Stromstärke I

SG021 Stromstärke I

^© H. Hübel Würzburg 2013

Ein elektrischer Strom bedeutet die Bewegung, das Fließen, von elektrischen Ladungen^*), die in der Regel in einem Leiter vorhanden sind. Sie fließen immer im Kreis herum, aus einer Stromquelle heraus, durch den Leiterkreis zur Stromquelle zurück und auf der anderen Seite der Stromquelle wieder heraus. Wenn Elektronen den Strom transportieren, so fließen vom Minuspol immer wieder neue Elektronen nach, während beim Pluspol immer neue Elektronen in die Stromquelle zurück genommen werden. Die Stromquelle hat die Funktion einer Pumpe für die vorhandenen Ladungen. Sie liefert aber auch Energie, die mit Vermittlung der fließenden Ladungen zu einem (Energie-)"Verbraucher" transportiert wird, z.B. zu einem Lämpchen oder einem Elektromotor.

Die (technische) Stromrichtung ist willkürlich definiert worden: Sie soll außerhalb einer Stromquelle von Plus nach Minus gerichtet sein. Im Inneren der Stromquelle fließt dann also der Strom weiter von Minus nach Plus. Wenn der Strom durch negative Elektronen transportiert wird, fließen diese daher entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung.

Das braucht dich nicht zu stören. Es gibt auch Leiter, in denen positive Ladungen aktiv sind, und sogar welche, bei denen positive und negative gleichzeitig fließen. Eine andere Definition der Stromrichtung würde dann auch nicht helfen. Deshalb und aus weiteren Gründen (vgl. z.B. Verschiebungsstrom) verwendet man in der Regel die technische Stromrichtung. Andernfalls beschreibt man die Ladungsbewegung direkt. Also z.B.:

"In einer Leuchtstoffröhre fließt der Strom vom momentanen Pluspol zum momentanen Minuspol (technische Stromrichtung). Dabei fließen positive Ionen vom Pluspol zum Minuspol und gleichzeitig negative Ionen bzw. Elektronen entgegengesetzt dazu, vom Minuspol zum Pluspol. Eine "physikalische Stromrichtung" kann dabei nicht definiert werden. (Bei Wechselstrom ändert sich die Polarität ständig. Man kann also nur von einem momentanen Pluspol bzw. momentanen Minuspol sprechen.)"

Beim Verkehrsstrom auf einer Autobahn z.B. könnte die Anzahl der in eine Richtung an einer Messstelle vorbeifahrenden Autos pro Minute ein Maß für die Stärke des Autostroms sein.

Ganz entsprechend wird als Maß für die elektrische Stromstärke I die Anzahl der elektrischen Ladungen genommen, die pro Zeiteinheit (1 s) an einer Messstelle vorbei fließen. Genauer wird definiert:

I = ΔQ/Δt, wenn im Zeitabschnitt Δt die Ladungsmenge ΔQ an der Messstelle vorbeifließt.

Dementsprechend hat I die Einheit 1 C/s . Dafür wird fast immer 1 A (Ampère) geschrieben, und es gilt: 1 A = 1 C/s bzw. 1 C = 1 A·s.

[I] = 1 A

1 A kann definiert werden durch die magnetische Kraft, die zwei parallele Leiter unter bestimmten Bedingungen aufeinander ausüben, wenn beide vom Strom 1 A durchflossen werden.

I = ΔQ/Δt (Kurzfassung: "Ladungsmenge pro Zeiteinheit") ist ein sehr anschauliches Maß für die elektrische Stromstärke in einem Leiter. Man braucht dazu keine weitere Veranschaulichung wie in den didaktischen Rucksack- oder Bienen-Nektar-Modellen.

Mit einem Strommesser (Amperemeter) wird die Stromstärke in einem Leiter gemessen. Dazu muss der Strommesser in den Leiter eingebaut werden, damit der im Leiter fließende Strom möglichst ungehindert auch durch den Strommesser fließen kann (hier zwischen die beiden roten Punkte).

So lässt sich anschaulich leicht verstehen:

1. Warum fließt durch in Reihe geschaltete Widerstände (unabhängig von ihren Widerstandswerten) immer der gleiche Strom?

Tatsächlich gilt das auch überall in einem unverzweigten Stromkreis. Weil andernfalls gemäß der obigen Definition im Stromkreis Stellen existieren müssten, durch die pro Zeiteinheit eine größere Ladungsmenge hindurch tritt als durch andere Stellen. Es müssten Stellen mit Ladungsanhäufungen oder mit Ladungsmangel entstehen. Grund ist, dass keine Ladungen unterwegs verloren gehen oder hinzukommen können (Ladungserhaltung!).

2. Aus der Stromquelle heraus und in sie wieder zurück fließe ein Strom mit einer bestimmten Stromstärke I.

Warum hat jeder Strom durch parallel geschaltete Widerstände im Stromkreis eine kleinere Stromstärke als I?

Weil sich an den Stromverzweigungen der Strom mit der Stromstärke I aufteilt. Wenn der Strom I in der Zeiteinheit Δt die Ladungsmenge ΔQ an die Verzweigungsstelle heranführt, dann steht in der gleichen Zeit für jeden Zweig nur eine kleinere Ladungsmenge ΔQ' zur Verfügung.

3. Warum ist bei einer festen Stromquelle die Stromstärke umso kleiner, je größer der Widerstand (Widerstandswert) im Stromkreis ist?

Ein Widerstand begrenzt/behindert den Strom, umso stärker, je größer sein Widerstandswert ist. Das ist wie bei Engstellen in einem Wasserstromkreis. Je mehr Engstellen vorhanden sind, oder je enger diese sind, desto weniger Wasser kann durch sie in einer bestimmten Zeiteinheit Δt hindurch fließen.

4. Warum scheint der Strom nach dem Anschließen der Stromquelle im ganzen Stromkreis sofort zu fließen?

Bis das eintritt, dauert es tatsächlich einige Zeit, aber nur winzige Bruchteile einer Sekunde. In der Schule wird nur die Zeit danach betrachtet (wenn sich der "stationäre Zustand" eingestellt hat).

5. Warum müssen Strommesser immer in den Stromkreis eingebaut werden**)?

Weil der im Stromkreis fließende Strom gemessen werden soll. Er muss dazu auch durch den Strommesser fließen.

^*) In manchen Schulbüchern liest man sinngemäß "Strom ist bewegte Ladung". Das kann schon sprachlich nicht sein, denn Strom ist keine Ladung, erst recht keine bewegte. Richtig ist, dass der Strom durch bewegte Ladungen transportiert wird.

^**) Ich schlage also vor, grundsätzlich vom "Strom in einem Leiter"zu sprechen. So wird vielleicht im Gedächtnis verankert, dass zur Strommessung in einem Leiter, dieser aufgetrennt werden muss, damit dort ein Amperemeter eingesetzt werden kann.

( Oktober 2013; Ergänzungen November 2023 )