Aufgabe 2 - Teilaufgabe 3 · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022

Thema: Magnetfeld und elektromagnetische Induktion · Aus der Prüfung GK · Nachtermin (2022)

Aufgabenstellung

Teilaufgabe 3: Schutzwirkung des FI-Schalters

Abbildung 7 zeigt, wie sich Strom auf den Menschen auswirkt, abhängig von der Stromstärke IKI_\text{K} durch den Körper und von der Einwirkzeit tt; zusätzlich ist die Auslösekennlinie eines FI-Schutzschalters mit der Auslösestromstärke IF=30 mAI_\text{F} = 30\text{ mA} eingezeichnet.

a)

Begründen Sie, weshalb die Stromstärke IKI_\text{K} in Abbildung 7 mit der Fehlerstromstärke IFI_\text{F} in Abbildung 6 übereinstimmt. [2 Punkte]

b)

Der FI-Schutzschalter löst ab einer Fehlerstromstärke von IF≥30 mAI_\text{F} \ge 30\text{ mA} spätestens nach einer Einwirkzeit von t=100 mst = 100\text{ ms} aus.

Erklären Sie diese Aussage anhand der Auslösekennlinie des 30-mA-FI-Schutzschalters in Abbildung 7. [3 Punkte]

c)

Bestimmen Sie anhand des Diagramms in Abbildung 7:

In einem Internetforum steht folgender Beitrag:

„ Braucht man zwingend einen empfindlicheren FI-Schalter? Demnächst bekomme ich eine neue Küche [...] und der Küchenplaner war gestern bei mir vor Ort. Er warf auch einen Blick in den Sicherungskasten und meinte, man hätte heutzutage keine FI-Schalter mehr mit (einer Auslösestromstärke von) 0,5 A, sondern Standard wäre 0,03 A. [...] Nun kann ich aber sagen, dass ich bisher noch nie ein Problem mit dem 0,5 A-Schalter hatte und mir einer mit 0,03 A fast zu empfindlich erscheint, da dieser ja schon beim kleinsten Fehlerstrom abschalten würde. Wie ist das also? Macht ein Wechsel Sinn oder nicht?“

d)

• Begründen Sie anhand von Abbildung 7, dass es sinnvoll wäre, einen FI-Schutzschalter mit der Auslösestromstärke 0,5 A0{,}5\text{ A} durch einen mit 0,03 A0{,}03\text{ A} zu ersetzen. [3 Punkte]

• Beurteilen Sie die Behauptung im Forumsbeitrag, der 0,03-A-FI-Schutzschalter0{,}03\text{-A-FI-Schutzschalter} wirke zu empfindlich. [4 Punkte]

Aufgabenstellung: Aufgabe 2 - Teilaufgabe 3 · Abitur NRW Physik GK · Nachtermin 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

a) Begründen Sie, weshalb die Stromstärke IKI_\text{K} in Abbildung 7 mit der Fehlerstromstärke IFI_\text{F} in Abbildung 6 übereinstimmt.

Lösung: In Abbildung 7 ist IKI_\text{K} die Stromstärke des Stroms, der durch den menschlichen Körper und die Erde abfließt. Dies ist nach Abbildung 6 genau der Fehlerstrom IFI_\text{F}, der über die Person und die Erdung an der Rückleitung vorbeigeleitet wird.

b) Bei einer Fehlerstromstärke von IF≥30 mAI_\text{F} \ge 30\text{ mA} schaltet der FI-Schutzschalter spätestens nach einer Einwirkzeit von t=100 mst = 100\text{ ms} ab. Erklären Sie diese Aussage anhand der Auslösekennlinie des 30-mA-FI-Schutzschalters in Abbildung 7.

Lösung: Anhand der Auslösekennlinie erkennt man, dass die Auslösezeit mit zunehmender Stromstärke abnimmt. Bei minimal 30 mA30\text{ mA} löst der FI-Schalter nach spätestens 100 ms100\text{ ms} aus; bei Strömen unter 30 mA30\text{ mA} löst er nicht aus.

c) • Bestimmen Sie anhand des Diagramms in Abbildung 7, ab welcher Zeit tt ein Strom mit IK=100 mAI_\text{K} = 100\text{ mA} vermutlich tödlich wirkt.

Lösung: 500500 ms / 0,50{,}5 s

c) • Bestimmen Sie anhand des Diagramms in Abbildung 7, ab welcher Stromstärke IKI_\text{K} die Wirkung vermutlich tödlich ist, wenn der Strom t=1 st = 1\text{ s} lang fließt.

Lösung: 5050 mA / 0,050{,}05 A

d) • Begründen Sie anhand von Abbildung 7, dass es sinnvoll wäre, einen FI-Schutzschalter mit der Auslösestromstärke 0,5 A durch einen mit 0,03 A zu ersetzen.

Lösung: Ein Strom von 0,5 A0{,}5\text{ A} (500 mA500\text{ mA}) ist bereits bei sehr kurzen Zeiten (ab ca. 200 ms200\text{ ms} oder kürzer) wahrscheinlich tödlich. Ein 0,03-A-FI-Schalter schützt bei Strömen ab 30 mA30\text{ mA} innerhalb von 2020 bis 100 ms100\text{ ms}, sodass potenziell tödliche Stromstärken rechtzeitig unterbrochen werden.

d) • Beurteilen Sie die Behauptung im Forumsbeitrag, der 0,03-A-FI-Schutzschalter wirke zu empfindlich.

Lösung: Die Aussage ist unzutreffend. Ein Fehlerstrom fließt nur bei einem Isolationsfehler über die Erde ab; im normalen, ordnungsgemäßen Betrieb fließt kein Fehlerstrom. Zudem ist eine Auslösung ab 30 mA30\text{ mA} notwendig, um den Körper vor gefährlichem Kammerflimmern wirksam zu schützen.

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