Grundlagen der Elektrotechnik: Größen und Schaltungen

1. Grundlegende elektrische Größen

Die grundlegenden Größen, die die elektrische Leistung charakterisieren, sind die Ladung, die Intensität (Stromstärke), der Widerstand und die Leistung.

Die elektrische Spannung

Die Energie, mit der ein Generator in der Lage ist, Elektronen durch einen Stromkreis zu bewegen, wird als Spannung oder elektromotorische Kraft bezeichnet. Die Spannung wird auch Potenzialdifferenz (DDP) genannt und in Volt (V) gemessen.

Die elektrische Stromstärke (Intensität)

Die elektrische Intensität ist die Anzahl der elektrischen Ladungen, die pro Zeiteinheit durch den Stromkreis fließen. Die elektrische Intensität, auch als elektrischer Strom bekannt, wird zu Ehren des Franzosen André-Marie Ampère in Ampere (A) gemessen.

In einem elektrischen Stromkreis fließt ein Strom der Intensität 1 A, wenn pro Sekunde etwa 3,6 Trillionen Elektronen fließen. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C), was der Ladung von 3,6 Trillionen Elektronen entspricht. Daher gilt: 1A = 1C / 1s.

Der elektrische Widerstand

Der elektrische Widerstand ist die Schwierigkeit, die ein Material dem Durchgang von elektrischem Strom entgegensetzt. Die Einheit des Widerstandes ist das Ohm (Ω), zu Ehren des deutschen Wissenschaftlers Georg Simon Ohm.

Die elektrische Leistung

Die Leistung ist die Fähigkeit eines Verbrauchers (Empfängers), seine Aufgaben besser und/oder schneller zu erfüllen, und wird in Watt gemessen. Die Leistung zeigt die Fähigkeit einer Maschine an, ihre Aufgaben mehr oder weniger schnell zu verrichten.

Alle elektrischen Motoren wandeln Energie um, aber einige tun dies schneller als andere. Die Leistung der Verbraucher steht in direktem Zusammenhang mit der Spannung und der Intensität, mit der der Stromkreis gespeist wird. Die Leistung wird in Watt (W) zu Ehren von James Watt gemessen. Ebenfalls weit verbreitet ist die Einheit Kilowatt (kW), was 1000 W entspricht.

Das Ohmsche Gesetz

Die Intensität des elektrischen Stroms, der durch einen Stromkreis fließt, ist direkt proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum geleisteten Widerstand.

In einem Stromkreis sind die drei grundlegenden Größen (Spannung, Widerstand und Intensität) eng miteinander verknüpft. Diese Beziehung wird als Ohmsches Gesetz von Georg Simon Ohm bezeichnet. Es wird wie folgt ausgedrückt: I = U / R, wobei die Intensität (I) in Ampere (A), die Spannung (U) in Volt (V) und der Widerstand (R) in Ohm angegeben werden.

2. Reihen- und Parallelschaltungen

Diese Elemente können auf unterschiedliche Weise verbunden werden: als Reihenschaltung, Parallelschaltung oder gemischte Schaltung.

Die Reihenschaltung

Wenn in einem Stromkreis die Elemente nacheinander verbunden sind, sodass derselbe Strom durch sie fließt, spricht man von einer Reihenschaltung.

Reihenschaltung von Verbrauchern

In einer Reihenschaltung wird der Stromkreis unterbrochen, wenn eine Lampe durchbrennt. Die Merkmale einer solchen Schaltung sind:

• Die zirkulierende Intensität ist für jeden Verbraucher gleich. Wenn ein Verbraucher getrennt wird, wird der Stromkreis geöffnet, der Stromfluss unterbrochen und alle anderen Verbraucher funktionieren nicht mehr.
• Die Spannung wird zwischen den Rezeptoren direkt proportional zu ihrem Widerstand aufgeteilt.

Reihenschaltung von Batterien

Hierbei wird ein Pluspol mit einem Minuspol verbunden. Der Strom muss durch jede einzelne Batterie fließen und nutzt die Energie von jeder einzelnen. Daher ist die an den Stromkreis abgegebene Spannung die Summe der einzelnen Batterien. Wir können daraus schließen, dass die Reihenschaltung von Batterien dazu dient, die Spannung im Stromkreis zu erhöhen.

Die Parallelschaltung (Nebenschluss)

Wenn Schaltelemente so verbunden sind, dass sich der Stromfluss an einem Anschlusspunkt zwischen den Elementen aufteilt und am Ausgang wieder vereinigt, nennt man dies eine Parallelschaltung.

Parallelschaltung von Verbrauchern

In den Schaltplänen lassen sich folgende Merkmale erkennen:

• Wenn ein Verbraucher aufgrund einer Anomalie ausfällt, funktionieren die anderen weiterhin.
• Jeder Verbraucher erhält die gleiche Spannung wie der Generator.

Parallelschaltung von Batterien

Die Spannung des Stromkreises entspricht der einer einzelnen Batterie, aber der gelieferte Strom wird aus allen Batterien gemeinsam verbraucht. In einer Parallelschaltung von Batterien wird die Autonomie erhöht, da die benötigte Energie gleichmäßig von allen Batterien bereitgestellt wird.

3. Messung elektrischer Größen

Es gibt Geräte zur Messung der Größen in einem elektrischen Stromkreis: Voltmeter für die Spannung, Amperemeter für die Intensität, Ohmmeter für den Widerstand und Wattmeter für die Leistung. Diese Messgeräte können analog oder digital sein.

Das Voltmeter

Um die Spannung zu messen, wird ein Voltmeter verwendet. Das Voltmeter ist ein Gerät mit zwei Klemmen oder Anschlüssen, welche die Kontaktstellen zwischen den beiden Platinen bilden.