Einfacher Gleichstromkreis
Die Bewegung elektrischer Ladungsträger wird als elektrischer Strom bezeichnet. Verändert sich der elektrische Strom über einen bestimmten Zeitraum nicht, so spricht man von elektrischem Gleichstrom. Von Wechselstrom spricht man, wenn sich der elektrische Strom in einem bestimmten Zeitraum ändert. Gleichstrom wird in der Elektrotechnik mit dem Großbuchstaben I gekennzeichnet, während für Wechselstrom der Kleinbuchstabe i verwendet wird.
In der Elektrotechnik/Elektronik werden überwiegend metallische Leiter eingesetzt: Hier ist die Bewegung freier Elektronen für den elektrischen Strom verantwortlich. Elektronen sind elektrisch negativ geladene Teilchen. Damit sich Elektronen bewegen können, sind zwei Grundbedingungen erforderlich:
- Es muss ein geschlossener Kreislauf vorhanden sein.
- Es muss "Etwas" vorhanden sein, das dafür sorgt, dass die Elektronen bewegt werden.
Dieses "Etwas" aus dem zweiten Punkt kann beispielsweise eine Batterie sein: Generell wird es als Generator bezeichnet. In einem Gleichstromkreis hat der Generator einen Anschluss mit einem positiven Potenzial (Pluspol) und einen Anschluss mit einem negativen Potenzial (Minuspol). Gemäß dem Prinzip der Abstoßung gleicher Pole bzw. der Anziehung ungleicher Pole bei Magneten werden die für den elektrischen Strom zuständigen Elektronen vom Minuspol des Generators abgestoßen. Elektronen können sich aber nur dann bewegen, wenn der Kreislauf geschlossen ist (Punkt 1).
Elektrischer Strom fließt also vom Minuspol zum Pluspol!
Die folgende Abbildung zeigt das Prinzip eines einfachen Gleichstromkreises.
Weit verbreitet ist hingegen die Aussage, dass elektrischer Gleichstrom vom Pluspol zum Minuspol fließt. Sie wurde zu einer Zeit festgelegt, als die tatsächliche Stromrichtung, also die physikalische, noch unbekannt war: Sie erfolgte aufgrund von Beobachtungen der elektrolytischen Zersetzung von Salzlösungen. Man hat sich dann einfach damit geholfen, dass man eine Unterscheidung zwischen der technischen Stromrichtung und dem physikalischen Elektronenstrom eingeführt hat:
- In der technischen Stromrichtung fließt elektrischer Strom weiterhin vom Pluspol zum Minuspol.
- In der Physik spricht man stattdessen vom Elektronenstrom, der vom Minus- zum Pluspol fließt.
Stromstärke
Die Stärke des elektrischen Stromes ist von verschiedenen Faktoren abhängig: von der Elektrizitätsmenge und vom betrachteten Zeitraum, in dem diese Elektrizitätsmenge wirkt. Die Elektrizitätsmenge wird als Ladung bezeichnet (Formelzeichen Q) und lässt sich aus der Menge n der Elektronen, ihrer elektrischen Ladung e sowie dem Querschnitt A und der Länge l des Leiters berechnen.
Damit Sie ein Gefühl für die genannten Formeln entwickeln können, sollen sie mit "Leben" gefüllt werden.
- 1 cm3 eines metallischen Leiters enthält ca. 1023 freie Elektronen, n hat also den Wert 1023.
- Die elektrische Ladung eines Elektrons hat den Wert -e = -0,16 . 10-18 As (As = Amperesekunden).
Der Wert -ne hat demnach den Wert -16000 As/cm3.
Wenn Sie nun die Stromstärke durch den Querschnitt des Leiters dividieren, erhalten Sie die Stromdichte.
In Formel 2 erkennen Sie möglicherweise einen Ausdruck wieder, den Sie im Physikunterricht kennengelernt haben, nämlich die Formel für die Geschwindigkeit eines Körpers. Formel 3 zeigt, wie die Geschwindigkeit berechnet wird in beiden Varianten:
- Einmal wird für den Weg der Kleinbuchstabe s verwendet,
- und im zweiten Teil der Formel wird die Länge des Leiters mit dem Kleinbuchstaben l bezeichnet.
Beide Formeln sind völlig gleich.
Nun ersetzen Sie in Formel 2 den Ausdruck l/t durch das Symbol für die Geschwindigkeit (Formel 4):
Lichtgeschwindigkeit?
Eigentlich benötigen Sie für die weiteren Grundlagenabschnitte nur die Formeln 1 und 2 (und zusätzlich die Erklärungen in den Menüpunkten Ohmsches Gesetz und Kirchhoffsche Gesetze), die Formeln 3 und 4 werden nur benutzt, um eine weit verbreitete Verwechslung zu korrigieren, nämlich: Elektronen fließen mit Lichtgeschwindigkeit!
Erfahrungsgemäß beträgt die Stromdichte in einem elektrischen Leiter zwischen 1 A/mm2 und 100 A/mm2. Dies entspricht Stromdichten zwischen 100 A/cm2 und 1000 A/cm2. Wenn Sie diese Werte in die Gleichungen 3 und 4 eingeben, so werden Sie feststellen, dass sich die Elektronen mit sehr langsamen 0,01 cm/s bis 1 cm/s bewegen.
Die angesprochene Verwechslung besteht darin, dass sich nicht die Elektronen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen: Es ist der Bewegungsimpuls, der sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit im Leiter fortsetzt.