Elektrischer Strom
Die gerichtete Bewegung von Ladungen heißt elektrischer Strom. Der Ladungstransport kann unipolar erfolgen, zum Beispiel durch Bewegung von Elektronen oder bipolar, zum Beispiel die Bewegung von Anionen oder Kationen in entgegengesetzter Richtung.
Stromrichtung
Die technische beziehungsweise konventionelle Stromrichtung ist festgelegt in Bewegungsrichtung der positiven Ladungsträger. Bei Elektronenleitung, wie in der Abbildung 1 dargestellt, ist also die technische Stromrichtung der Bewegungsrichtung der Elektronen entgegen gerichtet.
- Abbildung 1: Bewegung der Elektronen bei Elektronenleitung
Definition der elektrischen Stromstärke
In der Zeiteinheit \( \mathrm{Δ}t \) durchsetzt die Ladungsmenge \( \mathrm{Δ}Q \) einen Strömungsquerschnitt \( A \). Die Stromstärke \( I \) folgt dann im Zeitintervall im Mittel aus:
\( I = \dfrac{\mathrm{Δ}Q}{\mathrm{Δ}t} \) | (2) |
Den Augenblickswert der Stromstärke erhält man aus:
\( i(t) = \lim \limits_{\mathrm{Δ}t \to 0} \dfrac{\mathrm{Δ}Q}{\mathrm{Δ}t} = \dfrac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} \) | (3) |
Gleichstrom
Erfolgt der Ladungstransport durch den Strömungsquerschnitt zeitproportional, ist die Stromstärke zeitlich konstant und wird als Gleichstrom bezeichnet:
Einheit der Stromstärke
Die Einheit der Stromstärke ist Ampere (mit dem Einheitenkürzel A):
\( [I] = 1 \, \mathrm{A} \) | (4) |
Namensgeber der Einheit der elektrischen Stromstärke ist der französische Mathematik- und Physikprofessor André Marie Ampère. Sie ist eine der sieben SI-Basiseinheiten.
Zusammenhang zwischen Ladung und Strom
Es soll bei bekannter Strom-Zeitfunktion \( i(t) \) zum Zeitpunkt \( t \) die durch den Strömungsquerschnitt transportierte Ladungsmenge berechnet werden. Der Beginn der Beobachtung ist der Zeitpunkt \( t_0 \). Zum Zeitpunkt \( t_0 \) ist \( Q_0 \) die bereits transportierte Ladungsmenge durch den Strömungsquerschnitt.
Aus Gleichung (3) erhält man:
\( \mathrm{d}Q = i(t) \: \mathrm{d}t \) | (5) |
\( \displaystyle\int\limits_{t_0}^t \mathrm{d}Q = \displaystyle\int\limits_{t_0}^t i(t) \: \mathrm{d}t \) | (6) |
\( Q(t) = Q_0 + \displaystyle\int\limits_{t_0}^t i(t) \: \mathrm{d}t \) | (7) |
Merkmale des elektrischen Stromes
Elektrische Ströme haben magnetische, thermische und chemische Wirkungen, mit denen sie identifiziert und gemessen werden können. Ein stromdurchflossener Leiter ist stets von einem Magnetfeld umgeben. Jeder stromdurchflossene Leiter erwärmt sich. Ausnahmen sind Supraleiter. Die Ionenleitung (Kationen, Anionen) ist mit einem Stofftransport verbunden.
Strommessgeräte
Das Drehspulmesswerk enthält eine in dem radialhomogenen Feld eines Dauermagneten beweglich aufgehängte Spule.
- Abbildung 2: Drehspulmesswerk (Prinzip und Aufbau)
Fließt durch die Spule der Messstrom \( I \), wird sie infolge der ampereschen Kraftwirkung ausgelenkt. Wird eine Diode zur Gleichrichtung dem Drehspulinstrument vorgeschaltet, können auch Wechselströme gemessen werden. Sogenannte Vielfachinstrumente mit Drehspulmesswerk haben umschaltbare Strommessbereiche und sind auf Gleichstrom und Wechselstrom umschaltbar.
- Vielfachinstrument
Das Dreheisenmesswerk verwendet eine feststehende Messspule, in deren Feld zwei Eisenplättchen magnetisiert werden.
- Dreheisenmesswerk
Die entstehenden Magnete haben gleichgerichtete Pole, die sich abstoßen. Das Dreheiseninstrument bewertet das Quadrat des Messstromes und kann deshalb ohne Gleichrichter zur Messung von Wechselströmen verwendet werden. Mit sogenannten Strommesszangen wird der Strom im umfassten Leiter berührungslos gemessen. Ausgenutzt wird ein Induktionsprinzip (Lorentz-Kraft): Im Magnetfeld des Leiters werden bewegte Ladungsträger abgelenkt. Die Ladungstrennung führt zur Hall-Spannung, die proportional dem Messstrom ist. Ausführungsformen zeigt Bild 5:
