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Wie entsteht Strom?

Strom kommt aus der Steckdose, das weiß jedes Kind. Die Frage ist, wie kommt er hinein, also wie entsteht er? Physikalisch gesehen gibt es sechs verschiedene Möglichkeiten, wie elektrische Energie erzeugt werden kann. Drei davon sind für die Stromerzeugung von Bedeutung.

Strom entsteht, wenn Bewegung, Licht oder chemische Vorgänge Elektronen in Bewegung setzen.
Strom entsteht, wenn Bewegung, Licht oder chemische Vorgänge Elektronen in Bewegung setzen.

Das ist Strom

Bevor es darum geht, wie Strom entsteht, sollten Sie sich klar machen, was dieser genau ist.

  • Ein Atom besteht aus einem Kern, der elektrisch positiv geladen ist. Um diesen Kern bewegen sich kleinste Teilchen, die Elektronen. Diese sind negativ geladen. Das Atom ist insgesamt elektrisch neutral.
  • Die kleinen Teilchen können sich sehr gut bewegen und von einem Atom zu einem anderen wechseln. Wenn sich diese Ladungen in einer bestimmten Richtung bewegen, spricht der Physiker von Strom. Je nach Kontext meint er damit auch die Summe aller Erscheinungen, die durch elektrische Ladungen auftreten.
  • Elektriker definieren Strom etwas anders. Wenn diese davon sprechen, meinen Sie die Stromstärke. Die bezieht sich nicht auf die Bewegung der Ladungsträger, sondern auf die Anzahl der Teilchen, die sich je Zeiteinheit bewegen.

Die gerichtete, also die gezielte Bewegung der Ladungsträger in eine Richtung entsteht durch verschiedene chemische oder physikalische Vorgänge. Übrigens: Bei Wechselstrom bewegen sich die Teilchen hin und her. Da sie sich aber grundsätzlich immer gleichzeitig in die einer oder andere Richtung bewegen, handelt es sich ebenfalls um gerichtete Bewegung.

Wie die Bewegung der Elektronen entsteht

  • Chemische Reaktion: In Batterien findet eine sogenannte Redoxreaktion statt. Dabei gibt ein Stoff Elektronen ab, ein anderer nimmt sie auf. Beispiel: In einer Zink-Kohle-Batterie ist ein Pluspol aus gepresster Kohle in einem Becher aus Zink, der mit einem Elektrolyt gefüllt ist. Diese Säure löst Elektronen aus dem Zink, die durch die Flüssigkeit zur Kohle wandern. Es ist Gleichstrom entstanden.
  • Diffusion von Ladungsträgern: Vereinfacht ausgedrückt können sich in Halbleitern durch die Zufuhr von Energie Elektronen lösen. Diese werden über eine angelegte Spannung in eine Richtung gelenkt. Diese Technik wird in Solarzellen angewendet. Die Energie des Lichts sorgt dafür, dass Elektronen aus den Halbleitern diffundieren. Die Module erzeugen Gleichstrom.
  • Lorentzkraft: Eine Ladung, die in einem elektrischen oder magnetischen Feld bewegt wird, erfährt eine Kraft. Mit anderen Worten: Wenn Sie einen Draht in einem magnetischen Feld bewegen, wirkt eine Kraft. Diese setzt Elektronen in Bewegung. Es entsteht Strom. Dieses Prinzip wird in Generatoren angewendet. Diese arbeiten in Kraftwerken, gleich welcher Art, in Notstromaggregaten, in der Lichtmaschine im Auto und im Fahraddynamo. Der Draht ist in der Regel zu einer Spule ausgewickelt, die sich in einem magnetischen Feld dreht. Da die Spule in regelmäßigen Abständen die Pole passiert, bewegt sie sich abwechselnd vom Süd- zum Nordpol und umgekehrt. Es entsteht daher Wechselstrom (Siehe Bild 1).
  • Konvektion: Bei Influenzmaschinen werden leitende Scheiben aus Metall auf nicht leitenden Scheiben in einem Stromfeld bewegt. Dies setzt die Elektronen in Bewegung, die an verschiedenen Stellen der Maschine über Leiter abgegriffen werden. Mit diesen Maschinen lässt sich eine hohe Spannung erzeugen. Sie werden heute aber nicht mehr für die Erzeugung von Strom verwendet.

Problematik bei der Stromerzeugung im Kraftwerk

In jedem Kraftwerk arbeitet ein Generator. Diesen können Sie sich als eine Reihe von Spulen vorstellen, die sich in einem Magnetfeld drehen. Eine Spule ist nichts anderes als ein langer Draht, der um einen Kern gewickelt ist.

  • Der Strom entsteht aus der Energie, welche in der Bewegung (dem Drehen der Spulen) enthalten ist. Ein Teil dieser kinetischen Energie wird durch Reibung zu Wärme. Sie brauchen also immer mehr kinetische Energie, als elektrische Energie entsteht.
  • Die Bewegung kann durch Wind oder durch Wasserkraft entstehen. Diese Energiequellen sind alternative oder ökologische Energien, weil sie der Umwelt nicht schaden.
  • In vielen Kraftwerken wird die Bewegung aus einer Wärmequelle erzeugt. Wärme erzeugt heißen Dampf, der unter Druck steht. Dieser wird über Turbinen geleitet, welche einen Generator antreiben. In diesem entsteht Strom.
  • Stammt die Wärme aus einem Verbrennungsprozess, wird CO2 freigesetzt. Das Verbrennen fossiler Rohstoffe kostet außerdem wertvolle Rohstoffe. Stammt die Wärme aus Atomenergie wird immer zu viel Wärme erzeugt. Dies belastet Flüsse und die Umwelt. Außerdem kann Strahlung in die Umwelt gelangen.
Beim Drehen bewegen sich die Elektronen abwechselnd zum Nord- und zum Südpol.
Beim Drehen bewegen sich die Elektronen abwechselnd zum Nord- und zum Südpol. © Roswitha Gladel

Die eigentliche Erzeugung des Stroms, durch Drehen von Spulen in Magnetfeldern ist in allen Kraftwerken gleich. Probleme für die Umwelt entstehen, wenn für das Drehen Wärme erzeugt wird.

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