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Wechselstrom Drehstrom und Netzgrößen – Widerstände im Wechselstromkreis vergleichen

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Wechselstrom Drehstrom und Netzgrößen – Widerstände im Wechselstromkreis vergleichen

Zielgruppe: Elektrotechnische Berufsausbildung

Kurzbeschreibung: Ohmsche, induktive und kapazitive Widerstände im Wechselstromkreis verstehen, vergleichen und in sicheren Simulationen untersuchen.

Lernformat: Kurze Lerneinheiten, Stromlaufbilder, Signaldiagramme, Videos, virtuelle Schaltungssimulationen, Ausbildungsfall und gestufte Lernhilfen.

Zeitbedarf: Circa 90–120 Minuten, modular einsetzbar.

Voraussetzungen: Ohmsches Gesetz, elektrische Grundgrößen und einfache Stromkreise.

Lernziele: Du kannst Strom und Spannung im Wechselstromkreis vergleichen, die Phasenlage erkennen, Widerstandswerte berechnen und die Auswirkungen einer Frequenzänderung erklären.

Sicherheit: Alle Versuche dieses Kurses sind vollständig als Computersimulation durchführbar. Es werden keine selbst aufgebauten Netzspannungsschaltungen benötigt. Ein optionales reales Schulungsmodell darf nur bei dokumentierter Gefährdungsbeurteilung, ausreichendem Berührungsschutz und unter den festgelegten fachlichen Verantwortlichkeiten verwendet werden. Elektrotechnische Arbeiten an realen Anlagen dürfen nur entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen ausführen. Ein Quizresultat stellt niemals eine Arbeitsfreigabe dar.

Einleitung

Warum nimmt ein Widerstand elektrische Energie auf, während eine Spule oder ein Kondensator elektrische Energie zeitweise speichert?

Bei Wechselstrom ändern sich Stromstärke und Spannung mit der Zeit. Die Bauteile reagieren unterschiedlich darauf.

Merksatz:

Ohmsch: Strom und Spannung sind gleichphasig.
Induktiv: Der Strom eilt der Spannung nach.
Kapazitiv: Der Strom eilt der Spannung voraus.

Für die idealen Bauteile und sinusförmige Wechselgrößen beträgt die Phasenverschiebung bei der Spule und beim Kondensator jeweils 90°, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Video: Lehrer MaPhy – Phasenverschiebung bei Spule, Kondensator und ohmschem Widerstand.

Dein Ausbildungsfall: Drei unbekannte Baugruppen

Du arbeitest an der virtuellen Diagnose einer elektrotechnischen Schulungsanlage.

Drei Baugruppen A, B und C sollen über ihre elektrischen Eigenschaften identifiziert werden.

Die Trainingsanlage verwendet im Rechenmodell eine sinusförmige Spannung von 24 V Effektivwert bei 50 Hz.

Die unbekannten Baugruppen enthalten jeweils eines dieser idealisierten Bauteile:

Widerstand mit R = 100 Ω
Spule mit L = 0,318 H
Kondensator mit C = 31,8 µF

Ausgangssituation: Alle drei Baugruppen haben ungefähr die gleiche Stromstärke. Trotzdem unterscheiden sich ihre Signaldiagramme deutlich.

Dein Auftrag: Ermittle anhand der Phasenlage und einer Frequenzänderung, welche Baugruppe welches Bauteil enthält.

Wichtig: Die drei Modelle werden einzeln an einer virtuellen Wechselspannungsquelle untersucht. Reale Baugruppen werden nicht angeschlossen.

Lerneinheit 1: Wechselstrom und Netzgrößen

Lernzeit: 10 Minuten

Eine sinusförmige Wechselspannung wechselt periodisch ihre Polarität.

Die wichtigsten Größen:

Größe	Zeichen	Bedeutung
Effektivspannung	U	Vergleichbare Heizwirkung einer Gleichspannung
Effektivstrom	I	Effektivwert der Stromstärke
Frequenz	f	Schwingungen pro Sekunde
Periodendauer	T	Zeit für eine vollständige Schwingung
Phasenwinkel	φ	Zeitliche Verschiebung zwischen Strom und Spannung

Signaldiagramm: Scheitelwert, Spitze-Spitze-Wert, Effektivwert und Periodendauer.

