Strom (Physik)

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In der Physik ist ein Strom der Transport einer mengenartigen Größe. Seine Maße sind die Stromstärke und die Stromdichte.

Ein Strom ist ein spezieller Fluss, der sich dadurch auszeichnet, dass eine quantifizierbare Menge transportiert wird. Eine ähnliche Analogie gilt für Stromdichte und Flussdichte. Diese Spezialisierung ist nicht in allen Sprachen üblich, beispielsweise bezeichnet im Englischen „heat flux“ den Wärmestrom. In der Quantenphysik bedeutet Strom auch den Transport einer mengenartigen Größe zwischen Zuständen – quasi durch deren Grenzfläche im Zustandsraum hindurch (beispielsweise geladene und neutrale Ströme bei der schwachen Wechselwirkung).

Handelt es sich bei der mengenartigen Größe um eine Erhaltungsgröße, ist ein Strom die einzige Möglichkeit, die Menge in einem Volumenelement zu verändern (weil keine Quellen und Senken existieren können, die anderweitige Veränderungen herbeiführen).

Stromstärke[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit dem Wort „Strom“ ist oft die Stromstärke gemeint. Sie ist definiert als der Größenwert der Menge, der sich pro Zeitintervall durch eine Fläche hindurch bewegt.

Die Stromstärke ist eine gerichtete Größe, die immer auf ein einzelnes Volumen und dessen Rand bezogen ist. Die Oberfläche des Volumens wird dabei als orientierte Fläche aufgefasst. Die Stromstärke ist das Maß für den Strom aus diesem Volumen hinaus. Daher zeigt das Vorzeichen ihres Größenwerts die Stromrichtung an.

Stromdichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Stromdichte ist eine vektorielle Größe. Ihr Betrag ist anschaulich die Menge, die pro Zeitintervall und Flächenstück das Volumen verlässt, und ihre Richtung ist die Richtung der mittleren Driftgeschwindigkeit der Bewegung. Umgekehrt ergibt sich die Stromstärke mathematisch als das Flächenintegral über die Stromdichte, anschaulich also durch das Aufsummieren aller Stromdichten senkrecht zur Oberfläche.

Mathematische Formulierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bezeichne die Dichte der mengenartigen Größe in einem Volumen , die zum Strom mit der Stromstärke gehörige Stromdichte und die Dichte der Erzeugungsrate der mengenartigen Größe im Volumen , dann ist

mit der zeitlichen Ableitung und dem Divergenzoperator . Diese Gleichung heißt (erweiterte) Kontinuitätsgleichung. Aufgrund des Gauß’schen Integralsatzes gilt dann

,

wobei den gesamten Rand des Volumens bezeichnet. Stromdichte und Stromstärke werden dabei über das Flächenintegral

in Verbindung gesetzt, die mengenartige Größe und deren Dichte über das Volumenintegral

.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ströme werden beispielsweise in der Mechanik, der Wärmelehre, der Akustik, der Optik, der Elektrizitätslehre, der Neutronenphysik und der Teilchenphysik betrachtet. Für die Bewegung von Materie sind die Begriffe Massenstrom und Volumenstrom gebräuchlich. Für inkompressible Fluide wie Wasser kann das Volumen als mengenartige Größe betrachtet werden.

Wenn die mengenartigen Größen thermische Energie oder elektrische Ladung von bewegter Materie mitgeführt werden, spricht man von Konvektionsstrom.

Der Karlsruher Physikkurs baut solche Analogien stark aus und vertritt etwa auch die Vorstellung eines Entropiestroms und die eines Impulsstroms, um die Newtonsche Vorstellung von Kraft und Gegenkraft zu vermeiden.[1]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Hans Moor: Physikalische Grundlagen Bau und Energie, vdf, Zürich 1993, Bd. 1, S. 12f. ISBN 9783728118240
  • Norbert Pucker: Physikalische Grundlagen der Energietechnik, Springer, Wien 1986, S. 20f. ISBN 978-3-211-81948-7

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Heiner Schwarze et al. (Hg.): Alles fließt, Heft 1 in: Praxis der Naturwissenschaften in der Schule, 61:2012.