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In vielen Anwendungsfällen hat man es mit sinusförmigen Spannungsverläufen zu tun, so etwa bei der Energieübertragung. In der Steuerungstechnik trifft man aber auch auf rechteckige oder dreieckige Spannungsverläufe.
Zwischen diesen beiden Grössen besteht ein enger Zusammenhang. Die Periode ist die kleinste Zeiteinheit einer Schwingung. Sie umfasst den positiven als auch den negativen Schwingungsanteil. Genau in der Mitte der Periode, also nach der ersten Halbwelle, wechselt die Polarität. Während der Schwingung ändert sich bei einer sinusförmigen Wechselspannung zudem stetig der Augenblickswert. Er steigt während der ersten Viertelwelle, hat im Scheitelpunkt seinen Maximalwert und fällt dann während der zweiten Viertelwelle stetig ab bis auf null. Während der zweiten Halbwelle geschieht dies im negativen Bereich des Spannungs-Zeit-Diagramms. Die Frequenz gibt nun an, wie oft in der Sekunde eine ganze Schwingung stattfindet. Bei einer Periodendauer von 20 Millisekunden wären das 50 Mal in der Sekunde, also 50 Hertz. Das ist auch die Frequenz in unserem Stromnetz.
Eine Mischspannung ist eine von einer Gleichspannung überlagerte Wechselspannung. Ihr zeitlicher Mittelwert ist daher nicht null wie bei einer reinen Wechselspannung. Man erzeugt eine Mischspannung durch die Zusammenschaltung einer Gleich- mit einer Wechselspannungsquelle.
Das hat vor allem historische Gründe. Das Hauptproblem beim Energietransport über weite Strecken ist der Verlust auf den Stromkabeln. Hohe Stromstärken würden auf der Leitung einen Spannungsabfall und Wärmeverluste entstehen lassen. Für den Transport des Stroms vom Kraftwerk zu den Verbrauchern muss die Spannung daher auf viele tausend Volt hochtransformiert werden. So lässt sich eine grosse Leistung mit geringer Stromstärke übertragen. Als Anfang des 20. Jahrhunderts die ersten Stromnetze gebaut wurden, hatte man nur die Möglichkeit, Hochspannungen mit Transformatoren zu erzeugen, und dafür benötigte man Wechselstrom. Aufgrund der technischen Entwicklung ist es heute jedoch auch möglich, hohe Gleichspannungen zu erzeugen. Da die Verluste auf der Leitung mit Gleichspannung geringer sind, stellt diese Technik heutzutage eine Alternative bei der Energieübertragung auf grossen Entfernungen dar.
Bei Wechselspannungen ist der Mittelwert null und somit ohne Aussagekraft. Eine bessere Beschreibung von Wechselspannungen ermöglicht hingegen der Gleichrichtwert. Er gibt an, welche Gleichspannung im zeitlichen Mittel die gleiche Ladungsmenge (aber nicht die gleiche Leistung!) überträgt. Geometrisch betrachtet klappt man dabei gedanklich die negative Halbwelle nach oben in den positiven Bereich. Der Flächeninhalt unter den beiden Kurven entspricht dann dem Gleichrichtwert. Formal bildet man das Integral des Betrages der Spannungsfunktion über eine Periode. Bei Sinusspannungen kann man den Gleichrichtwert leicht errechnen, indem man den Scheitelwert mit dem Faktor 2/Pi (oder 0,6366) multipliziert.
Interessieren wir uns für die übertragene Leistung von Wechselspannungen, benötigen wir deren Effektivwert. Dieser gibt den Äquivalenzwert zu einer Gleichspannung an, bei der ein ohmscher Widerstand genauso viel Leistung umsetzt (also Wärme abgibt). Mathematisch gesehen, handelt es sich dabei um den quadratischen Mittelwert der Augenblicksspannungen. Bei sinusförmigen Spannungen ist der Effektivwert um den Faktor 1,414 (Wurzel aus 2) kleiner als der Scheitelwert. Bei 230 Volt Netzspannung beträgt der Scheitelwert somit etwa 325 Volt.
