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Elektrische Stromstärke als Grundgröße

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Physik-Team
Elektrische Stromstärke als Grundgröße
lernst du in der Unterstufe 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Beschreibung Elektrische Stromstärke als Grundgröße

Inhalt

Das elektrische Leitungsmodell

Wir wollen uns heute damit beschäftigen, wie man die Stärke des elektrischen Stroms bestimmen kann. Dazu müssen wir uns zunächst einmal überlegen, wie wir den Fluss vom elektrischen Strom überhaupt beschreiben können. Wir schauen uns dazu einen einfachen Stromkreis an, der aus einer Batterie, einer Glühlampe und Kabeln besteht. Im Leitungsmodell stellen wir uns vor, dass in elektrischen Leitern wie Kupfer freie Ladungsträger vorhanden sind. In metallischen Leitern sind das die negativ geladenen Elektronen. Solange der Stromkreis nicht mit einer Spannungsquelle verbunden ist, bewegen sich die Elektronen einfach zufällig durcheinander. Die positiven Ladungsträger können sich im metallischen Leiter nicht bewegen. Außerdem gibt es genauso viele negative wie positive Ladungen, der Leiter ist also insgesamt elektrisch neutral.

Leitungsmodell des elektrischen Stromflusses

Wird der Stromkreis mit den beiden Polen der Batterie geschlossen, leuchtet die Lampe und es fließt ein Strom. Wir können uns das so vorstellen: Der Minuspol der Batterie hat einen Elektronenüberschuss, also sehr viele Elektronen, während der Pluspol einen Elektronenmangel, also zu wenig Elektronen hat. Sobald beide Pole durch ein leitfähiges Material verbunden sind, gleicht sich dieser Unterschied aus. Es fließen also Elektronen als freie Ladungsträger vom negativen zum positiven Pol.

Leitungsmodell des elektrischen Stromflusses

Sobald der Unterschied ausgeglichen ist, ist die Batterie leer — dann fließt kein Strom mehr und die Lampe geht aus.

Achtung!
Wir haben uns hier angeschaut, in welche Richtung sich die Elektronen bewegen, also vom negativen zum positiven Pol. Das nennt man auch die physikalische Stromrichtung. In Schaltplänen und technischen Anwendungen wirst du aber meistens die technische Stromrichtung finden und die läuft genau umgekehrt, nämlich vom positiven zum negativen Pol. Die Entdecker des Stroms, die die technische Stromrichtung festgelegt haben, wussten einfach noch nichts von Elektronen. Und nachdem sich alle an diese Richtung gewöhnt hatten, wollte sie niemand mehr ändern.

Wir können also für den Stromfluss schon einmal Folgendes festhalten:

„Stromfluss ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Elektronen bewegen sich dabei entgegen der technischen Stromrichtung vom negativen zum positiven Pol einer Spannungsquelle, wie zum Beispiel einer Batterie.“

Hast du dich gefragt, warum wir im Merksatz „Ladungsträger“ und nicht nur „Elektronen“ geschrieben haben? Es gibt tatsächlich nicht nur Leitung durch negative, sondern auch durch positive Ladungsträger. Das ist zum Beispiel in manchen Flüssigkeiten der Fall.

Wir erweitern als Beispiel unseren Stromkreis durch ein Glas Wasser. Reines Wasser, also $\text{H}_2\text{O}$, ist ein schlechter Leiter, denn es enthält fast keine freien Ladungsträger. Wenn wir aber Kochsalz, also Natriumchlorid (oder: $\text{NaCl}$), in das Wasser mischen, zerfällt das Salz in positive und negative Ladungsträger, die man Ionen nennt. Im Fall von Kochsalz sind das $\text{Na}^+$ und $\text{Cl}^-$. Bei geschlossenem Stromkreis bewegen sich die negativen Ionen zum Plus-Pol. Die positiven Ionen fließen zum Minus-Pol. Wir haben also Stromfluss durch negative und positive Ladungsträger.

