Stromstärke - Spannung & Widerstand


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Einführung

Strom ist aus dem heutigen Leben nicht mehr weg zu denken, er ist eines der wichtigsten Energiequellen. Das besondere an Strom als ein Energieträger, ist seine Transportierbarkeit. Doch wie genau gelangt Strom zu uns nachhause, und was passiert wenn ein Gerät an eine Steckdose geschlossen wird. Wie beeinflussen die Größen Stromstärke, Spannung und Widerstand den Transport von Strom.

In dem folgenden Beitrag wird du eine phänomenologische Erklärung für die Grundgrößen der Elektrizitätslehre bekommen. Dabei wird es zunächst einmal nicht um die exakte Defintion sondern mehr um eine anschauliche Erklärung gehen.

Was ist Strom?

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (meist Elektronen). Die Ladungsträger müssen sich dabei nicht zwangsläufig durch ein Stromkabel bewegen, Strom kann auch beispielsweise durch Vakuum, durch die Erde oder auch durch die Luft fließen (Blitze). Bewegen sich Elektronen durch einen Körper so nennt man das Stromfluss.

Den Begriff Stromfluss kann man sehr gut mit einem Fluss (Wasser) in verbindung bringen. In einem Fluss fließt Wasser von einer höher gelegenen Quelle zu einem tiefer liegenden Flussbett. Ebenso fließen in einem Kupferdraht Elektronen. Bei einem Fluss, fließt das Wasser aufgrund dem Höhenunterschied zwischen Quelle und Flussbett. Im Falle von Strom werden die Elektronen aufgrund dem Vorhandensein einer Spannung bewegt. Die Spannung drängt die Elektronen zur Bewegung, genau so wie der Höhenunterschieden zwischen Quelle und Flussbett das Wasser zum fließen bringt. Mehr zum Thema Spannung gibt es weiter unten.

Die Stromstärke



Um angeben zu können wie viel Strom denn fließt, benötigt man eine Größe für die Stärke des Stromflusses. Die Größe wird Stromstärke I genannt und besitzt die Einheit Ampere A. Die Stromstärke gibt an wie viele Elektronen pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Querschnitt fließen. Je mehr und je schneller die Ladungsträger fließen, desto größer ist die Stromstärke. Ähnlich wie bei einem echten Wasserfluss.

Was ist Spannung ?

Damit das Wasser eines Flusses fließen kann, muss es zwischen der Quelle und dem Flussbett einen Höhenunterschied geben. Je Steiler der Fluss ist, desto schneller fließt das Wasser. Die Steigung des Flusses, gibt also die Fließgeschwindigkeit des Wasser wieder. In der Elektrizität, fließt Strom aufgrund dem Vorhandensein einer Spannung. Die Spannung entspricht der Neigung des Flussen. Je höher die Spannung ist, desto schneller fließen die Eletronen. Eine Spannung wird aufgebaut, indem man positive und negative Ladungen von einander trennt. Je mehr Ladungen man getrennt hat, desto größer ist der "drang" für die Elektronen in Richtung der positiven Ladungen zu fließen. Negative und positive Ladungen ziehen sich gegenseitig an.

Die Spannung hat das Formelzeichen \(U\), die Spannungshöhe wird in Volt angegeben. Die Hausleitungen in Deutschland haben standardmäßig eine Spannung von \(U = 230\) Volt bzw. \(U = 230\) V.

Wir wissen jetzt, dass mit Zunahme der Spannung, auch die Stromstärke zunimmt. Ist die Stromstärke in einem Kabel zu hoch, dann erwärmt sich das Kabel und kann in Flammen gehen. Deswegen steht auf viele Geräten zur Sicherheit immer die Betriebsspannung. Sie ist die Spannung, bei der die Stromstärke so hoch ist, dass das Gerät optimal läuft und keine Brandgefahr herscht.

Was ist elektrischer Widerstand ?

Elektrischer Widerstand kann analog zu einem Felsen in einem Fluss betrachtet werden. Der Felsen hindert das Wasser am fließen und bremmst es ab. Ein elektrischer Widerstand bremmst die Elektronen im Strom ab, je höher der Widerstand ist, desto stärker werden die Elektronen abgebremmst. Jedes elektronische Bauelement besitzt einen eignen Widerstand. Bei einem Kupferdraht, kommt der Widerstand zustande, da die Elektronen mit dem Kristallgitter des Drahtes wechselwirken und zusammenstoßen. Die Wechselwirkung zwischen den Gitteratomen des Drahtes und den Elekronen fürht zu einer Abnahme ihrer Geschwindigkeit, dadurch nimmt die Stromstärke ab.

Abgesehen davon das jedes elektronische Bauelement einen Eigenwiderstand besitzt, kann man für wenig Geld auch einen Widerstand kaufen. Die Stärke eines solchen Widerstandes wird in Ohm \(\Omega\) angegeben und das Formelzeichen lautet R, Beispiel: R=10\(\Omega\).

Ohmsches Gesetz

Den mathematischen Zusammenhang zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand konnte Georg Simon Ohm als erstes schlüssig nachweisen. Dabei suchte er nach einer Formel zur Berechnung der "Wirkung fließender Elektrizität" (der heutige Begriff dafür ist Stromstärke) in Abhängigkeit vom Material und von den Dimensionen eines Drahtes.

Da wir nun eine phänomenologische Erklärung für die Grundgrößen der Elektrizitätslehre haben, wissen wir, je größer die Spannung U bzw. je kleiner der Widerstand R, umso größer ist die Stromstärke I. Genau das ist das Ohmsches Gestzt.

Ohmsches Gesetz

\(I=\frac{U}{R}\)



Das Ohmschen Gesetzt lässt sich durch Äquivalenzumformungen in drei Schreibweisen ausdrücken.

  • \(R=\frac{U}{I}\)

  • \(U=R\cdot I\)

  • \(I=\frac{U}{R}\)

Im Allgemeinen wird die Definition des Widerstandes als Quotient von Spannung und Stromstärke als "Ohmsches Gesetz" betrachtet, obwohl die Kernaussage des Ohmschen Gesetzes in der Konstanz des Widerstandes liegt.

Das Ohmsche Gesetz gilt tatsächlich nur im engem Rahmen und lediglich für einige Stoffe. Für Metalle unter der Voraussetzung einer konstanten Temperatur kann das Ohmsche Gesetz gut angewandt werden. Nichtsdestotrotz spielt das Ohmsche Gesetz eine wichtige Rolle für das fundamentale Verständis zwischen Stomstärke, Spannung und Widerstand in elektronischen Stromkreisen.