Wikijunior Wie Dinge funktionieren/ Elektrischer Strom

Du benutzt Strom täglich. Wahrscheinlich ohne, dass du es merkst. Zum Beispiel benutzt du Strom, während du dieses Kapitel liest. Der Computer bekommt seine Energie vom Strom. Du siehst aber nur die Effekte des Stroms, denn Strom selber können wir nicht sehen. Manchmal spürst du auch den Strom, wenn du bei sehr trockenem Wetter über Teppich läufst und dann etwas anderes anfasst, dann „beißt“ dich der Strom. Bei einem Blitzschlag können wir ausnahmsweise mal den Strom sehen, aber auch nur, weil der so groß ist, dass er die Luft zum Leuchten bringt. Das siehst du dann als Blitz. Damit wir den Strom bändigen können, benutzen wir Leitungen, also sowas wie das Kabel, was von deinem Computer zur Steckdose führt. Die sind aus Kupfer und können den Strom sehr gut führen, dieses Strom führen nennen wir „leiten“. Und das Kupfer selbst nennen wir deshalb einen Leiter oder eine Leitung.

Wir nennen das so einfach Strom, aber zu Strom gehört noch mehr, nämlich zum Beispiel die Spannung und noch einiges anderes. Das alles nennen wir Elektrizität und ohne die würde die Welt, in der wir heute leben, gar nicht möglich sein. Die Elektrizität weckt uns schon am Morgen durch den elektrischen Wecker, macht Licht und toastet Brot. Sie lässt Ampeln, Autoscheinwerfer und Laternen leuchten, bewegt die S-Bahn, betreibt Computer, Mobiltelephone, den Fernseher und viele Maschinen. Sie kühlt den Kühlschrank, heizt den elektrischen Herd und lässt die elektrische Zahnbürste arbeiten.

Ist Strom gefährlich?

Natürlich! Wenn man mit elektrischem Strom in Kontakt kommt, kann das sehr gefährlich sein. Aus einer Steckdose kann sehr viel Strom kommen. Und wenn die durch den Menschen fließt, kann das tödliche Folgen haben. Also lass lieber die Finger weg von Steckdosen und sonstigen elektrischen Anschlüssen wie Lampenfassungen, Sicherungskästen etc.. Es gibt nicht ohne Grund den Beruf des Elektrikers, der genau weiß, wie das alles funktioniert.

Aber diese Frage steht in diesem Kapitel sehr weit oben, denn es gibt kaum ein anderes "Ding" das gefährlicher ist als Strom. Strom kann zwar auch ganz harmlos sein, wie du sicher weißt, weil du schoneinmal die Batterien einer Taschenlampe gewechselt hast. Aber 9 von 10 mal, wo wir Strom benutzen oder erleben, nämlich immer dann, wenn wir es mit dem Strom aus der Steckdose zu tun haben, kann dieser tödlich sein. Es ist wichtig, dass du das weißt und verstehst, bevor wir mehr erklären.

Wir werden im Verlauf des Kapitels zwei Begriffe stark benutzen: Spannung und Strom. Keins von beiden ist unmittelbar tödlich, aber das richtige Verhältnis ist es, was uns töten kann. Stell dir vor du möchtest dich duschen, es kommen nur ganz kleine Tröpfchen aus der Duschkopf, das ist nicht gefährlich. Du weißt aber, dass du in Wasser ertrinken kannst. Und du weißt auch, dass Wasser, wenn es ganz groß, viel und lange da ist, sehr stark sein kann und zum Beispiel Flusstäler in den Berg schneidet. Genauso ist es mit dem Strom. Wenn du unter einer Dusche stehen würdest, wo gaaanz viel Wasser gaaanz weit oben ist, aber es nur tröpfchenweise auf dich fällt, dann ist das kein Problem. Die Höhe des Wassers ist hier die Spannung und das Rinnsal aus Tröpfchen der Strom. Genauso ist es andersrum, wenn du im Schwimmbad bist, dann ist das Wasser um dich, es wird aber ständig hin und her gepumpt und fließt dadurch sehr stark, aber weil das Wasser auf der gleichen Höhe ist wie du (du schwimmst ja darin), bekommst du davon nichts mit.

