Elektrischer Strom – Grundlagen einfach erklärt
Elektrischer Strom gehört zu den zentralen Größen der Elektrotechnik. Ohne elektrischen Strom würden keine Lampen leuchten, kein Handy laden und keine Maschine laufen. Deshalb ist es wichtig, genau zu verstehen, was mit „Strom“ eigentlich gemeint ist und wovon er abhängt.
Vereinfacht gesagt ist elektrischer Strom die gerichtete Bewegung elektrischer Ladungen. In metallischen Leitern sind das vor allem Elektronen, die sich durch das Material bewegen, wenn eine elektrische Spannung anliegt und der Stromkreis geschlossen ist.
Die Stärke dieses Stromflusses wird als Stromstärke bezeichnet und in der Einheit Ampere (A) gemessen. Je mehr Ladung pro Sekunde durch einen Leiter fließt, desto größer ist die Stromstärke. Damit verknüpft sind weitere Größen wie Ladung und Zeit.
Elektrischer Strom kann als zeitlich konstanter Gleichstrom oder als sich periodisch ändernder Wechselstrom auftreten. Im Alltag haben wir es in Haushaltssteckdosen mit Wechselstrom zu tun, in Batterien und Akkus meist mit Gleichstrom.
Ein gutes Verständnis von elektrischem Strom hilft dabei, elektrische Schaltungen zu planen, Bauteile korrekt auszulegen, Energie effizient zu nutzen und vor allem sicher mit Elektrizität umzugehen. Schon ab relativ kleinen Strömen kann es für den menschlichen Körper gefährlich werden.
Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung elektrischer Ladungen. Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließt und wird in Ampere (A) angegeben.
Was ist elektrischer Strom?
Elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft von Teilchen, ähnlich wie Masse. Es gibt positive und negative Ladungen. In Metallen sind die beweglichen Ladungsträger überwiegend Elektronen, die negativ geladen sind.
Elektrischer Strom entsteht, wenn sich diese Ladungsträger geordnet in eine bestimmte Richtung bewegen. Man spricht von einem Strom, wenn pro Zeitspanne eine bestimmte Ladungsmenge einen Querschnitt passiert. Diese „geordnete Bewegung“ unterscheidet Strom von einer zufälligen Bewegung, wie z. B. der Wärmebewegung in einem Metall.
Wichtig ist, dass ein geschlossener Stromkreis vorhanden ist: Es muss eine Spannungsquelle (z. B. Batterie oder Netzteil), Leiter (z. B. Kupferleitungen) und ein Verbraucher (z. B. Lampe, Motor) vorhanden sein. Wird der Stromkreis z. B. durch einen Schalter unterbrochen, fließt kein Strom mehr.
Historisch wurde die technische Stromrichtung festgelegt: Sie verläuft von Plus nach Minus. Physikalisch bewegen sich in metallischen Leitern jedoch die Elektronen von Minus nach Plus. Für Berechnungen und Schaltpläne verwendet man jedoch in der Regel die technische Stromrichtung.
Die Stromstärke beschreibt, wie „stark“ der Strom ist. Sie ist umso größer, je mehr Ladungsträger pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließen. Die Einheit der Stromstärke ist das Ampere (A). Kleinere Ströme werden oft in Milliampere (mA) angegeben, wobei 1 A = 1000 mA sind.
Die grundlegende Definition des elektrischen Stroms lautet:
I = Q / t
Dabei ist I die Stromstärke in Ampere (A), Q die Ladung in Coulomb (C) und t die Zeit in Sekunden (s). Die Formel sagt: Stromstärke ist Ladung pro Zeit.
Die elektrische Ladung Q kann als Anzahl n von Elementarladungen e geschrieben werden:
Q = n · e
Hier ist n die Anzahl der Ladungsträger (z. B. Elektronen) und e die Elementarladung mit etwa 1,6 · 10⁻¹⁹ C. So sieht man, dass schon sehr kleine Ladungen aus extrem vielen Elektronen bestehen.
Aus der Definition I = Q / t kann man bei Bedarf nach Q oder t umstellen:
Q = I · t (Ladung aus Strom und Zeit)
t = Q / I (Zeit, die benötigt wird, damit eine Ladung Q bei Strom I fließt).
