Elektrische Sicherheit

Ein Strom von etwa 10 bis 20 mA durch den Körper kann die Hand so verkrampfen, dass sie einen Draht nicht loslassen kann. Ein durchnässter Mensch hat möglicherweise nur 10 kΩ Widerstand.

Zwei Gefahren: Wärme und Stromschlag

Elektrizität kann auf zwei Arten verletzen. Eine thermische Gefahr entsteht, wenn zu viel Leistung an einer unerwünschten Stelle in Wärme umgewandelt wird, etwa in einer Wand, wo sie einen Brand auslösen kann. Bei einem Stromschlag fließt Strom durch einen Menschen. Beides folgt direkt aus den Formeln dieses Kurses, P = V² ÷ R und I = V ÷ R. Du weißt also schon genug, um zu verstehen, wo die Gefahr liegt.

Kurzschlüsse

Ein Kurzschluss ist eine Verbindung mit sehr kleinem Widerstand zwischen den beiden Polen einer Spannungsquelle. Er entsteht zum Beispiel, wenn eine abgenutzte Isolierung zwei Adern eines Gerätekabels miteinander in Berührung kommen lässt. Weil der Kurzschlusswiderstand r winzig ist, wird die Leistung P = V² ÷ r enorm groß. OpenStax rechnet mit 120 V an einem Kurzschluss von 0.100 Ω: 120² ÷ 0.100 = 144 000 W oder 144 kW, weit mehr als bei jedem Haushaltsgerät. So schnell entsteht Wärme, dass die Isolierung schmilzt oder Feuer fängt. Im Labor ist die Batterie ideal. Ein Kurzschluss lässt die Stromstärke daher unbegrenzt steigen, und das Labor markiert ihn rot. Eine echte Batterie hat einen Innenwiderstand, der den Strom begrenzt. Dennoch wird sie schnell heiß.

Überlastung, Schmelzsicherungen und Leitungsschutzschalter

Weniger auffällig ist eine Überlastung: Zu lange fließt zu viel Strom durch einen Draht. Die im Draht selbst entstehende Wärmeleistung beträgt P = I² R_w. Ein beschädigtes Kabel mit teilweise gerissenen Litzen kann statt 0.100 Ω einen Widerstand von 2.00 Ω haben. Bei 10.0 A setzt es dann im Inneren 200 W in Wärme um. Aus der Einheit zur Parallelschaltung weißt du: Jedes eingeschaltete Gerät erhöht den Strom in den Zuleitungen. Viele leistungsstarke Geräte an einer Steckdosenleiste können diese deshalb überlasten, selbst wenn jedes einzeln einwandfrei funktioniert.

Schmelzsicherungen und Leitungsschutzschalter schützen vor beiden Problemen. Sie liegen in Reihe mit dem Stromkreis, sodass dessen gesamter Strom durch sie fließt. Eine Schmelzsicherung besitzt einen Metallstreifen mit niedrigem Schmelzpunkt. Bei zu hohem Strom schmilzt er und unterbricht den Stromkreis dauerhaft; die Sicherung muss ersetzt werden. Ein Leitungsschutzschalter ist ein automatischer Schalter, der bei anhaltender Überschreitung seines Grenzwerts öffnet und sich wieder einschalten lässt. Manche Geräte nehmen beim Start kurzzeitig einen starken Strom auf, etwa der kalte Scheinwerfer in der Einheit zum ohmschen Gesetz. Sicherungen und Leitungsschutzschalter sind deshalb so ausgelegt, dass sie kurze Stromspitzen zulassen und bei anhaltender Überlastung auslösen.

Was Strom im Körper bewirkt

Wie schwer ein Stromschlag verletzt, hängt vor allem von der Stromstärke ab, aber auch vom Weg durch den Körper, der Einwirkdauer und der Frequenz. OpenStax nennt typische Wirkungen eines 1 Sekunde dauernden Stromschlags durch den Rumpf bei 60 Hz Netzfrequenz. Sie stehen in der Tabelle. Für Frauen liegen die Werte bei etwa 60 bis 80 Prozent der angegebenen Werte. Die Schwellen sind niedrig: Ab etwa 10 bis 20 mA kann sich die Hand so verkrampfen, dass Loslassen unmöglich wird. Ab etwa 100 bis 300 mA kann Kammerflimmern auftreten, ein tödlicher unregelmäßiger Herzrhythmus.

Das ohmsche Gesetz zeigt, warum Wasser so entscheidend ist. Der größte Teil des Körperwiderstands liegt in der trockenen Haut. OpenStax nennt etwa 200 kΩ für einen Menschen mit trockener Haut. Bei 120 V fließen daher 120 ÷ 200 000 = 0.6 mA, was unbemerkt bleibt. Durchnässt hat derselbe Mensch möglicherweise nur 10.0 kΩ. Dieselben 120 V treiben nun 12 mA durch ihn, mehr als die Loslassgrenze. Bei den in Korea, Europa und vielen anderen Regionen üblichen 220 bis 230 V ergeben dieselben beiden Widerstände etwa 1.1 mA und 22 mA. Genau deshalb sind nasse Hände, Badezimmer und elektrische Geräte in Wassernähe gefährlich.

Schutzleiter, Schutzisolierung und Fehlerstromschutzschalter

Moderne Installationen bieten mehrere Schutzebenen. Bei einem System mit drei Adern verbindet eine dritte Ader, der Schutzleiter, das Metallgehäuse eines Geräts mit der Erde und hält es nahe null Volt. Berührt wegen einer beschädigten Isolierung der Außenleiter das Gehäuse, fließt der Strom durch den Schutzleiter statt durch den Menschen am Gehäuse und löst gewöhnlich den Leitungsschutzschalter aus. Schutzisolierte Geräte nutzen ein schützendes Isoliersystem statt einer Erdverbindung. Man erkennt sie an ihrer Kennzeichnung, nicht allein an der Zahl der Steckerstifte. Ein Fehlerstromschutzschalter, auch FI-Schalter oder RCD genannt, vergleicht den hinfließenden Strom in einer Ader mit dem zurückfließenden in der anderen. Unterscheiden sie sich um mehr als einen festgelegten Wert, muss Strom anderswo abfließen, möglicherweise durch einen Menschen. Der Schalter unterbricht die Versorgung innerhalb eines Sekundenbruchteils. Der Grenzwert hängt vom Land ab. Nordamerikanische Fehlerstromschutzschalter lösen bei etwa 5 mA aus, der größten ungefährlichen Stromstärke in der Tabelle. Zum Personenschutz eingesetzte FI-Schalter in Korea und Europa haben gewöhnlich 30 mA Nennfehlerstrom. Koreanische Installationsvorschriften verlangen für Badezimmersteckdosen 15 mA.

• Halte elektrische Geräte und Steckdosen von Wasser fern und trockne zuerst deine Hände ab.
• Betreibe nicht viele leistungsstarke Geräte gleichzeitig an einer Steckdosenleiste.
• Benutze Kabel mit beschädigter Isolierung oder heiß werdenden Steckern nicht weiter.
• Wenn eine Sicherung oder ein Leitungsschutzschalter immer wieder auslöst, stimmt etwas nicht: Suche die Ursache, statt eine stärkere Sicherung einzusetzen.
• Überlasse Netzinstallationen und Reparaturen im Inneren von Geräten einer Elektrofachkraft.