In diesem Artikel wird anschaulich erläutert, was genau unter elektrischem Strom zu verstehen ist. Neben der ausführlichen Erklärung für metallische Leiter werden auch andere Materialien, insbesondere auch Flüssigkeiten und Gase, betrachtet.
Inhaltsverzeichnis
Was ist elektrischer Strom?
Zur Erläuterung des elektrischen Stromes betrachtet man im einfachsten Fall metallische Leiter, da diese - wie der Name schon sagt - den elektrischen Strom aufgrund der frei beweglichen Außenelektronen sehr gut leiten. Sehen wir uns zur Erklärung zunächst einmal die sogenannte Brownsche Molekularbewegung an.
Die Brownsche Molekularbewegung
Die Brownsche Molekularbewegung bezeichnet nichts anderes als die ständige Bewegung der Atome bzw. Moleküle von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen. Die einzelnen Atome schwingen dabei um die jeweilige Ruhelage. Bei Gasen ist diese Schwingung sogar so stark, dass die Bindekraft untereinander nahezu aufgehoben ist. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist auch die Brownsche Molekularbewegung. Lediglich beim absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) wären diese Schwingungen theoretisch gestoppt.
Bei Metallen sind die einzelnen Atome in einem sogenannten Kristallgitter angeordnet, d. h. die Abstände dazwischen sind stets gleich. Eine weitere Eigenschaft von Metallen ist, dass bereits bei normalen Temperaturen einige Elektronen von den einzelnen Atomen losgelöst werden. Diese freien Elektronen bewegen sich dabei mit sehr hoher Geschwindigkeit unkontrolliert zwischen den Atomrümpfen umher. Da sich die Elektronen wie Gasteilchen verhalten, wird hier oftmals auch von Elektronen-Gas gesprochen.
Strom ist gerichtete Bewegung von Ladungen
Bei den unkontrolliert umher schwirrenden Elektronen kann jedoch noch nicht von elektrischem Strom gesprochen werden, da dieses Elektronen-Gas nach außen hin keine Wirkung zeigt. Das liegt daran, dass die jeweiligen Bewegungen der einzelnen Elektronen nach dem Zufallsprinzip in unterschiedliche Richtungen stattfinden, sodass sich das Ganze in Summe gegenseitig aufhebt.
Erst wenn man an die Enden des metallischen Leiters eine elektrische Spannung anlegt, dann entsteht ein Stromfluss. Am Minuspol der Spannungsquelle herrscht dabei ein Elektronenüberschuss und am Pluspol ein Mangel an Elektronen. Dies führt dazu, dass das Elektronen-Gas für einen Ladungsausgleich somit vom Minuspol zum Pluspol fließt, was der physikalischen Stromrichtung entspricht. Die Fließgeschwindigkeit des gesamten Elektronen-Gases ist dabei sehr gering im Gegensatz zu den Geschwindigkeiten der einzelnen Elektronen innerhalb dieser "Elektronenwolke". Die technische Stromrichtung ist genau entgegengesetzt definiert, was auf historische Gründe zurückzuführen ist.
Die Einheit der Stromstärke
Die Einheit der elektrischen Stromstärke wird in Ampere \((A)\) gemessen. Obwohl die exakte Definition der Stromstärke entsprechend der SI-Basiseinheiten genau genommen anders lautet, kann man näherungsweise die folgende Aussage machen: $$1A=1\frac{C}{s}\approx 6,24\cdot 10^{18}\text{ Elektronen pro Sekunde}$$ wobei \(C\) für Coulomb steht, was die Einheit der elektrischen Ladung darstellt.
Stromfluss in anderen Materialien
Ein elektrischer Stromfluss ist nicht notwendigerweise auf einen Elektronenfluss zurückzuführen, sondern in verallgemeinerter Definition auf einen generellen Ladungsfluss. Die Höhe der Stromstärke hängt dabei von der Leitfähigkeit des Materials ab. Es ist grundsätzlich sinnvoll, zwischen festen Stoffen, Flüssigkeiten und Gasen zu unterscheiden.
Leitfähigkeit von festen Stoffen
Entsprechend dem Periodensystem kann hier zwischen sogenannten Leitern, Nichtleitern und Halbleitern unterschieden werden. Der Fall mit einem elektrischen Leiter wurde ja bereits zuvor ausführlich erläutert. Bei einem Nichtleiter bzw. Isolator existieren nur sehr wenige freie Elektronen, sodass - wie der Name schon sagt - der elektrische Strom nicht oder nur sehr schlecht weitergeleitet werden kann. Die nichtleitenden Elemente sind jedoch zumeist gasförmig. Isolatoren aus Feststoffen bestehen hingegen in der Regel aus chemischen Verbindungen, die ebenfalls keine frei beweglichen Ladungen aufweisen. Neben den Leitern und Nichtleitern existieren noch sogenannte Halbleiter, die von der Leitfähigkeit irgendwo dazwischen einzuordnen sind und für spezielle Anwendungszwecke verwendet werden, worauf in diesem Artikel nicht eingegangen wird. Einen Spezialfall stellen noch sogenannte Supraleiter dar, deren Widerstand gleich Null ist und somit eine im Prinzip unendlich hohe Leitfähigkeit besitzen.
Leitfähigkeit von Flüssigkeiten
Leitfähige Flüssigkeiten bezeichnet man als Elektrolyte. Die Leitfähigkeit entsteht dabei in der Regel nicht aufgrund von freien Elektronen, sondern durch positive und negative Ionen, die in der Flüssigkeit zwischen den beiden Polen wandern.
Leitfähigkeit von Gasen
Damit ein Gas leitet, ist oftmals ein hoher Druck und/oder eine gewisse Aktivierungsenergie, z. B. ausgelöst durch eine Hochspannung, nötig. Die Leitfähigkeit entsteht dann durch die Bewegung von positiven Ionen und Elektronen.
Fazit
Nach der Betrachtung der sogenannten Brownschen Molekularbewegung sind wir zu der Erkenntnis gekommen, dass elektrischer Strom nichts anderes als eine gerichtete Bewegung von Ladungen darstellt. Neben der klassischen Leitung durch Metalle haben wir anschließend noch das Zustandekommen der Leitfähigkeit in anderen Materialien kennengelernt.
