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11.3 Polarisation, Richt-Strahlung, Antennenhöhe und Strahlungswiderstand von Antennen

1 Elektrotechnik Grundlagen

1.1 Grundbegriffe in der Elektrotechnik

Die Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrik. Diese bildet eine Untergruppe der Physik . Wir wollen hier nun einige wichtige Grundvoraussetzungen schaffen, indem die Grundbegriffe der Elektrik dargestellt werden.

Woher kommt der Name Elektrizität?

Schon im Altertum wurde eine elektrische Erscheinungsform, die elektrostatische Aufladung beobachtet. Bernstein kann, mit Wolle gerieben, leichte Körper (Papierschnitzel, Haare usw.) anziehen. Griechisch heißt Bernstein: Ελεκτρον (Elektron). Das abgeleitete Wort Elektrizität ist demnach ein Begriff für eine Naturerscheinung, eine Energieform, die mit unseren Sinnesorganen nicht erfassbar ist. Die Elektrizität ist nur an ihren Wirkungen zu erkennen.

Positiv und negativ

Durch Experimente wurden zweierlei elektrische Erscheinungsformen entdeckt: Ein Glasstab, mit Seide oder Papier gerieben, stößt einen ebenso behandelten Glasstab ab, zieht dagegen einen mit Wolle geriebenen Hartgummistab an. Es wurden daher zwei Ladungszustände unterschieden: positiv (+) und negativ (–). Aus den genannten Versuchen ergibt sich auch das Gesetz:

Die Festlegung der Namen und Zeichen war völlig willkürlich. Die Elektrizität auf Glas wurde mit plus (+) und die auf Gummi mit minus (–) bezeichnet. Durch die Entdeckungen in der Neuzeit können die elektrischen Erscheinungsformen besser erklärt werden. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Materie und der Elektrizität als Naturerscheinung.

Atome, Moleküle, Elektronen, Ionen

Chemische Stoffe sind aus Molekülen aufgebaut. Das Molekül ist das kleinste Teilchen einer chemischen Verbindung. Zwei oder mehr Atome bilden diesen größeren Verband der Materie. Die Atome, die kleinsten mechanisch oder chemisch nicht mehr teilbaren Teile der Materie, der Elemente, bestehen aus dem schweren positiven Kern, um den herum sich Elektronen auf kreisförmigen und elliptischen Bahnen bewegen. Die Elektronen sind kleiner und leichter als der Kern und haben eine negative Ladung. Kernmasse, Elektronenzahl und ihr Abstand stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Positive und negative Ladungen halten sich im Atom die Waage. Verliert das Atom durch äußere Einwirkung ein oder mehrere Elektronen, so wird die positive Ladung des Kerns nicht mehr vollständig neutralisiert, der Atomrest erscheint nach außen positiv geladen und wird positives Ion genannt. Ein Elektronenüberschuss lässt die negative Ladung überwiegen, es entstehen negative Ionen.

Aggregatzustände

Stoffe kommen in der Natur in 4 sogenannten Aggregatzuständen vor: fest, flüssig, gasförmig und als Plasma . Plasma ist ein gasförmiger Stoff, dem durch Energiezufuhr alle Elektronen entzogen sind. Er ist deshalb elektrisch sehr gut leitend. Die Sonne beispielsweise besteht überwiegend aus Plasma.

Beispiele des Atomaufbaus

Lithium hat drei Elektronen, die sich auf verschiedenen Bahnen um den Kern bewegen. Die beiden Innenbahnen sind kreisförmig. Die Außenbahn hat Ellipsenform, wie in Abb. 1.1 zu erkennen ist. Der Durchmesser des Atoms beträgt 10^–10 m.

Im Kupferatom kreisen um den schweren positiven Kern 29 Elektronen (Abb. 1.2). Sie verteilen sich auf 4 Schalen . Auf der äußeren Bahn ist ein Elektron, das nur leicht an das Atom gebunden ist.

