Die Grundlagen der
Elektrotechnik
- in 30 Minuten
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Die elektrische Spannung und der elektrische Strom
sind zwei abstrakte Begriffe, unter denen sich die meisten Menschen nur schwer
etwas vorstellen können. Mit einem Wassermodell gelingt es, die beiden Begriffe
anschaulich werden zu lassen. Übliche Wassermodelle, wie man sie etwa in
Schulbüchern findet, sind jedoch nur wenig umfangreich, so dass kein
vollständiges Bild vom Verhalten des elektrischen Stromes entsteht. Diese Lücke
soll hier nun geschlossen werden. Es werden daher neben den Grundlagen
(Spannung, Strom, Widerstand) im Verlauf des Artikels auch die komplexeren
Bauteile (Diode, Kondensator, Spule und Transistor) im Wassermodell anschaulich
erklärt.
Suchbegriffe: Einfach Einfache
Grundlagen E-Technik Elektrotechnik Schulmaterial Schule Material
Unterrichtsmaterial Lehrmaterial Spule Diode Widerstand Strom Spannung
Kondensator Kapazität Induktivität Wassermodell Transistor.
Wir
beginnen mit einem gewöhnlichen Akku:
Hierbei
handelt es sich um eine „Spannungsquelle“.
Natürlich kann sich unter dem abstrakten Begriff „Spannungsquelle“ niemand
etwas vorstellen, deshalb stelle ich sie als Wassermodell dar:
Wir
sehen oben ein gefülltes Wasserbecken, aus dem über ein Rohr Wasser ablaufen
kann. Hält man mit seinem Daumen dieses Rohr zu, kann man sehr schön den Druck
des Wassers spüren. Der Druck den man spürt, ist umso größer je voller das
Wasserbecken ist, und umso kleiner je leerer es ist. Und damit haben wir schon
Geheimnis der mysteriösen „Spannung“
gelüftet: Das was der anständige Mechaniker eher als „Druck“ bezeichnen würde,
haben die Elektrotechniker nun mal „Spannung“
genannt – um alle zu verwirren. Und etwas, das diesen Druck erzeugen kann,
haben sie „Spannungsquelle“ genannt. Gehen wir noch mal zurück zu unserer
echten Spannungsquelle vom Anfang (die übrigens auch von selbst leer wird, wenn
man lange genug wartet):
Auf
ihr ist „1,2V“ aufgedruckt. Dieses „V“ steht für „Volt“ und ist die Einheit der Spannung. Mehr Volt bedeutet mehr
Spannung, und weniger Volt bedeutet weniger Spannung. Im Wassermodell
entspricht die Spannung der Füllhöhe des
Wasserbeckens (dort allerdings gemessen in „Metern“).
„Aber dann wird die Spannung ja immer
kleiner, wenn der Wasserturm leerer wird?!“ – Richtig. Das ist zwar
ärgerlich, aber das ist auch in echt so: Jeder Akku/Batterie hat nur ganz am
Anfang die aufgedruckte Volt-Zahl (z.b. bei unserem
Akku 1,2V), und während dem Betrieb sinkt diese Spannung immer weiter ab.
Für
das Verständnis wichtig:
Wir haben nun die Spannung anschaulich als den von der Wasserfüllhöhe
abhängigen Druck interpretiert. Man muss sich hier klar machen, dass der
Wasserdruck den man am Rohr mit seinem Daumen spüren könnte, wirklich nur von der Wasserfüllhöhe abhängt, und
nicht (wie man gerne vermuten würde)
davon wie breit das Becken ist! Wenn man das Becken 1000-mal breiter bauen
würde, aber wieder nur gleich hoch wie vorher mit Wasser befüllen
würde, dann würde man immer noch genau den gleichen Wasserdruck wie vorher am
Daumen spüren, und hätte somit genau die gleiche Spannung. (Das ist wie mit dem Druck auf den Ohren beim Tauchen:
Der Druck ist nur von der Tauchtiefe abhängig, und eben nicht davon ob ich in
einem Schwimmbecken oder im „endlos breiten“ Meer tauche.)