Was haben diese beiden Beispiele jetzt mit dem Strom zu tun? Sie machen das Verhältnis deutlich: Große Spannung und kleiner Strom (das tröpfelnde Rinnsal), dabei kann nichts passieren. Großer Strom und kleine Spannung (wie im Beispiel beim Schwimmbad oben), dabei kann genauso wenig passieren. Den ersten Fall kennst du bereits, über den haben wir oben gesprochen, wenn dich der Strom „beißt“, wenn Du über Teppich gelaufen bist. Dann ist die Spannung sehr groß, aber es fließt nur ein kleiner Strom. Der zweite Fall mit dem Schwimmbad ist vergleichbar mit einer Batterie, die hat eine kleine Spannung, normalerweise 1,5 Volt (Das ist die Einheit in der wir die Spannung messen, sowas wie „Meter“ oder „Sekunde“), aber man kann vergleichsweise viel Strom daraus bekommen. Wenn aber Spannung und Strom groß sind, so wie das bei der Steckdose ist, dann ist das lebensgefährlich. Würde ganz viel Wasser ungehindert auf dich herunter platschen würde es dich erschlagen und ertränken.

Es gibt noch sehr viel größere Spannungen und Ströme, als die aus der Steckdose, aber hier brauchst du dir keine Sorgen zu machen, du wirst mit diesen nie in Berührung kommen, solange du noch jung bist und ein bisschen deinen Eltern vertraust. Wenn sie dir etwas verbieten, dann heißt das nicht, dass sie dir etwas Tolles nicht sagen oder zeigen wollen, sie wollen dich vielleicht einfach nur vor ganz viel Strom und Spannung beschützen.

Wieso nennt man das Elektrizität?

Elektron ist altgriechisch und heißt Hellgold oder eben auch Bernstein. Das sind diese orangefarbenen Steine, die eigentlich keine Steine sind. Sie waren einmal Baumharz, das gehört hier aber nicht direkt zum Thema, daher werden wir das erstmal nicht weiter erklären. Du hast diese Steine vielleicht schon einmal am Strand an der Ostsee gesehen oder Verwandte von dir haben Schmuck aus diesen rötlichen Steinen. An ihnen hat man als erstes den Effekt beobachtet, den Elektrizität zeigt. Daher kommt die Bezeichnung für die Teilchen, die für die Elektrizität bedeutsam sind: Die Elektronen. Daraus wurde dann der Name für die ganze Wissenschaft, die Elektrizität.

Was ist denn eigentlich Strom?

Als Strom allgemein bezeichnet man die Bewegung vieler Teilchen in die gleiche Richtung. Beim elektrischen Strom sind das diese Elektronen, die sich da bewegen. Elektronen sind ganz winzig kleine Teilchen, die sich gegenseitig anstoßen. Durch dieses Anstoßen geben sie Energie weiter. Die Energie geben sie aber nur dann in eine einzige Richtung weiter, wenn eine Spannung vorhanden ist. Dazu sagen wir auch, an dem Leiter liegt eine Spannung an, sonst stoßen sie einfach nur so aneinander. Das ist der nächste Begriff den du oben schon gelesen hast. Eine Spannung zwischen zwei Punkten heißt, dass auf der einen Seite mehr von den kleinen Teilchen sind, als auf der anderen. Sie sind also wie auf zwei Lastern mit einem Bagger von der einen Seite auf die andere Seite geladen worden. Wir nennen das dann auch tatsächlich „Ladung“. Die Ladung von der einen Seite fließt als Strom auf die andere Seite, wo etwas fehlt.

Versuch – Was ist Strom?

Wir wollen versuchen uns das ein bisschen zu verdeutlichen. Lass dir bei dem Versuch am besten von einem Erwachsenen helfen.

Was brauchen wir?

Zwei Trinkbecher aus Plastik
Einen Strohhalm
Einen Spitzen Gegenstand mit dem du Löcher in die Trinkbecher machen kannst, vielleicht einen gut gespitzten Bleistift
Wasser
Eventuell eine große Schüssel, damit es nicht so eine Sauerei macht, wenn dir etwas daneben läuft.
Eventuell etwas Klebeband

Wie machen wir das?

