Die Kraft zwischen elektrischen Ladungen kann man nutzen, um Elektronen durch einen Stromkreis fließen zu lassen.
Beispiel: Batterie
- In einer Batterie werden durch chemische Reaktionen Elektronen vom Pluspol zum Minuspol transportiert, wodurch am Minuspol mehr Elektronen vorhanden sind als Protonen. Der Minuspol ist elektrisch negativ geladen.
- Am Pluspol sind weniger Elektronen vorhanden als Protonen. Der Pluspol ist elektrisch positiv geladen.
- Die Elektronen stoßen sich am Minuspol gegenseitig ab und bewegen sich deswegen in den Stromkreis, wenn dieser geschlossen wird.
- Zusätzlich zu der Abstoßung am Minuspol werden im Stromkreis Elektronen von den Protonen im Pluspol angezogen und fließen nach dem Durchlaufen des Stromkreises wieder in die Batterie.
- Aufgrund der chemischen Reaktion werden die angekommenen Elektronen durch die chemische Reaktion wieder in Richtung des Minuspols transportiert, wodurch sich der Prozess wiederholt.
Bei einem Spannungsgerät erfolgt der Transport der Elektronen vom Plus- zum Minuspol mit Hilfe des Kraftwerks, an welchen das Spannungsgerät über das Netzkabel angeschlossen ist.
In der Geschichte der Elektrotechnik waren Elektronen lange unbekannt. Zufällig legte man fest, dass der Strom vom Pluspol zum Minuspol fließt. Obwohl man heute weiß, dass tatsächlich die negativen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol fließen, findet man in der Literatur immer noch die sogenannte "technische Stromrichtung" die vom Plus- zum Minuspol gerichtet ist.
In der folgenden Simulation können Sie diese unterschiedlichen Stromrichtungen beobachten.
Experiment: Elektrischer Strom
Klicken Sie auf den Tab "Durchführung" und führen Sie das interaktive Experiment im Tab "Interaktives Experiment" wie beschrieben durch.
- Klicken mit der Maus auf den Schalter oben in der Mitte, womit Sie den Stromkreis öffnen und wieder schließen können.
- Klicken Sie auf "Einstellungen - Technische Stromrichtung", um die technische Stromrichtung zu deaktivieren und die Elektronenstromrichtung anzuzeigen.
- Wenn die technische Stromrichtung deaktiviert ist, kann man in der Simulation beobachten, wie die Elektronen im Stromkreis vom Minus- zum Pluspol fließen und im Spannungsgerät vom Plus- zum Minuspol gepumpt werden. Trotzdem wird am Strommessgerät mit dem Pfeil die technische Stromrichtung, also die Richtung entgegengesetzt der Elektronenstromrichtung, angezeigt.
- Wenn die technische Stromrichtung aktiviert ist, fließt der elektrische Strom im Stromkreis vom Plus- zum Minuspol und wird im Spannungsgerät vom Minus zum Pluspol gepumpt. In der Realität gibt es nichts, was vom Plus- um Minuspol fließt! Die technische Stromrichtung ist ein historisches Überbleibsel aus den Anfangen der Elektrizitätslehre.
In der Simulation zeigt das unten in der Mitte eingebaute Strom-Messgerät (Amperemeter) einen Wert von 12.5 mA an. Dieser Wert gibt die elektrische Stromstärke in Ampere an. Die elektrische Stromstärke \(I\) ist ein Maß für die Menge an Elektronen, die in einer Zeiteinheit an einer Stelle durch einen Leiter fließen.
Das bedeutet, dass in einer bestimmten Zeit \(t\) (z.B. \(1 \, \rm{s}\)) an einer Stelle im Stromkreis eine bestimmte Ladungsmenge \(Q\) (z.B. \(3 \, \rm{C}\)) an Elektronen durchfließen. Die elektrische Stromstärke kann daher wie folgt geschrieben werden:
Wenn die Stromstärke nicht konstant ist, kann man für einen kleinen Zeitraum die durchschnittliche Stromstärke \(I_\rm{durchschnittlich}\) angenähert angeben, indem man ein bestimmtes Zeitintervall \(\Delta t\) betrachtet und die insgesamt in dieser Zeit vorbeigeflossene Ladungsmenge \(\Delta Q\) misst:
\[
I_\text{durchschnittlich} = \frac{\Delta Q}{\Delta t}\]
Wenn man einen Stromkreis hat, in dem sich die Stromstärke ständig ändert, dann kann man nur einen sehr kleinen Zeitraum \(dt\) mit einer entsprechend sehr kleinen Ladungsmenge \(dQ\) betrachten, um die momentane Stromstärke \(I_\rm{momentan}\) anzugeben:
\[
I_\text{momentan} = \frac{dQ}{dt}\]
Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist Ampere (\([I] = 1 \, \rm{A}\)), die Einheit der elektrischen Ladung ist Coulomb (\([Q] = 1 \, \rm{C} = 1 \, \rm{As}\)).
Ein Elektron trägt die Ladungsmenge: \(q = − 1,602 \cdot 10^{-19} \, \rm{C}\).
Weil diese Ladungsmenge so klein ist, schreibt für ein Elektron üblicherweise ein kleines \(q\).
Die Ladungmenge \(1 \, \rm{C}\) ist an einer Stelle im Stromkreis vorbeigeflossen, wenn das Strommessgerät \(1 \rm{A}\) anzeigt und man die Elektronen bei dieser Stromstärke für \(1 \, \rm{s}\) fließen lässt. Das sind dann insgesamt
\[
\cfrac{1\, \rm{C}}{1,602 \cdot 10^{-19} \, \rm{C}} = 6,242\cdot10^{18} = 6,2 \, \text{Trillionen Elektronen}.\]
Um sich die Zahl von 6,2 Trillionen vorzustellen, hilft vielleicht folgendes: Erinnern wir uns an den Zeitpunkt, als auf der Erde 6,2 Milliarden Menschen lebten (das war kurz nach der Jahrtausendwende, also etwa im Jahr 2001). Wenn man im Jahr 2001 alle Menschen von 1 Milliarde Erden (= 1 000 000 000 Erden) in einer Sekunde an der Startlinie des Berlin Marathons vorbeilaufen lassen würde, entspräche das einer Stromstärke von \(1\, \rm{A}\), wenn für jedes Elektron ein Läufer vorbeikäme. Eine unglaublich große Zahl.
