Wechselstrom - Erklärung und Funktionsweise
Wechselstrom funktioniert so, dass er seine Polarität zwischen positiv und negativ Pol im Schnitt etwa 50 bis 60 Mal pro Sekunde wechselt. Man spricht dabei etwa von 50 bis 60 Hertz. In Deutschland hat der Wechselstrom normalerweise eine Frequenz von 50 Hertz. Wechselstrom wird verwendet, weil er kostengünstiger zu transportieren ist als der Gleichstrom.
Was ist Wechselstrom?
Wechselstrom ist diejenige Art von elektrischem Strom, die durch eine zyklische Variation in Größe und Richtung gekennzeichnet ist. Die Art und Weise, in der diese Art von Strom schwingt, ist sinusförmig, das heißt eine Kurve, die kontinuierlich auf und ab geht. Durch diese Form der Schwingung gelingt es dem Wechselstrom, die Energie effizienter zu übertragen.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass unter gewissen Konditionen die Art und Weise der Schwingung auch anders, wie zum Beispiel quadratisch oder dreieckig, ausfallen kann.
Der Wechselstrom zeichnet sich auch dadurch aus, dass er die Art und Weise ist, in der der Strom in unsere Häuser und Arbeitsplätze gelangt. Außerdem bezeichnet Wechselstrom digitale Audio- und Videosignale, da sich die Ton- und Bildinformationen ständig ändern.
Wie funktioniert Wechselstrom?
Der Wechselstrom wechselt seine Polarität je nach Land 50 oder 60 Mal pro Sekunde. Daher beträgt der Strom 50 oder 60 Hertz. Je nach Land kann sich die Spannung ändern. In Deutschland und Europa hat der Wechselstrom normalerweise eine Frequenz von 50 Hertz (Hz).
Der Wechselstrom, der unsere Häuser erreicht, hat eine sinusförmige Wellenform, mit einer Spannung von 220 bis 230 Volt und einer Frequenz von 50 bis 60 Hz (was bedeutet, dass es jede Sekunde 50 bis 60 Wechsel zwischen dem positiven und negativen Pol gibt). Mit dieser Änderung der Vorspannung können wir ableiten, dass der Wechselstrom keinen positiven und negativen Pol hat, wie es viele Leute glauben.
In der Tat werden bei Wechselstrom nicht die Pole voneinander unterschieden, sondern die verschiedene Leitungen. Bei der ersten Leitung handelt es sich um den sogenannten Phasenleiter beziehungsweise Außenleiter. Der Phasenleiter ist diejenige, der den Strom zur entsprechenden Verbrauchsstelle (z. B. Beleuchtung, PC, etc.) sendet. Die Leitung, durch die der Strom wieder zurückfließt, heißt Neutralleiter. Bei der dritten Leitung namens Erdung handelt es sich um ein Kabel, das den Stromkreis vor Ableitstrom schützt.
Was ist Ableitstrom? In jeder elektrischen Installation fließt über den Schutzleiter eine gewisse Strommenge zur Erde. Dieser Strom wird als Ableitstrom bezeichnet. Diese Stromaustritte entstehen normalerweise durch die Isolierung, welche die Schutzleiter umgibt, und durch die Filter, die elektronische Geräte sowohl in Büros als auch im Haus vor Überspannung schützen.
Gleichstrom und Wechselstrom – Wo liegt der Unterschied?
Elektrizität ist eine Art von Energie, die durch die Bewegung von Elektronen durch ein Material übertragen wird. Dabei handelt es sich um ein leitendes Material, das den Fluss von Elektronen im Inneren zulässt. Es gibt zwei Arten von Strom: Gleichstrom und Wechselstrom. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, wie sich die Elektronen innerhalb des Materials bewegen. Beim Gleichstrom bewegen sie sich nur in eine Richtung, beim Wechselstrom wechseln sie in zwei Richtungen.
- Gleichstrom: Der elektrische Strom fließt nur in eine Richtung. Von einem Pol zum anderen.
- Wechselstrom: Der elektrische Strom fließt in zwei Richtungen und wechselt zwischen diesen beiden Richtungen.
Die meisten elektrischen Netze verwenden heute Wechselstrom, während Batterien, Solarzellen und Dynamos Gleichstrom erzeugen. Wie eingangs erwähnt, besteht der Hauptunterschied zwischen Wechselstrom und Gleichstrom darin, dass sich bei dem einen die Polarität zyklisch mit der Zeit ändert, während die Polarität des anderen konstant bleibt. Dieser Unterschied tritt bei der Erzeugung von Wechselstrom und Gleichstrom auf. Ein weiterer Unterschied zwischen Wechsel- und Gleichstrom ist also die Art und Weise, wie der Strom erzeugt wird.
Erzeugung von Wechselstrom
Einfach gesagt, wird der Wechselstrom von einer Maschine, dem Generator, erzeugt. Im Grunde wandelt diese Maschine Bewegung in Elektrizität um (wie eine Windturbine, die die Bewegung des Windes in Elektrizität umwandelt). Er besteht aus einigen Magneten, die sich gegenüberstehen und ein Magnetfeld bilden, und einer Kupferspule. Wenn die Spule innerhalb des Magnetfeldes gedreht wird, wird ein elektrischer Strom erzeugt, der sich im Verhältnis zu den Polen des Magneten ändert.