Leiter, Nichtleiter (Isolator) und Halbleiter

Alle Metalle (z. B. Kupfer) haben ihre Atome regelmäßig im Raum angeordnet. Die chemischen Kräfte halten die Atome in einer kristallinen Struktur im Raum fest. Die äußeren Hüllelektronen der Metallatome sind nicht an ein bestimmtes Atom, sondern nur an die Gesamtheit der Atome im Kristall gebunden, wie Abb. 1.3 zeigt. Sie werden im Gegensatz zu den Elektronen, die ständig im Verband desselben Atoms verbleiben, qua sifreie (gewissermaßen freie) Elektronen genannt.

Die Atomrümpfe sind in der Darstellung mit einem Pluszeichen versehen und die quasifreien Elektronen als kleine Kügelchen gezeichnet. Die quasifreien Elektronen bewegen sich im Kristall in allen Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten völlig willkürlich durcheinander. Diese quasifreien Elektronen verhalten sich also wie ein Gas und werden deshalb auch Elektronengas genannt. Eine einwirkende elektrische oder magnetische Energie kann diese Elektronen leicht beeinflussen bzw. bewegen und einen elektrischen Strom auslösen. Alle Metalle sind daher verhältnismäßig gute Leiter.

Beispiele für Leiter: Silber, Kupfer, Gold, Eisen, verschiedene Flüssigkeiten (Elektrolyte), verschiedene Gase.

Sind in einem Stoff jedoch fast alle Elektronen an das Atom fest gebunden, können die äußeren Elektronen auch nicht oder sehr schwer von einer einwirkenden Energie bewegt werden. Diese Stoffe eignen sich nicht zum Stromtransport, sie werden Nichtleiter oder Isolator genannt.

Beispiele für Nichtleiter: Keramik, verschiedene Kunststoffe, Glimmer, Seide, Glas, Papier, Öl, Luft.

Eine dritte Gruppe stellt in ihrem elektrischen Verhalten ein Zwischending der beiden Hauptgruppen dar. Daher rührt der Name Halbleiter . Bei den Halbleitern handelt es sich eigentlich um Nichtleiter. Sie wirken beim absoluten Nullpunkt [–273 °C oder 0 K(elvin)], wie diese, vollständig isolierend. In Halbleiterwerkstoffen können durch zusätzliche Energie, z. B. Wärmezufuhr, feste Atombindungen aufbrechen und so auch Elektronen als Ladungsträger für den Stromtransport freigesetzt werden. Dies ist bereits bei Raumtemperatur der Fall.

1.2 Erscheinungsformen der Elektrizität

Die Erscheinungsformen der Elektrizität sind vielfältig. Die bekannteste Naturerscheinung äußert sich im Gewitter, wo Spannungen von einigen Millionen Volt und Ströme von 20000 Ampere (André-Marie Ampère 1775-1836, französischer Physiker und Mathematiker) und mehr auftreten können. Wir wollen an dieser Stelle einige Versuche gedanklich durchspielen, bei denen Elektrizität erzeugt wird und nachgewiesen werden kann.

Dazu wird ein Blechwinkel auf eine sehr gut isolierende Unterlage gestellt. Verschiedene Kunststoffe haben diese Eigenschaft. An einen Schenkel des Blechwinkels wird, elektrisch leitend mit dem Blechwinkel verbunden, ein Alu-Folie-Streifen gehängt.

Nähern wir dem Elektroskop einen gut (fest) mit einem Baumwolltuch oder Papier geriebenen Kunststoff- oder Glasstab, so wird das Aluminiumblättchen von der festen Blechwand abgestoßen.

Erläuterung:

Der geriebene Stab wird durch die innige Verbindung der beiden Körper (Baumwolltuch und Stab) beim Reiben elektrisch geladen. Da der Stab gut isoliert, bleibt die Ladung auf ihm sitzen.