„Was
aber würde dann ein breiteres Wasserbecken unseres Wasserturms bewirken?“ –
Ganz einfach: Es würde länger brauchen, bis das Becken leer gelaufen ist. Bei
einem Akku würde man dazu sagen er „hält länger“. Schauen wir noch mal auf
unseren Akku:
Diese
„1800mAh“ stehen für „1800 Milli-Ampere-Stunden (mAh)“
oder auch „1,8 Ampere-Stunden (Ah)“. Sie geben die „Kapazität“ des Akkus an. Diese gibt Aufschluss darüber, wie lange
ein Akku braucht bis er leer ist. Im Wassermodell stellt man sich unter der
Kapazität das Beckenvolumen vor.
Neben
der Kapazität gibt es eine weitere wichtige Größe, die als Einheit ebenfalls
Ampere-Stunden (Ah) hat: Die „Ladung“.
Darunter stellt man sich eine Wassermenge
vor.
Nochmal zur Unterscheidung von Ladung und Kapazität:
- Die Ladung gibt eine bestimmte Wassermenge an, also z.b. wie viel Wasser jetzt gerade im Becken ist oder wie
viel Wasser in der letzten Minute hinaus geflossen ist.
- Die Kapazität gibt an, wie viel Wasser maximal ins Becken
passt.
Multipliziert
man die eben kennen gelernte Ladung („Wassermenge“) mit der am Anfang kennen
gelernten Spannung („Wasserhöhe“), dann erhält man die nächste wichtige Größe,
nämlich die „Energie“. Unser echter
Akku enthält die folgende Energie:
1,8Ah
∙ 1,2V = 2,16Wh
Die Einheit
der Energie ist „Watt-Stunden“ (Wh). Man findet sie
auf jeder Stromrechnung, denn in dieser Einheit werden die Stromkosten
abgerechnet.
Welche
der beiden folgenden Spannungsquellen hat mehr Energie?
Beide
Spannungsquellen sind randvoll geladen, ihre Ladung entspricht also jeweils der
Kapazität.
Zunächst
berechnen wir die Ladungen:
Linke
Spannungsquelle: 2m ∙ 2m ∙ 2m = 8m3
Rechte
Spannungsquelle: 3m ∙ 3m ∙ 1,2m = 10,8m3
>
Die rechte Spannungsquelle enthält also mehr Ladung.
Nun
berechnen wir die Energie:
Linke
Spannungsquelle: 8m3 ∙ 2m = 16m4
Rechte
Spannungsquelle: 10,8m3 ∙ 1,2m = 12,96m4
>
Somit hat die linke Spannungsquelle mehr Energie, obwohl sie weniger Ladung
enthält! Dies liegt daran, weil sie ihre Ladung „geschickter“ verteilt hat,
nämlich in die Höhe (= mehr Spannung). Auch in der Praxis ist es oft geschickt,
lieber mit höheren Spannungen als mit höheren Ladungen/ Strömen zu arbeiten.
Wir
bauen nun unsere erste einfache Schaltung zusammen:
Die
Rohrleitungen entsprechen im echten Stromkreis den Leitungsbahnen (Draht, Kabel
etc). Das 3-fach Wasserrad mit dem daran
angeschlossenen Dynamo und der Glühbirne stellt einen so genannten Widerstand dar. „Widerstand“ deshalb,
weil das Wasserrad wegen dem angeschlossenen Dynamo nicht ganz einfach zu
drehen ist, und es deshalb dem Wasser einen gewissen „Widerstand“
entgegensetzt, so dass es nicht frei durchs Rohr fließen kann. Stattdessen wird
die Fließgeschwindigkeit des Wassers auf einen bestimmten Wert begrenzt. Diese Fließgeschwindigkeit wird in
„Wassermenge pro Zeit“ angegeben (also beispielsweise 50 Liter pro Minute), und
entspricht, man höre und staune, nichts geringerem als dem elektrischen Strom mit der Einheit „Ampere“.
