Elektrische Sicherheit: Sicherung, FI-Schalter und Übungsmix

Einstieg

Im Sicherungskasten jeder Wohnung sitzen Schalter, die bei Gefahr den Strom abschalten. Warum braucht man sie, wenn doch jedes Gerät eine Isolierung hat? In dieser Lektion geht es um die Gefahren des elektrischen Stroms, um die Schutzmaßnahmen im Haushalt und um eine Wiederholung der ganzen Reihe.

Erklärung

Warum Strom gefährlich ist

Der menschliche Körper leitet Strom. Berührt man ein Teil, das unter Spannung steht, und gleichzeitig die Erde oder ein zweites Teil, schließt der Körper einen Stromkreis. Schon Ströme von wenigen zehn Milliampere durch den Körper können das Herz aus dem Takt bringen. Außerdem verursacht Strom Verbrennungen und Muskelkrämpfe, durch die man nicht mehr loslassen kann.

Wie groß der Strom wird, hängt nach $I = \frac{U}{R}$ von der Spannung und vom Widerstand des Körpers ab. Nasse Haut senkt den Widerstand stark. Deshalb sind elektrische Geräte in der Badewanne lebensgefährlich.

Schutzmaßnahmen im Haushalt

• Sicherung (Leitungsschutzschalter): Sie schaltet ab, wenn die Stromstärke zu groß wird, zum Beispiel bei einem Kurzschluss oder wenn zu viele Geräte an einer Leitung hängen. Typisch sind 16 A pro Stromkreis. Sie schützt die Leitungen vor Überhitzung und Brand.
• Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter, RCD): Er vergleicht den Strom, der zum Gerät hinfließt, mit dem, der zurückfließt. Fließt ein Teil über einen anderen Weg ab, etwa über einen Menschen zur Erde, schaltet er innerhalb von Sekundenbruchteilen ab. Für Steckdosen ist ein Auslösewert von 30 mA üblich. Er schützt Menschen.
• Schutzleiter: Geräte mit Metallgehäuse haben einen dritten Draht (grün-gelb), der das Gehäuse mit der Erde verbindet. Bei einem Defekt fließt der Strom über ihn ab, und die Sicherung oder der FI-Schalter löst aus.
• Schutzisolierung: Geräte mit zwei ineinander liegenden Quadraten als Symbol sind doppelt isoliert und brauchen keinen Schutzleiter.

Verhaltensregeln

• Nie an Steckdosen, Kabeln oder geöffneten Geräten basteln. Defekte Kabel und Stecker nicht benutzen.
• Elektrische Geräte von Wasser fernhalten, nie mit nassen Händen anfassen.
• Beim Ausstecken am Stecker ziehen, nicht am Kabel.
• Nie auf Strommasten oder abgestellte Bahnwagen klettern. An Oberleitungen der Bahn (15 000 V) kann der Strom schon ohne Berührung über einen Lichtbogen überspringen. Die Deutsche Bahn rät zu mindestens 1,5 m Abstand.
• Bei einem Stromunfall: zuerst den Strom abschalten (Sicherung, Stecker), erst dann die Person berühren. Notruf 112.

Sicherheit beim Experimentieren

Im Unterricht experimentierst du nur mit nicht berührungsgefährlicher Spannung: unter 25 V Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung (RiSU), aus Batterien oder Schulnetzgeräten. Schaltungen bei ausgeschalteter Quelle aufbauen, vor dem Einschalten prüfen lassen, nach dem Versuch zuerst die Quelle ausschalten. Widerstände und Drähte können heiß werden.

Beispiele

Beispiel 1: Warum die Sicherung auslöst

In einem Stromkreis der Küche (230 V, Sicherung 16 A) laufen ein Wasserkocher mit 2000 W und ein Toaster mit 900 W. Stromstärken: $I_1 = \frac{2000\,\text{W}}{230\,\text{V}} \approx 8{,}7\,\text{A}$, $I_2 = \frac{900\,\text{W}}{230\,\text{V}} \approx 3{,}9\,\text{A}$. Zusammen 12,6 A, die Sicherung hält. Kommt ein Heizlüfter mit 2000 W dazu, sind es $12{,}6\,\text{A} + 8{,}7\,\text{A} = 21{,}3\,\text{A}$. Die Sicherung löst aus.

Beispiel 2: Eine Aufgabe zur ganzen Reihe

Aufgabe: Eine Lampe (12 Ω) und ein Widerstand (18 Ω) liegen in Reihe an 6 V. Berechne die Stromstärke und die Spannung an der Lampe.