Wir nehmen in unserem Versuch an, dass die aufgebrachte Ladung negativ ist. Dass eine elektrische Kraft vom Stab ausgeht, kann durch das Anziehen von leichten Körpern (z. B. Papierschnitzeln) bewiesen werden. Die Ablenkung des Aluminiumstreifens erfolgt bei der Annäherung des geladenen Kunststoffstabes. Es genügt also schon die Annäherung einer elektrischen Ladung, um eine Ladungsverschiebung in Metallen zu erreichen. Diese Erscheinung wird Influenz (Einwirkung) genannt. Es entsteht auch eine Ladungsverschiebung im Blechmantel durch die Einwirkung der Influenzelektrizität . In Abb. 1.4 haben wir die Draufsicht auf das erregte Elektroskop dargestellt. Die Ladung verschiebt sich in Richtung Alustreifen, wo sich sowohl auf dem Schenkel des Blechwinkels als auch auf der Alufolie ein Elektronenüberschuss einstellt. Diese gleichnamigen Ladungen des Schenkels und des Alustreifens stoßen sich ab, weshalb der Alustreifen sich vom Blechwinkel fortbewegt.

Berühren wir in diesem Zustand mit dem Finger den linken Schenkel des Bleches, so geht der Ausschlag des Alustreifens schlagartig zurück, um sofort wieder anzusteigen, wenn wir Stab und Finger entfernen. Das Elektroskop muss sich nun aufgeladen haben, denn der Alustreifen bleibt in der abgespreizten Stellung, wenn die Kunststoffunterlage eine sehr gute Isolation gewährleistet.

Das elektrische Pendel

Zwei isoliert aufgestellte Metallplatten werden durch einen Gleichspannungsgenerator (5000 V Gleichspannung) elektrisch geladen. Ein Pendel, bestehend aus Pendelgalgen, isolierendem Faden und elektrisch leitend gemachtem Tischtennisball (Graphitüberzug oder Leitsilber), ist zwischen den geladenen Platten angeordnet. Wird der Ball von Hand in Pendelbewegung versetzt, so kann er beide Platten nacheinander berühren.

Erläuterung:

Wird das Pendel so angestoßen, dass eine Berührung mit einer der beiden Platten (Elektroden) stattfindet, so setzt sich die Pendelbewegung so lange fort, wie Spannung zwischen den Elektroden besteht. Eine Verkleinerung des Abstandes zwischen den Platten und eine Erhöhung der Spannung erhöhen die Geschwindigkeit der Pendelbewegung.

Berührt der Ball eine Elektrode, so wird er von ihr gleichnamig aufgeladen. Er wird mit einer bestimmten Kraft abgestoßen. Der Schwung des Balles reicht aus, um in den Anziehungsbereich der ungleichnamig geladenen Elektrode zu gelangen. Es folgt eine Berührung mit dieser Elektrode und somit eine Umladung des Balles. Der Ball wird nun wieder abgestoßen und das Spiel setzt sich fort.

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. In Leitern erfolgt bei ungleichnamigen Ladungen ein Ladungsausgleich (Metallelektrode und Silberschicht des Balles). Elektrische Ladungen üben Kräfte aus. Diese sind ladungs- und spannungsabhängig.

Spannungsquellen

Die durch Reibung erzeugten Aufladungen stellen nur geringe Energiemengen dar. Spannungsquellen werden in der Elektrotechnik allgemein Spannungserzeuger genannt. In ihrer Wirkungsweise sind sie eigentlich Energiewandler . Sie setzen durch chemische, magnetische, Licht- oder Wärmeeinflüsse Elektronen in Bewegung, trennen auf diese Weise Ladungen, wandeln die genannten Energieformen in elektrische Energie um. Die Energiewandlung soll an einigen Beispielen gezeigt werden.

Spannungserzeugung durch chemische Einflüsse

Taucht man in ein mit Ammoniumchlorid-Lösung gefülltes Glasgefäß zwei Elektroden aus Kupfer und Zink, so entsteht eine elektrische Spannung von ca. 0,8 V, die man mit einem Voltmeter nachweisen kann. Die chemische Reaktion zwischen den Elektroden und der schwach sauren Lösung muss eine Ladungstrennung , eine Spannung hervorrufen. Die Zinkelektrode ist negativ, die Kupferelektrode positiv.

