Elektrischer Strom

Die gerichtete Bewegung von Ladungen heißt elektrischer Strom. Der Ladungstransport kann unipolar erfolgen, z. B. Bewegung von Elektronen, oder bipolar, z. B. Bewegung von Anionen oder Kationen in entgegengesetzte Richtung.

Stromrichtung

Die technische oder konventionelle Stromrichtung ist festgelegt als Bewegungsrichtung der positiven Ladungen. Bei Elektronenleitung ist also die technische Stromrichtung der Bewegungsrichtung der Elektronen entgegen gerichtet.

Definition der 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:

\( i = \lim \limits_{\mathrm{Δ}t \to 0} \dfrac{\mathrm{Δ}Q}{\mathrm{Δ}t} = \dfrac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} \)
(3)

Gleichstrom

Erfolgt der Ladungstransport durch den Strömungsquerschnitt zeitproportional, ist die Stromstärke zeitlich konstant. Man spricht von Gleichstrom:

\( \dfrac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} = \dfrac{\mathrm{Δ}Q}{\mathrm{Δ}t} = \mathrm{konst}. = I \)

Einheit der Stromstärke

Die Einheit der Stromstärke ist Ampere:

\( [I] = 1 \, \mathrm{Ampere} = 1 \, \mathrm{A} \)
(4)

Namensgeber der Einheit der elektrischen Stromstärke ist der französische Mathematik- und Physikprofessor André Marie Ampère.

Ladungs-Strom-Zusammenhang

Es soll bei bekannter Strom-Zeitfunktion zum Zeitpunkt \( t \) die durch den Strömungsquerschnitt transportierte Ladungsmenge berechnet werden. Der Beginn der Beobachtung ist der Zeitpunkt \( t_0 \) und \( Q_0 \) die bis zum Zeitpunkt \( t_0 \) bereits transportierte Ladungsmenge durch den Strömungsquerschnitt.

Aus Gleichung (3) erhält man:

\( \mathrm{d}Q = i \mathrm{d}t \)
(5)
\( \displaystyle\int\limits_{t_0}^t \mathrm{d}Q = \displaystyle\int\limits_{t_0}^t i \: \mathrm{d}t \)
(6)
\( Q(t) = Q(t_0) + \displaystyle\int\limits_{t_0}^t i \: \mathrm{d}t \)
(7)

Merkmale des elektrischen Stromes

Elektrische Ströme haben magnetische, thermische und chemische Wirkungen, mit denen man sie identifizieren und messen kann. 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.

Drehspulmesswerk
Drehspullmesswerk: Prinzip und Aufbau
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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.

Vielfachmesser
Vielfachinstrument

Das Dreheisenmesswerk verwendet eine feststehende Messspule, in deren Feld zwei Eisenplättchen magnetisiert werden.

Dreheisenmesswerk
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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:

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