Grundformeln:

$T = \frac{1}{f}$

$U = \frac{\hat{U}}{\sqrt{2}}$

Bei 50 Hz dauert eine Periode 20 ms.

Bei 24 V Effektivspannung beträgt der Scheitelwert einer Sinusspannung ungefähr 33,94 V.

Denkfrage: Warum darfst Du bei einer sinusförmigen Wechselspannung den Effektivwert nicht mit dem Scheitelwert verwechseln?

Antwortidee: Die beiden Größen beschreiben unterschiedliche Eigenschaften derselben Wechselspannung.

Lerneinheit 2: Der ohmsche Widerstand

Lernzeit: 10 Minuten

Ein idealer ohmscher Widerstand setzt elektrische Energie in Wärme um.

Strom und Spannung erreichen gleichzeitig ihre Maxima und Nulldurchgänge.

Phasenwinkel: 0°

Stromlaufbild eines Wechselstromkreises mit Widerstand.

Für den idealen Widerstand gilt:

$I = \frac{U}{R}$

Beispiel:

$I = \frac{24 V}{100 Ω} = 0,24 A$

Die Wirkleistung beträgt:

$P = U \cdot I = 5,76 W$

Signaldiagramm: Stelle Dir zwei Sinuskurven mit gleicher zeitlicher Lage vor. Die Strom- und Spannungskurve durchlaufen gleichzeitig ihre Nulldurchgänge.

Virtueller Versuch:

Öffne die PhET-Schaltungssimulation für Wechselstrom.

Wähle eine Wechselspannungsquelle und einen Widerstand. Beobachte den Stromverlauf. Nutze die virtuellen Messmöglichkeiten der Simulation.

Beobachtungsauftrag: Verändere nur den Widerstandswert. Was passiert mit dem Strom?

Rückmeldung: Ein größerer Widerstand führt bei gleicher Effektivspannung zu einem kleineren Effektivstrom. Die Phasenverschiebung des idealen ohmschen Widerstands bleibt null.

Lerneinheit 3: Der induktive Widerstand

Lernzeit: 10 Minuten

Eine ideale Spule speichert Energie in einem magnetischen Feld.

Ihre Wirkung hängt von der Frequenz ab.

Stromlaufbild eines Spulenzweigs. Das Commons-Bild enthält zusätzlich einen Serienwiderstand; die folgende Grundformel beschreibt die ideale Induktivität.

Phasenlage: Der Strom folgt der Spannung um 90° nach.

Der Betrag des induktiven Blindwiderstands lautet:

$X_{L} = 2 π f L$

Für f = 50 Hz und L = 0,318 H ergibt sich:

$X_{L} \approx 99,9 Ω$

Vergleich:

Frequenz	Induktiver Blindwiderstand
25 Hz	circa 50 Ω
50 Hz	circa 100 Ω
100 Hz	circa 200 Ω

Merksatz: Je höher die Frequenz, desto größer der Blindwiderstand einer idealen Spule.

Video: Schrack for Students – Rechenbeispiele zu ohmschen, induktiven und kapazitiven Wechselstromwiderständen.

Simulationsauftrag: Wähle in der PhET-Simulation einen Spulenzweig. Ändere die Frequenz der virtuellen Quelle und beobachte Stromstärke und Signalverlauf. Berücksichtige mögliche zusätzliche Widerstände im Modell.

Lerneinheit 4: Der kapazitive Widerstand

Lernzeit: 10 Minuten

Ein idealer Kondensator speichert Energie im elektrischen Feld.

Seine Wechselstromwirkung hängt ebenfalls von der Frequenz ab – allerdings umgekehrt zur Spule.

Stromlaufbild eines Kondensatorzweigs. Das Commons-Bild enthält zusätzlich einen Serienwiderstand; die folgende Grundformel beschreibt den idealen Kondensator.

Phasenlage: Der Strom eilt der Spannung um 90° voraus.

Der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands lautet:

$| X_{C} | = \frac{1}{2 π f C}$

Für f = 50 Hz und C = 31,8 µF ergibt sich:

$| X_{C} | \approx 100,1 Ω$

Vergleich:

Frequenz	Kapazitiver Blindwiderstand als Betrag
25 Hz	circa 200 Ω
50 Hz	circa 100 Ω
100 Hz	circa 50 Ω

Merksatz: Je höher die Frequenz, desto kleiner der Blindwiderstand eines idealen Kondensators.