Ionenleitung in Salzwasser

Wir wissen jetzt also, was Stromfluss ist. Aber was ist die elektrische Stromstärke?

Die elektrische Stromstärke

Die elektrische Stromstärke ist eine physikalische Größe, die mit dem Formelzeichen $I$ bezeichnet wird. Sie hängt davon ab, wie viel Ladung $\Delta Q$ in einem bestimmten Zeitintervall $\Delta t$ durch einen Leiter fließt. Die Definition der elektrischen Stromstärke ist also Ladung pro Zeit, oder als Formel:

$I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}$

Die Ladung wird in Coulomb $\text{C}$ gemessen und die Zeit in Sekunden $\text{s}$, die elektrische Stromstärke hat also die Einheit Coulomb pro Sekunde. Das wird zusammengefasst auch als Ampere A bezeichnet:

$[I]= \frac{1\text{C}}{1\text{s}} = 1\text{A}$

Ihren Namen hat die Einheit Ampere zu Ehren von André-Marie Ampère erhalten. Ampère war Physiker und führte im 19. Jahrhundert Experimente zum elektrischen Strom durch.

Um die elektrische Stromstärke zu messen, benötigen wir ein Strommessgerät, auch Amperemeter genannt. Es gibt mittlerweile viele verschiedene Ausführungen dieser Messgeräte, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. Die einfachsten Messgeräte nutzen aus, dass sich ein Draht erwärmt, wenn Strom durch ihn fließt. Je mehr Strom fließt, desto heißer wird er. Durch die Hitze dehnt er sich aus und bewegt so einen Zeiger. Um eine Messung der elektrischen Stromstärke durchzuführen, muss das Messgerät in Reihe geschaltet werden, damit der gesamte Strom durch das Gerät hindurchfließt. Das Schaltzeichen des Amperemeters ist ein „A“ in einem Kreis.

Messung der elektrischen Stromstärke in der Physik

Aber Achtung! Strom kann sehr gefährlich sein. Deswegen dürfen Experimente mit Strom ausschließlich gemeinsam mit Experten, zum Beispiel mit deiner Physiklehrerin oder deinem Physiklehrer, durchgeführt werden!

Elektrische Stromstärke – Beispiele

Je nach Gegebenheiten kann die elektrische Stromstärke in einem System sehr groß werden. Wir haben ein paar Beispielwerte in einer Tabelle festgehalten, damit du eine Vorstellung davon bekommst, welche Stromstärken auftreten können:

System Stromstärke in Ampere
Leitungswasser (geringer Salzgehalt) $\approx$ 0,01
Salzwasser (sehr hoher Salzgehalt) $\approx$ 1
Wasserkocher $\approx$ 10
Fernleitung >100
Blitz $\approx$ 30.000

Du kannst auch mal einen Blick auf das Ladegerät von deinem Handy oder Laptop werfen und schauen, welche Stromstärke dort angegeben ist.

Dieses Video

In diesem Video erfährst du, wie elektrischer Strom fließt. Außerdem bekommst du eine Erklärung dafür, was die elektrische Stromstärke ist, welche Einheit sie hat und wie man sie messen kann.

Transkript Elektrische Stromstärke als Grundgröße

Hallo, hast du schon mal darüber nachgedacht, am nächsten großen Fluss ein Floß zu bauen und einfach mit der Strömung zu reisen? Das Wasser strömt durch das Flussbett und trägt dein Floß.

Direkt daneben gibt es noch einen weiteren Strom. Er strömt durch die Kabel der Fernleitung. Es ist der elektrische Strom, der die Großstadt in der Ferne mit Energie versorgt. Aber was strömt dabei eigentlich und wie können wir das messen? Dabei hilft uns die Elektrische Stromstärke als Grundgröße.

