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Elektrischer Strom und Wasser sind sich gar nicht so unähnlich, wie man womöglich denken mag; doch was genau sind die Gemeinsamkeiten und wo haben die beiden Quellen ihre Unterschiede? In diesem Blogbeitrag klären wir alle Fragen zur These „Strom funktioniert wie Wasser“.
Wie zeichnet sich Wasser aus?
Wasser ist als tägliches Mittel bekannt, um Flüssigkeit zu sich zunehmen, zu duschen oder auch um die Waschmaschine laufen zu lassen. Aber was steckt eigentlich hinter dieser allbekannten Flüssigkeit?
Wasser zeichnet sich durch seine Siede- und Schmelztemperaturen – 100°C und 0°C – aus, weswegen es eine hohe Schmelz- und Verdampfungsenthalpie aufweist. Außerdem ist es der einzig bekannte Stoff, der in allen drei klassischen Aggregatzuständen – fest, flüssig, gasförmig – vorkommt. Zudem hat Wasser eine hohe Dichteanomalie, wodurch das Volumen bei Erstarren größer und die Dichte kleiner wird. Das ist übrigens auch der Grund, wieso Eisberge aus dem Wasser herausragen; sie haben eine geringere Dichte als flüssiges Wasser, wodurch sie etwa 10% leichter sind.
Die physikalischen Eigenschaften von Wasser sind unter anderem:
besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen
Dipolmolekül aufgrund zwei unterschiedlicher Ladungsschwerpunkte
Wasserstoffbrücken entstehen durch die gegenseitige Anziehung von Wasser- und Sauerstoffatomen und bilden eine hohe Oberflächenspannung
hohe spezifische Wärmekapazität, wodurch Wasser viel Energie aufnehmen und speichern kann
gutes Lösungsmittel für ionische und andere polare Verbindungen aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante (Beschreibung der Polarisationsfähigkeit)
Was ist elektrischer Strom eigentlich?
Elektrischer Strom ist das, was uns täglich mit Elektrizität in jeder Hinsicht versorgt: Wir benötigen ihn zum Handy aufladen, Licht anmachen oder um den Kühlschrank kalt zu halten. Aus unserem Alltag ist elektrischer Strom also nicht mehr wegzudenken. Eine grobe Definition könnte sein:
Elektrischer Strom ist ein Fluss, der elektrische Ladung von A nach B bringt.
Und um das vollziehen zu können, benötigt man drei Komponenten:
einen elektrischen Leiter, in dem sich die Elektronen frei bewegen können und der die Komponenten zu einem Stromkreis verbindet
eine Quelle, die die Ladungsträger gesammelt dieselbe Richtung schickt (Energiequelle)
einen Verbraucher, um den Strom nutzen können, z.B. ein Handy, was geladen werden soll
Außerdem gibt es drei verschiedene Stromarten, die sich durch die Flussrichtung der Elektronen und von der Stärke des Stroms, also wie viele Elektronen zu einem Zeitpunkt durch den Leiter fließen, unterscheiden lassen:
Gleichstrom o Richtung und Stärke des elektrischen Stroms ändern sich zeitlich nicht
Wechselstrom o periodische (regelmäßige) Änderungen der Richtung und/oder der Stärke
Mischstrom o Kombination aus Gleich- und Wechselstrom
Auch in der Wirkung kann sich der elektrische Strom je nach Nutzungshintergrund unterscheiden:
Wärmewirkung o dient zur Erwärmung eines Gegenstandes; z.B. ein Elektrogrill
Lichtwirkung o sichtbares Licht wird durch den Elektronenfluss ausgestrahlt; z.B. bei einer Leuchtdiode
Magnetische Wirkung o Strom erhält magnetische Wirkung durch ein magnetisches Feld innerhalb einer Spule; z.B. bei einem Elektromotor
Chemische Wirkung o Erreichung einer chemischen Stofftrennung (Elektrolyse); z.B. zur Herstellung von Chlor oder Wasserstoff
Elektrischer Widerstand
Eine der elektrotechnischen Grundlagen, wenn es um Ladungen und Strom geht, ist:
Widerstand und Spannung sind proportional, aber je größer der Widerstand, desto kleiner der Strom. Wie bei einem Wasserhahn, je weiter dieser zu ist, desto weniger Wasser fließt.
