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Was ist elektrischer Strom?

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Team Digital
Was ist elektrischer Strom?
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Was ist elektrischer Strom?

Inhalt

Nach dem Schauen dieses Videos wirst du in der Lage sein, zu beschreiben was elektrischer Strom ist und wie die Stromstärke berechnet wird.

Zunächst lernst du, wie elektrische Ladungen und Strom zusammenhängen und was genau beim Strom "fließt". Anschließend lernst du die Definition der Stromstärke kennen und mit welcher Formel sie berechnet wird.

Stromstärke

Abschließend erfährst du, warum es unterschiedliche Stromrichtungen gibt und was der Strom mit Energie zu tun hat.

Stromrichtung

Lerne etwas über die außerordentliche Geschwindigkeit des Stroms.

Das Video beinhaltet Schlüsselbegriffe, Bezeichnungen und Fachbegriffe wie elektrischer Strom, Stromfluss, Stromstärke, Ampere, positive und negative Ladung, Ladungsträger, Ladungsmenge, Coulomb, Elektronen, Atome, Ionen, Elektronenstrom, Ionenstrom, elektrischer Leiter, Querschnitt, Energieumwandlung, Energiewandler, elektrische Energie, technische Stromrichtung und physikalische Stromrichtung.

Bevor du dieses Video schaust, solltest du bereits wissen, dass es positive und negative elektrische Ladungen gibt. Außerdem solltest du grundlegendes Wissen dazu haben, wie sich mit Hilfe einer Formel eine physikalische Größe aus zwei anderen Größen berechnen lässt.

Nach diesem Video wirst du darauf vorbereitet sein, die anderen beiden elektrischen Grundgrößen, Spannung und Widerstand, sowie das ohmsche Gesetz kennenzulernen.

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.

Kurze Zusammenfassung zum Video Was ist Strom?

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 Was ist elektrischer Strom?