Wenn du keine große Plastikschüssel hast, kannst du den Versuch auch draußen machen. Du nimmst dir die beiden Trinkbecher und machst in beide auf gleicher Höhe ein Loch, das groß genug ist um den Trinkhalm durch zu stecken. Achte darauf, dass das Loch in der unteren Hälfte des Bechers ist, aber nicht ganz unten. Das muss sein, damit wir den Effekt beobachten können aber du den Trinkhalm auch noch mit einem Finger verschließen kannst. Wenn die Löcher zu groß sind, oder damit es nicht zu doll tropft, kannst du den Trinkhalm auch versuchen mit Klebeband an den Bechern abzudichten.

Jetzt kommen wir zum eigentlichen Versuch: Halte in dem einen Becher mit einem Finger den Trinkhalm zu und fülle auf der anderen Seite Wasser in den Becher. Dein Aufbau sollte so dicht sein, dass es nur ein kleines bisschen tropft. Wenn du jetzt den Finger von dem Trinkhalm nimmst, fließt Wasser in den anderen Becher. Und zwar so lange, bis die Becher gleich hoch gefüllt sind. Es wird wahrscheinlich etwas Wasser daneben laufen, aber das stört uns nicht, wir haben ja die große Schüssel drunter gestellt. Besonders viel Spaß macht das aber auch draußen im Sommer in der Sonne.

Du hast gerade etwas wichtiges beobachtet:

Wasser fließt durch den Trinkhalm von der Ladung Wasser in dem einen Becher auf die unbeladene Seite des anderen Bechers.
Es fließt also ein Strom (Wasser im Trinkhalm) von der mit Spannung (viel Wasser) geladenen Seite durch den Leiter (der Trinkhalm) auf die andere Seite, bis auf beiden Seiten gleich viel Spannung (also Wasser) ist.

Und was ist jetzt Gleichstrom und Wechselstrom?

In dem Versuch ist das Wasser nur in eine Richtung geflossen. Bewegen sich die Teilchen also nur in eine Richtung, nennen wir den Strom Gleichstrom. Wenn dein Versuchsaufbau gut abgedichtet ist, und das Wasser nicht zu schnell durch kleine Löcher abgeflossen ist, kannst du jetzt einen weiteren Versuch machen. Wenn du die beiden Becher in die Hand nimmst, kannst du durch hin und her bewegen der Becher dafür Sorgen, dass das Wasser zwischen den beiden Bechern hin und her fließt. Bewegen sich die Teilchen abwechselnd in die eine, dann wieder in die andere Richtung, nennt man den Strom Wechselstrom. Der Wechselstrom ist der Strom, der auch aus der Steckdose kommt, wenn man ein Gerät damit verbindet.

Und diese Leiter sind die Kabel in der Wand und der Erde?

Genau! Man braucht Leitungen, durch die der Strom über viele Kilometer transportiert werden kann, um bei dir anzukommen. Dass dort Wechselstrom verwendet wird und in deiner Taschenlampe aus den Batterien Gleichstrom kommt, hat viele Vorteile, aber die lernen wir später noch kennen.

Woher kommt der Strom?

Die einfache Antwort ist: Aus der Steckdose, na klar. Oder aus der Batterie. Aber der Strom muss dort irgendwie hin, denn gemacht wird er in Kraftwerken mit Generatoren von denen du links einen sehen kannst. Es gibt unterschiedliche Arten von Kraftwerken. Auf dem Bild ist ein Wasserkraftwerk zu sehen, in dem Wasser von hoch oben herunter fließt. Dabei gibt es die Energie, die es hat, weil es herunter fließt, im Generator ab. Dort wird sie dann zu Strom gewandelt wird. Es gibt also nicht nur die Analogie zum Wasser, die wir oben gebraucht haben, sondern Wasser hoch oben wird auch tatsächlich benutzt, um Strom zu machen, wenn es runter fließt. Man kann aber auch andere Kraft zu Strom wandeln: Windräder zum Beispiel hast du bestimmt schon einmal gesehen. Die haben auch einen Generator oben im Kopf im Zentrum der Flügel. Hier wird Wind zu Strom. Wir Menschen machen überwiegend Wärme zu Strom. Dabei verbrennen wir Kohle, Öl oder Gas oder wir spalten Atome und treiben mit dieser Wärme einen Generator an. Leider entsteht dabei im Gegensatz zur Kraft von Wind, Wasser und Sonne Abfall, um den wir uns kümmern müssen und der nicht immer leicht zu beseitigen ist und manchmal auch der Erde schadet. Allerdings ist es mit Kohl, Öl, Gas und durch Kernspaltung möglich, sehr viel Energie als Strom anzubieten, solange wir genug von dem Ausgangsmaterial haben. Und wir müssen auch nicht warten, bis der Wind weht, bevor wir Strom haben.

