Wie entsteht elektrischer Strom in einem Leiter

Zuerst geht es einmal um die Frage aller Fragen, was ist denn eigentlich elektrischer Strom?

Um den elektrischen Strom etwas besser zu begreifen, möchte ich dich zuerst über den Aufbau eines Atoms informieren.

Das Atom hat nämlich sehr viel mit dem elektrischen Strom und dem elektrischen Leiter zu tun.

Der Aufbau eines Atoms

Atome sind auch unter dem besten Mikroskop nicht zu sehen, man benutzt daher zur Erklärung ein theoretisches Model.

Ein Atom besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Diese einzelnen Teile werden durch mechanische und elektrische Kräfte zusammengehalten. Dabei ziehen sich Massen und ungleiche Ladungen gegenseitig an.

Das ist der Kern des eines Atoms, der sogenannte Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen.

Die Atomhülle besteht aus vergleichbar viel leichteren, sehr schnell um den Kern umlaufenden Elektronen, die negativ geladen sind.

Man kann sich den Atomkern auch als Sonne vorstellen, um den sich die Erde (Elektron) in einer Umlaufbahn dreht.

Atome gibt es in verschiedenen Arten, diese «Elemente» unterscheiden sich in der Anzahl der im Kern enthaltenen Protonen.

Im Periodensystem ist die Anzahl der Protonen anhand der Ordnungszahl abzulesen.

Zu Erklärung eignet sich das Wasserstoff Atom besonders gut. Wasserstoff ist das einfachste Atom, es hat die Ordnungszahl 1 und besitzt daher auch nur ein einziges Proton.

Die Art eines Elements wird also nur durch die Anzahl der Protonen definiert. Alle Elemente im Periodensystem sind neutral geladen.

Neutrale Ladung bedeutet, dass sich die positiv und negativ geladenen Teile, also Protonen und Neutronen gegenseitig aufheben.

Man kann also immer ein Proton mit einem Neutron «streichen», sind am Ende keine geladenen Teile übrig, ist das Atom neutral geladen.

Warum leitet ein Metall Strom?

In Metallen sind die Atome dicht aneinandergedrückt. Aus diesem Grund ist es möglich, dass Elektronen das Atom verlassen können und zu einem sogenannten freien Elektron werden.

Dies geschieht bei Elektronen, die sich auf der Außenschale eines Atoms bewegen.

Das Elektron bewegt sich so nahe am benachbarten Atomkern, dass es zum eigenen Atomkern gleich weit entfern ist.

Die Anziehungskräfte der Kerne heben sich in diesem Fall auf und das Elektron kann sich von den beiden Atomen entfernen und sich frei im Metall bewegen.

Sobald sich diese freien Elektronen in einem Leiter bewegen, spricht man von elektrischem Strom.

Diese fließen nicht sehr schnell, doch sie drücken sich nacheinander durch den Leiter.

In der Elektroinstallation verwendet man hauptsächlich Kupfer als elektrischer Leiter. Dieses Metall hat sich durch seine diversen positiven Eigenschaften durchgesetzt.

Elektrischer Strom durch Induktion erzeugen

Wie ich schon erwähnt habe, spricht man erst von elektrischem Strom, wenn sich die freien Elektronen, die sich in einem Leiter befinden, bewegen.

Damit sich diese Elektronen bewegen, braucht es zuerst einmal einen Stromerzeuger. 

Es gibt verschiedene Stromerzeuger, doch da unser Strom in den meisten Fällen durch eine mechanische Bewegung produziert wird, wähle ich als Beispiel den Generator.

In diesem Generator wird Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt.

Die Strom- oder Spannungserzeugung entsteht durch die sogenannte Induktion. Voraussetzungen, um Spannung durch Induktion zu erzeugen, ist ein elektrischer Leiter und ein Magnetfeld.

Das ist nun eine Zeichnung von einem Stück Draht, zu sehen sind die freien Elektronen, welche im Leiter gleichmäßig verteilt sind. Den Elektronen scheint es da zu gefallen, wo sie sich befinden.

Wird dieser Draht nun durch ein Magnetfeld bewegt, bewegen sich auch die Elektronen im Leiter. Die Elektronen werden dabei entlang der Längsachse abgeleitet.

Darum sammeln sich die Elektronen auf der einen Seite des Leiters. Hier entsteht nun ein sogenannter Elektronenüberschuss.

Auf der anderen Seite des Drahtes fehlen die Elektronen, hier spricht man von einem Elektronenmangel.

Solange sich dieser Draht nun in diesem Magnetfeld hin und her bewegt, sind die Elektronen gezwungen sich nach den Bewegungen des Magnetfeldes auf einer Seite des Leiters zu sammeln.

Wird der Leiter nicht mehr im Magnetfeld bewegt, verteilen sich die Elektronen wieder zurück zur Anfangsposition. Die Elektronen haben also einen «Drang» sich auszugleichen.

