Elektrischer Strom

Entstehung des Stromflusses

Elektrischer Strom kann unterschiedliche Ursachen haben:

• Redoxreaktionen in Batterien,
• Coulombkräfte in elektrischen Feldern, z. B. in Kondensatoren,
• Lorentzkräfte in magnetischen Feldern, z. B. in Generatoren,
• Mitführung von Ladungsträgern durch eine Strömung (Konvektion), z. B. bei Influenzmaschinen oder in der Ionosphäre,
• Diffusion von Ladungsträgern bei Unterschieden in deren Konzentration, z. B. an Grenzschichten von Halbleitern, auch ohne das Vorhandensein von Feldern, als Diffusionsstrom bezeichnet.
• Änderung des Verschiebungsflusses bzw. der Feldenergie in Nichtleitern und den daraus resultierenden Verschiebungsstrom.

Zusammenhang mit der elektrischen Spannung

Wenn beispielsweise zwischen den Polen einer Batterie eine Potentialdifferenz besteht, spricht man von einer elektrischen Spannung. Aufgrund des dann bestehenden elektrischen Feldes wird eine Kraft auf die Ladungsträger ausgeübt; sie erfahren dadurch eine Beschleunigung, wenn sie beweglich sind. Das geschieht beispielsweise, wenn eine Glühlampe über Metalldrähte an die Pole angeschlossen ist. Die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger bei dieser gerichteten Bewegung entsteht im Wechselspiel mit Streuprozessen. Die Stromdichte lässt sich berechnen durch Multiplikation der Driftgeschwindigkeit mit der Raumladungsdichte.

Der Driftstrom wächst trotz der Beschleunigung nicht beliebig an; bei einer gegebenen Spannung  ${\displaystyle U}$ stellt sich eine begrenzte Stromstärke ${\displaystyle I}$ ein. Diese Beobachtung erklärt man mit einem elektrischen Widerstand ${\displaystyle R}$ . Definiert wird er durch das Verhältnis

${\displaystyle R=U/I}$ .

In vielen Leitermaterialien ist die Stromstärke bei konstanter Temperatur proportional zur Spannung. In diesem Fall wird der Zusammenhang als ohmsches Gesetz bezeichnet, bei dem der Proportionalitätsfaktor ${\displaystyle R}$ von der Spannung und Stromstärke unabhängig ist.

In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle bestimmen deren feststehende elektrische Spannung und der Widerstand die konkrete Stromstärke. Hingegen baut bei Verwendung einer Stromquelle deren feststehende Stromstärke am Widerstand die konkrete Spannung auf. In der Praxis kommen allerdings Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen vor, wie beispielsweise in Stromversorgungen, weshalb sich der konkrete Wert der elektrischen Stromstärke nach dem Verbraucher (genauer: dessen Widerstand) richtet.

Stromleitung in Metallen

In Metallen sind ein Teil der Elektronen, die sogenannten Leitungselektronen, nicht jeweils an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern ‘gehören’ allen Atomen gemeinsam, siehe metallische Bindung. Nach dem Drude-Modell ist die Leitfähigkeit von Metallen proportional zur Zahl der Leitungselektronen und ihrer Beweglichkeit. Realistischer ist das Bändermodell.

Ionenleiter

Bei Ionenleitern, man spricht von Leitern zweiter Klasse, kommt es bei Gleichstrom im Gegensatz zu Metallen im Regelfall zu einer stofflichen Veränderung des elektrischen Leiters. Dieser Effekt wird bei der Elektrolyse ausgenutzt. Da der Stromtransport dabei an einen stofflichen Transport von beweglichen, elektrisch geladenen Atomen (Ionen) gebunden ist, kommen als Ionenleiter vor allem ionisierte Gase und elektrisch leitfähige Flüssigkeiten in Frage kommen. Man nennt diese Ionenleiter Elektrolyte oder Plasma. Festkörper können in speziellen Fällen auch Ionenleiter sein. Ist ein solcher Materialtransport (beispielsweise bei einer Gasentladung) unerwünscht, kann er durch Wechselstrom weitgehend unterbunden werden.

Da keine elektronische Stromleitung vorliegt, können chemische Vorgänge die Beschaffenheit des Leiters so verändern, dass sich die elektrische Leitfähigkeit allmählich ändern kann.

