Elektrischer Strom ist für uns zunächst unsichtbar. Dass ein Strom durch einen Leiter fließt, können wir im Normalfall weder sehen, noch hören oder riechen. Seine Wirkungen lassen sich dagegen jedoch sehr deutlich beobachten und technisch nutzen.
Elektrischer Strom kann beispielsweise einen Leiter erwärmen, ein Magnetfeld erzeugen, chemische Reaktionen auslösen oder Licht erzeugen. Fließt Strom durch den menschlichen Körper, kann er außerdem gefährliche physiologische Wirkungen hervorrufen.
Grundsätzlich lassen sich fünf wichtige Wirkungen des elektrischen Stroms unterscheiden:
- Wärmewirkung
- Lichtwirkung
- magnetische Wirkung
- chemische Wirkung
- physiologische Wirkung
Viele elektrische Geräte beruhen auf einer oder sogar mehreren dieser Wirkprinzipien. Ein Elektromotor nutzt beispielsweise die magnetische Wirkung, während bei einem Elektroherd vor allem die Wärmewirkung entscheidend ist.
1. Wärmewirkung des elektrischen Stroms
Eine der Wirkungen des elektrischen Stroms, ist die Wärmewirkung. Fließt elektrischer Strom durch einen Leiter mit elektrischem Widerstand, wird elektrische Energie teilweise in Wärmeenergie umgewandelt. Der Leiter erwärmt sich.
Diese Wärmewirkung wird bei zahlreichen elektrischen Geräten ganz bewusst genutzt. Typische Beispiele dafür sind:
- Wasserkocher
- Elektroherd
- Toaster
- Heizlüfter
- Lötkolben
- Bügeleisen
Bei einem Elektroherd fließt beispielsweise ein relativ großer Strom durch ein Heizelement. Dessen elektrischer Widerstand sorgt dafür, dass elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Die entstehende Wärme wird anschließend an einen Topf oder eine Pfanne abgegeben.
Verlustleistung in elektrischen Leitungen
Die Wärmewirkung tritt allerdings nicht nur dort auf, wo sie erwünscht ist. Auch elektrische Leitungen besitzen einen Widerstand und erwärmen sich deshalb durch den Stromfluss.
Die dabei entstehende Verlustleistung lässt sich vereinfacht mit folgender Formel beschreiben:
P = I² × R
Dabei gilt:
P = Leistung in Watt (W)
I = Stromstärke in Ampere (A)
R = Widerstand in Ohm (Ω)
Besonders interessant ist dabei die Stromstärke, da sie in der Formel quadratisch eingeht. Das bedeutet, verdoppelt sich bei gleichem Widerstand die Stromstärke, vervierfacht sich die entstehende Verlustleistung.
Ein Beispiel:
Bei einem Widerstand von 1 Ω und einem Strom von 5 A ergibt sich:
P = 5² × 1 Ω = 25 W
Fließen dagegen 10 A:
P = 10² × 1 Ω = 100 W
Obwohl sich der Strom lediglich verdoppelt hat, hat sich die Verlustleistung vervierfacht.
Genau deshalb ist die richtige Dimensionierung elektrischer Leitungen so wichtig (Stichwort: Spannungsfall). Ein zu hoher Strom kann zu einer unzulässigen Erwärmung von Leitungen, Klemmen und anderen Betriebsmitteln führen.
Wärmewirkung als Schutzprinzip
Während die Wärmewirkung auf elektrische Leitungen unerwünscht ist, gibt es auch Anwendungsfälle, in denen man sich diese Wärmewirkung zu Nutze macht.
Ein klassisches Beispiel ist die Schmelzsicherung. Wird der zulässige Strom deutlich überschritten, erwärmt sich der Schmelzleiter innerhalb der Sicherung so stark, dass er schmilzt. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen. Auch bei Leitungsschutzschaltern oder Motorschutzschaltern, spielt die Wärmewirkung eine Rolle (thermische Auslösung).
2. Lichtwirkung des elektrischen Stroms
Elektrischer Strom kann außerdem zur Erzeugung von Licht genutzt werden. Wie das Licht entsteht, hängt allerdings vom jeweiligen Leuchtmittel ab.
Ein klassisches Beispiel ist die Glühlampe. Der elektrische Strom fließt durch einen sehr dünnen Glühdraht. Dieser besitzt einen elektrischen Widerstand und wird durch den Stromfluss so stark erhitzt, dass er zu glühen beginnt und sichtbares Licht aussendet. Der Nachteil bei dieser Form der Lichterzeugung ist, dass nur ein sehr kleiner Teil der elektrischen Energie in Licht umgesetzt wird. Nur etwa 5% der elektrischen Energie einer Glühlampe werden tatsächlich zu sichtbarem Licht. Gut 95% der eingesetzten Energie wird jedoch in Wärme umgewandelt (Wärmewirkung). Daher ist die Glühlampe ein sehr ineffizientes Leuchtmittel.
Bei modernen LEDs funktioniert die Lichterzeugung anders. LEDs bestehen aus Halbleitermaterialien. Beim Stromfluss können Elektronen Energie in Form von Licht abgeben. Dadurch lässt sich elektrische Energie wesentlich effizienter in sichtbares Licht umwandeln.
