Grundwissen

Zusammenhang zwischen Strom und Ladung

Ladung als abgeleitete Größe

In einem Stromkreis fließt Ladung. Der folgende Versuch zeigt sehr schön den Übergang vom diskreten Löffeln der Ladung zum kontinuierlichen Ladungstransport.

1. Aufgabe:
Beschreiben Sie den dargestellten Vorgang detailliert mit Hilfe der Elektronenvorstellung.

Den Zusammenhang zwischen der Größe "elektrische Ladung" (Symbol: Q) und der Größe "elektrischer Strom" (Symbol: I) erkennt man gut, wenn man zunächst zwei mechanische Modelle betrachtet.

Verkehrsmodell
Der Autostrom I_auto ist umso größer, je größer die Zahl Z der Autos ist, die pro Zeiteinheit die gestrichelte Linie überfahren.

Autostrom =

Wassermodell
Betrachtet man das strömende Wasser in einer Röhre, so ist der Wasserstrom I_wasser umso größer, je mehr Wasservolumen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche fließt.

Wasserstrom =

Beachten Sie, dass bei unterschiedlichem Rohrquerschnitt das Wasser - bei gleicher Wasserstromstärke - unterschiedlich schnell fließt (vergleiche: Flussenge).

Zusammenhang zwischen elektrischem Strom I und elektrischer Ladung Q
Man könnte ähnlich wie beim Verkehrsmodell den elektrischen Strom feststellen, indem man die Elektronen zählt, die pro Zeiteinheit durch einen Testfläche treten. Da dies in der Praxis nicht möglich ist geht man analog zum Wassermodell vor.
Im elektrischen Kreis ist der Strom umso größer je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche im Leiter fließen. Man definiert:

elektrischer Strom =

Für die Einheit der Ladung gilt:

[Q] = 1 As (Amperesekunde) = 1 C (Coulomb)

Eine weitere Einheit, die beim "Fassungsvermögen" von Batterien eine Rolle spielt ist Ah (Amperestunde).

Nachdem beim internationalen Maßsystem (SI-System) die elektrische Stromstärke als Basisgröße verwendet wird, ist nach obiger Definition die elektrische Ladung eine abgeleitete Größe.

Mitteilung zur Elementarladung:
Ein Elektron ist negativ geladen und besitzt die Elementarladung e = 1,6 · 10^-19 As. Es gibt nur Vielfache dieser kleinsten Ladungseinheit.

Gleicher Strom heißt nicht gleiche Geschwindigkeit der Ladungsträger:
Wenn relativ viele Ladungen langsam durch die Testfläche treten kann dies die gleiche Stromstärke bedeuten, wie wenn sich relativ wenige Ladungen schnell durch die Testfläche bewegen.

Der Versuch mit geladenen Wassertropfen zeigt, dass der oben festgelegte Zusammenhang zwischen Ladung und Strom sinnvoll ist.

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