:

G=, [G]=1S (Siemens)

Für die elektrische Leistung ergibt sich dann:

Der Spannungsabfall

Versuch:

Eine Wasserschale wird mit Wasser gefüllt. Darin wird etwas Kochsalz gelöst, damit das Wasser elektrischen Strom leitet. An den beiden Enden der Wasserschale werden zwei Metallplatten ins Wasser getaucht, an denen eine Spannung von 12V angelegt.

Mißt man die Spannungen, die zwischen einer Metallplatte und verschiedenen Entfernungen von ihr auftreten, dann stellt man folgendes fest:

Die Spannung ist um so größer, je größer die Entfernung von der Metallplatte ist. Diese Eigenschaft bezeichnet man als Spannungsabfall.

Der Spannungsteiler

Versuch:

Legt man an einen Schiebewiderstand eine Spannung von 10V an, und mißt man die auftretenden Spannungen beim Verschieben des Schleifkontaktes, dann bleibt die Summe der einzelnen Spannungen stets gleich der angelegten Spannung von 10V.

Da man durch geeignetes Verschieben des Schleifkontaktes eine beliebige Unterteilung der Gesamtspannung in zwei Einzelspannungen erreichen kann, bezeichnet man eine derartige Anordnung Spannungsteiler (Potentiometer).

Die Schaltung kann auch als Reihenschaltung (Serienschaltung) zweier Widerstände verstanden werden. Für die beiden Spannungen , die an den beiden Widerständen abfallen, gilt stets:

Widerstand eines drahtförmigen Leiters

Der Widerstand eines drahtförmigen Leiters hängt bei konstanter Temperatur von der Länge l, von der Querschnittsfläche A und dem Material ab.

Es gilt:

r bezeichnet man als spezifischen Widerstand. Der spezifische Widerstand hängt vom Material und von der Temperatur ab (d.h. bei unterschiedlichen Temperaturen hat der spezifische Widerstand unterschiedliche Werte).

Die Batterie und ihr Innenwiderstand

Eine Batterie besteht aus:

Zink            einem Elektrolyten (Ammoniumchlorid ) Kohle

Zink löst sich von selbst in der "Elektrolytflüssigkeit" auf. Die Zinkatome lassen Elektronen im Zinkmantel zurück und treten als positive Ionen in die Lösung ein.

Das bedeutet: Der Zinkmantel hat mehr negative Ladungen als der Kohlestab (d.h. es besteht ein Ladungsunterschied), zwischen dem Zinkmantel und dem Kohlestab besteht eine elektrische Spannung.

Elektronen können nun über einen äußeren elektrischen Leiter abfließen.

Im Zinkmantel gehen neue Zinkatome in Lösung (damit wird der Zinkmantel mit der Zeit zerstört). Die Elektronen, die im Kohlestab (von außen herum) ankommen, ziehen in der Lösung Zinkionen an sich.

Das bedeutet: Es fließen insgesamt zwei Ströme:

Elektronenstrom: durch einen äußeren Leiter (äußerer Widerstand)

Zinkionenstrom: im Inneren (durch einen inneren Leiter (innerer Widerstand))

Bei Stromfluß in einem Stromkreis muß auch im Inneren der Spannungsquelle Strom fließen. Dabei macht sich auch im Inneren ein Widerstand gegen den Ladungsfluß bemerkbar. Diesen Widerstand bezeichnet man als Innenwiderstand  der Spannungsquelle.

Man kann sich deshalb eine reale Spannungsquelle zusammengesetzt denken aus einer idealen Spannungsquelle (ohne Innenwiderstand) mit der Quellenspannung (Urspannung, Leerlaufspannung ), die mit dem Innenwiderstand  in Serie (Reihe) geschaltet ist.

Fließt kein Strom (unbelastete Quelle), dann ist die Spannung an den Anschlüssen der Spannungsquelle, die sogenannte Klemmenspannung  gleich der Urspannung .

Fließt ein Strom der Stärke I (belastete Quelle), dann tritt am Innenwiderstand die Spannung  auf, um die die Klemmenspannung sinkt. es gilt: .

In einem Stromkreis mit äußeren Widerstand R liegen der Innenwiderstand R_i und der äußere Widerstand R in Serie. Für die Stromstärke I gilt:

Der äußere Widerstand R setzt sich zusammen aus den Gerätewiderständen, Vorwiderständen und Leitungswiderständen. Die Leitungswiderstände sind meist vernachlässigbar klein.

Bemerkung

Leerlauf:              unbelastete Spannungsquelle

Kurzschluß: Die Klemmen der Spannungsquelle werden direkt miteinander verbunden. Es fließt der größtmögliche Strom (Kurzschlußstrom) mit .

