Archiv Papiertechnik

Stromdichte und Feldstärke

Die elektrische Stromstärke (siehe „PapierMacher“ 2/2002) ist die Basisgröße für einige abgeleitete Einheiten ohne eigenen Namen. In diesem Artikel werden neben der elektrischen Stromdichte sowohl die elektrische als auch die magnetische Feldstärke beschrieben.

HLD

Als Dichte bezeichnet man allgemein das Verhältnis irgendeiner Eigenschaft in Bezug auf Länge, Fläche oder Volumen. Stromdichte ist das Verhältnis der Stromstärke zu der Fläche, innerhalb derer ein elektrischer Strom durchtritt. Die elektrische Stromdichte als abgeleitete SI-Einheit wird deshalb Ampere pro Quadratmeter (Am-2, A/m²) gemessen. Zwecks Hantierung mit anschaulichen Zahlengrößen arbeitet man in der Praxis mit dem Bezug auf eine kleinere Fläche. So beträgt die Stromdichte J zum Beispiel bei einem Strom der Stromstärke I von 1 A (Ampere) innerhalb eines Leiters der Querschnittsfläche A von 10 mm²

J = I : A = 1 A : 10 mm² = 0,1 A mm-2, das wären 0,0000001 A m-2.

Bei kupfernen Stromleitern wird die Stromdichte normalerweise auf 6 A pro mm² ausgelegt, damit die Erwärmung des Kabels auch bei dauernder Belastung nicht zu hoch wird. Wegen der mit einem Stromfluss einhergehenden Wärmeerzeugung und damit auch steigendem Widerstand ist die maximale Stromdichte zwar theoretisch begrenzt, kurzzeitig kann sie jedoch sehr hoch, praktisch unbegrenzt hoch werden. So wird zum Beispiel in Schmelzsicherungen die Erhitzung benutzt, um den Strom durch Verglühen des Schmelzdrahtes zu unterbrechen. Nach VDE 0100 darf der Strom in Leitern höchstens 13 A bei 0,75 mm², 16 A bei 1,0 mm² und 27 A bei 2,5 mm² Leitungsquerschnitt betragen. In der Galvanotechnik wird die Stromdichte auf die Flächeneinheit für die Beschichtung bezogen. Üblich ist hier die Einheit A/dm² (Ampere pro Quadratdezimeter, A dm-2), weil sich dadurch anschaulichere Zahlen zwischen 0,5 und 5 ergeben.

Als Feldstärke bezeichnet man generell die Stärke eines elektrischen, magnetischen oder auch eines anderen räumlich verteilten Feldes an einem bestimmten Punkt im Raum. Die Feldstärke ist häufig ein Vektor, das heißt, sie wird nicht nur durch den Betrag, sondern zusätzlich auch durch die Wirkungsrichtung beschrieben. Es gibt allerdings auch skalare Felder, zu deren Beschreibung in einem Raumpunkt nur eine einzige Zahl notwendig ist, zum Beispiel die Temperatur und der Luftdruck. (Der Skalar ist im Gegensatz zum Vektor eine Zahl, die beim Übergang von einem Koordinatensystem zu einem anderen unverändert bleibt.)

Die elektrische Feldstärke hat das Formelzeichen E und als abgeleitete SI-Einheit die Einheit Volt pro Meter (V m-1, V/m), die magnetische Feldstärke hat das Formelzeichen H und als ebenfalls abgeleitete SI-Einheit die Einheit Ampere pro Meter (A m-1, A/m).

Eine praktische Größe der elektrischen Feldstärke ist die Durchschlagfeldstärke, das ist die Feldstärke, bei der ein eigentlich nicht leitendes Material leitend wird. Ein anschauliches Beispiel ist der elektrische Lichtbogen, zum Beispiel der Blitz. Wird eine bestimmte Feldstärke überschritten, in diesem Falle eine hohe Spannung pro Entfernung der Spannungspole voneinander, so gibt es eine Blitzentladung. Bei Luft liegt die Durchschlagfeldstärke etwa zwischen 1 bis 10 kV cm-1, abhängig allerdings von Luftdruck und Luftfeuchtigkeit. Ein Blitz muss also eine Spannung von 1.000.000.000 (1 Milliarde) Volt haben, um eine Entfernung von 1 km zu überbrücken. Die Durchschlagfestigkeit eines Isolators dagegen, angegeben in V oder kV mm-1 (Volt oder Kilovolt pro Millimeter) ist diejenige elektrische Feldstärke, welche in dem Material höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag kommt. Beispiele für die ungefähre Durchschlagsfestigkeit von isolierenden Materialien sind:

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