Elektrotechnik Grundlagen

Stromstärke

Eine der wichtigsten Grundlagen für das Verständnis der Elektrotechnik ist die elektrische Stromstärke. In diesem Artikel erklären wir dir ihre Bedeutung, ihre Berechnung und wie du bei ihrer Messung am besten Vorgehst.

Das alles findest du auf einen Blick auch in unserem Video .

Inhaltsübersicht

Stromstärke einfach erklärt

Unter der elektrischen Stromstärke kannst du dir die Bewegung von Elektronen durch einen Leiter vorstellen. Allgemein ausgedrückt ist die Stromstärke ein Maß dafür, wie groß die Anzahl der Elektronen (Ladung) ist, die einen Leiter an einer bestimmten Stelle in einer bestimmten Zeit passiert.

Definition

Die Stromstärke I ist die Ladungsmenge Q pro Zeit t, welche durch einen Leiter hindurchfließt.
Ihr Formelzeichen ist I und ihre Einheit ist A für Ampere.

Stromstärke Formel

Wie bereits erwähnt kann die Stromstärke I als Ladung Q pro Zeit t verstanden werden. Daraus lässt sich folgender physikalischer Zusammenhang bilden:

I=\frac{Q}{t}

Das kannst du auch allgemein ausdrücken:

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

Ohmsches Gesetz

Neben der Berechnung über die Ladung und die Zeit ist auch eine Berechnung der Stromstärke über das Ohmsche Gesetz möglich. Das Ohmsche Gesetz besagt, dass die elektrische Stromstärke I gleich der elektrischen Spannung U  durch den Widerstand R entspricht.

I=\frac{U}{R}

Demnach ist die Stromstärke umso größer, je größer die an einen Stromkreis anliegende Spannung und je geringer der Widerstand ist.

Berechnung der Stromstärke über die Leistung

Die dritte häufig vorkommende Berechnung der Stromstärke erfolgt über die elektrische Leistung P. Allgemein ergibt sich die elektrische Leitung P aus dem Produkt der Spannung U und der Stromstärke I.

P=U \cdot I 

Möchte man aus der Leistung die Stromstärke berechnet so muss die Formel entsprechend umgestellt werden:

I=\frac{P}{U}

Stromstärke Einheit

Die Einheit der Stromstärke ist Ampere und wird mit A abgekürzt.

[I]=1A

Durch den Zusammenhang zur Ladung Q und der Zeit t. Kann die Einheit der Stromstärke auch als Coulomb pro Sekunde definiert werden.

[I]=1A=1\frac{C}{s}

Stromstärke im Stromkreis

In der Elektrotechnik ist die Stromrichtung vom Pluspol einer Spannungsquelle hinzu ihrem Minuspol definiert. Sprich von Plus nach Minus. Die Elektronenbewegung innerhalb eines Leiters erfolgt hingegen vom Minuspol zum Pluspol. Das bedeutet also, dass die Definition der Stromrichtung in der Elektrotechnik entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen ist.

Wie genau sich der elektrische Strom in einem Stromkreis verhält, hängt von seinem Aufbau ab. Die beiden häufigsten Schaltungen in der Elektrotechnik sind zum einen die Reihenschaltung und zum anderen die Parallelschaltung.

Stromstärke in der Reihenschaltung

Liegt eine Reihenschaltung von Widerständen beziehungsweise Verbrauchern vor, so ist die Stromstärke an jeden Punkt der Reihenschaltung gleich. Anschaulich erklärt teilt sich der Strom in einer Reihenschaltung nicht auf. Daher wird jeder Widerstand vom selben Strom durchflossen.

Stromkreis - Reihenschaltung und Stromstärke
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Stromkreis – Reihenschaltung

Für die Stromstärke in unserer Beispielschaltung bedeutet das also, dass der Strom durch die Widerstände R1, R2 und R3 identisch ist und in diesem Fall dem Gesamtstrom entspricht.