Und wie macht dieser Generator jetzt den Strom?

Egal ob es nun ein Kohlekraftwerk oder ein Windrad ist, immer brauchen wir einen Generator. Du selbst benutzt auch Generatoren! Wenn Du Fahrrad fährst und das Licht anmachst: Der Dynamo am Fahrrad ist nichts anderes als ein Generator, der den Strom für Dein Fahrradlicht erzeugt. Wir versetzen einen Magneten, mit dem Du Zettel an den Kühlschrank heftest, in Drehung. Beim Windrad macht das der Wind, bei einem Kraftwerk heißer Wasserdampf. Jetzt halten wir ein Stück aufgewickelten Draht daneben. In dem aufgewickelten Stück Draht entsteht dann Strom. Das kannst Du auch auf dem Bild rechts sehen, wo sich der Magnet dreht. Die schwarzen Pfeile sind der Strom, der entsteht. Wie Du siehst, ändern die Pfeile immer wieder die Richtung: Es ist also Wechselstrom, der entsteht.

Hier erzeugt uns der Magnet also durch seine Drehung Strom. Andersherum funktioniert das auch. Fließender Strom erzeugt auch Magnetische Kräfte. Das nennen wir Magnetfelder. Diese Wechselwirkung zwischen Strom und Magnetismus bringt noch eine ganze Menge Vorteile mehr mit sich. Mit ihr sehen wir fern, telefonieren und können mit Raumsonden Daten austauschen. Aber mit diesem Effekt wollen wir uns hier nun wirklich nicht weiter beschäftigen, wenn du das spannend findest, dann brauchst du bald ein anderes Buch, als dieses hier (Spreche mit Deinen Eltern in diesem Fall über elektronische Experimentierkästen!).

Eine Sache interessiert uns hier aber schon noch: Du hast eben gelernt, dass Magnetfelder und Strom immer zusammengehen und dass wir mit einem sich drehenden Magneten Wechselstrom machen können. Stelle dir vor, wir drehen den Magneten jetzt nicht, sondern leiten Wechselstrom durch die Spule, was wird wohl passieren? Genau, der Magnet fängt an sich zu drehen, und damit haben wir so ganz nebenbei das einfachste Funktionsprinzip eines Elektromotors kennengelernt.

Aber zurück zur Energiewandlung; wenn der Generator die Energie aus einem anderen Ding herauszieht, dann wird das damit langsamer. Mit Strömen können wir also auch bremsen und das wird tatsächlich auch gemacht. Entweder geschieht dies direkt indem zum Beispiel mit Generatoren in den Rädern die Bewegungsenergie zurückgewonnen wird. Oder es geschieht durch die oben beschriebene Wechselwirkung von Strom und Magnetismus. Das nennen wir dann Wirbelstrombremse, wo mit kleinen Stromwirbeln gezielt Magnetkraft genutzt wird. Viele moderne elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Eisenbahnen oder Elektroautos haben oft so eine Wirbelstrombremse. Während mechanische Bremsen mit der Zeit kaputt gehen (das kennst du von deinem Fahrrad, wo du regelmäßig die Bremsklötze auswechseln musst), passiert das bei solch elektrischen Bremsen nicht.

Wofür wird Strom verwendet?

Wir wissen jetzt was Strom ist, nämlich sich bewegende Teilchen durch Leitungen. Wir wissen auch, woher er kommt, aus einem Generator in einem Kraftwerk. Oberflächlich wissen wir auch, wofür er verwendet wird, nämlich damit du morgens geweckt wirst, zum Beispiel. Aber was genau passiert da?

