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Watt, Ampere und Volt, Kilowattstunden (kWh) und elektrische Geräte - Grundlegende Elektrizität erklärt

Eugene ist ein qualifizierter Kontroll- / Instrumentierungsingenieur Bsc (Eng) und hat als Entwickler von Elektronik und Software für SCADA-Systeme gearbeitet.

Eine Anleitung zum Verständnis von Watt, Ampere und Volt

  • Die Spannung ist ein Maß für den Druck in einem Stromkreis
  • Ampere ist ein Maß für den fließenden Strom
  • Watt ist ein Maß für die Leistung oder die Rate, mit der Energie verwendet wird
  • Ohm ist ein Maß für die Beschränkung oder den Widerstand gegen den Stromfluss.

In diesem Artikel erfahren Sie alles über Volt, Watt, Ampere, Ohm, Strom, Leistung, Widerstand und Kilowattstunden (kWh). Die Gleichungen sind wirklich ziemlich einfach und Sie finden einige Beispiele, wie man sie auf Haushaltsgeräte anwendet.
Willst du dich selbst testen? Sehen Sie, wie Sie in Quiz A, B und C am Ende jedes Abschnitts vorgehen.

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Volt, Watt, Ampere, Ohm erklärt

Quelle

Berechnung des Stromverbrauchs von Haushaltsgeräten

Wenn Sie nur wissen wollen, wie hoch der Stromverbrauch von Elektrogeräten im Haushalt ist, können Sie einen Umweg zu diesem Hub machen, der eine umfassende Liste enthält. Wie hoch sind die Kosten für den Betrieb von Elektrogeräten?

Elektrischer Strom ist ein Strom von Elektronen in einem Leiter

Alle Materie besteht aus Grundbausteinen, die Atome genannt werden. Ein vereinfachtes Modell eines Atoms, bekannt als das Rutherford-Bohr- Modell oder Bohr- Modell oder Bohr-Diagramm, hat einen zentralen Kern, der aus Teilchen besteht, die Protonen und Neutronen genannt werden. Der Kern ist von Orbitalen umgeben, die Elektronen enthalten. In einigen Materialien wie Metallen sind Elektronen lose an den Kern gebunden, so dass sie sich lösen und bewegen können, wenn eine Spannung angelegt wird. Diese Materialien sind als Leiter bekannt und können Elektrizität leiten . Der Elektronenfluss wird als Strom bezeichnet.

Elektronen, die den Atomkern umgeben

Conceptual image of atom with protons and neutrons in the central nucleus and electrons in outer orbitals
Begriffsbild des Atoms mit Protonen und Neutronen im zentralen Kern und Elektronen in den äußeren Orbitalen

Elektronenfluss in einem Leiter

Electrons with a negative charge flowing through a conductor
Elektronen mit einer negativen Ladung fließen durch einen Leiter

Was sind Volt, Ampere und Watt?

Wie jede Disziplin hat die Elektrotechnik Fachsprache oder Fachterminologie. Spannung und Strom sind wie Wasserdruck und Wasserdurchflussrate, und es wird oft auf Pumpen und Wasserrohre als eine Analogie Bezug genommen, um elektrische Schaltungen zu erklären.

Stromspannung

Dies ist der Druck in einer Schaltung und wird in Volt gemessen. Denken Sie an eine Pumpe in einer Wasserleitung. Je größer der Druck und die Kraft, die die Pumpe ausübt, desto größer ist der Wasserfluss durch das Rohr. In ähnlicher Weise ist eine Spannungsquelle in einer Schaltung wie eine Pumpe und schiebt Elektronen um die Schaltung herum. Je höher die an eine Schaltung angelegte Spannung ist, desto größer ist der Strom, der durch sie hindurchgezwungen wird.

Belastung

Dies ist das Gerät, das an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Es könnte ein Motor, eine Glühbirne, eine Heizung, eine LED oder ein elektronischer Widerstand sein.

Strom

Ein elektrischer Strom ist auf die Bewegung von Elektronen durch einen Leiter und eine Last zurückzuführen und wird in Ampere gemessen. Hoher Strom bedeutet, dass viele Elektronen durch die Schaltung fließen. Die Wasseranalogie ist die Wasserdurchflussrate in Gallonen pro Minute.

Widerstand

Der Widerstand der Last wird in Ohm gemessen. Jedes elektrische Gerät oder jede Last hat einen Widerstand. Widerstand ist wie eine Beschränkung auf den Fluss von Elektronen und Elektrizität wird als Wärmeenergie in einem Widerstand verbraucht. Bei einer gegebenen Spannung ist der Strom umso niedriger, je höher der Widerstand ist. Gehen wir zurück zur Wasseranalogie, wenn Sie auf einem Schlauch stehen, erhöhen Sie den Widerstand und schränken den Fluss ein. Die einzige Möglichkeit, die Strömung wieder herzustellen, besteht darin, die Pumpe stärker zu pumpen und Wasser durch die Drossel zu drücken, dh die Pumpe muss einen höheren Druck haben. Alternativ können Sie, wenn Sie den Fuß vom Schlauch nehmen, den Durchmesser erhöhen und den Widerstand verringern und mehr Wasser durchdrücken. Wenn in einer elektrischen Schaltung die Spannung erhöht wird, wird mehr Strom durch den Widerstand gezwungen. Wenn der Widerstand verringert wird, fließt mehr Strom, selbst wenn sich die Spannung nicht ändert.
Selbst wenn die Drähte in einem Stromkreis verbunden sind, haben sie einen Widerstand. Wenn höhere Ströme von einem Kabel übertragen werden müssen, muss ein dickeres Kabel verwendet werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Leistung

Dies ist die Rate, mit der Energie verbraucht wird und in Watt gemessen wird. Ein Kilowatt beträgt 1000 Watt, auch abgekürzt als kW.

kWh oder Kilowattstunden

Dies ist ein Maß für den Energieverbrauch. KWh werden manchmal Einheiten genannt und sind das, was Sie auf Ihrer Stromrechnung bezahlen. Ein Gerät mit 1 Kilowatt (1000 Watt) verbraucht in einer Stunde eine Kilowattstunde Strom. Ähnlich verwendet ein 500-Watt-Gerät eine Kilowattstunde Strom in 2 Stunden.

