1   Die elektrische Energie

Steckdosen und Batterien sind die bekanntesten Energiequellen, aus denen wir die elektrische Energie beziehen.

Batterien sind nur Energiekonserven mit einem beschränkten Vorrat an Energie. Sie sind wahlweise als wiederaufladbare Batterien (Akkus) oder als nicht wieder aufladbare Batterien (Wegwerfbatterien) erhältlich.

Der elektrische Strom aus den Steckdosen, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, steht einfach „auf Abruf“ jederzeit bereit. Er wird überwiegend in großen Stromgeneratoren erzeugt, die vom Prinzip her ähnlich einem Fahrraddynamo konstruiert sind. Sie sind zwar viel größer und aufwendiger, aber erzeugen den elektrischen Strom auf die gleiche Weise (darauf kommen wir noch zurück).

Wir wissen, dass die elektrische Energie in zwei Grundformen zur Verfügung steht: als Wechselspannung und Wechselstrom oder alternativ als Gleichspannung und Gleichstrom.

Als internationale Abkürzung für die Wechselspannung bzw. den Wechselstrom wird „AC“ (alternativ das Symbol ~) verwendet.

Für Gleichspannung und Gleichstrom wird die Abkürzung „DC“ (alternativ das Symbol „=“) gebraucht.

1.1   Die elektrische Spannung

Wir wissen, dass jede Quelle der elektrischen Energie eine vorgegebene Spannung hat und dass jedes elektrische Gerät oder jede Glühlampe für eine – vom Hersteller bestimmte – Betriebsspannung ausgelegt ist.

Die elektrische Spannung wird in Volt (abgekürzt V), manchmal auch in Kilovolt (kV) oder in Millivolt (mV) angegeben bzw. gemessen. Mit der Umrechnung ist es ähnlich wie bei den Längenmaßen (Meter, Kilometer oder Millimeter): 1 kV = 1.000 V, 1 mV = 0,001 V.

Abhängig von der Art der vorgesehenen Stromversorgung werden elektrische Geräte in netzbetriebene und batteriebetriebene eingestuft. Manche Geräte sind für beide Arten der Stromversorgung vorgesehen. Zudem verfügen viele batteriebetriebene Geräte über ein zusätzliches „Netzteil“, über das sie wahlweise an eine 230-Volt-Steckdose angeschlossen werden können.

Die 230-Volt-Spannung beziehen wir in der Bundesrepublik als Hausnetz-Normspannung (Licht- und Steckdosenspannung) aus dem öffentlichen elektrischen Netz. Für diese Spannung sind fast alle Haushaltsnetzgeräte und die meisten elektrischen Vorrichtungen ausgelegt. Das ist uns aber bekannt, denn wenn wir eine „normale“ Glühlampe oder Leuchtstofflampe kaufen wollen, müssen wir darauf achten, dass sie auch tatsächlich für „230 V“ vorgesehen ist.

Dass eine PKW-Glühlampe für eine 12-Volt-Versorgungsspannung ausgelegt ist, wissen die meisten von uns. Die gleiche Spannung hat ja auch die Autobatterie. Eine Fahrrad-Glühlampe ist wiederum für eine Spannung von bescheidenen 6 Volt konzipiert, denn der Fahrraddynamo – oder alternativ der Fahrradakku – liefert mehr oder weniger nur diese Spannung. Der Dynamo erzeugt jedoch die volle 6-Volt-Spannung nur, wenn kräftiger in die Pedale getreten wird, denn die von ihm gelieferte Spannung hängt von der Drehzahl seines Rotors ab.

Mit einer Betriebsspannung von bescheidenen 1,5 Volt geben sich vor allem die meisten Funk- und Quarzuhren zufrieden. Armbanduhren beziehen diese 1,5 V aus kleinen Knopfzellen, Haushaltsuhren aus kleinen (Mikro- oder Mignon-) Batterien. Einige Kleingeräte oder Spielzeuge geben sich sogar mit einer Betriebsspannung von 1,2 Volt zufrieden. Das kommt mit der typischen Nennspannung eines NiCD- oder NiMH-Akkus überein.

1.2   Der elektrische Strom

Der elektrische Strom wird oft mit dem Wasserstrom verglichen: Aus einem dünnen Gartenschlauch fließt ein schwacher, aus einem Feuerwehrschlauch kann bei Bedarf ein wesentlich kräftigerer Wasserstrom fließen. Das gleiche gilt auch für den elektrischen Strom: Je kräftiger der Strom ist, der durch einen Leiter fließt, desto größer muss der Durchmesser des Leiters sein.

