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Die Kraft des Flusses - so entsteht elektrischer Strom
Was wäre unser Leben ohne Elektrizität? Ohne Strom wären viele alltägliche Aktivitäten nicht möglich: kein elektrisches Licht, keine elektronischen Geräte wie Computer oder Smartphones, keine Kühl- oder Gefrierschränke für Lebensmittel, keine Heizung oder Klimaanlage. Erfahren Sie mehr über die Geschichte des Stroms.
Was ist elektrischer Strom?
Strom ist eine Form von Energie, die durch das Fließen von elektrisch geladenen Teilchen – den Elektronen – in einem Stromkreis entsteht. Strom wird in der Regel durch elektrische Leitungen transportiert und kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, wie zum Beispiel zur Beleuchtung, zum Betrieb von elektronischen Geräten, zum Laden eines Elektroautos per Wallbox oder zur Erzeugung von Wärme mit einer Wärmepumpe.
Doch auch die Natur besteht aus elektrischen Ladungen. Diese sind ein wesentlicher Bestandteil der Materie und spielen eine wichtige Rolle bei vielen natürlichen Vorgängen wie z. B. Blitzen, elektromagnetischen Feldern oder Nervenimpulsen im menschlichen Körper. Elektrizität wird also zwar künstlich erzeugt, doch letztlich beruht sie auf den natürlichen Eigenschaften der in der Natur vorkommenden elektrischen Ladungen oder elektrischen Spannungen.
Hier ein paar Beispiele:
Elektronen: Elektronen sind negativ geladene Teilchen, die den Atomkern umkreisen. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil der Materie und tragen zur elektrischen Leitfähigkeit bei.
Protonen: Protonen sind positiv geladene Teilchen, die sich ebenfalls im Atomkern befinden. Sie sind genauso schwer wie Elektronen, ihre Ladung ist allerdings entgegengesetzt.
Ionen: Ionen sind Atome oder Moleküle mit einer ungleichen Anzahl von Elektronen und Protonen. Verliert oder gewinnt ein Atom Elektronen, wird es zu einem Ion. Positiv geladene Ionen heißen Kationen, negativ geladene Anionen.
Blitze: Während eines Gewitters können sich in der Atmosphäre elektrische Ladungen ansammeln. Wenn die elektrische Spannung groß genug ist, entlädt sich die Energie in Form eines Blitzes.
Statische Elektrizität: Durch Reibung zwischen Materialien können Elektronen von einem Material auf ein anderes übertragen werden. Dies führt zu statischer Elektrizität, die wir im Alltag erleben, z. B. wenn sich Haare nach dem Kämmen aufladen oder wenn wir einen Ballon am Pullover reiben und dann an unsere Haare halten.
Biologische Ladungen: Auch in lebenden Organismen gibt es elektrische Ladungen. In unserem Körper sind z. B. Nervenzellen (Neuronen) für die Übertragung von elektrischen Signalen verantwortlich. So empfinden wir beispielsweise Schmerz.
Kann Strom auch nicht elektrisch sein?
In der Regel sprechen wir bei dem Begriff Strom von künstlich erzeugter Elektrizität. Die elektrische Energie wird aus verschiedenen Quellen wie Kohle, Gas, Wasser, Wind oder Sonnenlicht gewonnen, dann durch Leitungen transportiert und in einem Stromkreis genutzt, um Geräte anzutreiben oder Licht zu erzeugen.
Die physikalische Größe, die den elektrischen Strom misst, ist die elektrische Stromstärke. Sie wird in Ampere (A) gemessen und gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter fließen. Die elektrische Spannung hingegen beschreibt den elektrischen Potenzialunterschied zwischen zwei Punkten im Stromkreis. Sie wird in Volt (V) gemessen und gibt an, wie stark der Strom fließt. Stromstärke und Spannung zusammen ergeben schließlich die elektrische Leistung, die in Watt (W) gemessen wird.
