Elektrischer Strom: Was ist das?

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Feld: Grundlagen der Elektrotechnik

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Was ist elektrischer Strom?

Elektrischer Strom wird definiert als Strom von geladenen Teilchen – wie Elektronen oder Ionen –, der durch einen elektrischen Leiter oder Raum fließt. Es ist die Flussrate von elektrischer Ladung durch ein leitendes Medium in Bezug auf die Zeit. Der elektrische Strom wird mathematisch (z.B. in Formeln) mit dem Symbol „I“ oder „i“ ausgedrückt. Die Einheit für den Strom ist Ampere oder Amp. Dies wird durch A dargestellt.

Mathematisch kann die Flussrate der Ladung in Bezug auf die Zeit ausgedrückt werden als,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

Anders ausgedrückt, wird ein Strom von geladenen Teilchen, der durch einen elektrischen Leiter oder Raum fließt, als elektrischer Strom bezeichnet. Die sich bewegenden geladenen Teilchen werden als Ladungsträger bezeichnet, die Elektronen, Löcher, Ionen usw. sein können.

Der Stromfluss hängt vom leitfähigen Medium ab. Zum Beispiel:

Im Leiter ist der Stromfluss auf Elektronen zurückzuführen.
In Halbleitern ist der Stromfluss auf Elektronen oder Löcher zurückzuführen.
In einem Elektrolyt ist der Stromfluss auf Ionen zurückzuführen und
In Plasma – einem ionisierten Gas – ist der Stromfluss auf Ionen und Elektronen zurückzuführen.

Wenn eine elektrische Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten in einem leitfähigen Medium angewendet wird, beginnt ein elektrischer Strom, von höherem Potential zu niedrigerem Potential zu fließen. Je höher die Spannung oder Potenzialdifferenz, desto mehr Strom fließt zwischen den beiden Punkten.

Wenn zwei Punkte in einem Schaltkreis das gleiche Potential haben, dann kann kein Strom fließen. Die Stärke des Stroms hängt von der Spannung oder Potenzialdifferenz zwischen den beiden Punkten ab. Daher können wir sagen, dass der Strom der Effekt der Spannung ist.

Elektrischer Strom kann elektromagnetische Felder erzeugen, die in Spulen, Transformern, Generatoren und Motoren verwendet werden. In elektrischen Leitern verursacht der Strom resistive Erwärmung oder Joule-Erwärmung, die Licht in einer Glühlampe erzeugt.

Ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom erzeugt elektromagnetische Wellen, die in der Telekommunikation zur Datenübertragung verwendet werden.

Wechselstrom vs Gleichstrom

Basierend auf dem Ladungsfluss wird der elektrische Strom in zwei Arten eingeteilt, nämlich Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC).

Wechselstrom

Der Fluss der elektrischen Ladung in periodisch umgekehrter Richtung wird als Wechselstrom (AC) bezeichnet. Wechselstrom wird auch als "AC-Strom" bezeichnet. Obwohl dies technisch gesehen das gleiche Doppelt sagt "AC-Strom Strom".

Ein Wechselstrom ändert seine Richtung in regelmäßigen Abständen.

Der Wechselstrom beginnt bei Null, steigt auf ein Maximum, fällt wieder auf Null, kehrt dann um und erreicht ein Maximum in die entgegengesetzte Richtung, kehrt dann wieder zum ursprünglichen Wert zurück und wiederholt diesen Zyklus unendlich.

Die Art des Wechselstrom-Signals kann sinusförmig, dreieckig, quadratisch, sägezahnförmig usw. sein.

Die spezielle Form des Signals ist nicht entscheidend—solange es sich um ein sich wiederholendes Signal handelt.

Dennoch ist in den meisten elektrischen Schaltungen die typische Form des Wechselstroms eine Sinuswelle. Eine typische Sinuswelle, wie man sie als Wechselstrom sehen könnte, ist im folgenden Bild dargestellt.

Ein Dynamo kann Wechselstrom erzeugen. Die Dynamo ist ein spezieller Typ von Elektrogenerator, der für die Erzeugung von Wechselstrom konstruiert ist.

Wechselstrom wird in industriellen und häuslichen Anwendungen weit verbreitet verwendet.

Gleichstrom

Der Fluss von elektrischer Ladung in nur einer Richtung wird als Gleichstrom (DC) bezeichnet. DC wird auch als "Gleichstrom" bezeichnet. Obwohl dies technisch gesehen das gleiche zweimal sagt, "Gleichstrom Strom".

Da Gleichstrom nur in eine Richtung fließt, wird er auch als unidirektionaler Strom bezeichnet. Ein Wellenbild eines Gleichstroms ist im folgenden Bild gezeigt.

