Spannung, Frequenzbereich und Wellenform

Die elektrischen Parameter sind für das Gefühl und den Erfolg der EES von entscheidender Wichtigkeit. Gerade hier kann man viel falsch machen, was dann zu einem unangenehmen Erlebnis führt oder sogar gefährlich werden kann.

Nachdem viele Menschen nur eine vage Vorstellung vom Wesen der Elektrizität und ihrer Kenngrößen haben, will ich auf dieser Seite zunächst die folgenden Begriffe kurz erklären:

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Auf den folgenden Seiten über die elektrischen Eigenschaften,

Gleichstrom
Spannungsbereich
Stromstärke
Frequenzbereich
Übergangswiderstand und Impedanz des Körpers

wird beschrieben, in welchem Zusammenhang diese Größen zueinander stehen und welchen Einfluss sie auf die Stimulation von Nerven haben. Diese Kenntnisse sind wichtig, um die Gefahren der Elektrostimulation zu minimieren und die EES zum unvergesslichen Erlebnis zu machen.


Begriffsbestimmung

Bevor es zur Sache geht, möchte ich noch klären, welche Begriffe verwendet werden und vor Allem, was sie bedeuten. Wer im Physikunterricht in der Schule gut aufgepasst hat, der kann diese Begriffsbestimmung möglicherweise überspringen, denn etwas revolutionär Neues wird hier nicht erklärt.
Es besteht eine gewisse Ähnlichkeit zwischen einem Stromkreis und dem Blutkreislauf im menschlichen Körper. Deshalb werde ich die einzelnen Begriffe auch mit jenen bei einem Blutkreislauf vergleichen.

Spannung

Alessandro Volta.jpg Die Spannung ist vergleichbar mit dem Blutdruck im Kreislauf. Genau genommen ist es die Anzahl der Elektronen, die am Minuspol der Stromquelle gegenüber dem Pluspol überzählig sind. Elektronen sind negativ geladen, der Minuspol einer Stromquelle ebenfalls. Ungleiche Ladungen ziehen sich an, gleiche stoßen sich gegenseitig ab. Deshalb strömen die Elektronen aus dem Minuspol heraus in den Stromkreis und bewegen sich durch die Leitungen zum Pluspol hin.
Je größer die Überzahl der Elektronen an der Kathode (–) ist, desto größer ist die elektrische Spannung.
Alessandro Graf Volta (*18.Feb. 1745, 5.März 1827) erfand die erste brauchbare Stromquelle, die Volta′sche Säule, gewissermaßen die erste elektrische Batterie, die Volta aufgrund der Forschungen von Luigi Galvani konstruierte. Ihm zu Ehren wurde die elektrische Maßeinheit für die Spannung benannt.

Die Spannung wird mit der Maßeinheit Volt (Kurzzeichen „V”) gemessen. Formelzeichen: U.


Strom

Andre Ampere.jpg Die elektrische Stromstärke (Kurzform „Strom”) entspricht in unserem Vergleich mit dem Blutkreislauf der vom Herzen innerhalb einer bestimmten Zeit geförderten Blutmenge. Durch dickere Adern fließt mehr Blut als durch dünne. Durch einen dickeren Leiter bewegen sich die Elektronen leichter als durch einen dünnen. Deshalb hat ein dickerer Draht weniger Widerstand als ein dünner und es können mehr Elektronen (also ein stärkerer Strom) fließen. Je größer die elektrische Spannung, desto mehr Elektronen fließen von der Kathode zur Anode. Wenn die Stromstärke zu groß wird, dann wird der Draht heiß; das kann so weit gehen, dass er glüht oder sogar durchbrennt.
André Marie Ampère (*22.Jan. 1775, 10.Juni 1836) war ein französischer Physiker. Er hat u. a. den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Wirkungen des in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms entdeckt.

Die Stromstärke wird mit der Maßeinheit Ampere (Kurzzeichen „A”) gemessen. Formelzeichen: A.


