Elektrische Größen und Grundlagen
Spannung, Strom und Energie werden im Alltag schnell durcheinandergebracht. Hier finden Sie die Begriffe mit ihrer jeweiligen Aufgabe, den Einheiten und kleinen nachvollziehbaren Beispielen. Wer die Größen unterscheidet, kann Geräteangaben und einfache Schaltbilder besser einordnen.
Bei Formeln stehen die Bedingungen direkt bei der Erklärung. Ein ideales Gleichstrombeispiel ist keine vollständige Berechnung für eine unbekannte Installation. Für ausführlichere Zusammenhänge führen die Verweise zu den Grundlagenbeiträgen.
So hängen die Begriffe zusammen
Spannung, Strom, Leistung und die Zusammenhänge im Stromkreis. Die Kurzdefinition hilft beim schnellen Nachschlagen. Öffnen Sie einen Eintrag für Beispiel, wichtige Abgrenzungen und passende Verweise. Verwandte Begriffe führen innerhalb des Lexikons weiter.
Ausführliche Anwendungen finden Sie in den verlinkten Fachbeiträgen. Das Lexikon erklärt die Bedeutung der Wörter und ersetzt weder Produktunterlagen noch die Beurteilung einer konkreten Anlage.
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E
Elektrische LadungElektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die elektrische Wechselwirkungen beschreibt. Ihre Einheit ist Coulomb.
Ein Strom beschreibt, wie viel Ladung eine betrachtete Stelle pro Zeit passiert. Bei konstantem Strom gilt für die transportierte Ladung Q = I · t. Ladung und elektrische Energie sind verschiedene Größen.
Beispiel
Ein konstanter Strom von 1 A transportiert in einer Sekunde eine Ladung von 1 C.
Wichtig zu unterscheiden
Das Formelzeichen Q wird in anderem Zusammenhang auch für Blindleistung verwendet. Einheit und Kontext müssen deshalb mitgelesen werden.
EnergieElektrische Energie beschreibt die übertragene oder umgesetzte Energiemenge. Gebräuchliche Einheiten sind Joule und Kilowattstunde.
Bei konstanter Leistung gilt E = P · t. Bei veränderlicher Leistung wird deren Verlauf über die Zeit berücksichtigt. Eine Kilowattstunde entspricht beispielsweise einer Stunde Betrieb mit einem Kilowatt konstanter Leistung.
Beispiel
100 W während fünf Stunden ergeben 0,1 kW × 5 h = 0,5 kWh.
Wichtig zu unterscheiden
Die Leistungsangabe auf einem Netzteil beschreibt nicht automatisch dessen dauerhaften Energiebezug. Last, Verluste und Betriebszeit entscheiden.
F
FrequenzDie Frequenz gibt die Anzahl der Perioden eines periodischen Vorgangs pro Zeit an. Ihre Einheit ist Hertz.
Bei einer Sinusschwingung umfasst eine Periode einen vollständigen positiven und negativen Verlauf. Die Periodendauer T und die Frequenz hängen durch f = 1/T zusammen.
Beispiel
Eine gedachte Schwingung mit 50 Hz wiederholt sich alle 0,02 s. Das ist ein Rechenbeispiel für den Zusammenhang.
Wichtig zu unterscheiden
Frequenz ist nicht die Spannungshöhe. Gleiche Effektivspannung bei anderer Frequenz kann für ein Betriebsmittel trotzdem andere Bedingungen bedeuten.
G
GleichstromBei Gleichstrom bleibt die Stromrichtung gleich. Der Betrag muss dabei nicht unter allen Umständen konstant sein.
Eine ideale Gleichspannungsquelle hat feste Polarität und konstanten Spannungswert. Reale Quellen können schwanken; ein pulsierender gleichgerichteter Strom ist deshalb von einem ideal konstanten Gleichstrom zu unterscheiden.
Beispiel
Eine Batterie versorgt ein geeignetes Gerät mit festgelegter Polarität. Elektronik kann daraus weitere Spannungen erzeugen.
Wichtig zu unterscheiden
Eine AC-Schaltangabe eines Kontakts ist keine automatische DC-Freigabe. Auch niedrige Gleichspannungen sind nicht unabhängig von Quelle und Umgebung ungefährlich.
I
ImpedanzDie Impedanz beschreibt bei sinusförmigen Wechselgrößen das komplexe Verhältnis von Spannung zu Strom. Ihre Einheit ist Ohm.
Sie berücksichtigt ohmsche und reaktive Anteile sowie deren Phasenbeziehung. Frequenz und Betriebsbedingungen können den Wert beeinflussen.
Beispiel
Ein realer Strompfad mit induktiven Eigenschaften kann sich bei Wechselstrom anders verhalten als bei einer einfachen Gleichstrombetrachtung.