Gleichstrom kann durch Batterien, Solarzellen, Brennstoffzellen, Thermoelemente, Kommutator-Typ-Elektrogeneratoren usw. erzeugt werden. Ein Wechselstrom kann durch Verwendung eines Rechtecks in Gleichstrom umgewandelt werden.

Gleichstrom wird in der Regel in Niederspannungsanwendungen verwendet. Die meisten elektronischen Schaltkreise benötigen eine Gleichstromversorgung.

In welchen Einheiten wird elektrischer Strom gemessen (Strom-Einheiten)?

Die SI-Einheit für Strom ist Ampere oder Amp. Dies wird durch A dargestellt. Ampere, oder Amp, ist die grundlegende SI-Einheit des elektrischen Stromes. Die Einheit Ampere ist nach dem großen Physiker André-Marie Ampère benannt.

Im SI-System entspricht 1 Ampere dem Fluss von elektrischer Ladung zwischen zwei Punkten mit einer Rate von einem Coulomb pro Sekunde. Somit,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Daher wird die Stromstärke auch in Coulomb pro Sekunde oder C/S gemessen.

Formel für elektrischen Strom

Die grundlegenden Formeln für den Strom sind:

Das Verhältnis zwischen Strom, Spannung und Widerstand (Ohmsches Gesetz)
Das Verhältnis zwischen Strom, Leistung und Spannung
Das Verhältnis zwischen Strom, Leistung und Widerstand

Diese Beziehungen werden im folgenden Bild zusammengefasst.

Stromformel 1 (Ohmsches Gesetz)

Gemäß dem Ohmschen Gesetz,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

Somit,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

Beispiel

Wie im folgenden Schaltkreis gezeigt, wird eine Spannungsquelle von $24\,\,V$ auf den Widerstand von $12\,\,\Omega$ angewendet. Bestimmen Sie den Strom, der durch den Widerstand fließt.

Lösung:

Gegebene Daten: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Gemäß dem Ohmschen Gesetz,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Durch die Verwendung der Gleichung erhalten wir, dass der durch den Widerstand fließende Strom $2\,\,A$ beträgt.

Stromformel 2 (Leistung und Spannung)

Die übertragene Leistung ist das Produkt aus Versorgungsspannung und elektrischem Strom.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

Daraus ergibt sich, dass der Strom gleich der Leistung geteilt durch die Spannung ist. Mathematisch,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

Wobei $A$ für Ampere oder Amps (die Einheiten für elektrischen Strom) steht.

Beispiel

Wie im folgenden Schaltkreis gezeigt, wird eine Versorgungsspannung von $24\,\,V$ an eine $48\,\,W$ Leuchte angelegt. Bestimmen Sie den Strom, der von der $48\,\,W$ Leuchte aufgenommen wird.Lösung:

Gegebene Daten: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Gemäß der Formel,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Daher erhalten wir mit der obigen Gleichung, dass der Strom, der von der $48\,\,W$ Leuchte aufgenommen wird, gleich $2\,\,A$ ist.

Stromformel 3 (Leistung und Widerstand, ohmsche Verluste, Widerstandsverluste)

Wir wissen, dass $P = V * I$

Setzen wir nun das Ohmsche Gesetz $V = I * R$ in die obige Gleichung ein, erhalten wir,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

Daher ist der Strom die Quadratwurzel aus dem Verhältnis von Leistung und Widerstand. Mathematisch lautet die Formel dafür:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

Beispiel

Wie im folgenden Schaltbild gezeigt, bestimmen Sie den Strom, der von einer $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ Lampe aufgenommen wird

Lösung:

Gegebene Daten: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Gemäß dem oben gezeigten Zusammenhang zwischen Strom, Leistung und Widerstand:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

Daher erhalten wir mit der Gleichung den Strom, der von einer $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ Lampe genommen wird, und dieser beträgt $2.24\,\,A$ .

Dimensionen des Stroms

Die Dimensionen des Stroms in Bezug auf Masse (M), Länge (L), Zeit (T) und Ampere (A) werden durch $M^0L^0T^-^1Q$ gegeben.

Der Strom (I) ist eine Darstellung des Coulombs pro Sekunde. Daher,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

Stromrichtung vs Elektronenfluss

Es gibt eine leichte Verwirrung über die Stromrichtung und den Elektronenfluss. Versuchen wir, den Unterschied zwischen den beiden zu verstehen.

Die Teilchen, die elektrische Ladungen durch Leiter tragen, sind mobile oder freie Elektronen. Die Richtung eines elektrischen Feldes in einem Schaltkreis ist per Definition das Gesetz, dass positive Testladungen gedrückt werden. Daher fließen diese negativen Ladungsteilchen, also Elektronen, in die entgegengesetzte Richtung zum elektrischen Feld.

Laut der Elektronentheorie fließen geladene Teilchen durch den Schaltkreis, wenn eine Spannung oder ein Potentialunterschied an dem Leiter angelegt wird, was einen elektrischen Strom bildet.