Im Alltag sind sehr unterschiedliche Stromstärken üblich: Eine kleine Leuchtdiode (LED) benötigt oft nur 10–20 mA, ein Smartphone-Ladegerät liefert typischerweise 1–3 A, und ein Staubsauger kann 3–8 A aus der Steckdose ziehen.
In der Elektronik werden Ströme im Milliamperebereich häufig als „kleine Signale“ betrachtet, während im Antriebsbereich (Motoren, Maschinen) Ströme von mehreren zehn bis hunderten Ampere vorkommen.
Elektrischer Strom kann lebensgefährlich sein. Bereits Ströme ab etwa 30 mA, die durch den menschlichen Körper fließen, können zu Herzrhythmusstörungen führen.
Spannungen ab etwa 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung gelten als potenziell gefährlich, weil sie in der Lage sind, ausreichend großen Strom durch den Körper zu treiben. Deshalb sind geeignete Schutzmaßnahmen (Isolierung, Schutzleiter, Fehlerstromschutzschalter) sehr wichtig.
Durch einen Leiter fließen in 10 s insgesamt 30 C elektrische Ladung. Berechne die Stromstärke I und gib das Ergebnis in Ampere an.
Lösung:
Gegeben: Q = 30 C, t = 10 s
Gesucht: I in A
Formel: I = Q / t
Einsetzen: I = 30 C / 10 s = 3 C/s
1 C/s entspricht 1 A, also ergibt sich:
I = 3 A.
Der Strom beträgt 3 Ampere.
Zusammenhang zwischen Stromstärke, Ladung und Zeit
Die Definition des elektrischen Stroms verknüpft die Größen Stromstärke I, Ladung Q und Zeit t. Damit lassen sich viele einfache Aufgaben aus der Elektrotechnik lösen, zum Beispiel: Wie viel Ladung fließt in einer bestimmten Zeit? Oder: Wie lange dauert es, bis eine bestimmte Ladungsmenge übertragen wurde?
Die Stromstärke I beschreibt, wie schnell Ladung transportiert wird. Bei großem I fließt in kurzer Zeit viel Ladung, bei kleinem I entsprechend wenig. Dieser Zusammenhang ist für das Verständnis von Energieübertragung in elektrischen Systemen wichtig.
Die Ladung Q ist die „Menge“ an Elektrizität. Wenn z. B. ein Akku geladen oder entladen wird, wird eine bestimmte Ladungsmenge bewegt. In vielen technischen Datenblättern begegnet uns statt Coulomb (C) häufig die Einheit Amperestunden (Ah), die ebenfalls Ladung beschreibt.
Die Zeit t gibt an, wie lange der Stromfluss stattfindet. Bei konstantem Strom ist der Zusammenhang einfach. Bei zeitlich veränderlichem Strom müsste man rein mathematisch integrieren. Für Einsteiger betrachtet man zunächst meist den konstanten Strom.
Viele technische Fragen lassen sich auf die Kernfrage zurückführen: Wie lange kann eine Energiequelle bei einem bestimmten Strom eine Last versorgen? Hier spielt die gespeicherte Ladung bzw. Kapazität eine zentrale Rolle.
Aus der Definition I = Q / t folgen direkt die umgestellten Formen:
Q = I · t
Die Ladung Q (in C) ergibt sich als Produkt aus Stromstärke I (in A) und Zeit t (in s).
t = Q / I
Die Zeit t (in s) gibt an, wie lange ein Strom I (in A) fließen muss, um die Ladung Q (in C) zu transportieren.
Die Einheit Amperestunde (Ah) kann in Coulomb umgerechnet werden:
1 Ah = 1 A · 1 h = 1 A · 3600 s = 3600 C.
Beispiel: 2 Ah entsprechen 2 · 3600 C = 7200 C.
Kleine Ströme werden häufig in Milliampere angegeben, daher: 1 A = 1000 mA und 1 mA = 0,001 A.
Bei Akkus liest man häufig Angaben wie z. B. 3000 mAh. Das bedeutet 3 Ah Kapazität. Theoretisch könnte dieser Akku 3 Stunden lang einen Strom von 1 A liefern oder 1,5 Stunden lang 2 A. In der Praxis hängt die tatsächliche Laufzeit von weiteren Faktoren ab (z. B. Temperatur, Alterung).
