Elektrische Stromstärke und Ampere
Die elektrische Aufladung von Materie erfolgt durch Ladungstrennung. Dabei wird dafür gesorgt, dass Elektronen und Protonen voneinander getrennt werden, so dass ein Pluspol (Protonenüberschuss) und Minuspol (Elektronenüberschuss) entsteht. Durch das Ausgleichsstreben ergibt die Ladungsdifferenz zwischen den zwei Polen eine elektrische Spannung. Verbindet man ein negativ geladenes Pol und ein positiv geladenes Pol, erfolgt ein Elektronenübergang und umgangssprachlich wird dafür "Strom fließt" gesagt.
Die Menge der elektrischen Ladungen, die während des Stromflusses bewegt werden, ist die elektrische Stromstärke. Sie gibt an, wie viele elektrische Ladungen in einer bestimmten Zeit durch einen Körper bzw. Leitung fließen. Dabei bewegen sich in Feststoffen lediglich die Elektronen, da die Atomkerne mit den Protonen fest sind. In Flüssigstoffen können sich auch die Atomkerne und somit die Protonen bewegen.
Vergleich des elektrischen Stroms mit einem Wassertank
Die prinzipielle Funktionsweise der Ladungstrennung, Spannungserzeugung und des Stromflusses kann man mit einem Wassertank vergleichen, der mit Wasser befüllt wird und an dem unten ein Wasserhahn angebracht ist.
Befüllen des Wassertanks:
- Das Befüllen des Wassertanks kann man mit der Ladungstrennung vergleichen. Denn, beim Befüllen wird Arbeit aufgewendet, genauso wie bei der Ladungstrennung.
Druck, mit dem das Wasser aus dem Hahn fließt:
- Je mehr Arbeit man aufwendet, umso höher ist der Wasserstand und umso höher ist der Druck, mit dem das Wasser aus dem Wasserhahn fließen würde.
- Den Druck beim Fließen kann man mit der elektrischen Spannung vergleichen. Je mehr Arbeit für die Ladungstrennung investiert wird, umso größer ist die elektrische Spannung.
Die Wassermenge, die pro Sekunde fließt
- Die Menge an Wasser, die in einer Zeit aus dem Wasserhahn rausströmt, kann man mit der Stromstärke vergleichen.
Die logische Folge aus dem Zusammenhang ist, dass je größer die Spannung ist, umso größer ist die Stromstärke. Wie bei einem Wassertank. Je höher der Druck ist, umso mehr Wasser kann z.B. in 1 Sekunde aus dem Wasserhahn strömen.
Einheit und Formelzeichen für die Stromstärke
Wie bei anderen Größen benötigte man eine Einheit, damit man die Stromstärke messen und rechnen kann. Die Stromstärke wird in der Einheit Ampere angegeben, benannt nach dem französischen Physiker und Mathematiker André-Marie Ampère. Als Kurzzeichen verwendet man A, die Grundeinheit ist 1 Ampere und steht für das Fließen der Ladungsmenge von 1 Coulomb in 1 Sekunde. 1 Coulomb wiederum sind 6,241 · 1018 elektrischer Ladungen. In normalen Haushalten kann man aus den Steckdosen gewöhnlich bis zu 16 Ampere entnehmen. Die meisten Geräte benötigen eine Stromstärke von weniger als 10 Ampere.
Bei mathematischen Berechnungen benutzt man für die Stromstärke das Formelzeichen I und ist abgeleitet von Intensität. In der Elektrotechnik wird mit sehr kleinen bis sehr großen Stromstärken gearbeitet. Daher wird die Stromstärke oft wie folgt angegeben:
- Microampere (µA): Millionstel-Ampere
- Milliampere (mA): Tausendstel-Ampere
- Kiloampere (kV): 1 Tausend Ampere
- Megaampere (MV): 1 Million Ampere
Bewegungsrichtung des elektrischen Stroms
Physikalisch gesehen ist die Bewegungsrichtung der Ladungsmenge von Minus zu Plus. In Schaltbildern geht man jedoch häufig von der technischen Stromrichtung (Plus zu Minus) aus. Der Unterschied zwischen technischer und physikalischer Stromrichtung ist, dass die physikalische Stromrichtung die tatsächliche und die technische Stromrichtung eine "gedachte" Stromrichtung ist, weil man den Fluss der elektrischen Ladungen früher nicht genau wusste und daher fälschlicherweise annahm, dass die elektrischen Ladungen vom Plus- zum Minuspol wandern. Wenn mehrere Verbraucher hintereinander (Reihenschaltung) geschaltet werden, ist die Stromstärke bei allen Verbrauchern gleich. Wenn mehrere Verbraucher parallel (Parallelschaltung) geschaltet werden, teilt sich die Stromstärke auf die einzelnen Verbraucher auf und ist an diesen dementsprechend kleiner als die Gesamtstromstärke. In Haushalten werden die Stromkreise so gelegt, dass die Verbraucher parallel geschaltet werden. Dadurch ist sichergestellt, dass alle Verbraucher dieselbe Spannung erhalten, die bei einer Parallelschaltung bei allen Verbrauchern identisch bleibt.
Messen der Stromstärke
Die Stromstärke kann nicht wie bei der elektrischen Spannung parallel zum Verbraucher oder zur Spannungsquelle gemessen werden, sondern in Reihe. Hierfür muss man quasi die Stromleitung auftrennen und das Messgerät so anschließen, dass der elektrische Strom durch das Messgerät fließt. Deshalb kann man das Messgerät nicht direkt an die Spannungsquelle anschließen. Denn, das würde einen Kurzschluss ergeben. Als Messgerät verwendet man Amperemeter oder Multimeter, in die ein Amperemeter integriert ist. Ein Multimeter ist ein Messgerät, mit dem man viele elektrische Größen messen kann.
Formeln zum Berechnen der Stromstärke
Weil die Stromstärke die Ladungsmenge ist, die in einer Zeit transportiert wird, erhält man die Formel:
Wenn die Spannung größer wird, dann wird logischerweise auch die Stromstärke größer. Abgebremst wird der Strom durch den Widerstand. Daraus ergibt sich folgende Formel, die aus dem Ohmschen Gesetz abgeleitet ist:
Da die elektrische Leistung das Produkt aus Stromstärke mal Spannung ist, kann man folgende Formel ableiten:
Sind die Größen Leistung und Widerstand bekannt, kann man folgende Formel anwenden:
Beispiel:
Spannung (U): 230 Volt
Widerstand (R): 57,50 Ohm
Gesucht: Stromstärke I
Formel: I = U : R
Berechnung: 230 : 57,50 = 4 Ampere