Glossar

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Elektrische Leistung

Elektrische Leistung ist die Leistung (engl.: power), welche als elektrische Energie pro Zeit bezogen oder geliefert wird.

Angaben über den Bedarf von elektrischer Wirkleistung auf elektrischen Maschinen und Gebrauchsgegenständen wie beispielsweise Heizgeräten, Motoren oder auch Lampen erfolgen in Watt (Einheitenzeichen W).

Dabei ist wesentlich, welche Art von Leistung auf dem Typenschild angegeben ist. So wird bei Motoren die lieferbare mechanische Leistung angegeben, bei Lampen, Staubsaugern oder Lautsprechern dagegen die aufgenommene elektrische Leistung. Bei Generatoren, wie auch Fahrraddynamos oder Autolichtmaschinen, wird die abgegebene elektrische Leistung angegeben.

Die elektrische Leistung P, die in einem Bauelement umgesetzt wird, ist bei Gleichstrom das Produkt der elektrischen Spannung U und der Stromstärke I:



Verhält sich der Verbraucher als ohmscher Widerstand, kann man die Leistung auch anders ausdrücken:



Bei Wechselstrom sind die Größen Spannung und Strom von der Zeit abhängig, u(t) und i(t).

Hier sind folgende Leistungsbegriffe zu unterscheiden:

• Augenblickswert der Leistung oder auch Momentanleistung



• Wirkleistung P, die tatsächlich umgesetzte Energie pro Zeit.
• Scheinleistung S, auch als Anschlusswert oder Anschlussleistung bezeichnet. Sie wird in Voltampere (Einheitenzeichen VA) angegeben.
• Blindleistung Q, eine zwischen Quelle und Verbraucher pendelnde, im Regelfall unerwünschte und nicht nutzbare Energie pro Zeit. Sie wird in Var (Einheitenzeichen var) angegeben.

Die Größen S, P und Q sind durch Mittelwertbildung gewonnene Größen.



Dabei ist T bei periodischen Vorgängen die Periodendauer oder bei statistischen Vorgängen eine hinreichend lange Zeit (mathematisch streng: lim T → ∞).

Die Scheinleistung wird aus den Effektivwerten der Spannung U und des Stromes I gebildet, diese sind die quadratischen Mittelwerte von Spannung und Strom,



und die Gesamt-Blindleistung aus



Einzelheiten zu Leistungsmessern und zugehörigen Messschaltungen sind in Wirkleistung und Blindleistung erläutert. Messgeräte für Scheinleistung sind nicht üblich.

Einen Effektivwert der Leistung gibt es gemäß der Definition oben nicht. Die „RMS-Leistung“
ist eine formale Größe in der Audiotechnik, hat jedoch mit der physikalischen Größe "Leistung" nichts zu tun.


Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für den gerichteten Anteil einer Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Festkörper, einer Flüssigkeit, einem Gas oder im Vakuum. Ruhende Ladungsträger können durch unterschiedliche Kräfte in Bewegung gesetzt werden:
• Redoxreaktion in Batterien,
• Coulombkraft in Kondensatoren oder
• Lorentzkräfte in Generatoren.

Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiterbewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Elektronenröhre.

Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch „Strom“ genannt. Manchmal ist damit die Übertragung oder Bemessung von elektrischer Energie gemeint, was jedoch physikalisch nicht korrekt ist. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet.

Das Formelzeichen für die zeitlich konstante elektrische Stromstärke ist I. Die zeitabhängige Stromstärke wird mit i oder auch als i(t) bezeichnet. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere, benannt nach dem französischen Physiker und Mathematiker André Marie Ampère. Das Einheitenzeichen ist das A. Das Ampereist SI-Basiseinheit.

Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärke besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst nochmit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinen angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähigeDampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren.

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel nach dem sogenannten Stromkrieg die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms. Ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung waren unter anderem folgende Punkte:
• Die verlustarme Transformierbarkeit des Wechselstromes auf beliebige Werte von beispielsweise 6 V für Ladegeräte bis 500.000 V für Röntgengeräte.
• Bei der Leistung eines typischen Großkraftwerkes mit 1000 MW Leistung und einer bei Kleinverbrauchern üblichen Niederspannung von 230 V würde sich eine Stromstärke von etwa 4,5 MA ergeben. Dieser hohe Strom lässt sich unmöglich in einem Verteilernetz handhaben. Mit Netztransformatoren lassen sich diese Leistungen mittels Hochspannung in den sogenannten Verbundnetzen verteilen. Das erzwang aber Wechselstrom.
• Die Drehstrommaschine ist robust und benötigt keinen Kommutator, der sich abnutzen kann, funktioniert aber nur mit Wechselstrom.

