In unserem Alltag sind wir von Strom umgeben – denn vieles um uns herum funktioniert dadurch erst. In der Physik wird Strom als beschreibende Größe von Schaltungen genutzt. In diesem Artikel lernst Du die Menge an Strom zu quantifizieren, berechnen und zu messen.
Elektrischer Strom: Größen der Stromstärke
Um den Strom in einer Schaltung nachzuvollziehen, solltest Du zunächst die Definition der Einheit für den Strom kennen.
Falls Du nicht mehr alle Details zu Ladungen kennst oder Dir die Einheit Stromstärke genauer anschauen möchtest, lies gerne in den entsprechenden Artikel rein.
Ladungen
Elektrische Ladungen Q sind wie Elektronen kleine geladene Teilchen, die sich innerhalb von Leitern bewegen können. Die Ladungen kannst Du mit der Einheit Coulomb C messen. Dabei entspricht die Ladung der Elementarladung eines Elektrons e, das negativ geladen ist, etwa:
Unter Leiter versteht man leitende Materialien wie ein Stromkabel aus Kupfer. Es gibt eine Menge Materialien, die als Leiter infrage kommen. Mehr dazu erfährst Du im Artikel "Leiter".
Sobald sich die Ladungen innerhalb der Leiter bewegen, entspricht dies einem Stromfluss und es kommt zum elektrischen Strom.
Definition Stromstärke
Je mehr Ladungen durch einen Leiter bewegt werden, desto höher ist der Ladungsfluss. Die Stromstärke ist eine Beschreibung des Ladungsflusses, also wie viele Ladungen in einer Zeiteinheit durch einen Leiter fließen. Du kannst also folgende Beziehung aufstellen:
Die elektrische Stromstärke I ist der Fluss einer gewissen Ladung Q pro Zeit t in einem Leiter.
Die Einheit der Stromstärke ist Ampere A. Ein Ampere ist ein Coulomb C durch eine Sekunde s. Dabei ist Ampere eine der sieben SI-Einheiten.
Je mehr Ladungen fließen, desto höher ist also der Stromfluss.
Stromfluss
Wie Du bereits gelernt hast, entspricht der Stromfluss in einem Leiter auch einem Ladungsfluss.
Doch die Richtung des technischen Stromflusses ist entgegengesetzt der physikalischen Richtung des Ladungsflusses der Elektronen. Während der technische Strom von Plus- zum Minuspol fließt, gehen die Elektronen im Stromkreis vom negativem zum positiven Pol.
Abb. 1: Technische vs Physikalische Stromrichtung
Der Unterschied liegt daran, dass die Stromrichtung historisch festgelegt wurde, bevor man den eigentlichen Fluss der Elektronen nachweisen konnte.
Doch wie groß ist der Stromfluss in alltäglichen Anwendungen und welche Gefahr geht von ihm aus?
Stromstärken im Alltag
Hier findest Du einige Beispiele für alltägliche Stromstärken:
Objekt | |
Elektrische Armbanduhr | 0,001 mA |
Kopfhörer | 1 mA |
| 25 mA |
Fernseher | 0,4 A |
Handyladegerät | 0,5 bis 2 A |
Bügeleisen | 7 A |
Gewöhnliche Haushaltssteckdose | 10 bis 16 A |
Dass Strom lebensgefährlich sein kann, ist allgemein bekannt. Doch die wenigsten wissen, dass hierfür ein Zusammenspiel aus passender Stromstärke und Spannung für die Gefahr verantwortlich ist. Denn schon ab einer Stromstärke von nur 25 mA kann sich ein Mensch lebensgefährlich verletzen.
Von niedrigen Spannungen, wie die von Haushaltsbatterien, geht jedoch keine Gefahr aus. Obwohl sie mehr als 25 mA an Strom liefern können, ist ihre Spannung zu gering, um die schlechte Leitfähigkeit unserer Haut zu überwinden. Somit übertragen diese Batterien nur ungefährliche Mengen an Strom durch den menschlichen Körper.