An dieser Stelle sind
wir bei den wichtigsten Grundlagen innerhalb der Grundlagen angelangt. Sie
lauten:
-
Die
Spannung einer Spannungsquelle ist die Ursache für den Strom.
-
Die
Stromstärke (also wieviel „Ampere“ bzw wie viel „Liter pro Minute“ fließen) ist zum einen
abhängig davon, wie groß der Widerstand im Stromkreis ist, und zum anderen
abhängig davon, wie stark die Spannung der Spannungsquelle ist. In der
weltbekannten Formel ausgedrückt heißt das:
Strom =
Spannung / Widerstand
(Oder mit Buchstaben: I = U / R)
-
„Strom
wird niemals verbraucht“: Genau soviel Strom wie in die Schaltung hinein fließt, soviel
fließt auch wieder heraus! Das was weniger wird, wenn Strom fließt, ist
lediglich das Arbeitsvermögen („die Lust
zu schuften“) der Spannungsquelle. (Wenn unser
Wasserturm leer ist, kann man natürlich einen Eimer nehmen und das Wasser
mühselig aus dem unteren Becken ins obere schöpfen, um so der Spannungsquelle
wieder neue Lust zum Arbeiten zu verschaffen. Bei einem Akku spricht man hier
von Wiederaufladen. In jedem Fall aber bleibt bei diesen Vorgängen die
insgesamt vorhandene Wassermenge gleich. Wasser wird nicht verbraucht, Strom
wird nicht verbraucht!)
Wer
diese 3 Punkte wirklich gut verstanden hat, der hat echt die halbe Miete!
Betrachten
wir noch einmal nur den Widerstand:
Was
haben die folgenden Teile gemeinsam?
Es
sind alles elektrische Widerstände. Baut man sie in einem Stromkreis ein, dann
machen sie nichts anderes als unser Wasserrad mit dem Dynamo. Sie alle lassen
zu, dass ein bestimmter Strom durch sie hindurch fließen kann, entnehmen dabei
der Spannungsquelle Energie, und fangen an warm zu werden oder zu leuchten. Der
Elektrotechniker würde einen Widerstand in einer Schaltskizze so zeichnen:
Dabei
geben die 10 „Ohm“ an, wie stark der Widerstand ist. Wenn man diesen Widerstand
an unseren Akku anschließen würde, dann kann man mit der vorhin kennen
gelernten Formel den durch ihn fließenden Strom berechnen:
I
= U / R = 1,2V / 10Ω = 0,12A = 120mA
Wir
lernen ein weiteres Bauteil kennen:
Ein
Schalter, hier in 3 Arten dargestellt. Einmal im Wassermodell, einmal als
Schaltzeichen und einmal ein echter Schalter. Mit ihm kann man den Wasserfluss
(bzw. Stromfluss) starten und unterbrechen, im Prinzip wie ein Wasserhahn.
Der
„Kondensator“. Man erkennt leicht,
dass das Wasser durch ihn nicht durchkommt. Es kann lediglich die bewegliche
rote Platte auslenken, so dass die Federn gespannt werden. Wir wissen: Eine
gespannte Feder enthält (Spann-)Energie. Wir folgern: Ein Kondensator ist ein
Bauteil, das Energie speichern kann! Wir folgern außerdem: Je nachdem wie ich
den Kondensator genau konstruiere, kann er mehr oder weniger Energie speichern.