Alles wird immer schneller und schneller! Alle sind hektisch und gehetzt! Am schlimmsten ist dieses Internet! Ständig was Neues, da kommt man gar nicht mehr mit! So oder sowas Ähnliches hast du vielleicht schonmal gehört. Aber im Ernst: Wie kann sich das Internet so schnell in beinahe jeden Winkel der Erde ausbreiten? Klar, weil es elektronisch funktioniert – also über elektrischen Strom. Okay, aber „was ist elektrischer Strom“ überhaupt? Vielleicht hast du bei „Elektrizität“ auch erstmal einen Blitz vor Augen. Allerdings spricht man doch davon, dass Strom fließt – beim Blitz ist es ja eher ein „Einschlagen“. Schön übersichtlich und kontrollierbar fließt der Strom in einem Leiter, zum Beispiel einem Kupferdraht. Und was fließt da jetzt genau? Es sind elektrische Ladungen, genauer gesagt „Teilchen, die eine elektrische Ladung“ besitzen – man nennt sie „Ladungsträger“. Meistens sind es Elektronen, das sind die negativen Ladungsträger, die zu jedem Atom gehören – sie sind in jedem Stoff in großer Zahl vorhanden. Atome können aber auch als ganzes ein Ladungsträger sein und dabei „negativ“ oder auch „positiv“ geladen sein – man nennt sie dann Ionen. Der elektrische Strom ist also ein Fluss von Ladungsträgern – „Elektronen“ oder „Ionen“. Das können wir uns mit einem anderen Fluss veranschaulichen: dem „Verkehrsfluss“. So wie auf einer Autobahn viele Autos unterwegs sind, so sind das auch die Ladungsträger in einem Leiter. Auf einer guten Straße kommt man schnell voran – auf einer Schlammpiste ist das deutlich schwieriger. So ist das auch mit verschiedenen Stoffen, die den Strom-Fluss unterschiedlich gut leiten. Metalle wie Kupfer sind gute elektrische Leiter, Kunststoffe wie Gummi und Plastik eher nicht. Jetzt ist bei einer Autobahn entscheidend, wie viel Verkehr über sie fließt. Das kann mal wenig sein, und mal richtig viel. VIEL bezieht sich dabei nicht nur auf die „Anzahl“ der Autos, sondern auch auf die „Zeitspanne“, in der die Autos vorbeifahren und gezählt werden. drei Autos innerhalb von fünf Minuten bedeuten weniger Verkehr als acht Autos in der selben Zeit, aber drei Autos in sechzig Minuten sind natürlich noch viel weniger! Um das zu vergleichen, berechnen wir den „Verkehrsfluss“, indem wir die „Anzahl der vorbeigefahrenen Autos“ nehmen, und jeweils durch die „Zeit“ teilen, in der wir die Autos gezählt haben. Genauso wollen wir das nun auch mit den „Ladungsträgern im Leiter“ machen. Im Zähler steht die Anzahl der Ladungen. Diese wird als „Ladungsmenge Q“ bezeichnet, denn schon ein Kubikmillimeter Draht enthält ungefähr „zehn hoch vierundzwanzig“, also eine Quadrillion, Elektronen – eine Zahl, größer als die Anzahl aller Sterne im Universum! „Q“ wird in der Einheit „Coulomb“ angegeben, wobei ein Coulomb der Ladung von rund „sechs mal zehn hoch achtzehn“ Elektronen entspricht. Im Nenner steht wieder die Zeit „t“. Oft schreibt man allerdings „Delta-Q durch Delta-t“. Das „Delta-Symbol“ verdeutlicht, dass wir nur DIE Ladungsmenge betrachten, die in einer gewissen Zeit-Spanne den Querschnitt des Leiters an einem von uns gewählten Messpunkt passiert. Dieser Quotient ist die Strom-stärke „I“ Wenn also viele Ladungen in kurzer Zeit fließen, ist die Stromstärke groß. Wobei die Ladungen selbst tatsächlich gar nicht so schnell sind. Ein einzelnes Elektron legt etwa nur einen Zehntel Millimeter pro Sekunde zurück! Was allerdings rasend schnell geht – nämlich mit Lichtgeschwindigkeit – ist die Übertragung von elektrischer Energie, die durch den Stromfluss stattfindet. Ein „Energiewandler“, zum Beispiel eine Lampe, kann diese Energie in Licht umwandeln, und leuchtet umso heller, je größer die Stromstärke ist. verbraucht wird der Strom, also die Ladungen, dabei aber nicht – auch wenn man das im Alltag so sagt. Das ist wie bei einem Fluss, der ja auch ein „Strom aus unzähligen Wasserteilchen“ ist. In einem Fluss, der viel Wasser führt und schnell fließt, steckt jede Menge Energie, die genutzt werden kann – ohne dass das Wasser dabei weniger wird. Und genau wie bei einem Fluss gibt es auch beim elektrischen Strom eine feste Richtung, in die der Strom fließt. negative Ladungen, wie die Elektronen, fließen immer vom Minus-Pol zum PLUS-Pol. Das ist die „physikalische Stromrichtung“. Als „André-Marie Ampère“ vor zweihundert Jahren seine ersten Experimente mit elektrischem Strom durchführte, wusste er davon aber noch nichts und hat die Stromrichtung einfach „von Plus nach Minus“ festgelegt. Heute nennt man das die „technische Stromrichtung“. Naja, sie stimmt zumindest für positive Ladungsträger, zum Beispiel Wasserstoff-Ionen. Und Ampères Name wird heute als Einheit für die elektrische Stromstärke verwendet – „A“ für „Ampere“. Eine kleine Lampe kommt mit einer Stromstärke von weniger als einem Ampere aus. Für einen Menschen können aber bereits Null-Komma-Null-Fünf Ampere tödlich sein! Große Haushaltsgeräte brauchen bis zu zehn Ampere, eine Straßenbahn fährt mit circa fünfhundert Ampere, und ein Blitz kann eine Stromstärke von einhunderttausend Ampere haben. Genug für eine Zusammenfassung. Elektrischer Strom ist der gerichtete Fluss von elektrischen Ladungen. Die Stromstärke wird berechnet als „Ladungsmenge Delta-Q“ geteilt durch „Zeitspanne Delta-t“, in der die Ladungen den Querschnitt eines Leiters passieren. Mit den Ladungen wird „elektrische Energie“ übertragen, die durch einen „Energiewandler“ umgewandelt werden kann. Und das funktioniert überall auf der Welt – mit rasender Geschwindigkeit! und wir uns mal wieder ganz auf uns selbst konzentrieren können.

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    Von Milo, vor 5 Tagen
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