Frequenz

Bei einer Wechselstromversorgung ist dies die Anzahl der Male pro Sekunde, um die der Strom die Richtung wechselt, gemessen in Zyklen pro Sekunde oder Hertz. Die Elektrizität wird zu Hause an 50 oder 60 Hertz verteilt.

Wie fließt der Strom in einem Stromkreis?

Auf dem Foto unten speist eine AA-Zelle eine Taschenlampe. Strom fließt zuerst durch den Draht und die Glühbirne und dann über den unteren Draht zurück.

Wir können diese Schaltung auf einfache Weise anhand eines Schaltplans darstellen . Betrachtet man das Schema unten, wird eine Spannungsquelle V einen Strom I um die Schaltung durch die Last (in diesem Fall die Lampe), deren Widerstand R ist, erzwingen.
In einer realen Schaltung könnte die Spannungsquelle die 120 oder 240 Volt sein, die aus einer Steckdose, einer 12 Volt Autobatterie oder einer AA-Zelle kommen, und der Widerstand wäre ein Gerät oder eine Komponente in einer elektronischen Schaltung. Die Leitungen, die die Quelle mit dem Widerstand verbinden, sind die Verbindungsdrähte in einem Gerät oder Stromkabel oder Leiterbahnen auf einer Leiterplatte.

Hinweis: Herkömmlicherweise denken wir an Strom, der aus dem positiven Anschluss einer Quelle wie einer Batterie fließt. Der Strom ist jedoch ein Strom von subatomaren Teilchen, die Elektronen genannt werden, die negativ geladen sind, so dass der Strom tatsächlich vom negativen Pol der Batterie in die entgegengesetzte Richtung fließt

Eine einfache Schaltung

An AA cell forces current through the wires and lights up a bulb
Eine AA-Zelle zwingt Strom durch die Drähte und beleuchtet eine Glühbirne

Schema einer einfachen Schaltung

Current in a circuit
Strom in einer Schaltung

Was sind einige häufig verwendete Spannungen?

SpannungsquelleStromspannung
AA- oder AAA-Zelle1, 5 Volt
Stromversorgung im HausNominell 120 oder 240 Volt
Autobatterie12 Volt
LKW-Batterie24 Volt
Spannungseingang zum Transformator, der nach Hause liefert16 kV (Kilovolt)
HochspannungsleitungenBis zu 1, 2 MV (Mega Volt)

Was ist die Spannung, die zu unseren Häusern geliefert wird?

Im Allgemeinen beträgt die Spannungsversorgung für Ihr Zuhause 230 oder 120 Volt. Die Spannung in den USA beträgt 120 Volt, aber zwei 'hot' werden an die Haushalte geliefert, so dass auch eine 240-Volt-Versorgung zur Verfügung steht. Die höhere Spannung wird für leistungsstarke Geräte wie Waschmaschinen, Trockner, Küchenherde (Herde) und Klimaanlagen verwendet. 120 Volt werden für Geräte mit niedrigerer Leistung und für tragbare Geräte verwendet. Es ist auch sicherer, weil im Falle eines elektrischen Schocks weniger Strom durch den Körper fließt, so dass ein geringeres Risiko eines Stromschlags besteht.
In Ländern, in denen 230 Volt Standard sind, werden Generatoren oder Abwärts-Trenntransformatoren verwendet, um eine 110-Volt-Versorgung für Elektrowerkzeuge bereitzustellen. Dies ist normalerweise auf Baustellen vorgeschrieben. Wiederum besteht die Idee der niedrigeren Spannung darin, die Gefahr von Stromschlägen zu verringern, wenn beispielsweise ein Stromkabel versehentlich geschnitten wird oder ein Werkzeug nass wird.

Versorgungsspannungen der Welt

Utility voltage by country
Netzspannung nach Land

Watt, Ampere und Volt Gleichung

Relationship between watts, amps and volts
Beziehung zwischen Watt, Ampere und Volt

Wie konvertiert man zwischen Volt, Ampere und Watt?

Wir werden uns später mit dem Ohm'schen Gesetz befassen, aber lassen Sie uns zuerst die Größen untersuchen, die normalerweise im Zusammenhang mit Geräten wie Volt, Ampere und Watt von Interesse sind und wie man zwischen ihnen umrechnen kann. Wenn Sie sich das Gehäuse eines Gerätes ansehen (siehe Foto unten), finden Sie in der Regel ein Spezifikationsschild oder -panel, auf dem die Spannungsversorgung, Frequenz, Wattleistung und möglicherweise Strom angezeigt werden. Bei einigen Geräten, z. B. Fernsehgeräten und Waschmaschinen, kann dieses Panel auf der Rückseite des Geräts montiert werden.

Also hier sind drei einfache Gleichungen für die Umwandlung zwischen Volt, Watt und Ampere:

Watt = Volt x Ampere

zB Ein 120-Volt-Gerät benötigt 2 Ampere, wie hoch ist die Leistung?

Leistung in Watt = 120 x 2 = 240 Watt

Ampere = Watt / Volt

zB Ein 240-Volt-Gerät verbraucht 480 Watt Leistung. Wie viel Strom zieht es?

Strom in Ampere = 480/240 = 2 Ampere

Volt = Watt / Ampere

zB Ein 720 Watt Gerät zieht 3 Ampere, Welche Spannung läuft es?

