Elektrizitätslehre & Magnetismus

Elektrizität
und
Magnetismus
Impulse S. 199-266
"Setz dich hin vor die Tatsachen wie ein kleines Kind, und sei bereit, alle vorgefassten
Meinungen aufzugeben, folge demütig der Natur, wohin und zu welchen Abgründen sie
dich auch führen mag, denn sonst erfährst du nichts." T.H. Huxley
Viele wichtige Erkenntnisse über Elektrizität und Magnetismus verdanken wir der Barockzeit,
als elektrische Experimente ein beliebtes Vergnügen bei Hofe waren und so manches
glanzvolle Fest durch geheimnisvolle Experimente belebten. Mit der Entdeckung der ersten
elektrischen Batterie (Alessandro Volta, 1801) wurden viele Experimente
möglich, so dass das 19. Jahrhundert die Zeit der Entdeckungen
auf diesen zwei Gebieten wurde. Die Forschung auf diesen Gebieten
hatte weitreichende Folgen auf unser Verständnis der Natur. Fragen wie
„Was ist Licht?“ oder „Woraus besteht Materie?“ konnten beantwortet
werden.
Die meisten technischen Entwicklungen, die unseren Alltag stark bestimmen, wären ohne
Verständnis von Elektrizität und Magnetismus nicht möglich (gewesen).
1. Elektrische Ladung und Kräfte
Impulse S. 205-207, 232
In jedem Körper gleicht in der Regel die positive Ladung der Atomkerne die negative Ladung
der Elektronenhülle aus. Der Körper ist _______________________.
Mit dieser Vorstellung lassen sich alle elektrischen Experimente erklären, wenn man annimmt,
dass Ladungen zwar von einem Körper auf den anderen übergehen können, aber
weder entstehen noch verschwinden können (d.h. in einem abgeschlossenen System ist
die elektrische Ladung konstant).
Elektrizitätslehre und Magnetismus 1

1.1. Reibungselektrizität
Beim Aneinanderreiben verschiedener Materialien wird durch die verschiedenen Elektronegativitäten
der Materialien ein Ladungsaustausch erzeugt, Elektronen werden übertragen
(siehe Atomphysik-Skript: „Katzenfellversuch“). Der eine Körper hat nun einen Elektronenüberschuss,
der andere einen Elektronenmangel.
Alltagsbeispiele: Beim Kämmen oder Pullover ausziehen (vor allem im Winter), statische
Aufladung einer Klarsichtfolie,...
Beim Anfassen eines leitenden Gegenstandes können sich die Ladungen wieder neutralisieren
- ungleichnamige Ladungen ziehen sich ja an -, sie springen vom einen auf den
anderen Körper über („äs putzt eim eis“).
1.2. Coulombsches Gesetz
Zwischen zwei punktförmigen Körpern mit Ladungen Q 1 und Q 2 im Abstand r wirkt die
Coulombkraft (siehe Atomphysik-Skript). Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C).
1 Q1 ⋅Q2
FC = ⋅
2
4 ⋅
π ⋅
ε
r
Aufgaben:
1) a) Wie ändert sich die Masse eines Metalles, wenn es positiv elektrisch geladen wird?
b) Welche Massenänderung resultiert, wenn die Ladung 1 C beträgt?
2) Drei Ladungen sind gemäss nebenstehender
Skizze angeordnet. Die Ladungen betragen
Q 1 = 1 C, Q 2 = 2 C, Q = 3 C.
a) Berechnen Sie die beiden Kräfte F 1 und F 2 ,
die die Ladungen Q 1 resp. Q 2 auf Q ausüben.
b) Berechnen Sie die resultierende Kraft auf Q.
0
Q
2
2m
Q
1m
Q
1
Lösungen von S. 2:
1) a) Masse nimmt ab (e - weg) b) Anzahl Elektronen N = Q/e → m = N⋅m e =5.7⋅10 -12 kg
2) F 1 = 2.7⋅10 10 N, F 2 = 1.35⋅10 10 N (=1/2⋅F 1 ) → F res = 3⋅10 10 N (mit Pythagoras)
1.3. Das Elektroskop
Impulse S. 206
Ein einfaches Anzeigegerät für elektrische Ladungen ist
das Elektroskop. Es beruht auf der Abstossung gleichnamiger
Ladungen: Eine isoliert durch das Gehäuse geführte
Stange besitzt einen Zeiger. Wird elektrische Ladung
aufgebracht, so sind Stange und Zeiger gleichnamig geladen.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 2

Exp.: aufgeladene Person
Exp.: Faradaybecher
1.4. Influenz - Polarisation
„Grossräumige“ Ladungsverschiebungen in Metallen durch den Einfluss von äusseren Ladungen
nennt man Influenz, „kleinräumige“ Verschiebungen in Isolatoren bezeichnet man
als Polarisation.
Exp.: Influenz bei Leitern (Metallen), Bsp: Elektroskop
Exp.: Polarisation bei Isolatoren, Bsp: Papier, (reines) Wasser
Elektrizitätslehre und Magnetismus 3

1.5. Das elektrische Feld
Impulse S. 230ff
„Wissen ist Macht ! Wir wissen nichts, macht nichts !“
Im Jahre 1687 hatte Isaac Newton die Planetenbewegung mit Hilfe des Gravitationsgesetzes
erklärt. Danach ziehen sich zwei Massen stets mit einer Kraft an, die dem Quadrat
ihrer Entfernung umgekehrt proportional ist. Seinen Zeitgenossen schien diese Tatsache
interessant, aber unverständlich. Wie konnten zwei Massen über eine sehr grosse
Entfernung eine Kraft aufeinander ausüben, ohne einander zu berühren?
Eine derartige Fernwirkung schien allen Erfahrungen des Alltags zu widersprechen. Etwa
100 Jahre später zeigte Coulomb, dass sich auch elektrische Ladungen durch eine ähnlich
fernwirkende Kraft gegenseitig beeinflussen.
Michael Faraday gelang es schliesslich um die Mitte des 19. Jahrhunderts, die Fernwirkung
durch eine physikalisch befriedigendere Idee zu ersetzen: Die Wirkung eines
FELDES
Exp.: Griesskörner in Öl in der Nähe eines geladenen Körpers
Resultat: Eine elektrische Ladung verändert den sie umgebenden Raum. Diese Veränderung
des Raumes nennen wir das elektrische Feld. Das elektrische Feld ist die Ursache
der auftretenden Coulombkraft. Das elektrische Feld hat in jedem Raumpunkt einen bestimmten
Betrag und eine bestimmte Richtung. Die Feldlinien zeigen in die Richtung der
ausgeübten Kraft. Die Dichte der Feldlinien zeigt die Feldstärke (Grösse der Kraft) an
Exp.: Feldlinienbilder einiger Ladungsverteilungen
1 2 3
4 5 6
Elektrizitätslehre und Magnetismus 4

