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Spannung, Stromstärke, Widerstand

Elektrischer Strom fließt, wenn sich Elektronen bewegen. Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen, die in allen Atomen und Molekülen vorkommen – unabhängig davon, ob es sich um feste, flüssige oder gasförmige Stoffe handelt. Dabei trägt jedes einzelne Elektron die gleiche elektrische Ladung, die sogenannte Elementarladung.

Elektrische Leiter – hier fließt der Strom

Das Material, in dem der Strom fließt, wird als elektrischer Leiter bezeichnet. Metalle eignen sich dafür besonders gut, weil ein Teil der in ihnen enthaltenen Elektronen frei beweglich ist. Doch wie bringt man nun die Elektronen dazu, sich gerichtet zu bewegen? Welche physikalischen Gesetze gelten für den Strom? Dabei sind drei physikalische Größen wichtig: Spannung, Stromstärke und Widerstand.

Elektrische Spannung

Die Spannung gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um die Elektronen zu bewegen. Spannungsquellen wie beispielsweise Batterien besitzen immer einen Pluspol, an dem Elektronenmangel herrscht, und einen Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Je größer diese Elektronendifferenz ist, umso höher ist die Spannung. Sie sorgt dafür, dass sich die Elektronen in Richtung Pluspol bewegen und somit Strom fließt. Gemessen wird die Spannung in Volt.

An einer normalen Steckdose liegt die Spannung in Europa meist bei 230 Volt, im Ortsnetz bei 400 Volt, im Mittelspannungsnetz zwischen zehn und 36 Kilovolt und im Hochspannungsnetz bei 220 bis 300 Kilovolt.

Höchstspannung im Netz

Um die Verluste zu reduzieren, werden für die Übertragung großer Strommengen über weite Strecken Spannungen jenseits der 300 Kilovolt verwendet. Man spricht dann von Höchstspannung, die bei Wechselstrom in Europa bei bis zu 380 Kilovolt und bei Gleichstrom sogar noch höher liegen kann.

Stromstärke in unterschiedlichen Höhen

Die Stromstärke beschreibt die Menge an elektrischer Ladung, die einen Leiter mit einem definierten Querschnitt durchfließt. Sie wird in der Maßeinheit Ampere angegeben. Je höher die Amperezahl, desto mehr elektrische Ladung bewegt sich durch den Leiter. In Wohngebäuden liegen Ströme bis etwa 15 Ampere an, unsere Höchstspannungsleitungen führen einige 100 bis wenige 1.000 Ampere, und Blitze können kurzzeitig Stromstärken von mehreren 100.000 Ampere erreichen.

Der ohmsche Widerstand

Der elektrische Widerstand wird in Ohm gemessen und daher auch ohmscher Widerstand genannt. Er bestimmt, wie viel Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte Menge an Ladung durch einen Leiter zu bewegen. Der ohmsche Widerstand ist abhängig davon, wie der Leiter beschaffen ist – etwa von seiner elektrischen Leitfähigkeit oder seinem Querschnitt. Ist der Widerstand eines elektrischen Leiters gering, so lassen sich auch bei niedrigen Spannungen hohe Stromstärken erzeugen.

Das ohmsche Gesetz

Physiker bezeichnen den Zusammenhang von Spannung, Stromstärke und Widerstand auch als ohmsches Gesetz. Es verdeutlicht, warum die Übertragung großer Strommengen unter Höchstspannung sinnvoll ist. Denn je höher die Spannung ist, umso mehr Ladung kann eine Stromleitung transportieren. Wir nutzen in unserem Übertragungsnetz sehr hohe Spannungen, um große Strommengen zu transportieren.