Elektrische Widerstände zur Erwärmung von Wasser

In Sanitäranlagen ist es oft nicht möglich, Brenner oder Flammen zu verwenden, um das beförderte Wasser zu erhitzen. Dieses Verbot ergibt sich aus gesetzlichen Gründen, vor allem aber aus Vorschriften, die darauf abzielen, die Gesundheit und Sicherheit aller Menschen, die in der Nähe dieser Anlagen leben oder sich aufhalten, zu erhalten.
Ausgehend von dieser Prämisse erscheint die Notwendigkeit, das Wasser für den zivilen oder häuslichen Gebrauch mit unterschiedlichen Methoden zu erhitzen, offensichtlich: Die am weitesten verbreitete Methode basiert auf der Verwendung von Geräten wie elektrischen Widerständen.

Elektrische Widerstände sind grundlegende Bauteile in der Welt der Elektrotechnik und haben ihren Namen von einer wichtigen Größe dieses Teilgebiets der Physik. Tatsächlich ist der elektrische Widerstand definiert als „eine skalare physikalische Größe, die die Tendenz eines Körpers misst, sich dem Stromfluss zu widersetzen“. Innerhalb dieser Definition gibt es einige wichtige Konzepte:
- Skalar: d. h. kein Vektor und nicht durch eine Seite oder eine Richtung gekennzeichnet;
- Gegensatz: Der Durchgang eines Stroms innerhalb eines Widerstands verursacht einen Spannungsabfall;

Tatsächlich sind die Hauptregeln für elektrische Widerstände die beiden Ohmschen Gesetze und der Joule-Effekt. Insbesondere die ersten beiden bestimmen die Beziehungen zwischen Spannung, Widerstand und Strom und definieren eine Methodik zur Berechnung des Widerstands selbst, während der letzte Effekt grundlegend für die Erwärmung des Wassers in einem mit solchen Komponenten ausgestatteten Kreislauf ist.

Obwohl das Thema von erheblicher Komplexität ist, stellt es im Grunde das berühmte Erste Prinzip der Thermodynamik dar, das im Vergleich zum konkreten Fall darauf hindeutet, dass sich die in einem Stromkreis vorhandene elektrische Energie beim Durchgang durch einen Widerstand nicht verflüchtigt, sondern in eine andere Form von Energie umgewandelt wird, nämlich in Wärme.

Der Effekt, dessen Name sich vom Nachnamen des Physikers ableitet, der ihn zuerst theoretisierte, lässt sich leicht erklären, indem man sagt, dass die Wärme oder die erzeugte thermische Energie gleich dem Produkt aus dem Quadrat des Stroms und dem Wert des Widerstands ist. Dies hat mögliche Folgen:

1. Wenn sich der durch einen Stromkreis fließende Strom bei gleichem Widerstand verdoppelt oder halbiert, ist die erzeugte Energie gleich dem Vierfachen oder einem Viertel der mit dem anfänglichen Stromwert erhaltenen Leistung;
2. Diese Erhöhung oder Verringerung kann nicht mit einer Erhöhung des Widerstands erreicht werden.

Dieser Effekt hat in der modernen Welt mit dem Ausbau der Elektrizität immer mehr an Bedeutung gewonnen und ist die Grundlage vieler Geräte und Vorrichtungen, mit denen wir im Alltag in Berührung kommen: Denken Sie nur an einen Haartrockner oder, was Wasser betrifft, an einen Wasserkocher.

Strom kann in zwei Hauptformen auftreten: Wechsel- und Gleichstrom. Was sind die Hauptunterschiede?
- Der Wechselstrom zeichnet sich durch einen sinusförmigen Verlauf aus und hat sowohl Akkumulations- als auch Produktionsvorteile, was einen Transport über große Entfernungen mit wirtschaftlichen Vorteilen ermöglicht.
- Gleichstrom hingegen zeichnet sich durch einen konstanten Verlauf aufgrund des Flusses elektrischer Ladungen innerhalb des Leiters aus. Es kann über Kabel über sehr weite Strecken transportiert werden und wird von den Batterien mit Energie versorgt. Das Hauptproblem ist jedoch die Akkumulation.
Wechselstrom ist aufgrund seiner wirtschaftlichen und praktischen Zweckmäßigkeit heute weltweit weit verbreitet: In Europa wird dreiphasiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz verwendet. Auch die elektrischen Widerstände für das Wasser werden von dieser Stromart durchquert, die nicht nur durch den Widerstand, sondern auch durch die Reaktanz X behindert wird, die ein Beitrag ist, der sich aus der Induktivität I und der elektrischen Kapazität C ergibt. Insbesondere die Formel von die Impedanz Z ist:

Z=R+jX

wobei R der Widerstand ist, X die Reaktanz ist und j den Imaginärteil der Impedanz angibt.
Daher sind auch die damit verbundenen Berechnungen zur Ableitung der Stromstärke und des Potentialabfalls komplizierter, wenn man in die Welt der komplexen Zahlen einsteigt. Die fundierte Kenntnis dieser physikalischen Größen stellt eine Grundvoraussetzung für die Realisierung qualitativ geeigneter Produkte dar.

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