Watt/Volt/Ampere - Grundfragen

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

Hallo,

ich bin 26, Student von Geisteswissenschaften und war als Schüler in Physik grottenschlecht (öfters 0 Punkte). Nun möchte ich das etwas nachholen, weil ich Interesse habe. Deswegen hätte ich folgende Fragen, die bei der Beschäftigung mit Elektrizität aufgetaucht sind:

1) Ähnlich wie wenn es bei den Autos um PS geht (es ist ja lediglich formal eine andere Einheit) handelt es sich bei Watt um die Leistung. In einem Lexikon habe ich gelesen: Leistung ist der Energieumsatz pro Zeit; philosophisch betrachtet ist also die Energie die potenzielle Energie, was irgendwie möglich ist, während die Leistung dann die aktualisierte Energie, also das tatsächlich erbrachte ist, weil in der Wirklichkeit die Zeit natürlich da ist.

a) Wie verhält sich dann aber die Leistung Watt zu Wattstunden, die ja auch „pro Stunde“ heißt? Watt soll ja schon die Leistung sein..?!

b) Und wie passt aber dann die Formel „Leistung ist Energieumsatz geteilt durch Zeit „ mit der Formel „Leistung (Watt) ist Spannung mal Stromstärke“ zusammen?

Wir können gerne zur Veranschaulichung die physikalischen Größen Watt und Wattstunde bspw. mit Byte und bit/sek vergleichen, das ist anschaulich: Byte ist eine Datengröße, Bit/s die Datenübertragungsgröße, die Leistung: wie viel Daten in einer bestimmten Zeit transportiert werden.

2) So wie ich das sehe, steht beim Endgerät einfach, wie viel Leistung erfordert wird (das veranschaulichende Bild von der Windmühle). Und wenn die Räder der Mühle träger sind und das Getrieberad schwerer zu drehen ist, brauche ich eine entsprechende Leistung, die dann entweder durch eine größere Menge an Wasser (Ampere) oder durch einen größeren Wasserdruck/ das Wasser schießt aus einer größeren Höhe (Watt) bewerkstelligt werden kann. Es scheint, als könnten beide Variablen sich kompensieren, und wenn bspw. die Fallhöhe zu niedrig ist (zu wenig Spannung), dann muss dies durch eine größere Wassermenge (mehr Ampere) ausgeglichen werden.

3) Ich habe gelesen, dass wenn ein Netzteil (das ist nichts anderes als ein Transformator, der die Spannung drosselt, weil das Gerät weniger braucht als von der Steckdose rauskommt?) weniger Spannung als das Gerät hat, dass dann einfach das Gerät nicht funktioniert, wenn zu viel, das Gerät kaputt gehen kann. Logisch, da ich mir das Netzteil wie schon angedeutet als Drossler vorstelle, der bestimmt, wie viel am Gerät ankommt - es selbst kann aber mit der höheren Spannung von der Steckdose umgehen.
Aber warum kann das Netzteil kaputt gehen (das entspräche ja dann dem Kurzschluss oder?), wenn das Gerät mehr Ampere benötigt als das Netzteil verträgt? Wie kann man sich das vorstellen, dass zu viel Spannung dem Gerät, zu viel Stromstärke dem Stromkreislauf/ der Steckdose schadet ? (vgl. https://www.tutonaut.de/volt-ampere-und-watt-welches-netzteil-fuer-welches-geraet/ ) .

Vielen Dank für eure Hilfe!

PhyMaLehrer · Anmeldungsdatum: 17.10.2010 Beiträge: 1085 Wohnort: Leipzig

1.) Eine "Wattstunde" heißt NICHT "Watt pro Stunde", sondern "Watt mal Stunde"!