Spannung in Volt = 720/3 = 240 Volt

Es ist wirklich so einfach. Hinweis Ich habe in den Beispielen Werte gewählt, damit alles gut funktioniert. Sie müssen sich nur an die erste Gleichung erinnern und wenn Sie die grundlegende Algebra kennen, können Sie die beiden anderen Gleichungen neu anordnen. Wie Sie jedoch sehen können, müssen Sie immer zwei der Mengen kennen, bevor Sie die dritte Menge ausarbeiten können. Aus den Google Analytics-Statistiken und den Fragen, die auf dieser Webseite landen, sehe ich oft Fragen wie 'wie viele Watt sind in 480 Volt?', Was offensichtlich keinen Sinn macht!

Bei leistungsstarken Geräten wird die Leistung oft in Kilowatt (abgekürzt kw) angegeben.

1 Kilowatt = 1000 Watt

Was ist eine kWh? - Wie berechnet man den Energieverbrauch von Haushaltsgeräten?

Leistung ist die Rate, mit der ein Gerät Energie verbraucht. So verbraucht zum Beispiel eine Klimaanlage, eine Dusche oder ein starker Scheinwerfer elektrische Energie viel schneller als eine Glühbirne

Verbrauchte Energie = Leistung x Zeit


Um den Energieverbrauch eines Geräts zu ermitteln, multiplizieren Sie dessen Nennleistung mit dem Zeitraum, für den es ausgeführt wird. Die Standardeinheit der Energie ist das Joule oder Kalorien, aber in der Regel Energie in der Wohnung verwendet wird in kWh, auch bekannt als 'Einheiten' gemessen. Um die Anzahl der kwh zu berechnen, teilen Sie die Leistung in Watt durch 1000, um sie in Kilowatt (kW) umzuwandeln, und multiplizieren Sie sie dann mit der Zeit in Stunden zu kWh.

Damit:

kWh = Watt / 1000 x Zeit in Stunden

Kilowattstunden, kWh oder Einheiten zahlen Sie auf Ihrer Rechnung. Ihr Stromzähler zählt und zeigt die Anzahl der Einheiten an, die von allen Geräten und Beleuchtung in Ihrem Haus verwendet werden.

zB Ein 2500 Watt Trockner läuft 3 Stunden pro Tag, wie viele kWh verbraucht er und wenn der Strom 12c pro Einheit kostet, wie hoch sind die Betriebskosten?

kWh = Watt / 1000 x Zeit = 2500/1000 x 3 = 7, 5 kWh oder Einheiten

Kosten = 7, 5 x 12c = 90 Cent

Einige Geräte laufen nicht kontinuierlich. Beispiele sind Geräte, die von einem Thermostat wie Kühlschränken, Gefrierschränken, Öfen in Herden und Klimaanlagen gesteuert werden. Die Zeit, für die das Gerät eingeschaltet ist und Strom verbraucht, wird als Arbeitszyklus bezeichnet und wird oft als Prozentsatz angegeben. So hat zum Beispiel ein Kühlschrank, der die Hälfte der Zeit bleibt, einen Arbeitszyklus von 50%.

Dieser Artikel enthält eine umfassende Liste von Haushaltsgeräten und deren Energieverbrauch: Was kostet der Betrieb elektrischer Geräte?

Fluke Spannungsprüfer, 1000 V AC Spannung Fluke Spannungsprüfer, 1000 V AC Spannung

Ein berührungsloser Fluke-Detektor 'VoltStick' ist ein Standardwerkzeug in jedem Elektrikerwerkzeugsatz, aber auch für Hausbesitzer nützlich. Ich benutze eine davon, um zu erkennen, welcher Leiter live ist, wenn ich zu Hause arbeite. Im Gegensatz zu einem Neonschraubendreher (Phasenprüfgerät) können Sie eines davon in Situationen verwenden, in denen spannungsführende Teile / Drähte ummantelt oder mit einer Isolierung versehen sind und Sie keinen Kontakt mit Drähten herstellen können. Es ist auch nützlich, um zu überprüfen, ob es einen Power Flex gibt und wo der Break auftritt.

Hinweis: Es ist immer eine gute Idee, einen Neon-Tester zu verwenden, um zu überprüfen, ob die Stromversorgung bei einer elektrischen Wartung definitiv ausgeschaltet ist.

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A kilowatt hour meter counts the number of units of energy you've used
Ein Kilowattstundenzähler zählt die Anzahl der Energieeinheiten, die Sie verbraucht haben

Informationsetiketten / Spezifikationen für elektrische Geräte

Typical electrical appliance labels/panels indicating voltage and current rating, power rating and frequency in hertz.
Typische Elektrogeräte-Etiketten / -Tafeln zur Anzeige von Spannung und Stromstärke, Nennleistung und Frequenz in Hertz.

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Was sind Sicherungen?

Wie wir später sehen werden, haben elektrische Kabel, Geräte, Drähte in Geräten, Komponenten usw. alle Widerstand. Dieser Widerstand erzeugt Wärme, wenn Strom durch ihn fließt. Jeder elektrische Leiter kann übermäßig heiß werden, wenn zu viel Strom fließt, und bei Kabeln kann dies dazu führen, dass die das Kabel abdeckende Kunststoffisolierung schmilzt oder gar Feuer fängt. So werden Sicherungen in Reihe mit einem Kabel oder Gerät verwendet, um den Stromfluss zu begrenzen und alles sicher zu machen. Sicherungen sind wie eine 'schwache Verbindung' in einer Kette und ein Schlag, bevor Schaden auftreten kann. Sie haben eine bestimmte Bewertung und das ist nicht der Strom, auf den sie blasen, sondern der Strom, den sie ohne zu blasen tragen werden. Sobald der Strom den Nennwert der Sicherung überschreitet, wird die Sicherung durchbrennen. Die Zeit, die die Sicherung benötigt, ist proportional zum Strom. Geringfügige Überlastungen können dazu führen, dass eine Sicherung innerhalb von Minuten durchbrennt. Wenn jedoch ein großer Strom oder ein Kurzschluss vorliegt, wird die Sicherung in Sekunden oder Millisekunden ausgelöst.

