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Elektrische Stromdichte

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
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Physikalische Größe
Name Elektrische Stromdichte
Größenart

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Formelzeichen <math>\vec J</math>, <math>\vec \jmath</math>, <math>\vec S</math>

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Abgeleitet von

}}

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Größen- und
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Gauß{{#if: 
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esE (cgs) statA·cm−2 L−1/2·M1/2·T−2

}}

emE (cgs) abA·cm−2 L−3/2·M1/2·T−1

}}

Planck

}}

Astronomisch

}}

Anmerkungen

}}

Siehe auch:

}}

Die elektrische Stromdichte (Formelzeichen <math>\vec J</math> (so in <ref>DIN 1304-1:1994 Formelzeichen – Allgemeine Formelzeichen.</ref><ref>DIN EN 80000-6:2008 Größen und Einheiten – Elektromagnetismus.</ref><ref name="IEV-121-11-11" />), auch <math>\vec \jmath</math> oder <math>\vec S</math>) kennzeichnet, wie dicht zusammengedrängt ein elektrischer Strom fließt. Damit kennzeichnet sie auch die Belastung eines Leiters durch den Strom.

Die Stromdichte ist definiert als das Verhältnis der Stromstärke <math>I</math> zu einer dem Strom zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche <math>A</math>, durch die der Strom senkrecht hindurchtritt.

Weiter lässt sich in nicht homogenen Strömungsfeldern mit der Stromdichte angeben, wie sich der Strom punktweise über die Querschnittsfläche verteilt. Solche Anwendungen betreffen beispielsweise Gasentladungen und Elektronenstrahlen sowie die Belastung von Elektroden und Glühkathoden.

Definition

In der klassischen Physik gilt:<ref>Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 2, Elektrizität und Optik.</ref>

<math>I = \int\limits_A \vec J \cdot \mathrm d\vec A</math>

Dabei steht der Vektor <math>\mathrm d\vec A</math> senkrecht auf dem zugehörigen Flächenelement. Ist die Stromdichte gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt (z. B. wenn Gleichstrom durch einen metallischen Leiter fließt), dann vereinfacht sich die Definition zu <math>I=\vec J \cdot \vec A</math>. Das Skalarprodukt reduziert sich im Rahmen einfacher Modellrechnungen bei senkrecht durchflossener Fläche (wie im Bild) zum elementaren Produkt: <math>I = J\,A</math>.

Datei:Stromdichte.svg
Strom in einem Leiter mit der Querschnittsfläche <math>A</math>

Mit

<math>V</math> ein betrachtetes Volumen,
<math>Q</math> die gesamte elektrische Ladung in diesem Volumen,
<math>n</math> die Ladungsträgerdichte (Anzahl der Ladungsträger pro Volumen),
<math>e</math> die Ladung eines einzelnen Ladungsträgers (Elementarladung; 1,60·10−19 As),
<math>\rho=n\,e=\mathrm dQ/\mathrm dV</math> die Raumladungsdichte,
<math>x</math> die Ortskoordinate in Strömungsrichtung,
<math>t</math> die Zeit,
<math>v=\mathrm dx/\mathrm dt</math> die mittlere Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger,
<math>I=\mathrm dQ/\mathrm dt</math> die Stromstärke (Ladung pro Zeit)

ergibt sich bei einer Anordnung wie im Bild mit gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteiltem, in x-Richtung (senkrecht zur gekennzeichneten yz-Ebene) fließendem Strom

<math>J=\frac IA=\frac1A\;\frac{\mathrm dQ}{\mathrm dt}=\frac1A\;\frac{\mathrm dQ}{\mathrm dV}\;\frac{\mathrm dV}{\mathrm dt} =\frac1A\;\rho\cdot \frac{A\;\mathrm dx}{\mathrm dt} =\rho\;v</math> .

Die Stromdichte ist eine vektorielle Größe, deren Richtung mit der des Geschwindigkeitsvektors <math>\vec v</math> positiver Ladungsträger übereinstimmt:

<math>\vec J=\rho\;\vec v=n\;e\;\vec v</math> .

Anwendungen

Berechnungen

Bezüglich des elektrischen Stroms wird in der praktischen Elektrotechnik bei Rechnungen vorzugsweise die Stromstärke verwendet,

beispielsweise wählt man für das ohmsche Gesetz die Schreibweise <math>I=G\ U</math>
mit <math>G=1/R</math> der elektrische Leitwert, <math>U</math> die elektrische Spannung.

Dagegen wird in der theoretischen Elektrotechnik üblicherweise die Stromdichte verwendet,

beispielsweise wählt man für das ohmsche Gesetz die Schreibweise <math>\vec J=\sigma\ \vec E</math>
mit <math>\sigma</math> die elektrische Leitfähigkeit, <math>\vec E</math> die elektrische Feldstärke.

So findet die vektorielle Stromdichte beispielsweise Anwendung in den Maxwell-Gleichungen und in der Kontinuitätsgleichung der Elektrodynamik.

