Was ist Strom?

Strom ist ein grundlegender physikalischer Begriff und bezeichnet ganz allgemein das Fließen von Teilchen. In der Elektrotechnik ist damit in der Regel der elektrische Strom gemeint, also die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern, meist Elektronen, durch ein leitfähiges Material.

Die Definition von Strom in der Physik lautet: Elektrischer Strom ist die Bewegung elektrischer Ladungen pro Zeiteinheit durch einen Leiter. Als Formel ausgedrückt:

I = Q / t

Dabei steht:

• I für die Stromstärke in Ampere (A),
• Q für die transportierte elektrische Ladung in Coulomb (C),
• t für die Zeit in Sekunden (s).

Die Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung in einer bestimmten Zeit durch einen Querschnitt eines Leiters fließt.

Um die Stromdefinition vollständig zu verstehen, sind drei zentrale Größen entscheidend:

• Elektrische Ladung (Q): Die fundamentale physikalische Größe, die beschreibt, wie viel Elektrizität ein Teilchen trägt. Träger können Elektronen (negativ geladen) oder Ionen (positiv oder negativ geladen) sein.
• Spannung (U): Gibt den Energieunterschied pro Ladungseinheit zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld an. Sie ist die treibende Kraft, die die Ladungsträger zum Fließen bringt. Einheit: Volt (V).
• Stromstärke (I): (vom französischen Ausdruck „intensité du courant“) Beschreibt, wie viel elektrische Ladung pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließt. Einheit: Ampere (A).

Unter elektrischem Strom versteht man konkret den Ladungstransport innerhalb eines elektrischen Leiters. Dies geschieht, sobald ein Spannungsunterschied zwischen zwei Punkten besteht und der Stromkreis geschlossen ist. Die Elektronen wandern dabei vom Minuspol (Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmangel).

Damit elektrischer Strom überhaupt fließen kann, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein:

• Spannung: Eine Spannungsquelle wie eine Batterie oder ein Generator ist notwendig, um die Bewegung der Ladungsträger zu initiieren.
• Geschlossener Stromkreis: Der Strom kann nur fließen, wenn der elektrische Kreis nicht unterbrochen ist.
• Leitfähiges Material: Elektronen benötigen ein Medium, in dem sie sich bewegen können. Metalle wie Kupfer oder Aluminium eignen sich besonders gut.

• In Metallen erfolgt der Stromfluss durch freie Elektronen.
• In Flüssigkeiten (Elektrolyten) und Gasen (Plasmen) tragen Ionen den Strom.
• In Halbleitern (z. B. Silizium) ist der Stromfluss komplexer und erfolgt über Elektronen und sogenannte Löcher.

Damit Strom fließen kann, müssen bestimmte physikalische Voraussetzungen erfüllt sein. Der Stromfluss ist kein eigenständiger physikalischer Zustand, sondern ein Ergebnis der Wechselwirkung zwischen elektrischer Spannung, Ladungsträgern und einem geschlossenen Stromkreis.

In elektrischen Leitern, meist Metallen, stehen Elektronen zur Verfügung, die sich relativ frei bewegen können. Wird eine elektrische Spannung an den Leiter angelegt, entsteht ein elektrisches Feld, das auf die Elektronen eine gerichtete Kraft ausübt. Die Elektronen beginnen, sich in eine bevorzugte Richtung zu bewegen: vom Minuspol zum Pluspol.

Aus technischer Sicht wird die Stromrichtung jedoch traditionell vom Pluspol zum Minuspol definiert. Diese sogenannte konventionelle Stromrichtung hat sich historisch durchgesetzt und wird bis heute in Schaltplänen und Formeln verwendet.

Ein einfaches Beispiel für einen Stromfluss ist der Stromkreis mit einer Batterie und einer Glühlampe:

1. Die Batterie erzeugt eine elektrische Spannung.
2. Die Leitung verbindet Pluspol und Minuspol über die Glühlampe.
3. Der Stromkreis ist geschlossen. Elektronen fließen durch den Draht zur Lampe, geben dort Energie ab (Licht und Wärme) und kehren zur Batterie zurück.

