Elektrischer Strom: wie Ladungen durch einen Leiter fließen
Schau dir das Ladekabel von deinem Handy an. Auf dem Stecker findest du ein Etikett, auf dem irgendwo so eine Angabe wie zum Beispiel "0.5A" steht. Lass uns versuchen zu verstehen, was diese Größe anschaulich und physikalisch bedeutet.
Elektrische Ladungen als Voraussetzung für den Strom
In unserem Universum existieren elektrisch geladene Teilchen, die miteinander wechselwirken, also sich gegenseitig beeinflussen. Manche sind positiv (+), andere sind negativ (-) elektrisch geladen.
Elektronen und Protonen, aus denen Atome aufgebaut sind, sind solche elektrisch geladenen Teilchen. Elektronen sind negativ geladen. Protonen sind positiv geladen. Bringst du zwei positiv geladene Teilchen nah beinander, dann stoßen sie sich ab. Auch zwei negative Teilchen stoßen sich ab. Wenn du dagegen ein positives und ein negatives Teilchen zusammenbringst, dann ziehen sie sich an. Durch eine derartige Abstoßung und Anziehung wechselwirken geladene Teilchen miteinander.
Gleichpolige Ladungen (+ und +) oder (- und -) stoßen sich elektrisch ab. Ungleichpolige Ladungen (+ und -) ziehen sich elektrisch an.
Experimentell wird außerdem festgestellt, dass diese geladenen Teilchen nicht alle gleich stark sich anziehen oder abstoßen! Es gibt geladene Teilchen, die sich stärker anziehen als andere. Um diesen Unterschied in der Anziehung und Abstoßung zu quantifizieren, sagt man, dass die geladenen Teilchen verschiedene Ladung \(q\) tragen. Die Ladung wird in der Einheit Coulomb gemessen und mit dem Buchstaben \(\text{C}\) abgekürzt. So wie Strecke in Metern gemessen und mit \(\text{m}\) abgekürzt wird.
Je größer die Ladung \(q\) eines geladenen Teilchens ist (z.B. \(q = 1\,\text{C}, 2\,\text{C}, 3\,\text{C}\)), desto stärker wird es von anderen elektrisch geladenen Teilchen abgestoßen oder angezogen.
Um positive und negative Teilchen voneinander unterscheiden zu können, legen wir fest:
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Wir weisen negativ geladenen Teilchen ein negatives Vorzeichen zu. Zum Beispiel: \(q = -1\,\text{C}\), \(-2\,\text{C}\), \(-3\,\text{C}\).
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Und positiv geladenen Teilchen weisen wir ein positives Vorzeichen zu. Zum Beispiel: \(q = +1\,\text{C}\), \(+2\,\text{C}\), \(+3\,\text{C}\), wobei das Plus dürfen wir natürlich weglassen.
Strom als Bewegung der Ladungen
Was haben elektrische Ladungen mit dem Strom zu tun? Machen wir mit dem bisherigen Wissen ein kleines Gedankenexperiment. Wir nehmen zwei Schachteln, mit einer Öffnung, die man öffnen und schließen kann. Zuerst schließen wir beide Öffnungen. In die eine Schachtel platzieren wir viele positive Teilchen. Jedes davon sagen wir mal trägt die gleiche Ladung \(q\) und sie beträgt zum Spaß ein Coulomb: \(q = 1 \, \text{C}\).
In die andere Schachtel platzieren wir viele negative Teilchen mit jeweils der negativen Ladung \(q\), also in unserem Fall: \(q = -1 \, \text{C}\). Die beiden Schachteln bilden jetzt jeweils eine große elektrische Ladung. Man sagt dazu auch, dass die negative Schachtel einen Minuspol und die positive Schachtel einen Pluspol bildet. Die beiden geladenen Schachteln werden sich jetzt natürlich elektrisch anziehen. Um das zu verhindern, befestigen wir die beiden Schachteln so, dass sie sich nicht aufeinander zubewegen können.