Unterbrechungskapazität von Sicherungen

Sicherungen haben einen maximalen Strom, den sie führen können, ohne dass die Einkapselung der Sicherung durchbricht. So sind Sicherungen auf der Sekundärseite von Haushaltsstromversorgungen in Fernsehgeräten, Batterieladegeräten und anderen elektronischen Geräten oft Glasarten, weil die Quelle nur dann eine relativ kleine Menge an Energie liefert, wenn es einen Fehler gibt. Keramiktypen werden verwendet, um der Hitze und dem Schock zu widerstehen, die auftreten, wenn der Einschaltstrom möglicherweise hundert oder tausend Ampere beträgt, wodurch möglicherweise eine große Menge Momentanleistung gespeist wird. Wenn in einem Gerät ein Kurzschluss auftritt, ist es durchaus möglich, dass der Stromversorgungstransformator in Ihrer Straße Strom dieser Stärke in den Kurzschluss einspeist. So hat zum Beispiel die BS1362-Sicherung in einem UK-Stecker einen keramischen Körper. Durchgebrannte Sicherungen sollten immer durch den gleichen Typ, Keramik, ersetzt werden, um ein Feuer zu vermeiden.

Sicherungstypen

Im Allgemeinen sind Sicherungen schnell durchgebrannt (F) und zeitverzögert (T). Zeitverzögerungsarten werden häufig für Stromversorgungen in elektronischen Geräten verwendet, da die Kondensatoren beim Aufladen einen Stromstoß aufnehmen, der eine schnell wirkende Sicherung durchbrennen würde.

A High Breaking Capacity (HBC) BS1362 fuse, used as standard in a UK style plug
Eine BS1362-Sicherung mit hoher Schaltleistung (HBC), die standardmäßig in einem britischen Stecker verwendet wird

Was ist ein Digitalmultimeter?

Ein Multimeter ist ein Instrument, das Spannung, Strom, Widerstand und möglicherweise zusätzliche Parameter messen kann. Sie können damit auch den Durchgang von Kabeln prüfen und Sicherungen prüfen. Wenn Sie nicht wissen, wie man einen benutzt, lesen Sie meine Anleitung Wie man ein Digitalmultimeter (DMM) benutzt, um Spannung, Strom und Widerstand zu messen. Multimeter haben normalerweise auch einen Kontinuitätsbereich, der sich zur Überprüfung von Unterbrechungen in Kabeln, Sicherungen und lockeren Verbindungen eignet.

Digitale Multimeter von Amazon

Fluke, ein führender Hersteller von digitalen Instrumenten, empfiehlt die Fluke 113 Modell für den allgemeinen Gebrauch im Haushalt oder für die Wartung von Autos. Dies ist ein ausgezeichnetes Messgerät und kann AC- und DC-Volt, Widerstand, Kontinuität und Dioden messen. Das Messgerät verfügt über eine automatische Bereichswahl, sodass keine Bereiche festgelegt werden müssen. Es ist auch ein True-RMS-Meter. Wenn Sie auch AC - und DC - Strom messen müssen, ist der Fluke 106 ist eine geeignete Wahl.

Fluke recommend the 113 meter for general purpose home use
Fluke empfiehlt das 113-Meter-Gerät für den allgemeinen Gebrauch zu Hause

Wie man Horsepower in Watt umrechnet

Pferdestärke ist ein Maß für .... Sie haben es erraten! ..... Macht!

So wie die mechanische Leistung eines Motors in Pferdestärken gemessen werden kann, kann auch die mechanische Leistung eines Elektromotors gemessen werden.

1 PS = 746 Watt

ZB Ein Bruchmotor in einer Waschmaschine ist für 1/2 PS ausgelegt

Die Leistungsabgabe des Motors beträgt also 746 Watt x 0, 5 = 373 Watt

Ein Motor ist nicht 100% effizient, mit anderen Worten, nicht die gesamte elektrische Leistungsaufnahme wird an der Ausgangswelle in mechanische Leistung umgewandelt, einige werden als Wärme in den Wicklungen verschwendet.

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Was ist ein Stromverbrauchsmonitor?

Ein Stromverbrauchsmonitor oder Tracker informiert Sie über alles, was Sie über das Verhalten Ihres Geräts wissen möchten. Die Parameter werden auf einem LCD angezeigt und umfassen Spannung, Strom, Stromverbrauch, verbrauchte kWh, Betriebskosten und Laufzeit des Geräts. Letzteres ist nützlich für die Fehlersuche bei Kühlschränken, Gefrierschränken, Klimaanlagen usw., die von einem Thermostat gesteuert werden und ein- und ausschalten. Ein fehlgeschlagener Thermostat oder eine durchfeuchtete Isolierung kann dazu führen, dass ein Gerät ständig läuft, sodass dieses Problem erkannt werden kann.

Sie können über diese Geräte hier lesen: Verfolgen Sie den Stromverbrauch Ihrer Geräte

Power consumption monitoring adapter
Adapter zur Überwachung des Stromverbrauchs

Was bedeutet es, Strom zu verbrauchen?