Lösung: $R = 12\,\Omega + 18\,\Omega = 30\,\Omega$, $I = \frac{6\,\text{V}}{30\,\Omega} = 0{,}2\,\text{A}$, $U_L = 12\,\Omega \cdot 0{,}2\,\text{A} = 2{,}4\,\text{V}$. (Vereinfachung: Der Widerstand der Lampe wird als konstant angenommen.)

Typische Fehler der ganzen Reihe

1. „Strom wird in der Lampe verbraucht.“ Verbraucht wird nichts, Energie wird umgewandelt, die Stromstärke bleibt gleich.
2. Strommesser parallel, Spannungsmesser in Reihe angeschlossen. Richtig ist es umgekehrt.
3. Einheiten nicht umgerechnet: Mit mA in $R = \frac{U}{I}$ zu rechnen, ergibt einen tausendfach falschen Widerstand.
4. $R = \frac{U}{I}$ mit dem ohmschen Gesetz verwechselt.
5. In der Parallelschaltung die Widerstände addiert.

Merksatz

Strom durch den Körper ist lebensgefährlich. Sicherungen schützen Leitungen vor zu großen Strömen, FI-Schalter schützen Menschen, indem sie bei Fehlerströmen abschalten. Experimentiert wird nur mit nicht berührungsgefährlicher Spannung unter 25 V Wechsel- oder 60 V Gleichspannung.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne den Unterschied zwischen einer Sicherung und einem FI-Schalter.
2. Nenne vier Verhaltensregeln im Umgang mit elektrischen Geräten.
3. Ein Widerstand von 50 Ω liegt an 5 V. Berechne die Stromstärke.

Weiter

4. Ein Stromkreis ist mit 16 A abgesichert. Wie viele Geräte mit je 1000 W kann man gleichzeitig betreiben?
5. Zwei Widerstände (30 Ω und 60 Ω) liegen parallel an 12 V. Berechne den Gesamtstrom.
6. Erkläre, warum ein Föhn in der Nähe einer gefüllten Badewanne gefährlich ist, und wie ein FI-Schalter hier schützt.

Knobeln

7. Bei einem Kurzschluss im Experiment wird ein dünnes Kabel sehr heiß. Erkläre mit $I = \frac{U}{R}$, warum der Strom bei einem Kurzschluss so groß wird.
8. Eine Fahrradlampe (6 V, 0,4 A) soll an einer 9-V-Batterie betrieben werden. Welchen Widerstand muss man in Reihe schalten, damit an der Lampe 6 V liegen?

Lösungen

1. Die Sicherung schaltet bei zu großer Stromstärke ab und schützt die Leitungen. Der FI-Schalter schaltet ab, wenn Strom über einen falschen Weg abfließt, zum Beispiel durch einen Menschen. Er schützt Menschen.
2. Zum Beispiel: keine defekten Kabel benutzen, Geräte von Wasser fernhalten, am Stecker ziehen, nicht an Steckdosen basteln, nicht auf Strommasten oder Bahnwagen klettern.
3. $I = \frac{5\,\text{V}}{50\,\Omega} = 0{,}1\,\text{A}$.
4. Ein Gerät zieht $\frac{1000\,\text{W}}{230\,\text{V}} \approx 4{,}35\,\text{A}$. $16\,\text{A} : 4{,}35\,\text{A} \approx 3{,}7$. Es gehen drei Geräte gleichzeitig, beim vierten (17,4 A) löst die Sicherung aus.
5. $I_1 = \frac{12\,\text{V}}{30\,\Omega} = 0{,}4\,\text{A}$, $I_2 = \frac{12\,\text{V}}{60\,\Omega} = 0{,}2\,\text{A}$, $I = 0{,}6\,\text{A}$.
6. Fällt der Föhn ins Wasser, kann Strom über das Wasser und den Körper zur Erde fließen. Nasse Haut hat einen kleinen Widerstand, der Strom wird groß. Der FI-Schalter merkt, dass weniger Strom zurückfließt, als hingeflossen ist, und schaltet in Sekundenbruchteilen ab.
7. Bei einem Kurzschluss fehlt der Widerstand der Bauteile, im Kreis bleibt nur der sehr kleine Widerstand der Kabel. Bei gleicher Spannung wird $I = \frac{U}{R}$ dadurch sehr groß. Der große Strom erhitzt die Leitung.
8. Am Vorwiderstand müssen $9\,\text{V} - 6\,\text{V} = 3\,\text{V}$ liegen (Maschenregel). Durch ihn fließen ebenfalls 0,4 A (Reihenschaltung). $R = \frac{3\,\text{V}}{0{,}4\,\text{A}} = 7{,}5\,\Omega$.