Elektrischer Strom im Alltag

Man spricht von Gleichstrom (direct current, D.C.), wenn die Strömungsrichtung der Elektronen (Ladungsträger) gleichbleibt. Bei Wechselstrom (alternating current A.C.) ändert sich die Strömungsrichtung der Elektronen ständig. Obwohl Wechselstrom andere Eigenschaften als Gleichstrom aufweist, gelten dennoch grundsätzliche Gemeinsamkeiten. So gilt etwa das Ohmsche 'Gesetz'  gleichermaßen für Gleichstrom und Wechselstrom, die Formel für Stromleistung () ist für Gleichstrom und Wechselstrom ähnlich und die Kirchhoffschen Regeln sind auf Gleichstrom- und Wechselstromkreise anwendbar.

Gefahren beim Umgang mit elektrischem Strom

Im Alltag begegnet man Gleichstrom beispielsweise bei der elektrischen Modelleisenbahn oder auch im Computer (Prozessor, Halbleiter, usw.). Wegen der geringen Spannung und wegen der geringen Stromstärke besteht keine Gefahr bei Berührung. Leitungen hier sind häufig nicht isoliert.

Für die elektrische Anlage eines Autos liefert die Batterie eine Gleichspannung von 12 Volt. Diese Spannung ist grundsätzlich ungefährlich. In einigen Stromkreisen bzw. Kabeln (z.B. Starterkabel) treten aber hohe Stromstärken auf. Bei einem Kurzschluß ist die Erwärmung solcher Leiter so stark, daß ein Kabelbrand entstehen kann.

Das Verbrauchernetz in Europa ist i. a. ein Wechselstromnetz mit der Wechselspannung U=230V bzw. U=400V. Diese Spannungen sind lebensgefährlich!

Zum Beispiel werden allein in Österreich jährlich etwa 300 Stromunfälle gemeldet, davon verlaufen rund 10% tödlich. Ein Drittel der Unfälle entfällt auf das Berühren von Hochspannungsleitungen (Arbeiten auf Waggondächern im Bereich der Oberleitung in Bahnanlagen, unachtsames Tragen von Metalleitern in der Nähe von Hochspannungsleitungen, Hebekräne von LKW usw.). Im Haushalt passieren sehr viele tödliche Stromunfälle im Badezimmer: ein elektrisches Gerät (Heizlüfter, Radio, Haarfön, usw.) fällt in das Wasser und setzt den Badenden der Spannung aus.

Eine weitere Unfallursache stellen unsachgemäße Reparaturen von Elektrogeräten dar.

Trockene menschliche Haut weist einen Widerstand von etwa  auf (bei einer Kontaktfläche von einigen ). Dieser Widerstand sinkt bei Feuchtigkeit drastisch (); außerdem kommt es bei der Berührung eines spannungstragenden Teiles meist zu Verbrennungen und zur Zerstörung der Haut, wodurch der Widerstand der Haut weiter sinkt. Bei geringen Stromstärken (unter 1mA) ist lediglich ein elektrischer Schlag spürbar. Ab einer Stromstärke von etwa 10mA kommt es zu Schmerzempfindungen und Muskelkontraktionen. ("Mensch wird zurückgeschleudert", "Mensch kann sich nicht mehr lösen" usw.). Höhere Stromstärken (ab etwa 80mA) verursachen Atmungslähmungen und Rythmusstörungen der Herztätigkeit (Herzkammerflimmern; da der Blutkreislauf nicht aufrechterhalten bleibt, stirbt der Mensch wegen der fehlenden Sauerstoffversorgung des Gehirnes).

Hohe Stromstärken (über 1A) blockieren das Nervensystem und sind ebenfalls tödlich.

Jede Erste Hilfe bei Stromunfällen muß mit dem Abschalten der Spannung beginnen. Ist das nicht möglich, dann kann der Verletzte nur mit Hilfe von guten Isolatoren (z.B. trockenes Seil, trockene Holzteile, Gummihandschuhe, usw.) aus dem Gefahrenbereich gebracht werden. Arztliche Hilfe anfordern! Als weitere Erste Hilfe Maßnahmen können je nach Unfallsituation Atemspende und Herzmassage nötig sein.

Besondere Gefahren bestehen im Bereich von Freileitungen, insbesondere bei Hochspannungsleitungen. Dabei kann es bereits ohne Berührung zu einem Funkenüberschlag von der Freileitung zu der den Boden berührenden Person kommen. Besondere Gefahren bestehen bei Arbeiten im Bereich der elektrischen Anlagen im Bahngelände.