Ich mache zunächst mal ein mechanisches Beispiel:
Du willst ein Möbelstück um 4 Meter verschieben. Dazu wendest du eine Kraft von 100 Newton auf. Wenn das Möbelstück verschoben wurde, hast du eine Arbeit (entspricht der aufgewendeten Energie) von 100 N * 4 m = 400 Nm verrichtet.
Vielleicht hast du zum Verschieben 16 Sekunden gebraucht. Du hast also pro Sekunde eine Arbeit von 25 Nm verrichtet. (400 Nm / 16 s = 25 Nm/s). Und eben das ist die Leistung: Leistung = Energie / Zeit.
Wenn du dich mehr angestrengt hättest und das Verschieben nur 8 s gedauert hätte, wäre deine Leistung doppelt so groß gewesen: 400 Nm / 8 s = 50 Nm/s. Das ist doch auch anschaulich, oder? Wenn du eine gewisse Arbeit in einer kürzeren Zeit verrichtest, so ist die Leistung größer. Wer eine Arbeit schneller verrichtet, leistet auch mehr.

1a) Wenn du eine elektrische Heizung mit einer Leistung von einem Kilowatt (1 kW) 2 Stunden lang betrieben hast, so hast du damit eine elektrische Energie von 1 kW * 2 h = 2 kWh in Wärme umgesetzt. Dies zeigt dir auch der "Stromzähler" in deiner Wohnung an, der eigentlich ein Energiezähler ist! Eine Leistung von 1kW wurde 2 h lang erbracht. Das ist eine Energie von 2 kWh.
(Um noch einmal auf das Mechanik-Beispiel zurückzukommen: Du hast beim Verschieben 16 s lang eine Leistung von 25 Nm/s erbracht und damit eine Energie von 25 Nm/s * 16 s = 400 Nm aufgewendet.)

1b) Ich will dich jetzt nicht zu sehr verwirren, aber Stromstärke ist Ladung (beispielsweise die Elektronen in einem Draht) dividiert durch die Zeit (I = Q / t). Wenn eine gewisse Menge Ladung in einer kürzeren Zeit transportiert wird, ist die Stromstärke höher. Auch das finde ich noch anschaulich.
Und wenn wir nun die elektrische Leistung betrachten (Spannung mal Stromstärke), so bekommen wir U * I = U * (Q / t) und haben damit wieder die Zeit mit im Spiel. U * Q nämlich ist elektrische Energie, und wenn diese in längerer oder kürzerer Zeit umgesetzt wird, ist die elektrische Leistung kleiner oder größer.

2.) Eine Glühlampe beispielsweise (ein paar gibt es ja noch...) ist so gebaut, daß sie beim Anschluß an 230 V eine gewisse Leistung (entspricht der Helligkeit) hat. Unter 1b) hatten wir ja gesehen, daß Leistung = Spannung * Stromstärke ist. Andererseits hat sie aber auch einen bestimmten Widerstand, der als Spannung / Stromstärke berechnet wird (R = U / I). Stellen wir einmal diese Gleichung nach I um: I = U / R.
Wenn ich die Glühlampe an 230 v anschlie0e, wird also ein bestimmter Strom fließen. Lege ich eine niedrigere Spannung an, so fließt auch nur ein geringerer Strom fließen und die Lampe dunkler leuchten.
Ich kann aber NICHT sagen: Ich mache die geringere Spannung dadurch wett, daß ich einen größeren Strom fließen lasse. Eine niedrigere angelegte Spannung bedeutet automatisch auch eine kleinere Stromstärke!

3.) Wenn ein Gerät eine höhere Stromstärke braucht, als das Netzteil liefern kann, so wird letzteres wahrscheinlich kaputt gehen. Im Netzteil befinden sich Bauteile, die nur eine gewisse Stromstärke vertragen.
Du weißt auch, daß ein Netzteil warm wird, denn es gibt immer gewisse Verluste. Wenn es einen zu hohen Strom liefern soll, werden diese Verluste vielleicht so groß, daß das Netzteil im wahrsten Sinne des Wortes durchbrennt.

Wenn ich andererseits ein Gerät mit einer höheren Spannung als zulässig versorge, so wird in der Folge auch der fließende Strom größer werden und damit auch die elektrische Leistung. Die Glühlampe aus unserem Beispiel wird also noch heller und heißer und wird einfach durchbrennen...

