Basiswissen

Der „normale“ elektrische Strom in Leitungen besteht aus Elektronen, die sich vom Minuspol zum Pluspol bewegen. Allgemein spricht man immer dann von einem elektrischen Strom, wenn sich viele Teilchen mit ausschließlich gleichartiger elektrischen Ladung (+ oder -) gemeinsam in eine Richtung bewegen^[1]. Diese allgemeine Definition wird hier erläutert.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Elektrischer Strom fließt zwischen zwei Elektroden: Strom muss nicht unbedingt durch Leitungen fließen. Auch muss der Strom nicht unbedingt aus Elektronen bestehen. Hier fließt Strom durch Luft. Die Stromteilchen sind verschiedene Ionen und Elektronen. Die Spannung ist mit 25 Tausend Volt (25 kV) angegeben. © Martin Brož on Wikimedia Commons ☛

Definition

In der Schulphysik ist die übliche Definition von Strom, dass er aus fließenden Ladungen besteht. Das ist auch die allgemein verbreitete Vorstellungen in vielen Ausbildungsberufen. Dieses anschaulich gut vorstellbare Modell passt gut auf sehr viele Phänomene rund um die Elektrizititä. Ein Schulbuch definiert:

DEFINITION:

"Elektrischer Strom bedeutet […]: es fließt elektrische Ladung. Man betrachtet diese Ladung als Substanz, die an fast alle elektrischen Vorgängen beteiligt ist."^[4]

Man kann hier noch ergänzen, dass mit elektrischer Ladung die Ladung einer Art, also entweder positiv oder negativ gemeint ist. Fließen oder bewegen sich gleich viele positive wie auch negative Ladungen gemeinsam gleichzeitig in eine Richtung, dann liegt kein Strom vor. Man man zum Beispiel Kochsalz in Wasser auflöst, befinden sich am Ende sehr viele negative wie auch positive Ionen im Wasser. Wenn dieses Wasser nun eine kleine Rinne hinabfließt, fließen auch die vielen Ionen mit. Man hat dann zwar strömendes Wasser aber keinen Strom im elektrischen Sinn.

DEFINITION:

"Der elektrische Strom in Metallen besteht aus dem Fließen von Elektronen."^[5]

Die in Metallen fließenden Stromteilchen sind die Elektronen. Es gibt aber noch viele weitere mögliche Stromteilchen. Man bezeichnet sie umfassend als Ladungsträger oder kurz auch Ladungen. Beispiele dafür sind

Elektronen (-)

Anionen (-)

Kationen (+)

Protonen (+)

Man unterscheidet also positiv und negativ geladene Teilchen. Wenn sich nun mehrere gleichartig geladene - und nur solche - Teilchen gemeinsam in eine bestimmte Richtung bewegen, spricht man von einem elektrischen Strom, oder kurz Strom: Elektrischer Strom besteht aus vielen Stromteilchen mit gleicher Ladung, die sich gemeinsam in eine Richtung bewegen. Den so verstandenen elektrischen Strom bezeichnet man auch als Konvektionsstrom. Der Kern der Definition ist die gerichtete Bewegung vieler gleichartiger Ladungsträger.

Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman dachte ebenfalls in diesem Modell. Von ihm stammt eine kurze Beschreibung der Elektronen im Metall wie kleine Billardkugeln.

ZITAT:

"Beginnen sich die Elektronen zu bewegen […], so stoßen sie infolge der elektrischen Abstoßung die Elektronen an, die sich ei Stück weiter weg im Draht befinden: diese wiederum stoßen die nächsten Elektronen an usw., und das über große Strecken. Eine erstaunliche Tatsache."^[2]

Man sieht also, dass die einfache Vorstellung von fließenden Elektronen (oder anderen Ladungsträgern) wie man sie in der Mittelstufe der Schule kennen lernt, durchaus auch von Nobelpreisträgern der Physik ernst genommen wird. Für viele Zwecke reicht dieses Bild aus. Es ist aber noch nicht die ganze Geschichte.

Konvektionsstrom

Die schulphysikalische Definition sieht im elektrischen Strom also fließende Teilchen. Man bezeichnet diese Art von Strom auch als Konvektionsstrom. Warum nicht einfach nur Strom? Weil es noch einen anderen Teil gibt. Diesre andere Teil ist der sogenannte Verschiebungsstrom.

