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Strom

Was ist ein Wechselstrom? Definition und Vorteile

Was ist ein Wechselstrom? Definition und Vorteile

Wechselstrom (AC) ist der Fluss einer elektrischen Ladung, die ihre Richtung periodisch umkehrt. Die Variation kann in regelmäßigen Abständen in Stromstärke oder -richtung erfolgen.

Die Wechselspannung variiert zyklisch zwischen den Maximal- und Minimalwerten. Die Spannung ist die Hälfte der Zeit positiv und die andere Hälfte negativ. Das bedeutet, dass der Strom die Hälfte der Zeit in eine Richtung fließt und die andere Hälfte in die entgegengesetzte Richtung.

Die häufigste Form der Welligkeit folgt einer sinusförmigen trigonometrischen Funktion, die die effizienteste und praktischste Art ist, elektrische Energie mit Generatoren zu erzeugen. Es gibt jedoch spezielle Anwendungen, bei denen andere Wellenformen verwendet werden, wie beispielsweise die Rechteckwelle oder die Dreieckwelle.

Im Gegensatz dazu behält Gleichstrom (DC) seinen Spannungswert konstant und ohne Polaritätswechsel.

Jeder stromdurchflossene Leiter kann um ihn herum ein Magnetfeld erzeugen. Daher sind sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom hilfreich, um Elektromagnete zu erstellen.

AC-Spitzenspannung ist die maximale oder Spitzenspannung, die die Quelle erreichen kann oder wird. Die Spitzenspannung, die wir als VP bezeichnen, wird von der horizontalen Achse (bei 0 Referenzhöhe) bis zum oberen Rand der Wellenform gemessen.

Was sind die Vorteile von Wechselstrom?

Die Verwendung dieser Stromart hat im Vergleich zu Gleichstrom folgende Vorteile:

  1. Es ist möglich, die Spannung des Netzteils mit Transformatoren zu erhöhen oder zu verringern.

  2. Es ermöglicht den Transport von elektrischem Strom mit geringem Energieverlust.

  3. Es ist problemlos möglich, ihn in Gleichstrom umzuwandeln.

  4. Durch die elektronische Frequenzerhöhung können Sprache, Bild, Ton und Steuerbefehle drahtlos über große Distanzen übertragen werden.

  5. Elektromotoren und Generatoren mit Wechselstrom sind einfacher zu warten als solche mit Gleichstrom.

Frequenzen eines Wechselstroms

Die Frequenz ist die Anzahl der Zyklen der Sinuswelle, die in einer Zeiteinheit auftreten.

Die Sinuskurve repräsentiert den Verlauf der Wechselspannung. Die Frequenz des gleichen Stroms ist die Anzahl der Umdrehungen oder Zyklen, die der Radius des trigonometrischen Kreises in einer Zeiteinheit ergibt.

Welche Frequenzen sind bei Wechselstrom üblich?

Die Frequenz des elektrischen Systems variiert je nach Land und manchmal innerhalb eines Landes.

Der meiste Strom wird mit 50 oder 60 Hertz erzeugt. Darüber hinaus gibt es in einigen Ländern eine Mischung aus 50-Hz- und 60-Hz-Netzen.

Eine niedrige Frequenz erleichtert die Konstruktion von Elektromotoren , insbesondere solchen, die eine hohe Drehzahl erfordern. Es ist auch für Traktionsmotoren vom Kommutatortyp für Anwendungen wie Eisenbahnen vorteilhaft.

Allerdings verursacht die niedrige Frequenz auch bei Bogenlampen und Glühbirnen ein merkliches Flackern. Die Verwendung niedrigerer Frequenzen reduziert auch Impedanzverluste.

Auswirkungen hoher Frequenzen

Durch den Querschnitt eines einheitlichen Kabels fließt gleichmäßig ein Gleichstrom. Die elektrische Ladung wird jedoch in einem Wechselstrom beliebiger Frequenz vom Zentrum des Kabels in Richtung seiner Außenfläche gedrängt. Dies geschieht, weil die Beschleunigung einer elektrischen Ladung in einem Wechselstrom Wellen elektromagnetischer Strahlung erzeugt. 

