Wechselstrom

Elektriker haben es im Bereich der Haustechnik mit Wechselstrom zutun. Gleichstrom fließt in einer Richtung von Plus nach Minus (siehe auch Technische und physikalische Stromrichtung). Wechselstrom ändert permanent seine Richtung. In metallischen Leitern wie Kabeln bewegen sich dabei die Elektronen hin und her. In der Haustechnik ist eine Frequenz von 50 Herz üblich. Ein Herz (1Hz) ist eine Schwingung pro Sekunde. Das bedeutet, bei 50Hz ändert der Wechselstrom 50-mal pro Sekunde seine Richtung.

Die Kurzbezeichnung für Wechselstrom ist AC (aus dem Englischen für alternating current).
Die Kurzbezeichnung für Gleichstrom ist DC (aus dem Englischen für direct current).

Erzeugung von Wechselstrom

Wechselstrom wird meist mit Generatoren erzeugt indem Magnete in einer rotierenden Maschine Spannung induzieren. Magnetismus spielt in der gesamten Elektrotechnik eine besondere Rolle. Mehr dazu später. Die Generatoren rotieren mit 3000 Umdrehungen pro Minute, das ist eine Drehzahl, die allgemein in der Technik für viele Anwendungen sinnvoll ist. Auch Elektromotoren, die mit Wechselstrom betrieben werden, drehen sich meist mit 3000 Umdrehungen pro Minute. In einer Sekunde sind das genau 50 Umdrehungen. Daher kommt unsere 50 Hz Wechselspannung in der Haustechnik.

Harmonische Schwingung

Weil Wechselstrom mit Generatoren aus einer Drehbewegung heraus erzeugt wird, verläuft die Schwingung der Spannung in einer Sinuswelle. Das ist eine sogenannte harmonische Schwingung, die ihren zeitlichen Verlauf exakt durch die Kreisbewegung erhält. In einem Diagramm dargestellt sieht das etwa so aus:

Sinusförmiger Verlauf einer harmonischen Wechselspannung

Hier ist eine einzelne Schwingung dargestellt, bei 50Hz Wechselspannung haben wir 50 solche Schwingungen in einer Sekunde.

 

Alle Berechnungsformeln für den sinusförmigen Wechselstrom lassen sich von Kreisbewegungen bzw. aus der Geometrie rechtwinkliger Dreiecke ableiten.

Trigonometrie

Die Trigonometrie ist ein Bereich der Geometrie und Mathematik, mit deren Hilfe die Beziehungen in rechtwinkligen Dreiecken beschrieben werden. Es sind die Winkelfunktionen oder Kreisfunktionen, die entsprechenden Formeln kann man auswendig lernen oder in Technischen Tabellen nachlesen. Die Websuche nach Sinus, Kosinus Tangens und Kotangens liefert zahlreiche Quellen zu dem Thema.

Einheitskreis

Die Kreisfunktionen kann man auch an einem Einheitskreis herleiten. Bei Interesse an Mathematik ist es hilfreich, sich die trigonometrischen Funktionen am Einheitskreis einmal klarzumachen. Man kann daran immer wieder sehen, ob in einem bestimmten Fall z. B. der Sinus oder Tangens sinnvoll ist. Quellen zu dem Thema gibt es hier.

Fortgeschrittene Elektrotechniker haben noch weitere Möglichkeiten für Berechnungen von Wechselstromanwendungen. Mithilfe der Komplexen Zahlen (einem Spezialbereich der Mathematik) lassen sich kompliziert erscheinende Zusammenhänge der Wechselstromtechnik sehr elegant rechnerisch nachvollziehen.

 

Wichtige Bauteile in der Wechselstromtechnik

Wechselstrom eröffnet eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Dazu gibt es einige Bauteile, die erst im Zusammenhang mit Wechselstrom nützliche Effekte bieten. Diese Bauteile nutzen Feldeigenschaften vom magnetischen Feld und elektrischen Feld.