Und jetzt wird’s verzwickt: Die Fähigkeit eines Kondensators, Energie zu
speichern, nennt man Kapazität. Das
Verzwickte dabei ist, dass es sich hierbei nicht um die gleiche Kapazität handelt,
die wir bereits vorhin beim Akku kennen gelernt haben. Die Elektrotechniker
verwenden hier leider für zwei verschiedene Sachen dasselbe Wort. Die Kapazität
eines Kondensators bezeichnet nämlich nicht die im Kondensator
speicherbare Ladung, sondern die speicherbare Ladung pro
angelegter Spannung. Dies soll hier aber nicht weiter vertieft werden. (Dafür eine Anmerkung für Fortgeschrittene: Legt man
statt Gleichspannung eine hochfrequente Wechselspannung an den Kondensator an,
kann der Strom ungehindert hindurchfließen, so als ob der Kondensator gar nicht
da wäre! Das lässt sich am Wassermodell auch schön nachvollziehen, denn solange
der Strom so schnell die Richtung wechselt dass die rote Platte immer nur ein
kleines Stück nach rechts und links bewegt wird, „merkt“ der Wechselstrom gar
nicht dass ja eigentlich ein Bauteil im Weg ist. Wer dies anschaulich erklärt
bekommen möchte, lies bitte im Buch ganz unten auf dieser Seite nach.)
Was
macht die folgende Schaltung?
Öffnet
man den „Wasserhahn“, fängt das Wasser an zu fließen und treibt das Wasserrad
mit dem Dynamo an. Gleichzeitig strömt eine bestimmte Wassermenge in den
Kondensator, und drückt dort die rote Platte nach rechts an den Rand. Der
Kondensator hat nun Energie gespeichert, und erst jetzt leuchtet die Glühbirne
mit ihrer vollen Helligkeit, da der komplette Wasserfluss nun durchs obere Rohr
muss. Wenn wir dann irgendwann den Wasserhahn schließen, gibt der Kondensator
seine gespeicherte Energie wieder ab, indem er (mit Hilfe der Spannenergien der
Federn) das Wasser weiter durch das Wasserrad oben pumpt, und somit die
Glühbirne noch für ein paar Sekunden nachleuchtet, solange bis die Federn des
Kondensators komplett entspannt sind. Wir haben mit dieser Schaltung also eine
Auf- und Abblendautomatik für eine Glühbirne gebaut!
Ein
E-Techniker würde die Schaltung so skizzieren (wobei man anstelle des
Widerstands auch ein Symbol für eine Glühbirne zeichnen könnte):
Aber
nicht nur diese Schaltungsskizze wäre richtig. Es gibt unzählige viele
Zeichnungsmöglichkeiten, die rein funktionell genauso in Ordnung sind:
Man
sieht hier, dass es bei Schaltskizzen (und auch bei echten Schaltungen) nicht auf die Länge und den genauen
Verlauf der Leitungen ankommt, sondern lediglich auf die richtige Verbindung
der Bauelemente untereinander. Beispielsweise ist es erlaubt, den Schalter an
den anderen Pol der Spannungsquelle zu setzen – es funktioniert immer noch
genauso.
Neben dem Kondensator gibt es ein
zweites Bauteil, das Energie speichern kann:
Die
„Spule“. Obwohl sie eigentlich
nichts anderes als ein langer mehrfach gewickelter Draht ist (siehe rechtes
Bild), weißt sie ein besonderes Verhalten auf. Wir wollen dieses am
Wassermodell möglichst einfach nachvollziehen: Wie beim Widerstand vorhin haben
wir auch diesmal ein Wasserrad das vom strömenden Wasser angetrieben wird.
