Was ist elektrischer Strom?
Einsteiger
- Strom ist bewegte Ladung. Im Draht sind das Elektronen, die sich ein Stück weiterschieben.
- Strom fließt nur im geschlossenen Kreis: von der Batterie durch die Schaltung und wieder zurück.
- Die Stromstärke \(I\) sagt, wie viel Ladung pro Sekunde durch den Draht kommt. Ihre Einheit ist das Ampere (A).
- Eine LED braucht ein paar Milliampere (mA), ein Wasserkocher rund 9 A.
Wir benutzen Strom jeden Tag, aber sehen können wir ihn nicht. Was fließt da eigentlich durch das Kabel? Und warum leuchtet die Lampe sofort, wenn man den Schalter drückt? Darum geht es hier.
Freie Elektronen im Metall
Aus Teil 1 weißt du: Alles besteht aus Atomen mit einem positiven Kern und negativen Elektronen in der Hülle, und normalerweise gleichen sich beide Ladungen aus.
In Metallen wie Kupfer ist etwas Besonderes los: Ein Teil der Elektronen gehört zu keinem bestimmten Atom mehr. Sie können sich zwischen den Atomen frei bewegen. Ein Kupferdraht ist also von innen voller beweglicher Elektronen, wie ein Rohr voller Murmeln.
Im Metall sitzen die Atomrümpfe fest, die freien Elektronen können wandern.
Elektrischer Strom heißt: Diese Elektronen bewegen sich alle in dieselbe Richtung. Dafür braucht es einen Antrieb, zum Beispiel eine Batterie. Was dieser Antrieb genau ist, die Spannung, kommt im nächsten Teil.
Stoffe, in denen sich Ladung gut bewegen kann, heißen Leiter: Kupfer, Silber, Aluminium und alle anderen Metalle. Stoffe, in denen das kaum geht, heißen Isolatoren: Kunststoff, Glas, Gummi, Luft und trockenes Holz. Deshalb ist ein Kabel innen aus Kupfer und außen aus Kunststoff.
Der Stromkreis muss geschlossen sein
Eine Batterie hat zwei Pole, Plus (+) und Minus (−). Strom fließt nur, wenn es einen geschlossenen Weg vom einen Pol durch die Schaltung zurück zum anderen gibt. Diesen Weg nennt man Stromkreis.
Links ist der Kreis an einer Stelle offen: Es fließt nirgends Strom. Rechts ist er geschlossen: Die Lampe leuchtet.
Ein Schalter tut nichts anderes, als den Kreis an einer Stelle zu öffnen oder zu schließen. Ist er offen, steht der Strom im ganzen Kreis still, nicht nur hinter dem Schalter. Das ist wie bei einer Kette von Murmeln in einem Rohrring: Hält man sie an einer Stelle fest, bleiben alle stehen.
Wie viel Strom fließt: die Stromstärke
Um zu sagen, wie viel Strom fließt, zählt man, wie viel Ladung pro Sekunde an einer Stelle des Drahtes vorbeikommt. Das ist die Stromstärke mit dem Formelzeichen \(I\):
Dabei ist \(Q\) die Ladung, gemessen in Coulomb (C), und \(t\) die Zeit in Sekunden (s). Kommt in jeder Sekunde ein Coulomb vorbei, fließt ein Ampere:
Ein Ampere ist für Elektronik schon viel. Meist rechnen wir in Milliampere: \(1\,\text{mA} = 0{,}001\,\text{A}\), also ein Tausendstel Ampere.
Zahlenprobe: Im Versuch unten fließen durch die LED etwa \(I = 15\,\text{mA}\). Wie viel Ladung kommt in einer Sekunde vorbei? Wir stellen die Formel nach \(Q\) um, indem wir beide Seiten mit \(t\) malnehmen:
Ein einzelnes Elektron trägt die winzige Ladung \(e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{C}\), die Elementarladung. Die Zahl der Elektronen \(N\) ist also die Ladung geteilt durch die Ladung eines Elektrons:
Das sind rund 94 Billiarden Elektronen in jeder Sekunde, für eine einzige kleine LED. Kontrolle: Die Einheit C kürzt sich weg, übrig bleibt eine reine Anzahl. So muss es sein.