Auch elektrische Lichtbögen zeigen die Lichtwirkung des elektrischen Stroms sehr deutlich. Zwischen zwei Punkten kann bei ausreichend hoher elektrischer Feldstärke ein leitfähiger Plasmakanal entstehen. Dieser kann extrem hell leuchten und gleichzeitig sehr hohe Temperaturen erreichen. (Bestes Beispiel: Ein Blitz)
Die Lichtwirkung des elektrischen Stroms begegnet uns beispielsweise bei:
- LED-Leuchten
- Kontroll- und Signalleuchten
- Displays
- Leuchtstofflampen
- Lichtbögen
- elektrischen Schweißverfahren
3. Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms
Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld.
Diese magnetische Wirkung gehört zu den wichtigsten Grundlagen der Elektrotechnik und wird in unzähligen elektrischen Maschinen und Geräten genutzt.
Bei einem geraden stromdurchflossenen Leiter entstehen magnetische Feldlinien um den Leiter herum. Wird der Leiter zu einer Spule aufgewickelt, überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen. Dadurch entsteht ein wesentlich stärkeres Magnetfeld.
Wird zusätzlich ein geeigneter Eisenkern verwendet, kann die magnetische Wirkung weiter verstärkt werden. Auf diesem Prinzip basiert der Elektromagnet.
Der große Vorteil gegenüber einem Permanentmagneten besteht darin, dass sich das Magnetfeld durch den elektrischen Strom beeinflussen lässt. Wird der Strom abgeschaltet, verschwindet das durch ihn erzeugte Magnetfeld weitgehend. Außerdem lässt sich die Stärke des Magnetfeldes unter anderem über die Stromstärke und den Aufbau der Spule beeinflussen.
Wo wird die magnetische Wirkung genutzt?
Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms spielt beispielsweise eine Rolle bei:
- Relais
- Schützen
- Elektromotoren
- Transformatoren
- elektrischen Klingeln
- Magnetventilen
- Lautsprechern
- Generatoren
Ein besonders anschauliches Beispiel ist ein Schütz.
Wird die Spule des Schützes bestromt, erzeugt sie ein Magnetfeld. Dieses zieht den beweglichen Teil des Magnetkreises an. Dadurch werden die Kontakte des Schützes mechanisch betätigt und ein anderer Stromkreis kann ein- oder ausgeschaltet werden.
Auch Elektromotoren wären ohne die elektromagnetische Wirkung des Stroms nicht möglich. Hier werden magnetische Kräfte genutzt, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms bildet damit eine wesentliche Grundlage moderner Elektrotechnik.
4. Chemische Wirkung des elektrischen Stroms
Elektrischer Strom kann auch chemische Reaktionen hervorrufen.
Besonders deutlich lässt sich diese Wirkung bei der Elektrolyse beobachten. Dabei wird elektrischer Strom durch einen geeigneten Elektrolyten geleitet. Durch den Stromfluss bewegen sich elektrisch geladene Teilchen – sogenannte Ionen – zu den jeweiligen Elektroden. An den Elektroden laufen anschließend chemische Reaktionen ab.
Elektrische Energie kann dadurch chemische Prozesse erzwingen, die ohne die angelegte elektrische Spannung nicht oder nicht in dieser Form stattfinden würden.
Ein bekanntes Beispiel ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei kann Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden.
Die chemische Wirkung des elektrischen Stroms wird unter anderem eingesetzt bei:
- Elektrolyse
- Galvanisieren
- Metallgewinnung und Metallraffination
- Herstellung bestimmter chemischer Stoffe
- Laden von Akkumulatoren
Die chemische Wirkung des elektrischen Stroms ist daher vor allem in der Industrie und Oberflächentechnik von großer Bedeutung.
5. Physiologische Wirkung des elektrischen Stroms
Besonders wichtig für die elektrische Sicherheit ist die physiologische Wirkung des elektrischen Stroms auf den Menschen.
Grafik: Wirkungen des elektrischen Stromes auf den Menschen
Der menschliche Körper besteht zu einem großen Teil aus Wasser und enthält gelöste Salze und andere elektrisch leitfähige Bestandteile. Deshalb kann elektrischer Strom durch den menschlichen Körper fließen, wenn dieser Teil eines geschlossenen Stromkreises wird.
Eine Körperdurchströmung kann unterschiedliche Auswirkungen haben.
Mögliche Folgen sind unter anderem:
- Kribbeln und Schmerzempfindungen
- unwillkürliche Muskelreaktionen
- Muskelkrämpfe
- Beeinträchtigung der Atmung
- Herzrhythmusstörungen
- Herzkammerflimmern
- Verbrennungen und Gewebeschäden
- Herz- oder Atemstillstand
- Sekundärunfälle durch Schreckreaktionen oder Stürze
Wie schwer die Auswirkungen eines Stromunfalls sind, lässt sich nicht allein anhand der anliegenden Spannung beurteilen. Entscheidend sind insbesondere:
Stromstärke:
Je größer der durch den Körper fließende Strom ist, desto stärker können die Auswirkungen sein.