Metalle bestehen aus einem regelmäßig angeordneten Kristallgitter aus positiv geladenen Atomrümpfen und einem sogenannten Elektronengas. Dieses Elektronengas setzt sich aus den Valenzelektronen zusammen, die von den Metallatomen nur schwach gebunden sind und sich daher frei im Gitter bewegen können. Diese Elektronen sind die Ladungsträger, die den elektrischen Strom transportieren.

In einem metallischen Leiter ohne angelegte Spannung bewegen sich die freien Elektronen ungeordnet. Sie stoßen zufällig mit den Atomrümpfen und untereinander zusammen. Es gibt dabei keinen Transport von Ladung in eine bestimmte Richtung.

Wird eine elektrische Spannung angelegt, entsteht zwischen den beiden Enden des Leiters ein elektrisches Feld. Dieses Feld übt eine Kraft auf die Elektronen aus und verursacht eine gerichtete Driftbewegung: Die Elektronen bewegen sich im Mittel entgegen der Feldrichtung, also vom Minuspol zum Pluspol. Dabei überlagert sich diese langsame Drift mit ihrer schnellen thermischen Zufallsbewegung.

Die resultierende gerichtete Bewegung vieler Elektronen führt dazu, dass elektrische Energie transportiert wird – das ist der elektrische Strom.

Trotz der relativ langsamen Driftgeschwindigkeit der Elektronen (typisch wenige Millimeter pro Sekunde) breitet sich die Wirkung des Stromflusses, also z. B. das Aufleuchten einer Lampe, nahezu mit Lichtgeschwindigkeit im Leiter aus, da das elektrische Feld sofort auf alle Elektronen im Leiter wirkt.

Elektrischer Strom entsteht, wenn elektrische Ladungsträger in Bewegung gesetzt werden. Die Grundlage dafür ist das elektrische Feld, das durch eine Spannungsquelle erzeugt wird. Je nach Art der Stromquelle und des Materials, in dem der Strom fließt, unterscheidet sich jedoch die Art und Weise, wie der Strom entsteht.

In leitenden Materialien, z. B. Metallen, stehen freie Elektronen zur Verfügung, die bei Anlegen einer Spannung in Bewegung geraten. Die Spannungsquelle erzeugt ein elektrisches Feld, das auf diese Elektronen wirkt. Dadurch entsteht ein gerichteter Ladungstransport: Elektronen bewegen sich durch den Leiter, elektrischer Strom fließt.

Die Stromentstehung lässt sich in drei Schritten beschreiben:

1. Erzeugung eines Potenzialunterschieds (Spannung) – etwa durch chemische Reaktionen in einer Batterie oder mechanische Bewegung in einem Generator.
2. Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen zwei Punkten.
3. Bewegung von Ladungsträgern durch das Feld, sofern der Stromkreis geschlossen ist.

Die Entstehung elektrischen Stroms ist abhängig von der Art der Energieumwandlung. Es gibt verschiedene Verfahren zur Stromerzeugung:

• Mechanisch: In Generatoren wird mechanische Energie (z. B. durch Turbinen in Kraftwerken) in elektrische Energie umgewandelt. Dabei rotieren Magnetfelder relativ zu Spulen und induzieren eine Spannung gemäß dem Induktionsgesetz.
• Chemisch: In Batterien oder Akkumulatoren entstehen Spannungen durch elektrochemische Reaktionen, die Elektronenüberschüsse bzw. -defizite erzeugen und so den Stromfluss ermöglichen.
• Photovoltaisch: In Solarzellen lösen Photonen Elektronen aus Halbleiterschichten. Diese erzeugen durch das eingebaute elektrische Feld eine gerichtete Bewegung der Elektronen.
• Thermisch: In Thermoelementen wird durch Temperaturdifferenzen eine Spannung erzeugt (Seebeck-Effekt), die einen Stromfluss bewirken kann.
• Piezoelektrisch: Bestimmte Kristalle erzeugen unter mechanischer Verformung eine Spannung, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Die Erzeugung elektrischen Stroms beruht stets auf der Umwandlung einer anderen Energieform, z. B. mechanischer, chemischer oder solarer Energie, in elektrische Energie. Der physikalische Kernprozess ist dabei meist die Induktion, also das Erzeugen einer elektrischen Spannung durch Bewegung in einem Magnetfeld. In anderen Fällen (z. B. Batterie oder Solarzelle) stammen die freien Elektronen direkt aus chemischen oder quantenphysikalischen Prozessen.

