Grundbegriffe aus dem Bereich des elektrischen Stroms

Strom begegnet uns im täglichen Leben auf Schritt und Tritt. Er wird benötigt für Computer, Handys, Herde, Heizungen und andere Dinge, die das Leben angenehmer machen. Doch was ist eigentlich Strom? Wo kommt er her, wo geht er hin. Wir haben die Grundbegriffe für alle diejenigen unter uns zusammengestellt, für die Schule schon lange her ist oder für die Physik ein Buch mit sieben Siegeln war.
Elektrischer Strom
Strom bezeichnet die Bewegung elektrisch geladener Teilchen. Damit Strom fließen kann, bedarf es eines geschlossenen Stromkreises. Ein Stromkreis besteht mindestens aus Erzeuger (Batterie oder Generator), Verbraucher (z.B. Glühlampe) und aus dem Hin- und Rückleiter. Strom verhält sich in etwa wie Wasser in einer Leitung: Wird der Hahn aufgedreht, fließt Wasser. Je höher der Druck in der Leitung und je größer der Leitungsquerschnitt, desto mehr Wasser wird transportiert. Gute Stromleiter sind Metalle wie Kupfer oder Aluminium, weniger gut leitet Kohle Strom. Glas, Porzellan und Kunststoffe leiten Strom praktisch gar nicht, sie werden daher auch als Nichtleiter bzw. Isolierstoffe bezeichnet. Wasser kann entweder leitend oder nicht leitend sein. Reines Wasser leitet den elektrischen Strom fast nicht. Die Lösung eines Salzes, einer Säure oder einer Base ist hingegen stromleitend. Deshalb sollte man in Badewasser auch keinen Fön hinein fallen lassen, denn der Badezusatz macht aus dem Wasser eine Base. Zudem sind in Leitungswasser immer auch Salze gelöst. Die wichtigsten Messgrößen im Zusammenhang mit elektrischem Strom sind Spannung, Widerstand, Stromstärke und elektrische Leistung.
Spannung
Elektrischer Strom fließt nur, wenn Spannung vorhanden ist. Die Spannung treibt die Elektronen im Stromkreis voran. Gemessen wird die Spannung in Volt (V), das zugehörige Formelzeichen lautet U. Die Spannung ist vergleichbar mit dem Druck in einer Wasserleitung, dort sorgt der Druck für ein Fließen des Wassers. Und wie in einer Wasserleitung der Druck zu hoch oder zu niedrig sein kann, kann die Spannung zu hoch oder zu niedrig sein. In dem einen Fall platzt im schlimmsten Fall die Leitung bei zu hohem Druck, in dem anderen Fall führt eine zu hohe Spannung zu Überhitzungen und Überlastungen im Gerät und damit zu einer deutlich verkürzten Lebenszeit. Hingegen tut sich bei zu niedrigem Druck bzw. zu niedriger Spannung in beiden Fällen nicht viel. Das Wasser tröpfelt höchstens aus der Leitung und die Lampe macht nicht mehr wirklich hell. Für viele Geräte (z.B. Computer) ist die Spannung aus der Steckdose viel zu groß. In diesem Fall wird ein Netzteil bzw. ein Transformator dazwischen geschaltet. Das Netzteil senkt die Spannung und Stromstärke des Hauptnetzes auf die vom Gerät benötigten Werte.

z.B.
Netz: 230 Volt / Wechselspannung / 50 Hertz
Nach dem Netzteil (Beispiel): 12 Volt / Gleichspannung
Wechselspannung und Gleichspannung
Es wird zwischen Gleich- und Wechselspannung unterschieden. Bei einer Gleichspannung liegt eine konstante Spannung am Stromkreis an. Gleichspannung ist zu vergleichen mit einem Wasserlauf. Das Wasser fließt immer vom Berg ins Tal, also vom Punkt mit dem höchsten Potenzial zum Punkt mit dem niedrigsten Potenzial. Ähnlich verhält es sich bei der Gleichspannung mit den Ladungsträgern, die den elektrischen Strom bilden. Bei der Gleichspannung ist die Spannung am Stromkreis immer konstant, bei der Wechselspannung hingegen kehrt sich die Richtung der Spannung regelmäßig um. Diese Umkehrung wird in Hertz gemessen und heißt Frequenz. Das Hertz gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an. Der deutsche Haushaltsstrom hat zum Beispiel eine Netzfrequenz von 50 Hertz. Dass auf diese Weise die Spannung 100 mal durch Null geht, ist z.B. die Ursache für das Flimmern von Leuchtstoffröhren oder Fernsehbildschirmen. Ein Fernseher mit einer Frequenz von 100 Hertz flimmert zum Beispiel schon deutlich weniger, als ein Fernseher mit 50 Hertz.