Was passiert, wenn ein Gerät mit Strom versorgt wird? Wissenschaftler sagen uns, dass Energie nicht zerstört werden kann, sondern nur von einer Form zur anderen wechselt. Dieser Prozess geschieht die ganze Zeit - auf der Erde und im gesamten Universum. Zum Beispiel hat ein Felsen am Rand einer Klippe potentielle Energie, wegen seiner Höhe über dem Boden. Wenn es über den Rand der Klippe fällt, fängt es an, Geschwindigkeit aufzunehmen, dh kinetische Energie (Bewegungsenergie) zu gewinnen, während potentielle Energie verloren geht. Wenn es auf den Boden trifft, wird diese Energie als Wärme abgegeben (denke an die Hitze, die durch einen Asteroideneinschlag erzeugt wird). In ähnlicher Weise wird die Elektrizität, wenn ein Gerät eingesteckt wird, nicht verschwendet oder 'verbraucht', in dem Sinne, dass sie zerstört wird, sondern einfach die Form ändert. Im Fall einer Lampe endet sie als Lichtenergie oder als Wärmeenergie, wenn eine Heizung verwendet wird. Elektrische Energie kann auch in einem Lautsprecher oder elektromagnetischer Strahlung (Mikrowellenofen oder Funksender) in alle Arten von Energie umgewandelt werden. Elektrische Energie kann auch in kinetische Energie in einem Elektromotor oder in potentielle Energie umgewandelt werden, wenn ein Aufzug in einem Gebäude angehoben wird.
Leistung ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der Energie verbraucht wird. So verbraucht zum Beispiel eine 1000-Watt-Heizung oder eine Hochleistungs-Klimaanlage von hvac Energie mit einer höheren Rate als eine 60-Watt-Glühbirne.

Elektrizität kann in andere Energieformen umgewandelt werden

EnergieartBeispiel
LichtGlühlampe, LED, Leuchtstofflampe
HitzeElektroheizung, Glühbirne
Elektromagnetische StrahlungRadiosender, Mikrowellenherd, Radar
KlingenLautsprecher, Donner
KinetischMotor dreht eine Welle oder fährt ein Fahrzeug
PotenzialWinde oder Aufzug, die eine Last anhebt, Elektromagnet, der eine Feder spannt
DruckLuftkompressor
ChemischBatterie
A simple circuit with a voltage source and load. The load has a resistance measured in ohms.
Eine einfache Schaltung mit einer Spannungsquelle und Last. Die Last hat einen Widerstand in Ohm gemessen.

Ohmsches Gesetz und elektrischer Widerstand

In der obigen Schaltung drückt eine Spannung V einen Strom I um die Schaltung und durch die Last. Wie Sie sich vielleicht erinnern, könnte dies ein Gerät wie eine Glühbirne, elektrische Heizung, Motor, LED oder ein anderes elektrisches Gerät sein. Die Last widersteht dem Stromfluss und die Größe ihres Widerstands beträgt R Ohm.

Damit

I = V / R

oder

R = V / I

Dies ist bekannt als Ohm'sches Gesetz und besagt grundsätzlich, dass der Strom proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand ist (wenn der Widerstand ansteigt, der Strom abnimmt und umgekehrt) Denken Sie daran, dass der in Ohm gemessene Widerstand nur ein Maß für die Last oder das Gerät ist in der Schaltung 'widersteht' der Stromfluss. In elektronischen Schaltungen und einigen elektrischen Geräten haben Komponenten, die Widerstände genannt werden, präzise Widerstandswerte, so dass sie dazu verwendet werden können, den Wert des in einer Schaltung fließenden Stroms zu steuern.

Ein Beispiel:

Der Widerstand in einer Schaltung beträgt 100 Ohm, eine Spannung von 120 Volt liegt an, wie hoch ist der Strom?

Strom = 120/100 = 1, 2 Ampere

Elektrischer Widerstand und Leiter


Ein Leiter ist ein physikalisches Medium, das einen elektrischen Strom führt. Dies könnte ein Stromkabel sein, Zinken an einem Stecker, eine Flüssigkeit wie Wasser, Batteriesäure oder ionisiertes Gas in einer Entladungslampe (z. B. Leuchtstoff- oder Natriumlampe).

Im Falle eines festen Leiters, wie Kupferdraht, ist der elektrische Widerstand proportional zur Länge des Leiters und umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche. Je länger ein Stück Draht ist, desto höher ist sein Widerstand. Je größer der Durchmesser des Drahtes ist, desto geringer ist sein Widerstand. Dies hat Auswirkungen auf Leiter, die in Geräten und in der Energieübertragung verwendet werden. Zum Beispiel ist das Maß des in einer Verlängerungsleitung verwendeten Drahtes wichtig, wenn der Draht zu dünn ist, ist der Widerstand hoch und das Kabel kann überhitzen. Wenn ein Stromkabel sehr lang ist, kann sein Widerstand zu hoch sein, wenn er nicht richtig bemessen ist, was zu einem nicht akzeptablen Spannungsabfall am Ende des Kabels führt (wegen des Widerstands).

Für einen Leiter mit der Querschnittsfläche A und der Länge l kann der Widerstand R unter Verwendung der Gleichung berechnet werden:

R = ρl / A

ρ (griechischer Buchstabe 'rho') ist eine Konstante, die als Widerstand bezeichnet wird. Je niedriger der spezifische Widerstand eines Materials ist, desto geringer ist der Widerstand des Leiters.

Kupfer hat den niedrigsten spezifischen Widerstand der gebräuchlichsten Materialien und deshalb wird es häufig in der Herstellung von Kabeln verwendet. Silber hat einen niedrigeren spezifischen Widerstand als Kupfer, aber es ist viel teurer. Aluminium wird im Allgemeinen für Freileitungen verwendet und obwohl es einen höheren spezifischen Widerstand als Kupfer hat, ist es leichter. Gold hat einen etwa 1, 5-mal höheren spezifischen Widerstand als Kupfer, reagiert jedoch nicht und oxidiert nicht (Anlaufen). Eine Anlaufschicht auf einem Leiter erhöht den Kontaktwiderstand. Aus diesem Grund wird Gold häufig als Beschichtung für Audio / Video-Steckverbinder verwendet. Gold wird auch für die Miniaturverbindungsdrähte in integrierten Schaltungen verwendet.