Gleichstrom

Als Gleichstrom (englisch direct current, abgekürzt DC) wird jener elektrische Strom bezeichnet, der über die Zeit seine Richtung und Stärke nicht ändert, also zeitlich konstant ist.

Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio- und Fernsehempfänger, Computer oder auch die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigen für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Aber auch in der Energietechnik werden Gleichströme eingesetzt, beispielsweise in der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung, für gut drehzahlregelbare Gleichstrommotoren (inzwischen zunehmend durch Stromrichter und Asynchronmotoren ersetzt), als Zwischenkreis in Stromrichtern, in Sendeanlagen und in Kraftfahrzeug-Bordnetzen.

Gleichstrom kann durch Gleichrichter aus Wechselstrom gewonnen werden. Diese werden daher überall dort eingesetzt, wo Gleichstrom benötigt wird, aber nur der Wechselstrom des öffentlichen Stromnetzes zur Verfügung steht. Seltener, weil erheblich teurer, verwendet man auch direkte Gleichstromquellen, wie z. B. galvanische Zellen und photovoltaische Zellen. Kuriose Sonderfälle ohne technische Bedeutung sind elektrische Maschinen, die direkt ohne Gleichrichter mittels der Unipolarinduktion Gleichstrom herstellen können.

Wechselstrom

Bei Wechselstrom (englisch alternating current, abgekürzt AC) kommt es zu einer periodischen Änderung der Stromrichtung. Jede Periode besteht aus aufeinanderfolgenden Zeitspannen mit positiven und negativen Augenblickswerten, die sich zu einer mittleren Stromstärke null ergänzen. Ausschlaggebend für den Erfolg des Wechselstroms war, dass die Spannung mit Hilfe von Transformatoren sehr einfach geändert werden kann. Alle öffentlichen Stromversorgungsnetze werden mit Wechselspannung betrieben,– in Europa und vielen weiteren Ländern mit der Netzfrequenz 50 Hz, in anderen Teilen der Welt 60 Hz, siehe Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen.

Eine besondere Form von Wechselstrom ist der Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom), wie er in öffentlichen Stromnetzen zur elektrischen Energieverteilung großer Leistungen Verwendung findet. Diese Stromart ermöglicht besonders einfach gebaute und robuste Elektromotoren.

Mischstrom

Eine Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom wird Mischstrom genannt. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer Richtungsänderung des Mischstromes, sondern der zeitlich konstante Gleichstromanteil wird durch den zusätzlich aufgebrachten Wechselstrom in seiner Stärke periodisch geändert (pulsierender Gleichstrom). Dieser Mischstrom tritt beispielsweise bei Gleichrichtern auf und wird mit Glättungskondensatoren oder Glättungsdrosseln in Netzteilen geglättet. Der dabei übrigbleibende (meist unerwünschte) Wechselanteil wird als Restwelligkeit bezeichnet, die mit einer Brummspannung verkoppelt ist.

Stromverbrauch

Der umgangssprachliche Ausdruck „Strom verbrauchen“ ist, ähnlich wie beim Begriff „Energieverbrauch“, technisch gesehen nicht richtig. Aufgrund der Ladungserhaltung und da in technischen Geräten keine nennenswerten Aufladungen vorkommen, fließt genau der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder hinaus.

Auswirkungen des elektrischen Stroms auf den Menschen

Elektrische Wechselströme im Bereich der Netzfrequenz sind ab 0,5 mA für den menschlichen Organismus spürbar und bei höheren Stromstärken über 10 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich. Gleichströme sind ab 2 mA spürbar und ab 25 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich.[1] Man spricht dann auch von einem Stromschlag.

Die folgende Tabelle gibt die Gefährlichkeit von Wechselstrom von 50–60 Hz wieder:[2]

Bei elektrischen Energieversorgungsnetzen und im Bereich von höheren Spannungen, etwa in Hochspannungsanlagen und im Bereich der elektrischen Oberleitungen bei der Bahn, kommen auch Stromunfälle infolge der Lichtbogenwirkung vor. Der Stromunfall mit Lichtbogeneinwirkung ist fast ausnahmslos zusätzlich mit Verbrennungen verbunden und es entstehen in der Brandwunde meist toxische Verbrennungsprodukte.