Stromwirkungen

Elektrizitätslehre

Stromwirkungen

  • Wie funktioniert eine Glühlampe …
  • … und wie ein Durchlauferhitzer?
  • Kann man Magnete ein- und ausschalten?
  • Wie trennt man Wasserstoff und Sauerstoff?

Man unterscheidet im wesentlichen vier verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes:

Wärmewirkung

Leuchtwirkung

Magnetische Wirkung

Chemische Wirkung

In einem Video von Prof. Avimov kannst du die schwingende Glühwendel genauer betrachten.

An einer mit Wechselstrom betriebenen Glühlampe kann man die ersten drei Stromwirkungen auf einen Schlag sehen:

Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes bei einer Glühlampe hast du vielleicht schon leidvoll erfahren, wenn du eine noch eben leuchtende Glühlampe aus der Fassung schrauben wolltest.

Die Leuchtwirkung der Glühlampe ist offensichtlich.

Hält man in die Nähe einer Glühlampe einen Magneten, so beginnt die Glühwendel bei eingeschaltetem Strom heftig zu schwingen (ist die Lampe abgeschaltet, so schwingt die Wendel bei Anwesenheit des Magneten nicht). Dies deutet daraufhin, dass mit elektrischem Strom magnetische Erscheinungen verknüpft sind.

In den folgenden Artikeln wollen wir etwas näher auf die Stromwirkungen eingehen. Allerdings wird die magnetische Wirkung erst in einem späteren Kapitel behandelt.

Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes wird im Alltag auf vielfältige Weise für Heizzwecke ausgenutzt. Während die in einem Heizkissen eingebetteten Drähte nur wenig erwärmt werden, kommen in Heizspiralen von Kochplatten und Heizöfen auf Rotglut (ca. 800°C). Die dünnen Drähte, aus denen die Wendeln der Glühlampen gewickelt sind, werden sogar weißglühend (2600°C).

Atomare Vorstellung der Wärmewirkung des elektrischen Stroms

Fließt noch kein Strom durch den Kreis, so schwingen die Atomrümpfe des Metalls geringfügig um ihre Ruhelage. Im Mittel steuert ein Atom ein frei bewegliches Elektron für die Stromleitung bei. Auch die Elektronen führen eine leichte "Zitterbewegung" aus.

Wird der Schalter geschlossen, so bewegen sich die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol. Sie stoßen dabei mit den Atomrümpfen und versetzen diese in stärkere Schwingungen. Stärker schwingende Atomrümpfe äußern sich makroskopisch in einer höheren Temperatur des Leiters.

Im folgenden findest du einige bekanntere Anwendungen der Wärmewirkung des elektrischen Stroms.

Heizkissen Kochplatten Bügeleisen Toaster Nachtspeicherofen Wasserkocher

Zwei weitere Anwendungen sind eher unbekannt:

Hitzdrahtstrommesser
Schmelzsicherung

Die Schmelzsicherung: Sie dient dazu, bei zu großer Stromstärke den Stromkreis zu unterbrechen.

Der Hitzdrahtstrommesser: Er dient dazu, die Stromstärke in einem Stromkreis objektiv zu messen.

Glühlampe

Glühlampen dienen seit mehr als hundert Jahren zur Beleuchtung, zum Nachweis eines geschlossenen Stromkreises und zur "Je ..., desto ..."-Beurteilung der elektrischen Stromstärke. Da bei der Glühlampe aber die Leuchtwirkung von der Wärmewirkung "übertroffen" wird, wird die Glühlampe in Zukunft nur noch eine untergeordnete Rolle bei der Beleuchtung spielen. Im Artikel Glühlampe findest du weitere Informationen zur Glühlampe.

Halogenlampe

Halogenlampe dienen ebenfalls zur Beleuchtung. Eine Halogenlampe funktioniert ähnlich wie eine normale Glühlampe. Der Unterschied liegt jedoch darin, dass die Glühwendel stärker als bei der Glühlampe aufgeheizt und somit eine hohe Lichtausbeute erreicht wird.

Ohne besondere Vorkehrung würde die Wendel der Halogenlampe relativ schell "verbraucht" sein. Durch die Zugabe eines Halogens (z.B. Jod oder Brom) in den Quarzglaskolben wird durch chemische Umsetzungen dafür gesorgt, dass das vom Glühdraht "abdampfende" Wolfram sich nicht am kühleren Glaskolben niederschlägt, sondern wieder zur Wendel zurück transportiert wird.

Es gibt verschiedene Bauweisen von Halogenlampen.

Für Niedervolt-Halogenlampen (meist 12V) muss die Netzspannung (230V) heruntertransformiert werden. Hochvolt-Halogenlampen mit Schraubsockel können direkt an das Netz angeschlossen werden.