I_{ges}=I_1=I_2=I_3

Stromstärke in der Parallelschaltung

In einer Parallelschaltung gibt es Punkte an denen sich der Strom aufteilt und andere Punkte an denen er wieder zusammenkommt. In der Elektrotechnik werden solche Punkte als Knoten bezeichnet. Das bedeutet also, dass der Strom und damit die Stromstärke in einer Parallelschaltung nicht an jeder Stelle die gleich ist.

Stromkreis - Parallelschaltung und Stromstärke
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Stromkreis – Parallelschaltung

Am Knoten K1 teilt sich der Gesamtstrom I_{ges} in I_1, I_2 und I_3auf. Mathematisch ausgedrückt bedeutet das:

I_{ges}=I_1+I_2+I_3

Stromstärke messen

Die Messung der Stromstärke erfolgt in einem Stromkreis durch ein sogenanntes Amperemeter.

Vorgehen bei der Strommessung

Dafür muss es in Reihe zu dem Verbraucher geschaltet werden, durch den der Strom ermittelt werden soll. Das bedeutet, dass der Strom durch den Verbraucher dem durch das Amperemeter entspricht.

Stromstärke messen - Parallelschaltung
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Stromstärke messen – Parallelschaltung

Damit die Stromstärke auf diese Weise ermittelt werden kann, muss daher der Stromkreis an der zu messenden Stelle aufgetrennt werden´und das Amperemeter hineingesetzt werden. Da auch ein Amperemeter einen Innenwiderstand besitzt, beeinflusst es bei der Messung den Stromkreis. Allerdings ist der Widerstand eines Amperemeters in der Regel so gering, dass er vernachlässigt werden kann. Im Schaltplan wird ein Ampere durch ein A im Inneren eines Kreises repräsentiert.

Messgeräte

Heutzutage gibt es für Messungen in elektrischen Stromkreisen ein universales Messgerät, das sogenannte Multimeter. Es ermöglicht neben der Strom und Spannungsmessung, auch die Möglichkeit weitere Größen zu messen. Das bedeutet, dass in einem Multimeter ein Amperemeter enthalten ist.

In der Regel handelt es sich dabei um ein digitales Messgerät. Das bedeutet, dass die Stromstärke von einem Mikrocontroller erfasst und anschließend auf einem Display dargestellt wird. Häufig besitzen Multimeter mehrere Anschlussbuchsen für mehrere Messbereiche, um die Messgenauigkeit über ein weiter Spektrum zu gewährleisten. Alternativ gibt es auch Geräte bei dem der Messbereich über ein Drehschalter eingestellt werden kann.

Möchte man nicht in einen Stromkreis durch Auftrennen von Leitungen eingreifen, so kann die Messung der Stromstärke auch indirekt, durch eine Strommesszange erfolgen. Außerdem stellt auch die Spannungsmessung bei bekanntem Widerstand und eine anschließende Berechnung der Stromstärke über das Ohmsche Gesetz eine Alternative dar.

Stromstärke berechnen

Im Folgenden wird die Berechnung der Stromstärke in einer Reihen und einer Parallelschaltung demonstriert. Dabei ist es wichtig sich darüber klar zu werden, an welchen Stellen sich der Strom aufteilt und an welchen nicht.

Stromstärke in der Reihenschaltung

Das Beispiel für die Reihenschaltung stellst du dir in diesem Fall mal als eine Schaltung aus drei, in Reihe geschalteten, Widerständen vor.

Da sich der Strom in der Reihenschaltung nicht aufteilt gilt:

I_{ges}=I_1=I_2+I_3

Der Gesamtstrom ist also genauso groß wie die Ströme durch die Widerstände.

Die Berechnung des Stroms kann aufgrund dieses Zusammenhanges auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Beispielsweise kann die Stromstärke bei gegebener Gesamtspannung berechnet werden, indem zuerst der Gesamtwiderstand ermittelt wird und anschließend das Ohmsche Gesetz angewandt wird. Der Gesamtwiderstand in einer Reihenschaltung ist dabei die Summe der Widerstände die die Reihenschaltung bilden.