1.5.1. Die elektrische Feldstärke E
Die elektrische Feldstärke E r ist der Quotient aus der Kraft F, r die ein geladenes Teilchen
am betrachteten Ort erfährt und seiner positiven Ladung q.
r
r
E
F [ E]
1 N r r
= =
q
C
oder F = q⋅E
Aufgaben:
1) Die Ladung q 1 = 1.0 nC erfährt im elektrischen Feld E 1 die Kraft F 1 = 0.1 mN, die Ladung
q 2 = 3.0 nC im Feld E 2 die Kraft F 2 = 0.2 mN. Berechnen Sie beide Felder.
2) Zeichnen Sie die E - Felder folgender Anordnungen:
a)
b)
+
-
+ -
+
+
Metall
-
+
-
+
-
Exp.: Elektronen im elektrischen Feld (Fernsehröhre)
(Impulse S. 238)
Exp.: Faraday-Käfig (mit Radio)
Exp.: elektrische Rauchgasreinigung
2. Die elektrische Stromstärke I
Impulse S. 208
Eine Pipeline liefert einen Ölstrom der Stärke 2 Tonnen Öl je Sekunde. Dabei ist es
gleichgültig, ob das Öl aus einer engen Öffnung schnell oder aus einer weiten langsam
fliesst. Entsprechend gibt man die Stärke I (Intensität) des elektrischen Stromes durch die
in 1 s durch einen Leiterquerschnitt fliessende Ladung Q (Quantität) an.
I =
Q
t
[ ]
I = C s = Ampère = A
Lösungen von S. 5:
1) E 1 =F 1 /q 1 = 10 5 N/C, E 2 = F 2 /q 2 = 0.67⋅10 5 N/C
Elektrizitätslehre und Magnetismus 5

Einige Stromstärken aus dem Alltag:
- elektr. Armbanduhr: 0.001 mA - Glühlampe: 0.07 bis 0.7 A
- Bügeleisen: 2 bis 5 A - E - Lok: 1000 A
- Blitz: 100'000 A - Grenzstromstärke: 50 mA
Aufgabe:
1) Durch einen dicken Metalldraht mit Querschnitt 10 mm 2 fliessen in 5 s 3 C an Ladung.
Durch einen dünneren Draht mit 5 mm 2 Querschnittsfläche fliessen in 7 s 4.5 C. Wie
gross sind die jeweiligen Stromstärken?
3. Die elektrische Spannung U
Impulse S. 209
Man sagt zwischen den Polen von Steckdosen herrsche Spannung. Dies zeigt sich an einem
Bandgenerator, wenn Ladung überspringt und in einem Blitz Energie freisetzt. Diese
Energie steht offensichtlich zusammen mit der Ladung auf Abruf bereit - wie in einer gespannten
Feder, die ebenfalls Energie speichert. Wie man eine Feder spannt wissen Sie;
wie erzeugt man aber einen elektrischen Spannungszustand?
Exp.: Elektroskop und Kondensator
Besteht zwischen Körpern Spannung, so
steht elektrische Energie auf Abruf bereit.
Spannung entsteht, wenn man entgegengesetzte
Ladungen unter Arbeitsaufwand
trennt. Die Energie wird frei wenn, Strom
fliesst.
W = q U
Definition: U = W q = E ⋅ d U = J C = V (Volt) oder ⋅
Die Spannung 1 V bedeutet dann, dass beim Transport der Ladung 1 C vom elektrischen
feld die Arbeit 1 J verrichtet wird.
Lösungen von S. 6:
1) I = Q/t → I 1 = 0.6 A, I 2 = 0.64 A
Elektrizitätslehre und Magnetismus 6

4. Der elektrische Stromkreis
Impulse S. 202
Elektrische Stromkreise sind immer geschlossen !
„Quelle“:
„Verbraucher“:
„Transportsystem“:
wandelt nicht-elektrische Energie in elektrische Energie um
Bsp: Batterie, Kraftwerk, Solarzellen
wandelt elektrische Energie in nicht-elektrische Energie um
Bsp: Kochplatte, Glühbirne, Elektromotor
so zu wählen, dass möglichst geringe Verluste auftreten
Symbole:
a) b)
c) d)
e) f)
Einfacher Stromkreis:
Der Stromkreislauf lässt sich mit einem
Wasserkreislauf vergleichen. Der Pumpe,
die Druck erzeugt, entspricht die Batterie,
die Spannung („elektr. Druck“) erzeugt.
Analog verhalten sich die Verbraucher:
Dem Wasserrad entspricht die Glühbirne.
Etwas komplizierter:
Das Messgerät der Stromstärke (Ampèremeter)
wird in den Stromkreis eingefügt,
es misst den Stromdurchfluss.
Das Messgerät der Spannung (Voltmeter)
wird ausserhalb (parallel) des Stromkreises
angebracht, es misst die „elektrische
Druckdifferenz“ (=Spannung).
Elektrizitätslehre und Magnetismus 7

4.1. Serieschaltung / Parallelschaltung von Spannungsquellen
Exp.: Serie- und Parallelschaltung von Batterien mit Lampe als Verbraucher
4.1.1. Serieschaltung
Schaltet man mehrere Spannungsquellen hintereinander, dann entspricht das im mechanischen
Fall, dass mehrere Pumpen hintereinandergeschaltet werden.
Im mechanischen Fall kann eine grössere Höhe überwunden werden (grösserer Druck).
Im elektrischen Fall entsteht eine grössere Spannung (Addition der Einzelspannungen).
Die Lampe brennt heller, weil ein grösserer Strom fliesst.
4.1.2. Parallelschaltung
Schaltet man mehrere Spannungsquellen nebeneinander, dann entspricht das im mechanischen
Fall, dass mehrere Pumpen nebeneinandergeschaltet werden.
Im mechanischen Fall kann nicht eine grössere Höhe überwunden werden. Jede Pumpe
muss aber weniger Arbeit verrichten, damit gleichviel Wasser durchs Wasserrad fliesst. Im
elektrischen Fall bleibt die Spannung gleich, die einzelnen Batterien werden weniger beansprucht.
Es fliesst gleichviel Strom durch die Lampe wie bei einer Batterie.
4.2. Das Ohm'sche Gesetz
Impulse S. 214ff
Wie hängen eigentlich Spannung und Stromstärke voneinander ab?
Um die Stromstärke in einer Wasserleitung zu steigern, kann man, statt den Rohrquerschnitt
zu vergrössern, auch den Druckunterschied zwischen den Rohrenden erhöhen.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 8

Wenn der Wasserdruck in der Leitung zunimmt, so fliesst bekanntlich ein stärkerer Wasserstrahl
aus dem geöffneten Hahn. Gilt diese Abhängigkeit auch im elektrischen Fall?
Exp.: Abhängigkeit von Strom und Spannung
Strom- und Spannungsmessungen über einem Verbraucher
Resultat:
Definition des Widerstandes R:
Spannung U = Widerstand R ⋅ Stromstärke I
U = R ⋅ I R = V A = 1 Ohm = 1 Ω
Aufgabe:
1) Eine Glühlampe werde an 220 V angeschlossen. Es fliesst ein Strom von 0.4 A. Welchen
Widerstand hat die Glühlampe?
4.3. Der elektrische Widerstand R
Impulse S. 214-219
Wir untersuchen, von welchen Parametern der elektrische Widerstand abhängen könnte:
Drahtlänge l ?
Drahtdurchmesser ∅ ?
Resultat:
Elektrizitätslehre und Magnetismus 9