Allerdings ist das Wasserrad diesmal nicht mit einem Dynamo verbunden, sondern
fest mit einem Schwungrad (lila). Die Trägheit dieses Schwungrades macht es dem
Wasser zunächst sehr schwer hindurch zu fließen. Nach kurzer Zeit werden das
Wasser- und Schwungrad jedoch immer schneller, so dass es für das Wasser immer
leichter wird hindurch zu fließen. Das geht soweit, bis das Wasser mit der
Geschwindigkeit fließt, mit der es auch fließen würde wenn die Turbine gar
nicht da wäre. In diesem Zustand bietet das schnell drehende Wasserrad dem
Wasser dann keinen Widerstand mehr,
man könnte sie sich nun sogar ganz wegdenken! Klingt komisch, ist aber so! Gleichstrom
kann (nach einer kurzen Anlaufzeit) völlig ungehindert durch eine Spule
fließen! (Für Fortgeschrittene: Im Gegensatz dazu,
kann hochfrequenter Wechselstrom nicht
durch die Spule fließen! Das ist auch logisch, denn das Schwungrad ist träge
und lässt sich nicht in Bruchteilen von Sekunden mal nach links und mal nach
rechts drehen.)
Bei
der ganzen Angelegenheit wird Energie in Form von Rotationsenergie im
Schwungrad gespeichert. Bei einer echten Spule dreht sich natürlich kein
Schwungrad! Hier wird die Energie in Form eines unsichtbaren Magnetfeldes um die Spule herum
gespeichert. Klar, das ist wirklich schwer vorzustellen, weil das Magnetfeld ja
unsichtbar ist, aber dafür gibt es ja das Wassermodell mit dem Schwungrad. Das
unsichtbare Magnetfeld ist übrigens auch dafür verantwortlich dass eine Spule
zum Magnet wird, solange Strom durch sie hindurch fließt. Sie kann dann z.B.
Eisennägel etc. anziehen. (Mehr anschauliche
Erklärungen zur Spule und dem ominösen unsichtbaren Magnetfeld: Siehe das Buch
ganz unten auf dieser Seite.)
Für unsere erste Spulenschaltung
lernen wir noch ein weiteres Bauteil kennen:
Es
handelt sich hier um eine „Diode“.
Sie entspricht im Wassermodell einem simplen „Rückschlagventil“, lässt also
Wasser nur in eine Richtung durch. (Dioden gibt es
oft auch mit integrierter Leuchtfunktion.
Diese heißen dann „Leuchtdioden“,
sind aber im Prinzip auch nur „Rückschlagventile“ die zusätzlich leuchten.)
Was
macht die folgende Schaltung?
Mit
dem Wassermodell lässt sie sich leichter begreifen:
(Ich verwende im Wassermodell drei Spulen anstelle von einer, weil
meine Spulen im Vergleich zu den anderen Bauteilen zeichentechnisch sehr klein
geraten sind, und so die Schaltung unrealistisch gewirkt hätte. Wir können uns
merken: Mehrere Spulen hintereinander schalten ist erlaubt und verstärkt die
Gesamtwirkung.)
Solange
der Wasserhahn zu ist, passiert natürlich gar nichts. Öffnet man den Hahn, will
das Wasser anfangen zu fließen. Es fließt in jedem Fall durch den oberen
Widerstand los und stößt dann auf eine Verzweigung. In Richtung Diode kann es
nicht, da die Diode so herum eingebaut ist, dass sie in diese Richtung
„sperrt“. Folglich muss das Wasser durch die Spulen. Diese gestatten dem Wasser
allerdings nur ganz allmählich durch sie hindurch zu fließen (weil die trägen
Schwungräder ja erst beschleunigt werden müssen), somit wird auch die obere
Glühbirne nur langsam anfangen zu leuchten. Nach kurzer Zeit drehen sich die
Schwungräder der Spulen mit hoher Geschwindigkeit, und die obere Glühbirne
leuchtet mit voller Intensität. In diesem Zustand fließt durch den unteren
Zweig mit der Diode und dem zweiten Widerstand kein Wasser.
Was
passiert, wenn man den Wasserhahn nun wieder schließt?