In elektronischen Schaltungen werden oft Ströme im Bereich weniger Milliampere verwendet, um Signale zu übertragen, während Leistungsstufen (z. B. Endstufen für Motoren) wesentlich höhere Ströme verarbeiten.
Je länger ein gefährlicher Strom durch den menschlichen Körper fließt, desto höher ist das Risiko schwerer Schäden. Daher sind nicht nur die Höhe des Stroms, sondern auch die Einwirkdauer entscheidend.
Sicherungen und Fehlerstromschutzschalter (RCD) sollen gefährliche Ströme schnell abschalten, um die Einwirkdauer so kurz wie möglich zu halten.
Ein Akku mit 2,0 Ah Kapazität versorgt einen Verbraucher, der einen konstanten Strom von 0,5 A aufnimmt. Wie lange kann der Verbraucher theoretisch betrieben werden?
Lösung:
Gegeben: Kapazität 2,0 Ah, Strom I = 0,5 A
Gesucht: Betriebsdauer t in Stunden.
In Ah gerechnet gilt: Q(Ah) = I(A) · t(h).
Umstellen nach t: t = Q / I.
Einsetzen: t = 2,0 Ah / 0,5 A = 4 h.
Theoretisch kann der Verbraucher also etwa 4 Stunden betrieben werden (praktisch meist etwas weniger).
Elektrischer Strom bei Gleichstrom und Wechselstrom
Elektrischer Strom kann zeitlich konstant oder zeitlich veränderlich sein. Ist die Stromstärke zeitlich konstant und fließt immer in die gleiche Richtung, spricht man von Gleichstrom (DC – Direct Current).
Gleichstrom entsteht typischerweise bei Batterien, Akkus, Solarzellen und vielen elektronischen Netzteilen auf der Ausgangsseite. In Gleichstromkreisen sind die Berechnungen meist einfacher, da Werte wie Strom und Spannung zeitlich nicht wechseln.
Wechselstrom (AC – Alternating Current) hingegen ändert periodisch seine Richtung und häufig auch seinen Betrag. In den meisten Stromversorgungsnetzen wird ein sinusförmiger Wechselstrom verwendet, der mit einer bestimmten Frequenz (in Europa meist 50 Hz) hin- und herpendelt.
Für Wechselstrom unterscheidet man verschiedene Werte: den Momentanwert i(t), den Scheitel- oder Spitzenwert (Maximum) und den Effektivwert. Der Effektivwert ist der für die Praxis wichtigste Wert, da er angibt, welcher Gleichstrom denselben Heiz- oder Leistungs-Effekt hätte.
Im Haushalt sind die auf Geräten angegebenen Stromstärken in der Regel Effektivwerte. Wenn auf einer Sicherung z. B. 16 A steht, ist damit ein Effektivwert des Wechselstroms gemeint.
Für Gleichstrom gilt einfach:
I = konstant
Die Stromstärke ist unabhängig von der Zeit. Typisch für Batteriebetrieb (zumindest näherungsweise).
Für sinusförmigen Wechselstrom kann der zeitliche Verlauf des Stroms i(t) beschrieben werden als:
i(t) = \u0128 · sin(ω · t)
Hier ist \u0128 der Scheitelwert des Stroms (in A), ω die Kreisfrequenz (ω = 2πf) und t die Zeit in s.
Der Effektivwert Ieff eines sinusförmigen Wechselstroms steht mit dem Scheitelwert \u0128 in folgendem Zusammenhang:
Ieff = \u0128 / √2
Der Effektivwert ist der Wert, der in Berechnungen mit Leistung und Erwärmung verwendet wird.
Die elektrische Leistung bei sinusförmigem Wechselstrom (ohne Blindleistung, rein ohmsche Last) lässt sich analog zum Gleichstrom berechnen:
P = Ueff · Ieff
Im europäischen Haushaltsnetz beträgt die Netzspannung etwa 230 V (Effektivwert) bei 50 Hz. Die zugehörigen Ströme werden ebenfalls als Effektivwerte angegeben.
Viele moderne Geräte (z. B. Computer, Fernseher, Ladegeräte) wandeln den Wechselstrom aus der Steckdose intern in Gleichstrom um, da elektronische Schaltungen in der Regel mit Gleichspannung und Gleichstrom arbeiten.
Wechselstrom im Frequenzbereich der Netzspannung (um 50 Hz) ist für den Menschen besonders gefährlich, da er das Herz in eine lebensbedrohliche Rhythmusstörung bringen kann.