Immer wenn etwas heiß ist, oder sich bewegt, dann hat es Energie. Das ist dir direkt klar, wenn der Wind zum Beispiel so stark pustet, dass er dich umpustet. Oder du dir mit heißer Luft das Haar trocknest. Ganz oben links auf der Seite siehst du ein sogenanntes Kugelstoßpendel, dort geschieht genau das Gleiche. Die zuerst schwingende Kugel bleibt stehen und gibt ihre Energie an die hinterste weiter (weil es ein Pendel ist, bekommt sie sie natürlich später zurück). Zurück zu der Hitze und der Bewegung: Wenn wir uns diese Energie nutzbar machen wollen, müssen wir sie in etwas umwandeln, was wir besser transportieren können, denn dort wo der Wind bläst, willst du üblicherweise nicht schlafen und geweckt werden.

Die Energie des Windes oder die des Wasserdampfes wird also in eine andere Energieform umgewandelt, die wir besser transportieren können. Die hauptsächliche Aufgabe des Stroms in unseren Stromnetzen ist der Transport von Energie. Wir haben gelernt, dass es die sich bewegenden Teilchen sind, die diese Energie übertragen. Aber anders als beim Wasser im Fluss bewegen sich die Elektronen in der Leitung nicht wirklich weiter, dass tun sie nur ganz langsam. Aber sie stoßen mit viel Energie benachbarte Elektronen an und führen so die Energie durch den Leiter. Die Elektronen, die im Generator im Kraftwerk bewegt werden, kommen also wahrscheinlich nie in deiner Steckdose an. Es ist lediglich die Energie, welche transportiert wird.

Genau genommen geht auch die Energie nirgends verloren, aber jetzt wirst du dich fragen, wo sie eigentlich bleibt? Nun erstens natürlich dort, wo wir sie haben wollen: Im Toaster, im Fön, in der Lampe. Steckt man ein Gerät – wir nennen das einen „Verbraucher“ – in die Steckdose, wird die elektrische Energie wieder in eine andere Energieform umgewandelt. Dies kannst du zum Beispiel gut bei einem Toaster ansehen, im Toaster verlaufen Drähte, die rotglühend werden, wenn wir ihn einschalten und er wird warm. Der Toaster wandelt also die Energie des Stroms in Wärme, um dein Toast zu backen. Anders als die Leitungen zum Transport der elektrischen Energie ist dieser Draht nun so gebaut, dass er viel Energie in Licht umwandelt. Allerdings wandelt dieser Draht Energie vor allem in Wärme – das nennen wir „Verlust“ (und das ist auch der Grund, warum sie nicht mehr erlaubt ist). Die Glühbirne wird also heiß und hell.

Der Verlust, den wir beim warm werden der Glühlampe beobachten, passiert leider auch auf dem Transport-Weg der Energie auf den Leitungen: Die Leitungen zwischen Generator und Steckdose werden warm. Und zwar je mehr, je mehr Strom durch die Leitungen fließt. Das ist aber leider nur mit großem technischen Aufwand vollständig zu vermeiden, daher machen wir das noch nicht, bis wir eine Möglichkeit erfunden haben das einfacher hin zu bekommen. Die Energie, die in den Leitungen zu Wärme gewandelt wird, können wir an der Steckdose nicht mehr nutzen, weil sie unterwegs „verloren“ gegangen ist. Tatsächlich benutzt man die Energie lediglich, ob das nun absichtlich geschieht, weil wir das Zimmer erleuchten wollen, oder unerwünscht, weil die Leitungen in der Wand warm werden. Die Energie ist aber immer noch vorhanden, etwa als Licht und häufig eben als Wärme. Sie ist also nicht „verbraucht“, nur in eine Art von Energie umgewandelt, die wir nicht mehr so einfach nutzen können wie die elektrische Energie. Auf der Rechnung vom Kraftwerk steht dann auch nachher nur die genutzte Energie, nicht etwa der Strom oder die Spannung.

Also lass uns nochmal zusammen fassen, wofür verwenden wir Strom? Genau, zum Energietransport vom Windrad zu deinem Toaster und damit der Toaster das Toastbrot röstet, also zum Betrieb von Geräten. Dieser Betrieb kann aber auch anders sein, denn Strom wird auch für die Verarbeitung von Information benutzt, dazu kommen wir aber dann im letzten Abschnitt weiter unten.

