Matura kernstofffragen:
Elektrizität im Haushalt
Rund 25% der elektrischen Energie werden in Haushalten verwendet. Ihr Bedarf steigt weiter, da der Markt an Geräten wie Geschirrspülern und Wäschetrocknern noch nicht gesättigt ist. Durchschnittlich verbraucht jeder österreichische Haushalt 4000 kWh /Jahr.
Die Stromverteilung erfolgt in Städten durch ein unterirdisches Drehstromnetz (Spannungen zwischen 5 kV und 20 kV). In lokalen Transformatorenstationen wird diese Spannung auf 220 V heruntertransformiert.
Die Versorgung von größeren Haushalten erfolgt mit allen drei Phasen des Drehstroms.
Zur gleichmäßigen Belastung des Netzes wird zwischen jeder Phase und dem Neutralleiter ein Drittel der Haushaltsgeräte angeschlossen, Waschmaschinen und andere Geräte mit hoher Leistungsaufnahme sollten an Drehstrom angeschlossen werden. Zum Schutz der Leitungen gegen Überlastung wird die Stromstärke in den einzelnen Stromkreisen mit Werten zwischen 6 A und 16 A begrenzt. Jeder Versuch, diese Stromstärke eigenmächtig zu erhöhen, kann zu Wohnungsbränden führen. Bei Kauf und Anschluß von Elektrogeräten ist darauf zu achten, daß ihr Leistungsbedarf durch das vorhandene Stromnetz gedeckt werden kann, andernfalls müssen die Leitungen verstärkt werden.
Die Sicherung schütz die Leitung, keinesfalls aber den Menschen (die Berührung einer Phase und des Neitralleiters mit je einer Hand ist mit großer Wahrscheinlichkeit tödlich). Daher sind weitere Maßnahmen zum Schutz der Menschen notwendig.
Wesentlich gefährlicher als die Ohm´sche Wirkung des Stroms, die am Ein- und Austrittsort des Stroms zu sichtbaren Verbrennungen führen kann, ist die Wirkung auf Herzmuskel und Nerven: Verkrampfungen (ab etwa 15 mA) und Herzflimmern (ab etwa 50 mA). Der Widerstand des menschlichen Körpers für die gefährlichste Strombahn (von der linken Hand zu beiden Füßen) liegt für Wechselstrom bei etwa 1k Daraus ergibt sich, daß Spannungen ab 50 V lebensgefährlich sind.
Eine häufige Unfallursache im Haushalt ist der Kontakt eines Phasenleiters mit dem Metallgehäuse eines Gerätes. Berührt man das Gerät, so kann durch den Körper ein Strom zur Erde (und damit zum Umspannwerk - dort ist der Neutralleiter geerdet) abfließen, der um so größer ist, je schlechter die Isolation gegen die Erde ist. Berührt man gleichzeitig ein geerdetes Objekt (z.B.
Wasserleitung, Heizungsrohre), wird der Strom besonders groß. (Die Sicherung der Leitung schützt dabei nicht.)
Schutzmaßnahmen
Alle Kabel und Geräte müssen so isoliert sein, daß im Normalfall ein Berühren spannungsführender Teile nicht möglich ist. Steckdosen sind so gebaut, daß beim (und nach dem) Einführen des Steckers stromführende Teile nicht berührt werden können. Kabel, an denen durch Verletzung blanke Drähte sichtbar werden, dürfen nicht verwendet werden. Geräte, bei denen das Gehäuse aus einem Isolator besteht, werden als schutzisolierte Geräte bezeichnet.
Ein Kontakt mit spannungsführenden Teilen ist nur bei mechanischer Beschädigung des Gehäuses möglich, die leicht erkennbar ist. Für solche Geräte (z.B. Handmixer, Handbohrmaschine) ist kein weiterer Schutz vorgeschrieben. Aber Vorsicht bei Feuchtigkeit: Elektrowerkzeuge haben Lüftungsschlitze für Motoren - bei hoher Luftfeuchtigkeit (z.B.
Heckenschneiden bei Nieselregen) können durch einen Wasserfilm lebensgefährliche Kriechströme vom Gerät über den Körper zur Erde fließen.
Für alle Geräte mit Metallgehäuse bietet die Erdung des Gerätes den erforderlichen zusätzlichen Schutz. Dabei wird das Gehäuse an die Schutzleitung (PE), oft als Erdungsleitung bezeichnet, angeschlossen . In Steckdosen ist dafür der sog. Schutzkontakt vorgesehen. Zur eindeutigen Kennzeichnung ist für die Schutzleitung eine zweifarbige Isolation, nämlich gelb und grün, vorgeschrieben.
