Zum Thema URI-Messtechnik: Fakten, Daten und Geräte

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Zum Thema URI-Messtechnik: Fakten, Daten und Geräte

Haben Sie sich schon einmal vorgestellt, wie es wäre, wenn wir über keinen elektrischen Strom verfügten? Die Welt sähe ganz anders aus – vorausgesetzt man sähe sie überhaupt, weil: Lampen und Glühbirnen würden nicht funktionieren. Aber im Ernst: Der elektrische Strom ist unser alltäglicher Begleiter. Wir brauchen ihn fast schon so, wie die Pflanzen das Licht.

Dass wir morgens unser warmes Weißbrot aus dem Toaster nehmen können, dass wir mit dem Zug fahren und im Internet surfen können, verdanken wir der Elektrotechnik. Sie baut und forscht als Wissenschaft (an) Geräten und Verfahren, die auf elektrischer Energie beruhen. Das Ganze begann bereits vor einigen hundert Jahren, wo die Elektrizität noch eine sagenumwobene Energieform war, die noch keiner so richtig zu deuten wusste.

Grundstein der Elektrotechnik wurde im 19. Jahrhundert gelegt

Im 19. Jahrhundert wurde dann der Grundstein für die Elektrotechnik gelegt. Immer mehr Erfindungen und Entdeckungen fanden statt, meistenteils von weisen und cleveren Männern und Frauen. Diese hießen Ohm, Ampere, Siemens, Volta, Tesla, Hertz oder Galvani, um nur einige zu nennen. Ein paar dieser Namen hat man schon mal gehört, vielleicht im längst vergangenen Schulunterricht oder beim flüchtigen Überlesen der Bedienungsanleitung des Toasters.

Was die Elektrotechnik betrifft, so teilte sie sich mit der Zeit in immer mehr Bereiche auf. Einer ihrer heutigen Bereiche ist die Messtechnik. Messen lassen sich jede Menge an verschiedenen physikalischen Größen (Längen, Massen, Kräfte usw.). Die Elektrotechnik interessiert sich allerdings für die Messung des elektrischen Stroms. Hierbei kommen Größen ins Spiel, wie beispielsweise Spannung, Widerstand oder Stromstärke.

Die Messtechnik, die sich dieser drei elektrischen Größen widmet, kann man auch als URI-Messtechnik bezeichnen. Was es mit diesem dubiosen URI auf sich hat, möchte Ihnen dieser Ratgeber näher bringen. Dazu wird er zunächst zu einem dieser weisen alten Männer zurückkehren müssen, einem gewissen Herrn Ohm. Dann wird sich der Ratgeber mit den bereits erwähnten Größen befassen, um am Ende auf Geräte zu sprechen zu kommen, mit deren Hilfe man elektrischen Strom messen kann.

Herr Ohm und sein Gesetz

Georg Simon Ohm war, wie man so schön sagt, ein Überflieger. Der Vater unterrichtete Georg Simon und seinen Bruder bereits früh in Mathematik. Damals, vor 200 Jahren, war das eine Besonderheit. Georg Simon durfte auch das Gymnasium besuchen. Mit sechzehn Jahren begann er bereits zu studieren – Philosophie, Physik und Mathematik. Er arbeitete u. a. als Lehrer und Privatdozent, wurde zum Doktor ernannt, wurde Professor und interessierte sich zeit seines Lebens für die damals noch relativ unerforschte Elektrizität.

„Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet“: Mit diesem zugegebenermaßen etwas langweiligen Titel publizierte Ohm 1827 ein Werk, das einige seiner bis dahin wesentlichen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Elektrizität enthielt. Ohm erkannte, dass die elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung in einem proportionalen Verhältnis zueinanderstehen.

Was das genau bedeutet, wird Ihnen der Ratgeber im folgenden Abschnitt erklären können. Doch, was ist mit Ohm selbst? Man kann sagen, dass er als Forscher und Wissenschaftler eine sehr erfolgreiche Karriere absolvierte. Daher wurde er auch bereits zu Lebzeiten mit allerlei Auszeichnungen geehrt. Heute, nach rund 200 Jahren, ist er immer noch präsent. Der von ihm erwiesene Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand ist als „Ohmsches Gesetz“ bekannt. Den elektrischen Widerstand beschreibt man heute mit der Einheit Ohm (Ω).