Lerneinheit 5: Signaldiagramme vergleichen

Lernzeit: 10 Minuten

Jetzt erkennst Du die entscheidenden Unterschiede.

Signaldiagramme: Oben der ideale Kondensator, unten die ideale Spule. Vergleiche die Lage der Strom- und Spannungskurven.

Eigenschaft	Ohmsch	Induktiv	Kapazitiv
Bauteil	Widerstand	Spule	Kondensator
Strom gegenüber Spannung	Gleichphasig	Nacheilend	Voreilend
Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom im Idealmodell	0°	+90°	−90°
Blindwiderstand bei steigender Frequenz	Entfällt beim idealen R	Steigt	Sinkt im Betrag
Typische Energieumwandlung oder -speicherung	Wärme	Magnetfeld	Elektrisches Feld

Vorzeichenkonvention: Hier ist φ als Winkel der Spannung gegenüber dem Strom definiert. Deshalb gilt φ = +90° für die ideale Spule und φ = −90° für den idealen Kondensator.

Zeichne selbst: Erstelle auf Millimeterpapier oder digital drei vereinfachte Signaldiagramme mit einer gemeinsamen Zeitachse.

Kontrolliere: Kannst Du erkennen, ob die Stromkurve früher, gleichzeitig oder später als die Spannungskurve ihren positiven Scheitel erreicht?

Lerneinheit 6: Zusammengesetzte Wechselstromkreise

Lernzeit: 10 Minuten

In realen Anwendungen treten Wirkwiderstände und Blindwiderstände gemeinsam auf.

Stromlaufbild einer R-L-Reihenschaltung.

Stromlaufbild einer R-C-Reihenschaltung.

Stromlaufbild einer R-L-C-Reihenschaltung.

Bei einer idealisierten R-L-C-Reihenschaltung gilt für den Betrag der Impedanz:

$| Z | = \sqrt{R^{2} + (X_{L} - | X_{C} |)^{2}}$

Hier bezeichnet X_L den positiven induktiven Blindwiderstand und |X_C| den positiven Betrag des kapazitiven Blindwiderstands.

Beobachtung: Die induktiven und kapazitiven Blindanteile wirken einander in der Reihenschaltung entgegen.

Achtung: Bei Resonanz können in realen Schaltungen erhebliche Ströme oder Bauteilspannungen auftreten. Untersuche diese Effekte ausschließlich virtuell. Aus theoretischen Ergebnissen darf keine praktische Versuchserlaubnis abgeleitet werden.

Lerneinheit 7: Bezug zu Drehstrom und Netzgrößen

Lernzeit: 10 Minuten

Drehstrom besteht aus drei sinusförmigen Wechselspannungen gleicher Frequenz, deren Phasenlagen um jeweils 120° gegeneinander verschoben sind.

Drei um 120° versetzte sinusförmige Spannungen.

Zeigerdiagramm eines Drehstromsystems.

Im üblichen europäischen Niederspannungsnetz betragen die Nennspannungen:

Netzgröße	Nennwert
Außenleiter gegen Neutralleiter	230 V
Zwischen zwei Außenleitern	400 V
Frequenz	50 Hz

Für ein symmetrisches Drehstromsystem gilt:

$U_{L L} = \sqrt{3} \cdot U_{L N}$

Wichtig: Die 120° beziehen sich auf die Spannungen der drei Außenleiter. Die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom an einem idealen Einzelbauteil kann dagegen 0°, +90° oder −90° betragen.

Video: Elektrotechnik24 – Drehstrom im Zeitbereich und als Zeiger.

Transferfrage: Warum können zwei verschiedene Phasenwinkel gleichzeitig in einer Drehstromanlage auftreten?

Antwortidee: Der eine beschreibt die Beziehung zwischen den Außenleiterspannungen; der andere beschreibt das Verhältnis zwischen Strom und Spannung einer Last.

Virtuelles Ausbildungslabor

Ziel: R, L und C im sinusförmigen Wechselstromkreis vergleichen, ohne einen realen Stromkreis aufzubauen.