Einwirkungsdauer:
Je länger der Strom durch den Körper fließt, desto größer kann das Risiko schwerwiegender Folgen werden.
Stromweg:
Besonders kritisch sind Stromwege, bei denen ein relevanter Anteil des Stroms durch den Brustbereich und damit in der Nähe des Herzens fließt, beispielsweise von Hand zu Hand oder von einer Hand zu den Füßen.
Frequenz und Stromart:
Die Wirkung unterscheidet sich zwischen Wechselstrom und Gleichstrom und hängt auch von der Frequenz ab. Der in unseren Niederspannungsnetzen übliche Wechselstrom mit 50 Hz kann insbesondere hinsichtlich Muskelverkrampfungen und Herzrhythmusstörungen gefährlich sein. Gleichspannungen dagegen erzeugen eher schwere Verbrennungen und chemische Reaktionen im Körper.
Körperwiderstand:
Der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers ist nicht konstant. Er hängt unter anderem vom Zustand der Haut, der Kontaktfläche, dem Stromweg und weiteren Bedingungen ab.
Warum ist feuchte Haut problematisch?
Trockene Haut kann einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand besitzen. Feuchtigkeit kann den Widerstand der Haut deutlich verringern.
Nach dem Ohmschen Gesetz gilt:
I = U / R
Sinkt der Widerstand R bei gleicher Spannung U, steigt die Stromstärke I.
Deshalb können feuchte oder nasse Umgebungen das Risiko bei einer Berührung spannungsführender Teile erheblich erhöhen. Mit nassen Füßen auf beton zu stehen ist daher deutlich gefährlicher als mit trockenen Füßen.
Elektrischer Strom und Muskelverkrampfung
Unsere Muskeln werden normalerweise über elektrische Signale des Nervensystems gesteuert. Ein von außen durch den Körper fließender elektrischer Strom kann diese Vorgänge beeinflussen und unwillkürliche Muskelreaktionen auslösen.
Bei ausreichend hoher Stromstärke können Muskeln verkrampfen. Dadurch kann es beispielsweise schwierig oder unmöglich werden, einen Leiter oder Gegenstand den man berührt selbstständig loszulassen. Ist die so genannte „Loslassschwelle“ überschritten, kann es passieren, dass man ein stromführendes Bauteil berührt, dieses aber nicht mehr selbstständig loslassen kann.
Besonders gefährlich wird eine Körperdurchströmung, wenn Atmung oder Herzfunktion beeinflusst werden. Die Wirkung eines Stromunfalls hängt deshalb immer von mehreren Faktoren gleichzeitig ab. Eine einfache Aussage wie „bis zu einer bestimmten Stromstärke ist Strom ungefährlich“ wäre irreführend. Es ist immer ein Zusammenspiel aus Spannung und Körperwiderstand sowie dem Stromweg und den Umgebungsbedingungen.
Mehrere Wirkungen können gleichzeitig auftreten
Die verschiedenen Wirkungen des elektrischen Stroms treten nicht immer getrennt voneinander auf.
Ein gutes Beispiel ist die klassische Glühlampe:
Der Strom fließt durch den Glühdraht und erzeugt aufgrund seines Widerstands zunächst Wärme. Durch die sehr hohe Temperatur beginnt der Draht schließlich zu glühen und erzeugt Licht.
Auch bei einem Lichtbogen treten mehrere Wirkungen gleichzeitig auf. Neben der Lichtwirkung entstehen sehr hohe Temperaturen. Gleichzeitig können weitere physikalische und chemische Vorgänge stattfinden.
Bei elektrischen Maschinen sind ebenfalls mehrere Wirkungen miteinander verbunden. Ein Elektromotor nutzt beispielsweise hauptsächlich elektromagnetische Kräfte, gleichzeitig entstehen in seinen Wicklungen jedoch auch Wärmeverluste.
Die Einteilung in fünf Wirkungen hilft daher vor allem dabei, die unterschiedlichen grundlegenden Vorgänge besser zu verstehen.
Siehe auch: DGUV-Information 203-002: Elektrofachkräfte – 2. 2 Gefahren durch elektrischen Strom
Die fünf Wirkungen des elektrischen Stroms im Überblick
Übersicht als Grafik: Wirkungen des elektrischen Stroms
| Wirkung | Was passiert? | Typische Beispiele |
|---|---|---|
| Wärmewirkung | Elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt | Wasserkocher, Herd, Toaster, Schmelzsicherung |
| Lichtwirkung | Elektrische Energie führt direkt oder indirekt zur Lichtemission | LED, Glühlampe, Lichtbogen |
| Magnetische Wirkung | Ein Strom erzeugt ein Magnetfeld | Relais, Schütz, Elektromotor, Transformator |
| Chemische Wirkung | Der Strom löst chemische Reaktionen aus | Elektrolyse, Galvanisieren, Akkumulator |
| Physiologische Wirkung | Strom beeinflusst Nerven, Muskeln und Organe des menschlichen Körpers | Stromunfall, Muskelverkrampfung, Herzrhythmusstörungen |
Zusammenfassung als Grafik
