Grundlagen der Elektrotechnik: Begriffe, Schaltungen & Schutz

Fundamentale elektrische Begriffe

• Atom: Ist der kleinste Teil eines chemischen Elements, das seine Eigenschaften behält.
• Ladung: Ist der Überschuss oder Mangel an Elektronen in einem Körper.
• Strom: Ist die geordnete Bewegung von Elektronen durch ein Material.
• Stromrichtung (Sinn des Stroms): Ist die definierte Richtung der bewegten Elektronen.

Klassen des elektrischen Stroms

• Gleichstrom (DC): Liegt vor, wenn der Elektronenfluss konstant ist und die Richtung nicht ändert.
• Wechselstrom (AC): Liegt vor, wenn der Elektronenfluss variabel ist und die Richtung wechselt.
• Pulsstrom: Liegt vor, wenn der Elektronenfluss variabel ist, aber die Richtung nicht ändert.

Elektrische Eigenschaften von Materialien

• Leiter: Bieten wenig Widerstand gegen die Verschiebung von Elektronen.
• Isolatoren oder Dielektrika: Bieten sehr hohen Widerstand gegen die Verschiebung von Elektronen, da diese fest in der atomaren Struktur gebunden bleiben.
• Halbleiter: Sind Materialien, bei denen die Anzahl der freien Elektronen, die für den elektrischen Stromfluss notwendig sind, von der Temperatur und den Verunreinigungen des Materials abhängt.

Elektrische Schaltungen und Systeme

• Elektrische Schaltung: Ist eine Gruppe von aktiven Elementen (die Energie liefern) und passiven Elementen (die Energie verbrauchen oder zerstreuen), die miteinander verbunden sind, um den Durchgang von elektrischem Strom und somit eine Energieübertragung zu ermöglichen.
• Elektrisches System: Ist die Menge der aktiven und passiven Komponenten, die zusammenarbeiten, um eine elektrische Anwendung zu realisieren.
• Gegenelektromotorische Kraft (fcem): Ist eine Kraft, die in Verbrauchern (Empfängern) entsteht, welche elektrische Energie nicht ausschließlich in thermische Energie umwandeln. Sie wirkt der elektromotorischen Kraft (e) des Generators entgegen.

Schaltungsarten (Verbindungen)

• Reihenschaltung (Serienschaltung): Zwei oder mehr Elemente sind in einem Stromkreis in Reihe geschaltet, wenn das Ende jedes Elements mit dem Anfang des nächsten verbunden ist.
• Parallelschaltung: Zwei oder mehr Elemente sind parallel geschaltet, wenn alle Anfänge in einem einzigen Punkt und alle Enden miteinander verbunden sind.

Widerstand und Kirchhoffsche Gesetze

Widerstand

Widerstände sind Bauteile, die verwendet werden, um einen zusätzlichen Widerstand in einen Stromkreis einzuführen.

Kirchhoffsche Gesetze

• Erstes Gesetz (Knotenregel): Die algebraische Summe der Ströme, die in einem Knoten ankommen, ist gleich der algebraischen Summe der Ströme, die den Knoten verlassen.
• Zweites Gesetz (Maschenregel): Über die gesamte Masche oder den geschlossenen Kreis ist die algebraische Summe aller Spannungsquellen gleich der algebraischen Summe der Spannungsabfälle.

Leitfähigkeit und Spezifischer Widerstand

• Spezifischer Widerstand (ρ): Der spezifische Widerstand eines Materials wird als Widerstand 'ρ' definiert und ist der Widerstand, den ein Leiter des Materials von 1 m Länge und 1 m² Querschnitt dem Durchgang eines Stroms entgegensetzt.
• Leitfähigkeit eines Materials: Ist die Leichtigkeit, mit der der elektrische Strom durch dieses Material fließt (Kehrwert des spezifischen Widerstands).
• Der elektrische Widerstand R eines Leiters: Der Widerstand eines homogenen metallischen Drahtes mit konstantem Querschnitt ist direkt proportional zu seiner Länge, umgekehrt proportional zu seinem Querschnitt und hängt vom spezifischen Widerstand 'ρ' ab.

Das Joulesche Gesetz (Wärmewirkung)

Beim Stromdurchgang durch ein leitfähiges Material wird Wärme erzeugt und die Temperatur steigt. Dieses Phänomen, das letztendlich die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie darstellt, ist als Joule-Effekt bekannt.

Die Wärmemenge (Q), die in einem Leiter oder Verbraucher in einer elektrischen Schaltung entsteht, ist direkt proportional zum Widerstand (R), dem Quadrat der Stromstärke (I²) und der Zeit (t), während der der Strom zirkuliert.

Schutz- und Sicherungselemente

• Nennstrom (In): Ist die maximale Stromstärke, die dem normalen Betrieb des Stromkreises zugeordnet ist.
• Kurzschluss: Ist die Verbindung von zwei oder mehr Punkten in einem Stromkreis durch einen sehr geringen Widerstand, oft aufgrund eines Isolationsfehlers oder einer falschen Bedienung. Im Allgemeinen liegt ein Kurzschluss vor, wenn die Stromstärke mehr als das Dreifache des Nennstroms beträgt.
• Überlast: Ist ein Betriebszustand eines elektrischen Stromkreises ohne Fehler, der zu einem Anstieg der Stromstärke über den Nennstrom führt.
• Sicherung: Ist eine Schutzeinrichtung, die den Stromkreis öffnet (unterbricht), indem ein dafür vorgesehenes Element schmilzt, wenn die Stromstärke für eine bestimmte Zeit einen festgelegten Grenzwert überschreitet.

Elektrische Installationen und Komponenten

Niederspannungsinstallation

Eine Gruppe verbundener Geräte und Schaltungen mit dem Ziel, Elektrizität bei niedrigen Spannungen zu erzeugen, umzuwandeln, zu transformieren, zu übertragen, zu verteilen und zu nutzen.

Komponenten

• Zähler: Sind Geräte zur Messung der vom Teilnehmer konsumierten elektrischen Energie.
• Schalter: Ist ein Gerät, das die Funktion hat, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen und ihn in diesem Zustand zu belassen, bis er erneut betätigt wird.
• Taster: Haben die gleiche Funktion wie ein Schalter (Öffnen und Schließen einer Schaltung), funktionieren aber nur, solange sie betätigt werden (Arbeitszustand), und kehren automatisch in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wenn die Aktion beendet wird (Ruhezustand).
• Wechselschalter: Ist eine Steuerung mit drei Anschlüssen: einem Eingang und zwei Ausgängen. Ermöglicht das Schließen oder Öffnen eines Stromkreises von zwei verschiedenen Stellen aus.
• Kreuzschalter: Ist ein Gerät mit vier Anschlüssen (zwei Eingängen und zwei Ausgängen) und zwei Betriebspositionen, das die Verbindung der Eingänge mit den Ausgängen kreuzt oder nicht.
• Stromstoßschalter (Teleruptor): Ist ein Gerät, das auf einem ferngesteuerten Schalter basiert. Es besteht aus einem Elektromagneten und einem oder mehreren Kontakten.
• Treppenlichtautomat: Ist ein Mechanismus, der die Einschaltdauer (Zeitsteuerung) einer Beleuchtungsanlage regeln kann.

Domotik (Gebäudeautomation)

Ist die Technologie, die sich mit der Automatisierung und Steuerung von Wohneinrichtungen befasst, mit dem Ziel, die Lebensqualität zu verbessern.