Grundlagen der Elektrizität und elektrische Systeme

Einführung in die Elektrizität

Elektrizität als Energiequelle

Elektrizität ist eine sekundäre Energiequelle, das heißt, sie wird aus anderen Energiequellen gewonnen. In der Regel sind die primären Quellen für die Stromerzeugung in einem Land:

• Wasserkraft (Hydro): 51 %
• Gas: 34 %
• Kohle: 9 %
• Öl oder andere: 6 %

Die elektrische Energie macht etwa 17 % der gesamten Energiequellen eines Landes aus.

Bedeutung und Verbreitung von Elektrizität

Elektrizität ist heute in allen Produktionsprozessen unverzichtbar, sei es in der Industrie, im Bergbau, im Wohnbereich oder in der Versorgungswirtschaft. Ein Leben ohne sie ist undenkbar.

In Chile beträgt die Abdeckung mit Stromdienstleistungen etwa 99 % in städtischen Gebieten und 90 % in ländlichen Gebieten.

Komponenten eines elektrischen Systems

Ein elektrisches System umfasst in der Regel vier Hauptphasen oder -faktoren:

1. Erzeugung von Elektrizität

   Hier befinden sich die Stromerzeugungszentren. Diese sind in der Regel weit von den Verbrauchszentren entfernt, da sie große Mengen an Energieträgern benötigen und eine angemessene Sicherheit gewährleisten müssen.

2. Übertragung von Elektrizität

   Da die Generatoren weit von den städtischen Zentren entfernt liegen, sind Stromleitungen erforderlich, um diese Energie in die Städte zu übertragen. Die Übertragung dient dazu, die erzeugte Energie über Stromnetze zu den Verbrauchszentren zu transportieren.

3. Verteilung von Elektrizität

   Dies entspricht dem Unternehmen, das sich um die Verteilung der Energie kümmert. Es empfängt die Energie von den Generatoren (oft über Transformatoren, die die Spannung anpassen) und leitet sie über das Verteilungsnetz an die Endverbraucher weiter.

4. Endverbraucher von Elektrizität

   Dies sind diejenigen, die Energie für den Endverbrauch erhalten, sei es als Input in die Produktion oder als Dienstleistung. Die Baubranche beispielsweise ist ein Endverbraucher, der elektrische Energie in verschiedenen Anwendungen nutzt.

Grundlegende elektrische Größen

Spannung (Potenzialdifferenz)

Einige Körper können elektrisch geladen werden und erwerben dadurch ein bestimmtes elektrisches Potenzial. Dieses Potenzial kann andere Ladungen, die sich in seinem Einflussbereich befinden, abstoßen oder anziehen.

Wenn wir zwei Körper mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen und somit unterschiedlichen Potenzialen haben, fließt jede elektrische Ladung (Elektronen) im Bereich zwischen den beiden Körpern vom Körper mit dem höheren Potenzial zum Körper mit dem niedrigeren Potenzial. Diese Fähigkeit, Arbeit an Ladungen zwischen zwei Punkten zu verrichten, wird als Spannung bezeichnet.

Um einen Elektronenfluss in einem bestimmten Leiter zu verursachen, ist es notwendig, eine Spannung oder Potenzialdifferenz anzulegen.

Die Spannung wird durch den Buchstaben U (oder V im englischen Sprachraum) symbolisiert und in Volt (V) gemessen.

Spannung stellt die erforderliche Arbeit dar, um eine bestimmte Menge elektrischer Ladung zu bewegen.

In der Praxis ermöglicht uns die Technologie, einem leitenden Körper eine potenzielle Eigenschaft zu verleihen und daraus eine "Spannungsquelle" zu erzeugen.

Gleichspannungsquellen

Eine Gleichspannungsquelle liefert eine konstante Spannung, deren Polarität über die Zeit gleich bleibt. Sie erzeugt eine Bewegung von Ladungen immer in die gleiche Richtung.

Bekannte Gleichspannungsquellen sind Akkumulatoren (Akkus), Batterien und Photovoltaik-Zellen. Diese erzeugen durch physikalisch-chemische Prozesse zwei polarisierte Anschlüsse mit unterschiedlicher Polarität.

Jeder Körper, der einer Potenzialdifferenz ausgesetzt ist, die von solchen Quellen erzeugt wird, provoziert eine Bewegung der Ladungen vom Pluspol zum Minuspol.

Wechselspannungsquellen

Eine Wechselspannungsquelle liefert ein elektrisches Potenzial, dessen Richtung und Größe sich ständig ändern. Diese Art von Spannungsquelle wird am häufigsten in Industrie, Wohngebäuden und im kommerziellen Bereich verwendet.

Die Potenzialdifferenz wird entweder zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichem Potenzial oder zwischen einem Körper mit Potenzial und einem anderen Körper mit Potenzial Null (bekannt als Neutralleiter) gemessen.

Die in den nationalen Stromnetzen verwendete Wechselspannung entspricht einem Sinussignal mit einer Frequenz von 50 Hertz (Hz) und einem Spitzenwert von 311,13 Volt.

