Mein Neffe hat mir letztens von einer Analogie erzählt, die er entwickelt hat. Nachdem sein Physiklehrer gesagt hat, die Analogie wäre falsch „Das hat nichts miteinander zu tun.“ wollte ich hier nochmal nachfragen, weil es in meinen Augen doch in einige Ähnlichkeiten gibt.
Die Analogie ist, dass sich Stromstärke und Spannung in gewisser Weise wie Pferdestärken (PS) und Höchstgeschwindigkeit bei einem Auto verhalten.
Wenn ein Auto gegen einen hohen Widerstand anfährt (sei es ein schweres Gewicht in Form eines Anhängers oder wegen sehr schlechter Aerodynamik ein hoher Luftwiderstand) braucht es viel PS.
Wenn ein Strom durch einen Leiter mit hohem Widerstand fließt, ist die Stromstärke auch entsprechend größer.
Wenn ein Auto sehr schnell fährt, braucht es zum Halten dieser Geschwindigkeit keine hohe Ps Zahl mehr.
Wenn ein Strom über lange Überlandleitungen fließt ist die Spannung auch hoch und die Stromstärke klein.
Mein Neffe geht zur Zeit in die 10. Klasse, Gymnasium.
Ist an der Analogie etwas dran? Hätte sein Lehrer vllt. den Fehler in der Analogie erklären sollen/können, oder ist sie absolut verkehrt?
Wenn ein Strom durch einen Leiter mit hohem Widerstand fließt,
ist die Stromstärke auch entsprechend größer.
da ist der Wurm drin: Der Strom ergibt sich als Quotient von Spannung und Widerstand: I = U / R.
Wenn ein Strom über lange Überlandleitungen fließt ist die
Spannung auch hoch und die Stromstärke klein.
Das ist wieder falsch. Die Spannung ist hoch, weil der Netzbetreiber das so haben will; der Strom hängt davon ab, wie viele Verbraucher gerade Strom aus dem Netz ziehen.
Als Analogie (für Anfänger) bietet sich, wie schon geschrieben, das Wasserrohr an: Druck entspricht Spannung (proportional), Querschnitt entspricht Widerstand (reziprok), Durchflussmenge entspricht Strom (proportional).
Die Spannung ist hoch, weil der
Netzbetreiber das so haben will
In Überlandleitungen beträgt die Spannung einige 60.000 bis 500.000 Volt, während „an der Steckdose“ nur 230V anliegen. Der Netzbetreiber will also eine möglichst niedrige Spannung in den Leitungen, dann braucht er keine so großen Transformatoren und könnte demnach Material sparen.
Das Problem ist, dass die Verluste bei niedrigen Spannungen sehr viel höher sind. Bei einer Spannung von z.B. 1V kannst Du den Stromfluss nur wenige Meter aufrechterhalten, danach ist alles in Wärme übergegangen. Mit 230V kämst Du vielleicht noch einige Kilometer weit, aber auf keinen Fall über die benötigten Überlanddistanzen; und so hängt die Spannung in den Stromleitungen auch signifikant (60 bis 500kV) davon ab, wie groß das zu versorgende Gebiet ist.
(Warum die Verluste mit steigender Spannung sinken, hab ich leider vergessen und auf die schnelle auch nicht herausfinden können.)
Die Leistung, die in Wärme umgewandelt wird, also für den Wirkort nicht mehr zur Verfügung steht, berechnet sich nach:
P=U*I, P=Leistung, U=Spannung,I=Strom
Nach dem Ohm´schen Gesetz gilt aber: U = R*I
insgesamt folgt: P = R*I^2, R=Widerstand der Leitung
also der Strom geht quadratisch in die Verlustleistung ein.
Die Spannung ist hoch, weil der
Netzbetreiber das so haben will
In Überlandleitungen beträgt die Spannung einige 60.000 bis
500.000 Volt, während „an der Steckdose“ nur 230V anliegen.
Der Netzbetreiber will also eine möglichst niedrige Spannung
in den Leitungen, dann braucht er keine so großen
Transformatoren und könnte demnach Material sparen.
Nö, das ist so nicht richtig.
Ökonomisch gesehen sind höhere Spannungen günstiger, weil die Leitung-
verluste sinken. Gerade aus dem Grund wird ja die Spannung für den
Transport in Überlandleitungen hochtransformiert.
Dass wir aber nicht 60kV an der Steckdose haben, hat unter anderem
Sicherheitstechnische und technologische Gründe (was die Netztbetreiber
aber eher nicht interessiert).
Mit höheren Spannungen steigen auch die Aufwendungen für Isolierungen
und Schutz vor Berührung. Die Geräte und Installationen werden dann
aufwendiger und viel größer. Die Anforderungen an elektrische Sicherheit
wären faktisch nicht umsetzbar (z.B. Luft und Kriechstrecken zwischen
2 Kontakten von einigen 10cm).
Aus dem Grunde hat man einen Kompromiss gefunden, der weltweit zwischen
ca. 100-400V für Hausinstallationen liegt. Bei uns eben 230V bzw. 400V
mit leichter Tendenz zu höheren Spannungen -> 240V.
(Warum die Verluste mit steigender Spannung sinken, hab ich
leider vergessen und auf die schnelle auch nicht herausfinden können.)
Bei gleicher übertragener Leistung sinkt mit steigender Spannung der Strom.
P = U * I = konstant.
Bei niedrigerer Strömstärke sinkt bei gleichem Leitungswiderstand der
Spannungabfall auf der Leitung. U = R/I
Bei geringerem Spannungabfall und geringerer Stromstärke sinkt die
Verlustleistung in der Leitung P = U * I .
Ein Verdopplung der Spannung reduziert die ohmschen Verluste auf ein Viertel.