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Was ist der Unterschied zwischen Strom und Spannung?

Von Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. (FH) Bernd Obergassel

Zunächst einmal, möchte ich die Frage so formulieren:
Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Strom?

Warum? Gaaanz einfach. Erst muss die Spannung vorhanden sein, damit überhaupt ein Strom in einem Leiter fließen kann. (Ohne Spannung - nix Strom)

Man beachte: Spannung ist da (liegt irgendwo an) - und Strom fließt!
Möglicherweise - oder auch nicht - das kommt ganz drauf an.
Worauf? Na darauf, ob der Stromkreis geschlossen ist oder eben nicht.

Nun bemühen wir mal unsere Phantasie (auch wenn es schwer fällt, nach vielen Jahren Computergeklicke und Smartphonegewische ;-) ).

Da stellen wir uns mal eine Menschenmenge von, sagen wir 20 Leutchen, vor, die früh morgens vor dem XY-Kaufhaus stehen und darauf warten eingelassen zu werden.

Die Leutchen stellen nun unsere Elektronen in einem nicht geschlossenen, also geöffneten Stromkreis dar. (Der Schalter ist nicht geschlossen) Dort dümpeln dann die Elektronen in der Batterie vor sich hin - langweilen sich, und warten (mit Spannung) nur darauf, dass jemand den Schalter umlegt.
Die Anzahl der Elektronen die sich da so vor sich hinlangweilen, bestimmen die Höhe der Spannung.
Formelzeichen: U, Einheit: V (Volt).
Fazit: Ohne Elektronen keine Spannung.

Ebenso bestimmt die Anzahl der Menschen vor dem XY-Kaufhaus die möglichen Spannungen die immer entstehen wenn viele Menschen sich auf engem Raum aufhalten. Aber nehmen wir einfach an, sie warten mit Spannung darauf, dass ein freundlicher Angestellter des XY-Kaufhauses einen Schalter umlegt und sich die Türen öffnen.
Formelzeichen: Menschen, Einheit: Kunden - oder so ;-).
Fazit: Ohne Menschen keine Spannung.

Schweifen wir mal kurz ein wenig ab und stellen uns vor, dass die Leute länger warten als nötig (der Laden sollte schon seit fünf Minuten geöffnet sein).
Die Leute sind geladen - sie könnten die Türe eindrücken - also (destruktive) Arbeit verrichten.
Bei der elektrischen Spannung sagen wir: Die elektrische Spannung ist ein Maß für die Arbeitsfähigkeit von Ladung, für ihre Energie - erst wenn sich die Ladung bewegt, wird Arbeit verrichtet. Nun wieder zurück.

Schließt jemand in unserem Stromkreis den Schalter, so ist das vergleichbar mit dem Öffnen der Türen im XY-Kaufhaus - die Menschen, bzw. Elektronen im Schaltkreis beim Schließen des Schalters, können hinein.
In unserem Kaufhausfall haben wir einen Menschenstrom ;-)

In unserem Stromkreis haben wir dagegen einen Elektronenfluss, man sagt:
Ein Strom fließt. Die Spannung fällt ab. Ebenso, bei den Menschen vor unserem Kaufhaus.
Fließen die Elektronen, dann können wir auch einen Strom messen, genau so, wie wir die Menschen die in das XY-Kaufhaus strömen zählen können - z.B. mithilfe einer Lichtschranke, oder mit einer Strichliste.

Stellen wir uns nun vor, dass die Türen des XY-Kaufhauses nur wenig geöffnet sind, so drängeln sich die Menschen - ihnen wir dabei warm.
Es "strömen" je Sekunde nur wenige Menschen gleichzeitig hinein.

Analog wieder dazu: In unserem geschlossenen Schaltkreis befindet sich nur ein dünner Draht - die Elektronen müssen sich hindurchquälen - ihnen wird auch "warm", genauer: durch ihr drängeln erwärmt sich der Draht - mithin bis zur Weißglut.
(Glühbirne)

Öffnen wir im XY-Kaufhaus die Türen ganz weit, so können nun viele Menschen auf einmal hinein - die Spannung fällt schlagartig ab (Uff-endlich!).
Die Menschen verteilen sich im Kaufhaus.
Das gleiche geschieht in unserem Stromkreis, wenn wir einen dicken Draht benützen.
-> Schließen wir den Stromkreis kurz mit einem dicken Draht, dann können fast alle Elektronen gleichzeitig fließen, die Spannung sackt auch hier stark ab bis auf eine sehr niedrige Kurzschlussspannung, es fließt dann der Kurzschlussstrom.

Formelzeichen: I, Einheit: A (Ampere)
1 Ampere, dass bedeutet, dass pro Sekunde 6,25 * 10^18 Elektronen durch einen Leitungsquerschnitt hindurchfließen.
Auf den französichen Physiker Andrè-Marie Ampere (1775-1836 ) geht die Maßeinheit übrigens zurück.

Und den elektrischen Widerstand können wir an dieser Stelle auch gleich erklären:
Die enge Tür entspricht dem dünnen Draht - der Widerstand ist hoch; sowohl die Leutchen müssen sich durch die enge Tür quetschen und schieben, als auch die Elektronen durch den dünnen Draht. Umgekehrt ist bei weiter Tür, wie bei einem dicken Draht, der Widerstand gering.

So wie es Türen gibt, die sich leichter bewegen lassen als andere, so haben auch die metallischen Leiter gleichen Querschnitts einen unterschiedlichen Widerstand, den sie den Elektronen entgegensetzen.

Formelzeichen: R, Einheit: Ohm (1 Ohm=1 Volt/Ampere)
Diesmal gab ein deutscher Physiker, der Herr Georg Simon Ohm (1787-1854) seinen guten Namen her.