Wichtig zu unterscheiden
Impedanz und ohmscher Widerstand sind nicht uneingeschränkt gleichzusetzen. Ein Betrag ohne Frequenz und Kontext beschreibt nicht jede Eigenschaft.
K
Kirchhoffsche GesetzeDie Kirchhoffschen Regeln beschreiben grundlegende Zusammenhänge von Strömen an Knoten und Spannungen in Maschen eines geeigneten Schaltungsmodells.
Am Knoten ergibt die vorzeichenrichtig angesetzte Stromsumme null. In einer geschlossenen Masche ist die algebraische Spannungssumme im passenden Modell ebenfalls null. Bezugspfeile und Vorzeichen müssen konsequent verwendet werden.
Beispiel
Teilt sich ein Strom von 0,2 A in zwei gleiche Zweige, fließen im betrachteten idealen Beispiel je 0,1 A.
Wichtig zu unterscheiden
Schaltungsanalyse kann Bauteilmodelle und weitere Zusammenhänge benötigen. Ein einfaches Gleichstrommodell beschreibt nicht automatisch jedes elektromagnetische Verhalten.
KurzschlussEin Kurzschluss verbindet Punkte, die betriebsmäßig getrennt sein sollen, über eine vergleichsweise geringe Impedanz.
Der mögliche Strom wird durch Quelle, Leitungen und den gesamten Fehlerweg begrenzt. Geeignete Schutzeinrichtungen müssen zur Anlage und zum möglichen Kurzschlussstrom passen.
Beispiel
Eine beschädigte Isolation kann eine unbeabsichtigte Verbindung zwischen aktiven Leitern ermöglichen.
Wichtig zu unterscheiden
Ein Kurzschluss ist keine gewöhnliche Überlast. Auch ein Fehler zwischen zwei aktiven Leitern wird nicht durch jeden reinen RCD erkannt.
KurzschlussstromKurzschlussstrom ist der Strom bei einem betrachteten Kurzschluss. Prospektiver Kurzschlussstrom beschreibt den unter festgelegten Bedingungen zu erwartenden Wert.
Quellimpedanz, Leitungsweg und Fehlerart beeinflussen ihn. Für die Schutzbewertung sind unter anderem Abschaltverhalten und geeignetes Ausschaltvermögen wichtig.
Beispiel
An verschiedenen Punkten derselben Anlage können unterschiedliche mögliche Kurzschlussströme auftreten.
Wichtig zu unterscheiden
Ein aus einer Messung abgeleiteter Wert ist kein tatsächlich absichtlich erzeugter Kurzschluss. Das Verfahren und seine Unsicherheit gehören zur Bewertung.
L
LeistungLeistung beschreibt, wie schnell Energie übertragen oder umgewandelt wird. Die Einheit ist Watt.
Momentan gilt p(t) = u(t) · i(t). Bei Gleichgrößen kann P = U · I verwendet werden. Leistungsregelung verändert die abgegebene oder aufgenommene Leistung mit einem geeigneten Verfahren.
Beispiel
Eine Leuchte mit konstanten 100 W setzt in fünf Stunden 0,5 kWh elektrische Energie um.
Wichtig zu unterscheiden
Watt ist keine Verbrauchsmenge. Bei Wechselstrom sind Wirk-, Blind- und Scheinleistung zu unterscheiden; U · I allein ist nicht immer die Wirkleistung.
LeistungsfaktorDer Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung P zu Scheinleistung S. Er wird häufig mit λ bezeichnet.
Nur bei sinusförmigen Verläufen entspricht der Betrag des Leistungsfaktors dem Betrag von cos φ. Nichtlineare Lasten können zusätzlich Stromverzerrungen verursachen, die diese einfache Gleichsetzung unzulässig machen.
Beispiel
Eine LED-Versorgung kann eine andere Stromform aufweisen als ein idealer ohmscher Widerstand. Deshalb ist ihre technische Dokumentation maßgeblich.
Wichtig zu unterscheiden
Ein hoher Leistungsfaktor beweist keinen hohen Wirkungsgrad. Beide Angaben beschreiben unterschiedliche Eigenschaften.
O
Ohmsches GesetzDas Ohmsche Gesetz beschreibt die Proportionalität von Spannung und Strom bei einem ohmschen Widerstand unter unveränderten Bedingungen.
Die Beziehung U = R · I lässt sich nach der gesuchten Größe umstellen. Sie beschreibt das Verhalten eines geeigneten Modells und ist keine vollständige Bemessungsregel für elektrische Anlagen.
Beispiel
Zwei Widerstände von je 120 Ω in Reihe ergeben 240 Ω. An 12 V fließen in diesem idealisierten Beispiel 0,05 A.