Isolatoren

Ein elektrischer Isolator ist ein Material, das einen sehr hohen Widerstand aufweist, da keine freien Elektronen Strom führen. Für alle praktischen Zwecke kann ein Isolator als unendlich widerstandsfähig angesehen werden. Da der Widerstand unendlich ist (die Unendlichkeit wird durch das Symbol ∞ dargestellt), ist der Strom durch einen Isolator:

Strom = Spannung / Widerstand = Spannung / ∞ = 0

Isolatoren werden verwendet, um den Stromfluss zwischen zwei elektrischen Punkten mit unterschiedlicher Spannung zu verhindern, z. B. Isolierung an den einzelnen Adern eines Stromkabels oder Glas- / Keramikisolatoren an Stromleitungen, und um zu verhindern, dass Hochspannung einen elektrischen Schlag verursacht. Typische Isolatoren für elektrische Zwecke sind verschiedene Arten von Polymeren (Kunststoff), Keramik, Glas, Glasepoxid (für PCBs) und Bakelit (ein Duroplast älterer Bauart).

Supraleiter

Wenn bestimmte Materialien sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, fällt ihre Beständigkeit auf Null.

Da V = IR, wenn R Null ist, wird V 0, auch wenn I nicht Null ist

Die Folgen davon sind, dass ein Strom fließen kann, selbst wenn die Spannungsquelle entfernt wird. Da der Widerstand Null ist und keine Wärme abgeleitet wird, können große Ströme durch dünne Kabel übertragen werden. Supraleiter werden beispielsweise in MRT-Geräten verwendet, um die hohen Ströme zu tragen, die von starken Magneten benötigt werden.

Widerstände verschiedener Materialien

MaterialWiderstandsfähigkeit
Silber1, 59 × 10 -8 Ωm
Kupfer1, 68 × 10-8 Ωm
Gold2, 44 × 10-8 Ωm
Aluminium2, 82 × 10-8
Eisen9, 71 × 10 -8 Ωm
Platin1, 06 × 10-7 Ωm
Nichrom (in Heizelementen verwendet)1, 10 × 10-6 Ωm
Glas1, 00 × 1011 bis 1, 00 × 1015 & OHgr; m
Hartes Gummi1, 00 × 1013 Ωm
Materialien mit steigendem Widerstand
A load could be an electronic resistor like this one, or an electrical appliance
Eine Last könnte ein elektronischer Widerstand wie dieser oder ein elektrisches Gerät sein
Detail of the insulator string (the vertical string of discs) on a 275, 000 volt suspension tower near Thornbury, South Gloucestershire, England
Detail der Isolatorschnur (die vertikale Schnur von Scheiben) auf einem 275, 000 Volt-Suspendierungskontrollturm nahe Thornbury, Süd-Gloucestershire, England
PVC insulation on the cores of a power flex
PVC-Isolierung an den Kernen eines Power Flex
The insulating black shrouds on the pins of this plug prevent contact with the pins during insertion/removal
Die isolierenden schwarzen Abdeckungen an den Stiften dieses Steckers verhindern den Kontakt mit den Stiften während des Einsetzens / Entfernens
Superconducting cables
Supraleitende Kabel

Alternative Art der Kraftausübung

Erinnere dich an Watts = Volt x Ampere? Eine andere Möglichkeit, die Leistung zu berechnen, ist der Widerstand in Ohm:

Also wenn ich der Strom in Ampere bin, ist V die Spannung, R ist der Widerstand in Ohm und P ist die Leistung in Watt,

Dann:

I = V / R aus dem Ohmschen Gesetz

Aber auch P = VI

Wenn also der Ausdruck I = V / R in P = VI eingesetzt wird, ergibt sich:

P = VI = V (V / R) = V² / R

ähnlich

P = VI = (IR) I = I²R

Es ist unwahrscheinlich, dass im Haushalt mit Haushaltsgeräten die letzten beiden Gleichungen verwendet werden müssen. Aber hier ist ein Beispiel.

Eine 240-Volt-Versorgung ist mit einer Last von 100 Ohm verbunden. Wie hoch ist der Stromverbrauch der Last?

Leistung = V 2 / R = (240) 2/100 = 576 Watt

Teste dich selbst! - Quiz C

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Was ist AC und DC?

Der von einer Stromquelle erzeugte Strom kann eine von zwei Formen annehmen, AC oder DC. Die Energiequelle könnte eine Batterie, ein elektrischer Generator, Strom sein, der entlang von Versorgungsleitungen zu Ihrem Haus oder dem Ausgang eines Signalgenerators übertragen wird, ein Gerät, das in Laboratorien oder von Testpersonal beim Testen oder Entwerfen von elektronischen Systemen verwendet wird.

DC

Dies steht für Gleichstrom, so dass der von der Quelle bereitgestellte Strom nur in einer Richtung fließt. Eine DC-Quelle wird einen nominalen Spannungspegel haben und diese Spannung wird fallen, wenn die Quelle geladen wird und mehr Strom ausgibt. Dieser Abfall ist auf den inneren Widerstand in der Quelle zurückzuführen. Der Widerstand ist nicht auf einen tatsächlichen Widerstand zurückzuführen, sondern kann als solcher modelliert werden und besteht aus dem tatsächlichen Widerstand von Leitern, elektronischen Bauteilen, Chemikalien usw.
Beispiele für Gleichstromquellen sind Batterien, Gleichstromgeneratoren, sogenannte Dynamos, Solarzellen und Thermoelemente.