Simulation A: PhET

PhET Circuit Construction Kit: AC – Virtual Lab öffnen

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Arbeitsauftrag:

Wähle nacheinander einen Widerstand, einen Spulenzweig und einen Kondensatorzweig.
Untersuche jeden Zweig einzeln mit einer virtuellen Wechselspannungsquelle.
Vergleiche Stromstärke, Spannung und Phasenlage.
Verändere die Frequenz und dokumentiere die Unterschiede.
Berücksichtige zusätzliche Widerstände und andere nichtideale Eigenschaften des Simulationsmodells.

Simulation B: Falstad CircuitJS

Falstad Circuit Simulator öffnen

Dokumentierte Beispielschaltungen ansehen

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Wähle im Menü Circuits passende Beispiele aus dem Bereich A/C Circuits.

Geeignete Beispiele sind unter anderem die Wechselstromreaktionen von Kondensator und Spule sowie Schaltungen mit unterschiedlichen Frequenzen.

Leitfragen:

Welcher Stromverlauf ist gegenüber der Spannung verschoben?
Was verändert sich bei einer höheren Frequenz?
Welche der drei Baugruppen lässt sich anhand dieser Beobachtungen identifizieren?

Sicherheitshinweis: Diese Software bildet Stromkreise rechnerisch nach. Sie ersetzt weder eine fachliche Gefährdungsbeurteilung noch die Prüfung einer realen Anlage.

Ausbildungsfall lösen

Die drei virtuell untersuchten Baugruppen liefern bei 24 V Effektivspannung und 50 Hz folgende idealisierte Beobachtungen.

Baugruppe	Effektivstrom	Beobachtung
A	circa 0,24 A	Strom und Spannung sind gleichphasig.
B	circa 0,24 A	Der Strom eilt der Spannung nach.
C	circa 0,24 A	Der Strom eilt der Spannung voraus.

Auftrag: Ordne R, L und C zu. Begründe die Entscheidung und überprüfe die Zuordnung durch eine virtuelle Frequenzverdopplung.

Basisaufgabe: Phasenlage erkennen

Ordne die drei Baugruppen zu.

Hilfe 1: Achte auf die zeitliche Lage von Spannung und Strom.

Hilfe 2: Vergleiche die Kurven mit dem Signaldiagramm aus Lerneinheit 5.

Hilfe 3: Ohmsch bedeutet gleichphasig, induktiv bedeutet nacheilender Strom, kapazitiv bedeutet voreilender Strom.

Musterlösung: A = Widerstand, B = Spule, C = Kondensator.

Begründetes Feedback: Die Zuordnung ist richtig, weil die Phasenlage die idealisierten Bauteile unterscheidet. Die Stromstärke allein reicht hier nicht aus, da die drei Widerstandsbeträge bei 50 Hz nahezu identisch sind.

Anwendungsaufgabe: Frequenz verändern

Verdopple die virtuelle Frequenz auf 100 Hz. Untersuche die Veränderung der Blindwiderstände.

Hilfe 1: Vergleiche die Formeln für X_L und den Betrag von X_C.

Hilfe 2: Bei der Spule steht die Frequenz im Zähler. Beim Kondensator steht sie im Nenner.

Hilfe 3: Verdoppelte Frequenz bedeutet doppelter induktiver Blindwiderstand und halbierter kapazitiver Blindwiderstand.

Musterlösung: Der induktive Blindwiderstand steigt von circa 100 Ω auf circa 200 Ω. Der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands sinkt von circa 100 Ω auf circa 50 Ω.

Bei konstanten 24 V Effektivspannung ergibt sich für die ideale Spule etwa 0,12 A und für den idealen Kondensator etwa 0,48 A.

Begründetes Feedback: Die Spule hemmt schnelle Stromänderungen stärker. Beim Kondensator nimmt der Blindwiderstandsbetrag bei höherer Frequenz ab. Diese Aussage gilt für das idealisierte lineare Modell; reale Bauteile können abweichen.

Transferaufgabe: Eine Diagnose begründen

Ein virtuelles Modell einer Baugruppe zeigt eine veränderte Stromstärke und einen nacheilenden Strom.

Eine andere Baugruppe zeigt einen voreilenden Strom.

Erstelle eine kurze technische Diagnose mit:

Bauteilzuordnung
Begründung durch die Phasenlage
Aussage zur Frequenzabhängigkeit
Grenzen des verwendeten Ersatzmodells
Sicherheitshinweis zur realen Prüfung

Hilfe 1: Beginne mit den beobachteten Eigenschaften statt mit einer Vermutung.