Die Elektronen sind erstaunlich langsam
Bei so vielen Elektronen könnte man denken, sie rasen durch den Draht. Das Gegenteil ist der Fall: Sie kriechen. In einem dünnen Steckkabel kommen sie bei unseren 15 mA nur gut 2 Zentimeter pro Stunde voran.
Zum Nachrechnen: Wie schnell sind die Elektronen?
Ansatz: Die Elektronen bewegen sich mit der Geschwindigkeit \(v\) durch einen Draht mit der Querschnittsfläche \(A\). In der Zeit \(t\) kommen sie um die Strecke \(s = v \cdot t\) voran.
Schritt 1: Alle Elektronen in diesem Drahtstück der Länge \(s\) kommen in der Zeit \(t\) an unserer Stelle vorbei. Das Stück hat das Volumen \(A \cdot s = A \cdot v \cdot t\).
Schritt 2: In jedem Kubikmeter Kupfer stecken \(n = 8{,}5 \cdot 10^{28}\) freie Elektronen. Im Drahtstück sind also \(n \cdot A \cdot v \cdot t\) Elektronen, und jedes trägt die Ladung \(e\):
Schritt 3: Strom ist Ladung pro Zeit. Wir teilen durch \(t\), die Zeit kürzt sich heraus:
Schritt 4: Nach \(v\) umstellen, indem wir durch \(e \cdot n \cdot A\) teilen:
Zahlenprobe: Ein Steckkabel hat etwa \(A = 0{,}2\,\text{mm}^2 = 0{,}2 \cdot 10^{-6}\,\text{m}^2\).
Das sind 5,5 Mikrometer pro Sekunde. Mal 3600 Sekunden ergibt rund 2 cm pro Stunde.
Kontrolle der Einheit: A = C/s, also steht oben C/s und unten C · m⁻³ · m² = C/m. Übrig bleibt (C/s) / (C/m) = m/s, eine Geschwindigkeit.
Warum leuchtet die LED dann sofort? Weil der Draht schon voller Elektronen ist. Schließt du den Kreis, setzen sich alle gleichzeitig in Bewegung, überall im Draht. Es ist wie bei einem Gartenschlauch, der schon voll Wasser ist: Drehst du den Hahn auf, kommt vorne sofort Wasser heraus, obwohl das Wasser vom Hahn noch lange nicht dort ist.
In welche Richtung fließt der Strom?
Hier gibt es eine kleine Falle. Als man die Stromrichtung festgelegt hat, wusste noch niemand etwas von Elektronen. Man hat einfach bestimmt: Strom fließt von Plus nach Minus. Das heißt technische Stromrichtung, und alle Schaltpläne benutzen sie.
Später hat man entdeckt, dass im Draht die negativ geladenen Elektronen wandern, und zwar von Minus nach Plus, also genau andersherum. Für die Schaltung ist das egal: Ob negative Ladung nach links oder positive nach rechts wandert, hat dieselbe Wirkung. Wir bleiben deshalb bei der technischen Richtung, von Plus nach Minus.
Wichtig wird die Richtung bei Bauteilen, die den Strom nur in eine Richtung durchlassen. Die LED ist so eines: Sie leuchtet nur, wenn ihr langes Bein zur Plus-Seite zeigt.