Wirkung des elektrischen Stroms
Wenn Du etwa das Licht anmachst, so leuchtet die Glühbirne auf, sobald Strom durch sie fließt. Das ist eine der vielen möglichen Auswirkungen des Stromflusses. Welche Auswirkungen der Stromfluss hat, erfährst Du im Folgenden:
Leuchtwirkung
Diese Art der Wirkung ist Dir sicherlich am vertrautesten. Bei einer Glühbirne wird durch den Stromfluss ein Glühdraht so stark erhitzt, dass er beginnt zu leuchten. Doch auch Leuchtdioden oder Leuchtstofflampen erzeugen sichtbares Licht bei Stromdurchfluss.
Wärmewirkung
Bei der Glühbirne kannst Du auch die zweite Wirkung von Strom erkennen: Denn die Glühbirne wird warm, wenn sie an ist. Diese Wärmewirkung kannst Du auch bei vielen anderen Gebrauchsgegenständen beobachten. So werden Heizlüfter und Elektroherde warm, sobald Strom durch sie fließt.
Du kannst die Wirkung jedoch auch in vielen Fällen beobachten, wo sie nicht von Vorteil ist. So wird Dein Laptop warm und muss gekühlt werden.
Magnetische Wirkung
Du kannst mit stromdurchflossenen Leitern auch magnetische Felder erzeugen. Diese magnetische Wirkung kannst Du beim Induktionsherd oder Elektromagneten beobachten.
Mehr zum Thema kannst Du im entsprechenden Artikel zur Induktion lernen.
Chemische Wirkung
Der Stromfluss kann auch eine chemische Wirkung haben. Sie findet im Alltag wenig Anwendung und ist daher eine eher unbekannte Auswirkung. Genutzt wird die chemische Wirkung bei der Elektrolyse von Wasser zum Gewinnen von Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei fließt Strom durch das Wasser.
Beim Galvanisieren wird mittels des Stromflusses eine dünne Schicht eines Metalls auf einem anderen Material deponiert. So können Gegenstände vergoldet oder verchromt werden.
Elektrischer Strom: Berechnung
Wie kannst Du den Strom in einer Schaltung ausrechnen? Nachfolgend erfährst Du, wie Du dabei vorgehst. Dazu benötigst Du das Ohmsche Gesetz.
Wenn Du genauer wissen möchtest, wie man die Einheit der Stromstärke in seine einzelnen Größenordnungen umrechnest, wie beispielsweise von Milliampere zu Ampere, dann schaue in den Artikel zur Einheit Stromstärke.Mehr Informationen zum Ohmschen Gesetz findest Du im entsprechenden Artikel.
Ohmsches Gesetz
Zur Berechnung der Stromstärke in einer Schaltung benötigst Du noch weitere Größen. Dabei sind die Spannung und der Widerstand die beiden anderen Größen, die gemeinsam mit dem Strom fast jede Schaltung charakterisieren.
Die Spannung ist dabei die Stärke des Antriebs der elektrischen Quelle im Stromkreis.
Die Hemmung des Stromflusses in einem Stromkreis wird als Widerstand bezeichnet.
Gemeinsam mit dem Strom bilden die drei Größen das Ohmsche Gesetz.
Das Ohmsche Gesetz erlaubt Dir die Berechnung der Stromstärke I, wenn die Spannung U und Widerstand R einer Schaltung bekannt sind.
Du teilst also zur Berechnung der Stromstärke die Spannung durch den Widerstand.
Du kannst mit dem Ohmschen Gesetz auch den Widerstand und die Spannung einer Schaltung ausrechnen, solange die zwei anderen Größen bekannt sind. Dafür musst Du nur die obige Formel umstellen.
Du kannst die Berechnung der Stromstärke mit dem Ohmschen Gesetz im nächsten Beispiel vertiefen.