Arbeiten an Wechselstromanlagen (z. B. Hausinstallation) dürfen nur von fachkundigen Personen durchgeführt werden. Typische Haushaltsstromkreise sind mit Strömen bis 16 A bei 230 V ausgelegt – das ist ausreichend, um tödliche Körperströme hervorzurufen.
Ein sinusförmiger Wechselstrom hat einen Scheitelwert von \u0128 = 10 A. Bestimme den Effektivwert Ieff.
Lösung:
Gegeben: \u0128 = 10 A
Gesucht: Ieff
Formel: Ieff = \u0128 / √2
Einsetzen: Ieff = 10 A / √2 ≈ 10 A / 1,414 ≈ 7,07 A.
Der Effektivwert des Stroms beträgt somit ungefähr 7,1 A.
Wovon hängt die Stromstärke ab?
Die Stromstärke hängt nicht nur von der vorhandenen Ladungsmenge ab, sondern auch von der Spannung, dem Widerstand und den Eigenschaften des Leiters. Um zu verstehen, wie groß ein Strom in einem Stromkreis wird, muss man diese Einflussgrößen betrachten.
Die elektrische Spannung ist die „treibende Kraft“ für die Ladungsträger. Je höher die Spannung zwischen zwei Punkten ist, desto stärker werden die Ladungsträger „angetrieben“ und desto größer kann – bei gleichem Widerstand – der Strom werden.
Der elektrische Widerstand beschreibt, wie stark ein Bauteil oder Leiter den Stromfluss behindert. Ein großer Widerstand bedeutet, dass für eine gegebene Spannung nur ein kleiner Strom fließt. Ein kleiner Widerstand lässt bei gleicher Spannung einen größeren Strom zu.
Das Material, die Länge und der Querschnitt eines Leiters beeinflussen seinen Widerstand. Ein dicker, kurzer Kupferdraht hat einen relativ kleinen Widerstand, ein dünner, langer Draht einen größeren. Daraus ergibt sich, dass für hohe Ströme Leitungen mit größerem Querschnitt benötigt werden.
In vielen einfachen Schaltungen verhält sich der Strom proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand. Dieses lineare Verhalten beschreibt das Ohmsche Gesetz, das eine zentrale Rolle in der Elektrotechnik spielt.
Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung U, Stromstärke I und Widerstand R:
U = R · I
oder umgestellt:
I = U / R
R = U / I
U in Volt (V), I in Ampere (A), R in Ohm (Ω).
Der Widerstand eines Leiters kann näherungsweise berechnet werden mit:
R = ρ · l / A
ρ ist der spezifische Widerstand des Materials (in Ω·mm²/m), l die Leiterlänge (in m) und A der Querschnitt (in mm²). Je größer A, desto kleiner R und desto größer kann der Strom für eine gegebene Spannung sein.
Für die Leistung in einem ohmschen Verbraucher gelten u. a. die Zusammenhänge:
P = U · I,
P = I² · R,
P = U² / R.
P in Watt (W). Sie zeigen, dass große Ströme zu hoher Verlustleistung und damit Erwärmung führen.
In Haushaltsinstallationen werden typischerweise Kupferleitungen mit Querschnitten von 1,5 mm² oder 2,5 mm² verwendet. Größere Querschnitte kommen bei höheren Strömen zum Einsatz, z. B. für Elektroherde oder Wallboxen für Elektroautos.
Hersteller von Leitungen und Geräten geben in ihren Datenblättern zulässige Ströme an. Diese hängen auch von der Verlegeart, der Umgebungstemperatur und der Häufung von Leitungen ab.
Zu hohe Ströme führen zu starker Erwärmung von Leitungen und Bauteilen. Im Extremfall kann es zu Schmorstellen und Bränden kommen. Deshalb werden Stromkreise über Sicherungen oder Leitungsschutzschalter abgesichert.
Die Querschnitte der Leitungen müssen immer zur erwarteten Strombelastung passen. Unterdimensionierte Leitungen bei hohen Strömen sind eine erhebliche Brandgefahr.
An einem Widerstand von R = 4 Ω liegt eine Spannung von U = 12 V an. Berechne die Stromstärke I durch den Widerstand.