Diese Polaritätswechsel bilden eine Welle, die zwischen dem positiven und negativen Pol schwingt. Diese Welle kann sinusförmig, quadratisch oder dreieckig sein und variiert in der Zeit in einem Verhältnis von Zyklen pro Sekunde. Bei diesem Zyklus handelt es sich um die Frequenz, die in der Einheit Hertz (Hz) angegeben wird.
Erzeugung des Gleichstroms
Gleichstrom oder Gleichspannung kann auf verschiedene Arten erzeugt werden: aus chemischen Quellen wie Batterien, in Solarpaneelen oder mithilfe von Wärme durch den Peltiereffekt. In beiden Fällen fließt der Elektronenfluss beziehungsweise der Strom linear und unverändert von einem Punkt zum anderen. Gleichstrom wird als sogenannter „einseitiger“ Stromfluss definiert – der Strom fließt nur in eine Richtung. Spannung und Strom können sich im Laufe der Zeit ändern, aber die Richtung des elektrischen Flusses ändert sich nicht.
Viele der Geräte, die wir täglich benutzen, werden mit Gleichstrom betrieben. In netzunabhängigen Anlagen mit erneuerbaren Energien werden hauptsächlich 12 v, 24 v oder 48 v Spannungen verwendet. Bei diesen Anlagen wird Gleichstrom verwendet, weil er in Batterien gespeichert werden kann und Strom auch dann zur Verfügung steht, wenn er nicht erzeugt werden kann.
Von Wechselstrom auf Gleichstrom umschalten
Aufgrund der Unterschiede zwischen Wechselstrom und Gleichstrom ist deren Einsatz je nach Bedarf unterschiedlich. Zum Beispiel ist Wechselstrom besser für den Transport über lange Strecken geeignet, kann aber nicht gespeichert werden. Zum Glück können wir nach Belieben zwischen den Strömen umschalten.
Von Wechselstrom zu Gleichstrom
Mit einer Gleichrichterbrücke kann der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden. Dieses Gerät besteht aus Dioden, die Schwankungen (Polaritätswechsel) des Stroms gleichrichten und ihn damit linear machen. Neben der Gleichrichterbrücke werden bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom weitere elektronische Bauteile eingesetzt. Diese Bauteile werden verwendet, um Schwingungen und kleine Spannungsspitzen herauszufiltern und den resultierenden Gleichstrom "dünner" zu machen.
Die meisten der Geräte, die wir zu Hause anschließen, haben einen kleinen Umwandler, entweder intern oder extern, um den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
Von Gleichstrom zu Wechselstrom
Um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, werden Geräte verwendet, die Stromrichter oder Wechselrichter genannt werden. Diese Geräte erhöhen die Wechselspannung von 12 v, 24 v oder 48 v von Solarmodulen, Windturbinen oder Batterien auf 220–230 v und wandeln durch die interne Elektronik Gleichstrom in Wechselstrom um. Es gibt zwei verschiedene Arten von Stromwandlern:
- Modifizierte Sinus-Spannungswechsler erzeugen Wechselstrom mit einer Rechteckwellenform. Sie sind die günstigsten Stromrichter auf dem Markt.
- Sinus-Spannungswechsler mit reiner Welle sind solche, die Wechselstrom mit einer sinusförmigen Wellenform erzeugen. Bei diesem Wechselstrom handelt es sich praktisch um denjenigen, den wir zu Hause erhalten. Sinus-Spannungswechsler sind teurer als Wechselrichter mit modifizierter Welle, aber sie sind auch effizienter.
Wechselstrom Erfinder und Geschichte
Die ersten Versuchsreihen, die zu diesem Strom geführt haben, gehen auf das Ende des 19. Jahrhunderts zurück, als der Ingenieur Nikola Tesla das Projekt des ersten Wechselstrommotors entwickelte und verwirklichte. Nach ihm erreichten andere Forscher und Erfinder weitere Neuerungen auf diesem Gebiet. Zum Beispiel gelang es William Stanley, diese Art von Strom auf zwei isolierte Schaltkreise zu übertragen, was der erste und direktere Vorläufer des Transformators war.
Die Wissenschaft ist eine Perversion ihrer selbst, wenn sie nicht das Wohle der Menschheit zum Ziele hat.
Der amerikanische Erfinder George Westinghouse war der Erste, der Teslas Wechselstrom kommerzialisierte. Eine weitere Tatsache ist der sogenannte Stromkrieg, der zwischen dem Wechselstrom und dem Gleichstrom entbrannt ist, wobei letzterer von Thomas Edison verteidigt wurde. Das Bedürfnis, Strom in großen Umfang zu verteilen, führte schließlich dazu, dass sich der Wechselstrom durchsetzte. Lesen Sie hier mehr über Strom und seine Herkunft: Seit wann gibt es Strom?.