Diese geladenen Teilchen fließen vom höheren Potential zum niedrigeren Potential, also vom positiven Terminal zur negativen Batteriepole durch den externen Schaltkreis.

Aber in einem metallischen Leiter sind die positiv geladenen Teilchen fest positioniert, während die negativ geladenen Teilchen, also Elektronen, frei beweglich sind. In Halbleitern kann der Fluss der geladenen Teilchen positiv oder negativ sein.

Ein Fluss von positiven Ladungsträgern und negativen Ladungsträgern in entgegengesetzter Richtung hat die gleiche Wirkung im elektrischen Schaltkreis. Da der Stromfluss aufgrund von positiven oder negativen Ladungen oder beidem erfolgt, ist eine Konvention für die Stromrichtung erforderlich, die unabhängig von den Arten der Ladungsträger ist.

Die Richtung des konventionellen Stroms wird als die Richtung definiert, in der positive Ladungsträger fließen, also vom höheren Potential zum niedrigeren Potential. Daher fließen negative Ladungsträger, also Elektronen, in die entgegengesetzte Richtung des konventionellen Stromflusses, also vom niedrigeren Potential zum höheren Potential. Daher gehen der konventionelle Strom und der Elektronenfluss in entgegengesetzte Richtungen, wie in der unten stehenden Abbildung gezeigt.

Richtung des konventionellen Stroms und des Elektronenflusses

Konventioneller Strom: Der Fluss von positiven Ladungsträgern vom positiven zum negativen Pol der Batterie wird als konventioneller Strom bezeichnet.
Elektronenstrom: Der Fluss von Elektronen wird als Elektronenstrom bezeichnet. Der Fluss von negativen Ladungsträgern – also Elektronen – vom negativen zum positiven Pol der Batterie wird als Elektronenstrom bezeichnet. Der Elektronenstrom ist dem konventionellen Stromfluss entgegengesetzt.

Die Richtung des konventionellen Stroms und des Elektronenstroms ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

Konventioneller Stromfluss und Elektronenstrom

Konvektionsstrom vs. Leitungsstrom

Konvektionsstrom

Ein Konvektionsstrom bezieht sich auf den Stromfluss durch ein isolierendes Medium wie Flüssigkeiten, Gase oder Vakuum.

Ein Konvektionsstrom erfordert keine Leiter, um zu fließen; daher erfüllt er nicht das Ohmsche Gesetz. Ein Beispiel für einen Konvektionsstrom ist eine Vakuumpumpe, in der Elektronen, die von der Kathode emittiert werden, im Vakuum zur Anode fließen.

Leitungsstrom

Der Strom, der durch jeden Leiter fließt, wird als Leitungsstrom bezeichnet. Der Leitungsstrom erfordert einen Leiter, um zu fließen; daher erfüllt er das Ohmsche Gesetz.

Verschiebungsstrom

Betrachten wir einen Widerstand und einen Kondensator, die parallel mit einer Spannungsquelle V verbunden sind, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Die Art des Stromflusses durch den Kondensator unterscheidet sich von dem durch den Widerstand.

Die Spannung oder Potentialdifferenz über dem Widerstand erzeugt einen kontinuierlichen Stromfluss, der durch die Gleichung gegeben ist,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

Diese Stromstärke wird als „Leitstrom“ bezeichnet.

Der Strom fließt durch den Kondensator nur, wenn sich die Spannung am Kondensator ändert, was durch die Gleichung gegeben ist,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

Dieser Strom wird als „Verschiebungsstrom“ bezeichnet.

Physisch gesehen ist der Verschiebungsstrom kein Strom, da es keinen Fluss einer physikalischen Größe wie einem Ladungsfluss gibt.

Wie man einen Strom misst

In elektrischen und elektronischen Schaltkreisen ist die Messung des Stroms ein wesentlicher Parameter, der gemessen werden muss.

Ein Instrument, das den elektrischen Strom messen kann, wird Ammeter genannt. Um den Strom zu messen, muss das Ammeter in Serie mit dem Schaltkreis verbunden sein, dessen Strom gemessen werden soll.

Die Messung des Stroms durch den Widerstand mit einem Ammeter ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der elektrische Strom kann auch mit einem Galvanometer gemessen werden. Das Galvanometer gibt sowohl die Richtung als auch die Stärke des elektrischen Stroms an.

Der Strom kann gemessen werden, indem das damit verbundene Magnetfeld ohne Unterbrechung des Schaltkreises detektiert wird. Es gibt verschiedene Instrumente, die verwendet werden, um den Strom ohne Unterbrechung des Schaltkreises zu messen.