Aufgabe 1
Die Schaltung einer Glühbirne hat einen Widerstand von und wird mit der Spannung von aus einem Netzteil betrieben. Wie hoch ist die elektrische Stromstärke, wenn der Strom durch die Schaltung fließt?
Lösung
Du hast in der Aufgabe die Spannung und den Widerstand gegeben und suchst die Stromstärke. Dazu kannst Du das Ohmsche Gesetz anwenden:
Du setzt also die gegebenen Werte direkt ein. Da sie in der gleichen Größenordnung gegeben sind, ist eine Umrechnung nicht nötig.
Die elektrische Stromstärke, welche durch die Lampe fließt, beträgt 0,5 A.
Nun weißt Du, wie Du den Strom in einem einfachen Stromkreis ausrechnen kannst. Doch wie sieht es in einer komplexeren Schaltung mit mehr als einem Weg für die Ladungen aus?
Strom im verzweigten Stromkreis
Nachdem Du Dich mit einem Stromkreis mit nur einem Leiter beschäftigt hast, tritt die Frage auf: Was passiert, wenn Du mehrere Leiter in einem Stromkreis verwendest? Dabei werden die Leiter parallel geschaltet.
Vielleicht kennst Du aus dem Physikunterricht die Analyse des Stroms mittels Glühlampen. Diese haben einen eigenen Widerstandswert und leuchten je nach Stromfluss. Die Spannung in dem Stromkreis, den Du analysierst, bleibt gleich. Jetzt kannst Du mehrere Lampen im Stromkreis anordnen und ihre Leuchtkraft beobachten, um Rückschlüsse über den fließenden Strom zu erhalten.
Verwendest Du statt nur einer Lampe zwei hintereinander, werden beide weniger hell leuchten als nur eine Lampe. Dies liegt am gesamten höheren Widerstand beider Lampen. Diese Erkenntnis kann mit dem Ohmschen Gesetz belegt werden: Denn bleibt die Spannung gleich und wird der Widerstand erhöht, senkt sich der Strom.
Du kannst mehr zu dieser Art der Schaltung im Artikel "Reihenschaltung" lernen.
Betrachte nun den Fall, dass zwei Lampen parallel angeschlossen werden. Das heißt, der Stromkreis teilt sich und fließt durch beide Lampen, bevor er wieder kombiniert wird.
Beide Lampen leuchten dabei genauso hell wie eine einzelne Lampe. Denn Du kannst für jede Lampe den Stromfluss mit dem Ohmschen Gesetz separat ausrechnen. Dabei bleibt die Spannung und der Widerstand jeweils für jede Lampe unverändert, und damit auch der Strom.
Infolgedessen muss im Kreislauf der Strom beider Lampen nun vor und nach der Aufteilung fließen, hier hat sich also der Strom verdoppelt.
Um in einem verzweigten Stromkreis den Strom zu berechnen, kannst Du Dir die Vorgehensweise zunächst an einem Beispiel anschauen.
Aufgabe 2
Betrachte die Schaltung in Abbildung 2 mit zwei Glühlampen und berechne die Stromstärken an den Punkten im Stromkreis.
Die Spannung aus dem Netzteil beträgt und der Widerstand der Lampen und .
Zur Berechnung kannst Du die Lampen separat mit den oben gegebenen Werten betrachten und ausrechnen, falls Du Dich noch nicht mit der Parallelschaltung beschäftigt hast.
Abb. 2: Strom im verzweigten Stromkreis
Lösung
Zunächst solltest Du Dir darüber Gedanken machen, wo in der Schaltung Du den Strom berechnen sollst.
Der Gesamtstrom teilt sich am Knotenpunkt 1 auf die beiden Glühlampen auf. Am Knotenpunkt 2 fließt er wieder zusammen, danach liegt erneut der Gesamtstrom der Schaltung an.