Und je stärker ein Strom ist, desto mehr kann er leisten. Das gilt sowohl für den Wasserstrom als auch für den elektrischen Strom.

Der elektrische Strom ist jedoch nicht sichtbar. Man kann daher eine Stromleitung in dieser Hinsicht mit einer Druckluftleitung vergleichen, in der die strömende Luft ebenfalls nicht sichtbar ist, aber dennoch erfahrungsgemäß z. B. pneumatische Handwerkzeuge antreiben kann.

Die Stromstärke wird in Ampere (A) oder in Milliampere (mA) angegeben oder gemessen. Auch hier ist es mit der Umrechnung von Milliampere in Ampere ähnlich wie bei der Umrechnung von Millimetern in Meter (1 mA = 0,001 A).

Der elektrische Strom fließt – in der Form von Elektronen – durch kompakte Leiter, die überwiegend als Drähte oder Kabel in diversen Durchmessern erhältlich sind. Genau genommen fließt der elektrische Strom durch alle Metalle (oder auch durch andere elektrisch leitende Materialien), ohne Rücksicht auf ihre Form.

Je kräftiger der Strom (in Ampere) ist, der durch einen Leiter fließt, desto größer muss der Durchmesser des Leiters sein.

Aus einer Regentonne fließt das Wasser heraus, sobald der Wasserhahn aufgedreht wird. Das ist der Schwerkraft zu verdanken.

Der elektrische Strom kann nicht aus eigener Kraft aus der Steckdose oder aus der Batterie herausfließen. Da jede elektrische Spannungsquelle aus zwei Polen besteht, kann der Strom immer erst dann von einem Pol (Pluspol) zum anderen Pol (Minuspol) fließen, wenn eine elektrisch leitende Verbindung erstellt wird.

In einer intakten (aufgeladenen) Batterie herrscht am Minuspol ein Überschuss an Elektronen und am Pluspol ein Mangel an Elektronen. Wird an die zwei Pole z. B. ein Glühlämpchen angeschlossen, fließen durch ihren Glühfaden die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol – allerdings nur so lange, bis sich ein Gleichgewicht einstellt (= bis die Batterie leer ist).

Der hochohmige Glühfaden des Glühlämpchens wirkt sich auf die strömenden Elektronen als eine Bremse aus. Würde man bei diesem Beispiel das Glühlämpchen weglassen und die Pole einer Batterie nur mit einem Kupferdraht verbinden, hätte das einen Kurzschluss zur Folge. Ein sehr dünner Kupferdraht würde dabei schmelzen (wie eine Sicherung „durchbrennen“), ein dicker Kupferdraht würde einen explosionsartigen Ausgleich der Polpotenziale verursachen und dabei die Batterie vernichten.

Als Abhilfe gegen ein solches Risiko dienen Sicherungen, die z. B. auch bei einem Pkw zwischen der Autobatterie und den Zuleitungen zu allen Lampen und anderen „elektrischen Verbrauchern“ eingegliedert sind. Auch ein jedes Hausnetz verfügt über Sicherungen oder Sicherungsautomaten, die bei einem Kurzschluss die geschützte Leitung vom Netz abschalten.

Sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom gilt:

Die Strom-Maßeinheit heißt Ampere (abgekürzt A). In der gängigen Praxis wird der Strom manchmal nur in Milliampere (mA) oder Mikroampere (µA) angegeben. Auch hier ist es mit der Umrechnung ähnlich wie bei den metrischen Maßeinheiten: 1 A = 1.000 mA oder 1.000.000 µA.

Der Unterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom ist vom Prinzip her leicht zu erklären:

Wird eine Glühlampe an eine Batterie angeschlossen, fließt durch sie ununterbrochen ein konstanter Strom (Gleichstrom) nur in einer Richtung.

Eine improvisierte Wechselstromquelle könnten wir – wie abgebildet – z. B. mithilfe einer Batterie-Stromversorgung erstellen, bei der die Polarität der Stromzufuhr zu der Glühlampe durch ständiges Umpolen der Batterieanschlüsse gewechselt wird.

Auf die hier bildlich dargestellte Art wäre die Frequenz der Wechselspannung natürlich nur sehr niedrig. Man könnte jedoch einen solchen Polaritätswechsel z. B. mithilfe eines kleinen elektromagnetischen Umschalters beschleunigen, der wie ein Blinker hin und her wippt und das ständige Umdrehen der Batterie ersetzt. Auf den „tieferen Sinn“ einer solchen Lösung, sowie auch auf die tatsächliche Wechselstromerzeugung, kommen wir in Kap. 4 zurück.

1.3   Die elektrische...