Was ist elektrischer Strom?

Was ist elektrischer Strom? – Definition, Einheit & 2 Typen

Was ist elektrischer Strom und wie kommt er in die Steckdose?

(Quelle: pexels.com)

Der Fluss der Elektronen

Was ist elektrischer Strom? Vielleicht hast Du Dir diese Frage gerade gestellt und darum diesen Artikel gefunden. Wir wollen versuchen Licht ins Dunkel zu bringen!

Wenn Du das Wort „Strom“ hörst, woran denkst Du dann? Vielleicht fließt Wasser einen Fluss hinunter? Das ist eine gute Verbindung, denn genau aus diesem Grund wurde der elektrische Strom benannt. Elektrischer Strom ist einem Wasserstrom sehr ähnlich, nur dass sich anstelle von Wassermolekülen, die sich einen Fluss hinunter bewegen, geladene Partikel einen Leiter hinunter bewegen. In dieser Lektion werden wir untersuchen, was genau Strom ist, was ihn verursacht, und herausfinden, dass elektrischer Strom im Gegensatz zu einem Wasserstrom nicht immer in eine Richtung fließt.

Elektrischer Strom

Strom ist der Fluss der geladenen Teilchen durch ein leitfähiges Medium, wie beispielsweise einen Draht. Wenn wir über Elektrizität sprechen, sind die geladenen Teilchen, auf die wir uns beziehen, fast immer Elektronen. Die Atome in einem leitenden Material haben viele freie Elektronen, die von Atom zu Atom und überall dazwischen herumfliegen. Die Bewegung dieser Elektronen ist zufällig, so dass es keine Strömung in eine bestimmte Richtung gibt. Wenn wir jedoch eine Spannung an den Leiter anlegen, bewegen sich alle freien Elektronen in die gleiche Richtung und erzeugen einen Strom.

Eine merkwürdige Sache am elektrischen Strom ist, dass, während die elektrische Energie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Leiter transportiert wird, sich die Elektronen selbst viel, viel langsamer bewegen. Wenn Du gemächlich entlang eines stromführenden Drahtes gehen würdest, würdest du mehr als 100 mal schneller reisen als die Elektronen!

Um zu verstehen, warum das so ist, können wir uns einen stromführenden Draht wie ein mit Murmeln gefülltes Rohr vorstellen. Die Murmeln stellen die Elektronen und das Rohr den Draht dar. Wenn wir eine Murmel in ein Ende des Rohres stecken, drückt sie auf die erste Murmel, die auf die nächste Murmel drückt, und so weiter. Mit anderen Worten, die Bewegung und damit die Energie wurde fast sofort übertragen. Allerdings bewegte sich jede einzelne Murmel nur eine winzige Strecke im Rohr, um diese Energie zu übertragen. Da die Elektronen in einem Draht nicht sehr weit reisen müssen, um ihre Energie auf das nächste Elektron zu übertragen, ist ihr Gesamtfortschritt durch den Draht relativ langsam obwohl der elektrische Strom schnell ist.

Gleich- und Wechselstrom

Es gibt zwei verschiedene Arten von Strom, die heute weit verbreitet sind. Es handelt sich um Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Bei einem Gleichstrom fließen die Elektronen in eine Richtung. Batterien erzeugen einen Gleichstrom, weil die Elektronen immer von der „negativen“ zur „positiven“ Seite fließen.

Wechselstrom (AC)

Der Wechselstrom beschreibt den Ladungsfluss, der periodisch die Richtung wechselt. Dadurch kehrt sich mit dem Strom auch der Spannungspegel um. Wechselstrom wird zur Stromversorgung von Häusern, Bürogebäuden usw. verwendet.

Wie wird Wechselstrom erzeugt?

Wechselstrom kann mit einer Vorrichtung erzeugt werden, die als Lichtmaschine bezeichnet wird. Diese Vorrichtung ist eine spezielle Art von elektrischem Generator, der zur Erzeugung von Wechselstrom ausgelegt ist.

Eine Drahtschleife wird innerhalb eines Magnetfeldes gedreht, wodurch ein elektrischer Strom entlang des Drahtes induziert. Die Drehung des Drahtes kann von einer beliebigen Anzahl von Hilfsmitteln kommen: einer Windturbine, einer Dampfturbine, fließendem Wasser und so weiter. Da sich der Draht dreht und periodisch in eine andere magnetische Polarität eintritt, wechseln sich Spannung und Strom auf dem Draht ab.