Wechselstrom

Dies steht für 'Wechselstrom' und bedeutet, dass der Strom 'wechselt' oder die Richtung wechselt. So fließt Strom in einer Richtung, erreicht eine Spitze, fällt auf Null, ändert die Richtung, erreicht eine Spitze und fällt dann wieder auf Null zurück, bevor der gesamte Zyklus wiederholt wird. Die Häufigkeit, mit der dieser Zyklus pro Sekunde auftritt, wird als Frequenz bezeichnet. In den USA beträgt die Frequenz 60 Hertz (Hz) oder Zyklen pro Sekunde. In anderen Ländern ist es 50 Hz. Die Stromversorgung in Ihrem Haus ist Wechselstrom.
Der Vorteil von AC ist die Leichtigkeit, mit der es von einer Spannungsebene in eine andere transformiert werden kann.
AC-Quellen umfassen die Stromversorgung Ihres Hauses, Generatoren in Kraftwerken, Transformatoren, DC-AC-Wechselrichter (damit Sie Geräte aus dem Zigarettenanzünder in Ihrem Auto mit Strom versorgen können), Signalgeneratoren und Frequenzumrichter zur Steuerung der Drehzahl von Motoren. Der Wechselstromgenerator in einem Fahrzeug erzeugt Elektrizität als Wechselstrom, bevor er gleichgerichtet und in Gleichstrom umgewandelt wird. Bürstenlose Akku-Bohrschrauber der neuen Generation wandeln die Gleichspannung der Batterie in Wechselstrom um, um den Motor anzutreiben.

Reduzierung der Kosten für die Übertragung von Strom über das Stromnetz

Weil Wechselstrom so leicht von einer Spannung in eine andere umgewandelt werden kann, ist es für die Stromübertragung über das Stromnetz vorteilhafter. Generatoren in Kraftwerken geben eine relativ niedrige Spannung aus, typischerweise 10.000 Volt. Transformatoren können dies dann auf eine höhere Spannung von 200.000, 400.000 Volt oder höher für die Übertragung durch das Land erhöhen. Ein Aufwärtstransformator wandelt die Eingangsleistung in eine höhere Spannung, niedrigeren Stromausgang um. Nun ist diese Stromabnahme aus zwei Gründen der gewünschte Effekt. Erstens wird der Spannungsabfall in den Übertragungsleitungen aufgrund des geringeren durch den Widerstand der Kabel fließenden Stroms reduziert (da V = IR). Zweitens verringert reduzierender Strom den Leistungsverlust, wenn Strom durch den Widerstand der Verteilerkabel fließt (erinnern Sie sich an Leistung = I 2 R in den obigen Gleichungen?). Strom wird als Wärme in Übertragungskabeln verschwendet, was offensichtlich unerwünscht ist. Wenn der Strom halbiert wird, wird der Leistungsverlust ein Viertel dessen, was er vorher war (wegen des quadrierten Terms in der Gleichung für die Leistung). Wenn Strom 10 mal kleiner gemacht wird, beträgt der Leistungsverlust 1% von dem, was er war, und so weiter.

AC waveform is a sine wave
Wechselstrom-Wellenform ist eine Sinuswelle
Transformer in an electrical sub-station. The function of a transformer is to either increase or decrease voltage
Transformator in einer elektrischen Unterstation. Die Funktion eines Transformators besteht darin, die Spannung entweder zu erhöhen oder zu verringern

3-Phasen-Spannung

Sehr lange Fernübertragungsleitungen können DC verwenden, um Verluste zu reduzieren, jedoch wird die Leistung normalerweise landesweit unter Verwendung eines 3-Phasen- Systems verteilt. Jede Phase ist eine sinusförmige Wechselspannung und jede der Phasen ist um 120 Grad getrennt. In der folgenden Grafik ist die Phase 1 also eine Sinuswelle, die Phase 2 um 120 Grad und die Phase 3 um 240 Grad (oder um 120 Grad voraus). Zur Leistungsübertragung werden nur 3 Adern benötigt, da sich im Neutralleiter kein Strom (für eine symmetrische Last) ergibt. Der Transformator, der Ihr Haus versorgt, hat 3 Phasenlinien als Eingang und der Ausgang ist eine Sternquelle, also stellt er 3 Phasenlinien plus Neutral zur Verfügung. In Ländern wie Großbritannien werden Haushalte von einer der Phasen plus einem neutralen gefüttert. In den USA wird eine der Phasen aufgeteilt, um die beiden 'heißen' Teile des Angebots zu liefern.

Warum wird 3 Phase verwendet?

  • Mehr Leistung kann mit nur 1, 5 Mal die Anzahl der Drähte übertragen werden
  • Motoren, die mit 3 Phasen betrieben werden, sind kleiner als ein ähnlicher einphasiger Motor mit der gleichen Leistung
  • Abend des Ausgangsdrehmoments glättet den Betrieb und führt zu weniger Vibrationen von Motoren, die mit 3 Phasen betrieben werden
  • Der Neutralleiter kann aufgrund des geringeren Stromflusses verkleinert werden
  • Neutral ist für die Übertragung von Strom zwischen Unterstationen und Transformatoren nicht erforderlich
3 Phase voltages. Each phase is sinusoidal with a phase difference of 120 degrees
3 Phasenspannungen. Jede Phase ist sinusförmig mit einer Phasendifferenz von 120 Grad

Delta - Sterntransformer

Ein Delta - Stern - Transformator (auch bekannt als Delta - Y - oder Delta - Y - Transformator) wird oft zur Herstellung einer 3 - Phasen - oder einphasigen und neutralen Versorgung für Haushalte und Industrie verwendet. Die eingehende Versorgung beträgt typischerweise 11 kV und die Ausgangsphasenspannung beträgt 230 Volt (in Ländern, die diese Spannung verwenden)

Delta-Star(Wye) transformer which can supply single or 3-phase supply
Delta-Star (Wye) -Transformator, der Einzel- oder 3-Phasen-Versorgung liefern kann
3 phase power lines
3-Phasen-Stromleitungen

Wie man Spannung, Strom und Widerstand misst

Wie oben erläutert, ist ein Multimeter ein Instrument zum Messen der Spannung in Volt, des Stroms in Ampere und des Widerstands in Ohm. Jede Funktion hat normalerweise mehrere Bereiche, um große und kleine Werte zu messen. Ein Multimeter hat zwei Sondenleitungen, die an den zu testenden Schaltkreis angeschlossen sind. Die Messung wird dann auf einem LCD-Display angezeigt.

Sehen Sie sich diesen Hub an: So verwenden Sie ein Multimeter

Magnetic field lines around a conductor
Magnetfeldlinien um einen Leiter

Was sind andere Effekte, wenn ein Strom fließt?