Spannungserzeugung durch Licht

Wird ein Silizium-Fotoelement beleuchtet, so stellt sich eine elektrische Spannung ein, die von der Beleuchtungsstärke abhängig ist. Die Schnittdarstellung in Abb. 1.6 zeigt den Aufbau. In der Sperrschicht bewirkt das Licht eine Ladungstrennung. Die Elektronen wandern zu dem Kontaktring (Minuspol), und an der Grundplatte verbleiben die Atomrümpfe (Pluspol). Der Vorgang wird mit Sperrschicht-Fotoeffekt bezeichnet.

Spannungserzeugung durch Wärme

Zwei Drähte aus Eisen und Konstantan (Handelsname für Widerstandsdraht, bestehend aus 60% Kupfer und 40% Nickel) werden nach Abb. 1.8 zusammengeschweißt oder hart gelötet. Wenn die Schweißstelle erhitzt wird, entsteht an den Enden der Drähte eine geringe elektrische Spannung. Konstantan bildet den Minuspol und Eisen den Pluspol.

Durch Wärmeenergie wandern Elektronen durch die erhitzte Verbindungsstelle vom Eisen- in den Konstantandraht. Dadurch erscheint der Eisendraht positiv geladen. Jede erwärmte Kontaktstelle aus unterschiedlichen Leiterwerkstoffen erzeugt eine solche Thermospannung. Gebräuchliche Thermoelemente verwenden Leiterwerkstoffe, die zu verhältnismäßig großer Thermospannung führen. Das abgebildete Thermoelement liefert je Grad Temperaturunterschied 52 µV. Diese doch recht geringe Spannung lässt außer der Verwendung als Thermofühler keinen anderen Einsatz zu.

Piezo-Kristall als Spannungserzeuger

Kristalle sind von ihrer elektrischen Eigenschaft her in der Regel Nichtleiter. Sie besitzen jedoch eine Eigenschaft, bei mechanischer Beanspruchung, etwa Verbiegen, Zusammendrücken oder Auseinanderziehen, elektrische Spannungen abzugeben. Diese Erscheinung wird Piezoeffekt genannt.

Ausgenutzt wird dieser Einfluss bei Kristall-Mikrofonen, Schwingquarzen und in Zündmechanismen, so beispielsweise zum Entzünden von Gas-Feuerzeugen. Hierbei wird ein Piezokeramik-Block an zwei gegenüberliegenden Flächen durch aufgedampftes Metall kontaktiert. Über ein Hebelsystem wird ein Hammer betätigt, der mit einer gewissen Kraft auf den Keramikblock schlägt. Dadurch entsteht eine hohe elektrische Spannung, die das ausströmende Gas über einer Funkenstrecke entzündet.

Spannungserzeugung durch einwirkendes Magnetfeld

Eine Spule wird auf einen Hufeisenmagneten gesteckt und auf dem Schenkel hin- und herbewegt (Abb. 1.9). Die Anschlüsse der Spule sind dabei mit einem Zeiger-Voltmeter verbunden. Während der Bewegung der Spule und während ihrer Ruhe wird das Voltmeter beobachtet.

Erläuterung:

Das Voltmeter zeigt im Gleichspannungsbereich einen mehr oder weniger großen Ausschlag. Die Höhe der angezeigten Spannung (Weite des Zeigerausschlages) hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit und natürlich von der Trägheit des Zeigers ab. Die Richtung der Spannung (positiver oder negativer Spannungsanstieg) ist von der Bewegungsrichtung abhängig. Wird das Voltmeter im Wechselspannungsbereich betrieben und die Spule ständig rasch hin- und herbewegt, so zeigt das Instrument einen mittleren Wechselspannungswert an. Wird die Spule nicht bewegt, kommt der Zeiger des Voltmeters zur Ruhe.