Nachteile sind die sich ständig ändernde Spannung, was z. B. zur Folge hat, dass alle elektronischen Geräte über Gleichrichter gespeist werden. Problematisch ist auch das Auftreten von Blindleistung im Stromnetz, was seit Mitte des vergangenen Jahrhunderts zum Einsatz der Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung ( HGÜ ) geführt hat.

Die Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren versprach zunächst Vorteile und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetzen war ein interessanter Markt für diese Stromart vorhanden. Aus heutiger Sicht wären auch extrem große Akkumulatoren erheblich zu klein, um nennenswerte Ladungen zu speichern. Durch die Entwicklung der Leistungselektronik lassen sich beide Stromarten problemlos ineinander umwandeln, wie moderne Mehrsystemfahrzeuge beweisen.


Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um einenbestimmten elektrischen Strom durch einen elektrischen Leiter fließen zu lassen. Als Formelzeichen für den elektrischen Widerstand wird in der Regel R – wahrscheinlich abgeleitet vom Lateinischen resistere für „widerstehen“ (evtl. vom Englischen bzw. Französischen "resistance") verwendet. Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, sein Einheitenzeichen ist das große Omega (Ω).
Verwandt mit dem Widerstand ist der spezifische elektrische Widerstand (Formelzeichen ρ). Bei diesem Wert handelt es sich um eine temperaturabhängige Materialkonstante, die eine von der geometrischen Form des ausgeführten Leiters unabhängige Beschreibung der Widerstandseigenschaft ermöglicht.
Die elektrische Ladung war seit Coulomb bekannt, die elektrische Spannung seit Volta und die Wirkung des elektrischen Stromes seit Ampère. Georg Simon Ohm kannte die Kraftwirkung der elektrischen Spannung, deshalb konnte er Spannungen durch Kraftmessungen bestimmen. Die Stärke von Strömen konnte er anhand chemischer Prozesse quantitativ bestimmen. Man wusste, dass elektrische Ströme etwas mit der Bewegung der coulombschen Ladungen zu tun haben. Die gesetzmäßigen Zusammenhänge zwischen Spannung und Stromstärke waren unbekannt.
Erste Versuche ließen keine klaren Gesetzmäßigkeiten erkennen. stromdurchflossenen Draht auf möglichst konstanter Temperatur zu halten, erkannte er die Proportionalität zwischen Spannung U und Stromstärke I :



Diese Proportionalität zwischen Spannung und Stromstärke wird durch das von ihm formulierte und nach ihm benannte ohmsche Gesetz beschrieben:



Der von U und I unabhängige Proportionalitätsfaktor R ist der elektrische Widerstand. Dieses einfach erscheinende Gesetz wurde zu einer Zeit gefunden, als es noch keine „richtigen“ Spannungsquellen gab, geschweige denn Spannungs- oder Strommesser. Zudem waren die Messungen von anderen physikalischen Effekten überlagert. Auch waren die Begriffe Spannung, Stromstärke und Widerstand noch nicht allgemein etabliert. Erst vor diesem Hintergrund kann man seine wissenschaftliche Leistung würdigen.

Ohm war aber in Deutschland kein angesehener Wissenschaftler, Professuren wurden ihm zunächst verweigert. Das änderte sich erst, als ihm zahlreiche Würdigungen aus dem Ausland zuteil wurden.

Ein ohmscher Widerstand ist ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert im Idealfall unabhängig von der Spannung, der Stromstärke und der Frequenz ist. An einem solchen ohmschen Widerstand gilt das ohmsche Gesetz für beliebige Spannungen, Ströme und Frequenzen. Wenn man die Spannung U über der Stromstärke I in Form eines U-I-Diagramms aufträgt, erhält man eine Ursprungsgerade, der Zusammenhang also ist direkt proportional :



Näherungsweise und mit Einschränkungen kann ein ohmscher Widerstand durch ein Bauelement, im einfachsten Fall einen Metalldraht, realisiert werden, das üblicherweise ebenfalls einfach Widerstand – siehe Widerstand (Bauelement) − genannt wird.

Wenn Strom durch einen Widerstand fließt und Spannung daran abfällt, wird elektrische Leistung gemäß



in Wärmeleistung umgesetzt.