Somit gilt:
Jetzt können die beiden Lampen separat betrachtet werden. Da Du wie bei Aufgabe 1 die Spannung und den Widerstand der Glühlampe kennst, kannst Du mit dem Ohmschen Gesetz den Strom ausrechnen. Beginne mit der ersten Lampe:
Durch die erste Lampe fließt also 1 A an Strom. Nun schaust Du Dir die zweite Lampe an:
Durch die zweite Lampe fließen 2 A. Du kannst jetzt die Ströme durch die beiden Lampen addieren, um den Gesamtstrom zu berechnen:
Aus der Rechnung lernst Du, dass der Gesamtstrom der Summe der beiden Teilströme entspricht, also 3 A.
Die Erkenntnisse aus der Aufgabe 2 können verallgemeinert werden:
Teilt sich eine Schaltung an einem Knotenpunkt in mehrere Abzweigungen auf, entspricht der Gesamtstrom am Knotenpunkt der Summe der Ströme an den Abzweigungen.
Egal, wo in einer Schaltung der Gesamtstrom berechnet wird: Er ist immer gleich.
Wenn Du mehr über die Berechnung von komplexen Schaltungen lernen möchtest, kannst Du das im Artikel über die "Kirchhoffsche Gesetze" nachlesen.
Nun weißt Du, wie Du den Strom berechnen kannst. Der Strom kann aber auch in einer Schaltung gemessen werden:
Elektrischer Strom: Messung
In diesem Abschnitt lernst Du nicht nur, welche Messmethoden und Messgeräte es für den Strom gibt, sondern auch wie Du sie einsetzen kannst, um korrekte Ergebnisse zu erhalten.
Strommessgerät
Um die Stromstärke zu messen, werden Strommessgeräte genutzt. Diese können entweder eigenständige Geräte sein oder beispielsweise in einem Multimeter enthalten sein, welches auch andere Größen, wie die Spannung, messen kann.
Zur Messung des Stroms wird üblicherweise das Strommessgerät in Reihe mit der Schaltung gesetzt. Um genau gemessen zu werden, muss der gesamte Strom durch das Messgerät fließen. Hast Du das Messgerät richtig eingestellt, kannst Du den Strom direkt ablesen.
Als Symbol für ein Strommessgerät im Schaltbild ist ein Kreis mit einem A darin üblich, wie Du es im unten stehenden Stromkreis sehen kannst.
Die Reihenfolge ist dabei egal: Es spielt keine Rolle, ob zuerst das Messgerät oder der Verbraucher im Stromkreis ist. Der Verbraucher im Stromkreis kann beispielsweise eine Glühbirne oder ein Widerstand sein.
Abb. 3: Strommessgeräte werden in Reihe geschaltet
Demnach musst Du bei einem schon bestehenden Stromkreis einen Leiter trennen und dann an die beiden offenen Enden das Messgerät anschließen.
Du solltest auch bedenken, ein passendes Strommessgerät oder eine geeignete Messeinstellung für die zu erwartende Stromstärke zu wählen. Sonst erhältst Du bei einem zu groß gewähltem Messbereich zu ungenaue Messergebnisse oder der zu messende Strom liegt über dem maximalen messbaren Wert und Du kannst das Messgerät beschädigen!
Was tust Du aber, wenn Du nicht den Stromkreis unterbrechen möchtest, um den Strom zu messen?
Messung mittels Widerstand
Eine andere Methode den Strom zu messen ist mittels eines Widerstandes, welcher in die Schaltung eingebaut wird.
Dabei sollte der gesamte Strom der Schaltung durch den Widerstand fließen, um ihn genau zu messen. Der Widerstand sollte möglichst niedrig gewählt werden, um die Auswirkung auf den Stromkreis möglichst gering zu halten. Üblich sind Werte unter einem Ohm.
Dabei misst Du mit einem geeigneten Messgerät die Spannung zwischen beiden Seiten des Widerstandes. Der Spannungsabfall sollte wegen des geringen Wertes des Widerstandes auch gering sein. Achte darauf, Dein Messgerät richtig einzustellen!