Da in der Spule nur eine Spannung entsteht, solange sie bewegt wird, muss die Ladungstrennung durch die Änderung des Magnetfeldes entstehen. Wie wir später noch erfahren werden, erzeugt die Bewegung entlang des Magnetfeldes eine Verschiebung der Elektronen im metallischen Leiter der Spule. Erst die Entdeckung der Induktion durch Michael Faraday (1791-1867, englischer Naturforscher) hat die Entstehung der modernen Generatoren und damit die Anwendung der Elektrizität im großen Rahmen ermöglicht.

1.3 Die elektrischen Wirkungen

Wie bereits erwähnt, kann der elektrische Strom mit unseren Sinnen nicht erfasst werden. Die elektrische Energie ist nur an ihren Auswirkungen erkennbar. Alle Möglichkeiten der elektrischen Spannungserzeugung, die wir kennen gelernt haben, sind auch umkehrbar, d. h. mit elektrischer Energie lassen sich auch entsprechende Wirkungen erzeugen. Nachstehend sollen diese Wirkungen des elektrischen Stromes aufgezeigt werden.

Wärmewirkung

Die wohl bekannteste Wirkung des elektrischen Stromes ist die Wärme- und die der Strahlungsart nach in dieselbe Kategorie gehörende Lichtstrahlung.

Es wird eine Glühlampe in einen Stromkreis geschaltet (Abb. 1.10). Sobald der Strom fließt, leuchtet die Lampe und gibt zudem noch Wärme ab.

Erläuterung:

Der elektrische Strom muss sich gewissermaßen durch die Wendel der Glühlampe hindurch zwängen, erfährt also eine Behinderung durch die auf seinem Wege befindlichen Atome. Durch diese im Einzelnen sehr komplizierten Vorgänge werden die Atome in Schwingungen versetzt, was sich als Wärme- und Lichtstrahlung äußert. Wie wir in einem späteren Kapitel sehen werden, ist oft, wie auch hierbei, die Wärme nicht erwünscht. Eine weitere Strahlung, die durch den elektrischen Strom hervorgerufen werden kann, ist die für unsere Berufsgruppe so wichtige Radiowelle, über deren Eigenschaft und Anwendung wir auch in einem späteren Kapitel erfahren werden.

In das Glasgefäß werden die beiden Elektroden Zink und Kupfer an eine Gleichspannung in der gezeichneten Polarität angeschlossen, wie Abb. 1.11 zeigt. Der Strom wird so lange gesteigert, bis eine chemische Reaktion in der Ammoniumchlorid-Lösung erkennbar wird. Nach kurzer Zeit ist die chemische Reaktion an einer Gasblasenbildung an der Kupferelektrode zu sehen. Gleichzeitig wird die Elektrode blank und die Lösung färbt sich leicht blau.

Erläuterung:

Der chemische Vorgang soll nicht näher untersucht werden. Die chemische Wirkung des elektrischen Stromes wird durch die aufsteigenden Gasblasen und die Blaufärbung des Elektrolyten (die elektrisch leitende Flüssigkeit) hinreichend deutlich. Höherer Strom hat eine stärkere chemische Reaktion zur Folge (mehr Blasen, schnellere Färbung).

Anwendung: Die chemische Wirkung des elektrischen Stromes wird z. B. in der Galvanik verwendet. Metallüberzüge werden auf elektrischem Wege hergestellt, z. B. Versilbern, Verkupfern, Vernickeln.

In eine Spule taucht ein Weicheisenkern ein. Der Kern ist über ein Gummiband an einem Bügel über der Spule befestigt. Eine Gleichspannungsquelle (Batterie) ist an die Klemmen der Spule über einen Schalter angeschlossen. Der Stromkreis lässt sich ein- und ausschalten (Abb. 1.12).