Verschiebungsstrom

Der oben beschriebene Konvektionstrom, oft anhand von bewegten Elektronen erklärt, deckt aber nur einen Teil des Gesamtphänomens von elektrischem Strom ab. Tatsächlich kann auch eine Stromstärke gemessen werden, obwohl ein Stromkreis durch einen Isolator (Bernstein, Glas, Styropor etc.) unterbrochen ist. Die Grundidee ist es dann, dass diese Materialien zwar keine Elektronen oder sonstige Ladungsträger besitzen, die sich von Atom zu Atom oder Molekül zu Molekül frei bewegen können. Die Stoffe haben aber dennoch Ladungen, die sich innerhalb ihrer molekularen oder atomaren Bausteine etwas in ihrer Lage zueinander verschieben können. Und auch damit kann man recht beachtliche und messbare Stromstärken erzeugen. Der Effekt ist seit mindestens dem Jahr 1861 ausführlich beschrieben. Siehe mehr dazu im Artikel zum Verschiebungsstrom^{[3] ↗}

Gegenbeispiel: bewegter Metalldraht

Das folgende Beispiel soll den Sinn der obige Definition verdeutlichen: man nimmt einen Metalldraht und bewegt in über zum Beispiel 30 cm von links nach rechts. Auch in diesem Fall wurden Elektronen gmeinsam in eine Richtung bewegt. Dennoch spricht man in diesem Fall nicht von Strom. Man würde auch keine Stromwirkung (siehe unten) an dem Metall erkennen. Der springende Punkt ist, dass sich mit den negativ geladenen Teilchen auch die positiven Protonen in die gemeinsame Richtung bewegen. Ein elektrischer Strom entsteht aber nur aus jenen Ladungen, für die nicht gleichzeitig in räumlicher Nähe gegensinnige Ladungen sich mitbewegen.

Strom außerhalb von Drähten

Strom kann in Drähten als Leitungsstrom oder in komplizierten Wirbelströmen in zum Beispiel Platten fließen. Aber auch außerhalb von Materie kann Strom fließen, etwa durch Luft (Blitz) oder den Weltraum (Sonnenwind). Man spricht dann von einem sogenannten Konvektionsstrom^[1].

Wirkungen des Stromes

Strom kann seine Umgebung warm machen

Strom kann Magnetismus erzeugen

Strom kann Motoren bewegen

Strom kann Licht erzeugen

Siehe auch elektrische Energie ↗

De Stromstärke I in Ampere

Stromstärke sagte: wie viele Ladungsteilchen fließen pro Zeiteinheit an der Mess-Stelle vorbei.

Die Stromstärke sagt nicht, wie schnell die Teilchen, nur wie viele es z. B. pro Sekunde sind.

Das Formelzeichen für Stromstärke ist das große lateinische I.

Die Einheit der Stromstärke I ist das Ampere A.

Siehe auch Stromstärke ↗

Was ist ein induzierter Strom?

Immer, wenn sich an einem Ort die magnetische Flussdichte ändert, wird zunächst eine elektrische Spannung induziert, es entsteht also ein elektrisches Feld. Befinden sich in diesem Feld dann auch frei elektrische Ladungen, fangen diese an sich zu bewegen und bilden dann einen Strom. Siehe auch induzierter Strom ↗

Fußnoten

[1] Spektrum Lexikon der Physik. Online. Sinngemäß entnommen am 27. Mai 2021. https://www.spektrum.de/lexikon/physik/elektrischer-strom/3956

[2] Richard Feynman: Feynman-Vorlesungen über Physik. Band II. 5. verbesserte Auflage. Oldenbourg Verlag. 2006. ISBN: 978-3-486-58107-2. Seite 291.

[3] - [1] Die Idee zu einem Verschiebungsstrom existiert spätestens seit dem Jahr 1861. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831 bis 1879) beschrieb im Jahr 1861, mit also etwa 30 Jahren Altern, dass auch Isolatoren ohne einen dauerhaft fließenden Strom elektrische Effekt weiterleiten können: "we have two independent qualities of bodies, one by which they allow of the passage of electricity through them, and the other by which they allow of electrial action being transmitted through them without any electricity being allowed to pass. A conducting body may be compared to a porous membrane which opposes more or less resistance to the passage of a fluid, while a dielectric is like an elastic membrane which may be impervious to the fluid, but transmits the pressure of the fluid on one side to that on the other." In: James Clerk Maxwell: On Physical Lines of Force. Part III. - The Theory of Molecular Vortices applied to Statical Electricity. In: The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1861. Dort auf der Seite 14. Mehr unter Verschiebungsstrom ↗

[4] Strom in einem Schulbuch für die Mittelstufe: "Elektrischer Strom bedeutet […]: es fließt elektrische Ladung. Man betrachtet diese Ladung als Substanz, die an fast alle elektrischen Vorgängen beteiligt ist." In: Dorn.Bader. Physik Gymnasium Sek I. Schroedel Verlag. 2001. ISBN: 3-507-86262-X. Dort die Seite 174.

[5] "Der elektrische Strom in Metallen besteht in einem Fließen aus Elektronen. In einem elektrischen Stromkreis treten die Elektronen am negativen Pol der Spannungsquelle aus, fließen mit einer mitleren Driftgeschwindigkeit durch den Draht und treten am positiven Pol wieder in die Spannunsquelle ein." In: Höfling: Physik. Lehrbuch für Unterricht und Selbststudium. Fünfzehnte Auflage. 1994. ISBN: 3-427-41045-5. Dort im Kapitel "5.1.1. Grundtatsachen der Elektrizitätslehre", Seite 401.