Stromstärke

Als Stromstärke (oder elektrischer Strom) bezeichnet man den Fluss von Elektronen in einem leitenden Körper, der durch eine angelegte Potenzialdifferenz oder Spannung verursacht wird. Sie wird durch den Buchstaben I gekennzeichnet und in Ampere (A) gemessen.

Die Stromstärke ist definiert als die Menge der Ladungen, die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt eines Leiters fließen.

Damit das Phänomen des Stromflusses auftreten kann, muss der Körper, der der Potenzialdifferenz ausgesetzt ist, ein leitender Körper sein, d.h., er muss freie Elektronen besitzen, die sich unter dem Einfluss der angelegten Spannung leicht bewegen lassen.

Die am häufigsten verwendeten Materialien, die diese Funktion erfüllen, sind Kupfer und Aluminium.

Im Gegensatz dazu werden Materialien, die eine sehr hohe Spannung erfordern, um freie Elektronen zu bewegen, als Dielektrika oder Isolatoren bezeichnet und als elektrische Isolatoren verwendet.

Der elektrische Stromkreis

Elemente eines Stromkreises

Energiequelle im Stromkreis

Eine Energiequelle ist eine Vorrichtung, die geeignet ist, eine Potenzialdifferenz oder Spannung zu erzeugen. Sie liefert die benötigte Energie, um elektrische Ladungen in Bewegung zu setzen.

Leiter im Stromkreis

Leiter (oft als "Treiber" bezeichnet) verbinden die Energiequelle mit der elektrischen Last, ohne deren Eigenschaften oder Verhalten zu beeinflussen. In der Regel handelt es sich dabei um Drähte mit geringem elektrischem Widerstand.

Elektrische Last im Stromkreis

Die elektrische Last ist das Element im Stromkreis, das sich unter der Spannung der Quelle verhält und elektrische Energie in eine andere Energieform oder einen praktischen Effekt umwandeln kann.

Lasten werden grob in drei Kategorien unterteilt:

• Motorische Lasten (z.B. Elektromotoren)
• Lichtlasten (z.B. Lampen)
• Wärmelasten (z.B. Heizgeräte)

Zustände eines Stromkreises

Stromkreise können in drei Hauptzuständen vorliegen:

1. Geschlossener Stromkreis

   In einem geschlossenen Stromkreis ist die Spannungsquelle direkt über die Leiter mit der Last verbunden. Die wichtigste Eigenschaft ist, dass Strom fließt, dessen Stärke durch die Last bestimmt wird.

2. Unterbrochener Stromkreis (Leerlauf)

   Dies entspricht einem Stromkreis, in dem der Stromfluss unterbrochen ist (z.B. durch einen geöffneten Schalter oder eine Trennung des Leiters). Es kann sich um einen zufälligen oder absichtlich herbeigeführten Zustand handeln. In diesem Fall gibt es keinen Stromfluss von der Quelle zur Last.

3. Kurzschluss

   Ein Kurzschluss entsteht, wenn die Anschlüsse oder Ausgangspole einer Spannungsquelle direkt miteinander verbunden werden, ohne dass eine Last dazwischengeschaltet ist. Dies ist ein unerwünschtes Phänomen, das zur Zerstörung des Stromkreises führen kann. Da kein Widerstand der Last vorhanden ist, steigt der Strom in der Verbindung auf sehr hohe Werte an, was zur Freisetzung großer Wärmemengen führt.

Aktive und passive Elemente

Spannungsquellen werden als aktive Elemente bezeichnet, da sie Energie liefern. Lasten hingegen sind passive Elemente, da sie Energie verbrauchen.

Bestandteile einer elektrischen Last

Elektrische Lasten sind die Elemente, in denen die Energieumwandlung stattfindet. Sie bestehen immer aus drei grundlegenden Elementen:

• Elektrischer Widerstand
• Elektrische Induktivität (Spule)
• Elektrische Kapazität (Kondensatoren)

Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand entspricht dem Widerstand, den eine Last dem elektrischen Stromfluss entgegensetzt. Es ist ein passives Element, das Energie in Form von Wärme abgibt.

Er wird mit dem Buchstaben R dargestellt und in Ohm (Ω) gemessen.

Der Widerstand eines Leiters hängt von dessen physikalischen Eigenschaften ab, wie der Leitfähigkeit, dem Querschnitt und der Länge des Leiters.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft des elektrischen Widerstands ist seine Abhängigkeit von der Temperatur. Seine Charakteristik wird durch den Temperaturkoeffizienten definiert.

Elektrische Induktivität (Spule)

Induktivitäten oder Spulen sind passive Schaltungselemente, die aus einem oder mehreren Windungen eines elektrischen Leiters bestehen. Sie zeichnen sich vor allem durch ihre Fähigkeit aus, Energie in einem Magnetfeld zu speichern.

Dieses Phänomen wird zur Erzeugung von kinetischer Energie genutzt, wobei eine der wichtigsten Anwendungen Elektromotoren sind. Die Induktivität wird mit dem Buchstaben L symbolisiert und in Henry (H) gemessen.

Die Merkmale der Induktivität einer Spule hängen von der Anzahl der Windungen, dem Strom und dem Magnetfeldfluss ab.