Daraus ergibt sich für den Widerstand:
R
= ρ ⋅
l
A
mit ρ: spezifischer Widerstand
Lösung von S. 9:
1) R = 550 Ω
Aufgaben:
1) Ein Widerstand von 30 Ω soll aus Konstantandraht mit dem Querschnitt 1.5 mm 2 hergestellt
werden. Wie viele Meter Draht sind notwendig?
2) Ein Eisendraht von 8 m Länge hat einen Widerstand von 20 Ω. Welchen Durchmesser
hat er?
Exp.: Wärmewirkung des elektrischen Stromes - Glühbirne, Sicherung
„Wienerli“ einmal anders zubereitet...
Exp.: Gültigkeit des Ohm'schen Gesetzes (R konst. → I ∼ U) → Draht heizen
Impulse S. 216: Heiss- und Kaltleiter
Aufgabe: Warum brennt eine Glühlampe meistens beim Einschalten durch?
4.4. Die Arbeit und Leistung des elektrischen Stromes
Impulse S. 212
Welche Arbeit wird vom elektrischen
Strom eigentlich verrichtet?
Meistens fällt die freigesetzte Energie in Form von Wärme an (Kochplatte, Tauchsieder,
Glühlampe,...).
Aus der Definition der Spannung wissen wir:
W = U⋅
Q = U⋅ I⋅
t
Daraus lässt sich leicht die Leistung des elektrischen Stromes ableiten:
P = W t
U⋅ I⋅
t
= = U⋅
I
t
Lösungen von S. 10:
1) R = ρ⋅l /A → l = 91.8 m (ρ aus Fundamentum, A in m 2 umrechnen)
2) R = ρ⋅l /A und A = r 2 ⋅π → r → ∅ = 2⋅r = 0.23 mm
"Es gibt nur eine Gewissheit, nämlich dass wir keine Gewissheit
haben können, und deshalb gibt es auch die Gewissheit nicht,
dass wir keine Gewissheit haben können." Samuel Butler
Elektrizitätslehre und Magnetismus 10

Aufgaben:
1) Durch einen 50 Ω-Widerstand fliessen 1.8 A. Berechnen Sie die umgesetzte Leistung.
2) Darf man einen 30 Ω-Widerstand an 220 V anschliessen, wenn er für eine Höchstbelastung
von 650 W hergestellt wurde?
3) Wie funktioniert eine Sicherung? Wofür setzt man Sicherungen ein?
4) Auf jedem elektrischen Gerät sind die Betriebsspannung und die Leistungsaufnahme
angegeben. Auf einer Glühlampe steht 220 V, 60 W.
a) Berechnen Sie die Stromstärke und den Widerstand der Glühlampe.
b) Welche Energie wird „verbraucht“, wenn wir die Lampe 8 h brennen lassen ? Wie
viel kostet der Bezug dieser Energie, wenn 1 kWh 20 Rp. kostet?
c) Der tägliche Energiebedarf eines „Durchschnittsmenschen“ beträgt ca. 10'000 kJ.
Wie viel kostet dieser Energiebedarf in Form elektr. Energie?
5) Es wird eine feste Betriebsspannung U (Bsp: 230 V) gewählt. Wie muss der Widerstand
einer Kochplatte gewählt werden, damit deren Leistung möglichst hoch wird?
„Die Fähigkeit, uns zu wundern, ist das einzige, das wir brauchen,
um gute Philosophen zu werden.“ aus Sofies Welt
4.5. Die Kirchhoff'schen Gesetze
Impulse S. 220
R 2
1
I 2
I 3
U 0
R 3
Lösungen von S. 11:
1) Aus U = R⋅I und P = U⋅I → P = 162 W (oder P = R⋅I 2 = U 2 /R)
2) Nein; P = 1.6 kW (wie 1))
4) a) P = U⋅I → I = 0.27 A, U = R⋅I → R = 807 Ω
b) W = 1'728'000 J = 480 Wh = 0.48 kWh, Kosten ≈ 10 Rp.
c) 1kWh = 3.6⋅10 6 J → 2.8 kWh kosten 56 Rp.
5) R möglichst klein, damit Stromstärke möglichst gross
Elektrizitätslehre und Magnetismus 11

4.5.1. Aus 2. Kirchhoff'schem Gesetz folgt…
für Serieschaltung von Widerständen (Verbrauchern):
R 1 R 2
Geg: U 0 , R 1 , R 2 , R 3
U 0
I
R 3
Welcher Ersatzwiderstand R würde zum selben Strom I führen ?
Es gilt:
U 0
R
I
Der Ersatzwiderstand R einer Serieschaltung von Widerständen R i berechnet
sich nach R = ∑ R i
(Summe aller Widerstände).
i
4.5.2. Aus 1. Kirchhoff'schem Gesetz folgt…
für Parallelschaltung von Widerständen (Verbrauchern):
U 0
I
Geg: U 0 , R 1 , R 2 , R 3
R 1 R 2 R 3
Welcher Ersatzwiderstand R würde zum selben Strom I führen ?
Es gilt:
U 0
R
I
Der Ersatzwiderstand R einer Parallelschaltung von Widerständen R i berechnet
sich nach 1 R = 1
∑ .
i R i
Aufgaben:
1) Ein Widerstand von 50 Ω und einer von 40 Ω werden parallel geschaltet. Wie gross ist
der resultierende Widerstand R res ?
Elektrizitätslehre und Magnetismus 12

2) Berechnen Sie den Gesamtwiderstand in der folgenden Schaltung:
U 0
6 Ω 4 Ω
5 Ω
8 Ω
3) Gegeben sind die drei Widerstände R 1 = 10 Ω, R 2 = 20 Ω und R 3 = 30 Ω. In einem
Stromkreis müssen alle drei Widerstände eingesetzt werden. Welche maximale und
welche minimale Gesamt-Stromstärke kann dabei auftreten, wenn die Spannungsquelle
des Stromkreises eine feste Spannung von 40 V besitzt?
4) Eine elektrische Kochplatte enthält zwei Heizdrähte (Widerstände), die mit dem Umschalter
einzeln, parallel oder in Serie geschaltet werden können. Beide Heizdrähte haben
denselben Widerstand. Welche Schaltung ergibt die kleinste, welche die mittlere
und welche die grösste Leistung der Kochplatte?
5) Wie sind im Haushalt die verschiedenen Geräte (Lampen, Fernseher,...) geschaltet?
Weshalb? Was kann passieren, wenn viele Geräte gleichzeitig eingeschaltet sind?
6) Betrachten Sie folgenden Stromkreis:
a) Wie gross wird die Stromstärke I?
b) Wie gross ist die Stromstärke durch den 10 Ω-
Widerstand?
c) Welche Spannung fällt über dem 4 Ω Widerstand
ab?
12 V
4 Ω 20 Ω 20 Ω
4 Ω
10 Ω
I
Lösungen von S. 12/13:
1) R res = 200/9 Ω = 22.2 Ω
2) R res = 11.3 Ω
3) I min = 0.67 A bei R max = 60 Ω (in Serie), I max = 7.33 A bei R min = 5.45 Ω (parallel)
4) Grösste: P max = 2⋅U 0 ⋅I 0 (parallel), Mittel: P mittel = U 0 ⋅I 0 (einzeln), Kleinste: P min = (U 0 ⋅I 0 )/2
(in Serie)
6) a) R tot = 10 Ω → I = 1.2 A
b) 4 Teile von I durch R 10 , 1 Teil von I durch R 40 → I 10 = 0.96 A
c) je I/2 durch 4 Ω → U = R 4 ⋅I/2 = 2.4 V
Elektrizitätslehre und Magnetismus 13