Wie oben erwähnt, wenn der Strom durch den Widerstand einer Last fließt, wird er heiß. Dies ist manchmal der gewünschte Effekt, z. B. eine elektrische Heizung. Es ist jedoch ein unerwünschter Effekt in Lampen, da die gewünschte Funktion der Vorrichtung darin besteht, Elektrizität in Licht umzuwandeln und keine Wärme als Nebenprodukt zu erzeugen. Ein zu hoher Strom in den Stromkabeln während einer Überlastung kann zu einem Brand führen, wenn Schutzeinrichtungen wie Sicherungen oder Leitungsschutzschalter (MCBs) nicht im Kabel enthalten sind.
Was passiert sonst noch, wenn Strom durch einen Leiter fließt? Ein Effekt ist, dass ein Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Phänomen wird in einer Einrichtung verwendet, die als Solenoid oder Elektromagnet bezeichnet wird, die im wesentlichen wie eine Spule oder Spule aus Draht ist, durch die ein Strom fließt. Elektromagnete werden im alten Stil verwendet, nicht elektronische, Tür- und Telefonglocken, Wassereinlassventile an Waschmaschinen, Relais (ein durch einen Elektromagneten betätigter Schalter), Anlasser an Fahrzeugen und in Bergwerken zum Heben von Eisen und Stahl.

Strom, der durch einen Leiter fließt, erzeugt auch ein elektrisches Feld. Ein extremes Beispiel hierfür ist das Feld mit hoher Intensität, das unter einer Hochspannungsleitung erzeugt wird, die ausreicht, um eine in der Hand gehaltene Leuchtstoffröhre zu beleuchten.

The electric field under a high voltage power line is sufficient to produce an electric discharge in a fluorescent tube
Das elektrische Feld unter einer Hochspannungsleitung reicht aus, um eine elektrische Entladung in einer Leuchtstoffröhre zu erzeugen

Die Auswirkungen von hohem Strom

Wie funktionieren Schalter und was sind Funken?

Wie Sie festgestellt haben, nimmt der Strom ab, wenn der Widerstand in einer Schaltung erhöht wird. Wenn man den Leiter in einem Stromkreis bricht und einen Luftspalt erzeugt, ist die Größe des Widerstandes für alle praktischen Zwecke unendlich, da Luft ein guter Isolator ist und kein Strom fließen wird. Ie

Strom = Spannung / Widerstand = Spannung / = 0

So funktioniert ein Schalter. Zwei Kontakte, normalerweise aus Messing in einem Haushaltsschalter, werden zusammengedrückt, wenn der Schalter eingeschaltet und geschlossen ist. Wenn der Schalter ausgeschaltet wird, trennen sich die Kontakte schnell und unterbrechen den Strom.

Was sind Funken?

Stellen Sie sich zwei Elektroden oder Punkte in einer Schaltung vor, die durch einen Luftspalt getrennt sind (z. B. die Lücke in einer Automobilzündkerze). Wenn die Spannung hoch genug ist, wird die Luft zwischen den zwei Punkten durch das elektrische Feld so stark beansprucht, dass sie ionisiert wird, dh Atome haben ihre Elektronen abgerissen. Diese Elektronen können dann die von der positiven Elektrode angezogene Lücke durchqueren und dabei mit anderen Gasmolekülen kollidieren und mehr Elektronen freisetzen. Irgendwann kommt es zu einer Lawine von Elektronen (alles geschieht in einem Bruchteil einer Sekunde) und das Ergebnis wird Funken oder Funkenentladung genannt. Ein Funken erzeugt einen Blitz von sichtbarem Licht, Wärme, UV-Strahlung und Schall und seine Temperatur kann etwa 5000 ° C betragen, heißer als die Oberfläche der Sonne. Die Spannung, die benötigt wird, um einen Funken zu erzeugen, beträgt ungefähr 3000 Volt pro mm zwischen gerundeten Elektroden in Luft.
Funken können klein sein, z. B. Kfz-Zündkerze oder Gasfeuerzeug, oder viel größer.

Ein Beispiel für einen großen Funken ist der Blitz. Wenn sich Wolken aufladen, wird die Spannung so hoch, dass ein Funke von Wolke zu Wolke oder Wolke zu Erde springt. Der Klang, den wir Donner nennen, wird durch die explosive Erwärmung und Ausdehnung der Luft durch die elektrische Entladung verursacht.

Funken treten in einem Luftspalt auf, wenn die Spannung die Durchbruchspannung des Spaltes übersteigt. Wenn zwei Elektroden getrennt sind, tendiert der Strom dazu, weiter zu fließen, und die Erwärmung der Metallelektroden bewirkt, dass das Material verdampft und auch die Luft ionisiert. Dies führt zu einer kontinuierlichen Funkenentladung, einem sogenannten Funken, der einem Funken ähnlich ist. Wenn die Elektroden ausreichend voneinander getrennt sind, wird der Lichtbogen nicht aufrechterhalten und stoppt abrupt. Das Lichtbogenschweißen nutzt einen Lichtbogen zwischen zwei Elektroden, um Metall zu schmelzen. Schalter müssen außerdem so ausgelegt sein, dass ihre Kontakte ausreichend voneinander und schnell genug getrennt sind, so dass Lichtbögen schnell abgeschreckt werden und die Beschädigung der Kontakte verringert wird. In Umspannwerken sind große Luftspalte oder ölgefüllte Leistungsschalter erforderlich, um die hohen Strombögen zu löschen, die auftreten, wenn Hochspannung geschaltet wird.

Lichtbogen zwischen Schaltkontakten an einer Nebenstelle

Zusammenfassung der Gleichungen für eine elektrische Schaltung

V =IR
Ich =V / R
R =V / I
P =IV
Ich =P / V
V =PI
P =V² / R
P =I²R
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