Thales von Milet
Thales soll im 6. Jahrhundert v. Chr. entdeckt haben, dass Bernstein leichte Körper anzieht, wenn man ihn vorher mit Tüchern reibt. Obwohl er keine genaue Erklärung dafür fand, geht das Wort Elektrizität bis heute auf diese antike Entdeckung zurück.
Otto von Guericke
Der deutsche Physiker Otto von Guericke baute um 1672 die erste Elektrisiermaschine, indem er eine Schwefelkugel einspannte und mit den Händen daran rieb. Dadurch erzeugte er eine elektrische Ladung, die sich durch ein Leuchten bemerkbar machte. Dies war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Elektrizität.
Alessandro Volta
Der italienische Physiker und Naturforscher Alessandro Volta gilt als Entdecker des elektrischen Stroms. Seine erste größere Bekanntheit erlangte er 1775 mit der Erfindung des Elektrophors, der bald in ganz Europa zum Einsatz kam und mit dem durch Influenz erzeugte statische Elektrizität erzeugt und transportiert werden konnte. Um 1800 erfand Volta schließlich die erste funktionsfähige Batterie, die elektrischen Strom erzeugen konnte.
Michael Faraday
Michael Faraday war ein bedeutender britischer Physiker und Chemiker des 19. Jahrhunderts, der als einer der größten Experimentalphysiker aller Zeiten gilt. Er machte wichtige Entdeckungen auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus, darunter das nach ihm benannte Faradaysche Gesetz (1834) und die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion. Seine Arbeiten zur Elektrolyse legten den Grundstein für das Verständnis elektrochemischer Prozesse.
Gleichstrom und Wechselstrom
Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC) sind 2 Grundarten des elektrischen Stroms. Dabei hat jede Stromart ihre spezifischen Vorteile und Anwendungen. Während Wechselstrom für die alltägliche Stromversorgung unverzichtbar ist, findet Gleichstrom eher in speziellen Situationen Anwendung. Der wesentliche Unterschied liegt in ihrer Effizienz bei der Übertragung über große Entfernungen. Wechselstrom eignet sich aufgrund seiner Fähigkeit zur Spannungsumwandlung und Spannungsübertragung besser für den Transport über lange Strecken. Gleichstrom hingegen ist effizienter für den Betrieb von Geräten mit geringer Leistung oder wenn eine konstante Spannung benötigt wird.
Bewegungsrichtung der Ladungsträger
Gleichstrom: Die Bewegung von Elektronen erfolgt in eine Richtung, vom positiven zum negativen Pol.
Wechselstrom: Die Bewegungsrichtung der Ladungsträger ändert sich periodisch. Er fließt abwechselnd in beide Richtungen.
Frequenz: Die Frequenz bei Strom bezieht sich auf die Anzahl der Schwingungen oder Zyklen pro Sekunde, die ein Wechselstrom (AC) durchläuft. Diese wird in Hertz (Hz) gemessen. Ein Hertz entspricht einem Zyklus pro Sekunde. Die Frequenz ist ein wichtiger Parameter bei Wechselstrom, da sie Einfluss auf die Funktion und Kompatibilität von elektrischen Geräten hat. In den meisten Ländern Europas, einschließlich Deutschland, beträgt die Netzfrequenz 50 Hz. Das bedeutet, dass der Strom 50 Mal pro Sekunde seine Richtung wechselt. In Nordamerika beträgt die Standardfrequenz 60 Hz.
Wechselstrom: In Europa hat er eine Frequenz von 50 Hertz (Hz). Das bedeutet, dass sich die Stromrichtung pro Sekunde 50-mal in jede Richtung ändert.
Gleichstrom: Fließt nur in eine Richtung, ändert seine Richtung also nicht und hat keine Frequenz.
Anwendungen
Wechselstrom: Er wird in Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetz verteilt. Er fließt also durch Hochspannungsleitungen und Steckdosen im Haushalt. Wechselstrom wird für die meisten Haushaltsgeräte, Beleuchtungssysteme, Elektromotoren und Industrieanlagen verwendet. Die Spannung kann mithilfe von Transformatoren leicht verändert werden.