Spannung, Widerstand und Stromstärke: URI

Was hat es nun mit „URI“ auf sich? Allgemein lässt sich Folgendes sagen. Um etwas zu messen (in diesem Fall: den elektrische Strom), benötigt man allgemein verbindliche Bezeichnungen bzw. Einheiten. Physikalische Größen werden nach dem Internationalen Einheitensystem (SI) bezeichnet. Hiernach ist eine Einheit für Länge bspw. „Meter“, für Zeit „Sekunde“ usw. Elektrische Spannung, Widerstand und Stromstärke besitzen ebenfalls SI-Einheiten. Die elektrische Spannung wird in „Volt“ (V) angegeben, der Widerstand in „Ohm“ (Ω), die Stromstärke in „Ampere“ (A).

Möchte man mit verschiedenen Messwerten Berechnungen anstellen, benötigt man Formelzeichen. So erklärt sich die Buchstabenbedeutung von URI. Die elektrische Spannung hat das Formelzeichen U, der elektrische Widerstand wird mit R definiert, mit I bezeichnet man die elektrische Stromstärke. Doch was hat es mit diesen Größen eigentlich auf sich, und welche Rolle spielte noch gleich das Ohmsche Gesetz dabei?

Das Ohmsche Gesetz erklärt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand

Was ist eigentlich elektrische Spannung? Wenn man sich an den Physikunterricht zurückerinnert, dann fällt einem vielleicht wieder Folgendes ein – ein Elektron. Elektronen sind kleinste Teilchen. Sie sind negativ elektrisch aufgeladen.

Szenenwechsel: Bei einer Batterie gibt es zwei Pole, einen Plus-Pol und einen Minus-Pol. Diese besitzen jeweils eine unterschiedliche Ladung. Der Plus-Pol besitzt einen Mangel an Elektronen, der Minus-Pol einen Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied an der Menge von Elektronen nennt man elektrische Spannung.

Wenn man nun beide Pole miteinander verbindet, entsteht eine Entladung. Es fließt elektrischer Strom. Daher kann man sagen: Die elektrische Spannung ist die Ursache für elektrischen Strom, sie ist die Kraft, die auf Elektronen einwirkt. Sie entsteht, wenn es einen Ladungsunterschied zwischen zwei Polen bzw. Punkten gibt.

Was ist mit der elektrischen Stromstärke? Die Stromstärke wird auch schlicht als „Strom“ bezeichnet. Strom ist die Bewegung von geladenen Teilchen (um in unserem Beispiel zu bleiben: von Elektronen). Der elektrische Strom kann nur dann zwischen zwei Polen fließen, wenn genügend Elektronen (Ladungsträger) zur Verfügung stehen. Dies ist nur innerhalb eines leitfähigen Materials möglich (Wasser, Metall etc.).

Man kann sich den Stromfluss wie ein Rohr mit fließendem Wasser vorstellen. Je schneller das Wasser durch das Rohr fließt, desto höher ist die Flussgeschwindigkeit. Ähnliches gilt für den elektrischen Strom. Je mehr Elektronen pro Sekunde durch das Leitmaterial fließen, desto größer ist die Stromstärke.

Was hat es nun mit dem elektrischen Widerstand auf sich? Der elektrische Widerstand macht eine Aussage zur elektrischen Spannung und zur elektrischen Stromstärke. Er setzt beide miteinander in Beziehung. Der Widerstand ist nämlich das Maß dafür, welche elektrische Spannung nötig ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (zum Beispiel die Kupferader eines Kabels) fließen zu lassen.

Was Herr Ohm vor langer Zeit entdeckte und was heute als „Ohmsches Gesetz“ bezeichnet wird, ist Folgendes: Ohm fand heraus, das die Stromstärke in einem Leiter und die Spannung zwischen den Enden des Leiters proportional zueinander sind. Das heißt: Spannung und Stromstärke sind immer im gleichen Verhältnis. Verdoppelt sich die eine, verdoppelt sich die andere, um es im Beispiel zu sagen.