Warum benutzen wir so viele Arten von Strom?

Bevor wir dazu kommen, warum das alles so nützlich ist, schauen wir uns aber noch an, warum wir so viele Arten von Strom benutzen. Wir haben schon viel gelesen von hohem Strom und niedrigem Strom, von hoher Spannung und niedriger Spannung, von Gleich- und Wechselstrom. Ich hatte oben versprochen darüber zu sprechen, warum wir das tun. Dafür ist dieses Kapitel gedacht. Jede Art Strom hat nämlich ihre Vorteile, die man mit einer anderen Art nicht erreichen kann. Zum Beispiel gibt es keine Wechselstrombatterien. Warum? Wechselstrom funktioniert nur deshalb so gut, weil die Erzeuger, die Generatoren, und die Verbraucher, die Motoren sich so ähnlich sind. Was müssten wir tun, um eine Wechselstrombatterie zu bauen? Wir bräuchten eine Art drehenden Energiespeicher, und es ist natürlich Unsinn, einen drehenden Enrgiespeicher in das Handy deiner Eltern einzubauen. Besonders weil in Handys üblicherweise keine rotierenden Verbraucher eingebaut sind (außer dem Motor für den Vibrationsalarm). Hier ist Gleichstrom also eine prima Einsatzmöglichkeit.

Wir sind hier also bei Akku(mulator) und Batterie. Beides sind Energiespeicher. Wir brauchen Energiespeicher, weil wir nicht immer dann Energie verbrauchen, wenn sie verfügbar ist. Nachts liefern Solarzellen keinen Strom, weil die Sonne nicht scheint. Solange wir noch Dinge verbrennen können, um Energie zu erhalten, ist das noch nicht so schlimm, aber erstens vergiften Brennstoffe unseren Planeten und zweitens werden sie irgendwann alle sein, spätestens dann muss die Technologie wirklich leistungsfähig sein, die Energie zu etwas umzuwandeln, was lange hält. Dabei ist es egal, ob wir jetzt mit der Energie Biokraftstoff machen (also Benzin für Autos, der nicht aus der Erde kommt, wie Öl) oder tolle Batterien erfunden haben und die Energie dort speichern.

Wenn der Akkumulator leer ist, kann man dort auch wieder Energie nachladen, ihn aufladen, das ist ein wenig, wie oben bei dem Versuch mit den Bechern. Mit Strom laden wir den leeren Akku (also den leeren Becher) wieder auf. In beiden Fällen nutzt man Vorgänge aus der Chemie, um die Energie in diesen Geräten zu speichern. Bis sie leer sind, kann man sie also statt eines Generators verwenden, um damit geeignete elektrische Geräte zu betreiben. Zum Beispiel deinen Fotoapparat, deinen mp3-Player oder deine Taschenlampe. Rechts siehst du eine Taschenlampe mit Generator, dort ist zusätzlich zum Akku eine kleine Kurbel, die einen Generator antreibt. So geht einem die Energie niemals aus, weil man sie selber erzeugen kann.

Man spart sich dabei die langen Leitungen vom Kraftwerk zum Gerät, dafür ist aber die Energiemenge stark begrenzt und diese Energiequellen sind schwer. Zum Vergleich: Im Auto deiner Eltern ist wahrscheinlich ein Benzintank und kein Akku. Auch wenn es heute Autos mit Akku und Elektroantrieb gibt. Man braucht das Gewicht von 12 Benzintanks um ein Elektroauto sinnvoll zu betreiben. Trotzdem hat das Elektroauto dann nur den sechsten Teil der Energie zur Verfügung (also aus einer Schachtel mit 6 Eiern (das Benzinfahrzeug) ist nur ein Ei essbar (das Elektrofahrzeug)). Du siehst, diese Geräte eignen sich also meist eher für kleinere Energiemengen, wie deine Taschenlampe. Wir brauchen aber gute Energiespeicher, denn der Wind wird immer blasen und die Sonne wird immer scheinen, aber Benzin wird irgendwann alle sein.

