Strom und Elektrizität

Wie kommt der Strom in die Steckdose?

Alle Materie besteht aus Atomen. Deren gibt es in der Natur 92 »Sorten«, die chemischen Elemente (lat. elementum = Baustein, Bauteil, Bestandteil). Der Atomkern besteht aus elektrisch positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Die Elektronenhülle enthält genau so viele negativ geladene Elektronen wie der Kern Protonen. Dadurch erscheint das Atom nach außen hin elektrisch neutral, also nicht geladen.

Bei einigen Atomen sind aber die äußeren ein, zwei, drei oder vier Elektronen nicht fest an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern können gegen geringfügigen Widerstand zum benachbarten Atom überwechseln. Aus diesen Atomen bestehen jene Stoffe, die elektrisch leitfähig sind, namentlich die Metalle und der Kohlenstoff.

Atome können sich zwar zu zweit, zu dritt, aber auch zu Hunderten und Tausenden untereinander und miteinander zu Molekülen verbinden. So lassen sich aus den 92 Grundbausteinen Milliarden verschiedener Stoffe aufbauen. Solche aus Molekülen bestehenden Stoffe sind jedoch höchst selten elektrisch leitfähig. Für die Elektrotechnik kommen diese also allenfalls als Isolierstoffe in Betracht.

Mit einer »Elektronenpumpe« kann man nun z. B. ein weiteres Elektron am Ende eines Drahtes hinein zwängen. Dann hat ein Atom ein Elektron zu viel und ist nicht mehr ladungsneutral. Gleichnamige – hier negative – Ladungen stoßen sich ab. Das überschüssige Elektron wird ein anderes »freies« Elektron von dem betreffenden Atom verdrängen, das zum nächsten Atom wechselt, doch dort wiederholt sich das Spiel und so fort, bis als Ergebnis des allgemeinen Gedränges vorne am Draht wieder ein Elektron austritt. Fertig ist der elektrische Stromkreis – der aber bekanntlich nur funktioniert, wenn er geschlossen ist, also für das verdrängte Elektron letztlich wieder eines in der »Pumpe« ankommen kann. Elektronen sind kaum »kompressibel« und lassen sich nur sehr begrenzt irgendwo hinein zwängen, wo nicht auch im Gegenzug Elektronen entweichen können, d. h. der Draht kann nur unwesentlich mehr Elektronen aufnehmen als er als Bestandteile seiner Atome schon enthält. Wenn dies geschieht, so führt es schnell zum Aufbau eines enormen »Elektronen-Überdrucks«, also eines hohen elektrischen Spannungs-Potenzials, und endet meist mit Blitz und Donner.

Dagegen ist, wie gesagt, die zur Beförderung von Elektronen in einem leitfähigen Kreislauf erforderliche elektrische Spannung vergleichsweise gering. Sie kann chemisch oder magnetisch erzeugt werden.

Es ist wie bei der Wasserleitung: Das Wasser mit mäßiger Geschwindigkeit zum Fließen zu bringen erfordert nur sehr wenig Druck, doch wenn das Rohr verschlossen ist, bekommt man auch mit größtem Druck nur sehr wenig mehr Wasser hinein als ohne zusätzlichen Druck hinein passt. Und nicht wie bei Druckluft, deren Volumen sich mit jeder Verdopplung des Drucks halbiert.

Das Ausmaß der elektrischen Leitfähigkeit, wo sie denn gegeben ist, bzw. der Kehrwert hiervon, der spezifische elektrische Widerstand, stehen offenbar in keinem logischen Zusammenhang zum Aufbau der Atome. So hat z. B. das Kupfer nur ein freies Elektron, leitet aber besser als das Aluminium mit dreien. Kohlenstoff hat deren vier, leitet aber noch viel schlechter.

Nur eines ist sicher: Für technische Anwendungen als Stromleiter eignen sich nur Metalle – mit der Ausnahme von Kohle für einige Spezialzwecke.

Interessant ist nun ganz nebenbei die Frage, wie schnell der elektrische Strom denn nun ist. Oft hört man, er sei so schnell wie das Licht, doch das stimmt, wenn man es wörtlich nimmt, ganz und gar nicht. Nur die »Druckwelle« pflanzt sich so schnell fort. Auch Wasser eilt schließlich nicht beim Aufdrehen des Hahns mit Lichtgeschwindigkeit vom Wasserwerk zum Wasserhahn, sondern es ist schon vorher in der Leitung und wird lediglich in Marsch gesetzt. – Also wie langsam ist der elektrische Strom nun? Mit folgenden Betrachtungen kommt man dahint