Und wenn wir gerade so schön dabei sind...

Was versteht man unter Wechselstrom?

Erläuterung: Es können nacheinander Menschen in das XY-Kaufhaus hinein oder hinaus - der (Menschen-) Strom wechselt seine Richtung.

Was versteht man unter Drehstrom?

Erläuterung: Wir haben eine Drehtür eingebaut ;-)

Was versteht man unter der elektrischen Kapazität?

Das ist auch einfach zu erklären.
Ein einfacher Kondensator besteht aus zwei sich gegenüber- stehenden Metallplatten, zwischen denen sich ein nichtleitendes Material, das Dielektrikum (z.B. Luft, Papier, Keramik etc.) befindet.
Durch Anschluss einer Batterie hüppeln die Elektronen vom Minuspol der Batterie, denn dort sind sie massenhaft versammelt, durch den Draht auf eine Metallplatte. Dadurch wird diese negativ aufgeladen, denn unsere Elektronen sind ja negativ geladen - das ist gerade deren Eigenschaft.
Eigentlich wollten sie ja zum Pluspol der Batterie. Das können sie aber nicht, da der Spalt zwischen den Platten nicht so leicht zu überwinden ist. Also sammeln sie sich auf einer Plattenseite, wodurch diese negativ geladen wird.
Auf dieser Platte haben wir dann einen Elektronenüberschuss.

Auf der anderen Plattenseite hingegen, da, wo keine Elektronen durch die Batterie hingedrängt wurden, befindet sich der positive Pol unseres einfachen Plattenkondensators.

Die Batterie wirkt also wie eine Elektronenpumpe - sie pumpt die Elektronen von der einen (+) auf die andere (-) Seite und verrichtet dabei Arbeit.

Hier können wir uns analog dazu das Erdgeschoss und ein zusätzliches Obergeschoss unseres imaginären Kaufhauses vorstellen.
In unserem Kaufhaus führt eine Treppe ins Obergeschoss. Die Leutchen - wieder vergleichbar mit den Elektronen im Kondensator - strömen nun alle ins Obergeschoss weil da die Aktionsware aus der - wie immer zu dämlichen - Werbung angeboten wird. (im Erdgeschoss ist heute nix los)
Hat unser XY-Kaufhaus ein Fassungsvermögen von, sagen wir mal 2000 Menschen, entspräche dies der Kapazität. (Einheit: Menschen/Quadratmeter)

In unserem Stromkreis aus Batterie, Zuleitung, Kondensator, sammeln sich die Elektronen wie gesagt auf einer Metallplatte des Kondensators. Die Spannung der Batterie treibt (pumpt) sie dahin.
Je nach Fassungsvermögen in Anzahl Elektronen redet man von elektrischer Kapazität.

Formelzeichen: C, Einheit: Farad (1 Farad=1 Coulomb/Volt)
Treibt eine zu hohe Spannung zu viele Elektronen in den Kondensator kann es zu einem überschlag kommen. (Peng!) - Die Elektronen suchen sich den Weg durch die Isolierung, dem Dielektrikum (in unserem Beispiel: Luft).

In unserem Kaufhausbeispiel hieße das, dass zu viele Leute ins Obergeschoss liefen (z.B. 4000) und die Decke einstürzte (autsch - das' ja übel).

Warum eilt bei einem Kondensator der Strom der Spannung voraus?

Na, ist doch klar: Erst müssen die Elektronen durch die Leitung fließen, damit sie sich auf einer Kondensatorplatte sammeln können.
Oder analog: Erst müssen die Leutchen die Treppe hinaufströmen, damit sie sich im Obergeschoss über die Wühltische hermachen können.

(Anmerkung: Dies gilt im Gleichstromkreis nur für den kurzen Einschaltmoment.
Im Wechselstromkreis sorgt dieses Verhalten zur sogenannten Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung - und dann wird es ein ganz klein wenig komplexer)

Und warum kommt der Stromfluss nach kurzer Zeit nahezu zum erliegen?

Na ist doch klar: Hat die Spannung die Elektronen durch die Leitung getrieben bis eine entsprechende Ladung auf einer Kondensatorplatte vorhanden ist, dann kommt der Stromfluss zum erliegen, da die am Kondensator nun vorhandene Spannung ja nicht größer als die treibende Spannung (aus der Batterie) werden kann.

Sonst würde der Kondensator ja einen Strom in Richtung Batterie treiben.
Kann er aber nicht, weil:
Batteriespannung + Spannungsabfall an der Leitung = Kondensatorspannung!

Im Kaufhausbeispiel kann man sich vorstellen, dass die gierigen Leutchen die Treppe zum Obergeschoss raufstürmen bis die Geschäftsleitung die Treppe wegen Überfüllung des Obergeschosses sperrt - nix geht mehr :-)
Erst wenn einige Kunden das Obergeschoss verlassen haben, (z.B. durch einen Sprung aus dem Fenster) dürfen wieder welche rauf.

Auch beim Kondensator ist das so - es fließt ein geringer Leckstrom, da ein realer Kondensator immer verlustbehaftet ist - er entlädt sich von ganz allein, abhängig von der Güte des Dielektikums - also der Schicht zwischen den beiden Kondensatorplatten.
Eigentlich muss man nun noch der Vollständigkeit halber sagen, dass die Energie sich in dem Feld zwischen den Platten befindet - also dort als Feldenergie gespeichert ist.
(Es springen immer ein paar Elektrönchen rüber; das ist dann der Leckstrom - das schaffen die kleinen Racker sogar im Vakuum)


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Dortmund, Dezember 2016.   Recht auf Änderungen und Irrtümer vorbehalten.

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