Dazu kommt auch noch, dass wir nicht immer gleich viel Energie brauchen. Die Betreiber von Kraftwerken betreiben ständig großen Aufwand, um zu jeder Zeit genau so viel Energie bereitzustellen, wie gerade gebraucht wird. Wird mehr Energie bereitgestellt als gerade gebraucht wird, muss diese aufwendig anders genutzt werden, was üblicherweise nicht geht ohne einen höheren „Verlust“ in Kauf zu nehmen. Wird zu wenig Energie bereitgestellt, bricht das Netz zusammen und es kommt schnell zu einem kompletten Stromausfall. Mit den Akkus, die wir heute haben, lässt sich nicht allein das Problem lösen, dass mit Windkraftanlagen oder Sonnenkollektoren nicht zwangsläufig dann Energie produziert wird, wenn wir sie brauchen. Das ist ein Problem an dem Du später vielleicht einmal arbeiten kannst.

Jedes Gerät braucht andere Ströme und Spannungen, das kennst Du vielleicht, weil Du weißt, dass es Taschenlampen gibt, in die kommen drei Batterien und es gibt auch Taschenlampen da kommt nur eine Batterie rein. Jetzt gilt das aber nicht nur für so kleine Geräte, sondern auch für große. Und damit kommen wir zum Vorteil von Wechselstrom: Wir können Wechselstrom unheimlich gut hin und her wandeln. Wir nennen das transformieren, den Begriff Transformator oder kurz Trafo hast Du bestimmt schonmal gehört. Das ist das Gerät, was diese Wandlung durchführt und das macht es wirklich wirklich gut. Deshalb hat fast jedes Gerät, was wir betreiben einen eigenen Trafo, der aus der Spannung und dem Strom der aus der Steckdose kommt, genau das macht, was das Gerät braucht. Das wäre viel schwieriger, wenn wir das mit Gleichstrom machen müssten. Heute gilt das allerdings nicht mehr vollständig, denn die Computertechnologie hat dazu geführt, dass wir das auch mit Gleichstrom ziemlich gut können, aber das wollen wir uns an dieser Stelle erstmal nicht weiter anschauen.

Weil wir den Wechselstrom so gut hin und her transformieren können, haben wir einen besonderen Strom, nämlich Strom, der mit Hochspannung übertragen wird. Wir haben oben gelernt, dass Leitungen warm werden, wenn Strom durch sie hindurch fließt. Je mehr Strom, desto wärmer, wir haben oben auch den Begriff „Verlust“ kennen gelernt. Mit der Spannung haben wir einen Vorteil, der es uns ermöglicht die Energie mit ganz wenig Verlust übertragen zu können, denn je höher die Spannung ist, desto niedriger kann der Strom sein, um die gleiche Menge Energie zu übertragen.

Jetzt kommt alles zusammen: Der Generator macht sowieso Wechselstrom, den können wir ganz prima über den Transformator wandeln, nämlich zu ganz hohen Spannungen, und diese können wir dann mit wenig Verlust durch sogenannte Hochspannungsleitungen übertragen. Wenn die hohen Spannungen und niedrigen Ströme bei Dir im Wohngebiet angekommen sind, werden sie wieder gewandelt zu der „niedrigen“ Spannung 230V und höheren Strömen an deiner Steckdose(Achtung!!! Ich spreche hier zwar von niedrigen Spannungen, aber diese sind immer noch lebensgefährlich!!!). Für das Handy deiner Eltern wird der Strom nochmal im Ladegerät gewandelt und zu Gleichstrom gemacht, um mit der Energie vom Kraftwerk den Akku des Handys aufzuladen. Schließlich kannst du also durch den Strom aus dem Kraftwerk, den du mit dem Akku aus dem Handy deiner Eltern mitgenommen hast, zum Beispiel auf einer Wanderung im Wald fern von jedem Strom deine Großeltern anrufen.

Warum ist das alles so nützlich?

