Strom (Ampere) und Stromdichte

In diesem Beitrag geht es um die Grundlagen zum Thema Strom und Stromdichte im 230/400V Netz und der Auswahl des Leiterquerschnitts im Zusammenhang mit der Stromdichte

Der Strom (Ampere)

Beispiel: 16 Ampere oder 16A 

Strom wird in Ampere (Formelzeichen I) angegeben und bezeichnet die Elektronen, genauer die Menge der Elektronen, die in einer gewissen Zeit durch einen Leiter fließen.

Bei einer Spannung von 230V wird eine Stromstärke ab 5mA bereits gefährlich für den Menschen!

Anders als bei der Spannung, ändert sich die Stromstärke je nach Energieverbrauch von einem Verbraucher. Leistung setzt sich aus Spannung und Strom zusammen und wenn sich beim Beispiel unserer Steckdose die Spannung nicht verändert, muss dies über die Stromstärke geschehen. 

Beispiel:

• eine 40 Watt Glühbirne genehmigt sich 0.17A bei 230V

• ein 3400 Watt Geschirrspüler nimmt sich 14,78A bei 230V 

Hier fällt nun auf, obwohl beide dieser Geräte mit 230V arbeiten, weisen diese einen markanten Unterschied bei der Stromstärke und der daraus resultierenden Leistung auf.

Man kann sich jetzt vorstellen, dass diese Geräte nicht mit demselben Leitungsquerschnitt betrieben werden sollten, aber warum?

Die Stromdichte 

Die Wahl des Leiterquerschnittes hängt nicht von der Spannung ab, sondern von der Stromstärke. 

Wenn ich einen Hausanschluss mit 40A bei 230V realisiere oder einen Soundverstärker im Auto einsetze, welcher sich ebenfalls 40A bei 12V genehmigt, spielt der Querschnitt des Leiters keine Rolle, weil er in der Regel gleichbleibt, obwohl hier große Unterschiede bei der Leistung vorhanden sind:

• Hausanschluss: 40A x 230V = 9200 Watt 

• Soundverstärker: 40A x 12V = 480 Watt 

Elektronen im elektrischen Leiter erzeugen Reibung, je grösser der Leiter ist, je mehr Platz haben die Elektronen und je weniger Reibung entsteht.

Wird der Leiter kleiner, müssen die Elektronen schneller «fließen», um in derselben Zeit ans Ziel zu kommen.

Hier ist ein Stromkreis mit drei verschiedenen Querschnitten zu sehen.

• Schnell, wenig Reibung: Im ersten Abschnitt fließen die Elektronen schnell. Weil sie viel Platz im Leiter haben, entsteht auch nur wenig Reibung. 

• Langsam, kaum Reibung: Im mittleren Abschnitt weist der Leiter einen noch größeren Querschnitt auf, hier können die Elektronen langsam fließen, es ist mehr als genug Platz vorhanden. Hier entsteht kaum Reibung. 

• Sehr schnell, viel Reibung: Im dritten Abschnitt müssen sich die Elektronen durch einen sehr dünnen Draht einer Glühbirne zwängen, wodurch sie sich sehr schnell bewegen, was viel Reibung erzeugt. Der Draht fängt nun an zu glühen. 

Dazu geschieht noch etwas Interessantes. Durch die Erzeugung von Wärme und Licht in der Glühbirne, wird die Energie der Elektronen abgegeben bzw. umgewandelt. Die Glühbirne ist also ein Verbraucher und wandelt elektrische Energie in Wärme und Licht um.

Der Wolframdraht hat im Gegensatz zu Kupfer einen viel höheren Schmelzpunkt (3422°C) und ist zusätzlich durch ein Vacuum oder ein Schutzgas geschützt, damit dieser nicht schmilzt.

Leiterquerschnitt nach Stromstärke bemessen

Die Kernaussage der Stromdichte ist, dass ein elektrischer Leiter einen der Stromstärke entsprechenden Querschnitt aufweisen muss, um sich nicht ungewollt zu erwärmen oder gar zu verglühen. 

Anders als bei der Glühbirne, bei der das Glühen in einer sicheren Umgebung gewollt ist, kann es sein, dass in einer Elektroinstallation schwere Schäden oder Brände entstehen.

Dem Verbraucher ist es egal, wie dick oder dünn der Leiter ist, er nimmt sich die benötigte Stromstärke.

Aufgabe des Elektrikers ist es, einen ausreichenden Querschnitt der Leiter zu wählen, damit keine Schäden entstehen.

Mit der folgenden Liste kann man sich etwa ein Bild machen, welcher Querschnitt bei welcher maximalen Stromstärke verwendet werden könnte. Im Zweifelsfall wird empfohlen, den Querschnitt um eine Stufe zu erhöhen.

Die Wahl des Leiterquerschnitts unterliegt vielen Normen und Vorschriften, die Abklärung erfordert. Zu beachten sind unter anderem folgende Faktoren:

• Maximale Stromstärke

• Leitungslänge

• Verlegeart (in Rohren, einzelne Drähte, mehradrig usw.)

Universalnetzteil und Strom 

Abschließend zum Thema Strom, möchte ich noch kurz auf das Thema des universellen Netzteils im Zusammenhang mit dem Stromverbrauch kommen.

Bevor man sich zu einem Kauf eines Netzteils entscheidet, ist es wichtig zu wissen, was dieses Gerät maximal leisten kann.

Mal angenommen, das Netzteil meiner externen Festplatte hat plötzlich einen Defekt.

Da es dringend ist, greife ich zu meinem Universellen Netzteil, mit welchem ich das Defekte ersetzen will. Einer der mitgelieferten Stecker passt, und es kann losgehen.

Ich stelle zuerst die korrekte Spannung ein und stecke den Stecker in die Festplatte. Aber leider tut sich nichts, warum?

Jedes Netzteil hat eine gewisse Leistung (Watt) resultierend aus Spannung mal Strom.

Schaue ich nun auf das Leistungsschild der beiden Netzteile, merke ich, dass mein Universal-Netzteil nur 0.6A bei 12V (7.2Watt) liefert und mein Festplatten-Netzteil einen Strom von 1.6A bei 12V (18Watt) erwartet. 

Das Ersatz-Netzteil liefert also nicht genug Strom, um meine Festplatte zu betreiben. Auch USB-Netzgeräte mit identischer Spannung sind mit verschiedenen Stromstärken erhältlich. 

Die Leistungsangaben auf den Netzteilen sind unter «Output» oder «Sec» zu entnehmen.

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Externe Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrischer_Strom