Du lernst hierbei zunächst das elektrische Leitungsmodell kennen und dann zeige ich dir, was die elektrische Stromstärke ist und wie man sie messen und vergleichen kann.

Das elektrische Leitungsmodell

Für das Leitungsmodell schauen wir uns einen einfachen Stromkreis aus einer Batterie, einer Lampe und elektrischen Leitungen an. Eine sehr nützliche Modellvorstellung ist, dass sich in jedem Leiter Ladungsträger befinden, die sich frei bewegen. Bei Metalldrähten wie zum Beispiel Kupfer sind dies die negativen Elektronen.

Zusätzlich befinden sich noch positive Ladungsträger im Leiter, die sich nicht bewegen können. Dabei gibt es immer gleich viele negative wie positive Ladungsträger. Deshalb ist der gesamte Leiter elektrisch neutral.

Bei einer Batterie ist das anders. Am negativen Pol gibt es besonders viele Elektronen. Das wird als Elektronenüberschuss bezeichnet. Am positiven Pol gibt es sehr wenige Elektronen, was man Elektronenmangel nennt.

Wenn man nun den Stromkreis schließt, werden Elektronenüberschuss und Elektronenmangel ausgeglichen. Die Elektronen fließen durch den Leiter vom negativen zum positiven Pol der Batterie. Das ist der elektrische Strom. In diesem Fall handelt es sich um einen Elektronenstrom. Beachte jedoch, dass sich die Elektronen entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung bewegen.

Die Entdecker des elektrischen Stroms haben die technische Stromrichtung nämlich festgelegt, ohne etwas von Elektronen zu wissen. Nachdem sich alle daran gewöhnt hatten, wollte es niemand mehr ändern.

Halten wir allgemein fest: Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Elektronen bewegen sich entgegen der technischen Stromrichtung vom negativen zum positiven Pol einer Batterie.

Wir sprechen hier allgemein von Ladungsträgern. Und das hat einen Grund. Es gibt auch noch eine andere Art der elektrischen Leitung. Eigentlich ist Wasser kein guter elektrischer Leiter. Setzen wir in unseren Stromkreis noch ein Glas Wasser, leuchtet die Lampe nur schwach.

Doch geben wir etwas Salz ins Wasser, leitet es den elektrischen Strom recht gut. Das Salz zerfällt im Wasser in positive und negative Ladungsträger. Sie werden als Ionen bezeichnet.

Die positiven Ionen bewegen sich in Richtung des negativen Pols der Batterie. Die negativen Ionen bewegen zum positiven Pol. Die Lampe leuchtet also stärker als vorher, weil mehr bewegliche Ladungsträger im Wasser sind.

Die elektrische Stromstärke

So können wir auch die Stärke elektrischer Ströme vergleichen. Die zugehörige physikalische Größe heißt elektrische Stromstärke. Sie bekommt das Formelzeichen groß I und gibt an, wie viele Ladungsträger, Delta Q, pro Zeiteinheit, Delta t, durch die elektrische Leitung fließen.

Die Ladung wird in Coulomb und die Zeit in Sekunden gemessen. Deshalb ist die Einheit der Stromstärke: Coulomb pro Sekunde. Dies wird auch als ein Ampere bezeichnet. Das geschah zu Ehren von André-Marie Ampère, der im frühen 19. Jahrhundert grundlegende Arbeit zum Verständnis des elektrischen Stroms geleistet hat.

Messen können wir die Stromstärke mit einem so genannten Amperemeter. Dieses wird so in den Stromkreis eingebaut, dass sich die Elektronen durch das Messgerät bewegen müssen. Man sagt, man schaltet das Amperemeter in Reihe. Auf diese Weise können wir verschiedene physikalische Systeme oder Objekte ausmessen und vergleichen.