Als nächstes verbinden wir die beiden Schachteln mit einem leitfähigen runden Draht, z.B. mit einem Kupferdraht. Dieser Draht hat natürlich eine bestimmte Querschnittsfläche. Das ist die Fläche, die die Dicke des Drahts beschreibt. Und mit "leitfähig" ist gemeint, dass sich durch diesen Draht Ladungen bewegen können.
Anschließend öffnen wir die Schachteln mit den positiven Ladungen. Diese können sich jetzt zur negativen Schachtel hin, entlang des Drahtes bewegen. Diese Bewegung der Ladungen bezeichnen wir als elektrischen Strom \(I\). Um den Strom zahlenmäßig zu bestimmen, zählen wir einfach, wie viele Ladungen \(q\), durch die Querschnittsfläche des Drahts gehen und zwar innerhalb einer bestimmten Zeitspanne \(t\).
Wenn wir \(N\) positive Teilchen mit jeweils der Ladung \(q\) innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gezählt haben, die die Querschnittsfläche des Drahts durchquert haben, dann ist die gesamte durchquerte Ladung \(Q\):
Da der elektrische Strom \(I\) die Ladungsmenge \(Q\) ist, die pro Zeitspanne \(t\) durch eine Querschnittsfläche des Drahts geht, müssen wir \(Q\) durch \(t\) teilen und bekommen so den elektrischen Strom:
Einheit des elektrischen Stroms:
Die Ladung \(Q\) hat die Einheit \(\text{C}\) (Coulomb). Die Zeit \(t\) hat die Einheit \(\text{s}\) (Sekunde). Damit hat der elektrische Strom \(I\) die Einheit \( \text{C}/\text{s}\) (Coulomb pro Sekunde) oder kurz: \(\text{A}\) (Ampere).
Elektrischer Strom \(I\) ist umso größer, je mehr Ladung \(Q\) innerhalb einer bestimmten Zeit \(t\) durch die Querschnittsfläche des Drahts geht.
Durch die Querschnittsfläche eines Drahts geht innerhalb von 10 Sekunden eine Ladungsmenge von 0.5 Coulomb. Hier ist also die Zeitspanne: \(t = 10 \, \text{s}\). Und die Ladung \(Q\), die innerhalb dieser Zeit den Draht durchquert hat: \(Q = 0.5 \, \text{C}\). Wenn du die Ladung durch die Zeit teilst, bekommst du die Ladung pro Zeit, also den elektrischen Strom:
&~=~ 0.05 \, \frac{ \mathrm{C} }{ \mathrm{s} } \\\\
&~=~ 0.05 \, \mathrm{A}
Hier ein Beispiel, um einmal zu verdeutlichen, wie groß der Strom von einem Ampere ist: \(I = 1 \, \mathrm{A}\). Ein Elektron trägt eine kleine Ladung mit dem Wert:
Das ist ein sehr kleiner Wert mit vielen Nullen:
Diese winzige Ladung des Elektrons hat große Konsequenzen: Damit die Elektronen einen Strom von einem Ampere erzeugen, müssen 6250 BILLIARDEN Elektronen pro Sekunde durch die Querschnittsfläche des Drahts gehen! Diese Zahl ist unvorstellbar groß! Ein Ampere ist also ein recht großer elektrischer Strom, wenn wir diesen mit der Anzahl der Elektronen veranschaulichen.
Zusammengefasst können wir sagen: Der elektrische Strom wird durch die Bewegungen von geladenen Teilchen verursacht. Und damit die Ladungen überhaupt in Bewegung versetzt werden und damit einen Strom verursachen, müssen wir positive und negative Ladungen voneinander trennen. Dann ziehen sich die Ladungen an. Sie bewegen sich aufeinander zu und erzeugen dadurch einen Strom. Die Trennung von Ladungen wird durch die sogenannte elektrische Spannung charakterisiert, die wir uns als nächstes anschauen.