5. Magnetismus
Impulse S. 241ff
„Ich möchte nichts als meine Ruhe haben und wissen,
wie Gott diese Welt erschaffen hat.“ A. Einstein
Wir alle haben gewiss schon Bekanntschaft gemacht mit jenen Eisenstücken, die die
merkwürdige Eigenschaft haben, andere Eisenteile an sich zu ziehen. Man nennt sie
Magnete und die damit im Zusammenhang stehenden Erscheinungen Magnetismus. Bereits
im Altertum (ca. 200 v. Chr.) kannte man die magnetische Kraftwirkung von Magnetit
(Eisenverbindung).
Exp.: Magnet und andere Materialien - Welche Stoffe werden angezogen?
Exp.: Nadel magnetisieren und entmagnetisieren
Fähigkeit des Magneten, Eisen an sich zu ziehen, wirkt „ansteckend“. Man spricht deshalb
von magnetischer Influenz. Die beeinflussten Nägel werden selbst zu Magneten.
Verschiedene Versuche zeigen, dass der Magnet nicht an allen Stellen gleichmässig stark
auf Eisen wirkt. Seine Anziehungskraft ist zu den Enden hin am stärksten, in der Mitte dagegen
fast unmerklich.
Die Stellen stärkster Kraftwirkung nennt man die Pole des Magneten.
Exp.: Kräfte zwischen zwei Magneten
Resultat:
Wir benennen die beiden Pole eines Magneten mit Nord- und Südpol.
Wie wird jetzt eine Kraft von einem Magneten auf einen anderen ausgeübt ? Analog wie
bei der Kraft zwischen Ladungen, gebrauchen wir auch hier wieder den Begriff des Feldes
(analog wie das elektrische Feld):
Elektrizitätslehre und Magnetismus 14

In der Nähe eines starken Magneten nimmt ein kleiner Probemagnet eine ganz bestimmte
Richtung ein. Jedem Raumpunkt um den Magneten kann man also die Richtung des Probemagneten
zuordnen. Diese Richtung wird als Richtung des magnetischen Feldes bezeichnet.
Feldlinienbilder verschiedener Permanent-Magnete:
1 2 3
4 5
Regeln: 1) Magnetische Feldlinien sind immer geschlossene Linien (kein Anfang/Ende).
Sie überschneiden sich nicht.
2) Die Feldlinien verlaufen Aussen von Nordpol zum Südpol des Magneten, und
Innen gehen sie vom Südpol zum Nordpol zurück.
3) Die magn. Feldlinien überlagern sich vektoriell.
5.1. Magnetfeld und Strom
Impulse S. 246
"Es ist der Instinkt des Verstandes, der Vernunft
zu widersprechen." Jacobi
Wozu beschäftigen wir uns aber mit dem Phänomen des Magnetismus, wo wir doch elektrische
Phänomene betrachtet haben? Haben beide Gebiete eventuell etwas miteinander
zu tun?
Im Jahre 1820 entdeckte der dänische Physiker Christian Oersted folgenden Sachverhalt:
Exp.: Strom und Magnete
Resultat: Ströme üben __________ auf Magnete aus !
Erzeugt also ein Strom auch ein Magnetfeld?
Elektrizitätslehre und Magnetismus 15

Magn. Feldlinien von stromdurchflossenen Leitern:
1 2
3 4
Rechte-Faust-Regel: Daumen in Richtung technischer Stromrichtung (entgegengesetzt
zur Bewegungsrichtung der Elektronen (= physikalische Stromrichtung)):
Die restlichen Finger zeigen die Richtung des Magnetfeldes B an (oder
Linke-Faust-Regel: Daumen in Richtung Elektronenfluss !!).
5.2. Elementarmagnete resp. Kreisströme
Die Erfahrung zeigt, dass man die Pole eines Magneten nicht voneinander trennen kann:
Exp.: Teilung eines Magneten
Durch die Teilung des Magneten haben wir nicht die Pole getrennt,
sondern zwei neue, halb so grosse Magnete erhalten!
Was passiert, wenn wir diese Halbierung kontinuierlich fortsetzen? Es zeigt sich, dass
man irgendwann bei kleinsten Magnetchen, Elementarmagnete genannt, ankommt.
im Magneten
im unmagnetischen Eisen
Damit können wir auch die Effekte „(Ent-)Magnetisieren“ und „magn. Influenz“ verstehen.
Doch die Frage bleibt: Woraus bestehen diese Elementarmagnete?
→ winzige atomare Kreisströme (wie bei einer Leiterschlaufe); das erklärt auch, dass
Nord- und Südpol nicht trennbar sind und die Feldlinien geschlossen sind
Elektrizitätslehre und Magnetismus 16

5.3. Die Stärke und Einheit des magnetischen Feldes B
Das Magnetfeld um einen langen und geraden stromdurchflossenen Leiter hängt vom Abstand
r zum Leiter ab. Es gilt:
r
I
B
Magnetfeld B:
µ
0
⋅ I
B = mit µ 0 : magnetische Feldkonstante
2⋅
π ⋅r
µ 0 = 4π⋅10 -7 Vs/Am
Die Einheit des Magnetfeldes wird dadurch:
B 1 Tesla =1 T
[ ] =
Vergleich: Das Erdmagnetfeld beträgt bei uns 0.5
Gauss (1 Gauss = 10 -4 Tesla)
Aufgaben:
1) Durch einen Draht fliesst ein Strom von 0.5 A zu einer Tischlampe. Berechnen Sie das
magnetische Feld in einem Abstand von 30 cm. Stellt man dieses Magnetfeld fest?
2) In einer Hochspannungsleitung fliesst ein Strom von 2500 A. Die Leitung hängt 30 m
über dem Boden. a) Wie gross ist die magn. Feldstärke am Boden? b) Wie gross ist
dieser Wert prozentual zum natürlichen Erdmagnetfeld?
3) Ein Kompass stellt sich parallel zum magnetischen Feld der Erde (wie die Eisenfeilspäne).
Skizzieren Sie das Erdmagnetfeld.
Wie muss demnach in der Erde ein Strom fliessen, damit dieses Feld entsteht?
4) Wir betrachten einen Elektromagneten:
Eisenkern
I
Durch eine Spule wird ein Strom hindurchgeschickt. Sie
kann als Magnet (beispielsweise um auf einem Schrottplatz
die Eisenteile von anderen Teilen zu trennen) benutzt werden.
Wieso nimmt man nicht einen Permanentmagneten?
Was bewirkt der eingeführte Eisenkern?
Exp.: Prinzip Drehspulinstrument
(analoges Volt- oder Ampèremeter)
Kommentar:
Lösungen von S. 17:
1) B = 3.3⋅10 -7 T
2) a) B = 1.7⋅10 -5 T b) 34 %
Elektrizitätslehre und Magnetismus 17