Der Strom, der durch einen Widerstand fließt, lässt sich mit dem Ohmschen Gesetz berechnen.
Dient dieser Widerstand der Messung des Stroms einer Schaltung, wird er Shunt oder Nebenwiderstand genannt. Dabei muss lediglich der Wert des Widerstandes R und der Spannungsabfall U über den Widerstand bekannt sein. Du erhältst den Strom I durch den Widerstand.
Abb. 4: Strommessung mittels Widerstand
Zum besseren Verständnis findest Du nachfolgend ein kurzes Beispiel. Dabei kannst Du eine Schaltung wie in Abbildung 4 annehmen.
Aufgabe 3
Ein Shunt in einer Schaltung mit einem Widerstand von hat einen Spannungsabfall von . Wie hoch ist der Strom durch den Shunt?
Lösung
Zur Berechnung kannst Du das kannst das Ohmsche Gesetz anwenden:
Durch den Shunt fließen also 2 A an Strom.
Genau genommen basieren die meisten Strommessgeräte, wie oben besprochen, auf dem hier erklärtem Prinzip. Das heißt: wenn Du Dein Multimeter in Reihe schaltest, um den Strom in einem System zu messen, hat das Messgerät einen internen Widerstand.
Dieser variiert je nach eingestelltem Messbereich: je größer der zu messende Strom, desto kleiner der Widerstand. Dies dient der genaueren Messung des Storms.
Dabei solltest Du darauf achten, dass der zur Schaltung hinzugefügte Widerstand das System nicht so verändert, dass die Ergebnisse verfälscht sind.
Wenn Du keinen Widerstand in der Schaltung platzieren kannst, dann kannst Du den Strom auch durch einen Leiter mit einer Strommesszange messen.
Stromzange
Die dritte Methode zur Messung des Stroms beinhaltet keine direkte Messung oder Unterbrechung des Stromkreislaufs. Denn bei einer Strommesszange wird ein Leiter der Schaltung von der Zange umschlossen und der Strom indirekt gemessen.
Dabei misst ein Hall-Sensor das elektromagnetische Feld des Leiters. Diese Messung wird dann von der Stromzange verstärkt und mit einem Stromwert korreliert, der Dir anschließend angezeigt wird.
Abb. 5: Aufbau einer Stromzange
Zwar bietet die Stromzange eine nicht-invasive Methode zur Messung des Stroms, jedoch bringt das einige Nachteile mit sich: So ist die Messung ungenauer als mit einem Strommessgerät, besonders bei niedrigen Strömen. Die Messung kann auch durch magnetische Felder beeinflusst werden, selbst das Magnetfeld der Erde kann bei präzisen Messungen das Ergebnis verfälschen.
Mehr zu den elektromagnetischen Feldern, die von stromdurchflossenen Leitern generiert werden, findest Du in unserem entsprechenden Artikel.
Elektrischer Strom - Das Wichtigste
- Die elektrische Stromstärke I ist definiert durch den Ladungsfluss in einem Leiter pro Zeit t. Die Ladungen kannst Du mit der Einheit Coulomb C messen.
Die Einheit der Stromstärke ist Ampere A. Ein Ampere ist ein Coulomb C durch eine Sekunde s. Dabei ist Ampere eine der sieben SI-Einheiten.
Das Ohmsche Gesetz erlaubt Dir die Berechnung der Stromstärke I, wenn die Spannung U und Widerstand R einer Schaltung bekannt sind.
Teilt sich eine Schaltung an einem Knotenpunkt in mehrere Abzweigungen auf, entspricht der Gesamtstrom am Knotenpunkt der Summe der Ströme an den Abzweigungen.
Strom lässt sich entweder durch in Reihe schalten eines Strommessgerätes, durch einen Nebenwiderstand oder durch eine Strommesszange messen.
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