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Was ist Strom? Grundbegriffe aus der Elektrotechnik

Strom begegnet uns im täglichen Leben auf Schritt und Tritt. Er wird benötigt für Computer, Handys, Herde, Heizungen, E-Autos und andere Dinge, die das Leben angenehmer machen. Doch was ist eigentlich Strom? Wo kommt er her, wo geht er hin? Wir haben die Grundbegriffe für alle diejenigen unter uns zusammengestellt, für die Schule schon lange her ist oder für die Physik ein Buch mit sieben Siegeln war.

Hochspannungsmast

Grundbegriff #1: Elektrischer Strom

Strom bezeichnet die Bewegung elektrisch geladener Teilchen. Damit Strom fließen kann, bedarf es eines geschlossenen Stromkreises. Ein Stromkreis besteht mindestens aus Erzeuger (Batterie oder Generator), Verbraucher (z.B. Glühlampe) und aus dem Hin- und Rückleiter.

Strom verhält sich in etwa wie Wasser in einer Leitung: Wird der Hahn aufgedreht, fließt Wasser. Je höher der Druck in der Leitung und je größer der Leitungsquerschnitt, desto mehr Wasser wird transportiert.

Gute Stromleiter sind Metalle wie Kupfer oder Aluminium, weniger gut leitet Kohle Strom. Glas, Porzellan und Kunststoffe leiten Strom praktisch gar nicht, sie werden daher auch als Nichtleiter bzw. Isolierstoffe bezeichnet.

Leitet Wasser Strom?

Wasser kann entweder leitend oder nicht leitend sein. Reines Wasser leitet den elektrischen Strom fast nicht. Die Lösung eines Salzes, einer Säure oder einer Base ist hingegen stromleitend. Deshalb sollte man in Badewasser auch keinen Fön hinein fallen lassen, denn der Badezusatz macht aus dem Wasser eine Base.

Zudem sind in Leitungswasser immer auch Salze gelöst. Die wichtigsten Messgrößen im Zusammenhang mit elektrischem Strom sind Spannung, Widerstand, Stromstärke und elektrische Leistung.

Grundbegriff #2: Elektrische Spannung

Elektrischer Strom fließt nur, wenn Spannung vorhanden ist. Die Spannung treibt die Elektronen im Stromkreis voran. Gemessen wird die Spannung in Volt (V), das zugehörige Formelzeichen lautet U.

Die Spannung ist vergleichbar mit dem Druck in einer Wasserleitung, dort sorgt der Druck für ein Fließen des Wassers. Und wie in einer Wasserleitung der Druck zu hoch oder zu niedrig sein kann, kann die Spannung zu hoch oder zu niedrig sein.

In dem einen Fall platzt die Leitung bei zu hohem Druck, in dem anderen Fall führt eine zu hohe Spannung zu Überhitzungen und Überlastungen im Gerät und damit zu einer deutlich verkürzten Lebenszeit. Hingegen tut sich bei zu niedrigem Druck bzw. zu niedriger Spannung in beiden Fällen nicht viel. Das Wasser tröpfelt höchstens aus der Leitung und die Lampe macht nicht mehr wirklich hell.

Für viele Geräte (z.B. Computer) ist die Spannung aus der Steckdose viel zu groß. In diesem Fall wird ein Netzteil bzw. ein Transformator dazwischengeschaltet. Das Netzteil senkt die Spannung und Stromstärke des Hauptnetzes auf die vom Gerät benötigten Werte.

z.B.:
Netz: 230 Volt / Wechselspannung / 50 Hertz
Nach dem Netzteil (Beispiel): 12 Volt / Gleichspannung

Wechselspannung und Gleichspannung

Es wird zwischen Gleich- und Wechselspannung unterschieden. Bei einer Gleichspannung liegt eine konstante Spannung am Stromkreis an. Gleichspannung ist zu vergleichen mit einem Wasserlauf. Das Wasser fließt immer vom Berg ins Tal, also vom Punkt mit dem höchsten Potenzial zum Punkt mit dem niedrigsten Potenzial.

Ähnlich verhält es sich bei der Gleichspannung mit den Ladungsträgern, die den elektrischen Strom bilden. Bei der Gleichspannung ist die Spannung am Stromkreis immer konstant, bei der Wechselspannung hingegen kehrt sich die Richtung der Spannung regelmäßig um.

