Elektrischer Strom in einem Stromkreis manifestiert sich immer auf irgendeine Weise. Dies kann entweder Arbeit unter einer bestimmten Belastung oder die damit einhergehende Stromeinwirkung sein. Somit kann man anhand der Wirkung des Stroms beurteilen, ob er in einem bestimmten Stromkreis vorhanden ist oder nicht: Wenn die Last arbeitet, gibt es Strom. Wenn ein typisches Phänomen beobachtet wird, das den Strom begleitet, liegt Strom im Stromkreis usw. vor.

Im Allgemeinen kann elektrischer Strom verschiedene Wirkungen hervorrufen: thermische, chemische, magnetische (elektromagnetische), Licht- oder mechanische Wirkungen, wobei verschiedene Arten von Stromwirkungen oft gleichzeitig auftreten. Diese Phänomene und Auswirkungen des Stroms werden in diesem Artikel diskutiert.

Thermische Wirkung von elektrischem Strom

Wenn Gleich- oder Wechselstrom durch einen Leiter fließt, erwärmt sich der Leiter. Solche Heizleiter können in unterschiedlichen Zuständen und Anwendungen sein: Metalle, Elektrolyte, Plasma, geschmolzene Metalle, Halbleiter, Halbmetalle.

Im einfachsten Fall, wenn beispielsweise ein elektrischer Strom durch einen Nichromdraht geleitet wird, erwärmt sich dieser. Dieses Phänomen wird in Heizgeräten genutzt: in Wasserkochern, Boilern, Heizgeräten, Elektroherden usw. Beim Lichtbogenschweißen erreicht die Temperatur des Lichtbogens im Allgemeinen 7000 °C und das Metall schmilzt leicht – dies ist auch der thermische Effekt des Stroms.

Die in einem Abschnitt des Stromkreises freigesetzte Wärmemenge hängt von der an diesem Abschnitt angelegten Spannung, der Größe des fließenden Stroms und der Zeit ab, in der er fließt ().

Nachdem Sie das Ohmsche Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises umgewandelt haben, können Sie entweder Spannung oder Strom verwenden, um die Wärmemenge zu berechnen. Dann müssen Sie jedoch auch den Widerstand des Stromkreises kennen, da dieser den Strom begrenzt und tatsächlich verursacht Heizung. Wenn Sie den Strom und die Spannung im Stromkreis kennen, können Sie genauso einfach die erzeugte Wärmemenge ermitteln.

Chemische Wirkung von elektrischem Strom

Elektrolyte, die Ionen unter dem Einfluss von Gleichstrom enthalten – das ist die chemische Wirkung von Strom. Bei der Elektrolyse werden negative Ionen (Anionen) von der positiven Elektrode (Anode) und positive Ionen (Kationen) von der negativen Elektrode (Kathode) angezogen. Das heißt, die im Elektrolyten enthaltenen Stoffe werden während des Elektrolysevorgangs an den Elektroden der Stromquelle freigesetzt.

Beispielsweise wird ein Elektrodenpaar in eine Lösung einer bestimmten Säure, Lauge oder eines Salzes eingetaucht, und wenn ein elektrischer Strom durch den Stromkreis fließt, entsteht an einer Elektrode eine positive Ladung und an der anderen eine negative Ladung. Die in der Lösung enthaltenen Ionen beginnen sich mit entgegengesetzter Ladung auf der Elektrode abzulagern.

Beispielsweise wandern bei der Elektrolyse von Kupfersulfat (CuSO4) Kupferkationen Cu2+ mit einer positiven Ladung zur negativ geladenen Kathode, wo sie die fehlende Ladung erhalten und zu neutralen Kupferatomen werden, die sich auf der Oberfläche der Elektrode absetzen. Die Hydroxylgruppe -OH gibt an der Anode Elektronen ab, was zur Freisetzung von Sauerstoff führt. Positiv geladene Wasserstoffkationen H+ und negativ geladene Anionen SO42- bleiben in Lösung.

Die chemische Wirkung von elektrischem Strom wird beispielsweise in der Industrie genutzt, um Wasser in seine Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) zu zerlegen. Durch die Elektrolyse ist es auch möglich, einige Metalle in reiner Form zu gewinnen. Mittels Elektrolyse wird eine dünne Schicht eines bestimmten Metalls (Nickel, Chrom) auf die Oberfläche aufgetragen – dieses usw.

Im Jahr 1832 stellte Michael Faraday fest, dass die Masse m einer an der Elektrode freigesetzten Substanz direkt proportional zur elektrischen Ladung q ist, die durch den Elektrolyten fließt. Wird für eine Zeit t ein Gleichstrom I durch den Elektrolyten geleitet, so gilt das erste Faradaysche Gesetz der Elektrolyse:

Hier wird der Proportionalitätskoeffizient k als elektrochemisches Äquivalent des Stoffes bezeichnet. Sie entspricht numerisch der Masse der Substanz, die beim Durchgang einer einzelnen elektrischen Ladung durch den Elektrolyten freigesetzt wird, und hängt von der chemischen Natur der Substanz ab.