Wie viel Strom ist viel?
| Was | Strom |
|---|---|
| Quarzuhr | rund 1 µA (ein Millionstel Ampere) |
| Logik-IC im Ruhezustand | wenige µA |
| LED in unseren Versuchen | 5 bis 15 mA |
| Smartphone laden | 1 bis 3 A |
| Wasserkocher an der Steckdose | rund 9 A |
| Anlasser im Auto | 100 bis 300 A |
| Blitz | rund 30 000 A |
Und der eigene Körper? Schon wenige zehn Milliampere quer durch den Körper können das Herz aus dem Takt bringen. An der Steckdose reicht die Spannung dafür leicht aus. Deshalb gilt für alle Versuche hier: nur mit der 9-V-Batterie. Bei 9 V schafft es durch die trockene Haut nur ein winziger Strom, weit unter einem Milliampere, den man nicht einmal spürt.
Versuch: den Stromkreis öffnen und schließen
Du brauchst: das Steckbrett, eine 9-V-Blockbatterie mit Clip, einen Widerstand 470 Ω (gelb – violett – braun), eine rote LED und eine Drahtbrücke.
Was ist ein Steckbrett? Eine Kunststoffplatte voller kleiner Löcher. In die Löcher steckt man die Drähte der Bauteile, Löten ist nicht nötig. Innen sind immer fünf Löcher einer kurzen Reihe miteinander verbunden, eine Fünferreihe. Was in derselben Fünferreihe steckt, ist also elektrisch verbunden. An den Rändern laufen lange Reihen über das ganze Brett, die Schienen, rot für Plus und blau für Minus. Eine Drahtbrücke ist ein kurzes, gebogenes Stück Draht, mit dem man zwei Reihen verbindet.
Gleich gefärbte Löcher sind innen verbunden. Grün und orange: je eine Fünferreihe, rot und blau: die Schienen.
- Widerstand stecken. Ein Bein in eine Fünferreihe, das andere in eine andere Fünferreihe.
- LED stecken. Das lange Bein kommt in die Reihe mit dem zweiten Widerstandsbein, das kurze Bein in eine freie Reihe daneben.
- Drahtbrücke stecken. Vom kurzen LED-Bein in eine weitere freie Reihe. Diese Brücke ist dein Schalter.
- Batterie anschließen. Das rote Kabel des Clips in die Reihe mit dem ersten Widerstandsbein, das schwarze in die Reihe am Ende der Drahtbrücke. Jetzt den 9-V-Block auf den Clip drücken. Die LED leuchtet.
- Kreis öffnen. Zieh ein Ende der Drahtbrücke heraus. Die LED geht aus. Steck sie zurück, die LED leuchtet wieder. Egal wo du den Kreis öffnest, ob an der Brücke, am Widerstand oder am roten Kabel: Der Strom steht überall still.
- LED umdrehen. Steck die LED andersherum. Sie bleibt dunkel, obwohl der Kreis geschlossen ist. Die LED lässt Strom nur in eine Richtung durch.
Was du gesehen hast: Strom braucht einen geschlossenen Kreis, ein einziger offener Punkt reicht, um alles zu stoppen. Und manche Bauteile haben eine Richtung.
Ohne Widerstand? Lass ihn nie weg. Ohne ihn begrenzt nichts den Strom, und die LED brennt durch. Warum genau 470 Ω, steht in Teil 4 über den Widerstand.
Nach dem Versuch die Batterie wieder abziehen.
Zusammenfassung
- Strom ist bewegte Ladung, im Draht sind das Elektronen.
- Er fließt nur im geschlossenen Stromkreis.
- Die Stromstärke \(I = Q/t\) misst man in Ampere, in der Elektronik meist in Milliampere.
- Die Elektronen sind langsam, aber weil der Draht voll ist, wirkt der Strom sofort.
- Die technische Stromrichtung zeigt von Plus nach Minus.
Weiter mit Teil 3: Spannung, der Antrieb. Zurück zu Teil 1: Ladung oder zur Übersicht aller Teile.
Tiefer einsteigen: Im Bereich Wissen stehen Stromdichte und Kontinuitätsgleichung und das ohmsche Gesetz nach Drude, dort geht es um die Physik hinter der Driftgeschwindigkeit.