Hilfe 2: Nutze Signaldiagramm und Blindwiderstandsformel.

Hilfe 3: Unterscheide die Berechnung einer idealen Spule von einer realen Spule mit Wicklungswiderstand.

Musterfeedback: Eine fachlich überzeugende Diagnose benennt die nacheilende Baugruppe als induktiv und die voreilende als kapazitiv. Sie erklärt, dass reale Verluste die Phasenwinkel verändern können, und leitet aus der Simulation keine Freigabe für einen realen Eingriff ab.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Phasenlage besitzen Strom und Spannung an einem idealen ohmschen Widerstand? (Sie sind gleichphasig) (!Der Strom eilt um 90 Grad voraus) (!Der Strom eilt um 90 Grad nach) (!Sie sind immer um 120 Grad verschoben)

Wie verhält sich der Strom an einer idealen Spule bei sinusförmiger Wechselspannung? (Er eilt der Spannung um 90 Grad nach) (!Er eilt der Spannung um 90 Grad voraus) (!Er ist immer gleichphasig) (!Er besitzt immer die doppelte Frequenz)

Wie verhält sich der Strom an einem idealen Kondensator? (Er eilt der Spannung um 90 Grad voraus) (!Er eilt der Spannung um 90 Grad nach) (!Er fließt bei Wechselspannung niemals) (!Er ist grundsätzlich gleichphasig)

Was geschieht mit dem induktiven Blindwiderstand bei einer Frequenzverdopplung? (Er verdoppelt sich) (!Er halbiert sich) (!Er bleibt konstant) (!Er wird null)

Was geschieht mit dem Betrag des kapazitiven Blindwiderstands bei einer Frequenzverdopplung? (Er halbiert sich) (!Er verdoppelt sich) (!Er bleibt konstant) (!Er wird unendlich groß)

Wie groß ist der Effektivstrom durch einen idealen Widerstand von 100 Ohm bei 24 Volt Effektivspannung? (0,24 Ampere) (!2,4 Ampere) (!24 Ampere) (!0,024 Ampere)

Welche Periodendauer gehört zu einer Frequenz von 50 Hertz? (20 Millisekunden) (!50 Millisekunden) (!100 Millisekunden) (!5 Millisekunden)

Um welchen Winkel sind die drei Phasenspannungen eines symmetrischen Drehstromsystems gegeneinander verschoben? (120 Grad) (!90 Grad) (!180 Grad) (!45 Grad)

Welche Nennspannung liegt im üblichen europäischen Niederspannungsnetz zwischen zwei Außenleitern? (400 Volt) (!24 Volt) (!100 Volt) (!50 Volt)

Welche Aussage über einen vollständig richtig gelösten Sicherheitsquiz ist zutreffend? (Er stellt keine Freigabe für reale Elektroarbeiten dar) (!Er erlaubt selbstständige Arbeiten am Stromnetz) (!Er ersetzt die fachliche Qualifikation) (!Er ersetzt die Gefährdungsbeurteilung)

Memory

Verbinde die passenden Begriffe.

Wirkwiderstand	Gleichphasigkeit
Induktivität	Magnetfeld
Kapazität	Elektrisches Feld
Effektivwert	Quadratischer Mittelwert
Scheinleistung	Voltampere
Induktiver Blindwiderstand	Steigt bei höherer Frequenz
Kapazitiver Blindwiderstand	Sinkt im Betrag bei höherer Frequenz
Drehstrom	Drei versetzte Wechselspannungen

Drag and Drop

Ordne die Eigenschaften zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Gleichphasiger Strom	Ohmscher Widerstand
Nacheilender Strom	Ideale Spule
Voreilender Strom	Idealer Kondensator
Zunehmender Blindwiderstand bei steigender Frequenz	Induktive Reaktanz
Abnehmender Blindwiderstandsbetrag bei steigender Frequenz	Kapazitive Reaktanz

Kreuzworträtsel

Effektivwert	Wie heißt der quadratische Mittelwert einer Wechselgröße?
Phasenlage	Wie heißt die zeitliche Stellung einer sinusförmigen Größe gegenüber einer anderen?
Spule	Welches Bauteil speichert Energie in einem Magnetfeld?
Kondensator	Welches Bauteil speichert Energie in einem elektrischen Feld?
Blindwiderstand	Wie heißt der frequenzabhängige reaktive Widerstandsanteil?
Drehstrom	Wie heißt ein System aus drei zeitlich versetzten Wechselspannungen?