3) Kompassnadel-Nord zeigt nach geografisch Nord → geogr. Nordpol = magn. Südpol!
Strom im Erdinnern fliesst von Ost nach West → Erdmagnetfeld entspringt am Südpol
und zeigt in Erde am Nordpol
"Je mehr man weiss, desto weniger meint man zu wissen."
5.4. Ströme im Magnetfeld
Impulse S. 247-248
Ströme üben Kräfte auf Magneten (durch Erzeugung eines Magnetfeldes) aus; wirken sich
Magnetfelder umgekehrt auch auf Ströme aus? Oersted vermutete dies auf Grund des
Wechselwirkungsgesetzes:
Exp.: Leiterschaukel im Magnetfeld
Durch diesen Effekt wird die Grösse des Magnetfeldes festgelegt. Es zeigt sich, dass die
Kraft infolge des Magnetfeldes proportional zum Strom und zur Leiterlänge (der Schaukel)
ist. Es gilt:
l α: Winkel zwischen l r
und B
r
F =I⋅ ⋅B ⋅ sin α (Betrag)
Rechte-Hand-Regel:
Die Richtung der resultierenden Kraft ist dabei durch die
Rechte-Hand-Regel festgelegt (Daumen in Richtung der
positiven Ladungsträger !). Die Kraft steht dabei immer
senkrecht auf der Ebene, die durch die Stromrichtung
und das Magnetfeld festgelegt wird.
(oder Linke-Hand-Regel: Daumen in Richtung Elektronenfluss)
Elektrische Felder wirken auf (ruhende und bewegte) Ladungen.
Magnetfelder wirken nur auf Ströme (bewegte Ladungen) !
5.4.1. Die Lorentzkraft
Um die Kraft zu berechnen, die auf eine einzige Ladung im Leiterstück wirkt, müssen wir
mit der obenstehenden Formel einige Umformungen ausführen.
Damit wird die Kraft auf eine Ladung, die sogenannte Lorentzkraft F L :
F = q⋅ v ⋅B ⋅ sin α (Betrag)
L
"Alle modernen Experimente neigen dazu, ältere
Theorien zu Fall zu bringen." Jules Verne
α: Winkel zwischen v r und B
r
Elektrizitätslehre und Magnetismus 18

Die Lorentzkraft steht stets senkrecht zur Geschwindigkeit r v , sie ändert nur die Richtung
von r v , nicht aber deren Betrag !
Aufgaben:
1) Zeichnen Sie in folgende Bilder ein, wie jeweils die Ladung abgelenkt wird:
B
B
e -
B
p+
e -
2) Durch einen 10 cm langen Draht fliesst ein Strom von 3.5 A. Welche Kraft wirkt auf den
Draht, wenn dieser sich einfach im Erdmagnetfeld (B = 0.5⋅10 -4 T) befindet und...
a) der Strom von West nach Ost fliesst? Richtung?
b) der Strom von Süd nach Nord fliesst? Richtung?
3) Ein Elektron fliegt senkrecht zum Erdmagnetfeld mit einer Geschwindigkeit von
500 m/s. Berechnen Sie die Kraft, die es erfährt.
4) Situation: Ein Proton aus dem Sonnenwind gelangt ins Erdmagnetfeld. Welche weitere
Bewegung führt das Proton in Bild 2 von Aufgabe 1 aus?
Lösungen von S. 19:
2) a) F = 1.75⋅10 -5 N, entgegen F G b) Keine Kraftwirkung, Stromrichtung und B parallel
3) F = 4⋅10 -21 N
4) Siehe Exp: Fadenstrahlrohr (Impulse S. 252) → geladene Teilchen umkreisen magn.
Feldlinien, sie sind gefangen wie in einer „magn. Flasche“
"Paradoxien sind nützlich, wenn man auf bestimmte Ideen
5.5. Magnetische Induktion
Impulse S. 257ff
aufmerksam machen will." Mandell Creighton
Im vorhergehenden Abschnitt haben wir gesehen, dass Magnetfelder Ströme und bewegte
Ladungen beeinflussen (→Lorentzkraft: Kraft senkrecht zum Strom oder zur Bewegungsrichtung).
Die bereits existierenden Ströme wurden dabei nur aus ihrer Richtung abgelenkt,
der Strom wurde dabei nicht verkleinert oder vergrössert.
In diesem wichtigen Abschnitt werden wir jetzt sehen, wie man durch Magnetfelder
Ströme erzeugen (magn. Induktion) kann. Der Begriff des Wechselstromes wird dabei
eine wichtige Bedeutung erlangen. Die Entdeckung des Prinzipes zur Erzeugung von
Wechselstrom bildete den eigentlichen Durchbruch für die „Einführung“ der Elektrizität in
unseren Alltag.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 19

Wie kann man einen Strom (bewegte Ladungen) erzeugen?
Exp.: bewegte Leiterschaukel im Magnetfeld
Beobachtung:
Durch die Lorentzkraft tritt eine Ladungsverschiebung im bewegten Draht auf. Es baut
sich ein elektrisches Feld im Draht auf, welches Ursache für eine messbare induzierte
Spannung ist.
Wir betrachten im Folgenden eine Drahtschlaufe im Magnetfeld:
Exp.: Drahtschlaufe (Spule) im Magnetfeld...
1) Bewegung der Schlaufe 2) Bewegung des Magneten
3) Veränderung der Schleifenfläche 4) Drehung der Schleife
Die festgestellten induzierten Spannungen treten nur bei _______________ auf !
5.5.1. Magnetischer Feldfluss
B
α
A
B
Definition: magn. Feldfluss φ
r r
B
ΦB = A ⋅ B = A ⋅B⋅cos
α
Fläche A
Zusammenfassung:
Eine Spannung U i tritt dann in einer Leiterschlaufe auf, wenn der magn. Feldfluss durch
diese Schlaufe verändert wird.
Je _________ die Feldflussänderung ∆Φ B , desto _________ die induzierte Spannung U i .
Je _________ die Veränderung, desto _________ die induzierte Spannung U i .
Es gilt:
∆Φ ΦB(nachher)
− Φ
B
B(vorher)
Ui
= −N
⋅ = −N
N: Anzahl Windungen einer Spule
∆t
∆t
Elektrizitätslehre und Magnetismus 20

