Grundlagen der Elektrotechnik: Widerstände, Kondensatoren & Spulen

Widerstände

Widerstände lassen sich in zwei Gruppen unterteilen:

• Konzept des elektrischen Widerstands: Der Widerstand eines Leiters beschreibt die Opposition, die ein Leiter dem Durchgang von elektrischem Strom entgegensetzt.
• Keramik-gekapselte Widerstände: Diese Widerstände besitzen einen Wert, der durch einen Farbcode bestimmt wird. Diese Farben sind in Schaltungen angeordnet, um den elektrischen Strom gezielt zu begrenzen.

Ohmsche Gesetze und Berechnung

Ohmsche Materialien erfüllen das Ohmsche Gesetz, d. h., der Widerstand hängt nicht von der Stromstärke ab und bleibt konstant. Bei nicht-ohmschen Materialien hängt der Widerstand von der Intensität ab.

Der Widerstand eines Leiters kann zudem über seine Materialeigenschaften berechnet werden:

R = ρ · L / S

• R = Widerstand
• ρ = Spezifischer Widerstand des Leiters
• L = Leitungslänge
• S = Querschnitt des Leiters

Kondensatoren

Kondensatoren sind passive Elemente, die elektrische Energie in Form eines elektrischen Feldes speichern können. Sie bestehen aus zwei Metallplatten, die durch ein isolierendes Material, das sogenannte Dielektrikum (z. B. Luft, Glas, Polycarbonat), getrennt sind.

Die Fähigkeit eines Kondensators zur Speicherung von Ladungen wird durch die Kapazität (C) definiert:

C = Q / V

Die Kapazität wird in Farad (F) zu Ehren von Michael Faraday gemessen. Da das Farad eine sehr große Einheit ist, werden in der Praxis meist Untereinheiten verwendet.

Verhalten in Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC)

• Gleichstrom (DC): Wird ein Kondensator an eine Spannungsquelle angeschlossen, lädt er sich auf. Sobald er geladen ist, fließt kein Strom mehr, da die Spannung an den Platten konstant bleibt. Der Kondensator wirkt wie ein unendlicher Widerstand (Leerlauf).
• Wechselstrom (AC): Der Kondensator bietet einen Widerstand, der als kapazitive Reaktanz oder kapazitiver Blindwiderstand bezeichnet wird: Xc = 1 / (ω · C) = 1 / (2 · π · f · C). Im Wechselstromkreis eilt der Strom der Spannung um 90° (π/2) voraus.

Spulen

Spulen sind passive Elemente, die Energie in einem magnetischen Feld speichern. Zu den Bauformen gehören Solenoide, Spulen und Elektromagnete.

Verhalten in Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC)

• Gleichstrom (DC): Da die Spannung konstant ist und nicht pulsiert, wirkt die Spule wie ein geschlossener Schalter (Kurzschluss).
• Wechselstrom (AC): Die Spule erzeugt einen Widerstand, die sogenannte induktive Reaktanz oder Induktivität: Xl = ω · L, wobei L die Induktivität in Henry (H) ist.
• Phasenverschiebung: In einer Spule verursacht sie eine Verzögerung von 90° zwischen Spannung und Stromstärke, wobei die Spannung der Stromstärke um π/2 voraus eilt.

RCL-Schaltungen

(Widerstand + Spule + Kondensator) ac