Stromstärke

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älterer Stromverteilungskasten
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Die elektrische Stromstärke (veraltet auch Stromintensität) ist eine physikalische Größe aus der Elektrizitätslehre, die den elektrischer Strom bemisst. Die Stromstärke bezieht sich immer auf eine geeignet gewählte orientierte Fläche, beispielsweise die Querschnittsfläche eines Leiter (Physik) (Elektrischer Strom) oder den Querschnitt eines Kondensators (Verschiebungsstrom). Im einfachsten Fall eines konstanten Stromflusses ist die Stromstärke die durch den Querschnitt geflossene und auf die betrachtete Zeitintervall bezogene elektrische Ladung.

Die Stromstärke ist eine Basisgröße des Internationales Einheitensystem und wird darin in der Maßeinheit Ampere mit dem Einheitenzeichen A angegeben. Ihr Formelzeichen ist das (von französisch intensité du courant); zur Kennzeichnung einer Zeitabhängigkeit wird für den Augenblickswert der Kleinbuchstabe $i$ verwendet.

Beim sinusförmigen Wechselstrom, wie er für die praktische elektrische Energieversorgung am häufigsten verwendet wird, ist der zeitliche Mittelwert der Stromstärke null – unabhängig vom Scheitelwert als maximalen Augenblickswert der Stromstärke. Der Effektivwert der Stromstärke ist bei zeitlich Periode (Physik) Strömen konstant und wird ebenfalls mit dem Formelzeichen $I$ angegeben.

In der Elektro-Hydraulische Analogie|elektro-hydraulischen Analogie entspricht die elektrische Stromstärke dem Volumenstrom $Q$ eines Fluids in der Rohrleitung.

Zusammenhänge, die zur Definition genutzt werden können

Für einen zeitlich konstanten Ladungsfluss gilt

$I={\frac {\Delta Q}{\Delta t}}$

mit der Ladungsmenge $\Delta Q$, die in der Zeitspanne $\Delta t$ durch eine orientierte Fläche $A$ hindurchtritt.

Bei zeitlich veränderlicher Stromstärke liefert diese Beziehung den Mittelwert der Stromstärke während der Dauer $\Delta t$. Hier gibt man aber statt eines Mittelwertes eher den Augenblickswert an:

$I(t)=\lim _{\Delta t\to 0}{\frac {\Delta Q(t)}{\Delta t}}={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}={\dot {Q}}$.

Die flächenbezogene Stromstärke wird als Elektrische Stromdichte ${\vec {J}}$ bezeichnet, $\mathrm {d} {\vec {A}}$ ist das zugehörige Flächenelement. Mit ihr lässt sich die Stromstärke schreiben als:

$I=\int \limits _{A}{\vec {J}}\cdot \mathrm {d} {\vec {A}}$.

Wenn die Stromdichte gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt ist, was bei Gleichstrom durch einen homogenen Leiter erfüllt ist, dann vereinfacht sich diese Beziehung zu $I={\vec {J}}\cdot {\vec {A}}$ bzw. bei senkrecht durchflossener Fläche zu $I=JA$ oder $I=-JA$, je nach Orientierung der Fläche.

Richtung bzw. Vorzeichen

Die Richtung des elektrischen Stroms ist definiert als die Richtung, in der sich positive elektrische Ladung bewegt. Bei negativen Ladungsträgern, beispielsweise bei Elektronen, ist die „positive“ Stromrichtung entsprechend entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung dieser Ladungsträger.

In vielen Darstellungen elektrische Schaltung werden Zählpfeile parallel oder antiparallel zur Bewegungsrichtung verwendet. Ihre Richtung ist im Prinzip willkürlich. Da die Stromstärke eine Skalar (Mathematik) ist, legen die Pfeile bei Gleichstrom lediglich das Vorzeichen der Stromstärke fest: Bei Übereinstimmung der Stromrichtung mit der Pfeilrichtung ist die Stromstärke positiv. Auch bei Wechselstrom können Pfeile sinnvoll sein, wenn sie die Richtung des Energieflusses kennzeichnen sollen.<ref>DIN 40110-1:1994 Wechselstromgrößen, Kap. 3.1.</ref>

Messung

Zur Strommessung muss der zu messende Strom durch das Messgerät fließen. Es wird daher zum Verbraucher Reihenschaltung geschaltet.

Digitaltechnische Strommessgeräte sind in der Regel in ihrem Grundaufbau Spannungsmessgeräte, die den Spannungsabfall über einem eingebauten oder externen Messwiderstand (Shunt (Elektrotechnik)) messen. Analogtechnische Strommessgeräte nutzen verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aus:

• Elektrochemie|chemische Wirkung im Silbercoulometer (inzwischen nicht mehr verwendet)
• Joulesche Wärme|thermische Wirkung im Hitzdrahtmesswerk (inzwischen nicht mehr verwendet), Thermoumformer und in Bimetallfühlern (in der Regel nicht mit einer Anzeige (Technik), sondern mit Schaltfunktion wie in Überstromschutzeinrichtungen und bei der Temperaturregelung im Bügeleisen)
• Magnetismus im Drehspulmesswerk (für Gleichstrom) und im Dreheisenmesswerk (auch für den Effektivwert von Wechselstrom). Es gibt verschiedene weitere Stromsensoren, welche auf der magnetischen Wirkung basieren.