Das in Kraftwerken am weitesten verbreitete Prinzip ist die elektromagnetische Induktion. Hierbei wird eine Spule aus leitfähigem Material (z. B. Kupferdraht) in einem Magnetfeld bewegt, oder das Magnetfeld rotiert um die Spule. Diese Bewegung verändert das Magnetfeld im Inneren der Spule, was laut Faradayschem Induktionsgesetz eine elektrische Spannung erzeugt. Die resultierende Spannung treibt einen Stromfluss im angeschlossenen Stromkreis an.

Typische Anwendungen:

• Thermische Kraftwerke (Kohle, Gas, Öl): Erhitzen Wasser, erzeugen Dampf, treiben Turbinen an.
• Wasserkraftwerke: Nutzen die kinetische Energie von Wasser zur Turbinenbewegung.
• Windkraftanlagen: Wandeln Windenergie über Rotoren in Rotationsbewegung und Strom um

In elektrochemischen Stromquellen entstehen Spannungen durch Redoxreaktionen. Die unterschiedlichen Potenziale der Elektroden treiben Elektronen vom Minus- zum Pluspol:

• Primärzellen (z. B. Alkali-Mangan-Batterien): Nicht wiederaufladbar, liefern Strom durch einmalige Reaktion.
• Sekundärzellen (Akkumulatoren): Wiederaufladbar, z. B. Lithium-Ionen-Akkus.
• Brennstoffzellen: Wandeln chemische Energie kontinuierlich in Strom um, etwa durch Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

In Solarzellen trifft Sonnenlicht auf Halbleiterschichten. Die Photonen regen Elektronen zum Austritt aus dem Atomverband an. Durch ein eingebautes elektrisches Feld werden die Elektronen in eine Richtung gelenkt, wodurch Strom entsteht.

Diese Art der Stromerzeugung ist direkt, emissionsfrei und besonders gut für dezentrale Energieversorgung geeignet. (Ratgeber Solarstrom)

Neben Solarenergie und Windkraft gibt es weitere Formen der nachhaltigen Stromerzeugung:

Wasserkraft nutzt die potenzielle Energie von Wasser, das aus erhöhter Lage über Turbinen geleitet wird und dabei mechanische in elektrische Energie umwandelt. Zum Einsatz kommen dabei Laufwasserkraftwerke an Flüssen, Speicherkraftwerke mit Staudämmen oder Pumpspeicherkraftwerke zur Netzstabilisierung. Wasserkraftwerke zeichnen sich durch hohe Wirkungsgrade und zuverlässige Grundlastfähigkeit aus, erfordern jedoch umfangreiche Eingriffe in Gewässerökosysteme und sind stark standortabhängig.

Geothermie nutzt die im Erdinneren gespeicherte Wärme, um über tiefe Bohrungen heißes Wasser oder Dampf zu fördern und zur Stromerzeugung in Turbinen einzusetzen. Je nach Technologie, z. B. Trockendampfkraftwerk, Flash-Steam oder binäre Anlage, wird die thermische Energie unterschiedlich genutzt. Geothermische Kraftwerke liefern unabhängig von Wetterbedingungen konstant Strom, erfordern jedoch hohe Investitionen und sind auf geologisch geeignete Regionen beschränkt.