  • Ein Elektron hat eine Ladung von 1,6*10-19 Amperesekunden [As] oder Coulomb [C]).
  • Wenn man davon den Kehrwert bildet, bekommt man die Anzahl Elektronen pro Sekunde, die einem Stromfluss von 1 A entsprechen. Das sind 6,24*1018 Stück pro Sekunde.
  • Ein Mol ist das Atomgewicht (bzw. Molekulargewicht) eines beliebigen Stoffes in Gramm. Dies entspricht immer, also bei allen Stoffen, 6,022*1023 Atomen (bzw. Molekülen) – die so genannte Avogadro-Konstante.
  • Kupfer hat ein Atomgewicht von 63,546.
  • Das bedeutet: 63,546 g Kupfer enthalten 6,022*1023 Atome.
  • Kupfer hat eine Dichte von 8,93 g/cm³.
  • Damit hat 1 Mol ein Volumen von 63,546 g / (8,93 g/cm³) = 7,12 cm³.
  • Somit enthält 1 cm³ Kupfer 6,022*1023 Atome pro 7,12 cm³ = 8,46*1022 Atome / cm³.
  • Jedes Atom steuert ein freies Elektron bei.
  • 1 cm³ Kupfer (1000 mm³) reicht aus, um etwa 667 mm Draht für eine übliche Installationsleitung von 1,5 mm² Leiterquerschnitt herzustellen.
  • Eine solche Leitung kann üblicherweise mit 16 A belastet werden, was also 16 * 6,24 * 1018 = 1020 Elektronen pro Sekunde entspricht.
  • Der 0,667 m lange Draht enthält aber schon 8,46*1022 Elektronen.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen beträgt also 1020 / s / (8,46*1022) * 667 mm ≈ 0,8 mm/s (höchstzulässige Geschwindigkeit innerhalb geschlossener Gebäude).

Bei einem Kurzschluss (1 kA) können es auch schon einmal 50 mm/s werden. Das ist alles. So »schnell« ist der Strom wirklich. Mit seiner Leistungsfähigkeit hat dies jedoch rein gar nichts zu tun! Angenommen, es gäbe keinen Kurzschluss-Schutz, würde eine Sekunde Kurzschluss-Strom ausreichen, um die Leitung gleichzeitig in ihrem gesamten Verlauf in Brand zu setzen.

Dagegen nimmt sich das Wasser doch ausgesprochen harmlos aus. Stiege dessen Strömungs-Geschwindigkeit beim größten anzunehmenden Leck lediglich auf 0,05 m/s, würde es doch deutlich länger als eine Sekunde dauern, ehe Wasserschäden bis hin zu gefährlichen Personenschäden, etwa durch Ertrinken, einträten.

Weiter gehende Vergleiche zwischen Wasser- und Stromkreislauf sollte man daher unterlassen, denn die Vergleichbarkeit trägt nicht weit. Wasser hat im Unterschied zu elektrischem Strom sehr wohl eine nennenswerte Massenträgheit, und einen geschlossenen Kreislauf benötigt es auch nicht unbedingt, sondern kann auch von hier nach dort fließen, dort verweilen und sich ansammeln. Es leckt auch gleich aus jeder undichten Stelle des Rohres heraus, während selbst ein so genannter Leckstrom, wie jeder elektrische Strom, einen vorgefertigten Rückweg vorfinden muss, sonst fängt er gar nicht erst an zu fließen. Davon kann der Wasserrohr-Installateur nur träumen.

Verblüffend ist nun eines: Schon in der Grundschule haben wir gelernt, dass der Strom immer einen Hin- und einen Rückweg braucht. Nur so entsteht ein Strom-»Kreis« (der keineswegs rund sein muss).

  • Öffnen wir aber eine Steckdose, so kommen uns (spätestens seit 1973 sollte das so sein) stets drei Drähte entgegen!
  • Betrachten wir eine Hochspannungs-Freileitung in freier Wildbahn, so treten die Leiterseile (fast) immer (Ausnahmen bestätigen die Regel) in Dreiergruppen auf.

Und beides hat überhaupt nichts miteinander zu tun, wie man eigentlich vermuten sollte, wo es sich doch »draußen« um genau das Übertragungsnetz handelt, das genau die elektrische Energie in das lokale Verteilungsnetz einspeist, die uns »drinnen« an unserer Haussteckdose zu Diensten steht. Nein, die Gründe sind zwei völlig verschiedene:

  • Das Stromnetz ist »dreiphasig« als Drehstromnetz aufgebaut. Drehstrom besteht aus drei Wechselströmen gleicher Frequenz (Wechselhäufigkeit), die aber nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt wechseln. Sie nutzen wechselweise immer mal den einen Draht als Rückleiter, den der andere Wechselstrom gerade als Hinleiter verwendet, und 10 ms später wieder umgekehrt, usw. reihum.
  • An unserer Haussteckdose kommt aber nur einer der drei Wechselströme an. Der dritte Leiter, gelb-grün gekennzeichnet und damit als einziger zweifarbig, stellt den Schutzleiter dar. Er verbindet berührbare leitfähige Teile wie Gehäuse und z. B. Kochplatten mit der Erde und führt nur Strom, wenn ein Fehler vorliegt. Da die Erde mit dem Rückleiter des Stroms verbunden ist, würde eine Berührung des Hinleiters gegen solche metallenen mechanischen Teile (»fremdes leitfähiges Teil«) einen Kurzschluss darstellen und zur sofortigen Abschaltung der Spannung führen. Anderenfalls bekäme man einen Stromschlag, fasste man das defekte Betriebsmittel an.

Das, was mitunter »Kraftsteckdose« genannt wird, liefert uns alle drei Wechselströme (Phasen) zum Anschluss z. B. eines Drehstrommotors. Dieser dreht sich gewissermaßen »wie von selbst«, da der Drehstrom die Drehbewegung gleichsam frei Haus mitliefert – welch Wunder aber auch, wo er doch einer solchen Drehbewegung entstammt, denn ein Drehstromgenerator ist mit einem Drehstrommotor praktisch baugleich. Nichts ist einfacher als das, was den Drehstrom zum großen Erfolg der weltweiten Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie werden ließ.