Physik für Geisteswissenschaftler – Was ist Strom?

Physiker würden auf die Frage „Was ist Elektrizität?“ mit mathematischen Formeln antworten, die wesentlich mehr griechische Buchstaben als arabische Zahlen enthalten. pflichtlektuere.com bemüht sich um eine einfachere Beantwortung.

Ein konstanter Strom fließt nur, wenn verschiedene Vorgaben erfüllt sind. Grafik: Lukas Schürmann.

Machen wir ein Gedankenexperiment. Wasser wird in einem kreisförmigen Kanal ohne Zu- oder Abfluss von einer Pumpe angetrieben, sodass es im Kreis fließt. An der der Pumpe gegenüberliegenden Seite des Kanals befindet sich eine Mühle, die durch das vorbeifließende Wasser angetrieben wird.
Man mag sich fragen: Ist das nicht unsinnig? Man könnte die Mühle doch direkt mit Strom antreiben. Und: Was hat das mit Elektrizität zu tun? Die Antwort: Egal, ob man die Mühle mit Wasser oder mit Strom antreibt: Die Abläufe, die dahinter stecken, sind die gleichen.

1) Das geschlossene System

Das Wasser, das in unserem Beispiel im Kreis fließt, besteht aus vielen Millionen Wassermolekülen. Genauso besteht elektrischer Strom aus vielen Ladungsträgern, die durch elektrisch leitfähiges Material fließen. Im Alltag bestehen fast alle Leiter (Kabel, Steckdosen) aus Metall, das von negativ geladenen Elektronen durchflossen wird.
Dabei ist ein konstanter Fluss genau wie im Kanal nur möglich nur möglich, wenn das kreisförmige System geschlossen ist. Nur, wenn kein Wasser aus dem System herausfließt, kann die Pumpe dauerhaft die Wassermühle antreiben.
Eine weitere Tatsache: Die Zahl der Elektronen, die etwa von einer Batterie in ein Kabel übertreten, ist genauso groß wie die Zahl der Elektronen, die am anderen Pol aus dem Kabel zurück in die Batterie gelangen – alles natürlich nur unter der Annahme, dass der Stromkreis geschlossen ist.
Batterien oder Kraftwerke erzeugen zudem keine Elektronen, sondern setzen sie nur in Bewegung. Dies ist auch im Fall einer Wasserpumpe so.

In unserem Beispiel entspricht die Geschwindigkeit des Wassers der Spannung eines Stromkreises. Foto: Siegfried Baier / pixelio.de

2) Die elektrische Spannung
Das Phänomen, das Elektronen aus Batterien heraus, durch Kabel hindurch und zurück zur Batterie wandern lässt, nennt man elektrische Spannung. In unserem Gedankenexperiment entspricht die Spannung der von der Pumpe ausgehenden Kraft bzw. der daraus resultierenden Geschwindigkeit des Wassers. Die Einheit der Ladung ist das nach dem italienischen Elektrotechniker Alessandro Volta benannte Volt. Sie wird berechnet, indem die Energie, die zur Verschiebung eines Ladungsträgers nötig ist, durch ebenjenen Ladungsträger geteilt wird.

3) Die Stromstärke
Die elektrische Stromstärke ist eine Kenngröße dafür, wie viele Ladungen (in Metallkabeln Elektronen) in einer bestimmten Zeit einen Abschnitt des Leiters passieren. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere – zu Ehren des französischen Mathematikers André-Marie Ampère. In unserem Experiment entspricht die Stromstärke also der Menge des Wassers, die in einer bestimmten Zeit die Mühle passiert.

4) Der Widerstand
In einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter stoßen die Ladungsträger häufig mit den Atomen des Leiters zusammen. Dabei geht Energie verloren, der Leiter wird warm. Physiker sagen: Er setzt dem Stromfluss einen Widerstand entgegen. Wie groß der Widerstand eines Leiters ist, wird in Ohm angegeben, einer physikalischen Größe, deren Name auf den deutschen Physiker Georg Simon Ohm zurückgeht.
Eine einfache Veränderung des Gedankenexperiments erklärt übrigens auch den Widerstand: An bestimmten Stellen im Kanal befinden sich Hindernisse wie Wehre oder Stromschnellen, an denen sich das Wasser staut. Dort muss mehr Kraft (Spannung) wirken, um die durchgeschleuste Menge an Wasser (Stromstärke) konstant zu halten.