Wenn in einem beliebigen Leiter (fest, flüssig oder gasförmig) ein elektrischer Strom vorhanden ist, wird um den Leiter herum ein Magnetfeld beobachtet, d. h. der stromführende Leiter erhält magnetische Eigenschaften.

Bringt man also einen Magneten an einen stromdurchflossenen Leiter, beispielsweise in Form einer magnetischen Kompassnadel, dann dreht sich die Nadel senkrecht zum Leiter, und wenn man den Leiter um einen Eisenkern wickelt und durch einen führt Gleichstrom durch den Leiter wird der Kern zu einem Elektromagneten.

Im Jahr 1820 entdeckte Oersted die magnetische Wirkung von Strom auf eine Magnetnadel und Ampere stellte die quantitativen Gesetze der magnetischen Wechselwirkung von Leitern mit Strom auf.

Ein Magnetfeld entsteht immer durch Strom, also durch bewegte elektrische Ladungen, insbesondere durch geladene Teilchen (Elektronen, Ionen). Entgegengesetzt gerichtete Ströme stoßen sich gegenseitig ab, gleichgerichtete Ströme ziehen sich gegenseitig an.

Eine solche mechanische Wechselwirkung entsteht durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern und Strömen, das heißt, es handelt sich zunächst um eine magnetische Wechselwirkung und erst dann um eine mechanische. Somit ist die magnetische Wechselwirkung von Strömen primär.

Im Jahr 1831 stellte Faraday fest, dass ein sich änderndes Magnetfeld eines Stromkreises einen Strom in einem anderen Stromkreis erzeugt: Die erzeugte EMK ist proportional zur Änderungsrate des Magnetflusses. Es ist logisch, dass die magnetische Wirkung von Strömen bis heute in allen Transformatoren genutzt wird und nicht nur in Elektromagneten (zum Beispiel in Industriemagneten).

In seiner einfachsten Form lässt sich die Leuchtwirkung von elektrischem Strom in einer Glühlampe beobachten, deren Spirale durch den durch sie fließenden Strom zur Weißglut erhitzt wird und Licht abgibt.

Bei einer Glühlampe macht die Lichtenergie etwa 5 % des zugeführten Stroms aus, die restlichen 95 % werden in Wärme umgewandelt.

Leuchtstofflampen wandeln aktuelle Energie effizienter in Licht um – bis zu 20 % des Stroms werden dank des Leuchtstoffs, der durch eine elektrische Entladung in Quecksilberdampf oder in einem Inertgas wie Neon entsteht, in sichtbares Licht umgewandelt.

Die Leuchtwirkung von elektrischem Strom wird bei LEDs effizienter realisiert. Wenn elektrischer Strom in Vorwärtsrichtung durch einen pn-Übergang geleitet wird, rekombinieren Ladungsträger – Elektronen und Löcher – unter Emission von Photonen (aufgrund des Übergangs von Elektronen von einem Energieniveau zum anderen).

Die besten Lichtemitter sind Halbleiter mit direkter Bandlücke (also solche, die direkte optische Band-Band-Übergänge ermöglichen), wie etwa GaAs, InP, ZnSe oder CdTe. Durch Variation der Zusammensetzung von Halbleitern ist es möglich, LEDs für verschiedene Wellenlängen vom Ultraviolett (GaN) bis zum mittleren Infrarot (PbS) herzustellen. Der Wirkungsgrad einer LED als Lichtquelle erreicht durchschnittlich 50 %.

Wie oben erwähnt, bildet jeder Leiter, durch den elektrischer Strom fließt, einen Kreis um sich selbst. Magnetische Wirkungen werden beispielsweise in Elektromotoren, magnetischen Hebevorrichtungen, Magnetventilen, Relais usw. in Bewegung umgewandelt.

Die mechanische Wirkung eines Stroms auf einen anderen wird durch das Amperesche Gesetz beschrieben. Dieses Gesetz wurde erstmals 1820 von André Marie Ampère für Gleichstrom eingeführt. Daraus folgt, dass parallele Leiter, deren elektrische Ströme in eine Richtung fließen, sich anziehen und in entgegengesetzte Richtungen abstoßen.

Das Amperesche Gesetz ist auch das Gesetz, das die Kraft bestimmt, mit der ein Magnetfeld auf einen kleinen Abschnitt eines stromführenden Leiters einwirkt. Die Kraft, mit der das Magnetfeld auf ein in einem Magnetfeld befindliches Element eines stromdurchflossenen Leiters einwirkt, ist direkt proportional zum Strom im Leiter und dem Vektorprodukt des Elements aus der Länge des Leiters und der magnetischen Induktion.

Es basiert auf diesem Prinzip, bei dem der Rotor die Rolle eines Rahmens mit Strom spielt, der im äußeren Magnetfeld des Stators mit einem Drehmoment M ausgerichtet ist.