Dieser Drang machen wir uns zu Nutze und geben den Elektronen zwar die Möglichkeit sich wieder auszugleichen, doch dazu müssen diese zuerst einen Weg beschreiten, der z.B. durch eine Glühbirne hindurch führt, um uns Licht zu spenden.

Um diese Theorie zu beweisen, habe ich selbst einen kleinen Versuch gestartet und einen Leiter durch ein Magnetfeld bewegt, um zu sehen, ob ich Spannung produzieren kann.

Zu dem kleinen Experiment brauche ich lediglich einen Magneten, ein Draht und ein Multimeter mit mV (Millivolt) Anzeige. Ich verwende dieses Model.

Führe ich den Draht jetzt durch das Magnetfeld, fangen die Elektronen an sich zu bewegen.

Ich bewege den Draht vor und zurück, das heißt, die Elektronen sammeln sich bei der ersten Bewegung durch das Magnetfeld auf der einen Seite des Drahtes und bei der nächsten Bewegung auf der anderen Seite des Drahtes.

Durch dieses Alternieren, entsteht einmal eine positive Spannung und einmal eine negative Spannung. Ich greife hier etwas vor: Dieses Verhalten nennt man Wechselspannung.

Um den Versuch nun in die Praxis umzusetzen, klemme ich an die beiden Enden des Drahtes an meinen Multimeter, der auf Millivolt eingestellt ist. Diese Einstellung ist nötig, da ich nur eine sehr geringe Spannung erzeuge.

Ich bewege nun den Draht durch das Magnetfeld. Je schneller ich den Draht bewege, je höher wird die Spannung. Ich erreiche aber gerade mal 0.3 mV, das ist nicht gerade viel.

Elektrischer Strom im Stromkreis

Doch was passiert nun in diesem Stück Kupfer und warum wird jetzt eine Spannung angezeigt?

Durch den Anschluss an das Messgerät, habe ich einen Stromkreis erschaffen. Strom kann nur fließen, wenn ein Stromkreis geschlossen ist.

Voraussetzungen für einen Stromkreis ist ein Stromerzeuger, ein Stromverbraucher und eine Hin- und Rückleitung.

Wie ich schon beschrieben habe, haben die Elektronen den Drang den Elektronenmangel in der Stromquelle auszugleichen.

Durch eine schnellere Bewegung des Leiters im Magnetfeld, kann die Spannung erhöht werden.

Es gibt auch noch weitere Möglichkeiten, eine höhere Spannung zu erzeugen.

Durch Erhöhen der Windungszahl des Leiters sollte dies möglich sein. Das werde ich in einem weiteren Versuch testen.

Um mehr Windungen zu erreichen, habe ich sogenannte Spulen gewickelt. Um Spulen herzustellen, benötigt man sogenannten Lackdraht.

Der Lackdraht ist ein Kupferdraht, der mit einer Lackschicht isoliert ist. Anders als bei einem normalen isolierten Draht, ist diese Isolierung sehr dünn und ermöglicht somit auch eine Spulenwicklung mit nah aneinander liegenden Drähten.

An den Drahtenden muss der Lack entfernt werden, um Kontakt mit der Messspitze, bzw. mit dem Messgerät herzustellen.

Ich beginne mit einer Wicklung. Von der Spannungserzeugung her kann ich zur ersten Eindraht-Variante kaum einen Unterschied erkennen.

Dazu ist zu erwähnen, dass die Anzeige der Spannung nicht einfach abzulesen ist, da ich durch das Hin- und Herbewegen des Leiters im Magnetfeld ständig die Stromrichtung ändere.

Ergebnis: 0.44 mV

Bewege ich die Spule mit ca. 20 Windungen durch das Magnetfeld, erreiche ich eine wesentlich höhere Spannung.

Ergebnis: 4.67 mV

Mit der Spule, die ganze 60 Windungen aufweist, erreiche ich nochmal eine höhere Spannung.

Ergebnis: 29.31 mV

Bei der Spannungserzeugung durch Induktion lässt sich durch die Erhöhung der Windungsanzahl auch die Spannung erhöhen.

Auch die schnellere Bewegung durch das Magnetfeld hat einen Einfluss auf die Spannung.

Ebenfalls kann durch das Einbauen eines Eisenkerns in die Spule eine höhere Spannung erzielt werden, wie auch das Verwenden eines stärkeren Magneten.

Wie man im Video sieht, zeigt das Messgerät nicht immer sauber die Spannung an. Das liegt unter anderem auch daran, dass sich die Polarität der Spannung bei jeder Bewegung der Spule im Magnetfeld ändert.

Einmal wird eine positive Spannung angezeigt und dann sofort wieder eine negative Spannung. Im Prinzip spricht man hier von einer sogenannten Wechselspannung.

Genau dasselbe passiert in einem Generator, es wird Wechselspannung erzeugt.

Ich hoffe hast jetzt ein besseres Bild bekommen, wie elektrischen Strom produziert wird, wie Strom in einem Leiter funktioniert und wie er mechanisch durch Induktion erzeugt wird. 

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