Die Schutzleitung ist mit dem Fundamenterder des Gebäudes verbunden und stellt eine niederohmige Verbindung zur Erde dar. Bei einem Gebrechen des Gerätes, bei dem das Gehäuse unter Spannung steht, kann nun Strom zur Erde abfließen - bei gleichzeitigem Berühren darf im parallelen Stromweg durch den menschlichen Körper zur Erde kein lebensgefährlicher Strom fließen. Da bei diesem Erdschluß jedoch nicht sicher ist, daß die Leitungssicherungen den Stromkreis unterbrechen, ist ein Fehlerstromschutzschalter, ein FI-Schalter, der beste Schutz.
Der FI-Schalter unterbricht den Stromkreis, wenn die Ströme durch die Phasenleiter und den Neutralleiter verschieden groß sind, was bei einem Erdschluß der Fall ist.Oder z.B.
bei einem Kurzschluß: Wenn ein Leiter am Metallgehäuse ankommt oder jemand in den Stromkreis hineinkommt. Wie erkennt der FI-Schalter, daß die Ströme verschieden groß sind: durch Magnetfelder. Wenn die Ströme gleich groß sind, so heben sich die Magnetfelder auf, sind sie aber verschieden groß, so heben sich die Magnetfelder nicht auf und der FI-Schalter tritt in Kraft. Zur Unterstützung dieser Schutzmaßnahme müssen auch alle metallischen Rohrleitungen (Gas, Wasser, Abwasser, Heizung,...
) niederohmig an den Fundamenterder angeschlossen werden. (Die Funktionsfähigkeit des FI-Schalters sollte monatlich einmal durch Drücken der Prüftaste überprüft werden.)
Der Fehlerstromschutzschalter besteht aus einem kleinen Transformator, über den beide Leitungen geführt werden. Sind die Ströme in den Leitungen durch einen Isolationsfehler ungleich groß, wird der Stromkreis unterbrochen.
Keinen Schutz bietet der FI-Schalter, wenn man mit gutisolierenden Schuhsohlen verschiedene Leiter berührt und diese mit dem menschlichen Körper einen geschlossenen Stromkreis bilden. Dies passiert in der Regel nur bei Reperaturversuchen an Geräten, die unter Spannung stehen.
Daher darf an Geräten, die unter Spannung stehen, keine Reparatur vorgenommen werden. Reparaturen an der Elektroinstallation dürfen nur von befugten Fachkräften vorgenommen werden.
Eine weitere Schutzmaßnahme stellt in Badezimmern die Installation von Trenntransformatoren bis 25 W Leistung dar: da hier keine Verbindung der Sekundärseite zum Neutralleiter besteht, kann bei Berührung eines stromführenden Teiles kein Strom zur Erde abfließen.
Weder Neutralleiter, noch Erdleitungen dürfen durch Sicherungen abgesichert sein, dies hätte fatale Folgen. Entspricht die elektrische Anlage den Vorschriften, gebraucht man die Geräte mit Vernunft und ihrem Zweck entsprechend, verzichtet man weiters auf lebensgefährliche Experimente, etwa den Gebrauch eines Föns in der Badewanne, so stellt der elektrische Strom kein großes Sicherheitsrisiko dar.
Kommt es trotz allem zu einem Unfall, muß der Verunglückte möglichst schnell aus dem Stromkreis gebracht werden.
Er darf dabei nur von einem isoliert stehenden Helfer berührt werden, da der Helfer sonst ebenfalls in den Stromkreis gerät. Andernfalls muß zuerst die Stromversorgung schnellstens unterbrochen werden. Bei Atemstillstand ist künstliche Beatmung durchzuführen und die Rettung zu verständigen. Bei herabhängenden, den Boden berührenden Hochspannungsleitungen besteht eine weitere, oft übersehene Gefahr: Durch den Widerstand des Erdreiches bildet sich entlang der Erdoberfläche ein radialer Spannungsabfall aus, der für Mensch und Tier zu gefährlichen Schrittspannungen - ähnlich wie bei Blitzschlägen - und damit zu Strömen durch den Körper führen kann.
Skineffekt: Hochfrequenter Strom kann dem Menschen nicht schaden oder zu Verletzungen führen, da dieser Strom nicht unter die Haut des Menschen treten kann.
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