Diese Wellen heben die Ausbreitung von Elektrizität zum Zentrum von Materialien mit hoher Leitfähigkeit auf. Dieses Phänomen wird als Filmeffekt bezeichnet.

Bei sehr hohen Frequenzen fließt kein Strom mehr im Kabel. Strom fließt auf der Oberfläche der Leitung innerhalb einer geringen Dicke der Kruste.

Die Tiefe der Kruste ist die Dicke, auf die die Stromdichte um 63% reduziert wird. Somit tritt selbst bei relativ niedrigen Frequenzen, die für die Energieübertragung verwendet werden (50 Hz - 60 Hz), eine ungleichmäßige Stromverteilung in ausreichend dicken Leitern auf.

Beispielsweise beträgt die Filmtiefe eines Kupferleiters etwa 8,57 mm bei 60 Hz. Aus diesem Grund sind Hochstromleiter im Allgemeinen hohl, um Masse und Kosten zu sparen.

Da der Strom dazu neigt, am Umfang der Leiter zu fließen, wird der wirksame Querschnitt des Leiters verringert. Es erhöht den effektiven Wechselstromwiderstand des Leiters, da der Widerstand umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche ist.

Der Wechselstromwiderstand ist oft um ein Vielfaches größer als der Gleichstromwiderstand. Dieser Unterschied verursacht einen viel größeren Energieverlust aufgrund der ohmschen Erwärmung.

Wenn ein Wechselstrom durch eine Spule fließt, erzeugt er ein magnetisches Feld. Der Wechselstrom ist ein zeitvariabler Strom und oft eine Sinuswelle. Somit ist der Magnet auch zeitvariabel. Es gibt mehrere Techniken zum Erzeugen eines hochfrequenten Magnetfelds.

Stromverteilung

In Europa erfolgt die Stromverteilung in sinusförmigem Wechselstrom mit einer konstanten Frequenz von 50 Hz.

Die Verwendung dieser Stromart ist zurückzuführen auf:

  • Der Transport hoher elektrischer Leistungen durch die Stromleitungen ist sehr effizient, wenn er mit hohen Spannungen durchgeführt wird. Durch den Einsatz von Transformatoren werden recht einfach hohe Spannungen erreicht.

  • Generatoren sind unkomplizierter: Sie sind auch effizienter als Dynamos.

  • Bei Gleichstrom können die Vorteile eines Drehstromsystems nicht genutzt werden. Fast alle Geräte der Unterhaltungselektronik werden mit Gleichstrom betrieben. Trotzdem kann diese Umwandlung leicht durch einen einfachen Gleichrichter erreicht werden.

Andererseits ist es möglich, aus Gleichstrom elektrischen Wechselstrom zu gewinnen. Wechselrichter können diese Umwandlung erzeugen und den Strom in geeignete Frequenz-, Wellenform- und Spannungsparameter liefern.

Wie man Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt

Wechselstrom kann mit einem Gleichrichter einfach in Gleichstrom umgeschaltet werden. Umgekehrt ist es viel anspruchsvoller. Genau das ist der Grund für die weit verbreitete Verwendung dieser Art von elektrischem Strom.

Die elektrische Energie ergibt sich aus dem Produkt aus Spannung, Intensität und Zeit. Da der Querschnitt der Leiter der elektrischen Leitungen von der Stromstärke abhängt, können wir die Spannung auf hohe Werte erhöhen. Mit steigender Spannung nimmt die Stromstärke ab.

Der große Vorteil der Stromverteilung mit höherer Spannung besteht darin, dass wir Strom mit geringen Strömen über Übertragungsleitungen von Kraftwerken über große Entfernungen verteilen können. Dadurch werden Energieverluste reduziert.

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Veröffentlichungsdatum: 9. August 2016
Letzte Überarbeitung: 15. Juli 2021