Induktivität

Magnetische Felder werden durch Spulen (sogenannte Induktivitäten) nutzbar gemacht. Elektrischer Strom hat die Eigenschaft, dass er ein magnetisches Feld erzeugt, sobald Strom durch einen Leiter fließt. Um den Leiter herum bildet sich dann ein Magnetfeld. In der Technik wird das gezielt genutzt, indem man isolierte Kupferdrähte aufwickelt und dadurch viele einzelne Leiter nebeneinander auf engem Raum zusammen verbaut. Ein aufgewickelter Draht ist eine Spule. Die Magnetfelder der einzelnen Windungen bilden ein gemeinsames starkes Magnetfeld, je mehr Windungen – umso stärker wird das Magnetfeld. Wickelt man den Draht um einen Eisenkern, dann konzentriert sich das Magnetfeld in dem Eisen, denn Eisen ist magnetisch und leitet das magnetische Feld. An den Enden des Eisenkerns wird das Magnetfeld besonders stark konzentriert. So einen Aufbau nennt man auch Elektromagnet.

Das funktioniert mit Gleichstrom wie auch mit Wechselstrom. Bei Wechselstrom passiert aber noch etwas anderes. Es ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Das führt erst mal dazu, dass die Berechnungen eines Wechselstromkreises nicht so einfach sind wie mit Gleichstrom. Zu dem Ohm’schen Widerstand (beim Gleichstromkreis) kommt noch ein induktiver Widerstand dazu, sobald eine Spule im Wechselstromkreis ist.

Transformator

Eine spezielle und sehr nützliche Bauform der Spule ist ein Transformator. Das ist ein Bauteil mit zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Leitet man Wechselstrom durch die eine Spule, bildet sich ein Magnetfeld im Eisenkern. Und das Magnetfeld erzeugt in der zweiten Spule eine Spannung. Das ist ein Phänomen, das sich bei Wechselstrom sehr effizient nutzen lässt. Man nennt es Induktion: Ein wechselndes Magnetfeld induziert in einem Leiter, der sich in dem Feld befindet, eine Spannung. Im Prinzip gibt es das bei Gleichstrom auch, aber nur beim Einschalten und beim Ausschalten. Bei 50 HZ Wechselstrom kommt es 50-mal in der Sekunde vor. Auf diese Weise werden in der Technik Spannungen transformiert. Aus 230 Volt an der Steckdose transformiert ein Netzgerät die Arbeitsspannung unserer Elektrogeräte wie z. B. ein 5V-Ladegerät fürs Smartphone oder ein 18V-Netzteil für ein Laptop.
Ein weiterer Vorteil ist die galvanische Trennung zweier Stromkreise durch einen Transformator.

Kapazität

Ein elektrisches Feld entsteht allgemein zwischen elektrisch unterschiedlich geladenen Körpern. Sie müssen nicht miteinander verbunden sein und es muss kein Strom fließen, es genügt die räumliche Nähe der Körper.

In einem Experiment werden zwei Metallplatten (wie ein Sandwich) dicht nebeneinander aufgebaut, so dass die Flächen sich überdecken aber nicht berühren. Zwischen den Platten ist Luft als Isolator. Legt man eine Gleichspannung an die beiden Platten, dann laden sie sich elektrisch auf, die eine negativ, die andere positiv. Für einen Sekundenbruchteil fließt dabei Strom in die Platten hinein bzw. heraus. Sobald sie geladen sind, fließt kein „Ladestrom“ mehr. Aber zwischen den beiden Platten ist jetzt ein elektrisches Feld.

In der Praxis wird dieser Aufbau perfektioniert und mit sehr großen Flächen bei geringem Abstand als kompaktes Bauteil hergestellt – ein Kondensator (oder auch Kapazität genannt).

Legt man statt Gleichspannung eine Wechselspannung an den Kondensator, dann passiert im ersten Moment das gleiche – die Platten laden sich auf. Da sich aber ständig die Spannungsrichtung ändert, werden die Platten wechselseitig immer wieder aufgeladen, mal positiv, mal negativ. Und dann fließt der „Ladestrom“ ständig hin und her.

Das bedeutet, dass Strom nicht durch die Luft zwischen den Platten fließt, er fließt aber in die Platten hinein und wieder heraus. Außerhalb des Kondensators wirkt das so, als ob Strom zwischen den Platten fließen würde. Und im Stromkreis fließt tatsächlich Wechselstrom.

Man kann also sagen, dass ein Kondensator Gleichstrom sperrt und Wechselstrom leitet. Gleichzeitig kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Diese Effekte werden in ganz vielen Anwendungen der Elektrotechnik genutzt. Kondensatoren kommen in fast allen elektronischen Geräten häufig zum Einsatz.

Erfahre mehr über Grundlagen der Elektrik.

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