Biomasse wird durch Verbrennung, Vergasung oder Vergärung in Strom umgewandelt. Als Ausgangsstoffe dienen Holz, Bioabfälle, Gülle oder Energiepflanzen. In Biogasanlagen entsteht Methan, das in Blockheizkraftwerken verbrannt wird. Biomasseanlagen gelten als CO₂-neutral, wenn die eingesetzten Stoffe nachwachsen oder Reststoffe sind. Nachteile sind Emissionen bei unvollständiger Verbrennung und die Konkurrenz um landwirtschaftliche Flächen.

Meeresenergie umfasst Technologien wie Gezeitenkraftwerke, die den Höhenunterschied zwischen Ebbe und Flut nutzen, sowie Wellen- und Strömungskraftwerke, die mechanische Energie aus der Bewegung des Wassers gewinnen. Diese Formen bieten großes Potenzial, insbesondere für Küstenregionen, sind aber technisch aufwendig, wartungsintensiv und derzeit nur vereinzelt wirtschaftlich realisiert.

Elektrischer Strom lässt sich nicht direkt speichern, sondern muss in speicherfähige Energieformen umgewandelt werden. Technisch etabliert sind vor allem Batteriespeicher, bei denen elektrische Energie in chemischer Form gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben wird. Moderne Lithium-Ionen-Systeme bieten hohe Energiedichten und sind sowohl im industriellen als auch im privaten Umfeld weit verbreitet. Für großtechnische Anwendungen kommen zusätzlich Redox-Flow-Batterien, Natrium-Schwefel-Speicher oder Hochtemperaturbatterien zum Einsatz. Neben elektrochemischen Speichern werden auch mechanische Verfahren genutzt. Etwa Pumpspeicherkraftwerke, Schwungradspeicher oder Druckluftspeicher. Darüber hinaus ermöglichen Power-to-Gas-Technologien die Umwandlung von Strom in Wasserstoff, der sich über längere Zeiträume speichern und später rückverstromen lässt.

Vereinfacht gesagt ist elektrischer Strom die Bewegung von sehr kleinen Teilchen, sogenannten Elektronen, durch einen Leiter, zum Beispiel durch einen Kupferdraht. Diese Bewegung findet immer dann statt, wenn es eine Stromquelle (z. B. eine Batterie) gibt und der Stromkreis geschlossen ist.

Ein gutes Modell zur Veranschaulichung ist der Vergleich mit einem Wasserkreislauf:

• Die Elektronen sind wie Wassertropfen in einem Rohr.
• Die Batterie oder Steckdose liefert den Druck, ähnlich wie eine Pumpe, die Wasser in Bewegung bringt.
• Der Leiter (z. B. Kupferkabel) ist wie ein Rohr, durch das das Wasser – also die Elektronen – fließt.
• Eine Lampe oder ein Gerät ist wie ein Wasserrad: Es wird von der Bewegung des Stroms angetrieben.

Solange der Kreislauf geschlossen ist und der „Druck“ (also die Spannung) vorhanden ist, kann Strom fließen. Wird der Stromkreis unterbrochen (z. B. durch einen offenen Schalter), stoppt der Fluss. Genauso wie Wasser nicht mehr fließt, wenn das Rohrsystem unterbrochen ist.

Im Alltag zeigt sich Strom überall dort, wo elektrische Geräte funktionieren: Wenn eine Lampe leuchtet, ein Kühlschrank kühlt oder ein Handy geladen wird, fließt Strom. Dabei liefert die Steckdose die notwendige Energie, und die Leitung sorgt dafür, dass der Strom zum Gerät gelangt.

Auch Batterien erzeugen Strom. Sie setzen chemische Energie in elektrische Energie um. Im Inneren der Batterie bewegen sich Elektronen von einem Pol zum anderen, sobald der Stromkreis geschlossen wird, z. B. durch Einschalten einer Taschenlampe.