Spannung – Strom – Widerstand
Die wichtigsten Fachbegriffe der Elektrotechnik mit Erläuterung
Das Typenschild gibt u.a. Angaben zur Stromart und zur Spannung. Beispielsweise ist auf diesem Bild unter „Input“ zu erkennen, dass das abgebildete Steckernetzgerät für eine Eingangsspannung von 100 bis 240 V Wechselstrom ausgelegt ist.
Steckdosen in Haushalten werden in der Regel mit drei Leitern angeschlossen. Hier zu sehen: der stromführende Leiter „L1“ (schwarze Ummantelung), der Neutralleiter „N“ (blaue Ummantelung) und der Schutzleiter PE (gelb-grüne Ummantelung).
Die übliche Netzspannung (Formelzeichen „U“) in Haushalten beträgt ca. 230 Volt.
Ein Stromzähler zeigt die in ein Objekt eingebrachte Energie in Kilowattstunde (kWh) an. Deshalb wird üblicherweise die sich durch die Formel W = U · I · t ergebene Einheit „Wattsekunde“ umgerechnet.
Im SHK-Bereich hat die Elektrotechnik zunehmend an Bedeutung gewonnen. Elektrizität ist eine Erscheinungsform der Energie. Sie lässt sich in andere Energieformen, beispielsweise in Bewegungsenergie oder Wärmeenergie, umformen. Das wiederum erlaubt die Realisierung von Funktionsabläufen wie Drehzahlreglung von Maschinen oder Temperaturreglung in Heizungsanlagen. Der folgende Artikel erläutert die wichtigsten Fachbegriffe aus der Elektrotechnik.
Das Drehstromnetz
Der Strom, den uns die Energieversorgungsunternehmen (EVU) ins Haus liefern, ist in der Regel ein dreiphasiger Wechselstrom (Drehstrom). Ein solches Stromnetz besteht aus drei stromführenden Leitern, Phasen genannt, die als L1, L2 und L3 bezeichnet werden. Der vierte Leiter im Bunde ist der Neutralleiter N, den man sich als Rückleiter für die drei Ströme vorstellen kann. Allgemein spricht man von einem „Vierleitersystem“. Ergänzt wird ein solches System fast immer durch den Schutzleiter PE. Im Prinzip hat der PE nichts mit den Stromkreisen zu tun, er dient vielmehr der Erdung der angeschlossenen Stromverbraucher, also der Sicherheit. Oft wird der Schutzleiter mit dem Neutralleiter zusammengefasst und dann als PEN-Leiter bezeichnet.
Die elektrische Spannung
Jeder SHK-Installateur weiß, dass ein Wasserstrom nur dann fließen kann, wenn Druck vorhanden ist. Gleiches gilt in der Elektrotechnik: Ein elektrischer Strom kann nur fließen, wenn eine elektrische Spannung („Druck“) vorhanden ist. Die Größe dieser Spannung wird in Volt (V) angeben. Die übliche Netzspannung in Haushalten beträgt 230 Volt. Unseren üblichen Vierleiter-Drehstromnetzen lassen sich allerdings auch 400 V entnehmen: Zwischen je zwei Außenleitern (Beispiel: L1 und L2) besteht eine Spannung von 400 V und zwischen je einem Außenleiter und dem Neutralleiter (N) eine von 230 V. Die Spannung hat das Formelzeichen „U“.
Wie bereits erwähnt, liefert das Stromnetz einen Wechselstrom. Es wird mit den Buchstaben „AC“ (Alternativ Current) oder mit dem Symbol „~“ bezeichnet. Gleichströme, etwa aus Batterien oder Akkus, sind mit „DC“ (Direkt Current) oder dem Symbol „=“ gekennzeichnet. Entsprechende Angaben finden sich auf dem Typenschild der Verbraucher, z.B „230 V ~“.
Der elektrische Strom
Strom kann wie gesagt nur fließen, wenn er durch eine elektrische Spannung dazu angetrieben wird. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass ein in sich geschlossener Stromkreis vorhanden ist. Von der Spannungsquelle (Beispielsweise Steckdose) fließt der Strom (I) über Verbindungsleitungen zum Verbraucher (z.B. Bohrgerät). Die Stromstärke ist an allen Stellen eines einfachen, d.h. unverzweigten Stromkreises gleich groß. Zudem wird sie größer, je höher die antreibende Spannung ist. Aber noch etwas anderes beeinflusst die Stromstärke – nämlich der elektrische Widerstand. Man versteht darunter eine Eigenschaft, die jeder elektrische Stromleiter, jeder elektrische Stromverbraucher, beinhaltet – nämlich das Bestreben, den Stromfluss zu bremsen. Je besser ihm das gelingt, also, je größer der elektrische Widerstand ist, umso kleiner wird der Strom. Spannung und Widerstand sind damit die beiden Faktoren, welche die Stromstärke bestimmen. Der elektrische Widerstand hat das Formelzeichen „R“ und die Einheit „Ohm“.
Die Stromstärke I kann man nach der Formel U = R · I berechnen, was den Zusammenhang gut erkennen lässt. Das ganze wird als „Ohmsches Gesetz“ bezeichnet, nach dem deutschen Physiker, der als erster die Zusammenhänge zwischen Spannung, Widerstand und Strom untersuchte.
Die elektrische Leistung und Arbeit
Elektrizität ist eine Erscheinungsform der Energie – das wurde eingangs gesagt. In eine andere Energieform umgewandelt, kann sie Leistung erbringen und Arbeit verrichten. Legt man an einen Motor eine elektrische Spannung, dreht sich der Läufer und treibt eine Maschine an. Allgemein gilt, dass die elektrische Leistung P umso größer wird, je höher die anliegende Spannung und/oder der fließende Strom ist. Demzufolge kann die elektrische Leistung P berechnet werden, wenn man die Spannung „U“ mit dem Strom „I“ multipliziert: Spannung (in V) · Strom (in A) = Leistung (in Watt), kurz P = U · I. Dabei sind 1000 Watt = 1 kW (Kilowatt). Die Leistung kann man auch als Arbeit pro Sekunde ansehen. Die elektrische Arbeit W erhält man somit, wenn man die Leistung P mit der Zeit malnimmt, d.h. wenn die Leistung in einer gewissen Zeit „t“ wirksam wird. Wieder kann man das in einer Formel ausdrücken: W = U · I · t oder P · t in der Einheit Watt (W) · Sekunde (s) = Wattsekunde (Ws).
Die sich daraus ergebende Einheit „Wattsekunde“ ist für den praktischen Gebrauch zu klein. Deshalb wird üblicherweise mit der bekannten Kilowattstunde (kWh) gearbeitet. Diese wird von jedem Stromzähler angezeigt.
Autor: Günter E. Wegner
Bilder: IKZ-PRAXIS