Aufgaben:
1) Eine quadratische Leiterschlaufe mit der Kantenlänge von 10 cm steht in einem Magnetfeld
von 0.3 Tesla. Die Magnetfeldlinien stehen senkrecht zur Schleifenfläche. Plötzlich
wird die Schleife ruckartig gedreht, so dass die Magnetfeldlinien anschliessend parallel
zur Leiterfläche zu stehen kommen. Während der Drehung tritt eine Spannung
von 0.9 V auf. Wie lange dauerte die Drehung?
2) Eine Spule (300 Windungen, 10 cm 2 Querschnittsfläche) wird so ins Erdmagnetfeld (0.5
Gauss) gehalten, dass das B-Feld parallel zur Spulenachse liegt. In 0.1 s wird die Spule
so gedreht, dass das Feld nun senkrecht zur Spulenachse steht. Welche induzierte
Spannung tritt während der Drehung an den Spulenanschlüssen auf?
3) Betrachten Sie nebenstehendes Bild.
Welche Spannung U i wird bei dieser
Anordnung in der Leiterschlaufe induziert?
Begründung.
b
U i
_
B
l
_
v
Lösungen von S. 21:
1) Φ B(vorher) = 0.003 Vs, Φ B(nachher) = 0, mit
U i
Φ
= −
B(nachher)
− Φ
∆t
B(vorher)
2) Φ B(vorher) = 5⋅10 -8 B
Vs, Φ B(nachher) = 0, mit Ui
= −N⋅ ∆Φ ∆t
→ U i = 1.5⋅10 -4 V
3)
→ ∆t = 3.3 ms
„Die Natur kann man beschreiben oder beobachten, aber niemals
besiegen !“ Heinrich Harrer, Erstbesteiger der Eigernordwand 1938
Einige weitere Anwendungen der Induktion:
- Generator(Dynamo) oder Elektro-Motor: siehe nächsten Abschnitt 5.6.
- Transformator: siehe Abschnitt 5.7.
- Induktionskochherd:
Elektrizitätslehre und Magnetismus 21

5.6. Generator und Motor
5.6.1. Generator - Erzeugung von Wechselstrom
Impulse S. 260ff
Der einfachste mechanische Aufbau zur Erzeugung von Wechselstrom ist die Drehung
einer Leiterschleife in einem konstanten Magnetfeld (siehe früheres Experiment). Der
magn. Feldfluss ändert sich ständig, es wird ein Strom induziert, der seine Stärke und
Richtung periodisch ändert - ein Wechselstrom.
∆ΦB
Es gilt: Ui
= − → für kurzeitige Veränderungen ∆t: Ui
∆t
Vergleichen Sie die Bilderserie im Impulse:
B
A
α
= lim∆t→
0
∆Φ
−
∆t
B
dΦ
= −
dt
2 π
Definition: α = ⋅ ⋅ = ω ⋅
T t t
Mit Umlaufszeit T und Winkelgeschwindigkeit ω
Es gilt: Φ
B
= A ⋅B ⋅cos α = A ⋅B ⋅cos( ω⋅ t )
'
B
B
= −Φ
Also: U = −Φ = −A
⋅B
⋅(
−)sin(
ω⋅ t) ⋅ω = A ⋅B
⋅ω⋅sin(
ω⋅
t)
i
→ U i (t) = U(t) = U ⋅ 0
sin( ω ⋅ t)
Die Wechselspannung U(t) lässt sich als Funktion der Zeit darstellen:
U
'
B
T/4 T/2 3T/4 T 5T/4
Zeit t
Den maximalen Spannungsausschlag bezeichnet man auch als Scheitelwert der Spannung
(Amplitude U 0 der Spannungsschwingung, U 0 = 2 ⋅230 V). Eine Drehung der
Drahtschlaufe ergibt also gerade eine Periode der Sinusfunktion.
Die Generatoren (Leiterschlaufen) für unseren Haushaltstrom drehen sich 50 Mal in der
Sekunde. Der Wechselstrom hat die Frequenz von 50 Hz.
„Meine Bemühungen gründen sich auf dem Glauben, dass die Welt eine
völlig harmonische Struktur aufweist.“ A. Einstein
Elektrizitätslehre und Magnetismus 22

5.6.2. Wechselstrom (AC ≡ alternating current)
Bei einer Rotation einer Drahtschleife in einem konstanten Magnetfeld entsteht an den
Drahtschleifenanschlüssen eine sinusförmige Wechselspannung U(t).
Es gilt: U(t) = U0
⋅ sin( ω ⋅ t) mit U 0 : Maximalausschlag (Amplitude) der Spannung
Wenn wir diese Wechselspannung U(t) an einen Widerstand R anlegen, ändert sich auch
der durch R fliessende Strom - es herrscht ein Wechselstrom:
Es gilt auch hier das „URI“-Gesetz:
U(t) = R⋅ I(t) → U ⋅ sin( ω ⋅ 0
t) = R ⋅ I(t)
U(t)
I(t)
R
U0
→ I(t) = ⋅ sin( ω ⋅ t) = I0
⋅ sin( ω ⋅ t)
R
Der Strom I(t) durch einen ohm'schen Widerstand hat also auch einen zeitlich sinusförmigen
Verlauf. Analog stellt hier I 0 die Maximalstromstärke (Stromamplitude) dar.
5.6.2.1. Leistung bei Wechselstrom
Die momentane Leistung P wird bei Wechselstrom zeitabhängig:
{ }
P(t) = U(t) ⋅ I(t) = U ⋅sin( ω⋅t) ⋅I ⋅sin( ω⋅t) = U ⋅I ⋅ sin( ω⋅t)
0 0 0 0
2
T/4 T/2 3T/4 T 5T/4
Zeit t
Die Leistung P(t) pulsiert also zeitlich. Eine Glühbirne die in einer Steckdose (Frequenz
50 Hz) eingesteckt wird, flackert periodisch mit der Zeit. Wenn unser Auge „schnell“ genug
wäre, so könnten wir es _____ Mal in der Sekunde aufblitzen sehen !
Auf jedem elektrischen Gerät ist die mittlere Leistung P angegeben.
Bsp: Auf einem Mixer steht: 150 W/230 V → P = 150 W bei Anschluss an U = 230 V
Durch Rotation der Leiterschlaufe entsteht ein Induktionsstrom I in derselben. Auf diesen
elektr. Strom I wirkt die Lorentzkraft F L , die die Rotation der Leiterschlaufe abbremsen
möchte. Es muss also ständig mechanische Energie ins System reingesteckt
werden. Ein Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um !
Anmerkung: Oftmals wird an Stelle der Leiterschlaufe der Magnet in Rotation versetzt.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 23

„Trunken von den Fortschritten des Wissens und Könnens, die über unsere Zeit hereinbrachen,
vergessen wir, uns um den Fortschritt in der Geistigkeit des Menschen zu sorgen.“
Albert Schweitzer, 1923, in „Kultur & Ethik“
5.6.3. Elektromotor
Impulse S. 250-251
Umkehrung des Generators (elektr. Energie in mech. Energie umwandeln):
Der Strom durch die Schlaufe erzeugt ebenfalls ein Magnetfeld.
Das Magnetfeld des Permanentmagneten versetzt die
Schlaufe (durch gegenseitige Abstossung) in Rotation.
→ Fazit: Die Elektromagneten müssen zeitlich richtig
gepolt werden, damit aus der gegenseitigen Abstossung
der Magnetfelder eine Rotation auftritt. (Betrachte
unseren Elektromotor, Umpolung durch Kommutator)
Prinzip eines Elektromotors: Aus einem Laborbuch eines Physikstudenten...
Elektrizitätslehre und Magnetismus 24