LED (Licht emmitierende Dioden)

LEDs sind Halbleiterbauelemente, die Licht abstrahlen, wenn sie vom Strom durchflossen werden. Sie dienen als Signalleuchten und zur Beleuchtung. Die Funktionsweise einer Leuchtdiode kann aber erst in einer höheren Klassenstufe sinnvoll erklärt werden.

Gegenüber herkömmlichen Lichtquellen haben Leuchtdioden einige wesentliche Vorteile:

Die Effizienz der LEDs gegenüber Glühlampen ist wesentlich höher und ist in den letzten Jahren erheblich verbessert worden.

Die LEDs entwickeln im Vergleich zu Glühlampen kaum Wärme, die abgeführt werden muss.

Die Lebensdauer und die Robustheit von LEDs ist den Glühlampen weit überlegen.

Zum Betrieb der LEDs benötigt man nur ungefährliche Kleinspannungen, allerdings ist damit ein Vorschaltgerät notwendig.

Das von den gewöhnlichen Leuchtdioden ausgesandte Licht ist streng einfarbig. Inzwischen ist man aber auch in der Lage mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen.

Früher konnte man LEDs aufgrund ihrer geringen Helligkeit nur für die Ziffernanzeige beim Messgeräten oder als Signallampen einsetzen. Inzwischen gelang es die Lichtleistung deutlich zu erhöhen, so dass man sie heute zunehmend auch für Beleuchtungszwecke verwendet:

Mini-Taschenlampe mit langer Lebensdauer. LEDs bei Ampeln oder Rücklichtern. Beleuchtung einer Glasfassade mit LEDs.

Leuchtstofflampe

Leuchtstofflampen (oft fälschlicherweise als "Neonröhren" bezeichnet) haben ein hohe Lichtausbeute, geringen Stromverbrauch und sehr lange Lebensdauer. Sie dienen der Beleuchtung großer Räume oder von Außenanlagen. Die stabförmigen Lampen leben etwa acht- bis zwanzigmal so lange wie herkömmliche Glühlampen und verbrauchen je nach Typ und Helligkeit bis zu 85% weniger Strom.

Auch die in jüngster Zeit so häufig eingesetzten Energiesparlampen zeigen ähnlich gute Verbrauchseigenschaften wie die langen Leuchtstoffröhren. Das Funktionsprinzip ist bei beiden Lampentypen gleich.

Das Funktionsprinzip von Leuchtstofflampen (nur für besonders Interessierte):

In den Leuchtstoffröhren befindet sich Quecksilberdampf. Nach dessen Zündung (vgl. Glimmlampe) senden die durch Elektronen angeregten Quecksilberatome ultraviolettes Licht (UV-Licht) aus. Das nicht sichtbare UV-Licht wird von einer Leuchtstoffschicht auf der Glasinnenseite in sichtbares Licht umgewandelt - je nach Leuchtstoff in einer anderen Lichtfarbe. Ein Vorschaltgerät sorgt für den richtigen Lampenstrom.

Beim Einschalten einer Leuchtstoffröhre muss - im Gegensatz zur Glühlampe - ein höherer Aufwand getrieben werden: Nach dem Schließen des Schalters S zündet die Glimmlampe und erwärmt sich. Dadurch erwärmt sich der Thermoschalter und schließt den parallel zur Lampe geschalteten Kreis. Nun kann Strom durch die Spule und die Glühwendeln fließen. Dadurch wird das Gas um die Glühwendeln erhitzt, was die spätere Zündung des Füllgases erleichtert. Der geschlossene Thermoschalter überbrückt aber die Glimmlampe, so dass diese erkaltet und sich der Thermoschalter wieder öffnet. Der Strom durch den Starter wird unterbrochen, wodurch es in der Vorschalt-Spule zu einer Spannungsspitze kommt, welche die Zündung der Leuchtstoffröhre bewirkt. Die Quecksilberatome werden ionisiert und durch die beschleunigten Elektronen zur Lichtaussendung angeregt. Nach dem Zünden fließt Strom nur noch über die Gasstrecke der Leuchtstofflampe, der parallelgeschaltete "Starter-Kreis" ist offen. Die vorgeschaltete Spule hat neben der Aufgabe der Zündung auch noch die der Strombegrenzung im Dauerbetrieb.

Die chemische Wirkung des Stroms, die sogenannte Elektrolyse, hat heute eine große technische Bedeutung. Erst als man leistungsfähige Stromquellen (Allesandro VOLTA) zur Verfügung hatte, wurde man auf die chemische Wirkung aufmerksam.