Wichtig zu unterscheiden
Ein einzelner Quotient U/I beweist noch kein ohmsches Verhalten über einen größeren Bereich. Eine Glühlampe verändert beispielsweise ihren Widerstand beim Erwärmen.
P
ParallelschaltungBei einer Parallelschaltung sind mehrere Zweige an dieselben beiden Knoten angeschlossen. An diesen Zweigen liegt dieselbe Spannung.
Der Gesamtstrom setzt sich aus den Zweigströmen zusammen. Bei idealen Widerständen ist der Ersatzwiderstand kleiner als der kleinste einzelne Zweigwiderstand.
Beispiel
Zwei Widerstände von je 120 Ω parallel an 12 V führen je 0,1 A; die Quelle liefert zusammen 0,2 A.
Wichtig zu unterscheiden
Paralleles Verbinden beliebiger Quellen ist keine allgemeine Anwendung dieser Regel. Quellen müssen dafür ausdrücklich geeignet und richtig koordiniert sein.
PhasenverschiebungPhasenverschiebung beschreibt die relative zeitliche Lage periodischer Größen. Sie wird häufig als Winkel angegeben.
Bei gleicher Frequenz lässt sich eine Zeitverschiebung auf eine vollständige Periode beziehen. Im sinusförmigen Wechselstromkreis kann beispielsweise der Strom gegenüber der Spannung verschoben sein.
Beispiel
Ein idealer ohmscher Verbraucher hat gleichphasige sinusförmige Spannung und Strom. Ideale reaktive Elemente verhalten sich anders.
Wichtig zu unterscheiden
Die umgangssprachliche „Phase“ für einen Außenleiter meint etwas anderes. Eine Phasenverschiebung ist auch kein gemessener Nachweis einer sicheren Installation.
R
ReihenschaltungBei einer unverzweigten Reihenschaltung durchfließt derselbe Strom die hintereinander verbundenen Bauteile.
Die Einzelspannungen ergeben mit den jeweiligen Vorzeichen die Gesamtspannung. Bei idealen ohmschen Widerständen addieren sich die Widerstandswerte. Die Spannung verteilt sich entsprechend den Widerständen.
Beispiel
Zwei gleiche Widerstände an insgesamt 12 V haben im idealisierten Fall je 6 V Spannungsabfall.
Wichtig zu unterscheiden
Ein Serienschalter der Gebäudeinstallation bedeutet nicht, dass seine Leuchten elektrisch in Reihe liegen. Gerätebezeichnung und Schaltungsprinzip unterscheiden.
S
SpannungSpannung ist der Unterschied elektrischer Potentiale zwischen zwei Punkten. Ihre Einheit ist Volt, das Formelzeichen meist U.
Eine Angabe braucht immer zwei Bezugspunkte. Eine Batterie kann zwischen ihren Anschlüssen Spannung haben, obwohl kein Verbraucher angeschlossen ist und kein dauerhafter Laststrom fließt.
Beispiel
An einem idealisierten Widerstand von 120 Ω treiben 12 V Gleichspannung einen Strom von 0,1 A.
Wichtig zu unterscheiden
Spannung und Strom sind unterschiedliche Größen. Eine ausgeschaltete Last oder ein unterbrochener Stromkreis beweist keine Spannungsfreiheit.
Starkstrom und SchwachstromStarkstrom und Schwachstrom sind gebräuchliche Sammelbegriffe, deren Bedeutung vom fachlichen und rechtlichen Kontext abhängt.
Im Alltag werden Energieversorgung und Informationsübertragung häufig damit unterschieden. Diese Einteilung ist jedoch keine verlässliche universelle Spannungsgrenze und keine Aussage über die Befugnis zu Arbeiten.
Beispiel
Eine Datenleitung überträgt Informationen; bei geeigneten Systemen kann sie zusätzlich Geräte mit Energie versorgen.
Wichtig zu unterscheiden
„Schwachstrom“ bedeutet nicht automatisch berührungssicher oder brandsicher. Spannung, verfügbare Energie und tatsächliche Schutzmaßnahmen sind entscheidend.
StromElektrischer Strom beschreibt den Transport elektrischer Ladung pro Zeit. Seine Einheit ist Ampere.
Die technische Stromrichtung folgt der Bewegung positiver Ladung. In Metallen bewegen sich die Elektronen im dazu entgegengesetzten Sinn. Ladung wird im Verbraucher nicht einfach aufgebraucht.
Beispiel
In einer unverzweigten Reihenschaltung fließt durch die einzelnen Bauteile derselbe Strom, solange keine zusätzlichen Abzweige bestehen.
Wichtig zu unterscheiden
Ampere gibt keine Energiemenge an. Ob ein bestimmter Strom gefährlich ist, hängt unter anderem von Stromweg, Dauer und Einwirkbedingungen ab.
