Grundlagen der Elektrotechnik: Stromkreise und Gesetze

Artikel 54: Einführung in die Elektrotechnik

Ein elektrischer Stromkreis besteht aus einer Reihe von Elementen, die so verbunden sind, dass ein elektrischer Strom fließen kann. Je nach Art der Erregungsquellen unterscheidet man zwischen zeitinvarianten Gleichstromkreisen (DC) und sinusförmigen Wechselstromkreisen (AC). Letztere sind von großer praktischer Bedeutung, da die sinusförmige Wechselspannung die Basis für die Erzeugung, Übertragung und Nutzung elektrischer Energie bildet.

Variablen von Schaltkreisen und Vorzeichenkonvention

Die wichtigsten Variablen bei der Untersuchung elektrischer Schaltkreise sind Strom, Spannung und Leistung.

Strom

Der Strom beschreibt die Verschiebung elektrischer Ladungen entlang eines Leiters. Er resultiert aus dem Bestreben von Körpern, elektrisch neutralisiert zu werden. Ein Körper mit einem Elektronenüberschuss gibt diese an Körper mit Elektronenmangel ab. Die technische Stromrichtung ist von + nach - definiert.

Spannung (DDP)

Die Spannung (U) ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten. Damit eine geordnete Bewegung von Ladungen (Strom) stattfinden kann, ist eine Quelle oder ein Generator erforderlich, der die Ladungen mit Energie versorgt, um sie in Bewegung zu setzen.

Leistung

Die Leistung ist die Arbeit pro Zeit: P = V × I. Die Einheit der elektrischen Leistung ist das Watt (W). In der Mechanik wird zudem die Pferdestärke (PS) oder das CV verwendet (1 CV = 736 W). Die Verlustleistung eines Leiters durch den Stromfluss berechnet sich als Produkt aus Widerstand und dem Quadrat der Stromstärke: P = R × I².

Kirchhoffsche Gesetze

Knotenpunktregel (KCL)

Dieses Gesetz basiert auf dem Prinzip der Ladungserhaltung. In jedem Knotenpunkt ist die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme: I1 + I3 + I5 = I2 + I4. Allgemein gilt: Die algebraische Summe aller Ströme in einem Knoten ist zu jedem Zeitpunkt Null.

Maschenregel (KVL)

Dieses Gesetz basiert auf dem Prinzip der Energieerhaltung. Zu jedem Zeitpunkt ist die algebraische Summe aller Spannungen in einem geschlossenen Stromkreis Null: Σu(t) = 0.

Physikalische Grundlagen

Coulomb-Gesetz

Die Kraft, mit der sich zwei elektrische Ladungen anziehen oder abstoßen, ist direkt proportional zum Produkt ihrer Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen.

Elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit

• Elektrischer Widerstand (R): Beschreibt die Schwierigkeit eines Materials, den Stromfluss zuzulassen. Die Einheit ist das Ohm (Ω).
• Spezifischer Widerstand (Resistivität): Der Widerstand eines Stoffes bezogen auf einen Zylinder mit 1 mm² Querschnitt und 1 m Länge (Symbol: ρ).
• Widerstand eines Leiters: Abhängig von Länge (L), Querschnitt (S) und Material: R = ρ × L / S. Der Widerstand ist zudem temperaturabhängig.

Stromstärke

Die Menge der Ladung, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt. Sie wird mit einem Amperemeter in Ampere (A) gemessen.

Ohmsches Gesetz

Die Stromstärke durch einen Leiter ist direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand: I = V / R bzw. V = I × R. Ein Leiter erfüllt das Ohmsche Gesetz nur, wenn die U-I-Kennlinie linear ist.

Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC)

Wechselstrom (AC)

Ein elektrischer Strom, der seine Richtung und Stärke periodisch ändert. Wichtige Begriffe sind:

• Periode (T): Die Zeit für einen vollständigen Zyklus.
• Frequenz (f): Die Anzahl der Zyklen pro Sekunde (f = 1 / T).
• Phasenverschiebung: Wenn zwei Wechselgrößen nicht gleichzeitig ihre Maximalwerte erreichen.

Gleichstrom (DC)

Ein kontinuierlicher Fluss von Elektronen in eine Richtung. Die Polarität der Anschlüsse bleibt konstant.

Fazit

Fazit

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