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strom [2006/11/23 23:35] (aktuell) |
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+ | ====== Strom ====== | ||
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+ | Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, | ||
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+ | Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz „Strom“ genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, | ||
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+ | Die großtechnische Bereitstellung von elektrischer Energie erfolgt im Kraftwerk, seine Verteilung zu den Verbrauchern im Stromnetz. Die ausreichende Versorgung mit elektrischer Energie ist eine Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Funktionieren einer modernen Volkswirtschaft. | ||
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+ | * Formelzeichen Stromstärke: | ||
+ | * Einheit Stromstärke: | ||
+ | * Einheitenzeichen: | ||
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+ | ===== Historischer Rückblick ===== | ||
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+ | Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mittes des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 erkannte Werner von Siemens das elektrodynamische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, | ||
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+ | In den Jahren vor der Jahrhundertwende entschied sich auch die Systemfrage zum Thema Gleichstrom oder Wechselstrom. Letztlich war die Transformierbarkeit des Wechselstromes ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung, | ||
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+ | Technische Stromarten: Gleichstrom, | ||
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+ | ===== Technische Stromarten: ===== | ||
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+ | * Gleichstrom (engl. DC = Direct Current) | ||
+ | * Wechselstrom (engl. AC = Alternating Current) | ||
+ | * Mischstrom / Periodischer Strom. | ||
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+ | ==== Gleichstrom ==== | ||
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+ | Im einfachsten Fall fließt ein zeitlich konstanter Strom. Einen solchen Strom nennt man Gleichstrom (engl. direct current). | ||
+ | techn. und phys. Stromrichtung | ||
+ | vergrößern | ||
+ | techn. und phys. Stromrichtung | ||
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+ | Zu beachten ist die Technische Stromrichtung: | ||
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+ | Physikalische Stromrichtung: | ||
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+ | In elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten sind gegebenenfalls positive und negative Ladungsträger oder reduzierbare und oxidierbare Stoffe vorhanden, die sich zu den jeweiligen Polen hinbewegen. An den Polen werden sie reduziert bzw. oxidiert, nehmen also an einem Pol Elektronen auf und geben Elektronen an dem anderen Pol ab und überbrücken dadurch die Übertragung von Elektronen im Stromkreis. | ||
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+ | In einem Experiment mit einer wässrigen Lösung zur Feststellung der Stromrichtung wurde die physikalisch falsche, technische Stromrichtung ermittelt, da nur die positiven Ladungsträger sichtbar waren, die sich allerdings auf den Minus-Pol zubewegen. | ||
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+ | Ein anderer Fall tritt bei p-dotierten Halbleitern auf: Hier verhalten sich fehlende Elektronen (so genannte Löcher oder Defektelektronen) wie positive Ladungsträger mit Masse. Da in der Löcherleitung die Elektronen die Löcher füllen wandern tatsächlich die Elektronen und hinterlassen an ihrem vorherigen Ort ein Loch. Daher wandern die Löcher in die entgegengesetzte Richtung der Elektronen. | ||
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+ | Als Gleichspannungsquelle kommen galvanische Zellen (Batterien), | ||
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+ | Fällt bei gleich bleibender Stromrichtung die Spannung (und damit, sofern ein Verbraucher angeschlossen ist, die Stromstärke) periodisch stark ab, so spricht man von einer pulsierenden Gleichspannung. Gleichrichter liefern beim Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung meist pulsierende Gleichspannung, | ||
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+ | ==== Wechselstrom ==== | ||
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+ | Neben dem Gleichstrom gibt es auch noch den Wechselstrom (engl. alternating current). Wechselstrom zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromrichtung periodisch wechselt. Die Frequenz (oft auch als Netzfrequenz bezeichnet) des Stromes gibt an, wie oft pro Sekunde der Strom in die selbe Richtung fließt, dementsprechend hat der europäische Haushaltsstrom bei 230 Volt [[Nennspannung]] (eine Phase gegen Nullleiter, eine Phase gegen eine andere Phase 400V) eine Frequenz von 50 Hz. In den USA sind das bei 117 Volt Nennspannung dagegen 60 Hz. Ein Wechselstrom wechselt seine Richtung in jeder Periode zweimal. In Summe über eine Periode gleicht sich der Wechselstrom üblicherweise aus. | ||
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+ | Um trotzdem Aussagen über die Stromstärke treffen zu können, wird eine effektive Stromstärke für Wechselströme definiert; diese Größe gibt einen Gleichstrom an, mit dem ein dem Betrag nach gleich großer Ladungstransport wie mit dem Wechselstrom erfolgen würde. Für einen sinusförmigen Wechselstrom ergibt sich die effektive Stromstärke als Wurzel des mittleren Quadrates der Stromamplitude. | ||
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+ | I=\frac{\hat I} {\sqrt 2} | ||
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+ | Für Dreieckstrom: | ||
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+ | I=\frac{\hat I} {\sqrt 3} | ||
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+ | Für Rechteckstrom fällt die Wurzel ganz weg: | ||
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+ | I={\hat I} | ||
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+ | Ist ein Gleichstrom einem Wechselstrom überlagert, | ||
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+ | ==== Dreiphasenwechselstrom ==== | ||
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+ | Zur Energieübertragung wird heutzutage meistens Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom) verwendet. Beim Dreiphasenwechselstrom fließt der Strom in drei Leitern, die Ströme sind jeweils zueinander um eine drittel Periode phasenverschoben, | ||
