Physik - 23. Folge Wechselspannung
Ob kleine Haushaltsgeräte oder große Industrieanlagen - sie alle verdanken ihren Siegeszug der Einführung der Wechselstromtechnik. Hier erfahren Sie Wissenswertes rund um dieses wichtige Kapitel der Physik.
Wechselspannung
- 1. Elektrische Energieversorgung
- 2. Sinusförmige Wechselspannung
- 3. Wechselstromgenerator
- 4. Effektivwerte für Strom und Spannung
- 5. Drehstromtechnik
1. Elektrische Energieversorgung
Geschichte der Elektrizitätsquellen
Elektrisiermaschinen
Die ersten Elektrizitätsquellen, "Elektrisiermaschinen" genannt, wurden im 18.Jahrhundert erfunden; sie funktionierten nach dem Prinzip der Reibungselektrizität. Es folgten Influenzmaschinen, die Hochspannungsversuche bei sehr niedrigen Stromstärken ermöglichen.
Leidener Flaschen"
Mit den "Leidener Flaschen" wurde die Speicherfähigkeit von Kondensatoren entdeckt. Damit konnte für sehr kurze Zeit eine große Ladungsmenge fließen.
Volta'sche Säulen
Anfang des 19.Jahrhunderts wurden mit den Volta'schen Säulen die ersten Batterien eingeführt und so begann die Erforschung der Gesetze des Gleichstroms.
Generator
Mit der Entdeckung der Induktion wurden Generatoren entwickelt, zuerst für Gleichstrom, später auch für Wechselstrom. Jetzt erst begann die umfassende Nutzung von Elektrizität.
2. Sinusförmige Wechselspannung
Mit einer Batterie leuchtet nur eine der beiden gegensinnig gepolten Dioden.
Mit einer Anordnung von zwei parallel geschalteten Leuchtdioden wird erläutert, was man sich unter Wechselstrom vorstellen kann. Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiterbauteil, das Stromfluss nur in eine Richtung erlaubt. Bei Betrieb mit einer Batterie leuchtet nur eine der beiden gegensinnig gepolten Dioden. Damit wird geprüft, wo der Plus- und der Minuspol der Batterie ist. Nach dem Umpolen leuchtet die andere Diode.
Hertz
Durch einen Wechselstrom leuchten beide Dioden abwechselnd und zeigen die Frequenz ƒ (mit der Einheit 1 Hertz) an. Bei ƒ = 3 Hz zum Beispiel leuchtet jede der beiden Dioden in jeder Sekunde dreimal. Bei Frequenzen von mehr als etwa 25 Hz kann unser Gehirn die Einzelbilder von je einer leuchtenden Diode nicht mehr auflösen und es scheinen dann beide gleichzeitig zu leuchten.
Dreiecksglimmlampe,
Mit einer Dreiecksglimmlampe, die mit dem 50-Hz-Haushaltsstrom betrieben wird, wird das abwechselnde Aufleuchten der beiden Elektroden mit einem Drehspiegel gezeigt.
induzierte Spannung
Soweit zur Vorstellung von Wechselspannung und Wechselstrom, aber wie funktioniert ein Wechselspannungsgenerator? Ein Modellversuch zeigt das verblüffend einfache Prinzip: Ein rotierender Dauermagnet induziert in einer Spule abwechselnd positive und negative Spannungsspitzen.
rechteckige Induktionsspule in Helmholtzspulenpaar
Um eine Situation zu schaffen, bei der die Formel für Induktion anwendbar ist, wird eine rechteckige Induktionsspule im homogenen Magnetfeld eines Helmholtzspulenpaars gedreht.
sinusförmige Wechselspannung
Bei konstanter Kreisfrequenz ω (Omega) ergibt sich eine sinusförmige Wechselspannung.
Diese Kurvenform lässt sich auch theoretisch herleiten, indem man das Induktionsgesetz auf die wirksame Fläche der rotierenden Induktionsspule anwendet.
