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Stromdichte

Physikalische Größe
Name		elektrische Stromdichte; Leitungsstromdichte
Formelzeichen der Größe		J, j, S
Größen- und Einheitensystem	Einheit		Dimension
SI	A·m^-2		I·L^-2

Die Stromdichte bezeichnet das Verhältnis von Stromstärke zur Fläche, innerhalb derer ein elektrischer Strom durch tritt. Die Stromdichte J ist definiert als Stromstärke I pro durchflossener Querschnittsfläche A.

Ein Leiter erwärmt sich umso mehr, je größer die Stromdichte J ist. (Merkregel „Joule“)

Als Formelzeichen werden in Deutschland J, j und S verwendet.

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Definition

Allgemein gilt:

$I = \int_A \vec J \cdot \mathrm{d}\vec A$ ^[1]

Damit lässt sich die Stromdichte schreiben als:

$\vec J = nq\vec{v_d}= \rho_{el} \vec v = \frac{\mathrm{d} Q}{\mathrm{d} V} \frac{\mathrm{d} \vec x}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}t}\frac{\mathrm{d} \vec x}{\mathrm{d} V} = I \frac{\mathrm{d} \vec x}{\mathrm{d} V}$

Wobei

I

der elektrische Strom,

A

die durchflossene Fläche (und zwar als der Vektor, der senkrecht auf A steht und die Länge des Betrags der Fläche von A hat),

n

die Anzahl der Ladungsträger pro Einheitsvolumen [1/m^3],

q

die Ladung eines einzelnen Ladungsträgers,

v d

die mittlere Geschwindigkeit der Ladungsträger,

$\rho_{el}(\vec r) = \frac{\mathrm{d}Q}{\mathrm{d}V}$ die Ladungsdichte,

Q

die Gesamtladung im Volumen,

V

das zu betrachtende Volumen,

$\vec x$ der Ort,

t

die Zeit

sind.

Bei räumlich konstanter Stromdichte vereinfacht sich die Definition zu $I=\vec J \cdot \vec A$

Folgerungen aus der Definition

Der Zusammenhang zwischen Stromdichte und elektrischer Feldstärke heißt Ohmsches Gesetz und lautet $\vec J=\sigma\cdot \vec E$ , wobei $σ$ die elektrische Leitfähigkeit (engl: conductivity) des umgebenden Mediums ist und $\vec E$ das elektrische Feld.

Mit Hilfe des Gaußschen Satzes ( $\oint \vec j\cdot\mathrm{d}\vec A=\int \operatorname{div}\vec j\mathrm{d}V$ ) erhält man die Kontinuitätsgleichung $\operatorname{div} \vec j(\vec x, t)=-\frac{\partial}{\partial t}\rho_{el}(\vec x,t)$ , die besagt, dass Ladungen weder erzeugt, noch vernichtet werden können.

Die vektoriell ausgedrückte Stromdichte findet sich angewandt zum Beispiel in den Maxwellgleichungen.

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 von elektrischen Leitern beschreiben will. Der Gesamtstrom $I$ ist die Summe der einzelnen Flächenströme. Die Flächenstromdichte $K$ erhält man durch Bezug des gesamten Stromes auf die Breite $b$ der einzelnen Fläche:

$K=\frac{I}{b}$

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

$I(P)=\sum_l I_l\,$

Beispiel 1

Die Stromdichte J beträgt bei einem Strom der Stromstärke I von 1 A (Ampere) innerhalb eines Leiters mit der Querschnittsfläche A von 10 mm²

$J = \frac{I}{A} = \frac{1\ \mathrm{A}}{10\ \mathrm{mm^2}} = 0{,}1\ \mathrm{A \over mm^2}$

Ein technisch wichtiger Stromleiter ist Kupfer. Die Stromdichte wird im allgemeinen auf 6 A/mm² ausgelegt, damit unter Dauerlast keine unzulässige Erhitzung vorkommt. Aufgrund der mit dem Stromfluss verbundenen Wärmeerzeugung und dem somit steigenden Widerstand, ist die maximale Stromdichte begrenzt, kurzzeitig kann sie jedoch beliebig hoch werden. In Schmelzsicherungen wird die Erhitzung genutzt, um den Strom zu unterbrechen. Nach VDE 0100 beträgt der maximale Strom von Leitern 13 A bei einer Querschnittsfläche von 0,75 mm², 16 A bei 1,0 mm² sowie 27 A bei 2,5 mm².

In der Galvanotechnik bezeichnet die Stromdichte den elektrischen Strom pro Flächeneinheit, der für die Beschichtung eingestellt wird. Die übliche Einheit ist hier A/dm², weil sich dadurch kleine, anschauliche Zahlen zwischen 0,5 und 5 ergeben. Verfahrensspezifisch gibt es typische Stromdichten, die eingehalten werden müssen, um z.B. bei einer Verzinkung oder Vernickelung gute Ergebnisse zu erhalten.

Beispiel 2

Auch bei Brennstoffzellen spielt die Stromdichte eine entscheidende Rolle. In einer Brennstoffzelle wird in einer Flächenreaktion chemische Energie elektrochemisch in elektrische Energie (elektrischen Strom I) und Wärme umgewandelt. Um die Leistung von Brennstoffzellen mit unterschiedlicher aktiver Fläche besser miteinander vergleichen zu können, wird der von der Zelle produzierte elektrische Strom durch die aktive Fläche geteilt. Das Ergebnis ist die Stromdichte j:

$J = \frac{I}{A} = \frac{100\ \mathrm{A}}{200\ \mathrm{cm^2}} = 0{,}5\ \mathrm{A \over cm^2}$

Quellen

↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 2 Elektrizität und Optik

Kategorie: Elektrochemie

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