Gleichstrom: Wird in batteriebetriebenen Geräten wie Taschenlampen, Spielzeugen, Fernbedienungen oder Elektrowerkzeugen und bei Solarzellen verwendet. Zusätzlich kommt er für den Transport großer Strommengen über weite Strecken zum Einsatz.
Wie kommt der Strom in die Steckdose?
Strom gelangt in die Steckdose, indem er von Kraftwerken erzeugt und über ein komplexes Netzwerk von Stromleitungen und Transformatoren zu den Verbraucherinnen und Verbrauchern transportiert wird. Dabei variiert die Menge an Energie in Form von Strom, die täglich auf der Welt produziert und verbraucht wird, je nach Bedarf und Region. Laut Statistischem Bundesamt lag der Stromverbrauch in Deutschland 2023 insgesamt bei 466 Terrawattstunden.
Im Jahr 2022 wurden weltweit rund 26.600 Terrawattstunden Strom verbraucht. Der größte Stromverbraucher war zuletzt China. Das asiatische Land verbrauchte jährlich etwa zehnmal so viel Strom wie Deutschland. Auch die USA gehörten zu den größten Stromverbrauchern.
Den meisten Strom verbraucht die Industrie, gefolgt vom Gewerbe-, Handels- und Dienstleistungssektor. Die privaten Haushalte verbrauchten weltweit rund ein Viertel des Stroms.
Strom für Elektroauto und Wärmepumpe
Um die Batterie eines E-Autos aufzuladen, wird Ladestrom benötigt. Diesen erhält das Fahrzeug entweder an einer Ladestation oder an der Steckdose zu Hause. Dies ist allerdings nicht ratsam bzw. sollte nur in Ausnahmefällen stattfinden. Zum einen ist die Ladedauer an einer Haushaltssteckdose deutlich länger als an einer Wallbox. Zum anderen ist eine Haushaltssteckdose nicht für einen kontinuierlichen Ladevorgang ausgelegt, daher kann es durch Überlastung zu Überhitzungen kommen.
Da die Batterie eines Elektroautos zum Laden Gleichstrom benötigt, muss der Wechselstrom aus dem Netz grundsätzlich umgewandelt werden. Die Ladeleistung hängt übrigens von der Stromstärke (Ampere) und der Spannung (Volt) ab. Je höher die Stromstärke und die Spannung, desto schneller kann das Elektroauto aufgeladen werden.
Gut zu wissen: Eine Wärmepumpe nutzt erneuerbare Energie, um Wärme für Heizzwecke zu erzeugen. Sie entzieht der Umgebung (Luft, Erde oder Wasser) Wärme und gibt sie an das Heizsystem ab. Der Stromverbrauch hängt dabei von der Effizienz (JAX und COP) der Wärmepumpe ab.
So wird Strom transportiert
Strom in Deutschland kommt zuverlässig aus der Steckdose, da er vom Erzeugungsort zum Verbrauchsort über Stromnetze transportiert wird. Diese Netze bestehen aus verschiedenen Ebenen: Übertragungsnetze mit Höchstspannung (220 oder 380 Kilovolt) verbinden Kraftwerke mit großen Fabriken, während Verteilnetze den Strom von Hoch- über Mittel- bis Niederspannungsebene (230 oder 400 Volt) zu großen Fabriken, mittelständischen Unternehmen und Privathaushalten leiten.
Der physikalische Stromfluss ist unabhängig von der Erzeugungsart – egal, ob Ökostrom aus erneuerbaren Quellen, wie Wind, Sonne oder Wasserkraft, oder fossiler Strom aus Kohle oder Gas. Damit das Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch immer gleich bleibt, kümmern sich Netzleitstellen um die Überwachung der gesamten Stromversorgung, um Engpässe zu vermeiden.
Gut zu wissen: Es gibt kein separates Netz für Ökostrom, da alle Anlagen an dasselbe Netz angeschlossen sind. Durch den Kauf von Ökostrom unterstützen Sie als Verbraucher:in aber die nachhaltige Energieerzeugung und tragen zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei.
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