Noch eine Bemerkung:
Ich lese in einem Elektronikforum manchmal eine Frage wie: Ich habe ein Gerät, das braucht 12 V und 0,5 A. Ich habe ein Netzteil, auf dem steht 12 V und 2 A. Geht mein Gerät kaputt, wenn ich es an dieses Netzteil anschließe?
NEIN! Wenn die Spannung stimmt, geschieht dem Gerät nichts. Es "nimmt sich" einfach so viel Strom, wie es braucht.
Man kann an eine 230 V - Steckdose eine Kochplatte anschließen, die 5 A Strom fließen läßt. Man kann dort aber auch einen Rasierapparat anschließen, der nur 0,1 A braucht. Es fließt eben dann nur dieser geringe Strom und der Apparat geht nicht kaputt.

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

Danke für deine rasche Antwort, PhyMaLehrer!

Ich will zunächst nur auf zwei Punkte eingehen, um den Bogen nicht zu überspannen, lieber Schritt für Schritt..

1) Wahrscheinlich müssen wir noch die Begriffe Energie/Leistung/Arbeit und Kraft sortieren.

Was ich verwirrend finde ist, ist folgendes: Die Leistung/ die Geschwindigkeit (in unserem Fall Watt) ist Energie durch Zeit. Als Beispiel aus der Mechanik 10 Kilometer pro Stunde.
Als verrichtete Arbeit (entspräche dann den Wattstunden) hätte ich nach einer Stunde 10 zurückgelegte Kilometer.
Nach diesen Formeln wäre für mich ENERGIE, dieses potenzielle, mit der konkreten verrichteten ARBEIT, das gleiche.. beides Mal "10 km".
Bitte halte mich nicht für eine Pedanten, aber irgendwie wollte ich diese 4 Grundgrößen voneinander abgrenzen..

2/3) Auch wenn du sagst, dass aus einer niedrigeren Spannung aus der Steckdose auch eine niedrigere Stromstärke resultiert, suggerieren die beiden Anwendungsbeispiele auf dieser Webseite (http://www.verivox.de/nachrichten/watt-volt-ampere-die-unterscheidung-ist-nicht-schwer-98748/ ) ja irgendwie, dass eine zu niedrigere Spannung aus der Dose mit mehr Ampere zu korrigieren versucht wird, weshalb sich dann die Sicherung einschaltet...

Auch muss ich noch in Zusammenhang bringen:

- einerseits heißt es, Spannung (Volt) muss identisch sein
- andererseits: Spannung aus Steckdose kann höher sein als bei Netzteil/ Adapter
- Ampere kann niedriger sein..

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

Und wie kann ich das berechnen, dass der Fön nur 4,5 Ampere bekommt?
Ich weiß: Stromstärke = Leistung durch Watt und erhalte deswegen nur die notwendigen 16,7 Ampere.

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Zwei Möglichkeiten:

Entweder mit dem Ohmschen Gesetz den Widerstand des Föns

ausrechnen und dann diesen Widerstand (der ja gleichbleibt) an 120V anschließen. Dann fließen

.

Oder (etwas schneller, aber abstrakter) bedenken, dass

ja bedeutet, dass der Strom proportional zur Spannung ist, was heißt, dass er im selben Verhältnis wie die Spannung rauf- und runtergeht, wie ja schon geschrieben wurde. Mit diesem Wissen geht's schneller:

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

Ich habe mal die regulären 230 Volt, da kommt mit wohl kleiner Ungenauigkeit die gewünschten 8,84 Ampere raus.
Nicht böse nehmen, wenn ich da nahhaken muss, aber bei sowas fehlt mir einfach jegliches Verständnis:

Warum kann ich für diese Berechnung nicht einfach die Formel "Stromstärke ist Leistung durch Spannung" verwenden, sprich 2000/120 = 16,7 ?
Warum ist jetzt hier der Widerstand vonnöten? Mir fehlt einfach die Vorstellungskraft..

Hier geht die Sache ja auch so einfach mit der bereits bekannten Formel.. https://youtu.be/EcD7FlJ3Zsw?t=33m27s

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Wenn Du Leistung durch Spannung dividierst, bekommst Du die Stromstärke, die für diese Leistung benötigt wird. Wenn Du also in den USA einen 2000-Watt-Fön kaufst und ihn an 120 Volt anschließt, werden die besagten 16,7 Ampere fließen.