3. Wechselstromgenerator
Modellgenerator mit einem Eisenkern und mit bogenförmigen Polschuhen
Ein Modellgenerator mit einem Eisenkern und mit bogenförmigen Polschuhen für die Dauermagneten wird näher untersucht. Die erzielten Spannungswerte sind ganz beachtlich, aber der Kurvenverlauf ist keine saubere Sinusform. Deshalb werden in Kraftwerken aufwändigere Anordnungen mit vielen versetzten Wicklungen und Polschuhen verwendet.
Kommutator
Ein Wechselstromgenerator kann sehr leicht zu einem Gleichstromgenerator umgebaut werden. Dazu wird wie beim Gleichstrommotor ein Kommutator verwendet, der hier die Polung der Spannung nach je einer Halbdrehung ändert. Aus dem ursprünglichen Sinusverlauf werden die negativen Halbwellen nach oben geklappt und es entsteht ein "pulsierender" Gleichstrom.
Werner von Siemens
Generator mit elektrodynamischem Prinzip
Werner von Siemens war an der Erforschung und der industriellen Nutzung der Wechselstromtechnik maßgeblich beteiligt. Zunächst baute der junge Ingenieur mit der Telegraphentechnik ein eigenes Unternehmen auf.
Später entdeckte er das "elektrodynamische Prinzip", das viel leistungsstärkere Generatoren ermöglichte. Bis dahin wurde das magnetische Feld immer mit den damals relativ schwachen Dauermagneten bereitgestellt. Eine Verwendung von Elektromagneten hielt man für unmöglich, weil dann beim Hochfahren des Generators kein Magnetfeld bereitsteht. Siemens fand heraus, dass der Restmagnetismus des Eisenkerns für den Start genügt.
4. Effektivwerte für Strom und Spannung
Multimeter
Bei Multimetern gibt es für Amperemessungen jeweils getrennte Bereiche für Gleich- und Wechselstrom, analog ist es bei Spannungen. Die internationalen Abkürzungen hierfür sind DC für "direkt current" und AC für "alternating current" oder ein Gleichheitszeichen und eine Welle. Die Messgeräte zeigen für Wechselstrom/-spannung Effektivwerte an, die den Werten bei Gleichstrom/-spannung gleicher Leistung entsprechen.
Mathematische Überlegungen für die Umrechnung zwischen den Effektiv- und den Amplitudenwerten liefern den Faktor 0,71 = 1/Wurzel(2).
Berechnung des Effektivwerts: Klicken Sie bitte auf die Lupe
Für unsere Haushaltselektrizität im europäischen Verbund ist die Frequenz auf 50 Hz festgelegt. Die Spannungsamplitude beträgt 320 V und damit ergibt sich für den Effektivwert eine Spannung von 230 V.
5. Drehstromtechnik
Starkstrom-Steckverbindung
Für sehr starke Motoren oder für die Geräte von Werkstätten wird manchmal "Starkstrom" benötigt. Die Steckverbindungen weisen fünf Anschlüsse auf: Je einen für den Schukokontakt und den geerdeten "Nullleiter" und dann noch drei Anschlüsse mit je einer "Phase".
Modell eines Drei-Phasen-Drehstrom-Generators
Ein Modellversuch zeigt, wie ein Drei- Phasen-Drehstrom-Generator aufgebaut ist. Um einen drehbaren Magnetanker, hier ein Stabmagnet, sind mit 120°-Zwischenwinkeln drei Induktionsspulen aufgestellt. Bei einer vollen Umdrehung des Magneten blitzen die drei angeschlossenen Lämpchen zeitlich versetzt auf, nach je einer Drittel Periodendauer.
Die Wechselströme und Wechselspannungen in den drei Phasenleitungen sind gegeneinander um 120° beziehungsweise T / 3 versetzt.
Modell eines Drehstrommotors
Drehstrommotoren sind analog mit drei Feldspulen und einer gemeinsamen Ankerspule aufgebaut. So können Drehstrommotoren mit Drehstrom ein nahezu kontinuierliches hohes Drehmoment aufbringen.
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