Diese Umkehrung wird in Hertz gemessen und heißt Frequenz. Das Hertz gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an. Der deutsche Haushaltsstrom hat zum Beispiel eine Netzfrequenz von 50 Hertz.

Bei 50 Hertzt geht die Spannung 100 Mal pro Sekunde durch den Nullpunkt, das ist zum Beispiel ie Ursache für das Flimmern von Leuchtstoffröhren oder Fernsehbildschirmen. Ein Fernseher mit einer Frequenz von 100 Hertz flimmert zum Beispiel schon deutlich weniger als ein Fernseher mit 50 Hertz.

Häufig verwendete Gleichspannungen:

  • 1,2 V Akku
  • 1,5 V Batterie
  • 1,65 V Prozessor auf Computer-Mainboard
  • 42 V Schweißgeräte
  • 60 V Netzspannung der Deutschen Telekom
  • 600 V Oberleitungsspannung für Straßenbahnen

Wichtige Wechselspannungen:

  • 117 V / 60 Hz Haushaltsstrom USA
  • 100 V / 50 Hz Haushaltsstrom Japan
  • 230 V / 50 Hz Haushaltsstrom Europa
  • 15 kV / 16 2/3 Hz Netz der Deutschen Bahn

Grundbegriff #3 Elektrischer Widerstand

Fließt durch einen elektrischen Leiter Strom, wird diesem ein mehr oder weniger großer Widerstand entgegengesetzt. Dieser ist beispielsweise abhängig von der Art des Materials oder der Temperatur. Auch die Dicke des Materials spielt eine Rolle.

Ein dicker Draht besitzt zum Beispiel einen geringeren Widerstand als ein dünner Draht aus dem gleichen Material. Das ist wie bei einer Wasserleitung. Je größer der Durchmesser der Leitung, desto mehr Wasser kann in der gleichen Zeitspanne durchfließen.

Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm, das Formelzeichen des Widerstandes ist das R. Bei manchen Elektrogeräten wie Kochplatten oder elektrischen Öfen wird der Widerstand zur Erzeugung von Wärme genutzt.

Bei anderen Elektrogeräten hat der Widerstand eher eine bremsende Wirkung. Bei einem Rasenmäher muss die elektrische Spannung den Widerstand erst überwinden, damit der Motor überhaupt anlaufen kann.

Grundbegriff #4: Elektrische Stromstärke

Die Anzahl der Elektronen, die pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließen, sind ein Maß für die Größe des elektrischen Stroms. Auch hier bietet sich ein Vergleich mit Wasser an. Aus einem Wasserhahn fließt pro Sekunde eine bestimmte Menge an Wasser. Diese Menge wird in Kubikmeter oder Liter angeben.

Die elektrische Stromstärke wird hingegen in der Einheit Ampere gemessen, das Formelzeichen lautet I. Berechnen lässt sich die Stromstärke aus dem Quotienten aus Spannung und Widerstand. Die zugehörige Formel lautet I = U/R (Ohm’sche Gesetz). Multipliziert man die Spannung mit der Stromstärke, so erhält man die Leistung. Hier lautet die Formel: P = U*I.

Grundbegriff #5: Elektrische Leistung

Das Maß der Leistung wird in Watt (W) angeben. Sie gibt an wie viel elektrische Energie in einer gewissen Zeit umgesetzt wird. Sie beschreibt demnach den Energieverbrauch der Verbraucher.

Mit Watt hat jeder schon mal zu tun gehabt, wenn er früher eine Glühbirne eingeschraubt hat. Es gab Glühbirnen mit unterschiedlicher Leistung wie zum Beispiel 30 W, 60 W oder 100 W. Je stärker die Leistung, desto heller leuchtete sie und desto mehr Wärme strahlte sie ab.

Moderne LEDs haben eine wesentlich geringere Leistung, sie liegt in der Regel in einem Bereich zwischen 6 und 19 Watt. Sie strahlen sehr viel weniger Wärme ab und sind somit wesentlich energiesparender bei gleicher Leuchtkraft. Die wird heutzutage auch eher in Lumen als in Watt angegeben.

Das ist gar nichts im Vergleich zu neuen E-Autos, bei denen die Leistung bis über 500 Kilowatt betragen kann. Das erste Auto von Carl Benz hatte gerade einmal eine Leistung von 500 Watt, also einem tausendstel davon. Das war weniger als ein PS. Eine Pferdestärke entspricht einer Leistung von etwa 735,5 Watt.

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