Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was
Prof. Ulrich Walter ist Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut und schreibt Kolumnen für N24 Online
Univ.-Prof. Prof. h.c. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Ulrich Walter Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut Herr Ulrich Walter, Jahrgang 1954, ist Ordinarius für Raumfahrttechnik an der Technischen Elite-Universität München. Nach dem Studium der Physik an der Universität Köln, an den Argonne National Laboratories in Chicago und an der University of California in Berkeley, wurde er im Jahre 1987 ins Deutsche Astronautenteam berufen und trainierte bis zu seiner Shuttle Mission D-2, 26. April bis 6. Mai 1993, am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR, in Köln-Porz und am Raumfahrtzentrum der NASA in Houston. Es folgten Stationen beim DLR und bei der IBM. Seit März 2003 leitet er den Lehrstuhl für Raumfahrttechnik an der Technischen Universität München und lehrt und forscht im Bereich Raumfahrttechnologie und Systemtechnik. Seine Schwerpunkte sind Echtzeit-Robotik im Weltraum, Intersatelliten-Kommu­nikations-Technologien, Technologien für planetare Erkundungen und Systemmodellierung und -optimierung. Herr Walter ist unter anderem Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats des Deutschen Museums und Präsident des Hermann-Oberth-Museums in Feucht. Er ist zudem erfolgreich als Autor und Publizist tätig. Prof. Walter wurde bundesweit zum Professor des Jahres 2008 in der Kategorie Ingenieurwissenschaften und Informatik gewählt. 
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Verblüffende Fakten Was Sie garantiert noch nicht über Strom wussten

Wie schnell ist der Strom im Kabel? Wieso ist es Quatsch, von Stromdiebstahl zu sprechen? Und in welche Richtung fließt Strom wirklich? Die interessantesten Fragen und Antworten.

Was ist eigentlich elektrischer Strom? Elektrischer Strom ist der Fluss von Elektronen in einem metallischen Draht. Elektronen sind geladene Teilchen, die 1850-mal leichter sind als ihre Gegenstücke, die Protonen. Protonen bilden den Kern eines Atoms und die Elektronen die Hülle. Weil die Protonen viel massenreicher sind, hat man ihre Ladung positiv definiert und die der Elektronen negativ. In einem Metall verbinden sich die Atome auf eine ganz besondere Weise, so dass sie ihre Elektronen austauschen können.

Tatsächlich können sich Elektronen in Metallen nahezu ungehindert von einem Atom zum nächsten bewegen. Jedoch müssen pro Atom immer gleich viele Elektronen vorhanden sein, sonst gäbe es keine Ladungsneutralität mehr. Elektronen können also nur wandern, wenn es zwischen ihnen ein Bäumchen-Bäumchen-wechsel-dich gibt. Elektronen können also nur im Kreis fließen. In Stromkreisen fließende Elektronen nennt man "elektrischen Strom".

Stromkabel = Wasserschlauch

Eine Kupferader in einem Stromkabel stellt man sich am besten wie einen Wasserschlauch vor. Das fließende Wasser darin sind die Elektronen, mit dem wichtigen Unterschied, dass das Wasser nirgendwo austreten kann, sondern immer schön im Schlauch bleiben muss, sonst würde sich die Elektronen von den Atomen lösen was sie nicht können, sie können sich nur gegenseitig ersetzen. Ein Stromkreis ist also wie ein in sich geschlossener Wasserschlauch, bei dem das Wasser im Kreis fließt. Ein Stromkabel braucht daher mindestens 2 Adern und eine Steckdose braucht zwei Kontakte, damit die Elektronen auch wieder abfließen können.

Es gibt keinen Stromdiebstahl

Dazu eine Geschichte. Es war im Jahre 1895 als ein Angeklagter wegen Stromdiebstahls vor Gericht stand. Er hatte von einer Freileitung Strom direkt in seine Wohnung abgezapft. Nach § 242 Diebstahl des Strafgesetzbuches heißt es noch heute: Wer eine fremde bewegliche Sache einem anderen in der Absicht wegnimmt, die Sache sich oder einem Dritten rechtswidrig zuzueignen, wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder mit Geldstrafe bestraft.

