Strom, Stromstärke & Spannung

Du bist im Elektromarkt und vergleichst verschiedene Handys, Drucker, Laptops oder Konsolen. Dabei findest du immer wieder Wörter wie Gleichstrom, Wechselstrom oder Spannung.

Das Ladekabel für deinen Laptop ist kaputt. Dir wird gesagt, dass die Spannung vom neuen Kabel unbedingt zu dem Laptop passen muss, damit nichts kaputt geht. Und auch die Stromstärke muss hoch genug sein.

Dein Kumpel erzählt, dass er neulich versehentlich an einen Elektrozaun gefasst und einen Stromschlag bekommen hat.

Aber was sind Strom, Stromstärke und Spannung überhaupt? simpleclub erklärt es dir!

Spannung und Strom einfach erkärt

Strom, Stromstärke und Spannung, sind die Grundbegriffte der Elektrizitätslehre.

Strom meint dabei die Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen oder Protonen. Strom ist also nichts anderes als bewegte Ladung. Das Material, durch das die Ladungsträger fließen, heißt Leiter.

Die Stromstärke I$I$ gibt an, wie viel Strom in einer bestimmten Zeit fließt. Sie misst also, wie viel Ladung in einer bestimmten Zeit durch eine dünne Scheibe des Leiters wandern.

Die Spannung U$U$ ist der Antrieb des Stroms. Sie kommt durch eine Energiedifferenz der Ladungsträger zustande: Vor einem elektrischen Gerät haben Elektronen viel potentielle Energie. Dahinter haben sie weniger, da sie Energie an das Gerät übertragen. Die Differenz aus beiden Werten ist die Spannung.

Definitionen

Grundbegriffe

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom meint die Bewegung von Ladungsträgern. In der Elektrizitätslehre wird dabei meist die Bewegung von Elektronen durch einen Leiter, zum Beispiel ein Stromkabel, betrachtet.

Da Strom eine Bewegung meint, handelt es sich nicht um einen Gegenstand oder etwas, das man anfassen, sparen oder verbrauchen könnte. Du würdest ja auch nicht vom "Rennenverbrauch" oder "Joggensparen" reden.

Sobald ein elektrischer Strom in einem Stromkreis fließt, fließt er überall gleichzeitig. Das kannst du dir wie bei einer Fahrradkette vorstellen: Bewegst du ein Glied, bewegen sich alle anderen automatisch gleichzeitig mit.

Die Idee, dass einzelne Elektronen von einer Quelle aus durch einen Stromkreis fließen, ist also falsch. Leiter sind auch nicht "leer", wenn kein Strom fließt, sondern beinhalten bereits Elektronen. Diese sind aber relativ starr und müssen für einen elektrischen Strom erst einmal in eine gerichtete Bewegung zu einer bestimmten Seite versetzt werden.

Stromstärke \Large I$\Large I$

Misst du, wie viele Ladungsträger in einer bestimmten Zeit durch deinen Leiter fließen, erhältst du die Stromstärke. Sie wird also in Ladung {Q}${Q}$ pro Zeit {t}${t}$ gemessen. Die Einheit der Stromstärke heißt Ampere \text{A}$\text{A}$.

Spannung \Large U$\Large U$

Die Spannung ist der Antrieb für den Strom. Es gibt also keinen Strom ohne Spannung. Stellst du dir den Strom als bewegte Fahrradkette vor, wäre die Spannung mit den Fahrradpedalen vergleichbar. Je fester du in die Pedale trittst, desto schneller bewegen sich die Kettenglieder.

In der Elektrizität ist es genauso: Je höher die Spannung, desto schneller bewegen sich die Elektronen und desto höher der Strom. Strom und Spannung sind also proportional zueinander. Mathematisch kannst du das so ausdrücken:

Spannung = Potentialdifferenz

Um das Wesen der Spannung zu verstehen, musst du erst wissen, was ein Potential \varphi$\varphi$ im Stromkreis ist:

Alle Teilchen besitzen eine bestimmte Energie. Die Batterie kann einen Teil ihrer chemischen Energie in sogenannte potentielle Energie umwandeln und auf die Elektronen übertragen. Soll über den Stromkreis nun ein Gerät angetrieben werden, übertragen die Elektronen einen Teil dieser Energie wiederum auf das Gerät.