Erläuterung:

Wird der Strom in der Spule eingeschaltet, so wird der Eisenkern in die Spule gezogen. Verwenden wir eine Batterie größerer Spannung, wodurch ein größerer Strom fließt, so taucht der Kern bei eingeschaltetem Schalter tiefer in die Spule ein. Der elektrische Strom löst eine magnetische Wirkung in der Spule und auch um die Spule herum aus. Die magnetische Kraft ist stromabhängig, wie man an der Eintauchtiefe des Kerns erkennen kann.

Anwendung: Die magnetische Wirkung ist in vielen Anwendungen der Elektrotechnik und Elektronik zu finden, z. B. Motor, Generator, Relais, Lautsprecher, dynamische Mikrofone, Drehspulmesswerke, Fernsehbildröhre usw.

Wirkungen des elektrischen Stromes auf den menschlichen Körper

In diesem Abschnitt werden wir verschiedene Begriffe und Größen der Elektrotechnik ansprechen, die hier noch nicht ausreichend erklärt werden können. Wir kommen jedoch später darauf zurück.

Achtung
Der Umgang mit Elektrizität birgt eine Reihe von Gefahren in sich. Die erste wesentliche Voraussetzung, den Gefahren zu begegnen, ist, mit wachem Geist und Verantwortungsbewusstsein an elektrischen Anlagen zu arbeiten. Die andere Voraussetzung ist die Kenntnis über die möglichen Gefahren. Sind diese beiden Faktoren gegeben, so ist ein entscheidender Schritt zu Arbeitsschutz und Unfallverhütung getan!

Physiologische Wirkungen

Fließt ein zu großer elektrischer Strom durch den menschlichen (oder tierischen) Körper, so ruft er über die Nervenbahnen Schreckreaktionen und Muskelverkrampfungen hervor. Handelt es sich um Wechselstrom, so treten Unregelmäßigkeiten im Herzrhythmus auf. Die Atmung wird zunächst erheblich erschwert, wenn nicht ganz unmöglich. Sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrom entstehen Verbrennungen. Schreckreaktionen führen häufig indirekt zu Unfällen, da die ausgelösten Bewegungen unkontrolliert sind (z. B. Sturzunfälle, Schürf-, Schnitt- und Stichverletzungen). Verbrennungen können direkt durch den Strom oder indirekt durch Lichtbögen auftreten. Art und Umfang der Schädigungen hängt von der Stromstärke, der Stromart, der Einwirkungsdauer und dem Weg ab, den der Strom durch den Körper nimmt. Erfahrungsgemäß können 50 mA bereits tödlich sein. Im Allgemeinen tritt schon bei 10 mA Verkrampfung der Atemmuskulatur und Unregelmäßigkeit des Herzrhythmus auf. Fließt der Strom länger als 30 Sekunden durch den Körper, so tritt Bewusstlosigkeit und Tod durch Atemlähmung ein.

Die lebensbedrohliche Stromstärke wird im menschlichen Körper bereits dann erreicht, wenn bei geringem Berührungswiderstand an den Berührungsstellen des Körpers eine Spannung von nur 65 V anliegt! In nassen Räumen mit leitenden Fußböden, im Freien und in der unmittelbaren Umgebung von Zentralheizungen, Gas- und Wasserrohren kann es zu einem guten Erdkontakt kommen. Die Übergangswiderstände sind dann oft erheblich reduziert, wodurch die Berührungsspannungen schnell unzulässige Werte erreichen können. In diesen Fällen ist besondere Vorsicht geboten!

Arbeiten an elektrischen Anlagen

Damit das Arbeiten an elektrischen Anlagen unfallsicher ist, müssen folgende Punkte beachtet werden:

Schutzmaßnahmen gegen zu hohe Berührungsspannungen

Begriffe aus VDE 0100

Die VDE-Bestimmungen gliedern sich in Vorschriften, Regeln und Leitsätze. Vorschriften sind unbedingt einzuhalten, von Regeln darf bei besonderen Gründen abgewichen werden und Leitsätze werden zur Beachtung empfohlen. Die VDE 0100 enthält die Bestimmungen über das Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen unter 1000 V.