Wellenformen

Elektrischer Strom (AC) kann in verschiedenen Formen auftreten, solange Spannung und Strom wechseln. Wenn wir ein Oszilloskop an einen Stromkreis mit Wechselstrom anschließen und seine Spannung über die Zeit aufzeichnen, sehen wir vielleicht eine Reihe verschiedener Wellenformen. Die häufigste Art von Wechselstrom ist die Sinuswelle. Die Wechselspannung in den meisten Wohnungen und Büros hat eine oszillierende Spannung, welche eine Sinuswelle erzeugt.

Was ist elektrischer Strom? - Definition, Einheit & 2 Typen

Beschreibung einer Sinuskurve

Wir wollen eine AC-Wellenform oft mathematisch beschreiben. Für dieses Beispiel verwenden wir die gewöhnliche Sinuswelle. Eine Sinuswelle besteht aus drei Teilen: Amplitude, Frequenz und Phase.

Betrachtet man nur die Spannung, so kann man eine Sinuswelle als mathematische Funktion beschreiben:

Was ist elektrischer Strom? - Definition, Einheit & 2 Typen

  • V(t) ist unsere Spannung als Funktion der Zeit, was bedeutet, dass sich unsere Spannung mit der Zeit ändert. Die Gleichung rechts neben dem Gleichheitszeichen beschreibt, wie sich die Spannung im Laufe der Zeit ändert.
  • VP ist die Amplitude. Dies beschreibt die maximale Spannung, die unsere Sinuswelle in beide Richtungen erreichen kann, was bedeutet, dass unsere Spannung +VP Volt, -VP Volt oder irgendwo dazwischen liegen kann.
  • Die sin()-Funktion zeigt an, dass unsere Spannung in Form einer periodischen Sinuswelle vorliegt, die eine gleichmäßige Schwingung um 0V ist.
  • ist eine Konstante, die die Frequenz von Zyklen (in Hertz) in Winkelfrequenzen (Bogenmaß pro Sekunde) umwandelt.
  • f beschreibt die Frequenz der Sinuswelle. Dies wird in Form von Hertz oder Einheiten pro Sekunde angegeben. Die Frequenz gibt an, wie oft eine bestimmte Wellenform (in diesem Fall ein Zyklus unserer Sinuswelle – ein Anstieg und ein Rückgang) innerhalb einer Sekunde auftritt.
  • t ist unsere unabhängige Variable: Zeit (gemessen in Sekunden). Mit zunehmender Zeit variiert unsere Wellenform.
  • φ beschreibt die Phase der Sinuswelle. Phase ist ein Maß dafür, wie verschoben die Wellenform in Bezug auf die Zeit ist. Sie wird oft als Zahl zwischen 0 und 360 angegeben und in Grad gemessen. Aufgrund der periodischen Natur der Sinuswelle wird die Wellenform, wenn sie um 360° verschoben wird, wieder zur gleichen Wellenform, als ob sie um 0° verschoben würde. Der Einfachheit halber gehen wir für den Rest dieses Tutorials davon aus, dass die Phase 0° beträgt.

Wir können uns an unsere vertraute Steckdose wenden, um ein gutes Beispiel dafür zu erhalten, wie eine AC-Wellenform funktioniert. In Deutschland ist die Stromversorgung unserer Häuser mit Wechselstrom von etwa 220V Null-Spitzenwert (Amplitude) und 50Hz (Frequenz) geregelt.

Anwendungen

Heim- und Büroanschlüsse sind fast immer AC. Denn die Erzeugung und der Transport von Wechselstrom über weite Strecken ist relativ einfach. Bei hohen Spannungen (über 110kV) geht weniger Energie in der elektrischen Energieübertragung verloren. Höhere Spannungen bedeuten niedrigere Ströme, und niedrigere Ströme bedeuten weniger Wärme, die widerstandsbedingt in der Stromleitung entsteht. Wechselstrom kann mit Hilfe von Transformatoren einfach in und aus Hochspannungen umgewandelt werden.

AC ist auch in der Lage, Elektromotoren anzutreiben. Motoren und Generatoren sind genau das gleiche Gerät, aber Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um (wenn die Welle eines Motors gedreht wird, wird an den Klemmen eine Spannung erzeugt!). Dies ist nützlich für viele Großgeräte wie Geschirrspüler, Kühlschränke usw., die mit Wechselstrom betrieben werden.

Gleichstrom (DC)

Gleichstrom ist etwas leichter zu verstehen als Wechselstrom. Anstatt hin und her zu oszillieren, liefert DC eine konstante Spannung oder einen konstanten Strom.

