Wechselstrom (Einphasen-Wechselstrom)
Im Gegensatz zum Gleichstrom, welcher wir von Batterien und Akkus her kennen, ändert der Wechselstrom immer wieder periodisch seine Polarität. Wenn wir also die beiden Leiter einer Wechselstrom-Quelle – zum Beispiel der Steckdose – betrachten, so ist einmal der Leiter links positiv gegenüber dem Leiter rechts, anschliessend umgekehrt und so fort. Dieser Wechsel vollzieht sich bei unserer Netzspannung genau 100 Mal in der Sekunde. Es gibt also 50 positive und 50 negative Halbwellen in einer Sekunde, jeder positiven folgt eine negative Halbwelle, zusammen bilden diese eine Periode. Somit haben wir 50 Perioden in einer Sekunde, also eine Frequenz von 50 Hertz.
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So sieht unsere Netzspannung aus. Einer positiven Halbwelle folgt eine negative Halbwelle und so fort. Oberhalb der Nulllinie ist die Spannung positiv, unterhalb negativ. |
Woher kommt die Sinusform
Die sinusförmige Kurve unseres Wechselstromes entsteht durch die drehenden Spulen des Rotors im Magnetfeld des Stators beim Generator. Die Kurve kann leicht mit Zirkel und Geodreieck konstruiert werden. Dabei wird die Abwicklung eines Kreises auf eine Gerade – welche die Zeitachse darstellt – übertragen.
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| In einem Kreis werden in einem bestimmten Winkel Linien gezeichnet. Die Schnittpunkte werden anschliessend waagerecht auf die Zeitachse übertragen (Beispiel rot: 60°). Dabei immer gleichen Wickel und gleich Abstände auf der Zeitachse wählen (hier 15°). |
Spannung
Wie wir aus der ersten Grafik erkennen, ändert die Spannung nicht schlagartig von positiv auf negativ. Vielmehr handelt es sich um eine kontinuierliche, nicht lineare Änderung der Spannung. Gehen wir von einem Nulldurchgang aus (dies ist dort, wo die Sinuskurve die Nulllinie schneidet), steigt die Spannung zunächst stark an, um dann immer flacher zu werden. Am oberen Punkt verharrt die Spannung nicht, sondern sinkt zunächst wieder langsam, dann immer steiler zum Nullpunkt hin ab.
Am Nulldurchgang ändert die Spannung ihre Polarität und der Stromfluss seine Richtung. Wie wird den die Spannung eines Wechselstromes gemessen?
Eine berechtigte Frage, wenn man die Kurve betrachtet. Zuerst einmal gibt es den Spitzenwert. Dies ist der höchste Wert, den die Spannung gegenüber der Nulllinie annehmen kann, also ganz oben oder unten auf einem der „Höcker“. Dieser Wert ist entscheidend für die Dimensionierung von elektronischen Bauteilen und Isolatoren.
Schliesst man eine Lampe an einer Wechselstromquelle mit einem Spitzenwert von beispielsweise 12 Volt, wird sie aber weniger hell leuchten, als an einer Gleichspannungsquelle von 12 Volt. Dies ist einleuchtend, da die Spannung beim Wechselstrom nur kurzzeitig diesen Wert erreicht, zwischendurch sogar auf 0 Volt sinkt. Es muss also einen Wert für die Wechselspannung geben, welche dem einer Gleichspannung entspricht. Dieser Wert nennt man Effektivwert. Er ist exakt um die Quadratwurzel von 2 kleiner als der Spitzenwert. Um bei unserem vorherigen Beispiel mit 12 Volt Spitzenwert zu bleiben, beträgt der Effektivwert 12 Volt geteilt durch 1.414 gleich (knapp) 8.5 Volt.
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Der Effektivwert ist um
 kleiner
als der Spitzenwert. Die rot markierte Fläche wird rechnerisch quasi
dazu benutzt, die (fehlende) rosa markierte Fläche "aufzufüllen". |
Was zeigen die Messinstrumente an?
Alle gängigen Volt- und Multimeter zeigen den Effektivwert an. Dies ist auch der Wert, welcher an Trafos und anderen Geräten angegeben ist. Bei unserem Stromnetz handelt es sich mit 230 Volt ebenfalls um den Effektivwert. Dies ist auch der Wert, welcher wir für die Berechnung der Leistung verwenden.