Physikalische Stromrichtung

Die elektrische Stromrichtung beschreibt die Richtung des elektrischen Stromes.

Definition

In Physik und Technik versteht man unter der Richtung des elektrischen Stroms (kurz: Stromrichtung) die Richtung der Bewegung (gedachter) positiver Ladungsträger. Außerhalb von Spannungsquellen fließt der Strom also vom Plus- zum Minuspol, innerhalb folgerichtig vom Minus- zum Pluspol. Dies gilt unabhängig von der Art der Ladungsträger als logische Konsequenz aus der Kontinuitätsgleichung.

Elektrischer Strom vs. Elektronenstrom vs. Ionenstrom

Speziell in der Elektrotechnik und deren Umgangssprache tauchen manchmal die scheinbar in Konkurrenz stehenden Begriffe der sogenannten „technischen Stromrichtung“ und der „physikalischen Stromrichtung“ auf. Tatsächlich ist in der Physik und in der Elektrotechnik die Stromrichtung genau gleich definiert und entspricht der umgangssprachlichen „technischen Stromrichtung“. Der Begriff der „physikalischen Stromrichtung“ ist mehrdeutig und sollte deshalb nicht verwendet werden. Stattdessen sollte man konkret von

• der „Bewegungsrichtung der Elektronen“ oder
• der „Bewegungsrichtung der positiven Ionen“ oder
• der „Bewegungsrichtung der negativen Ionen“

sprechen. In einer Gasentladung kann man alle drei Arten messen, bei Elektrolyse mindestens zwei.

Der Begriff einer technischen Stromrichtung in der Elektrotechnik ist historisch bedingt und geht von einem Strom positiv angenommener Ladungen aus, der sich vom elektrisch positiven zum negativen Spannungspol bewegt. Zur Zeit dieser Begriffsbildung waren die negativ geladenen Elektronen, die in metallischen Leitern als Ladungsträger vom negativen zum positiven Pol fließen, noch nicht bekannt.^[1] Die Definition für die technische Stromrichtung wurde nach der Entdeckung der Elektronen als einheitliche Konvention beibehalten und deckt sich mit der Definition der negativen Ladung von Elektronen.

Der Begriff der „physikalischen Stromrichtung“ meint dagegen umgangssprachlich die Strömungsrichtung von Elektronen in Metallen, ohne darauf deutlich hinzuweisen. Diese Elektronen besitzen per Konvention eine negative Ladung, folglich ist der Elektronenstrom („physikalische Stromrichtung“) dem elektrischen Strom („technische Stromrichtung“) entgegen gerichtet, wie dies die nachfolgende Abbildung verdeutlicht:

Stromkreis mit Elektronen- und Ionenleitung in einer Reihenschaltung aus Batterie, Ionenleiter (Salzlösung in einem Trog) und Glühlampe, welche durch den Stromfluss zu leuchten beginnt. Mit roten Pfeilen ist die „technische Stromrichtung“ eingetragen. Grüne Pfeile markieren die Strömungsrichtung der negativ geladenen Ladungsträger, im Metalldraht sind dies Elektronen.

Experimentelle Überprüfung

Es gibt wenige Experimente, mit denen sich die Existenz von Ladungsträgern und deren Bewegungsrichtung feststellen lässt:

1. Die Entdeckung des glühelektrischen Effekts war Ausgangspunkt für die Entwicklung der Elektronenröhren.
2. Ein anderer Befund ist die Feldemission aus Metallspitzen bei hohen elektrischen Feldstärken.
3. Beim äußeren photoelektrischen Effekt in Photomultipliern werden die Teilchen durch Licht geringer Wellenlänge (UV) freigesetzt.

In allen Fällen kann nachgewiesen werden, dass

• sich Teilchen frei im Raum bewegen und von der Kathode zur Anode fliegen, nicht umgekehrt (Gleichrichtereffekt)
• die Teilchen negativ sind (Ablenkung im Magnetfeld)
• die Masse der Teilchen etwa 10⁻³⁰ kg beträgt.

Diese Teilchen nennt man Elektronen.

Manche radioaktiven Präparate wie Radium senden positive Ladungsträger aus, aus denen nach Abbremsung neutrale Helium-Atome werden. Diese Ladungsträger heißen Alphateilchen.

Darstellung der Stromflussrichtung senkrecht zur Zeichenebene

Um Richtungen quer zur Zeichenebene darzustellen, werden bei der elektrischen Stromrichtung die Symbole ⊙ (aus der Ebene heraus zum Betrachter) und ⊗ (vom Betrachter in die Ebene hinein) verwendet. Als Eselsbrücke zum Behalten dieser Symbole kann man sich einen Pfeil vorstellen: Wenn der Pfeil auf den Beobachter zufliegt, ist nur der Punkt der Spitze zu sehen. Fliegt der Pfeil von dem Beobachter weg, so sind Federn am Ende des Pfeils als Kreuz zu sehen.

Quellen

1. ↑ Karl Küpfmüller: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, 14. Auflage, Springer Verlag 1993, ISBN 3-540-56500-0

Weblinks

• Stromrichtung und Vorzeichen der Stromstärke (PDF)
• Die konventionelle Stromrichtung (PDF)