Wie wird Gleichstrom erzeugt?

Gleichstrom kann auf verschiedene Weise erzeugt werden:

  • Ein Wechselstromgenerator, der mit einer Vorrichtung namens „Kommutator“ ausgestattet ist, kann Gleichstrom erzeugen.
  • Verwendung einer Vorrichtung namens „Gleichrichter“, die AC in DC umwandelt.
  • Batterien liefern Gleichstrom, der durch eine chemische Reaktion im Inneren der Batterie erzeugt wird.

Definition von Gleichstrom

DC ist definiert als der „unidirektionale“ Stromfluss denn elektrischer Strom fließt nur in eine Richtung. Spannung und Strom können variieren, solange sich die Strömungsrichtung nicht ändert. Um die Dinge zu vereinfachen, gehen wir davon aus, dass die Spannung eine Konstante ist. Zum Beispiel gehen wir davon aus, dass eine AA-Batterie 1,5V liefert, was mathematisch beschrieben werden kann als:

Was ist elektrischer Strom? - Definition, Einheit & 2 Typen

Wenn wir dies grafisch darstellen, sehen wir eine konstante Spannung:

Was ist elektrischer Strom? - Definition, Einheit & 2 Typen

Was bedeutet das? Das bedeutet, dass wir auf die meisten Gleichstromquellen zählen können, um eine konstante Spannung über die Zeit bereitzustellen. In Wirklichkeit verliert eine Batterie langsam ihre Ladung, was bedeutet, dass die Spannung mit der Verwendung der Batterie sinkt. Dies fällt aber kaum ins Gewicht und wir können davon ausgehen, dass die Spannung praktisch gesehen konstant ist.

Anwendungen

Fast alle tragbaren Elektrogeräte und Unterhaltungselektronik laufen auf DC. Alles, was mit einer Batterie funktioniert, mit einem Netzteil an die Wand angeschlossen wird oder ein USB-Kabel für die Stromversorgung verwendet, hängt von Gleichstrom ab.

Beispiele für DC-Elektronik sind:

  • Mobiltelefone
  • Flachbildfernseher (AC geht in den Fernseher, der in DC umgewandelt wird)
  • Taschenlampen
  • Hybrid- und Elektrofahrzeuge
  • und viele weitere Geräte

Kampf der Strömungen

Fast jedes Haus und Unternehmen ist für Wechselstrom ausgelegt. Dies war jedoch keine Entscheidung welche über Nacht getroffen wurde. In den späten 1880er Jahren führten eine Vielzahl von Erfindungen in den Vereinigten Staaten und Europa zu einem regelrechten Kampf zwischen Wechselstrom und Gleichstromverteilung.

1886 elektrifizierte Ganz Works, ein Elektrizitätsunternehmen mit Sitz in Budapest, ganz Rom mit Wechselstrom. Thomas Edison hingegen hatte bis 1887 121 Gleichstromkraftwerke in den Vereinigten Staaten gebaut. Ein Wendepunkt in der Schlacht kam, als George Westinghouse, ein berühmter Industrieller aus Pittsburgh, im Jahr 1888 die Patente von Nikola Tesla für Wechselstrommotoren und Getriebe erwarb.

AC / DC

In den späten 1800er Jahren konnte elektrischer Strom (DC) nur schwer in Hochspannungen umgewandelt werden. Daraufhin schlug Edison ein System von kleinen, lokalen Kraftwerken vor, die einzelne Quartiere oder Stadtteile versorgen sollten. Die Stromverteilung erfolgte über drei Leitungen aus dem Kraftwerk: +110 Volt, 0 Volt und -110 Volt. Leuchten und Motoren können entweder zwischen der +110V- oder 110V-Steckdose und 0V (neutral) angeschlossen werden. 110V erlaubten einen gewissen Spannungsabfall zwischen der Anlage und der Last (Haus, Büro, etc.).

Obwohl der Spannungsabfall über die Stromleitungen berücksichtigt wurde, mussten die Kraftwerke innerhalb von 1 Meile vom Endverbraucher aufgestellt werden. Diese Einschränkung machte die Stromverteilung in ländlichen Gebieten extrem schwierig, wenn nicht gar unmöglich.