5.7. Der Transformator
Impulse S. 262
Für den Siegeszug der Elektrizität war vor allem die Möglichkeit ausschlaggebend, Energie
in einfacher Weise übertragen zu können; Fabriken mussten nicht mehr zwingenderweise
an Flüssen errichtet werden um die Wasserkraft auszunützen.
Die Übertragung von elektrischer Energie mit Gleichstrom ist teilweise mit hohen Verlusten
verbunden (durch ohmsche Verluste in den Leitungen); für den Siegeszug des Wechselstromes
war die Möglichkeit massgebend, die Spannung mühelos transformieren zu
können. Der Strom kann bei hohen Spannungen relativ verlustfrei in grosse Entfernungen
übertragen werden. Der Transformator spielt also die zentrale Rolle:
Magnetische Feldlinien verlaufen fast ausschliesslich
im Eisenkern: → gleicher
magn. Fluss
Φ
= Φ
1 2
Die Wechselspannung U 1 am Eingang induziert am Ausgang eine Wechselspannung U 2 .
Eine kurze mathematische Betrachtung liefert folgendes Ergebnis:
U2
N2
U2
I1
= − oder wegen Energieerhaltung: =
U N
U I
1
1
Exp.: Hoch- und Runtertransformieren der Spannung
1
2
Aufgaben:
1) Ein Transformator hat auf der Primärseite 100 Windungen. Die Spannung soll von
220 V Wechselspannung auf 1 kV Wechselspannung transformiert werden. Wie viele
Windungen muss die Sekundärseite haben?
2) Wieso kann man Gleichspannung nicht mit einem Transformator transformieren?
3) Welchen Strom kann man einem Transformator sekundärseitig maximal entnehmen,
wenn die Primärwicklung maximal 1 A aufnehmen kann und die Spannung von 220 V
auf 2000 V hochtransformiert wird?
4) Die Energie- oder Leistungsbilanz (P 1 = P 2 ) geht nicht ganz auf. Es treten Verluste beim
Transformieren auf. Wodurch könnten diese Verluste entstehen?
Lösungen von S. 25:
1) Aus U 2
N2
= − → 454.5 Windungen
U1
N1
3) Aus U 2
I1
= → I 2 = 0.11 A
U I
1
2
Elektrizitätslehre und Magnetismus 25

5.8. Elektrische Energieübertragung
Hochspannungsleitungen dienen der relativ niedrigverlustigen Übertragung von elektrischer
Energie:
U
P
R/2
R/2
Verbraucher
I
Weist die Fernleitung zwischen Kraftwerk und
Verbraucher (Hin- und Rückweg) einen Widerstand
R auf, so beträgt die Verlustleistung (Wärme)
in den Leitungen P L = U L ⋅I = R⋅I 2
Damit wird das Verhältnis zwischen der Verlustleistung P L und der gesamten übertragenen
Leistung P:
2
PL
R ⋅I R ⋅I U R ⋅I⋅U R
= = ⋅ = = ⋅P = η ⋅P
2 2
P U⋅I U U U U
Steigert man also die Übertragungsspannung, so verringert sich der relative Leitungsverlust
! (Bei hohen Spannungen muss bei gleichbleibender Leistungsübertragung
nur ein relativ kleiner Strom fliessen → eine kleine Stromstärke ergibt weniger Reibungsverluste
durch die Elektronen in den Kabeln)
6. Strom im Haushalt - Sicherheitsaspekte
In der Schweiz ereignen sich im Durchschnitt pro Jahr 1'000'000
Unfälle. Von allen Unfällen sind 750 Elektrounfälle. Vergleicht
man die Unfälle mit Todesfolge, stellt man fest, dass Elektrounfälle
10x häufiger tödlich verlaufen !
Man ist gezwungen beim Umgang mit Strom gewisse Regeln zu
befolgen. Die folgenden Abschnitte sollen gewisse dieser Verhaltensregeln beleuchten:
Elektrizitätslehre und Magnetismus 26

6.1. Wie kommt der Strom ins Haus - die Steckdose
Was bedeuten diese drei Anschlüsse ?
N: Neutralleiter (alt: Nulleiter), „Rückleitung“, ist geerdet
L: Polleiter (alt: Phase), „Zuleitung“, führt Spannung gegen Erde
PE: Schutzleiter (protection earth = Schutzerde), tritt erst im Falle
eines Isolationsdefektes in einem Gerät in Kraft
Exp.: Phasenprüfer, geschlossener Stromkreis mit Erdleitung
6.1.1. Hinter der Steckdose
Vom Ortstransformator, der die
Spannung auf die 230 V runter
transformiert, kommt der Strom in
den Haushalt.
Der Neutralleiter N ist geerdet (Er
ist mit der Erde verbunden.). Die
Spannung im Polleiter L wird also
gegenüber der Erde gemessen.
6.2. Schutz der Leitung - Sicherungen
Sicherungen schützen die elektrischen Leitungen vor Überlast und Kurzschlüssen:
Sicherung
R ...
Die Sicherung ist in Serie zu allen übrigen Verbrauchern
im Haushalt geschaltet, d.h. dass die
gesamte Stromstärke die Sicherung durchläuft.
Von Überlastung spricht man, wenn während
längerer Zeit mehr als der auf der Sicherung
angegebene Nennstrom fliesst.
Als Kurzschluss bezeichnet man eine direkte leitende Verbindung zwischen dem Polleiter
und dem Neutralleiter. Der Strom hat einen „direkten Weg“ mit verschwindend
kleinem Widerstand; er muss den Widerstand des Verbrauchers nicht passieren. Dadurch
steigt die Stromstärke schlagartig unzulässig an.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 27

6.2.1. Schmelzsicherungen (veraltet)
Schmelzsicherungen brennen bei
Kurzschluss oder Überlastung durch.
Sie müssen dann ausgewechselt
werden.
Aufgabe: Eine Sicherung brennt bei
Ihnen (im Haushalt !) durch. Wie
können Sie sofort an der Sicherung
erkennen, ob ein Kurzschluss oder
eine Überlastung stattgefunden hat?
6.2.2. Leitungsschutzschalter
Immer häufiger werden in Hausinstallationen anstelle von Schmelzsicherungen Leitungsschutzschalter
eingesetzt. Leitungsschutzschalter sind selbstauslösende Schalter, die
mehrfach wiederverwendet werden können. Ihre Vorteile sind: 1) Nach einer Auslösung
sind sie sofort wieder einsatzbereit. 2) Es können keine falschen Ersatzsicherungen eingesetzt
werden. Der Leitungsschutzschalter besitzt zwei Auslösesysteme:
Bei Überlastung:
→ thermischer Effekt
Bei Kurzschluss:
→ elektromagnetischer
Effekt
6.3. Schutz der Personen
Die Sicherung schützt die Leitungen, keinesfalls aber den Menschen !! Die Berührung des
Polleiters und des Neutralleiters mit je einer Hand ist mit grosser Wahrscheinlichkeit nach
tödlich ! Daher sind weitere Massnahmen zum Schutz der Menschen nötig.
Gefährlich wird es für den Menschen, wenn er Teil des Stromkreises wird,
er wird dann zum Verbraucher mit einem Widerstand !
Elektrizitätslehre und Magnetismus 28