StromkreisEin Stromkreis ist eine Anordnung elektrischer Verbindungen und Bauteile. Ein geschlossener leitfähiger Weg ermöglicht einen dauerhaften Stromfluss aus einer geeigneten Quelle.
Ein einfacher Gleichstromkreis besteht aus Quelle, Hinweg, Last und Rückweg. Tatsächliche Installationen können mehrere Zweige, Schutzorgane und zusätzliche Einspeisungen haben.
Beispiel
Ein offener Schalter kann den Laststrom unterbrechen, während an seinen Kontakten weiterhin Spannung anliegt.
Wichtig zu unterscheiden
Ein Stromkreis ist nicht allein deshalb sicher, weil ein Verbraucher nicht funktioniert. Fehler und Fremdeinspeisungen müssen gesondert betrachtet werden.
U
ÜberlastEine Überlast liegt vor, wenn ein grundsätzlich intakter Stromkreis oder ein Betriebsmittel über die dafür zulässige Belastung hinaus beansprucht wird.
Zu hohe Ströme können über die Zeit unzulässige Erwärmung verursachen. Zulässige Belastung hängt unter anderem von Bauart, Umgebung und Betriebsbedingungen ab.
Beispiel
Mehrere gleichzeitig betriebene Verbraucher können eine Verlängerung überlasten, obwohl kein Kurzschluss vorhanden ist.
Wichtig zu unterscheiden
Ein Schutzgerät muss passend ausgewählt sein. Ein größerer Nennstrom beseitigt keine unzureichende Leitungsbelastbarkeit.
W
WechselstromBei Wechselstrom wechselt die Stromrichtung. Ein sinusförmiger Verlauf ist ein wichtiger, aber nicht der einzige mögliche Verlauf.
Bei sinusförmiger Spannung wird häufig ihr Effektivwert angegeben. Die Beziehung zwischen Effektivwert und Scheitelwert hängt von der Signalform ab. Für den Sinus beträgt der Faktor √2.
Beispiel
230 V als Effektivwert einer idealen Sinusspannung entsprechen rechnerisch einem Scheitelwert von ungefähr 325 V.
Wichtig zu unterscheiden
Ein Nulldurchgang ist keine Erlaubnis zum Berühren. Die Veränderung des Verlaufs ersetzt keine sichere Trennung und Spannungsprüfung.
WiderstandDer elektrische Widerstand beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom an einem Bauteil. Er wird in Ohm angegeben.
Für einen ohmschen Widerstand unter unveränderten Bedingungen gilt U = R · I. Bei anderen Bauteilen kann der Quotient U/I vom Betriebspunkt und von der Temperatur abhängen.
Beispiel
Bei 12 V und einem konstanten Widerstand von 120 Ω ergibt sich rechnerisch ein Strom von 0,1 A.
Wichtig zu unterscheiden
Ein Körper, eine LED oder ein geregeltes Netzteil ist kein beliebiger unveränderlicher Schulwiderstand. Im Wechselstromkreis können zusätzlich reaktive Effekte wichtig werden.
Wirk-, Blind- und ScheinleistungWirkleistung beschreibt im Mittel umgesetzte Energie pro Zeit. Scheinleistung ist das Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom; Blindleistung beschreibt im Sinusfall den zugehörigen Austauschanteil.
Die Größen werden in W, VA und var angegeben. Bei sinusförmigen Verläufen lässt sich ihr Zusammenhang im Leistungsdreieck darstellen. Bei verzerrten Verläufen reicht dieses einfache Bild nicht für jede Leistungszerlegung.
Beispiel
Ein induktiver Verbraucher kann für dieselbe Wirkleistung mehr Strom benötigen als ein Verbraucher mit einem Leistungsfaktor nahe eins.
Wichtig zu unterscheiden
Blindleistung ist kein Wirkungsgradverlust an sich. Reale zusätzliche Ströme können jedoch Leitungen und Betriebsmittel zusätzlich belasten.
WirkungsgradDer Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis der gewünschten abgegebenen Nutzleistung zur aufgenommenen Leistung.
Die Differenz kann beispielsweise als Wärme oder durch andere reale Verlustmechanismen auftreten. Welche Leistung als Nutzleistung betrachtet wird, muss zum Gerät und zum festgelegten Betriebspunkt passen.
Beispiel
Ein Motor kann elektrische Leistung aufnehmen und eine kleinere mechanische Leistung an seiner Welle abgeben.
Wichtig zu unterscheiden
Wirkungsgrad, Leistungsfaktor und die Energieklasse eines Produkts sind keine austauschbaren Angaben. Auch ein Wirkungsgrad verändert sich häufig mit der Last.
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