Stromstärke, Spannung, Widerstand
Die Kenngrößen des elektrischen Stroms lassen sich sehr gut durch einen Vergleich mit einer Wasserleitung verdeutlichen. Die Stromstärke beschreibt die durchfließende Wassermenge (Elektronen) pro Zeit. Die Spannung beschreibt hingegen, unter welchem Druck das Wasser durch die Leitung fließt. Der Widerstand im Stromkreis ist ein Maß für den Leitungsquerschnitt. Je geringer der Querschnitt ist, desto „mehr“ Widerstand wird dem Strom entgegen gebracht.
Wie entsteht überhaupt elektrische Spannung und der daraus resultierende elektrische Strom?
Gelegentlich kommt es zu ungewollten elektrischen Aufladungen, z.B. können wir uns beim Laufen über einen Teppich durch Reibung aufladen: Hierbei fließen Ladungen von dem Teppich in unseren Körper und es entsteht allmählich eine elektrische Spannung zwischen dem Körper und der Umgebung. Wenn man einen leitenden Gegenstand berührt, kommt es zu einer schlagartigen Entladung: Den unangenehmen Ausgleichsstrom hat vermutlich jeder schon einmal gespürt. Die technische und damit gewollte Erzeugung elektrischer Spannungen kann grundsätzlich auf zwei Arten erfolgen:
Bei der Aufladung einer Autobatterie wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Dabei wandern in einer Salzlösung (Elektrolyt) Elektronen von einem Metall zu einem anderen, wodurch eine elektrische Spannung zwischen den beiden Metallen entsteht. Hierdurch werden ein Metall positiv und das andere Metall negativ aufgeladen. Schließt man an die Batterie einen elektrischen Verbraucher an, erfolgt der umgekehrte Prozess: Durch die Spannung zwischen den beiden Metallteilen (Pole der Batterie) entsteht ein Strom, der über den Verbraucher von einem Pol zu dem anderen fließt (siehe Grafik).
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, einen Draht (oder einen in vielen Wicklungen auf eine Spule aufgewickelten Draht) durch ein Magnetfeld zu bewegen. Auf die in dem Draht befindlichen Elektronen wird dann nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten eine Kraft ausgeübt, die ebenfalls zu einer Spannung zwischen den beiden Enden des Drahts (bzw. der Spule) führt. Die technische Vorrichtung hierzu nennt man Dynamo (Fahrrad) oder Generator (Kraftwerk).
Ein zeitlich konstanter Strom wird Gleichstrom genannt, während der Wechselstrom seine Stromrichtung periodisch wechselt. Die Frequenz des Stromes gibt an, wie oft pro Sekunde der Strom die Richtung wechselt. Im europäischen Verbundnetz beträgt die Frequenz beispielsweise 50 Hz (Hertz). Zur Energieübertragung wird heutzutage meistens Drehstrom oder Dreiphasenstrom verwendet. Da die Übertragungsentfernung von Drehstrom über Kabel sehr begrenzt ist, wird für den Austausch elektrischer Energie über die heute u.a. in Nord- und Ostsee vorhandenen Seekabel die Gleichstromtechnik verwendet.
Ströme und Spannungen tauchen in ganz unterschiedlichen Größenordnungen auf. Für Menschen können schon Ströme von einigen zehn Milliampere tödlich sein. Über Verbraucheinrichtungen in unserem Haushalt fließen in der Regel Ströme zwischen einigen Milliampere und 10 bis 15 Ampere, Hochspannungsleitungen führen einige hundert Ampere, während in Blitzen sogar Stromstärken von einigen tausend bis hunderttausend Ampere auftreten können. Ähnliches gilt für die Spannungen. Während die Spannung in einer Steckdose 230 Volt beträgt, findet die Energieübertragung im Höchstspannungsnetz z.B. bei 380.000 Volt statt.