Die
noch schnell drehenden Schwungräder versuchen den Wasserfluss aufrecht zu
erhalten. Da aber der Wasserhahn zu ist, können sie kein neues Wasser von oben
„ansaugen“ – und ein Vakuum darf nicht entstehen. Es bleibt nichts anderes
übrig, als dass das Wasser durch den unteren Zweig im Kreis gepumpt wird. Dies
ist auch möglich, da die Diode in diese Richtung öffnet und Wasser durchlässt.
Dieser Kreisstrom kann natürlich nur eine relativ kurze Zeit fließen, nämlich
so lange bis die Schwungräder ihre Rotationsenergie vollständig abgegeben
haben. Für diese kurze Zeitdauer leuchtet die untere Glühbirne auf. Wir haben
also eine Schaltung gebaut, mit der man eine Glühbirne ganz normal betreiben
kann, während die andere Glühbirne nur beim Abschalten kurz aufleuchtet.
Wir kommen zum letzten wichtigen
Bauteil, dem Transistor:
Es
gibt verschiedene Arten von Transistoren, hier beschränken wir uns nur auf den
häufig vorkommenden „Bipolartransistor“. Seine
Funktion ist mit dem Wassermodell sofort zu durchschauen: Ein kleiner Strom von
B nach E öffnet das kleine Tor, wodurch über den Seilzug das Haupttor geöffnet
wird, so dass ein großer Wasserstrom von C nach E fließen kann. Somit kann ein
Transistor Ströme verstärken, was in
der Praxis sehr oft benötigt wird.
Versuchen
wir zum Abschluss, die folgende Schaltung zu verstehen:
Im
Wassermodell:
Solange
der Wasserhahn zu ist, kann das Wasser (wenn überhaupt) nur den Weg durch den
unteren Widerstand nehmen. Dort kann es aber auch nicht fließen, da es vom Transistor
aufgehalten wird. Wenn man den Wasserhahn öffnet, fließt Wasser sowohl in den
Kondensator (dieser wird aufgeladen indem die rote Platte nach rechts
ausgelenkt wird), als auch durch den oberen Widerstand hindurch und weiter
Richtung Transistor. Das von dieser Richtung kommende Wasser öffnet den
Transistor, so dass nun auch im anderen (ursprünglich gesperrten) Zweig ein
Wasserfluss einsetzen kann. Schließt man den Wasserhahn nun, fängt der
Kondensator an sich zu entladen: Die Federn wollen sich wieder entspannen, und
drücken die rote Platte in ihre Ausgangslage. Dabei wird Wasser durch den
oberen Widerstand und den Transistor gepumpt, so dass dieser weiterhin das
Haupttor offen hält und der untere Widerstand weiterhin von Wasser durchflossen
werden kann. Somit leuchtet die untere Glühbirne auch nach dem Abschalten noch
für eine gewisse Zeit mit voller Intensität weiter.
So.
Und wem der Crashkurs bis hierher gefallen hat, aber gerne mehr von der
E-Technik verstehen möchte, für den kommt prinzipiell nur ein einziges Buch in
Frage:
Damit
habe ich mir die E-Technik selbst gelernt. Von den unzähligen E-Technik Büchern
am Markt ist es das einzige, das den Titel "Lehrbuch" auch wirklich
verdient. Alles was in der E-Technik wesentlich ist, wird hier ausführlich
ERKLÄRT, und nicht wie in einem Sachbuch nur geschildert. Das Buch ist randvoll
mit herrlichen Bildern und Grafiken, so dass es ein Hochgenuss ist in dem Buch zu
lesen. Eigentlich ist das Buch für Schüler und Auszubildende konzipiert, ich
empfehle aber auch jedem Studenten damit anzufangen. Weil an der Uni wird viel
Wissen aus dem Buch stillschweigend als bekannt vorausgesetzt, und man wundert
sich dann warum man nicht mitkommt. Hier
der Amazon Link zur neusten Auflage. Ein Vorteil von dem Buch ist auch: Es
wird nicht "alt". Die E-Technik-Gesetze gelten schließlich in 100
Jahren noch genauso.
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