LearningApps

Die Einbindung öffnet eine thematische Suche bei LearningApps. Die dort gefundenen Anwendungen müssen vor dem Unterricht fachlich überprüft werden.

Lückentext

Eine Wechselspannung ändert ihre Polarität in regelmäßigen zeitlichen

.

Die Anzahl vollständiger Schwingungen pro Sekunde heißt

.

Bei sinusförmigen Wechselgrößen wird der quadratische Mittelwert als

bezeichnet.

Bei einer Frequenz von 50 Hertz beträgt die Periodendauer

Millisekunden.

An einem idealen ohmschen Widerstand sind Strom und Spannung

.

An einer idealen Spule eilt der Strom der Spannung

.

An einem idealen Kondensator eilt der Strom der Spannung

.

Eine ideale Spule speichert Energie in einem

.

Ein Kondensator speichert Energie in einem elektrischen

.

Bei steigender Frequenz wird der induktive Blindwiderstand

.

Bei steigender Frequenz wird der kapazitive Blindwiderstand im Betrag

.

Die Einheit der Induktivität heißt

.

Die Einheit der Kapazität heißt

.

Die drei Phasenspannungen eines symmetrischen Drehstromsystems sind um jeweils

Grad verschoben.

Reale Elektroarbeiten erfordern entsprechend qualifizierte und

Personen.

Ein erfolgreiches Quiz ersetzt niemals eine fachliche

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben in drei Niveaustufen. Nutze vorzugsweise digitale Zeichnungen, Tabellen, Erklärvideos und die bestätigten Simulationen.

Leicht – Basis

Wechselspannung: Zeichne eine Sinuskurve und markiere Nulldurchgänge, Scheitelwert und Periodendauer.
Ohmsches Gesetz: Berechne den Effektivstrom eines idealen 100-Ω-Widerstands bei 24 V Effektivspannung und erkläre den Rechenweg.
Spule: Gestalte eine Lernkarte, die Magnetfeld, Induktivität und nacheilenden Strom miteinander verknüpft.
Kondensator: Erstelle eine einfache Skizze, die zeigt, dass der Strom bei sinusförmiger Spannung voreilt.

Standard – Anwendung

Wechselstromkreis: Vergleiche R, L und C in der PhET-Simulation und dokumentiere die Signalverläufe.
Blindwiderstand: Berechne die idealen Blindwiderstände der Ausbildungsbaugruppen bei 25, 50 und 100 Hz.
Schaltplan: Zeichne die drei Einzelbauteilmodelle sowie eine R-L- und eine R-C-Reihenschaltung.
Phasenverschiebung: Erstelle eine zweiminütige digitale Erklärung, die einen Phasenwinkel von 90° mit einem Zeitdiagramm veranschaulicht.

Schwer – Transfer

Impedanz: Untersuche virtuell, wie sich ein zusätzlicher ohmscher Serienwiderstand auf Strom und Phasenlage einer Spule auswirkt.
Blindleistung: Erkläre mithilfe eines Zeigerdiagramms den Unterschied zwischen Wirkleistung und Blindleistung.
Dreiphasenwechselstrom: Entwickle ein Lernplakat, das die 120°-Phasenverschiebung im Drehstromsystem von der Lastphasenverschiebung unterscheidet.
Gefährdungsbeurteilung: Verfasse eine begründete Empfehlung, welche Teile eines Unterrichtsversuchs ausschließlich virtuell durchgeführt werden sollten und weshalb ein Quizresultat keine Arbeitsfreigabe darstellt.

Lernkontrolle

Die folgenden Aufgaben prüfen Deine Fähigkeit, Zusammenhänge zu erklären und Wissen auf neue Situationen zu übertragen.

