Stromdichte

Die Stromdichte J ergibt sich als Verhältnis (Quotient) der Stromstärke zum Leiterquerschnitt. Im Regelfall sind Leiterbahnquerschnitte und elektrische Leitungen entsprechend der Norm VDE 0100 auszulegen.

Querschnitte und weitere Informationen sind der Norm (die in jeder in diesem Bereich ausbildenden Schule oder jedem ausbildenden Betrieb) einzusehen. Wer es kompliziert liebt, mag sich bei der deutschsprachigen Wikipedia umsehen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Strom_(Physik)

Eine eingängigere Darstellung mitsamt handhabbarer zahlen hält das Elektronik-Kompendium bereit. https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0501191.htm

Elektrische Leitungen besitzen unter nicht supraleitenden Bedingungen einen inneren Widerstand (siehe Berechnung des spezifischen Widerstands einer Leitung), der zu einer lokalen Verlustleitung im elektrischen Leiter führt. Verlustleistung mein in diesem Zusammenhang eine elektrische Leistung, die nicht erwünscht ist und in Wärme umgesetzt wird.

Kann die durch Leitungsverluste entstehende Wärme nicht an die Umgebung abgegeben werden, erhöht sich die Temperatur des Leiters, dessen Widerstand damit zunimmt, was zu einer höheren Verlustleistung = Wärmeproduktion führt und einen Schadensfall durch Schmelzen oder Kabelbrand herbeiführt.

Beispiel:
An einer nur geringfügig abgerollten Kabeltrommel wird ein PC-Netz im Rahmen einer Lan-Party betrieben Der Leitungsquerschnitt des aufgerollten Kabels ist mit 1,0 mm² nicht unüblich dimensioniert. Zulässig ist der Betrieb eines solchen Kabels lauf VDE 0100 mit bis zu 16A. Während des Spielens entnimmt ein PC aufgrund der geforderten grafischen Berechnungen und der Simulation durch die CPU etwa 500W auf. 4 PCs sollten somit 2 KW Leistung benötigen. 2000W = 230 V x I A; I = 2000 / 230 A und somit <10A, was deutlich unterhalb der zulässigen 16 A liegt. Ein sicherer Betrieb sollte möglich sein. Praktisch wird die Kabeltrommel nach einiger Zeit durch Rauchzeichen und Bruzzelgeräuschen an optischen und akustischen Elementen des Spielerlebnisses teilnehmen, bevor sie dem Fortgang des Spieles ein deutliches Ende setzt.
Hinweis:
Das Kabel ist innerhalb der Kabeltrommel nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch isoliert. Mit einer angenommenen Kabellänge von 25 m und unter Nutzung der obigen Angaben in Verbindung mit dem spezifischen Widerstand von Kupfer, lässt sich der Leitungswiderstand ermitteln, aus dem sich mit P = R x I² die in der Trommel umgesetzte thermische Leistung für den Kabelstrang von und zur Vielfachdose berechnen lässt.

Das Kabel ist innerhalb der Kabeltrommel nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch isoliert. Mit einer angenommenen Kabellänge von 25 m und unter Nutzung der obigen Angaben in Verbindung mit dem spezifischen Widerstand von Kupfer, lässt sich der Leitungswiderstand ermitteln, aus dem sich mit P = R x I² die in der Trommel umgesetzte thermische Leistung für den Kabelstrang von und zur Vielfachdose berechnen lässt.

Die Masse des Kabels und der Isolation erfährt durch die so berechnete Leistung eine Erwärmung und der wahrscheinliche Versagenszeitpunkt lässt sich ermitteln. (Üblicherweise, während das Spiel gerade die höchste Konzentration erfordert).

Die Empfehlung der VDE-Norm für Leitungsquerschnitte gilt für freie oder der Norm entsprechend verlegte Kabel, die unter den Bedingungen der Norm betrieben werden.

Insbesondere bei der unsachgemäßen Montage von Elektrokabeln und -Litze spielt die Stromdichte eine hinterlistige Rolle. Dies erläutern die folgenden Videos. Bei Handhabung, Montage und Reparatur von Elektrokabeln und -anschlüssen gelten wie immer die 5 Sicherheitsregeln:

  1. Freischalten – Spannungsfreiheit herstellen
  2. Gegen Wiedereinschalten sichern
  3. Spannungsfreiheit feststellen
  4. Erden und Kurzschließen
  5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken

Problemfall Steckdosenleiste:

Problemfall Kabeltrommel:

Unsachgemäß angeschlossene Steckdose:

Der Stecker eines Notebook-Netzteils ist zwar VDE-gekennzeichnet. Bei Kenntnis der ersten Anzeichen von Bauteilversagen, sollte Stecker, Dosen und Verteiler rechtzeitig außer Betrieb genommen und instandgesetzt oder entsorgt werden.

Das folgende Video beschäftigt sich eigentlich mit dem fachgerechten Crimpen elektrischer Leitungen, in einzelnen Sequenzen sind jedoch auch Problemursachen zu sehen, die unmittelbar mit der Stromdichte zusammenhängen:

Werden beim Befestigen von Kabel oder Litze Querschnitte der Kabel und Litze durch Quetschung oder Abriss von Fasern gemindert, erhöht sich die Stromdichte exakt am Ort der Schwächung der Leitung. Was nutzt ein Leitungsquerschnitt von 1 cm, wenn er an einer Stelle nur 1 mm beträgt. An dieser Engstelle besitzt die Leitung einen lokal erhöhten Leitungswiderstand. Einer der Merksätze über die (Verlust-)Leistungsverteilung in einer Reihenschaltung von Widerständen besagt:

In einer Reihenschaltung von Widerständen wird die höchste Leistung am größten Widerstand umgesetzt.