Ratgeber

Widerstandsdrähte » Umwandlung elektrischer Energie in Wärme

Widerstandsdrähten begegnen wir überall, in Kaffeemaschinen ebenso wie in Toastern und Kochplatten, aber auch in Lötkolben und Heizlüftern. Sie dienen im Allgemeinen nur einem einzigen Zweck: Der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme. Nutzbar sind diese Drähte aber auch zur Herstellung ganz individueller Widerstandswerte, beispielsweise für Testzwecke oder im Labor. Erfahren Sie in unserem Ratgeber, wie Widerstandsdrähte funktionieren und nach welchen Kriterien die Auswahl erfolgen sollte.



Was ist der elektrische Widerstand?

Der Widerstand als elektrisches Maß lässt sich als Hindernis in einem Stromkreis bezeichnen. Je größer er ist, desto größer ist die Barriere gegen den Stromfluss. Die SI-Einheit für den Widerstand ist Ohm. Wird eine Potentialdifferenz – zum Beispiel eine Spannungsquelle – an einen Leiter angelegt, setzen sich die freien Elektronen im Leiter in Bewegung und der Strom beginnt zu fließen.

In der Elektronik steht der Widerstand gleichzeitig für ein Bauteil, das den Stromfluss in einer elektronischen Schaltung begrenzt oder reguliert. Widerstände lassen sich auch verwenden, um eine bestimmte Spannung für ein aktives Gerät wie einen Transistor bereitzustellen.

Der Widerstand eines leitenden Materials ist direkt proportional zur Länge des Leiters und umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Materials. Das heißt: Lange und dünne Leiter setzen dem Stromfluss ein größeres Hindernis entgegen als kurze und dicke. Der Widerstand hängt außerdem von der Beschaffenheit und der Temperatur des Materials ab. 

Grundsätzlich gilt: Während sich die Elektronen im Leiter bewegen, stoßen sie mit den Atomen und Molekülen des Leiters zusammen. Die Kollisionen reduzieren nicht nur die Geschwindigkeit des Elektronenflusses, sie sorgen auch für eine Erwärmung des Leiters durch die bei den Zusammenstößen durch Reibung frei werdende Energie, die sogenannte Joulesche Wärme.

In der Elektronik sind Widerstandsbauelemente wie der Drahtwiderstand mit möglichst geringer Wärmeentwicklung gefragt. Soll die elektrische Energie dagegen Heizzwecken dienen, bieten Heizdrähte die ideale Lösung.



Wie ist ein Widerstandsdraht aufgebaut?

Ein Widerstandsdraht besteht je nach Verwendungszweck aus unterschiedlichen Legierungen. Allen gemeinsam ist der mit der Länge zunehmende Widerstand, gemessen in Ohm pro Meter. Die geringsten Werte liegen bei deutlich weniger als 0,5 Ohm pro Meter, die höchsten bei etwa 70 Ohm, abhängig vom Material und dem Querschnitt des Drahts.

Wichtig: Querschnitt und Durchmesser werden oft verwechselt oder gleichgesetzt. Dabei ist der Querschnitt ein Flächenmaß, bestehend aus Länge und Breite, der Durchschnitt dagegen ein eindimensionales Längenmaß. Die Fläche des Querschnitts wird sichtbar, wenn man einen Draht glatt durchtrennt und von oben die Schnittfläche betrachtet. Die Unterschiede sind besonders bei dickeren Drähten erheblich. So besitzt ein Draht mit 3 Millimeter Durchmesser einen Querschnitt von 7,07 Quadratmillimeter!

Die gebräuchlichste Legierung für Heiz-Widerstandsdraht ist Nichrom, eine nichtmagnetische Legierung aus 80 Prozent Nickel und 20 Prozent Chrom. Sie besitzt einen hohen Widerstandswert und Oxidationsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen.

Bei der Verwendung als Heizelement wird der Widerstandsdraht normalerweise zu Spulen gewickelt. Allerdings lässt sich herkömmliches Lötzinn nicht mit Nichrom verbinden, Anschlüsse für die Stromversorgung sind deshalb nur mechanisch möglich, zum Beispiel mit Crimp-Verbindern oder Schraubklemmen.

Leicht zu löten ist dagegen Konstantan, eine Legierung aus 55 Prozent Kupfer und 45 Prozent Nickel. Ähnlich nutzbar sind Manganin und Cupron, die neben Kupfer und Nickel auch Mangan enthalten. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen wie Kanthal eignen sich besonders für Hochtemperaturanwendungen.



FAQ - häufig gestellte Fragen zu Widerstandsdrähten

Lassen sich mit Widerstandsdrähten auch Geräte zum Schneiden von Kunststoff konstruieren?

Schneidegeräte für Kunststoff auf der Basis eines heißen Drahts sind seit langem bekannt. Es gibt sie auch als CNC-Thermosägen für die automatisierte Fertigung. Der Selbstbau ist nicht schwierig, es kommt hier vor allem auf einen möglichst dünnen Draht mit hohem Widerstand und einer steuerbaren Niedervolt-Stromversorung an. Das Schneiden selbst ist allerdings nicht ungefährlich: Bei einigen Kunststoffen entstehen durch das Erhitzen giftige Dämpfe! Weitgehend unkritisch arbeiten lässt es sich dagegen mit expandiertem Polystrol, bekannt unter dem Handelsnamen Styropor. Der Widerstandsdraht kann hier sowohl aus Nichrom als auch aus Edelstahl bestehen.


Welchen spezifischen Widerstand besitzt Nichrom?

Bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius beträgt der spezifische Widerstand 650 Ohm, für die Praxis relevant sind aber eher Ohm pro Meter. Die Werte sind abhängig von der Drahtstärke und der Länge. Bei einem Drahtdurchmesser von 0,50 Millimeter und 20 Grad Celsius liegt der Widerstand bei etwas über 5 Ohm pro Meter. Wird die Temperatur auf 750 Grad Celsius gesteigert, beträgt der Widerstandswert rund 6 Ohm pro Meter.


Gibt es auch isolierte Widerstandsdrähte?

Isolierte Widerstandsdrähte sind mit einer Isolierschicht oder Isolierlackierung versehen. Dabei handelt es sich in der Regel um einen thermoplastischen Kunststoff wie Polyester, durch den kein elektrischer Strom fließen kann. Ein isolierter Widerstandsdraht ist nicht dazu gedacht, als Heizelement Wärme zu erzeugen, eignet sich aber aufgrund seiner erhöhten Isolierung aber gut als Widerstand im Rahmen einer elektronischen Schaltung.


Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Heizdrahtes?

Der Wirkungsgrad liegt prinzipiell bei 100 Prozent. Allerdings nur theoretisch, da einerseits die Wärme nur zum Bruchteil am Zielobjekt ankommt und andererseits zum Heizen Primärenergie benötigt wird, also Strom aus der Steckdose. Da die Effizienz der Stromerzeuger erfahrungsgemäß deutlich weniger als 50 Prozent beträgt, ist der effektive Wirkungsgrad entsprechend herabzusetzen.

Nicht zu vergessen: Heizleiterdraht benötigt einiges an Energie. Angesichts der hohen Strompreise sollten elektrische Heizgeräte längere Zeit nur dann eingesetzt werden, wenn keine anderen Energieformen zur Verfügung stehen.