Elektrotechnische Grundlagen im Auto - Der elektrische Strom

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Um als angehender Kfz-Mechatroniker später auch Diagnosen an immer komplexer werden Systemen durchführen zu können, beginnt dieser trotz allem zunächst erst mit einfacheren Messaufgaben. Dazu sind aber immer auch Grundlagen der Elektrotechnik nötig.

Ein Kfz-Mechatroniker-Azubi prüft, ob und wie viel Spannung an einer Sicherung anliegt (Foto kfztech.de)

Ladungsträger sind für das Fließen eines elektrischen Stromes ursächlich. Ein Leiterwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass in ihm genügend freie Elektronen vorhanden sind. Als Ursache für das Fließen des elektrischen Stroms ist das Ausgleichsbestreben unterschiedlicher Ladungsmengen, die elektrische Spannung, verantwortlich. Zur Spannungserzeugung müssen positive und negative Ladungen getrennt werden. Durch die Verbindung einer Spannungsquelle mit einem elektrischen Leiter können sich die Elektronen schließlich ausgleichen, es findet ein Stromfluss statt. Die maßgeblichen physikalischen Größen sind dabei Strom, Spannung und Widerstand.

Der elektrische Strom als physikalische Basisgröße

Der elektrische Strom, besser gesagt die elektrische Stromstärke, ist eine physikalische Basisgröße nach dem internationalen Einheitensystem (SI). Die elektrische Stromstärke wird mit dem Formelzeichen I abgekürzt, wobei I von Intensität herrührt. Als Einheit wird das Ampere (A) verwendet, das nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère benannt wurde. Ampère hat die Stromrichtung vom Pluspol zum Minuspol festgelegt, was wir heute als technische Stromrichtung kennen. Die Elektronen fließen in metallischen Leitern jedoch vom Minuspol zum Pluspol. Dies bezeichnet man als Elektronenstromrichtung oder physikalische Stromrichtung. Der Unterschied ist geschichtlich bedingt, weil damals noch nicht bekannt war, dass negative Ladungsträger für den Stromfluss verantwortlich sind.

Die technische Stromrichtung ist von Plus nach Minus festgelegt. Tatsächlich fließen die Ladungsträger von Minus nach Plus (=physikalische oder Elektronenstromrichtung). Grafik kfztech.de

Als Definition gilt:

Elektrischer Strom ist die gezielte oder gerichtete Bewegung von Ladungsträgern.

Als Ladungsträger gelten Elektronen oder Ionen. Der elektrische Strom kann dabei wie erwähnt nur fließen, wenn zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Ladungen genügend freie Ladungsträger vorhanden sind. Zur Erklärung der elektrischen Größen wird gerne ein Wassermodell verwendet. Der Stromfluss wird in diesem Fall mit fließendem Wasser in einem Rohr verglichen. Je schneller das Wasser durch das Rohr fließt, desto höher ist die Flussgeschwindigkeit. Didaktischer Hinweis: Eine sehr anschauliche Erklärung des Wassermodells findet man auf der Internetseite von Franz Winter (www.brucewilles.de). Genauso ist es auch beim elektrischen Strom. Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch den Leiter fließen, desto größer ist die elektrische Stromstärke. Die elektrische Stromstärke dient also der zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen Stroms. Um genau zu sein: 1 Ampere entspricht einer Ladungsmenge in einem Leiterquerschnitt von 6,25 * 10¹⁸ Elektronen pro Sekunde, ausgeschrieben 6.250.000.000.000.000.000 e-/s.

Normalerweise liegen die Stromwerte in der Elektronik zwischen einigen Mikroampere (µA) und mehreren Ampere (A). Zum Vergleich: der größte Verbraucher im Auto der Anlasser zieht bei normalen Verhältnissen um die 50 A Strom kurzfristig aus der Starterbatterie. In der Starkstromtechnik kennt man auch Kiloampere (kA). Messgerätehersteller benötigen zum Eichen ein genaues Vergleichsmaß. Es gibt jedoch nicht wie bei der Masse das Urkilogramm ein „Urampere“. Die genaue Festlegung wie groß ein Ampere ist, ist etwas komplexer und weniger anschaulicher. Sie wird durch die magnetische Kraft zwischen zwei geraden, von konstantem Strom durchflossenen Leitern bestimmt.

Gleich- und Wechselstrom

Fließen Elektronen in gleicher Höhe nur in eine Richtung, spricht man von Gleichstrom (engl.: Direct Current = DC). Das heißt, dass sich in einem Stromkreis bei konstanter Spannung gleich viele Elektronen in gleicher Richtung bewegen. In der Praxis sind Batterien und Akkumulatoren und auch Netzgeräte als Gleichstromquellen gute Bekannte.

Strom, der in die gleiche Richtung fließt, nennt man Gleichstrom (blau), wenn er periodisch seine Richtung ändert Wechselstrom (rot). Grafik kfztech.de

Von Wechselstrom (Alternating Current = AC) spricht man dagegen, wenn die Elektronen in gleichen Zeitabständen in die eine und dann wieder in die andere Richtung fließen, also wenn der Strom seine Polung periodisch ändert. Bekanntestes Beispiel für eine Wechselstromquelle ist die Steckdose, die Teil einer 230-Volt-Installation ist. Dies ist aus technischer Sicht erforderlich, weil man nur bei Wechselstrom Spannungen einfach transformieren kann. Bei Wechselstrom lässt sich mit einem Transformator die Spannung leicht und fast verlustlos transformieren, bei Gleichstrom ist dies in direkter Form aber überhaupt nicht möglich. Im Automobil findet man beispielsweise beim Xenon Licht einen hochfrequenten Wechselstrom von 400 Hz. Auf die verschiedenen Wellenformen wird im Übrigen noch gesondert eingegangen werden. Drehstrom setzt sich im Übrigen aus drei zueinander versetzten Wechselspannungen zusammen.

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Textquellen: Elektronik Kompendium, Wikipedia, Bosch, diverse Fachkunde Bücher

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