Warum benutzen wir jetzt eigentlich Strom und nicht etwas anderes, um das alles zu machen? Strom hat gegenüber den früheren Lösungen viele Vorteile: Straßenlaternen zum Beispiel wurden früher mit brennbaren Materialien betrieben und mussten nachts angezündet und morgens gelöscht werden. Polizisten mussten den Verkehr regeln, weil es keine Ampeln gab. Wir brauchten viel Kohle um Dampfmaschinen zu betreiben. Das hat alles viel Arbeit und Dreck gemacht, da ist Strom im Vorteil. Strom bietet aber noch viele weitere Vorteile: Wir können ihn über den Zusammenhang zu Magnetismus, über den wir oben gesprochen haben, gut messen und sogar durch die Luft übertragen. Wir können ihn präzise verändern, denn wir benutzen die Leitungen nicht nur, um ihn zu übertragen, sondern auch um ihn aufzuteilen und dadurch gleichzeitig mit ihm mehrere Sachen machen zu können. Das nennen wir dann elektronische Schaltung. Wir kennen ihn so gut, dass wir ihn auch unheimlich gut berechnen können.

Damit können wir sehr gut planen, wie ein Gerät funktionieren soll. Das funktioniert inzwischen so gut, dass wir etwas erfinden konnten, wie einen elektronischen Schalter, den Transistor. Je länger wir daran arbeiten, desto kleiner, schneller und besser wird dieser Transistor und in jedem Gerät, das du benutzt, findet sich bestimmt einer. Dieser Transistor ist auch die Basis für unser Handys, Tablets und Computer. Nicht nur, dass wir den Strom hier in ganz kleine Energiemengen teilen und damit rechnen und Informationen verarbeiten: Wir können damit den Strom selbst noch besser berechnen und planen.

Du siehst, wir benutzen den Strom inzwischen so selbstverständlich und für viele Dinge, dass es wohl lange dauern wird, bis wir etwas besseres finden.

Ich will noch mehr wissen, wonach muss ich suchen?

Es gibt die sogenannten Einheiten von Strom und Spannung. Damit können wir genau angeben, wieviel das ist. Zum Beispiel 230 Volt für die Steckdose oder 1,5 Volt für die Batterie. Die Einheit für den Strom ist das „Ampere“. Es gibt rechnerische Zusammenhänge zwischen allen Größen. Wenn man zum Beispiel Strom und Spannung miteinander multipliziert, kommt etwas heraus, was wir „Leistung“ nennen. Leistung ist Energie (über die wir oben gesprochen haben) pro Zeiteinheit (also zum Beispiel Sekunde). Auch hier kann man alles berechnen und damit unheimlich gut planen.

Auf vielen Geräten findet man Angaben zur Leistung, etwa 30 Watt für den neuen, sparsamen, aber großen Fernseher. Multipliziert man diese Angabe mit der Zeit, die der Fernseher eingeschaltet ist, kann man so leicht ausrechnen, wieviel Geld das Kraftwerk dafür bei der Abrechnung bekommen möchte. Hat der alte Fernseher 120 Watt verbraucht, dann ist das vier mal so viel Leistung und es wird für die gleiche Sendung mit der Maus, die Du gesehen hast, vier mal soviel Energie verbraucht.

Schauen wir uns nochmal den Fluss an: dass das Wasser fließt hängt nicht nur davon ab, dass es sich von oben nach unten bewegt, sondern auch von der Flussbreite und von Hindernissen im Flussbett, der Länge des betrachteten Flussabschnitts und natürlich auch davon, ob im Fluss flüssiges Wasser oder Eis (ein Gletscher etwa) fließt. Genauso ist es beim Strom, hier kennen wir etwas wie den Widerstand, das ist etwa so, als ob der Fluss auf einmal die Breite ändert. Der Zusammenhang zwischen den drei Größen ist: Spannung ist gleich dem Widerstand multipliziert mit der Stromstärke. Das nennen wir das Ohmsche Gesetz. Und wenn Du jetzt immer noch nicht genug hast, dann wünsche dir doch einen Experimentierkasten über Strom und Elektronik zum Geburtstag oder ein gutes Buch zum Thema Elektronik. Viel Spaß damit.

Wusstest Du schon: Die Einheiten Ampere, Volt, Ohm, Watt und Joule sind allesamt nach Wissenschaftlern benannt, die daran gearbeitet haben, die Zusammenhänge zwischen solchen Größen und ihrer Bedeutung in unserer Welt zu erklären.