5 Grundlagen der Elektrotechnik für Schaltberechtigte Dieses Kapitel soll und kann kein Fachbuch in Sachen Elektrotechnik ersetzen. Es dient als Anregung, um entsprechend ausführliche Fachliteratur zu besorgen (siehe z. B. Werke des VDE VERLAGs und andere) sowie als fachpraktische Ergänzung zu vorhandenen Büchern und Berichten in Fachzeitschriften, speziell für den Schaltbetrieb. 5.1 Grundlagen der Elektrotechnik Hier geht es um die Zusammenhänge zwischen der elektrischen Spannung, dem elektrischen Strom und dem elektrischen Widerstand, also dem Ohm’schen Gesetz und dem Kirchhoff’schen Gesetz sowie den physikalischen Größen und den zugehörigen Einheiten. Aufbau der Materie Materie ist nicht unbegrenzt teilbar. Das kleinstmögliche Teilchen einer chemischen Verbindung ist das Molekül. Dieses besteht aus Atomen. Das Atom ist ein unteilbarer Materiebaustein. Seine Hauptbestandteile sind die Elektronen und der Kern (Protonen und Neutronen) (Bild 5.1.) Die Ladung eines Elektrons ist die kleinstmögliche elektrische Ladung, die Elementar-Ladung. Das Proton hat eine gleich große, aber positive Ladung wie das Elektron. Bild 5.2 zeigt ein Wasserstoffatom. Dieses besteht aus einem Proton, einem Neutron und einem Elektron. Elektronen Kern Bild 5.1 Atom Elektronen elektrisch negativ geladen, fast masselos Protonen elektrisch positiv geladen Neutronen elektrisch nicht geladen, also neutral 157 – + Bild 5.2 Wasserstoffatom Leiter und Nichtleiter In Metallen können sich die Elektronen der äußeren Schale verhältnismäßig leicht vom Atomverband lösen. Sie treten als freie Elektronen auf. Freie Elektronen bewegen sich regellos zwischen den verbleibenden Atomen. Bei einem elektrisch neutralen Atom ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen. Fehlt ein Elektron, so überwiegt bei dem betroffenen Atom die Anzahl der positiven Ladungsträger (Protonen). Ein solches Atom ist dann ein positives Ion. Entsprechend ist bei einem negativen Ion ein Elektron zuviel vorhanden. Elektronen und Ionen sind Ladungsträger. Stehen sich zwei unterschiedliche Ladungen gegenüber, so entsteht eine elektrische Spannung. Elektrische Spannung Darunter versteht man den Unterschied elektrischer Potentiale zweier elektrischer Ladungen! Die Einheit der Spannung ist das Volt, abgekürzt V. Die Driftbewegung der Ladungsträger wird dadurch hervorgerufen, dass auf alle Ladungsträger eine bestimmte Kraft ausgeübt wird. Die Ursache dieser Kraft ist die elektrische Spannung. Diese wird erzeugt durch: ● Induktion (magnetische Wirkung) ● chemische Wirkung ● Wärme (Thermo-Element) ● Licht (Foto-Element) ● Kristallverformung (Piezo-Elektrizität) Elektrischer Strom Der Ausgleich der elektrischen Ladung bzw. die Bewegung der Ladungsträger ist der elektrische Strom. Seine Einheit ist das Ampere, abgekürzt A. Die Ladungsträger bewegen sich unter dem Einfluss der elektrischen Spannung innerhalb des Leiters wie in einem reibenden Stoff. Durch diese Reibung erwärmt sich der Strom führende Leiter. Es entstehen Wärmeverluste. Ohm’sches Gesetz Einen einfachen Stromkreis zeigt Bild 5.3. 158 I A V U Bild 5.3 Einfacher Stromkreis R Bild 5.4 Versuchsaufbau In einem Experiment (Bild 5.4) kann nachgewiesen werden, dass Spannung und Strom einander proportional sind: U~I Proportionalität Oder: U=R·I mit der Proportionalitätskonstanten „R“, dem elektrischen Widerstand Daraus kann das Ohm’sche Gesetz abgeleitet werden: U R= I Die Einheit für R ist V/A = W = Ohm. Elektrische Leistung, elektrische Arbeit und Wirkungsgrad Das Grundgesetz von der Erhaltung der Energie lautet: Energie kann nicht geschaffen oder vernichtet werden! Im Heizgerät wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Im Motor wird elektrische Energie u. a. in mechanische Energie umgewandelt. Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. U2 R Die Einheit der elektrischen Leistung ist das Watt, abgekürzt W. P = U ◊ I = I2 ◊ R = Für das Drehstromnetz gilt: P = 3 ◊ U ◊ I ◊ cos j Elektrische Arbeit ist das Produkt aus Leistung und Zeit: W = P◊t W = U ◊ I ◊t Die Einheit der elektrischen Arbeit ist die Wattstunde Wh oder Wattsekunde Ws. 159