Unter diesen Starkstromanlagen versteht man Anlagen zum Erzeugen, Umwandeln, Speichern, Fortleiten oder Verbrauchen von elektrischer Energie mit Betriebsmitteln wie Transformatoren, Leitungen, Schalter, Motoren, Lampen, Heizgeräte, Messgeräte usw. Leitungen, die Spannungserzeuger mit Verbrauchern verbinden, aber nicht vom Mittel- oder Sternpunkt ausgehen, nennt man Außenleiter . Der Mittelleiter geht vom Mittelpunkt eines Gleichstrom- oder eines Einphasen-Wechelstromnetzes oder vom Sternpunkt eines Drehstrom-Systems aus. Schutzleiter verbinden leitfähige Anlagenteile, die nicht zum Betriebsstromkreis gehören, untereinander und mit der Schutzeinrichtung. Auf diese Weise wird das Entstehen zu hoher Berührungsspannungen verhindert. Die Farbkennzeichnung des Schutzleiters ist grün/gelb. Tritt nun bei einem Verbraucher Körperschluss auf, dies ist ein Kurzschluss zwischen Betriebsstromkreis und Gehäuse, so wird die Sicherung ausgelöst. Unter bestimmten Voraussetzungen, die bei fehlerhaften Anlagen vorliegen, treten zu hohe Berührungsspannungen auf.

Hinweise
Unter Berührungsspannung versteht man die Spannung, die zwischen leitenden, nicht zum Betriebsstromkreis gehörenden, der Berührung zugänglichen Teilen untereinander oder zur Erde auftritt und vom menschlichen Körper bei der Berührung überbrückt wird.

Es gibt verschiedene Schutzmaßnahmen, die das Auftreten unzulässig hoher Berührungsspannungen verhindern: Schutzisolierung, Schutzkleinspannung, Schutztrennung, Schutzerdung, Fehlerspannungs-, Fehlerstrom-Schutzschaltung usw.

Schutzisolierung

Schutzisolierte Geräte sind durch zwei ineinander verschachtelte Quadrate gekennzeichnet. Die Anschlussleitung darf keinen Schutzleiter enthalten. Bei Steckeranschluss wird ein Konturenstecker ohne Schutzkontakt verwendet (Eurostecker). Die Schutzisolierung wird durch isolierende Gehäuse und Abdeckungen, durch isolierende Umpressungen von Kleinmaschinen oder durch Einbau von Isolierzwischenstücken in Getrieben, Wellen und Gehäusen erreicht.

Müssen von außen zugängliche Teile elektrisch leitend mit dem Betriebsstromkreis verbunden sein, beispielsweise zur Abschirmung eines Störfeldes oder zur Einspeisung von Signalgrößen, so darf dies nur über Berührungsschutz-Kondensatoren , gekennzeichnet durch ein »b« im Kreis, oder hochohmige Widerstände geschehen.

Schutzkleinspannung

Schutzkleinspannungen sind Spannungen bis 42 V. Diese müssen von Betriebsstromkreisen höherer elektrischer Spannungen elektrisch getrennt sein.

Schutztrennung

Bei der Schutztrennung wird der Verbraucherstromkreis über einen Trenntransformator elektrisch vom Netzstromkreis getrennt. Der Verbraucherstromkreis (sekundärseitig) darf in keinem Punkt mit der Erde leitend verbunden sein, da im Fehlerfall der Verbraucher Spannung gegen Erde annehmen würde und bei Messungen am eingeschalteten Verbraucher durch Erdverbindung der messenden Person eine unzulässig hohe Berührungsspannung auftreten könnte.

An einen Transformator zum Zwecke der Schutztrennung darf nur 1 Verbraucher angeschlossen werden. Die Steckdose am Ausgang dieses Transformators darf keinen Schutzkontakt besitzen. Höchstzulässige Primärspannung für Trenntransformatoren ist 500 V, sekundärseitig 230 V (2-polig) und 380 V (3-polig) bei einem maximalen Nennstrom von 16 A sekundär.