Für Leitungswasser und einen Stromkreis, wie am Anfang des Videos, ist die Stromstärke noch sehr gering. Sie liegt bei etwa 10 Milliampere. Die Vorsilbe “Milli” bedeutet ein Tausendstel. 10 Milliampere sind also 10 durch 1000 Ampere. Und das sind 0,01 Ampere. Bei Salzwasser liegt die Stromstärke dagegen schon bei etwa 1 Ampere. In den Heizwendeln eines Wasserkochers beträgt die Stromstärke etwa 10 Ampere. Und in der Fernleitung vom Anfang des Videos kann die Stromstärke sogar über hundert Ampere betragen.

Zusammenfassung

Fassen wir also zusammen: Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Ladungsträger können Elektronen oder Ionen sein. Elektronen tragen eine negative Ladung. Ionen können positiv oder negativ sein. Negative Ladungsträger fließen in die Richtung des positiven Pols der Energiequelle. Sie fließen also entgegen der technischen Stromrichtung.

Die Stärke des elektrischen Stroms wird als Stromstärke I mit der Einheit Ampere bezeichnet. Sie gibt an, wie viele Ladungsträger pro Zeitintervall durch die elektrische Leitung fließen.

Vielleicht hast du ja ein Amperemeter zu Hause. Dann kannst du selber die Stromstärke für einen Stromkreis mit einer Flachbatterie und verschiedenen Materialien messen. Du wirst staunen, welche Stoffe alles den Strom leiten können!

20 Kommentare

20 Kommentare
  1. Und noch was . Ich bin in der 4. Klasse und habe dieses Thema schon . Aber das Video ist gut

    Von Mc Franz , vor 4 Monaten
  2. Weil die Anführungszeichen vorne oben waren.

    Von Mc Franz , vor 4 Monaten
  3. Die ersten Anführungszeichen (Gänsefüßchen) sind bei Minute 2:40 unten statt oben . Bitte schreit mir zurück weil meiner Meinung ist so???

    Von Mc Franz , vor 4 Monaten
  4. Hallo,
    für Mittel- oder Oberschule oder gar Hauptschule könnte man vielleicht Coulomb und delta Q weglassen und nur A,mA nutzen. Ionen kommen in Sachsen in Chemie 8 erst ins Spiel. Trotzdem gut.
    Uwe

    Von Uwe S., vor 7 Monaten
  5. gut

    Von Kilrin, vor 8 Monaten
Mehr Kommentare

Elektrische Stromstärke als Grundgröße Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektrische Stromstärke als Grundgröße kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, welche Bauteile für einen Stromkreis unbedingt notwendig sind.

    Tipps

    Wir brauchen eine Energiequelle.

    Wir brauchen auch einen Leiter.

    Einen Verbraucher brauchen wir auch.

    Lösung

    Im einfachsten Aufbau für das elektrische Leitungsmodell haben wir eine Batterie an eine Lampe angeschlossen. Dazu brauchen wir oben genannte Batterie und die Lampe, aber auch ein Kabel als Leiter, sodass ein geschlossener Stromkreis entsteht.

  • Definiere die zwei Stromrichtungen.

    Tipps

    Denke an die Definition des „elektrischen Stroms".

    Ein entscheidendes Kriterium ist der Unterschied zwischen den Polen einer Batterie.

    Am Minuspol herrscht Elektronenüberschuss.

    Lösung

    Der „Elektronenstrom" und der „technische Strom" sind beide Stromrichtungen.

    Der Unterschied besteht darin, dass wir im Falle des Elektronenstroms von der Bewegungsrichtung der Elektronen ausgehen. Diese fließen an den unbeweglichen Protonen vorbei vom Minuspol zum Pluspol. Ihre Triebfeder ist der Ladungsunterschied zwischen den Polen. Das kannst du dir auch anhand eines natürlichen Flusses vorstellen. Flüsse entspringen immer in den Gebirgen und münden in die See. Die Triebfeder hier wäre also der Höhenunterschied.