Drehstrom, oder auch Dreiphasen-Wechselstrom, ist die häufigste Art der Energieübertragung in Stromnetzen. Statt einem stromführenden Leiter gibt es drei, deren Spannungsverläufe untereinander um 120 Grad (also dem Drittel einer Periode) phasenverschoben sind. Die Summe der drei Wechselspannungen ist auf diese Weise null. Die Bezeichnung Drehstrom kommt daher, dass der Strom von einem Drehstromgenerator im Kraftwerk erzeugt wird und man das Drehfeld für den Antrieb von Motoren nutzen kann. Verbraucher können sowohl in Stern- als auch in Dreieckschaltung betrieben werden, wodurch sich dann die in unserem Stromnetz üblichen Spannungen von 230 Volt (normale Steckdose) und 400 Volt (Motor, Elektroherd) ergeben.
Elektrochemische Korrosion klingt kompliziert, ist jedoch ein Prozess, den du beinahe überall in deiner Umgebung beobachten kannst. Ein besonders häufig auftretendes und gefürchtetes Ergebnis dieser chemischen Veränderung ist der Rost. Doch auch die Oberflächen von anderen Metallen können anfällig für Zerstörung und Verschleisserscheinungen dieser Art sein. Die Auswirkungen sind dabei ein ernstzunehmendes Problem, denn etwa ein Viertel der jährlichen produzierten Metallwerkstoffe fallen diesem Vorgang zum Opfer. Alle Informationen zum Thema elektrochemische Korrosion, welche Vorgänge sich dabei abspielen und wie ein sinnvoller Korrosionsschutz aussieht, erfährst du hier.
Elektrischer Strom fliesst ausschliesslich dann, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Vermutlich hast du davon im Physikunterricht gehört oder sogar schon einmal einen einfachen Stromkreis in der Klasse aufgebaut. Oft klingt es komplizierter, als es ist. Im Folgenden werden deshalb die häufigsten Fragen zu einfachen Stromkreisen beantwortet. Als Verbraucher solltest du dich im Zweifel bei speziellen Fragen aber immer an einen Fachmann wenden.
Die Spannungsquelle kann mit einer Wasserquelle verglichen werden, in der das Wasser der Energielieferant ist und in künstlich oder natürlich angelegten Wasserreservoirs Haushalte versorgt. Wichtig: Eine Spannungsquelle ist keine Energiequelle, die etwa am Anfang der Energieversorgung steht. Energiequellen, wie zum Beispiel das Atom, der Wind oder die Sonne, sind Energieträger, die die nötige Energie für die Stromgewinnung liefern. Heutzutage wird dabei der Fokus vermehrt auf regenerative Energien gelenkt, was der Spannungsquelle zunächst erst einmal komplett egal ist. Die Spannung per se hat auch nichts mit der mechanischen Spannung zu tun, von der sie sich grundlegend unterscheidet.
Die Winkelgeschwindigkeit und die Kreisfrequenz begegnen uns tagtäglich im Leben. Dies gilt sowohl in einem sehr grossen Massstab, etwa für den Umlauf der Planeten um die Sonne, als auch im Kleinen. Sowohl die Herzfrequenz als auch die Bewegung der Gelenke können mit einer kreisförmigen Bewegung verglichen werden. Aber auch in der Elektrotechnik macht man sich die Kreisfrequenz zunutze. Wissenswertes zum Thema gibt es hier.
Der Schrittschalter oder Stromstossschalter ist eine ebenso einfache wie geniale Möglichkeit, eine Beleuchtung auch in grösseren Gebäuden durch mehrere Taster zu schalten. Durch sein simples und kostengünstiges Installationsprinzip erfreut sich der Schrittschalter seit Jahrzehnten konstanter Beliebtheit. Mit komplexeren Schaltungen lassen sich auch vielfältigere Funktionen als nur das Ein- und Ausschalten einer Beleuchtung durch den Schrittschalter steuern.
Ein Elektromotor oder Generator ist kompliziert aufgebaut. Er enthält elektrische Leiter und Magnetfelder, um die elektrische Spannung und Gleichstrom zu erzeugen, und zwar umso mehr, je schneller die Bewegung erfolgt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die elektromotorische Kraft, die im Elektromotor dann als sogenannte Gegen-EMK oder Quellenspannung fungiert. Dadurch kann bei einem Motor mit Gleichstrom die Grenzdrehzahl für eine benötigte Spannung errechnet werden. Diese Kraft wirkt auch in den Spulen elektrodynamischer Lautsprecher, um eine bessere Dämpfung zu erzielen und ein Nachschwingen zu verhindern.