Die potentielle Energie der Elektronen entspricht dem elektrischen Potential \varphi$\varphi$. Misst du also das Potential vor und hinter einem Gerät, bekommst du unterschiedliche Werte. Die Differenz aus diesen beiden Werten ist die Spannung.

Die Spannung wird aufgrund ihrer Berechnung manchmal auch Potentialdifferenz genannt.

Im Bild liegen beispielsweise Potentiale von 10 \text { V}$10 \text { V}$ und 4 \text { V}$4 \text { V}$ vor. Die Spannung U$U$ beträgt deshalb 10 \text { V} -4 \text { V} = 6 \text { V}$10 \text { V} -4 \text { V} = 6 \text { V}$.

ACHTUNG! Du weißt durch eine solche Messung in Realität nicht, welche Potentiale tatsächlich anliegen, sondern kennst immer nur die Differenz zwischen deinen beiden Messpunkten. Bei einer Spannung von 6 \text{ V}$6 \text{ V}$ könnten die beiden Potentiale in Wirklichkeit also beispielsweise auch bei 18 \text{ V}$18 \text{ V}$ und 12 \text{ V}$12 \text{ V}$ oder sogar bei 0 \text{ V}$0 \text{ V}$ und 6 \text{ V}$6 \text{ V}$ liegen.

In der Elektrizitätslehre kannst du also meistens einfach einen Wert 0 setzen und den anderen gleich der gemessenen Spannung. So lassen sich viele Aufgaben leichter lösen.

Strom- & Spannungsrichtung

Technische vs physikalische Stromrichtung

Es wird in der Elektrizität zwischen physikalischer und technischer Stromrichtung unterschieden:

• Die technische Stromrichtung ist eine historische Festlegung. Damals beschloss man, dass Elektronen von Plus nach Minus fließen würden. Diese Richtung wird aus traditionellen Gründen heute noch in technischen Bereichen und Schaltplänen verwendet.
• Die physikalische Stromrichtung entspricht der echten Bewegung der Elektronen. Inzwischen weiß man, dass freie Elektronen sich vom negativen Pol zum positiven Pol bewegen.

Beispiele

Bewegung von Protonen

Felix schaut sich die Bewegung von Protonen, also positiv geladenen Teilchen im Stromkreis an.

Fließen Protonen in die technische oder die physikalische Stromrichtung?

Lösung

Da Protonen positiv geladen sind, werden sie weg vom Pluspol und hin zum Minuspol wandern. Das liegt daran, dass ungleiche Ladungen sich anziehen. Sie folgen also der technischen Stromrichtung.

Beispiel 1: Spannung berechnen

Lea hat an einem Leiter in einer Minute eine Gesamtladung von 300 \text{ C}$300 \text{ C}$ gemessen.

Wie groß war die elektrische Stromstärke?

Lösung

\underline \textsf{Gegeben}\underline \textsf{Gegeben}

\underline \textsf{Gesucht}\underline \textsf{Gesucht}

\underline \textsf{Formel}\underline \textsf{Formel}

\underline{\textbf{Lösungsweg}}$\underline{\textbf{Lösungsweg}}$

Hier kannst du direkt in die Formel einsetzen. Achte aber darauf, dass die Zeit in der Physik immer in Sekunden angegeben wird!

Die Stromstärke beträgt 5 \text{A}$5 \text{A}$.

Zusammenfassung

• Elektrischer Strom = bewegte Ladung
• Elektrische Stromstärke I$I$ = Ladungsmenge pro Zeit
  • I=Q/t$I=Q/t$
  • Einheit Ampere [\text{A}$\text{A}$]
• Spannung U$U$ = Potentialdifferenz
  • Antrieb für den Strom
  • Einheit Volt [\text{V}$\text{V}$]
• Technische Stromrichtung = von Plus nach Minus
• Physikalische Stromrichtung = von Minus nach Plus
• Gleichspannung = Spannung bleibt immer gleich
• Gleichstrom = Strom fließt immer in gleiche Richtung
• Wechselspannung = Spannung wird regelmäßig umgekehrt
• Wechselstrom = bewegte Ladungsträger wechseln regelmäßig die Richtung