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+ | In einem Haushalt wird üblicherweise (Ausnahme Drehstromsteckdosen) nur eine Phase und der Nullleiter (Neutralleiter) verwendet. Daher gleichen sich die Ströme auf den 3 Phasen üblicherweise nicht aus. | ||
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+ | Ein Drehstromnetz ist eine elegante Möglichkeit der Wechselspannungsübertragung: | ||
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+ | Eine andere Möglichkeit ist das Anschließen eines 400-V-Wechselstrom-Verbrauchers an zwei Außenleitern, | ||
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+ | Gleichstrom und Wechselstrom dürfen nicht mit Gleichspannung bzw. Wechselspannung verwechselt werden. Allerdings führt im geschlossenen linearen Stromkreis eine Gleichspannung zu Gleichstrom und eine Wechselspannung zu Wechselstrom. | ||
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+ | ===== Physikalischer Mechanismus: | ||
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+ | Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; | ||
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+ | In einem solchen Stromkreis bestimmen die aufgebaute Spannung, abgekürzt U, und die Größe des elektrischen Widerstandes, | ||
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+ | I=\frac{U}{R} \qquad [I]=\frac{{\rm V}}{\Omega}={\rm A} | ||
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+ | ===== Technische Nutzung des elektrischen Stroms ===== | ||
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+ | Elektrischer Strom ist eines der Verfahren des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, | ||
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+ | Elektrische Energie wird zumeist zentral in Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetz an die Haushalte verteilt. Aus ökologischen Gründen wird aber auch zunehmend dezentrale elektrische Energiewandlung, | ||
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+ | Der umgangssprachliche Ausdruck "Strom verbrauchen" | ||
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+ | Neben der Energieversorgung spielt der elektrische Strom auch für die technische Kommunikation eine wesentliche Rolle. So basiert das Telefonnetz zumindest am Teilnehmeranschluss bis heute auf elektrischer Signalübertragung. Dies gilt auch für moderne Datenübertragungstechniken wie DSL. Allerdings wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr auf Glasfaser umgestellt. Ebenfalls auf elektrischen Signalen basiert das Kabelfernsehen. | ||
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+ | Die Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen basiert zwar nicht direkt auf elektrischem Strom, aber das Aussenden und Empfangen der Wellen ist prinzipiell nur über elektrische Anlagen möglich. | ||
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+ | ===== Energieverbrauch Privathaushalte ===== | ||
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+ | Deutschland 2002: 135,7 Terawattstunden | ||
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+ | Der Energieverbrauch aus den Netzen der allgemeinen Versorgung blieb im ersten Quartal 2004 mit 130 Milliarden Kilowattstunden konstant. Somit nutzt die Wirtschaft ca. 3/4 der erzeugten Energie und die privaten Haushalte 1/4. | ||
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+ | **Energieverbrauch nach Haushaltsgeräten in Prozent** | ||
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+ | * Haushaltsgeräte Kühlen 30 % | ||
+ | * Haushaltsgeräte Kochen, Bügeln, Wäschetrocknen 18 % | ||
+ | * Heizung 17 % | ||
+ | * Klimaanlagen 17 % | ||
+ | * PC, TV, Audio, Telefon 10 % | ||
+ | * Licht 8 % | ||
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+ | **Energieverbrauch pro Nutzungseinheit** | ||
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+ | * Wäschetrockner ca. 2 kWh pro Trocknung | ||
+ | * Geschirrspülmaschine ca. 1 kWh pro Füllung | ||
+ | * Kühlschrank alt: 65 Watt = 1,56 kWh pro Tag; 569,4 kWh pro Jahr | ||
+ | * Kühlschrank neu: 20 Watt = 0,48 kWh pro Tag; 175,2 kWh pro Jahr | ||
+ | * Geräte im "Stand by" alt: 10 Watt = 0,24 kWh pro Tag; 87,6 kWh pro Jahr | ||
+ | * Geräte im "Stand by" modern: 2 Watt = 0,048 kWh pro Tag; 17,52 kWh pro Jahr; | ||
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+ | (Anm.: Geschätzte Angaben, sollten noch präzisiert werden) | ||
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+ | Manche örtlichen Stromversorgungsunternehmen verleihen Energieverbrauchsmessgeräte, | ||
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+ | ===== Stromstärketabelle ===== | ||
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+ | * Stromstärke I beim Zusammenziehen von Muskeln: 0,015 A = 15 mA | ||
+ | * Loslassgrenze (ab dieser Stromstärke ist der Mensch nicht mehr in der Lage, den Leiter loszulassen, | ||
+ | * Schmerzen und Verkrampfen der Atmung: ca. 0,02 A = 20 mA | ||
+ | * Tödlicher Stromstoß für Menschen: ca. 0,05 A = 50 mA (Diese Stromstärke wird aufgrund des Innenwiderstandes des menschlichen Körpers (ca. 1000 Ohm) erst ab bestimmten Spannungen erreicht, so dass gewöhnliche Batterien sowie elektrische Spannungen bis etwa 12 V in der Regel harmlos sind.) | ||
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+ | **Die Einwirkungsdauer des Stromflusses ist entscheidend für die physiologischen Auswirkungen.** | ||
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+ | * Strom bei einer Taschenlampe: | ||
+ | * Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA | ||
+ | * Strom einer Zimmerbeleuchtung: | ||
+ | * Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: | ||
+ | * Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A bis 1.000.000 A | ||
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+ | ===== Physikalische Zusammenhänge ===== | ||
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+ | * Die Stromstärke I' (in Ampere) ist: | ||
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+ | I = \frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t} | ||
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+ | Ladung Q (in Coulomb) | ||
+ | Zeit t (in Sekunden) | ||
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+ | I = \frac{U}{R} = \frac{P}{U} = \sqrt{\frac{P}{R}} | ||
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+ | [[Spannung]] U (in Volt), [[Widerstand]] R (in Ohm), Elektrische Leistung P (in Watt) | ||
+ | Der erste Teil dieser Gleichung stellt das [[ohmsche Gesetz]] dar. |