Größenordnung

„Natürliche“ Stromstärken auf der Erde reichen von einem Vorsätze für Maßeinheiten#SI-Präfixe|Pikoampere durch einen Natriumkanal bis zu über hundert Vorsätze für Maßeinheiten#SI-Präfixe| Kiloampere in Blitzen. Beispiele aus dem Alltag sind der Ladestrom eines Handy-Akkus (Größenordnung 2 A) und der Strom pro Pixel#Pixel in Bildsensoren und Bildschirmen|Pixel (Größenordnung 1  Vorsätze für Maßeinheiten|µA). Bei einem Mikroampere fließen etwa sechs Billionen Elementarladungen pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt.

An Potentialbarrieren für die Ladungsträger tritt bei kleinen Stromstärken Schrotrauschen auf. Sehr kleine Stromstärken kann man durch Abzählen der Ladungsträger messen bzw. gezielt erzeugen. Dabei wird ausgenutzt, dass die elektrische Ladung und damit die Spannung $\textstyle {U=Q/C}$ eines Kondensators eine Quantelung zeigt, falls in eine der Zuleitungen eine Barriere eingebaut wird, durch die die Leitungselektronen einzeln Tunneleffekt|tunneln (in einem Leiter ohne Tunnelbarriere ändern sich $Q$ und $U$ kontinuierlich).

Mikroampere und geringer

• 1,6 · 10⁻¹⁹ A = 0,16 aA – 1 Elektron pro Sekunde ≈ Dunkelzählrate gekühlter Photomultiplier
• 3 · 10⁻¹⁵ A = 3 fA – Leckstrom einer DRAM-Speicherzelle
• 1 · 10⁻¹³ A = 100 fA – schwächste im Rastertunnelmikroskop noch nutzbare Ströme (Stand 2001)
• 1 · 10⁻¹² A = 1 pA – Strom in einem Ionenkanal
• 5 · 10⁻⁹ bis 5 · 10⁻⁷ A = 5 bis 500 nA – Sperrstrom einer Silizium-Diode bei Raumtemperatur
• 1 · 10⁻⁵ bis 5 · 10⁻⁴ A = 10 bis 500 µA – Sperrstrom einer Germanium-Diode
• 1 · 10⁻⁵ A = 10 µA – Flüssigkristallbildschirm|LCD-Quarzuhr

Milliampere bis Ampere

• einige 10⁻³ bis 5 · 10⁻¹ A = einige mA bis 500 mA – Gleichstrom-Elektrotherapie (zum Beispiel Stangerbad, Iontophorese)
• 1 · 10⁻² A = 10 mA – Wirkung auf den Menschen: Muskelkontraktion, d. h. das Loslassen der Stromquelle wird unmöglich
• 2 · 10⁻² A = 20 mA – Leuchtdiode
• 3 · 10⁻² bis 8,5 · 10⁻² A = 30 bis 85 mA – Wirkung auf den Menschen: Herzkammerflimmern bei Wechselstrom und einer Sekunde Einwirkdauer
• 4,3 · 10⁻¹ A = 430 mA – Glühlampe (100 W im 230-V-Betrieb)
• 5,8 · 10⁻¹ A = 580 mA – Protonenstrom in einem Strahl des Large Hadron Collider
• 1 · 10⁰ A = 1 A – Zitteraal
• bis 3 · 10⁰ A = bis 3 A – Diathermie (Hochfrequenz-Wechselstrom, 10⁶ Hz)
• 5 · 10⁰ bis 7 · 10⁰ A = 5 bis 7 A – Elektrischer Stuhl
• 1 · 10¹ A = 10 A – typischer Heizlüfter im Haushalt im 230-V-Betrieb
• 1,6 · 10¹ A = 16 A – Elektrische Sicherung im Haushalt
• 5 · 10¹ A = 50 A – Zitterrochen
• 1,5 · 10² A = 150 A – Elektromotor
• 4 · 10² A = 400 A – magnetfelderzeugende Spulen im Magnetresonanztomographie
• 5 · 10² A = 500 A – elektrisches Schweißen

Kiloampere und mehr

• einige 10² bis einige 10³ A = einige hundert bis einige tausend A – Freileitung
• 1 · 10³ A = 1 kA – Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
• 1,4 · 10³ A = 1,4 kA – Oberleitung|Standardoberleitung einer deutschen Bahn (15 kV AC)
• bis 8 · 10³ A = bis 8 kA – Thyristor
• 1,2 · 10⁴ A = 12 kA – supraleitende Kabel zu den Magneten des Large Hadron Collider
• bis 2 · 10⁴ A = bis 20 kA – konventioneller Elektromagnet#Magnetscheiben für wissenschaftliche Messungen bei bis zu 19 Tesla (Einheit) im Dauerbetrieb
• bis 2,2 · 10⁴ A = bis 22 kA – Lichtbogenofen
• 3 · 10⁴ A = 30 kA – Generatorstrom in einem Großkraftwerk
• bis 3 · 10⁵ A = bis 300 kA – Blitz
• einige 10⁶ A = einige MA – Magnetosphärischer Ringstrom um die Erde
• 3 · 10⁶ A = 3 MA – Strom zwischen Jupiter (Planet) und seinem Mond Io (Mond)|Io
• 1,5 · 10⁷ A = 15 MA – Plasmastrom in ITER (geplant)
• 2 · 10⁷ A = 20 MA – Z-Maschine (sehr kurzfristig)
• 10¹¹ A = 100 GA – Sonneneruption
• 10¹² A = 1 TA – Photosphäre
• 10¹⁹ A = 10 EA – Aktiver galaktischer Kern
• 10²⁰ A = 100 EA – Kosmischer String in der Theorie

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