Kursangebot | Elektrotechnik | Elektrischer Strom

Elektrotechnik

Elektrischer Strom

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Ein Stoff besitzt nur dann eine elektrische Leitfähigkeit, wenn er bewegliche Ladungsträger enthält, die wiederum einen Ladungstransport ermöglichen. 

Kupfer als bevorzugtes Leitermaterial
Kupfer als bevorzugtes Leitermaterial

Tritt eine gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern auf, so bezeichnet man diesen Vorgang als elektrischen Strom. Der elektrische Strom kann zwei Ausprägungen haben:

  • Verschiebungsstrom in Nichtleitern (nicht kursrelevant),
  • Konvektionsstrom in Leitern.

Konvektionsstrom

Nachfolgend zeigen wir Ihnen die notwendigen Größen und Einheiten auf, die Sie zur Bestimmung von Konvektionsströmen in Leitern benötigen:

Physikalische Größe: Elektrische Stromstärke

Beim Gleichstrom wird die elektrische Stromstärke $ I $ angegeben. Diese besagt, in welchem Zeitraum $ t $ eine Ladungsmenge $ Q $ durch einen Leiterquerschnitt transportiert wird:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen $\ I = \frac{Q}{t} $.

Liegt eine zeitlich veränderliche Ladungsströmung vor, so passt man die Gleichung entsprechend an durch:

Methode

Hier klicken zum Ausklappen $\ I = \frac{\triangle Q}{\triangle t} $. 

Einheit: Ampere

Die Einheit in der die Stromstärke gemessen wird ist Ampere $ A $.

Methode

Hier klicken zum Ausklappen $ 1 A = 1 \frac{C}{s} = \frac{6,24 \cdot 10^{18} Elektronen}{Sekunde} $ 

Physikalische Größe: Stromdichte

Die zugehörige Stromdichte $ S $ [ältere Bezeichnung] oder auch $ J $ [Bezeichnung in der neueren Literatur] wird beschrieben durch:

  • Im konstanten Fall : $ S = J = \frac{I}{A} \rightarrow  \frac{\text{Elektrischer Strom I}}{\text{Leiterquerschnitt}} $
  • Im veränderlichen Fall: $ S = J = \frac{\triangle I}{\triangle A}$

Einheit: Einheit der Stromdichte

Dabei hat die Stromdichte die Einheit $ S = J = 1 \frac{A}{mm^2} $

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Die Bewegung von Elektronen in einer Atomhülle stellt auch immer eine Ladungsträgerbewegung dar, die aber aufgrund der subatomaren Wirkweise nicht zu den oben genannten Strömen gezählt wird. 

Elektrischer Strom in Verbindung mit anderen physikalischen Vorgängen

  • Flüssigkeiten und Gase, die Ionen oder freie Elektronen enthalten, sind elektrisch leitfähig. Dabei besteht folgender Zusammenhang:

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Dem Ladungstransport eines Ionenstroms ist ein Materialtransport vorausgesetzt.
  • Beim starken Zusammenstoßen von Ladungsträgern und Atomen erfolgt eine teilweise Abgabe der Bewegungsenergie der Ladungsträger an die Atome. Als Konsequenz hieraus erhöht sich die Schwingungsenergie der Atome und eine Temperaturerhöhung des betroffenen Materials tritt auf.  $\rightarrow $ Gitterschwingungen.
  • Der gleiche Vorgang kann bewirken, dass sich ein auf einer Umlaufbahn befindliches Elektron in Folge des Zusammenstoßes auf eine höhere Umlaufbahn begibt. Dieser Vorgang ist jedoch reversibel und beim Zurückfallen auf die energetisch niedrigere Bahn wird elektromagnetische Strahlung freigesetzt, die sich in Licht- oder Wärmestrahlung äußert. 
  • Bewegungen von Ladungsträgern verursachen ein Magnetfeld, das sich in Abhängigkeit von der Ladung in alle Raumrichtungen ausbreitet und auf andere Ladungsträger einwirkt. 
  • Von elektrischem Strom gehen sowohl lebensfördernde (Reanimation, Defibrillator) als auch lebensbeendende (Kontakt zu Starkstromleitungen) Wirkungen aus  - Daher sollte immer auf die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften geachtet werden.  

Elektrischer Strom in verschiedenen Aggregatszuständen der Materie

Festkörper: Enthält ein Festkörper Atome, die Elektronen abgeben, so ist dieser elektrisch leitfähig. Bei Metallen spricht man von einem Elektronengas, da sich die Elektronen wie ein Gas durch die Metallgitter bewegen. 

Fluide: Enthält eine Flüssigkeit oder ein Gas geladene Atome [Ionen] und freie Elektronen, so sind auch diese elektrisch leitfähig. Nur dass hier auch ein Materialtransport erforderlich ist, damit ein Ladungstransport stattfinden kann [siehe oben].

Plasma: Ist eine gasförmige Materie vollständig ionisiert, so wird diese als Plasma bezeichnet. Im Plasma wird der Stromfluss durch positiv geladene Atomrümpfe und abgetrennte Elektronen erzeugt.

Sonderfall Vakuum: In einem Raum in dem sich keine Materie befindet, kann ein Stromfluss nicht stattfinden. Da sich ein vollständiges Vakuum jedoch nicht auf der Erde erzeugen lässt, spricht man bei einem irdischen Vakuum von einem technischen Vakuum. Dieses Vakuum erlaubt einen Stromfluss, da wenige kontrolliert erzeugte Ladungsträger [Elektronen] enthalten sind.   

Extremfall Stromfluss im Medium Luft
Extremfall Stromfluss im Medium Luft