Anwendung: z. B. Messen an elektrischen und elektronischen Geräten unter Spannung, erdfreier Anschluss von Messgeräten, die nicht schutzisoliert sind, zur Verhinderung von Brummschleifen.

Erdung

Bis zur Anschlussstelle wird über steckbare Kabel vom Verbrauchergehäuse eine Schutzleitung geführt, die über den Schutzkontakt der Steckdose und des Steckers Erdverbindung erhält. Bei Schutzerdung wird diese separate Leitung jenseits der Steckdose weitergeführt bis zu einem zentralen Erder, der gesamten Anlage.

Fehlerstrom-Schutzschaltung (FI-Schutzschaltung)

Alle stromführenden Leiter des Netzes sind durch einen Wandler im FI-Schalter geführt. Bei fehlerhafter Anlage ist die Summe aller Ströme durch den Wandler (ab- und zufließende Ströme) nicht mehr 0. In der Ausgangswicklung des Wandlers wird eine Spannung induziert, die direkt bzw. mittels Relais eine Auslösespule speist, welche den Schalter innerhalb von 0,2 Sekunden abschaltet. Der Auslöse-Fehlerstrom kann z. B. 30 mA betragen.

Lösungen zu den Multiple-Choice-Aufgaben:

Aufgabe	1	2	3
Lösung	2	4	3

2 Elektrotechnik Grundgesetze

2.1 Der elektrische Strom

Der elektrische Strom ist in den SI-Einheiten (Système International d'Unités) 1960 als Basiseinheit festgelegt worden. Die dort festgelegte Definition ist jedoch so schwer zu verstehen, dass wir hier auf eine veraltete, aber verständlichere zurückgreifen wollen. Man kann sich den elektrischen Strom als gerichtete Bewegung einer bestimmten Anzahl von Ladungsträgern in der Zeiteinheit vorstellen:

Diese Elektronenmenge wurde in der Vergangenheit als Ladungseinheit 1 C(oulomb) (Charles Augustin de Coulomb 1736-1806, französischer Physiker) festgelegt. Heute jedoch ist die Ladungseinheit von der Basiseinheit Ampere abzuleiten. So wird die Ladungsmenge Q in As (Ampere-Sekunden) gemessen und ist definiert:

Metallische Leiter führen bei geschlossenem Schalter den Strom der Ladungsträger (im Leiter sind dies die Elektronen) vom Minuspol der Spannungsquelle ausgehend, über den geschlossenen Schalter und den Verbraucher-Widerstand zurück zum Pluspol der Spannungsquelle. Diese Stromrichtung wird physikalische oder Elektronen-Stromrichtung genannt. Der Elektronenstrom ist der Ladungsausgleich, der über den äußeren Teil des Stromkreises erfolgt. Dieser Ladungsausgleich geschieht nur so lange, wie elektrische Spannung vorhanden und der Stromkreis geschlossen ist. Neben der physikalischen Stromrichtung, die außerhalb der Spannungsquelle von – nach + weist, ist die technische Stromrichtung festgelegt:

Hinweis
Außerhalb der Spannungsquelle fließt der Strom (technische Stromrichtung) von + nach –. Bei allen elektrotechnischen Schaltungen wird die technische Stromrichtung angenommen, wenn nicht ausdrücklich die physikalische erwähnt wird!

Erläuterung der verwendeten Formelzeichen
Q = Ladungsmenge in As (Ampere-Sekunden)
I = elektrischer Strom in A (Ampere)
t = Zeit in s (Sekunden)

Stromdichte

Der elektrische Strom passiert den Leiterquerschnitt. Dabei ist es von Bedeutung, wie groß dieser Leiterquerschnitt im Hinblick auf die Stromstärke ist. Es wurde deshalb der Begriff Stromdichte S eingeführt. Diese ist definiert: