KNOW HOW :Elektrischer Strom

Stromfluss - Elektronen und Ionen

Der Fluss des elektrischen Stroms soll hier an einem Kupferkabel dargestellt werden, was stellvertretend für andere leitfähige Metalle zu sehen ist. Um zu verstehen, wie der Strom in dem Draht fließen kann, muss man sich diesen stark vergrößert vorstellen. Bei dieser Vorstellung ist der Draht so groß, dass man die einzelnen kleinsten Teilchen, die Atome, sehen kann. Diese sind aus Atomkern und den sich um diesen Kern bewegenden Elektronen zusammengesetzt. Die Atome des Kupfers können sehr leicht Elektronen freigeben. Sind sie freigegeben, können sie sich zwischen den einzelnen Atomen bewegen. Zum Teil können sich diese Elektronen nun an anderen Atomen wieder anlagern. Dafür muss allerdings ein anderes Elektron weichen. So wird die Zahl der freien Elektronen immer annähernd auf einem Level gehalten.

Dieses Abgeben und Anlagern wird auch als Metallbindung bezeichnet, was eine charakteristische Eigenschaft für die elektrischen Leiter ist. Im Gegensatz dazu gibt es die so genannten Nichtleiter, die ihre Atome fest anlagern. Solche Stoffe sind zum Beispiel Holz, Gummi oder Plastik.

Elektronen und Ionen

Eine weitere wichtige Eigenschaft der elektrischen Leiter ist, dass sich die Ionen, also die Atome ohne Elektronen, in einer regelmäßigen Anordnung befinden. Die Anlagerung der Elektronen beruht auf den entgegen gesetzten Ladungen, die wie eine Art Klebemasse wirken. Wie allgemein bekannt ist, stoßen sich gleiche Ladungen ab, daher wäre bei einer gleichen Polung der Teilchen eine Anlagerung nicht möglich.

Doch nur das Vorhandensein eines Kupferdrahtes bewirkt noch keinen Stromfluss, sonst würde man an jedem metallischen Draht einen elektrischen Schlag bekommen. Der elektrische Strom fließt erst dann, wenn die Elektronen dazu gebracht werden, sich alle in eine Richtung zu bewegen. Man könnte Draht und Elektronen mit einem mit Wasser gefüllten Rohr vergleichen. Schüttet man weiteres Wasser in das Rohr, bewegt sich das bereits vorhandene Wasser in eine Richtung und läuft dann am anderen Ende wieder heraus. Ähnlich ist es bei dem Kupferdraht. Hier verdrängen die "eingebrachten" Elektronen die bereits frei umherschwirrenden und alle bewegen sich in eine Richtung. Der Unterschied ist allerdings, dass die Elektronen am Ende des Drahtes nicht "herausfallen" können.

Um die Elektronen zum Fließen zu bewegen, muss man also so etwas wie einen bestimmten Druck aufbauen. Um das zu erreichen, wird an einem Ende ein Elektronenmangel, am anderen Ende der Leitung ein Elektronenüberschuss erzeugt. Der Elektronenmangel ist der positiv geladene Teil, der Elektronenüberschuss der negativ geladene Teil. Dieser so erzeugte Drucküberschuss trägt die Bezeichnung elektrische Spannung. Diese Spannung erzeugen Generatoren in einem Elektrizitätswerk und sie wird in Volt gemessen. Den Namen Volt erhielt die Spannung durch Alessandro Volta. Dieser war ein italienischer Physiker, der im Jahre 1800 Erfinder der ersten Batterie war. Abgekürzt wird die Spannung mit dem Buchstaben V.

Eine zweite wichtige Größe zur Kennzeichnung des Stroms ist die Stromstärke, die in Ampere angegeben wird. Sie wird mit dem Buchstaben A abgekürzt. Sie bezeichnet die Menge der Elektronen, die in einer bestimmten Zeit durch den Leiter fließen. Bei dem genannten Vergleich mit dem Wasserrohr wäre es die Wassermenge, die in einer gewissen Zeit durch das Rohr fließt.

Die Spannung ist die Kenngröße dafür, wie stark der Druck ist, unter dem die Elektronen, beziehungsweise bei dem Vergleich das Wasser, stehen. Es kann sein, dass ein hoher Druck herrscht, jedoch kein Strom fließt. Verglichen mit dem Wasser würde das bedeuten, dass es einen hohen Wasserdruck gibt, jedoch kein Wasser fließen kann, da der Wasserhahn zugedreht ist. Umgekehrt kann auch ein geringer Druck bewirken, dass in einer bestimmten Zeit eine große Menge Wasser fließt, beziehungsweise sich Elektronen durch den Leiter bewegen.

Um nun auf den Stromfluss im elektrischen Leiter zurückzukommen: bisher fließt noch nichts. Neben der Hin- und Rückleitung wird immer ein Verbraucher benötigt, damit Strom fließen kann. Der Verbraucher ist in dem Fall der Widerstand, der mit Ohm bezeichnet wird (nach dem Physiker Ohm). Ist der Widerstand zu niedrig angesetzt, kommt es zu einem Kurzschluss im Spannungserzeuger. Der Strom ist dann viel zu hoch. Der Widerstand muss also immer passend zur Stromstärke ausgewählt werden.

Nimmt man alle benötigten Teile zusammen, so erhält man einen geschlossenen Stromkreis. Um den Fluss des Stroms aber auch einmal unterbrechen zu können, werden Schalter eingebaut. Sie ermöglichen das problemlose Ausschalten zum Beispiel des Lichtes oder des Herdes.

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