Stand 2000
Physikalische Begriffsdefinitionen zum Thema Elektrik für Bauingenieure.
Elektrische Ladung
Teilchen mit gleicher elektrischer Ladung Q stoßen sich ab, Teilchen unterschiedlicher Ladung ziehen sich an.
Die Ladung kann Kräfte hervorrufen, sie ist somit Ursache z. B .des elektrischen Stromes.
Die Einheit der elektrischen Ladung ist Coulomb. Die Ladung eines Elektrons ist -1,6 * 10-19 C
[Q] = C
Stromstärke
Werden elektrische Ladungen bewegt, so fließt ein elektrischer Strom. Die elektrische Stromstärke I ist die Ladungsänderung pro Zeit, d.h. die Ladung differenziert nach der Zeit. Sie beschreibt, wie viele Ladungseinheiten pro Zeiteinheit fließen. Die Einheit der Stromstärke ist Ampere, entsprechend einem Coulomb pro Sekunde.
[I] = 1 A = 1 C / s
Spannung
Um entgegengesetzte Ladungen zu trennen, ist Arbeit nötig.
Dividiert man die aufgewendete Arbeit durch die getrennte Ladung, so erhält man die spezifische Ladungstrennungsarbeit, die als elektrische Spannung U bezeichnet wird. Die Einheit der Spannung ist Volt, entsprechend einem Joule pro Coulomb.
[U] = 1 V = 1 J / C
Arbeit
Liegt an einem (ohmschen) Verbraucher eine konstante Spannung U über die Zeit t an, so fließt während dieser Zeit ein Strom der konstanten Stromstärke I. Die aufgewandte Arbeit W ist das Produkt aus der Leistung und der Zeit:
W = P * t = U * I * t
[W] = ( J * C * s) / ( C * s) = J
Kirchhoffsches Gesetz
Die Summe der Teilströme einer Parallelschaltung ist gleich dem Gesamtstrom:
I = I1 + I2 + ... + In
Da die Verbraucher, z. B. im Haushalt in der Regel parallel geschaltet sind, muß die Netzabsicherung entsprechend dimensioniert werden.
Phasenverschiebung der Stromstärke
Ein an Wechselspannung angeschlossener nichtohmscher Verbraucher speichert einen Teil der elektrischen Energie, die er aufnimmt, z. B. in seinem Magnetfeld. Diese Energie gibt er zu einem späteren Zeitpunkt wieder an das Netz zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich während jeder Schwingung, so daß der Strom, der durch den Leiter fließt, nicht mehr in Phase mit der anliegenden Spannung ist. Es stellt sich eine Phasenverschiebung j ein.
Kapazität
Die elektrische Kapazität eines Kondensators ist das Fassungsvermägen an Ladungen.
Sie ist der Quotient aus der im Kondensator gespeicherten Ladung Q und anliegender Spannung U. Die Einheit der Kapazität ist das Farad.
C = Q / U
[C] = 1 A*s/V = 1 s/W = 1 F
Energiezähler
Über und unter einer leichtgängig gelagerten Aluminiumscheibe sind zwei Spulen angebracht: Eine Spannungsspule, deren Windungszahl sehr groß ist und eine Stromspule, deren Windungszahl klein ist.
Wird elektrische Energie von Verbrauchern, die hinter den Energiezähler geschaltet sind, verbraucht, so werden Wirbelströme in der Aluminiumscheibe induziert. Die Wirbelsträme erzeugen ein Drehmoment, das proportional zur Stärke der Wirbelströme ist.
Um zu verhindern, daß die Scheibe sich immer schneller dreht, sind ober- und unterhalb der Scheibe Magneten angeordnet, die ein statisches Magnetfeld erzeugen. Dreht sich die Scheibe, so verursachen die statischen Magneten Wirbelströme, die ein Bremsmoment erzeugen. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den Brems- und Drehmomenten ein.
Durch besondere Anordnung der Spulen und Magneten erreicht man, daß die Drehzahl n der Scheibe proportional zur Wirkleistung P der hinter dem Zähler geschalteten Verbraucher ist.
Als Proportionalitätsfaktor fährt man die Zählerkonstante k ein, sie wird auch Eichfaktor genannt. Die Energie, die während der Zeit T verbraucht wird, ist das Integral über der Wirkleistung in den Grenzen von 0 bis T. Durch Integration erhält man die verbrauchte Energie als Produkt aus der Zählerkonstanten und der Anzahl N der Umdrehungen der Scheibe während der Zeit T.
Wel = k* n(t)dt = k * NT - k * N0
Man mißt den Anteil der Energie, der das Integral über der Wirkleistung ist, da dieser Anteil derjenige ist, der real verbraucht wird und nicht wieder an das Netz zurückgegeben wird. Also der Anteil, der vom Energieversorgungsunternehmen geliefert wird und auf der Rechnung erscheinen soll.
Durch eine andere Anordnung der Magneten und Spulen wäre es durchaus möglich, den Anteil der Energie zu zählen, der z.B. dem Integral über der Blindleistung entspricht.
Drehstrom
Anders als in 230 V-Wechselstrom mit 2 Leitern benutzt Drehstrom 3 Leiter, L1, L2, L3 und zusätzlich den Nulleiter L0.
Die drei Phasen sind um jeweils π phasenverschoben. Die Spannungen zwischen den Leitern und dem Nulleiter nennt man Strangspannungen. Die Effektivspannung zwischen L1, L2 und L3, die effektiven Aussenleiterspannungen, kann man durch Vektoraddition der effektiven Strangspannungen ermitteln.
Weitere Themen
Elektrische Leistung, elektrischer Widerstand, Elektromotor.