Aufgaben:
1) a) Sie berühren einen Viehhüterdraht und
spüren einen Schlag. Wie sieht der Stromkreis
aus? b) Welche Massnahmen muss
man treffen, damit man beim Berühren keinen
Schlag verspührt?
2) Wieso ist die Berührung des Polleiters in der Steckdose lebensgefährlich? Wie sieht
der Stromkreis aus? Wieso ist es mit dem Phasenprüfer ungefährlich?
Gefährlich sind für den menschlichen Körper Ströme ab etwa 50 mA (Herzkammerflimmern).
Der menschliche Körper hat einen Widerstand (von Hand zu Hand oder von Hand
zu Fuss) von ca. 1 kΩ. Daraus ergibt sich, dass Spannungen ab ______V lebensgefährlich
sind !
„Wenn ein Kind Probleme schafft, müssen die Probleme beseitigt werden, nicht das Kind !“
6.3.1. Isolationsfehler an einem Gerät - Fehlerstrom
Ein Isolationsfehler an einem Haushaltgerät ist ein oft auftretender Gefahrenbereich. Die
Polleiter-Anschlussleitung bekommt durch einen Defekt (Isolation am Kabel durchgescheuert,
Abnutzung,...) irgendwie Kontakt mit dem Gehäuse des Gerätes. Diese Gefahr
ist „hinterlistig“: Dem Gerät sieht man von Aussen nicht an, dass es „defekt“ ist, es
funktioniert noch einwandfrei, aber das Gehäuse steht unter Spannung!
Wenn ein Mensch das Gerät berührt,
fliesst ein Strom durch seinen Körper zur
Erde. Diesen Strom, der in vielen Fällen
viel kleiner als der Betriebsstrom des Gerätes
ist, nennt man Fehlerstrom.
Fragen:
1) Warum entsteht kein Kurzschluss?
2) Wieso funktioniert das Gerät (Bsp: Bügeleisen) noch?
3) Warum spricht die vorgeschaltete Sicherung nicht an (auch nicht beim Berühren)?
6.3.2. Der Schutzleiter
Ausweg aus diesem Dilemma bietet (teilweise) der Schutzleiter. Das Gehäuse des Gerätes
wird dabei mit einem dritten Kabel (gelb/grün) mit der Schutzleiteranschlussbuchse der
Steckdose verbunden; man verwendet also ein 3-poliges Anschlusskabel.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 29

Der Schutzleiter (grün/gelb) ist „hinter“ der
Steckdose mit dem Neutralleiter (blau) und
der Erde verbunden.
Fragen:
1) Was passiert wenn der Defekt auftritt?
2) Welche Geräte haben 2-/ 3-polige Anschlüsse (vgl. Sie die Gehäuse der Demonstrationsgeräte
und der Geräte, die Sie zu Hause vorfinden?
Gefährlich ist ein Defekt (Isolationsfehler) im Gerät also nur dann, wenn am
Gehäuse Metallteile vorhanden sind, welche den Fehlerstrom zum menschlichen
Körper ableiten könnten (Kunststoffgehäuse leitet ja nicht).
Geräte mit zweipoligem Anschluss sind (in der Regel) sogenannte sonderisolierte Geräte.
Innerhalb des Gehäuses ist eine zusätzliche Isolationsschicht angebracht, so dass keine
Spannung aufs Gehäuse gelangt.
Sonderisolierte Geräte werden mit einem doppelten Quadrat gekennzeichnet.
→ Gefahr mit sonderisolierten defekten Geräten beim Arbeiten in feuchter Umgebung !
Der Schutzleiter erfüllt schon eine recht gute Schutzfunktion, allerdings unterbricht er den
Stromkreis erst, wenn der Fehlerstrom den Nennwert der vorgeschalteten Sicherung erreicht
hat: Die Ströme sind für den Menschen zu gross und die Abschaltzeiten zu lang.
Die beste Schutzwirkung bietet der sogenannte...
6.3.3. Fehlerstromschutzschalter (FI - Schutzschalter)
Der FI - Schutzschalter ist im Alltag die wirksamste Schutzmassnahme für die Gefahren
des elektrischen Stromes. Er schützt Personen und Tiere, aber auch vor Bränden. Seine
Schutzwirkung ist viel grösser als diejenige des Schutzleiters: Er schaltet bereits bei wenigen
mA Fehlerströmen nach kurzer Zeit den Stromkreis aus.
Das Prinzip beruht auf dem Gesetz, wonach im störungsfreien Betrieb eines elektrischen
Gerätes der zufliessende Strom gleich gross ist wie der abfliessende.
Der FI - Schutzschalter stellt Fehlerströme fest, er misst die Differenz zwischen dem zufliessenden
und abfliessenden elektrischen Strom; sobald ein bestimmter Fehlerstrom
überschritten ist, unterbricht er den Stromkreis.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 30

Exp.: FI - Schutzschalter
Bei welchem Fehlerstrom spricht er an? Nach welcher Zeit schaltet er ab?
Die allenfalls auftretenden Fehlerströme sollten bezüglich Grösse und Dauer für den Menschen
ungefährlich sein, aber: Siehe untenstehende Aufgabe!
6.3.3.1. Aufbau und Funktionsweise eines FI - Schutzschalters
Aufgaben:
„Lache - und die Welt lacht mit Dir. Schnarche -
und Du schläfst alleine...“ frei nach Sprüche 17 22
1) Wieso spricht der FI - Schutzschalter bei Überlastung (Brandgefährdung) nicht an?
2) Überlegen Sie sich eine zweite lebensgefährliche Situation mit einer Steckdose, bei
welcher der FI - Schalter nicht anspricht.
Elektrizitätslehre und Magnetismus 31

6.3.4. Situationsbeispiele
Die folgenden Bilder stellen Situationen dar, wie sie im Alltag anzutreffen sind. Sie repräsentieren
nicht nur schlimme Fälle, sondern weisen bloss auch auf Gefahren hin.
- Welche Situationen sind un-/gefährlich, können gefährlich werden, warum?
- Was wäre eine mögliche Schutzmassnahme? Würde ein FI - Schalter Schutz bieten?
1 2 3
4 5 6
7 8 9
„Für die Zukunft wünsche ich
mir, dass wir eine haben!“
„Wer nicht über die Zukunft nachdenkt,
wird nie eine
„Erfinden wir die Zukunft !“
haben.“
Elektrizitätslehre und Magnetismus 32