Er wehrte sich gegen die Anklage mit der Aussage, er hätte schließlich keinen Strom als Sache geklaut, weil der Strom über die Rückleitung wieder in die Freileitung zurück floss. Damit hatte er zweifellos Recht, weswegen man ihn damals nicht verurteilen konnte. Erst im Jahre 1900 wurde eine Gesetz, betreffend die Bestrafung der Entziehung elektrischer Arbeit eingeführt. Seit 1953 gilt im deutschen StGB § 248c Stromdiebstahl. Der Begriff "Stromdiebstahl" ist jedoch nach wie vor falsch, da kein Strom (Elektronen) geklaut wird, sondern nur elektrische Leistung, die der Strom beim Verbraucher verrichtet.

Volt, Ampere, Watt

Was bringt das Wasser im Schlauch zum Fließen? Wasserdruck. Der Wasserdruck beim elektrischen Strom ist die Spannung, gemessen in Volt, abgekürzt V. Die Spannung zu Hause in der Steckdose ist 230 V, was ein ziemlich hoher Druck ist. Unter dieser Spannung, die ein Stromkraftwerk erzeugt, beginnen Elektronen zu fließen. Die Menge der Elektronen die fließen ist die Stromstärke gemessen in Ampere, abgekürzt A.

Wie schnell fließen Elektronen? Wie beim Schlauch hängt das vom Druck ab. Bei 230 V ist die Fließgeschwindigkeit (die sogenannte Driftgeschwindigkeit) in einem normalen Kupferdraht etwa nur ½ mm pro Sekunde! Sie haben richtig gelesen 0,5 mm/s, elektrischer Strom fließt also extrem langsam! Erst beides zusammen, die Spannung mit der die Elektronen durch das Kabel "gedrückt" werden und ihre Anzahl macht die Leistung aus, die sie bei einem Verbraucher, etwa einer Glühlampe, verrichten können, um dann wieder zurück zu fließen. Diese Leistung wird in Watt, abgekürzt W, gemessen.

Zack und Licht an!

Wieso geht dann die Lampe sofort an, wenn man den Schalter umlegt? Die Antwort gibt der Wasserschlauch. Im fast demselben Augenblick wo ich den Wasserhahn aufdrehe beginnt am Schlauchende in vielleicht 10 Meter Entfernung Wasser zu fließen, obwohl die Fließgeschwindigkeit nur etwa ½ m/s ist, weil der Wasserdruck, der das Wasser zum Fließen bringt, sich weit schneller nämlich mit Wasserschallgeschwindigkeit durch den Schlauch ausbreitet. Diese beträgt 1,5 km/s; für uns ist das nahezu instantan.

Wie schnell breitet sich Spannung in einem Stromkabel aus? Mit Lichtgeschwindigkeit! Die Lichtgeschwindigkeit (genauer: die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle) in Kupfer beträgt aber nur 200.000 km/s statt 300.000 km/s in Vakuum. Weil das aber immer noch extrem schnell ist, geht die Lampe praktisch instantan mit Betätigung des Lichtschalters an.  

Verkehrte Welt

Weil Physiker die Ladung der Elektronen negativ definiert haben und sich gleichartige Ladungen abstoßen und sich gegensätzliche anziehen, fließen die Elektronen immer vom Minuspol zum Pluspol. Intuitiv bedeutet aber "Plus" mehr als "Minus". Daher haben die Elektrotechniker die sogenannte „technische Stromrichtung“ von Plus nach Minus definiert, also genau umgekehrt wie die Elektronen in einem Kupferkabel fließen. Dieses Durcheinander irritiert jeden, aber damit muss man leben.

Wechselstrom für Transformatoren

Bisher habe ich vom so genannten Gleichstrom gesprochen: Die Elektronen fließen immer in dieselbe Richtung. Wenn man die Spannung umkehrt, fließen sie natürlich genau anders herum. Die Leistung, die sie bei umgekehrter Fließrichtung erbringen ist natürlich genau so groß. Bei der so genannten Wechselspannung in der Steckdose zu Hause wird die Spannung und somit Stromrichtung pro Sekunde 50 Mal gewechselt. Einer Glühlampe und den meisten anderen Verbrauchern, ist das egal. Einer Stereoanlage ist das nicht egal. Sie macht daher per Gleichrichter aus dem Wechselstrom Gleichstrom und ändert dabei über einen Transformator gleichzeitig den Elektronendruck, also die Spannung. Preisgünstige Transformatoren funktionieren nur mit Wechselspannung, weshalb es die Wechselspannung bei uns gibt. 

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