Häufig verwendete Gleichspannungen:
1,2V Akku
1,5V Batterie
1,65 V Prozessor auf Computer-Mainboard
42 V Schweißgeräte
60 V Netzspannung der Deutschen Telekom
600 V Oberleitungsspannung für Straßenbahnen

Wichtige Wechselspannungen:
117 V / 60 Hz Haushaltsstrom USA
100 V / 50 Hz Haushaltsstrom Japan
230 V / 50 Hz Haushaltsstrom Europa
15 kV / 16 2/3 Hz Netz der Deutschen Bahn
Elektrischer Widerstand
Fließt durch einen elektrischen Leiter Strom, wird diesem ein mehr oder weniger großer Widerstand entgegengesetzt. Dieser ist beispielsweise abhängig von der Art des Materials oder der Temperatur. Auch die Dicke des Materials spielt eine Rolle. Ein dicker Draht besitzt zum Beispiel einen geringeren Widerstand als ein dünner Draht aus dem gleichen Material. Das ist wie bei einer Wasserleitung. Je größer der Durchmesser der Leitung, desto mehr Wasser kann in der gleichen Zeitspanne durchfließen. Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm, das Formelzeichen des Widerstandes ist das R. Bei manchen Elektrogeräten wie Kochplatten oder elektrischen Öfen wird der Widerstand zur Erzeugung von Wärme genutzt. Bei anderen Elektrogeräten hat der Widerstand eher eine bremsende Wirkung. Bei einem Rasenmäher muss die elektrische Spannung den Widerstand erst überwinden, damit der Motor überhaupt anlaufen kann.
Elektrische Stromstärke und Leistung
Die Anzahl der Elektronen, die pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließen, sind ein Maß für die Größe des elektrischen Stroms. Auch hier bietet sich ein Vergleich mit Wasser an. Aus einem Wasserhahn fließt pro Sekunde eine bestimmte Menge an Wasser. Diese Menge wird in Kubikmeter oder Liter angeben. Die elektrische Stromstärke wird hingegen in der Einheit Ampere gemessen, das Formelzeichen lautet I. Berechnen lässt sich die Stromstärke aus dem Quotienten aus Spannung und Widerstand. Die zugehörige Formel lautet I = U/R (Ohm'sche Gesetz). Multipliziert man die Spannung mit der Stromstärke, so erhält man die Leistung. Hier lautet die Formel: P = U*I.

Das Maß der Leistung wird in Watt (W) angeben. Mit Watt hat jeder schon mal zu tun gehabt, wenn er eine Glühbirne eingeschraubt hat. Es gibt Glühbirnen mit unterschiedlicher Leistung wie zum Beispiel 30 W, 60 W oder 100 W. Je stärker die Leistung, desto heller leuchtet sie und desto mehr Wärme strahlt sie ab. Deshalb dürfen in manche Kunststofflampen auch nur Glühbirnen mit 30 Watt Leistung geschraubt werden. Das Kunststoff würde sonst schmelzen. Wie Glühbirnen unterschiedlicher Leistung hergestellt werden, lässt sich an Hand der obigen Formeln ganz einfach ermitteln.

Da die Spannung unveränderlich bleibt (230 V), muss die Stromstärke zunehmen, damit auch die Leistung ansteigt. Die Stromstärke steigt an, wenn der Widerstand abnimmt. Das sagt das Ohm'sche Gesetz. Und wie bereits erläutert, nimmt der Widerstand mit der Dicke des Drahtes zu. In einer Glühbirne mit 100 Watt Leistung ist daher bei gleicher Spannung ein dickerer Draht zu finden, als in einer Glühbirne mit 30 Watt Leistung.