Mit den Patenten von Tesla arbeitete Westinghouse daran, das Wechselstrom-Verteilersystem zu perfektionieren. Transformatoren stellten eine kostengünstige Methode dar, um die Spannung von Wechselstrom auf mehrere tausend Volt zu erhöhen und wieder auf nutzbare Werte abzusenken. Bei höheren Spannungen konnte die gleiche Leistung mit viel geringerem Strom übertragen werden, was zu einem geringeren Leistungsverlust durch Widerstand in den Leitungen führte. Infolgedessen konnten große Kraftwerke viele Kilometer vom Verbraucher entfernt aufgestellt werden und eine größere Anzahl von Menschen und Gebäuden versorgen.

Edisons Verleumdungskampagne

In den nächsten Jahren führte Edison eine Kampagne zur Verhinderung des Einsatzes von Wechselstrom in den Vereinigten Staaten, zu der auch die Lobbyarbeit der staatlichen Gesetzgeber und die Verbreitung von Desinformationen über Wechselstrom gehörten. Edison wies auch mehrere Techniker an, öffentlich Tiere durch einen Stromschlag mit Wechselstrom zu töten, um zu zeigen, dass Wechselstrom gefährlicher ist als Gleichstrom. Um diese Gefahren aufzuzeigen, entwarfen Harold P. Brown und Arthur Kennelly, Mitarbeiter von Edison, den ersten elektrischen Stuhl für den Bundesstaat New York, welcher mit Wechselstrom betrieben wurde.

Der Aufstieg des Wechselstroms

1891 fand die Internationale Elektrotechnische Ausstellung in Frankfurt am Main statt und zeigte die erste Langstreckenübertragung von Drehstrom, die auf der Ausstellung Lichter und Motoren antrieb. Mehrere Vertreter von General Electric waren anwesend und waren anschließend von der Ausstellung beeindruckt. Im folgenden Jahr investierte General Electric in die AC-Technologie.

Westinghouse erhielt 1893 den Auftrag zum Bau eines hydroelektrischen Damms (Wasserkraftwerk), um die Kraft der Niagarafälle zu nutzen und elektrischen Strom als AC nach Buffalo, NY, zu übertragen. Das Projekt wurde am 16. November 1896 abgeschlossen und die Stromversorgung der Industrie in Buffalo begann. Dieser Meilenstein markierte den Rückgang der Gleichstromversorgung in den Vereinigten Staaten. Während Europa einen AC-Standard von 220-240 Volt bei 50 Hz einführte, wurde der Standard in Nordamerika mit 120 Volt bei 60 Hz festgelegt.

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

Der Schweizer Ingenieur René Thury schuf in den 1880er Jahren mit einer Reihe von Motor-Generatoren ein Hochspannungs-Gleichstromsystem, mit dem Gleichstrom über weite Strecken übertragen werden konnte. Aufgrund der hohen Kosten und der Wartung der Thury-Systeme wurde die HGÜ jedoch fast ein Jahrhundert lang nicht eingeführt.

Mit der Erfindung der Halbleiterelektronik in den 1970er Jahren wurde der wirtschaftliche Wandel zwischen AC und DC möglich. Spezielle Geräte konnten verwendet werden, um Hochspannungs-Gleichstrom (teilweise bis 800 kV) zu erzeugen. Teile Europas haben begonnen, HGÜ-Leitungen einzusetzen, um verschiedene Länder elektrisch zu verbinden.

HGÜ-Leitungen weisen über extrem lange Strecken weniger Verluste auf als gleichwertige Wechselstromleitungen. Darüber hinaus ermöglicht die HGÜ den Anschluss verschiedener Wechselstromsysteme (z.B. 50 Hz und 60 Hz). Trotz ihrer Vorteile sind HGÜ-Systeme teurer und weniger zuverlässig als die herkömmlichen AC-Systeme.

Am Ende könnten Edison, Tesla und Westinghouse ihre Wünsche wahr werden lassen. AC und DC können koexistieren und dienen jeweils einem eigenen Zweck.

Fazit

Du solltest jetzt verstanden haben, was elektrischer Strom ist und was die Unterschiede zwischen AC und DC sind. Wechselstrom lässt sich leichter zwischen den Spannungsebenen umwandeln, was die Hochspannungsübertragung erleichtert. Gleichstrom hingegen ist in fast der gesamten Elektronik zu finden. Du solltest wissen, dass sich die beiden nicht sehr gut miteinander vermischen, und du musst AC in DC umwandeln, wenn du die meisten elektronischen Geräte an eine Steckdose anschließen willst. Mit diesem Verständnis solltest du bereit sein, einige komplexere Schaltungen und Konzepte in Angriff zu nehmen, auch wenn sie Wechselstrom enthalten.

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