Widerstand

Georg Simon Ohm.jpg Im Blutkreislauf fließt durch eine dicke Ader mehr Blut als durch eine eine dünne. Eine dicke Ader setzt dem Blutfluss einen geringeren Widerstand entgegen. So fließen auch durch einen dicken Draht mehr Elektronen als durch einen dünnen. Der Widerstand bestimmt, wie viel Strom bei einer gegebenen Spannung durch den Stromkreis fließt. Der Widerstand beeinflusst somit die Stromstärke, die durch den Stromkreis fließt.
Georg Simon Ohm (*16.März 1789, 6.Juli 1854) war ein Mathematiker, der sich in den frühen 1820er Jahren mit der damals noch weitgehend unerforschten Elektrizität beschäftigte.
Im Jahr 1825 formulierte er das ohmdreieck.png Ohm′sche Gesetz, das die Beziehung zwischen Spannung, Widerstand und Stromstärke beschreibt.
Im elektrischen Formelkreis sind alle Formeln zur Berechnung von Spannung, Strom, Widerstand und Leistung zusammengefasst.

Der Widerstand wird mit der Maßeinheit Ohm (Kurzzeichen „Ω”) gemessen. Formelzeichen: R.


Leistung

j-watt.jpg Die elektrische Leistung ist die Menge an Energie, die pro Zeiteinheit umgesetzt wird.
Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung:
Ein Watt entspricht einer Energiemenge von einem Joule pro Sekunde.
1 Watt ist die elektrische Leistung, die bei einer elektrischen Spannung von 1 Volt durch einen Leiter mit einem Widerstand von 1 Ω fließt. Dabei fließt ein Strom von 1 Ampere.
James Watt (*19.Januar 1736, 25.August 1819) erfand eine Dampfmaschine mit hohem Wirkungsgrad (damals waren 3% der Stand der Technik) und definierte die Pferdestärke (PS) als Maßeinheit für die Leistung (1 PS = 735,49875 Watt).
Auch zur elektrischen Leistung gibt es ein Merkdreieck: wattdreieck.png
Im elektrischen Formelkreis sind alle Formeln zur Berechnung von Spannung, Strom, Widerstand und Leistung zusammengefasst.

Die Leistung wird mit der Maßeinheit Watt (Kurzzeichen „W”) gemessen. Formelzeichen: P.


Frequenz und Tastverhältnis

Heinrich Hertz.jpg Unser Herz schlägt mit einer bestimmten Pulsfrequenz. Wenn das Herz schneller schlägt, dann ist die Herzfrequenz höher, bei langsamem Puls ist sie niedriger. In der Elektrotechnik wird die Frequenz in Hertz (Kurzzeichen „Hz”) gemessen, das ist die Anzahl der Schwingungen bzw. Impulse (der Fachmann spricht von Perioden) pro Sekunde.

Heinrich Rudolf Hertz (*22.Feb. 1857, 1.Jan. 1894) bewies, dass sich die durch Elektrizität verursachten Funkwellen als elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und viele andere Eigenschaften des Lichtes aufweisen. Aufgrund seiner Experimente wurde später die Entwicklung des drahtlosen Telegraphen und des Radios ermöglicht.

Die Frequenz wird mit der Maßeinheit Hertz (Kurzzeichen „Hz”) gemessen. Formelzeichen: f.

Damit die Energiemenge, die wir in den menschlichen Körper bringen, möglichst gering bleibt, arbeiten wir mit Impulsfolgen aus Wechselstrom. Das zeitliche Verhältnis zwischen "Ein" und "Aus" wird als Tastverhältnis bezeichnet und in Prozent (Kurzzeichen „%”) angegeben, wobei der "Ein"-Anteil der ganzen Periode angegeben wird.


Zusammenfassung

Die Spannung wird durch die Anzahl der zum Transport bereit stehenden Elektronen bestimmt.
Maßeinheit: Volt, Kurzzeichen: „V”, Formelzeichen: U.

Die Stromstärke ist die Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließen.
Maßeinheit: Ampere, Kurzzeichen: „A”, Formelzeichen: I.

Der Widerstand ist der Widerstand, den ein elektrischer Leiter dem Stromfluss entgegen setzt.
Maßeinheit: Ohm, Kurzzeichen: „Ω”, Formelzeichen: R.

Die Leistung ist die pro Zeiteinheit umgesetzte Energiemenge.
Maßeinheit: Watt, Kurzzeichen: „W”, Formelzeichen: P.


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