Hall-Effekt-Stromsensor-Transformatoren
Stromtransformator (CT) (misst nur Wechselstrom)
Klemmzangenmessgeräte
Shunt-Widerstände
Magnetoresistive Feldsensoren

Häufig gestellte Fragen zum elektrischen Strom

Lassen Sie uns einige häufig gestellte Fragen zum elektrischen Strom untersuchen.

Was verwendet einen Elektromagneten, um den elektrischen Strom zu messen?

Ein Galvanometer ist ein Messgerät, das einen Elektromagneten verwendet, um den elektrischen Strom zu messen.

Ein Galvanometer ist ein absolutes Messgerät; es misst den elektrischen Strom in Abhängigkeit vom Tangens des Ablenkungswinkels.

Ein Galvanometer kann den elektrischen Strom direkt messen, aber dies erfordert das Unterbrechen des Schaltkreises; daher ist dies manchmal unpraktisch.

Wie erzeugt ein elektrischer Strom eine magnetische Kraft?

Ein Stromtragender Leiter, der in einem Magnetfeld platziert wird, erfährt eine Kraft, da der Strom nichts anderes als der Fluss von Ladungen ist.

Betrachten wir einen stromführenden Leiter, durch den Strom fließt, wie in der folgenden Abbildung (a) gezeigt. Gemäß der Flemingschen Rechten Regel erzeugt dieser Strom ein Magnetfeld in Uhrzeigerrichtung.

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Durch einen elektrischen Strom erzeugte magnetische Kraft

Das Ergebnis des Magnetfeldes des Leiters besteht darin, dass es das Magnetfeld über dem Leiter verstärkt und unter ihm schwächt.

Die Feldlinien verhalten sich wie gespannte Gummibänder; daher drücken sie den Leiter nach unten, d.h., die Kraft wirkt nach unten, wie in Abbildung (b) gezeigt.

Dieses Beispiel besagt, dass ein stromführender Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft erfährt. Die folgende Gleichung bestimmt die Stärke der magnetischen Kraft auf einen stromführenden Leiter.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

Um einen elektrischen Strom fließen zu lassen, sind folgende Bedingungen notwendig

Um einen elektrischen Strom fließen zu lassen, sind folgende Bedingungen notwendig:

Eine Spannungsdifferenz, die zwischen den beiden Punkten besteht. Wenn die beiden Punkte im Schaltkreis das gleiche Potential haben, kann kein Strom fließen.
Eine Spannungsquelle oder Stromquelle, wie eine Batterie oder Zelle, die die freien Elektronen, die einen elektrischen Strom bilden, antreibt.
Einen Leiter oder Draht, der elektrische Ladungen überträgt.
Der Schaltkreis muss geschlossen oder vollständig sein. Wenn Schaltkreise offen sind, kann kein Strom fließen.

Diese sind die Bedingungen, die notwendig sind, um einen elektrischen Strom fließen zu lassen. Das Bild unten zeigt einen Strom, der in einem geschlossenen Schaltkreis fließt.

Welches ist der Hauptunterschied zwischen elektrischem Strom und statischer Elektrizität

Der Hauptunterschied zwischen elektrischem Strom und statischer Elektrizität liegt darin, dass die Elektronen oder Ladungen durch den Leiter im elektrischen Strom fließen.

Während bei statischer Elektrizität die Ladungen ruhen und sich auf der Oberfläche des Stoffes ansammeln.

Der elektrische Strom entsteht durch den Fluss von Elektronen, während statische Elektrizität durch negative Ladungen von einem Objekt zum anderen entsteht.

Der elektrische Strom erzeugt sich nur in Leitern, während statische Elektrizität sowohl in Leitern als auch in Isolatoren entstehen kann.

Wie beeinflusst ein elektrischer Strom ein Magnetpol?

Wir wissen, dass, wenn elektrischer Strom fließt, also elektrische Ladungen in Bewegung sind, ein Magnetfeld erzeugt wird. Wenn wir ein Magnet in einem Magnetfeld platzieren, erfährt es eine Kraft.

Für elektrische Ladungen, d.h. elektrischen Strom, ziehen sich gleichartige magnetische Pole an und entgegengesetzte magnetische Pole stoßen sich ab. Wir können also sagen, dass der elektrische Strom die magnetischen Pole über das Magnetfeld beeinflusst.

Welches Instrument wird verwendet, um den elektrischen Strom zu messen

Ein Instrument, das den elektrischen Strom messen kann, heißt Amperemeter. Das Amperemeter muss in Serie mit dem Stromkreis verbunden werden, dessen Strom gemessen werden soll.

Es gibt auch verschiedene andere Instrumente, die zum Messen des elektrischen Stroms verwendet werden.

Hall-Effekt-Stromsensorwandler
Stromwandler (CT) (nur für Wechselstrom)
Klemmzangenmessgeräte
Shunt-Widerstände
Magnetoresistive Feldsensoren

Quelle: Electrical4u

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