Das ist aber eine andere Situation! Auf der Seite wird ja davon geschrieben, dass der 2000-Watt-Fön in Deutschland gekauft wurde, da ist er natürlich für 230 Volt gebaut. Und wird in Amerikas Stromnetz entsprechend langsam laufen.

Kurz gesagt: ein 2000-Watt-Fön, der für 120 Volt gebaut ist, lässt 16,7 Ampere fließen. Und ein 2000-Watt-Fön, der für 230 Volt gebaut ist, lässt 8,7 Ampere fließen.

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

OK, so langsam wird die Sache verständlich. Wenn die für das Gerät geeignete Spannung mit der aus der Steckdose übereinstimmt, reicht das normale Formeldreieck - wenn nicht, brauche ich noch den Widerstand.

Zunächst berechne ich mit r = u/i den Widerstand des Geräts - und zwar mit der Spannungsgröße und der Stromstärke, für die das Gerät konzipiert ist.

Anschließend nehme ich die Formel (tatsächliche Spannung) durch Widerstand und erhalte die niedrigere Amperezahl. Anhand der ersten Gleichung sieht man, dass die Amperezahl relativ niedrig ist, und somit der Widerstand ein höherer ist, der dann in der zweiten Gleichung dafür sorgt, dass die Stromstärke niedriger ist.
Irgendwie faszinierend, wie sich diese Größen alle gegenseitig bedingen und ich Spannung durch Stärke teilen muss, und dass dann letzten Endes, wenn ich die Idealspannung eingebe (230 Volt durch 26 = 8,84) eine Abweichung rauskommt.

Versteht ihr, ich kann mir die Größen überhuapt nicht vorstellen, aber die gegenseitige Bedingung ist irgendwie faszinierend..

PS: Andererseits, die für das Gerät konzipierte höhere Voltzahl dürfte den Widerstand wieder in die Höhe treiben.. Ich wollte mir irgendwie eienn Reim drauf machen, dass der Widerstand zu groß ist..

PS: Die Frage mit Leistung / Arbeit ist geklärt. Widersprüchlich ist einfach: Wattstunde, es klingt wie Geschwindigkeit/ Leistung, und dass es genau andersherum ist: In der Mechanik ist die Leistung nach dem Ergebnis, der Länge benannt (Meter PRO bestimmte Zeit), beim Strom ist die geleistete Arbeit nach der Geschwindigkeit/ der Leistung benannt (WattSTUNDE)

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

Nachtrag/ noch drei weitere Überlegungen:

- Die uri-Formel zeigt ja auch: Je größer der Widerstand, desto kleiner die Stromstärke. Ist meine Überlegung richtig/falsch, dass deutsche Föns mit einem größeren Widerstand als amerikanische gebaut werden?

- Wenn der deutsche Fön in den USA einegsteckt wird und nun weniger Ampere fließen als in Deutschland, dann dürfte die Sicherung doch nicht rausfliegen, oder? Es sind ja weniger Ampere, also dürften mehr Föns dieser Sorte angesteckt werden, um das Rausfliegen der Sicherung zu bewirken?!

- Stromstärke I definiert als q durch t, also auch irgendeine Geschwindigkeit/Leistung, Ampere ähnelt insofern Watt.. Weil Leistung ist ja auch Energieusmatz pro bestimmtem Zeitpunkt..

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Deine Überlegungen sind richtig.

Stromstärke ist in der Tat Ladung durch Zeit. Je mehr Elektronen (die kleinstmögliche Ladung) pro Sekunde durchs Kabel fließen, desto höher ist die Stromstärke.

ML_Gastaccount · Gast

Hallo,

Physicus_91 · Anmeldungsdatum: 09.03.2017 Beiträge: 7

Danke für eure Antworten!

Ungeachtet des inkompatiblen Steckers: Fliegt die Sicherung nun wegen zu hoher vom Gerät geförderter Stromstärke oder Spannung heraus (beide sind ja letzten Endes niedriger)?

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7244

Wenn Du einen in Deutschland gebauten 230-V-Fön in den USA an 120V anschließt, läuft der einfach nur langsamer, wenn überhaupt. Aber die Sicherung fliegt nicht.