R_{ges}=R_1+R_2+R_3

Mit den Zahlenwerten für die Widerstände ergibt sich:

R_{ges}=5\Omega+10\Omega+15\Omega=30\Omega

Im nächsten Schritt kann das Ohmsche Gesetz angewandt werden.

I_{ges}=\frac{U_{ges}}{R_{ges}}

Mit den Werten für die Gesamtspannung und den Gesamtwiderstand ergibt sich für die Stromstärke:

I_{ges}=\frac{12V}{ 30\Omega }=0,4A

Alternativ ist auch eine Berechnung über die Spannung an einem der Widerstände möglich. Beispielsweise gilt für R_2

I_2=\frac{U_2}{R_2}

I_2=\frac{4V}{10\Omega}=0,4A

Aus diesen beiden Berechnung für die Stromstärke geht hervor, dass die zuvor angestellte Überlegung korrekt sein muss. In der Tat sind die Stromstärken in einer Reihenschaltung durch alle Widerstände gleich groß. Diese Tatsache kann auch noch mit den anderen Widerständen überprüft werden.

Stromstärke in der Parallelschaltung

Betrachten wir jetzt eine Parallelschaltung. Wie teilt sich nun der Gesamtstrom auf? Ganz einfach: Er teilt sich auf die beiden parallel geschalteten Widerstände R1 und R2 auf. Das bedeutet, dass im Gegensatz zur Reihenschaltung die Ströme durch die Widerstände und der Gesamtstrom unterschiedlich sind.

Am Knoten K1 teilt sich der Gesamtstrom I_{ges} in I_1 und I_2 auf.

I_{ges}=I_1+I_2

Allerdings ist die Spannung in einer Parallelschaltung an jedem der Widerstände die selbe.

U_{ges}=U_1=U_2=20V

Daraus ergibt sich für den Strom I_1:

I_1=\frac{U_1}{R_1}

I_1=\frac{20V}{100\Omega}=0,2A

Entsprechend ergibt sich der Strom I_2 zu:

I_2=\frac{U_2}{R_2}

I_2=\frac{20V}{200\Omega}=0,1A

Nun kann der Gesamtstrom I_ges aus der Summe der beiden Ströme berechnet werden:

I_{ges}=I_1+I_2

I_{ges}=0,2A+0,1A=0,3A

Stromstärke bei Wechselspannung

Wird ein Stromkreis durch eine Wechselspannungsquelle gespeist, so ist die an ihm anliegende Spannung zeitlich nicht mehr konstant. Dementsprechend ist laut dem Ohmschen Gesetz auch die Stromstärke nicht länger konstant. Häufig handelt es sich bei Wechselspannung um sinusförmige Spannungsverläufe. Da sich der Momentanwert einer Wechselspannung ständig ändert, wird sie durch ihren Spitzenwert oder ihren Effektivwert repräsentiert. Weil der Stromverlauf der Spannung folgt, kann auch für die Stromstärke ein Spitzenwert und ein Effektivwert angegeben werden.

Der Spitzenwert eines Wechselstroms entspricht dabei seiner Amplitude \^{I}.

Der Effektivwert ergibt sich aus dem Spitzenwert über folgende Formel:

I_{eff}=\frac{\^{I}}{\sqrt{2}}

Typische Stromstärken

Im Folgenden sind die Stromstärken und Leistungen verschiedener Haushaltsgeräte aufgelistet. Dabei ist zu beachten, dass eine hohe Stromstärke nicht eine hohe Leistung bedeuten muss, da die Spannung bei der die entsprechende Stromstärke auftritt eine genauso große Rolle spielt.

Gerät Stromstärke Leistung
Ladevorgang Elektrofahrzeug 625A 250kW
Smartphone Ladegerät(schnell) 2A 18W
Mikrowelle 3,5A 800W
Glühbirne 0,22A 50W
PC 0,87A-2,6A 200W-600W

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