Elektrischer Strom: Grundlagen, Ohmsches Gesetz & Eigenschaften

Elektrischer Strom: Grundlagen und Definition

Elektrischer Strom ist der Fluss von Ladung pro Zeiteinheit, der durch ein Material fließt. Er entsteht durch die Bewegung von Elektronen im Inneren des Materials. Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird er in Ampere (A) gemessen, was Coulomb pro Sekunde (C/s) entspricht. Da elektrischer Strom eine Bewegung von Ladungen ist, erzeugt er ein Magnetfeld, das in Elektromagneten genutzt wird.

Messung des elektrischen Stroms

Das Gerät zur Messung der elektrischen Stromstärke ist das Galvanometer, das, wenn es in Ampere kalibriert ist, Amperemeter genannt wird. Es wird in Reihe mit dem Leiter geschaltet, dessen Strom gemessen werden soll.

Das Ohmsche Gesetz

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom, der durch einen elektrischen Leiter fließt, direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand ist, solange die Temperatur konstant bleibt.

Die mathematische Formel des Ohmschen Gesetzes

Die mathematische Gleichung, die diese Beziehung beschreibt:

Variablen des Ohmschen Gesetzes

Dabei ist I der Strom durch das Objekt in Ampere, V die Potentialdifferenz (Spannung) an den Klemmen des Objekts in Volt, und R der Widerstand in Ohm (Ω). Insbesondere besagt das Gesetz, dass R in dieser Beziehung konstant ist, unabhängig von der angelegten Spannung oder dem fließenden Strom.

Historischer Hintergrund: Georg Ohm

Dieses Gesetz ist nach dem deutschen Physiker Georg Ohm benannt, der 1827 in einer Abhandlung die Beziehungen zwischen Spannung und Strom in einfachen Schaltungen mit verschiedenen Leitern untersuchte. Er präsentierte eine etwas komplexere Gleichung, um seine experimentellen Ergebnisse zu erklären. Die oben genannte Gleichung ist die moderne Form des Ohmschen Gesetzes.

Das Ampere: Einheit der Stromstärke

Das Ampere (Symbol A) ist die SI-Basiseinheit der elektrischen Stromstärke und wurde nach André-Marie Ampère benannt. Ein Ampere ist definiert als die Stärke eines konstanten elektrischen Stroms, der, wenn er durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange Leiter mit vernachlässigbar kleinem kreisförmigen Querschnitt fließt, die im Vakuum einen Abstand von einem Meter voneinander haben, eine Kraft von 2 × 10^-7 Newton pro Meter Länge zwischen diesen Leitern erzeugen würde.

Ampere als Basiseinheit im SI-System

Das Ampere ist eine Basiseinheit des SI-Systems, zusammen mit dem Meter, der Sekunde und dem Kilogramm. Es ist ohne Bezug auf die elektrische Ladungsmenge definiert. Die Ladungseinheit, das Coulomb (C), ist eine abgeleitete Einheit und definiert als die Ladungsmenge, die von einem Strom von einem Ampere in einer Sekunde transportiert wird.

Zusammenhang zwischen Ampere und Coulomb

Folglich sind elektrische Ströme auch die zeitliche Änderung oder Bewegung von elektrischen Ladungen. Ein Ampere entspricht einem Coulomb pro Sekunde.

Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC)

Wechselstrom (AC)

Wechselstrom (AC) ist ein Strom, dessen Richtung sich periodisch umkehrt. Das bedeutet, dass die Polarität regelmäßig wechselt, wodurch der Strom abwechselnd in die eine und dann in die andere Richtung fließt. Im Deutschen ist er als Wechselstrom (AC) bekannt, im Englischen ebenfalls als AC (Alternating Current).

Gleichstrom (DC)

Gleichstrom (DC) ist ein Strom, bei dem die Elektronen stets in dieselbe Richtung fließen. Die Polarität bleibt unverändert, wodurch ein Strom mit relativ konstanter Amplitude durch eine Last fließt. Im Deutschen ist er als Gleichstrom (DC) bekannt, im Englischen ebenfalls als DC (Direct Current).

