Elektrische Grundeinheiten
Um das abstrakte Thema der Grundeinheiten ein wenig zugänglicher zu machen, verwende ich ab hier die Analogie der Männchen des Ohm’schen Gesetzes:
Betrachten wir das obere Bild: Wir sehen einen elektrischen Leiter (Schwarz). Darin befinden sich zwei Männchen, nämlich die elektrische Spannung als Antreiber (Grün) und der elektrische Strom als Arbeiter (Rot). Oben zum elektrischen Leiter gehörend sehen wir den elektrischen Widerstand als Querulant (Blau), welcher den hemmungslosen Durchfluss des Stroms verhindert.
Hirn-Download: Die drei grundlegenden Einheiten der Elektrotechnik heißen also: Spannung, Strom und Widerstand.
Die elektrische Spannung kann man sich vorstellen wie den Druck, der auf Elektronen wirkt und sie somit durch elektrische Widerstände presst. Elektrische Spannung hat den Formelbuchstaben „U“ und die Einheit „Volt“. Eine elektrische Spannung entsteht durch Potentiale. Als Potential bezeichnet man ein Ungleichgewicht von Ladungen zwischen zwei Punkten. Bei einer 9V-Batterie haben wir am Minuspol ein elektrisches Potential von 9 Volt, am Pluspol 0 Volt. Die Differenz der Spannung beträgt also: 9 Volt. Je höher das Potential ist, desto höher ist auch die Spannung.
Bei einer Hausinstallation haben wir zwischen Neutralleiter und Phase ein Potential von 230 Volt und bei einem PC Netzteil beträgt der Potentialunterschied an der VGA-Leitung 12V zwischen GND (Ground, Masse, Nullpotential, 0V) und 12V+ Leitung. Zum besseren Verständnis schauen wir uns hierzu einen Oldschool Molex-Laufwerkstecker an. Hier sehen wir den normalen Aufbau eines 4-Pin Molex-Steckers. Die unterschiedlichen Potentiale habe ich euch mit blauen Punkt-zu-Punkt-Pfeilen markiert:
Hirn-Download: Die elektrische Spannung hat die Einheit Volt „V“, das Formelzeichen „U“ und beschreibt einen Potentialunterschied zwischen zwei definierten Punkten.
Der Elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung (Fluss) von Elektronen innerhalb eines Leiters. Bei der Bewegung wird Arbeit verrichtet. Strom hat die Einheit „Ampere“ und den Formelbuchstaben „I“. Je mehr Strom durch einen Leiter fließt, desto mehr Elektronen passieren diesen innerhalb eines gesetzten Zeitfensters. Der Strom entsteht durch die elektrische Spannung, wenn zwei unterschiedliche Potentiale miteinander verbunden sind. Wie viel Strom fließt, wird außerdem mit elektrischen Widerständen gesteuert, denn diese hemmen den Fluss des Stroms.
Wenn sich die Elektronen durch den Leiter bewegen, geben sie kinetische Energie an die Kupferatome weiter, was diese zum Schwingen bringt. Je mehr Elektronen den Leiter durchfließen, desto mehr kinetische Energie wird auch freigegeben. Daher kennen wir das Phänomen der erwärmten Kabel, wenn wir wieder 25 Gehäuselüfter an einen Fan-Anschluss anstecken. Zur Veranschaulichung stellen wir uns den elektrischen Strom wie einen Wasserfluss vor:
Das verheerendste was einem Stromkreis passieren kann, ist der Kurzschluss. Das bedeutet, dass zwei Punkte mit unterschiedlichen Potentialen verbunden werden und die Verbindung keinen, oder nur sehr geringen Widerstand aufweist. Dann bekommen, die Elektronen Panik und wollen alle gleichzeitig durch den Leiter auf die Seite mit der niedrigeren Ladung. Das Resultat ist dann ein Brand oder die Zerstörung des Stromkreises. Wichtig: Es gibt einen historisch bedingen Unterschied zwischen physikalischer und technischer Stromrichtung! Die technische Stromrichtung ist immer von Plus nach Minus! Die physikalische Stromrichtung ist immer von Minus nach Plus! Keine Sorge, letztere müsst ihr eigentlich nur eurer Rübe verwahren, sie hat im realen Leben eigentlich so gut wie keine Auswirkung.
Hirn-Download: Der elektrische Strom hat die Einheit Ampere (A), das Formelzeichen „I“ und beschreibt einen Fluss gerichteter Elektronen, die beim Passieren Arbeit verrichten.
Unter elektrischem Widerstand versteht man die Eigenschaft eines Leiters oder Bauteils den Fluss der Elektronen zu hemmen. Der Widerstand hat die Einheit „Ohm / Ω“ und den Formelbuchstaben „R“. Ist ein Widerstand niedrig, so wird der Stromfluss kaum gehindert, ist der Widerstand groß, fällt die Hemmung groß aus. Wichtig zu wissen ist, dass eigentlich jeder elektrische Leiter oder jedes Bauteil einen Widerstand hat. Nehmen wir Kupfer als Beispiel: Es hat einen Rho-Wert (spezifischer Widerstand) von 0,01786, während Aluminium einen Wert von 0,0278 aufweist.
Man könnte also sagen, dass der Eigenwiderstand einer Aluminiumleitung fast doppelt so hoch ist, wie der von Kupfer. Diese Werte werden noch ergänzt durch eine Leitungslänge und eine Umgebungstemperatur. Widerstände, egal welcher Art produzieren auch immer Wärme und Spannungsabfälle. Letztere sind Übergangswiderstände in Lötstellen, Steckern usw. Tückisch beim PCB-Design oder auch der Kabelfindung ist der Effekt mit der Wärmeemission. Ist ein Kabel sowieso schon überlastet, wird es wärmer. Ist dann noch ein Übergangswiderstand im Spiel, steigt die Temperatur noch weiter an. Mit steigender Temperatur fangen die Kupferatome aber auch zu schwingen an und die Temperatur nimmt noch weiter zu. Es ist also ein Teufelskreis, wenn man seine Leitungsstärken falsch definiert und die Umgebungsvariablen nicht berücksichtigt.
Hirn-Download: Der elektrische Widerstand hat die Einheit Ohm (Ω), das Formelzeichen „R“ und gibt die Fähigkeit zur Hemmung des Stromflusses an.
Sehr gut! Die drei Grundlegenden elektrotechnischen Einheiten kennen wir jetzt, rekapitulieren wir das noch einmal mit einer übersichtlichen Tabelle:
|
Grundeinheit: |
Elektrische Spannung: |
Elektrischer Strom: |
Elektrischer Widerstand: |
|
Einheit: |
Volt (V) |
Ampere (A) |
Ohm (Ω) |
|
Formelbuchstabe: |
U |
I |
R |
Da wir jetzt Bescheid wissen, teleportieren wir uns wieder zurück zum lange vergangenen Physikunterricht, denn dort wurde bei vielen Lesern bestimmt das Ohm’sche Gesetz gelernt. Keine Sorge, wir überfliegen es nur kurz. Auf der nächsten Seite!
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