Elektrische Leistung & Arbeit – Was am Ende zählt
1. Einleitung: Die Währung der Elektrotechnik
Wir haben uns bisher mit dem „Druck“ (Spannung), der „Menge“ (Strom) und den „Hindernissen“ (Widerstand) beschäftigt. Aber seien wir ehrlich: Am Ende des Tages interessiert den Unternehmer vor allem eines: Was leisten die Maschinen und was kostet uns das am Monatsende?
In dieser Lektion führen wir alle Fäden zusammen. Die elektrische Leistung (P) und die elektrische Arbeit (W) sind die Kenngrößen, die entscheiden, ob eine Produktion läuft oder die Sicherung fliegt. Wir klären heute, warum ein Motor mit 10 kW mehr Kraft hat als einer mit 2 kW, und warum deine Stromrechnung eigentlich eine „Arbeitsrechnung“ ist. Wir schauen uns an, wie man Leistung berechnet, wie man Typenschilder liest und warum Wärme oft der größte Feind der Effizienz ist.
2. Historie: Von dampfenden Pferden zu glühenden Drähten
Bevor James Watt die Dampfmaschine und später die Definition der Leistung perfektionierte, war „Leistung“ ein schwammiger Begriff. Man verglich Maschinen mit Pferden (daher die Pferdestärke, PS). Doch als die Elektrizität Einzug hielt, brauchte man eine präzisere Einheit, die direkt mit den fließenden Elektronen zusammenhängt.
Die Einheit Watt (W) wurde zum Weltstandard. Für dich als EuP ist das Wissen über die Leistung entscheidend, um zu verstehen, ob eine Leitung für ein Gerät überhaupt ausgelegt ist. Denn Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Wenn die Leistung steigt, steigt bei gleichbleibender Spannung zwangsläufig der Strom – und genau hier entstehen die gefährlichen Überlastungen, die wir in den vorigen Lektionen als Brandursache identifiziert haben.
3. Fach-Tiefe: Die Physik der Power
In der Elektrotechnik nutzen wir Formeln, die das Fundament für jede Lastberechnung bilden. Wir unterscheiden dabei zwischen dem, was im Moment passiert, und dem, was über die Zeit verbraucht wird.
A. Die elektrische Leistung (P)
Sie gibt an, wie viel elektrische Energie pro Sekunde in eine andere Energieform (Licht, Wärme, Bewegung) umgewandelt wird. Formel: P = U ⋅ I (Einheit: Watt [W])
P steht für Power.
U ist die Spannung in Volt.
I ist der Strom in Ampere.
B. Die elektrische Arbeit (W)
Die Arbeit (oft auch Energieverbrauch genannt) ist das Produkt aus Leistung und Zeit. Das ist der Wert, den der Stromzähler im Keller misst. Formel: W = P ⋅ t (Einheit: Wattstunde [Wh] oder Kilowattstunde [kWh])
W steht für Work (Arbeit).
t steht für die Zeit (time).
4. Jens’ Corner: Kraftprotze und Ausdauerwunder
Jens steht in der Werkstatt. Links von ihm brummt ein gewaltiger Industriemotor (15 kW), rechts leuchtet eine kleine LED-Lampe (10 W).