Setzt man diese Erkenntnis in eine mathematische Formel um, kommt dabei Folgendes heraus: R = U/I = const. Soviel zur Mathematik. Vielleicht lässt sich noch sagen, dass das Ohmsche Gesetz nicht auf alle Anwendungsfälle anwendbar ist. Es gilt nur für sogenannte Ohmsche Widerstände, die einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom aufweisen. Widerstände von Dioden oder Lampen besitzen hingegen keinen linearen Zusammenhang von Spannung und Strom.

Geräte zum Messen von Spannung, Stromstärke und Widerstand

Auch wenn Ohm nicht für alle Widerstände herangezogen werden kann, das Ohmsche Gesetz ist grundlegend für das Verständnis von Elektrotechnik und Elektronik. Das betrifft natürlich in ganz wesentlichem Maße die verschiedenen Messgeräte, die man zur Messung des Stroms verwenden kann. URI-Messgeräte finden sich dabei nicht nur im elektrotechnischen Labor wieder. Man findet sie überall dort, wo mithilfe elektrischen Stroms verfahren wird.

Der Voltmeter zur Messung der elektrischen Spannung

Mithilfe eines Voltmeters lässt sich die elektrische Spannung messen. Voltmeter bzw. Spannungsmesser gibt es für verschiedene Anwendungsbereiche. Sie werden im privaten oder häuslichen Bereich genauso eingesetzt, wie im Labor oder in der Industrie. An den Geräten ist die technologische Entwicklung im Digitalbereich nicht vorbeigegangen. Heute sind digitale Spannungsmessgeräte der Standard. Hierbei wird die Spannung (Volt) direkt in Ziffern angezeigt. Die analoge elektrische Spannung wird „hochohmig“ (mit einem großen Widerstand) abgenommen, mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgesetzt und numerisch angezeigt.

Das Amperemeter ist für die Messung der elektrischen Stromstärke zuständig

Amperemeter bzw. Strommesser dienen zur Messung der elektrischen Stromstärke. Auch hier sind mittlerweile digitale Geräte am weitesten verbreitet. Analoge Geräte sind jedoch nicht ganz verschwunden. Hier lassen sich drei Typen voneinander unterscheiden.

  • Das Drehspulmesswerk ist wegen seines geringen eigenen Stromverbrauchs und seiner Störunempfindlichkeit immer noch verbreitet. Es misst den positiven und negativen Gleichstrom (Gleichstrom: Stärke und Richtung des Stroms ändern sich nie).
  • Um den Effektivwert der elektrischen Stromstärke zu bemessen, eignen sich Dreheisenmesswerke. Sie meistens auf 50 Hertz ausgelegt, aber auch für Netzstrom und Gleichstrom geeignet.
  • Hitzdrahtmesswerke wiederum benutzen einen speziellen Draht, durch den Strom hindurchgeleitet wird. Die so entstehende Wärme vergrößert die Länge des Drahtes, sodass dieser per Hebelwerk ein Zeiger antreiben kann. Sie sind für Gleichstrom und Wechselstrom geeignet.

Der elektrische Widerstand kann mit einem Ohmmeter ermittelt werden

Mit Ohmmetern lassen sich die ohmschen Widerstände unbekannter Bauteile und elektrischer Verbraucher messen. Ihre einfachsten Varianten sind sogenannte Durchgangsprüfer, deren einzige Funktion darin besteht, festzustellen, ob eine elektrische Verbindung besteht. Auch Ohmmeter sind in digitalen und analogen Varianten erhältlich. Auch hier gehören digitale Geräte heute zum Standard.

Alles in einem Gerät: Multimeter

Multimeter sind für verschiedene Messgrößen und in mehreren Messbereichen einsetzbar. Auch hier gibt es analog und digital verfahrende Geräte. Die Grundausstattung eines Multimeters besteht aus einem Spannungsmessgerät (Voltmeter), einem Strommessgerät (Amperemeter) und einem Widerstandsmessgerät (Ohmmeter). Zumeist lässt sich zwischen Gleich- und Wechselgrößenmessungen umschalten.

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