Elektrischer Widerstand (R) kann unter anderem dadurch entstehen, dass Ladungen in metallischen Leitern, beispielsweise in einem Aluminiumkabel, gegen die Ionen des Metallgitters stoßen, wodurch Verluste entstehen und die Leitung wärmer wird. Vergleichen kann man diesen Widerstand mit dem eines Wasserkreislaufes, denn auch hier spielt die Beschaffung der Wasserrohre eine wichtige Rolle: Je mehr Verkalkungen bestehen, desto größer der Widerstand des Wasserflusses.
Der Druck, den Strom benötigt, um einen gleichmäßigen Fluss zu erreichen, wird von einer Energiequelle aufgebaut. Das könnte zum Beispiel ein Kraftwerk sein, das den Strom generiert und in die einzelnen Häuser weiterleitet, wo er am Ende aus der Steckdose heraus vom Verbraucher genutzt werden kann. Wenn die Spannung, beziehungsweise der Druck der Quelle nicht gleichmäßig aufgebaut ist, kann auch der Strom nicht gleichmäßig fließen, was auch eine Form des elektrischen Widerstands ist. Auch eine Beschädigung am Verbraucher, wie ein Ladekabel, ist ein Widerstand, durch den der Strom nicht wie gewollt fließen kann. Wenn hier zu viel Wärme entsteht, kann es gefährlich werden!
Um das zu veranschaulichen, kann man sich wieder am Beispiel Wasser orientieren:
Wenn man einen Wasserhahn nicht komplett aufdreht, sondern den Hebel nur ein wenig öffnet, fließt auch dementsprechend weniger Wasser; der Hahn stellt quasi den Widerstand dar.
Das Ohmsche Gesetz
Um sich die Abhängigkeit der drei Grundgrößen eines Stromkreises (Spannung, Widerstand und Strom) bewusst zu machen, hilft das Ohmsche Gesetz, was besagt, dass eine fehlende Komponente der drei Komponenten mithilfe der vorhandenen Daten der anderen beiden ausgerechnet werden kann. Das sogenannte URI-Dreieck kann bei der Rechnung helfen und sieht folgendermaßen aus:
Der Zusammenhang der drei Komponenten kommt daher, dass die Spannung U und die Stromstärke I proportional zueinanderstehen. Der Ohmsche Widerstand R ist dabei der Proportionalitätsfaktor, der den Wert des Zusammenhangs zwischen U und I beschreibt.
Gemeinsamkeiten von Wasser und Strom
Wasser eignet sich hervorragend, um die Eigenschaften von elektrischem Strom zu erklären, die sich teilweise gar nicht so stark von der Flüssigkeit unterscheiden. Sowohl Wasser als auch Strom können durch Leitungen fließen, was beim Wasser auf Wasserrohre und beim Strom auf Stromleitungen zutrifft. Es gibt aber noch mehr Gemeinsamkeiten:
Unterschiede
Dennoch unterscheiden sich Wasser und Strom natürlich auch:
Strom hat verschiedene Wirkungen (Wärme-, Licht-, magnetische und chemische Wirkung)
elektrischer Strom kann Gleich-, Wechsel- oder Mischstrom bedeuten; Wasser fließt in der Regel nur in eine Richtung
bei Strom bestimmt der Leiter (Kupfer, Aluminium) den Widerstand; Wasser wird durch die verschiedenen Materiale nicht beeinflusst
Fazit
Natürlich sind Wasser und Strom zwei unterschiedliche Elemente, die sich nicht in allem überschneiden. Dennoch eignet sich der Vergleich zwischen den beiden gut, um elektrischen Strom anschaulich zu erklären und greifbarer zu machen. Wenn du in Zukunft also an Widerstand denkst, fällt dir vielleicht das Beispiel des Wasserhahns ein, der den Strom des Wassers regulieren kann.