„Leute,“ sagt Jens, „viele verwechseln Leistung und Arbeit. Damit ihr das nie wieder vergesst, schauen wir uns zwei Sportler an und übertragen das auf unsere Geräte hier.“
Der Gewichtheber (Die hohe Leistung / Der Motor): „Stellt euch einen Gewichtheber vor. Er stemmt eine 200 kg Hantel für genau 3 Sekunden hoch. Er braucht in diesem Moment eine unfassbare Leistung (P). Er setzt massiv Energie in kürzester Zeit frei. Das ist wie unser großer Industriemotor: Wenn er anläuft, zieht er massig Strom aus dem Netz, um die Maschine in Bewegung zu setzen. Er hat extrem viel Power im Moment, aber er macht das vielleicht nur kurz oder im Intervall.“
Der Marathonläufer (Die hohe Arbeit / Die LED-Lampe): „Jetzt schaut euch den Marathonläufer an. Er hebt keine 200 kg. Er bewegt nur sein eigenes, leichtes Körpergewicht. Seine Leistung (P) im Moment ist im Vergleich zum Gewichtheber winzig – genau wie unsere kleine LED-Lampe. ABER: Der Läufer ist 4 Stunden lang unterwegs. Er verbraucht über diese lange Zeit (t) eine riesige Menge an Energie. Am Ende des Tages hat er vielleicht mehr Kalorien verbrannt als der Gewichtheber in seinen 3 Sekunden Power. Das ist die elektrische Arbeit (W).“
Jens klopft auf den Motor: „Der Motor ist der Gewichtheber – er braucht dicke Kabel für seine Momentan-Leistung (Watt). Die LED-Lampe ist der Marathonläufer, wenn sie das ganze Jahr durchleuchtet – sie macht den Kleinvieh-Mist auf eurer Rechnung (Kilowattstunden).“
5. Deep Dive: Warum P = I² ⋅ R uns nachts wachhält
Wir müssen noch tiefer graben. Wenn wir das Ohmsche Gesetz (U = R ⋅ I) in die Leistungsformel (P = U ⋅ I) einsetzen, kommen wir zur gefährlichsten Formel der Elektrotechnik: P = I² ⋅ R.
Warum ist das so wichtig für die Sicherheit? Diese Formel beschreibt die Verlustleistung, also die Wärme, die an jedem Widerstand (auch an einem Kabel oder einer Klemme) entsteht. Das „Quadrat“ beim Strom (I²) ist der Knackpunkt:
Verdoppelst du den Strom in einer Leitung, verfünffacht sich die Hitzeentwicklung nicht etwa, sondern sie vervierfacht sich!
Verdreifachst du den Strom, hast du die neunfache Hitze!
Als EuP musst du wissen: Jede schlechte Verbindung (hohes R) in Kombination mit viel Strom (I) führt unweigerlich zu einem Brandherd, weil die Leistung dort quadratisch in Hitze umgewandelt wird.
6. Praxis-Check: Wirkleistung vs. Scheinleistung (W vs. VA)
Vielleicht hast du auf manchen Netzteilen oder Motoren schon die Einheit VA (Voltampere) statt W (Watt) gelesen.
Jens erklärt es kurz und knapp: „Stellt euch ein frisch gezapftes Glas Bier vor.
Die gesamte Menge im Glas (Flüssigkeit + Schaum) ist die Scheinleistung (S in VA). Das ist das, was die Leitung transportieren muss.
Das flüssige Bier ist die Wirkleistung (P in W). Das ist das, was wir wirklich trinken und was die Maschine antreibt.
Der Schaum ist die Blindleistung (Q in var). Er ist zwar im Glas, macht uns aber nicht satt. Er ‚pendelt‘ nur im Netz hin und her.“
Für dich als EuP ist wichtig: Motoren und Transformatoren ziehen immer etwas „Schaum“ mit. Deshalb müssen Leitungen oft etwas dicker ausgelegt sein, als es die reine Watt-Zahl vermuten lässt.
7. Rechnen wie ein Profi: Das Typenschild-Rätsel
Stell dir vor, du sollst einen Elektroheizer (2,3 kW) an einen Stromkreis anschließen, an dem bereits ein PC (300 W) und ein Drucker (200 W) hängen.
Gesamtleistung berechnen: 2300 W + 300 W + 200 W = 2800 W.
Stromstärke berechnen: I = P / U → 2800 W / 230 V ≈ 12,17 A.
Bewertung: Eine Standard-Sicherung (LS-Schalter) hält 16 A aus. 12,17 A ist also im grünen Bereich. Würden wir jetzt noch einen Wasserkocher (2000 W) dazuschalten, wären wir bei über 20 A – die Sicherung würde (hoffentlich) auslösen.
8. Sicherheitsaspekt: Energieerhaltung und Hitze
Energie kann nicht vernichtet werden, sie wird nur umgewandelt. Wenn ein Motor blockiert, wird die gesamte elektrische Leistung, die er aufnimmt, nicht mehr in Bewegung, sondern zu 100% in Wärme umgewandelt. Innerhalb von Sekunden verbrennt die Isolierung der Wicklungen. Das ist der Grund, warum Motorschutzschalter so wichtig sind – sie überwachen, ob die Leistung noch in „Arbeit“ fließt oder nur noch in gefährliche Hitze.