Autor

Dr.-Ing. Holger Nobach
Dr.-Ing. Holger Nobach

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Dr.-Ing. Holger Nobach (37) studierte Elektrotechnik an der Universität Rostock, wo er 1997 promovierte. Im Rahmen von Postdoc-Programmen arbeitete er dann bei Dantec Dynamics in Kopenhagen und an der TU Darmstadt an der Entwicklung von Signal- und Bildverarbeitungsverfahren für die Strömungsmesstechnik. Seit 2005 ist er Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und erforscht in Göttingen und an der Cornell University turbulente Strömungen mit den zuvor entwickelten, optischen Messverfahren.

Frage:

Wie und warum fließt Strom?

Antwort:

Vermutlich geht es bei der Frage um den elektrischen Strom, oder geht es um fließendes Wasser? So missverständlich der Begriff „Strom“ ist, so nützlich ist das Modell des Wasserstroms in einer Leitung, um sich das Fließen des elektrischen Stromes vorzustellen.

Pumpt man in eine gefüllte Wasserleitung an der einen Seite Wasser hinein, kommt das Wasser an der anderen Seite heraus. Ganz ähnlich verhält es sich mit dem elektrischen Strom. Pumpt man Elektronen an einer Seite in einen elektrischen Leiter hinein, kommen sie an der anderen Seite wieder heraus, sie fließen also durch den Leiter. Bei dem Vergleich mit der Wasserleitung treten zwei Probleme auf: Wie kommen die Elektronen durch ein Stück Metall, das im Gegensatz zur Wasserleitung nicht hohl ist, und was passiert, wenn die Elektronen am anderen Ende der Leitung nicht mehr herauskönnen? Im ersten Fall muss man sich das Metall etwas genauer ansehen, nämlich extrem stark vergrößert. Dabei wird man feststellen, dass das Metall gar nicht so homogen und undurchdringlich ist.

Ganz im Gegenteil: Zwischen den winzigen Metallatomen klaffen verhältnismäßig riesige Lücken. Die noch viel kleineren Elektronen können sich in diesen Lücken ziemlich ungehindert bewegen, in Kupfer z. B. mit einer mittleren Geschwindigkeit von etwa 1500 km pro Sekunde. Beim zweiten Problem hilft wieder die Wasserleitung. Wenn man Wasser hineinpumpt und dabei das andere Ende zuhält, erhöht sich der Druck, wobei man nur äußerst wenig Wasser in die Leitung hineinbekommt.

Ganz ähnlich verhält es sich mit den Elektronen. Ein paar Elektronen Überschuss können in den Leiter hineingepumpt werden, wodurch sich das elektrische Potential verändert. So wie der Druckunterschied das Wasser durch eine Leitung fließen lässt, bewirkt ein Potentialunterschied zwischen Plus- und Minuspol einer Batterie die Bewegung der Elektronen, so dass der Strom fließt. Doch wie schnell fließt der Strom eigentlich? Wenn man einen Lichtschalter betätigt, dann fließt der Strom extrem schnell in der gesamten Leitung, so dass nach einer kurzen Aufwärmzeit die Glühlampe leuchtet. Aber Vorsicht, auch hier können wir uns die Wasserleitung als Modell ansehen. Wenn irgendwo in einer gefüllten Wasserleitung ein Wasserhahn geöffnet wird, breitet sich die Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit durch die Leitung aus, so dass bereits nach sehr kurzer Zeit Wasser am Ende der Leitung austritt. Doch dabei handelt es sich um das Wasser, das bereits in der Leitung stand. Die Fließgeschwindigkeit des Wassers in der Leitung ist deutlich kleiner. Im Prinzip gilt das gleiche für den elektrischen Strom. Während sich der antreibende Potentialunterschied fast mit Lichtgeschwindigkeit (knapp 300000 km pro Sekunde) durch den Leiter ausbreitet, geht es bei der gerichteten Bewegung der Elektronen eher gemütlich zu. In einem Kupferkabel mit einem Querschnitt von 1 Quadratmillimeter und einem Strom von 1 Ampere legen die Elektronen in einer Stunde gerade einmal 26,5 cm zurück.

 
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