    Da man die Bewegung der einzelnen Elektronen jedoch erst weit nach der Entdeckung der Elektrizität nachvollziehen konnte, legten Wissenschaftler die „technische Stromrichtung" als eine Strombewegung vom Plus- zum Minuspol fest. Diese ist also der elektrischen Stromrichtung entgegengesetzt. Da man sich in der Technik und Wissenschaft bereits an diese Stromrichtung gewöhnt hatte, wurde diese auch noch benutzt, als schon bewiesen war, das der Strom sich eigentlich anders bewegt. Deshalb haben wir heute zwei Stromrichtungen.

  • Ermittle die Ergebnisse der Umrechnung.

    Tipps

    Der Umrechnungsfaktor ist 1000.

    1 mA ist also $\frac{1}{1000}A$

    1 A ist 1000mA.

    Lösung

    Ein Milliampere entspricht 0,001 Ampere. Andersherum sind 1 Ampère genau 1000 Milliampere.

    So können wir nun 0,005 A ganz leicht als 5 mA ausmachen, oder 800 mA als 0,8 A.

    Diese Umrechnung sind nötig, um Ergebnisse einfacher darstellen zu können oder Rechnungen zu vereinfachen.

  • Bestimme die Stromstärke.

    Tipps

    1000 mC sind 1 Coulomb.

    Die Grundeinheit der Zeit ist die Sekunde.

    Ein Ampere entspricht einem Coulomb in einer Sekunde.

    Lösung

    Wir haben gelernt, dass ein Ampere einer bewegten Ladung von einem Coulomb in einer Sekunde entspricht. Fließt also ein Coulomb in einer Sekunde, sprechen wir von einer Stromstärke von einem Ampere.

    Die größte Stromstärke in der Aufgabe lautet also 600 C in 2 s, nämlich 300 A. Danach kommt die Stromstärke von 250 A, die auftritt, wenn eine Ladung von 1000 C in 4 s bewegt wird. Fließen 18 C in 0,1 s entspricht das einer Stromstärke von 180 A, was hier die drittgrößte Stromstärke ist. Dann kommen 9.000 C in einer Minute, also in 60 s. Hier kommen wir auf eine Stromstärke von 150 A. Die kleinste Stromstärke tritt auf, wenn wir 1200 mC also 1,2 C innerhalb von 0,02 s bewegen. Das wären dann 60 A.

    Du siehst also, die größte bewegte Ladung muss noch lange nicht den größten elektrischen Strom ausmachen. Es kommt darauf an, wieviel Zeit dafür in Anspruch genommen wird.

  • Gib den Namensgeber für die elektrische Stromstärke an.

    Tipps

    Der Namensgeber lebte von 1775 bis 1836.

    Er wurde in Lyon geboren.

    Lösung

    Gesucht ist André-Marie Ampère. Die Einheit der Stromstärke wurde nach dem französischen Mathematiker und Physiker benannt, da er wichtige grundlegende Erkenntnisse im Bereich der Elektrizität lieferte.

  • Bewerte die Aussagen über das Amperemeter.

    Tipps

    Beachte das Ersatzschaltbild.

    Die Einheit der Ladung ist Coulomb.

    Die Strömstärke ist abhängig von Ladung und Zeit.

    Lösung

    Wie der Name schon besagt, ist das Amperemeter mit dem Ampere in Verbindung zu setzen. Es ist also ein Messgerät für die Stromstärke.

    Das Amperemeter muss immer in Reihe geschaltet werden, da der Strom sonst nicht gemessen werden kann. Wollen wir wissen, wie groß die Stromstärke eine Flusses ist, so müssen wir ja auch direkt im betrachteten Fluss messen und nicht in einem Nebenarm.

    Wir haben bereits gelernt, dass die Grundeinheit der Stromstärke ein Ampere ist. Ein Ampere entspricht genau einem Coulomb in einer Sekunde. Also sind sowohl Ladung als auch Zeit beeinflussende Parameter und müssen im Amperemeter gemessen werden.

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