Fehleranalyse: In einer Simulation wird eine Spule durch einen Widerstand ersetzt. Erkläre, welche Veränderung der Stromkurve zu erwarten ist und warum.
Frequenzabhängigkeit: Ein virtueller Kondensatorstrom nimmt bei steigender Frequenz zu. Begründe, warum das zu den Eigenschaften des kapazitiven Blindwiderstands passt.
Technische Diagnose: Zwei Bauteile besitzen bei 50 Hz fast den gleichen Widerstandsbetrag. Entwickle eine Methode, mit der Du sie anhand virtueller Messgrößen unterscheiden kannst.
Ersatzschaltbild: Eine reale Spule hat einen Wicklungswiderstand. Erkläre, warum die ideale Phasenverschiebung von 90° dann im Allgemeinen nicht erreicht wird.
Drehstromsystem: Begründe, warum eine um 120° verschobene Außenleiterspannung nicht automatisch bedeutet, dass der Laststrom um 120° zu seiner Spannung verschoben ist.
Sicherheitsbewertung: Ein Lernender möchte nach einem erfolgreichen Onlinequiz selbstständig eine reale 230-V-Schaltung aufbauen. Begründe eine fachlich korrekte Entscheidung zum weiteren Vorgehen.

Bewertungskriterien: Eine gute Lösung enthält eine nachvollziehbare Erklärung, fachlich richtige Zusammenhänge, passende Diagramme oder Berechnungen und eine klare Unterscheidung zwischen Simulationsmodell und realer Elektroanlage.

Lernnachweis

Für einen aussagekräftigen Lernnachweis erstellst Du ein digitales Portfolio.

Dokumentiere die wichtigsten Wechselstromgrößen mit Einheiten und einem beschrifteten Signaldiagramm.
Erkläre die Unterschiede zwischen ohmschem, induktivem und kapazitivem Widerstand anhand selbst angefertigter Darstellungen.
Berechne die Werte des Ausbildungsfalls und überprüfe sie auf Plausibilität.
Lege eine strukturierte Auswertung der beiden virtuellen Simulationen vor.
Begründe die Zuordnung der unbekannten Baugruppen anhand von Stromstärke, Phasenlage und Frequenzverhalten.
Erkläre den Unterschied zwischen 120° im symmetrischen Drehstromsystem und 90° bei idealen Blindbauteilen.
Beschreibe Modellgrenzen und relevante Sicherheitsanforderungen.

Rückmeldekriterien: Fachliche Richtigkeit, nachvollziehbarer Rechenweg, korrekte Interpretation der Diagramme, begründete Aussagen und reflektierter Umgang mit Modellgrenzen.

Keine Arbeitsfreigabe: Der Lernnachweis dokumentiert den Lernfortschritt. Er ersetzt weder Qualifikationsnachweise noch Beauftragungen, Gefährdungsbeurteilungen oder vorgeschriebene Prüfungen.

OERs zum Thema

Wikipedia:

Vertiefung:

Fachquellen und Sicherheit

Fachliche Grundlagen:

OpenStax – College Physics 2e: Induktive und kapazitive Blindwiderstände sowie Phasenbeziehungen.
Wikipedia – Blindwiderstand: Formeln, Vorzeichen und Frequenzabhängigkeit.
Wikipedia – Phasenverschiebung: Vergleich idealer ohmscher, induktiver und kapazitiver Bauteile.
DKE – DIN EN 60038: Normfrequenz und Netzspannungsgrundlagen.
DGUV Information 202-039: Sicheres Experimentieren mit elektrischer Energie.
DGUV – Bildungsbereich Elektrowerkstatt: Sicherheitsinformationen für die elektrotechnische Ausbildung.

Didaktische Eingrenzung: Die Berechnungen gelten für ideale lineare R-, L- und C-Bauteile bei sinusförmiger Anregung. Wicklungswiderstände, Verluste, Erwärmung, Sättigung und nichtsinusförmige Signale können das reale Verhalten verändern.

Medienrechte und Bildnachweise

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Sine voltage.svg: Matthias Krüger, gemeinfrei laut Commons.
Ac-resistor-circuit.svg: MikeRun, CC BY-SA 4.0.
Ac-inductor-circuit.svg: MikeRun, CC BY-SA 4.0.
Ac-capacitor-circuit.svg: MikeRun, CC BY-SA 4.0.
VI phase.svg: Andel, CC0 1.0.
AC RL series circuit.svg: P1ayer, CC0 1.0.
AC RC series circuit.svg: P1ayer, CC0 1.0.
AC RLC series circuit.svg: P1ayer, CC0 1.0.
3 phase AC waveform.svg: J JMesserly nach SiriusA, CC BY 3.0 laut Commons.
Drehstrom.svg: Christoph Tzschoppe, SVG-Nachzeichnung Curtis Newton, gemeinfrei laut Commons.

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