Lösung:
Gegeben: U = 12 V, R = 4 Ω
Gesucht: I in A
Formel (Ohmsches Gesetz): I = U / R
Einsetzen: I = 12 V / 4 Ω = 3 V/Ω = 3 A.
Der Strom beträgt 3 A.
Elektrischer Strom in Leitern, Halbleitern und Isolatoren
Je nach Material verhalten sich Stoffe bei elektrischem Strom sehr unterschiedlich. Metalle wie Kupfer oder Aluminium sind gute Leiter, da sie viele frei bewegliche Elektronen besitzen. In ihnen kann bei anliegender Spannung leicht ein Strom fließen.
Isolatoren wie Kunststoff, Glas oder Keramik besitzen kaum frei bewegliche Ladungsträger. Deshalb fließt in ihnen bei gleichen Bedingungen praktisch kein Strom. Sie werden genutzt, um gefährliche Spannungen zu isolieren und Strompfade voneinander zu trennen.
Zwischen Leitern und Isolatoren stehen sog. Halbleiter, zum Beispiel Silizium. Ihre Leitfähigkeit kann gezielt beeinflusst werden, etwa durch Dotierung oder äußere Einflüsse. Halbleiter bilden die Basis moderner Elektronik (Dioden, Transistoren, integrierte Schaltungen).
Auch der Querschnitt des Leiters spielt eine Rolle: Bei gleichem Strom ist in einem dünnen Leiter die Stromdichte höher als in einem dicken Leiter. Eine hohe Stromdichte führt zu stärkerer Erwärmung.
Deshalb ist es wichtig, für die geplante Stromstärke geeignete Leiterquerschnitte zu verwenden. In Installationsrichtlinien sind zulässige Ströme für verschiedene Querschnitte vorgegeben.
Die Stromdichte J beschreibt, wie viel Strom pro Querschnittsfläche fließt:
J = I / A
J in A/m², I in A, A in m². Je größer I oder je kleiner A, desto größer ist die Stromdichte.
Für technische Anwendungen nutzt man oft Querschnitte in mm². Zur Umrechnung in m² gilt:
1 mm² = 1 · 10⁻⁶ m².
Beispiel: 2,5 mm² = 2,5 · 10⁻⁶ m².
Hohe Stromdichten führen zu Erwärmung. Deshalb gibt es für Leitungen Grenzwerte für die zulässige Dauerstrombelastbarkeit, die u. a. von Stromdichte, Material, Umgebungstemperatur und Verlegeart abhängen.
Typische Leiterwerkstoffe in Installationen sind Kupfer und Aluminium. Kupfer hat eine geringere spezifische Widerstandszahl (bessere Leitfähigkeit) als Aluminium, ist aber schwerer und teurer.
In der Gebäudeinstallation sind Leitungen mit 1,5 mm² Querschnitt häufig für Beleuchtungskreise (z. B. bis 10 A), Leitungen mit 2,5 mm² für Steckdosenkreise (z. B. bis 16 A) üblich. Exakte Werte sind standardisiert und in Normen festgelegt.
Isolationsfehler (z. B. beschädigte Leitungsmantel, poröse Isolation) können dazu führen, dass Strom an unerwünschten Stellen fließt, z. B. über Gehäuse oder den menschlichen Körper. Deshalb sind regelmäßige Prüfungen und Sichtkontrollen wichtig.
Halbleiterbauteile können durch zu hohe Ströme oder elektrostatische Entladungen (ESD) zerstört werden. Beim Umgang mit elektronischen Bauteilen sind daher geeignete Schutzmaßnahmen (z. B. ESD-Armbänder) erforderlich.
Durch einen Kupferleiter mit einem Querschnitt von 2,5 mm² fließt ein Strom von 8 A. Berechne die Stromdichte J.
Lösung:
Gegeben: I = 8 A, A = 2,5 mm².
Zunächst den Querschnitt in m² umrechnen:
2,5 mm² = 2,5 · 10⁻⁶ m².
Formel: J = I / A.
Einsetzen: J = 8 A / (2,5 · 10⁻⁶ m²) = 8 / 2,5 · 10⁶ A/m² = 3,2 · 10⁶ A/m².
Die Stromdichte beträgt also 3,2 · 10⁶ A/m².
Aufgaben zu elektrischem Strom
Hinweis: Pro Aufgabe kann genau eine Antwort ausgewählt werden.