Elektrische Leitfähigkeit

Definition der elektrischen Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Körpers oder Mediums, elektrischen Strom zu leiten. Das bedeutet, sie erlaubt den Durchtritt geladener Teilchen, sei es Elektronen als Ladungsträger in metallischen oder nichtmetallischen Leitern oder Ionen als Ladungsträger in Elektrolytlösungen.

Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand

Die Leitfähigkeit (σ) ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands (ρ), daher . Ihre Einheit ist Siemens pro Meter (S/m) oder Ω^-1·m^-1. Die Leitfähigkeit (σ) beschreibt die Proportionalität zwischen dem elektrischen Feld und der Stromdichte :

Abgrenzung: Leitfähigkeit vs. Leitwert

Nicht zu verwechseln ist die Leitfähigkeit (σ) mit dem Leitwert (G), der die Leichtigkeit beschreibt, mit der ein Objekt oder eine Schaltung elektrischen Strom leitet. Der Leitwert ist definiert als der Kehrwert des Widerstands (R): .

Elektrischer Widerstand

Grundlagen des elektrischen Widerstands

Alle Materialien bieten dem Durchgang von elektrischem Strom einen gewissen Widerstand, den wir als elektrischen Widerstand bezeichnen. Gute elektrische Leiter haben einen sehr geringen elektrischen Widerstand, während Isolatoren einen sehr hohen Widerstand aufweisen.

Spezifischer elektrischer Widerstand (Resistivität)

Der spezifische elektrische Widerstand (Resistivität) beschreibt den Grad der Schwierigkeit, mit der Elektronen sich durch ein Material bewegen. Er wird durch den griechischen Kleinbuchstaben Rho (ρ) gekennzeichnet und in Ohm-Meter (Ω·m) gemessen.¹

Verhalten des spezifischen Widerstands

Sein Wert beschreibt das Verhalten eines Materials gegenüber dem Durchtritt von elektrischem Strom und gibt Aufschluss darüber, wie gut oder schlecht es leitet. Ein hoher spezifischer Widerstand deutet darauf hin, dass das Material ein schlechter Leiter ist, während ein niedriger Wert auf einen guten Leiter hinweist.

Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands

Im Allgemeinen steigt der spezifische Widerstand von Metallen mit zunehmender Temperatur, während der spezifische Widerstand von Halbleitern mit steigender Temperatur abnimmt.

Definition des elektrischen Widerstands

Der elektrische Widerstand eines Objekts ist ein Maß für dessen Hemmung des elektrischen Stromflusses.

Entdeckung und Messung des Widerstands

Der elektrische Widerstand wurde 1827 von Georg Ohm entdeckt und kann mit dem Konzept der Reibung in der mechanischen Physik verglichen werden. Die Einheit des Widerstands im Internationalen Einheitensystem ist das Ohm (Ω). Für die praktische Messung gibt es verschiedene Methoden, darunter die Verwendung eines Ohmmeters. Die reziproke Größe des Widerstands ist der Leitwert, der in Siemens (S) gemessen wird.

Widerstand und Ohmsches Gesetz

Für viele Materialien und unter bestimmten Bedingungen ist der elektrische Widerstand unabhängig vom fließenden Strom oder der angelegten Spannung. Dies bedeutet, dass bei einer gegebenen Temperatur und für ein bestimmtes Material der Widerstand ein konstanter Wert bleibt. Gemäß dem Ohmschen Gesetz kann der Widerstand eines Objekts daher als das Verhältnis von Spannung zu Strom definiert werden:

Klassifizierung von Materialien nach Widerstand

Abhängig von der Größe dieses Widerstands können Materialien als Leiter, Isolatoren und Halbleiter klassifiziert werden. Es gibt auch Materialien, die unter bestimmten Temperaturbedingungen ein Phänomen namens Supraleitung aufweisen, bei dem der Widerstand praktisch null ist.