Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom
Was bedeutet AC bzw. DC? Gibt es einen Unterschied zwischen Wechselstrom und Drehstrom? Wie waren die Anfänge der Stromnetze und was versteht man unter der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes?
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Gleichstrom und Wechselstrom
In den bisherigen Kapiteln wurde fast ausschließlich eine Art von Strom betrachtet: Gleichstrom.
In den Stromleitungen im Haushalt, in der Industrie und in den Hochspannungsleitungen findet sich allerdings Wechselstrom. Warum? Und was ist das überhaupt?
Der elektrische Strom im Allgemeinen wird durch die gemeinsame, gerichtete Bewegung der Ladungsträger definiert.
Wenn die Richtung dieser Bewegung über die Zeit gleich bleibt, spricht man von Gleichstrom bzw. von Gleichspannung, abgekürzt DC. Die Abkürzung DC steht für „Direct Current“. Der Gleichstrom hat eine Stromrichtung: Die negativen Ladungsträger (meist Elektronen) bewegen sich vom Minusspol der Gleichspannungsquelle durch den Stromkreis zum Pluspol der Gleichspannungsquelle
Wenn sich die Richtung der gemeinsamen Bewegung der Ladungsträger mit der Zeit
Die Häufigkeit dieser Richtungsänderung wird durch die Frequenz ausgedrückt.
Im europäischen Stromnetz ist eine Frequenz von
Im Prinzip bestimmt die Art der Stromerzeugung über die Art des Stroms. Gleichspannungsquellen nutzen meist die Umwandlung chemischer Energie (galvanische Zellen, Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen ...). Wechselspannung wird üblicherweise mit Generatoren erzeugt, die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln und dafür die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms nutzen.
Zum Beispiel den Unipolargenerator (auch Faradaygenerator genannt), der mithilfe eines Permanentmagnets und einer drehbaren Kupferscheide Gleichstrom erzeugt. Oder die Solarzellen, die mithilfe des photoelektrischen Effekts Gleichstrom erzeugen.
Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms
Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms wurde zufällig entdeckt. Und das gleich zweimal. Während der dänische Physiker Hans Christian Oersted erst 1820 die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Draht bemerkte, hatte der italienische Physiker und Rechtsgelehrte Gian Domenico Romagnosi das Phänomen schon 1802 entdeckt, lokal publiziert, aber dann nicht weiter beachtet.
Oersteds Versuch
Verschiebe den Kompass entlang des Leiters und beobachte, wie sich die Nadel verhält!
Heute wissen wir, dass es eine grundlegende Eigenschaft von bewegten elektrischen Ladungen ist, die Oersted hier bemerkt hat.
Ein einzelner, stromdurchflossener Draht hat allerdings keine besonders starke magnetische Wirkung. Um die Magnetstärke zu erhöhen, wickelt man die Drähte zu Spulen und steckt die Spulen zur Verstärkung des Effektes auf einen Eisenkern.
Die Grundlagen für die ersten technischen Anwendungen dieses Effektes legte der englische Naturforscher Michael Faraday. Er fand Oersteds Versuche faszinierend und wollte sehen, ob der Effekt auch andersherum funktioniert. Durch eigene Experimente fand er schließlich heraus, dass in einer Drahtspule elektrische Spannung entsteht, wenn ein zylindrischer Stabmagnet durch sie bewegt wird. Man sagt, die Spannung wird durch den Magnet induziert.
Unipolarmotor Versuch
Beim Versuch Unipolarmotor kann man die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms nutzen, um eine Drehbewegung zu erzeugen: Die stromdurchflossene Schraube dreht sich im Magnetfeld des Permanentmagneten.
Das Prinzip kann man auch umkehren. Diese Konstruktion wurde in Form des Unipolargenerators zur Erzeugung von Gleichspannung benutzt.
Unipolarmotor
Vom Gleichstromnetz zum Wechselstromnetz
Im 19. Jahrhundert standen Elektrifizierung und erste elektrische Beleuchtung der Großstädte noch am Anfang und es war nicht so selbstverständlich wie heute, dass Wechselstrom den Strommarkt bestimmt. Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms war gerade erst entdeckt worden und die ersten Maschinen, die aus Bewegung Strom erzeugten, enthielten noch riesige Permanentmagnete.
Wirtschaftlicher, brauchbarer und auch in größeren Abmessungen umsetzbar wurden diese Maschinen erst mit der Verwendung von Elektromagneten.
Schließlich gelang Mitte des 19. Jahrhunderts, mehreren Technikern unabhängig voneinander eine wichtige Innovation: Sie nutzen den Restmagnetismus der Eisenkerne der Elektromagneten zum Starten der Generatoren. Der Erfinder Werner Siemens nannte es das „Dynamoelektrische Prinzip“. Diese Entdeckung setzte eine Entwicklung in Gang, die schließlich zum Betrieb großer Wechselstromgeneratoren, wie wir sie noch heute kennen, führte.
Zu dieser Zeit waren neben den neuen Wechselstromnetzen auch Gleichstromnetze in Verwendung. Und es gab Befürworter und Gegner der jeweiligen Stromarten. Um 1890 herum entbrannte in den USA ein Streit unter den Energie- und Infrastruktur-Lieferanten, der öffentlichkeitswirksam ausgetragen wurde. Schließlich setzte sich der Wechselstrom bei den Stromnetzen durch, da er sich (mit den damaligen Möglichkeiten) mit den geringeren Kosten und ohne große Verluste über weite Strecken transportieren und in der Spannung anpassen ließ.
Wechselstrom und Gleichstrom heute
Seit über hundert Jahren bestimmen in Europa Wechselstromnetze das Bild.
Der Wechselstrom wird in Kraftwerken erzeugt, durch das Stromnetz transportiert und über Leitungen verteilt.
Wird Gleichstrom gebraucht, wird er am Ziel durch einen Gleichrichter umgewandelt.
Solche Gleichrichter benutzt jeder von uns
Einzelarbeit: Sieh dich in der Schule oder bei dir zu Hause um! Findest du Geräte, die nur Wechselstrom benötigen, und welche, die auch Gleichstrom brauchen? Genaueres erfährt erfährst du oft mithilfe der Gerätebeschreibung.
Starkstrom bzw. Drehstrom
Es gibt unterschiedliche „Sorten“ Wechselstrom.
Die üblichen Steckdosen im Haushalt liefern einphasigen Wechselstrom mit
Nur bei ganz wenigen Geräten wird er auch im Haushalt verwendet. Er fällt sofort durch die ungewöhnlichen Stecker und Steckdosen auf. Drehstrom-Steckdosen werden nur für besonders leistungsstarke Geräte wie Elektroherde, elektrische Durchlauferhitzer, Saunaöfen, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Betonmischer ... verwendet. Darüber hinaus findet man Drehstrom-Steckdosen und entsprechende Geräte nur in Landwirtschafts-, Gewerbe- und Industriebetrieben.