Vorbemerkung: Um den Vorgang der Elektrolyse verstehen zu können, solltest du die Seite über atomare Vorstellung durchgearbeitet haben.

Prinzip

Zum besseren Verständnis der Elektrolyse soll zunächst ein Beispiel betrachtet werden:

An zwei Elektroden (z.B. Kohlestifte) ist eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die beiden Kohlestifte tauchen in destilliertes Wasser ein.

Bei nicht zu hohen Spannungen fließt kein Strom, da destilliertes Wasser kein guter Leiter ist.

Setzt man dem Wasser eine Lauge oder eine Säure zu, so wird die Flüssigkeit leitend, man nennt sie dann Elektrolyt. Aber auch die Zugabe von bestimmten Salzen (z.B. Kupferchlorid CuCl2) führt dazu, dass Strom fließt.

Wie sich diesen Vorgang im atomaren Bereich vereinfacht vorstellen kann zeigt die nebenstehende Animation:

Beim Einbringen in die Flüssigkeit zerfällt das Kupferchlorid in das zweifach positive Ion Cu++ und die beiden einfach negativen Ionen Cl -.

Die beiden negativen Ionen wandern zum Pluspol (Anode) und geben dort jeweils ihr überschüssiges Elektron ab. Die beiden Chloratome bilden das Chlorgas Cl2.

Durch die Spannungsquelle werden diese Elektronen zum Minuspol "gepumpt".

Das Kupferion wandert zum Minuspol (Katode) und wird durch die dort im Überschuss vorhandenen Elektronen neutralisiert.

Lässt man den Strom längere Zeit eingeschaltet, so überzieht sich die rechte Elektrode mit Kupfer.

Wir verabreden deshalb folgende Definition:

Unter einer Elektrolyse versteht man die Zersetzung bzw. Umsetzung eines Stoffes durch den elektrischen Strom. Es handelt sich dabei um eine erzwungene Reaktion im Gegensatz zu den "freiwillig" ablaufenden Reaktionen in galvanischen Elementen. Die Elektrolyseapparatur besteht aus zwei Elektroden, einer äußeren Gleichstromquelle und dem Gefäß zur Aufnahme des Elektrolyten.

Im folgenden stellen wir noch zwei wichtige Anwendungen vor.

Galvanisieren

Unter dem Galvanisieren versteht man das oberflächliche Überziehen von Metallen oder leitend gemachten Nichtmetallen mit einer meist dünneren edleren Metallschicht.

So können z.B. Eisenteile bei denen die Gefahr des Verrostens besteht mit einer Kupfer- oder Zinkschicht überzogen werden (Korrosionsschutz).

Eine Methode besteht z.B. darin, dass man das zu verkupfernde Eisenstück in eine Kupfersulfatlösung taucht und mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbindet. Die mit dem Pluspol verbundene Elektrode ist aus Kupfer. Nach dem Einschalten des Stromes überzieht sich das Werkstück allmählich mit einer Kupferschicht, deren Dicke von der Versuchsdauer und der Stärke des fließenden Stroms abhängt.

Hinweis: Früher legte man die Einheit der Stromstärke (das Ampere) mit Hilfe der Elektrolyse in einer Silbernitratlösung wie folgt fest: Die Stromstärke beträgt 1 Ampere, wenn an der negativen Elektrode in einer Sekunde 1,118 mg Silber abgeschieden wird.

Schmuckstücke deren Preis nicht zu hoch sein sollte, die aber trotzdem edel aussehen sollen, können mit einer dünnen Silber- oder Goldschicht überzogen werden (Veredelung).

Wasserelektrolyse

Für den Antrieb von Autos wird das aus Erdöl gewonnene Benzin immer knapper. Man glaubt, dass für den Antrieb der Zukunft der Wasserstoff (chemische Formel H2) von großer Bedeutung sein wird. Einige Automobilfirmen experimentieren bereits seit einigen Jahren mit den sogenannten Wasserstoffautos.

Reiner Wasserstoff steht uns in der Natur nicht direkt zur Verfügung, jedoch ist sehr viel Wasserstoff in unserem Wasser (chemische Formel H2O) enthalten. Dabei steht O für Sauerstoff.

Die Abtrennung des Wasserstoffs vom Sauerstoff gelingt durch die Elektrolyse. In dem nebenstehend dargestellten Behälter befindet sich Wasser, welches durch Salz leitend gemacht wurde. Legt man wie skizziert eine Gleichspannung an die Elektroden, so entsteht im linken Teil der Anordnung Sauerstoff und im rechten Teil Wasserstoff.

Man hofft die elektrische Energie, welche für die Wasserstoffelektrolyse benötigt wird mit Hilfe von Solarzellen gewinnen zu können.

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