Stromdichte in Leitungen

Die Dichte des Leiterstroms, auch als Strombelastbarkeit und der englischsprachigen Fachliteratur als {{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}} bezeichnet,<ref>{{#if:Vorlage:Cite book/URL|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:{{#if: 

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  }}</ref> sollte je nach Anwendung und als grober Richtwert 1,2…6 A/mm2 nicht übersteigen,<ref>DIN 41300-1:1979 Kleintransformatoren – Kennzeichnende Daten</ref><ref>DIN 43671:1975 Stromschienen aus Kupfer – Bemessung für Dauerstrom</ref><ref>Erwin Böhmer: Elemente der angewandten Elektronik</ref> damit unter Dauerlast keine zu hohe Erwärmung auftritt. Im Extremfall kann die Stromdichte in Leitungen jedoch bis zur Schmelzstromdichte ansteigen,<ref>Schmelzstromdichte ist die Stromdichte, bei der nach 1/100 s Belastung die Leitertemperatur auf Schmelztemperatur ansteigt. Wert nach Müller-Hildebrand</ref> beispielsweise bei Kupfer 3,06 kA/mm2.<ref name="Eduard Vinaricky">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> In Schmelzsicherungen und einigen weiteren Überstromschutzeinrichtungen der Elektroinstallation wird diese Erhitzung gezielt genutzt, um den Stromkreis bei Überlastung definiert zu unterbrechen.

In Leitern aus Kupfer sind die maximal zulässigen Stromstärken nach VDE nachfolgend auszugsweise angeführt.<ref>VDE 0298-4:2013-06: Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen – Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäuden und von flexiblen Leitungen, Tabelle 11 und Spalte 5</ref> Abweichende Werte wie bei verschiedenen Verlegearten und unterschiedlichen Temperaturbereichen finden sich in der Fachliteratur.<ref>M. Fischer: Neue Verlegearten und Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen, Zeitschrift Elektropraktiker, Berlin 53 (1999), Seite 530. In: Elektropraktiker.de</ref>

12 A bei einer Querschnittsfläche von 0,75 mm2
15 A bei 1,0 mm2
26 A bei 2,5 mm2

Im nordamerikanischen Raum wird zur Ermittlung der maximalen zulässigen Strombelastbarkeit von elektrischen Leitungen in Elektroinstallationen die Methode von Neher-McGrath verwendet, welche im National Electrical Code (NEC) als Referenz verwendet wird.<ref name=NM>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if: 

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Bei einer über den Querschnitt gleichmäßig verteilten Stromdichte wie bei Gleichstrom ist die mittlere Geschwindigkeit im Leiter gleich <math>v=\frac J{ne}</math>. Die typische Elektronendichte für Leitungselektronen in metallischen Festkörpern liegt in der Größenordnung von <math>n</math> = 1028 m−3.<ref>Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 3. Atome, Moleküle und Festkörper</ref> Berücksichtigt man, dass in einer positiven Halbschwingung eines Wechselstroms die mittlere Stromstärke gegenüber ihrem Effektivwert kleiner ist um den Faktor <math>1/k_f</math> (<math>k_f</math> = Formfaktor, bei Sinusverlauf = 1,11), so ergibt sich bei einer Stromdichte von 6 A/mm2 für eine gerichtete Bewegung eine mittlere Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10−3 m/s. Die große Geschwindigkeit der elektrischen Nachrichtenübertragung beruht also nicht auf der Verschiebung der Elektronen im Draht.<ref>Christian Gerthsen: Physik</ref>

Bei Wechselstrom ist der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt zu beachten, wonach die Stromdichte über die Querschnittsfläche nicht homogen verteilt ist.

Galvanotechnik

In der Galvanotechnik gibt man die Stromdichte, die für die Beschichtung eingestellt wird, an. Die typischen Werte liegen zwischen 0,5 und 5 A/dm2, die eingehalten werden müssen, um z. B. bei einer Verzinkung oder Vernickelung gute Ergebnisse zu erhalten.

Stromquellen

Bei Solarzellen gibt man eher eine Leistungsdichte an. Sie kann sehr grob bis 200 W/m2 betragen. Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung liegt bei den gebräuchlichen Zellen bei etwa 0,5 V, so dass sich eine Stromdichte bis 400 A/m2 ergeben kann.

Entsprechend untersucht man auch Brennstoffzellen in Abhängigkeit von ihren Stromdichten, in besonders günstigen Fällen bis etwa 1 A/cm2.<ref>Anne Bendzulla: Von der Komponente zum Stack: Entwicklung und Auslegung von HT-PEFC-Stacks der 5 kW-Klasse; Dissertation Aachen 2010. ISBN 978-3-89336-634-7.</ref>

Flächenstromdichte und Linienstrom

Analog zur Stromdichte in einem Körper lässt sich die Stromdichte auch auf zweidimensionale Flächen beziehen. Diese Annahme ist sinnvoll, wenn man etwa die Oberflächenleitung (Kriechstrom) von elektrischen Isolatoren beschreiben will. Der Gesamtstrom <math>I</math> ist die Summe der einzelnen Flächenströme. Die Flächenstromdichte <math>K</math> erhält man durch Bezug des gesamten Stromes auf die Breite <math>b</math> der einzelnen Fläche:

<math>K=\frac Ib</math>

Die elektrische Stromstärke kann darüber hinaus auch als Summe von Linienströmen in einem Punkt betrachtet werden, woraus auch die erste Kirchhoffsche Regel folgt:

<math>I(P)=\sum_l I_l</math>

Siehe auch

Literatur

  • H. Lindner, H. Brauer, C. Lehmann: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik. 8., neu bearbeitete Auflage, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München 2004, ISBN 3-446-22546-3.

Einzelnachweise

<references> <ref name="IEV-121-11-11"> electropedia, Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch (IEV) der International Electrotechnical Commission: Eintrag 121-11-11 (electric) current desity = „(Leitungs-)stromdichte“ </ref> </references>

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