Elektrischer Strom
Stromfresser? Verbraucher? Was passiert wirklich mit dem elektrischen Strom im Stromkreis? Hier werden Missverständnisse aufgeklärt.
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Elektronen fließen – aber wie genau und wie schnell?
Die elektrische Spannung drückt das Elektronengas durch das Kupferkabel. Was passiert am Ende des Kabels? Sausen da die Elektronen „raus“? Man ahnt es bereits: Das tun sie natürlich nicht. Aber ein „Druck“ in Form von einem Potentialunterschied (Spannung) baut sich im Kupfer auf (wie in einer verschlossenen Druckluftleitung oder wenn der Gartenschlauch am Ende ein verschlossenes Ventil hat).
Beim Schließen des Stromkreises bewirkt der Potentialunterschied zwischen den Polen die Bewegung der Elektronen und der Strom fließt.
Driftgeschwindigkeit
Wenn man einen Lichtschalter betätigt, leuchtet eine LED oder Glühbirne augenblicklich.
Dazu zwei kurze Gedankenexperimente:
- Wir stellen uns eine Zahnpastatube vor. Sobald man hinten drauf drückt, kommt vorne Zahnpasta raus. Die Pasta in der Tube wird einfach weitergeschoben.
- Wir denken an einen Wasserhahn. Wenn ein Wasserhahn geöffnet wird, breitet sich im Wasser eine Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit durch die Leitung aus. Und praktisch gleichzeitig fließt Wasser aus dem Hahn. Es dauert daher oft eine Weile, bis frisches, kaltes Wasser aus der Leitung kommt. Das liegt daran, dass die Fließgeschwindigkeit des Wassers in der Leitung viel langsamer als die der Druckwelle ist.
Beim elektrischen Strom ist es ganz ähnlich. Die „Druckwelle“ bzw. die Spannung breitet sich fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Leiter aus. Die gerichtete Bewegung der Elektronen (die Drift) ist viel langsamer und liegt bei den üblichen Stromstärken in den Kupferkabeln im Haushalt in der Größenordnung von wenigen Millimetern pro Sekunde.
Was passiert mit dem Strom im „Verbraucher“?
Elektrische Geräte werden oft „Stromverbraucher“ oder sogar „Stromfresser“ genannt. Glühbirnen „verbrauchen“ mehr Strom als LEDs – „verbrauchen“ sie wirklich den Strom?
Mit Hilfe des Elektronengasmodells kann gut veranschaulicht werden, was im Stromkreis mit den Elektronen wirklich passiert:
Das Elektronengas wird also nicht verbraucht und schon gar nicht gefressen. In diesem Fall wurde chemische Energie aus der Batterie dafür benutzt, um eine gerichtete Bewegung des Elektronengases zu bewirken. Diese Bewegung bringt die Glühbirne zum Leuchten. Dabei wird die „Bewegungsenergie der Elektronen“ in Licht und Wärme umgewandelt.
Energie geht nie verloren, auch wenn man im Alltag oft von „Energieverlust“ oder „Energieverbrauch“ spricht.
Stromrichtung
In den Stromkreismodellen oben wurde immer die Richtung der Elektronendrift betrachtet. Die Elektronen bewegen sich hier immer vom negativen Pol der Batterie durch den Stromkreis zum positiven Pol.
Die Definition der technischen Stromrichtung hat historische Gründe. Klicke auf die Batterie, um die Polung zu ändern, und beobachte, was das für die Elektronenbewegung und die technische Stromrichtung bedeutet!
Wie ist die technische Stromrichtung definiert?
Der Strom in der technischen Stromrichtung fließt genau umgekehrt zur Elektronenbewegung – von plus zu minus. Bevor noch klar war, dass sich Elektronen durch metallische Leiter bewegen, gingen die Wissenschafter*innen nämlich davon aus, dass sich positive Ladungen durch den Stromkreis bewegen.
Als entdeckt wurde, dass es die Elektronen sind, die als Ladungsträger durch die Kabel wandern und dabei genau umgekehrt vom negativen zum positiven Pol fließen, wurde die Ladung der Elektronen „negativ“ genannt. Im Prinzip sind die Bezeichnungen „positiv“ bzw. „negativ“ willkürlich für die gegensätzlichen Ladungen vergeben worden.
Trotzdem wurde die technische Stromrichtung beibehalten.
Der Stromkreis am Potentialberg
Einfache Stromkreise lassen sich auch mit Potentialberg und elektrischem Feld darstellen.
Es werden zwei Stromkreise bzw. Wege vom Potentialberg runter betrachtet. Hinauf kommen die Elektronen durch die Batterie, die hier als Lift dargestellt wird.
Route 1
Route 1 ist eine steile Abfahrt. Die waagerechten Abschnitte der Route entsprechen den Kabeln im Stromkreis. Der senkrechte Abschnitt entspricht einem elektrischen Gerät – in diesem Fall einem Glühbirnchen.
Am Glühbirnchen herrscht eine Potentialdifferenz von
Die Analogie zwischen dem Potentialberg und einem Stromkreis ergibt sich folgendermaßen:
| Potentialmodell | Stromkreis |
|---|---|
| Elektronen | Elektronen |
| Lift | Batterie |
| Bergstation | Minuspol |
| Talstation | Pluspol |
| verschiedene Routen | verschiedene Stromkreise |
| waagrechte Routenabschnitte | Kabel |
| senkrechte Routenabschnitte | Glühbirnchen |
| Routenlänge s | Kabellänge s |
Route 2
Route 1 enthält 1 Glühbirnchen. Betrachte Route 2 genauer!
Wie viele Glühbirnchen enthält Route 2?
Route 2 hat zwei senkrechte Bereiche am Potentialberg und entspricht daher einem Stromkreis mit zwei Glühbirnchen in Serie.
An jedem der zwei Glühbirnchen herrscht eine Potentialdifferenz von
Route 1 + Route 2
Eine parallele Schaltung ergibt sich, wenn zwei Routen gleichzeitig in Betrieb sind. Für jede Route steht die gleiche Spannung zur Verfügung:
Eigener Schaltkreis
Baue eigene serielle oder parallele Schaltkreise am Potentialberg!