Der ohmsche Widerstand wird auch als Gleichstromwiderstand bezeichnet. Sein Kehrwert, also der Proportionalitätsfaktor zwischen Stromstärke und Spannung, heißt elektrischer Leitwert G des Leiters. Es gilt also:



Der ohmsche Widerstand eines Körpers lässt sich aus seinen geometrischen Abmessungen und einer materialspezifischen Konstante, dem spezifischen Widerstand ρ, berechnen.



Für einen in Längsrichtung durchflossenen geraden Leiter mit konstanter Querschnittsfläche A und der Länge l gilt:



Die Querschnittsfläche A berechnet sich für runde Drähte mit dem Durchmesser d nach der Formel:



Der spezifische Widerstand selbst ist im Allgemeinen von der Temperatur und eventuell noch weiteren Größen abhängig.


FI-Schalter

Ein Fehlerstromschutzschalter, FI-Schutzschalter oder FI-Schalter, neue Bezeichnung RCD (Residual Current protective Device), ist eine Schutzeinrichtung in Stromnetzen. In Europa werden Fehlerstromschutzschalter normalerweise zusätzlich zu den
(in Deutschland vorgeschriebenen) Überstromschutzeinrichtungen im Sicherungskasten installiert. In Deutschland sind Fehlerstrom- schutzschalter seit 1984 für Steckdosen in Räumen mit Badewanne und Dusche und für Außensteckdosen vorgeschrieben. Seit 1. Februar 2009 müssen außerdem alle Steckdosenstromkreise, welche durch elektrotechnische Laien genutzt werden, mit einem Fehlerstromschutzschalter ausgestattet sein (in Innenräumen Stromkreise bis 20 Ampere, im Außenbereich bis 32 Ampere). Ein Fehlerstromschutzschalter schützt im Fehlerfall vor zu hohen Berührungsspannungen. Er ist ein effizientes Mittel zur Vermeidung von gefährlichen (zum Teil tödlichen) Stromunfällen (Erdschluss über den menschlichen Körper) und dient zusätzlich derBrandverhütung. Im Gegensatz dazu dienen Überstromschutzeinrichtungen, wie Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen, die allgemein als „Sicherungen“ bezeichnet werden, hauptsächlich dem Schutz von Geräten und Installationen und bieten deshalb keinen hinreichenden Schutz vor einem Stromschlag. „Die Sicherung schützt die Leitung“
„Der FI-Schalter schützt den Menschen“.


Frequenz

Die Frequenz (lat. frequentia, Häufigkeit) beschreibt die Häufigkeit eines sich regelmäßig wiederholenden Vorgangs. Die Frequenz bezeichnet man in Gleichungen durch das Formelzeichen f (in der Technik) oder ν (ny, in der Physik); definiert wird sie durch dieZahl von Ereignissen ΔN innerhalb eines wählbaren Zeitintervalls Δt und zwar bezogen auf dieses Zeitintervall



Der Zeitraum Δt ist beliebig wählbar und nicht notwendig auf eine Zeiteinheit festzulegen. Es ist gleichgültig, ob man z. B. zählt
1 Schwingung in 20 ms, 50 Schwingungen in 1 s, 750 Schwingungen in 15 s oder 3000 Schwingungen in 1 min,

die Frequenz ist in allen diesen Fällen dieselbe.

Als Zahl ΔN ist jede positive reelle Zahl möglich; die Frequenz ist eine stufenlose oder analoge Größe. Die Frequenz ist aber eine besonders leicht digital erfassbare Größe, weil ΔN durch Zählung bestimmt werden kann und dann als natürliche Zahl angegeben wird, wodurch ein gestufter oder digitaler Messwert entsteht; siehe auch Digitale Messtechnik unter Zählkode.
Sinnvoll ist die Angabe einer Frequenz bei regelmäßig wiederholten Ereignissen, also Ereignissen mit festem Zeitabstand voneinander, der Periodendauer oder Schwingungsdauer T. Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer;



Die Einheit der Frequenz ist das Hertz mit dem Einheitenzeichen Hz. Sie ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannt. Gemäß vorstehender Gleichung ist die Einheit abgeleitet von der SI-Basiseinheit Sekunde mit dem Einheitenzeichen s durch



Diese Einheit wird ausschließlich für die Frequenz verwendet und nicht für spezielle Größen, die auch in 1/s angegeben werden, wie beispielsweise Drehzahl oder Kreisfrequenz