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Strom

Wechselstrom

Wechselstrom

Wechselstrom (AC) ist eine Art elektrischer Strom, der sich mit der Zeit ändert. Die Variation kann in regelmäßigen Abständen in der Stromstärke oder in der Richtung erfolgen.

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

Die häufigste Form der Welligkeit folgt einer sinusartigen trigonometrischen Funktion. Dies ist der effizienteste und praktischste Weg, um elektrische Energie mit Lichtmaschinen zu erzeugen. Es gibt jedoch bestimmte Anwendungen, in denen andere Wellenformen verwendet werden, wie beispielsweise die Rechteckwelle oder die Dreieckswelle.

Gleichstrom ist einer, der seinen Spannungswert konstant und ohne Änderung der Polarität hält.

Was ist die Frequenz eines Wechselstroms?

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

Die Sinuskurve repräsentiert die Änderung der Spannung in einem Wechselstrom. Die Frequenz desselben Stroms ist die Anzahl der Windungen oder Zyklen, die durch den Radius des trigonometrischen Kreises in einer Zeiteinheit gegeben sind.

Übliche Frequenzen

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

Der größte Teil der elektrischen Energie wird bei 50 oder 60 Hertz erzeugt. Einige Länder bieten eine Mischung aus 50-Hz- und 60-Hz-Versorgung.

Eine niedrige Frequenz erleichtert die Konstruktion von Elektromotoren. Speziell zum Heben, Zerkleinern und Walzen. Diese Motoren erfordern eine hohe Drehzahl. Es ist auch vorteilhaft für Kommutator-Traktionsmotoren für Anwendungen wie Eisenbahnen.

Die niedrige Frequenz verursacht jedoch auch ein merkliches Flackern bei Bogenlampen und Glühlampen. Die Verwendung niedrigerer Frequenzen bot auch den Vorteil niedrigerer Impedanzverluste, die proportional zur Frequenz sind.

Auswirkungen hoher Frequenzen

Ein Gleichstrom fließt gleichmäßig durch den Querschnitt eines gleichmäßigen Kabels. Bei einem Wechselstrom beliebiger Frequenz wird die elektrische Ladung von der Mitte des Kabels zu seiner Außenfläche weggedrückt. Dies liegt daran, dass 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 des Kabels innerhalb einer geringen Dicke der Kruste.

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

Beispielsweise beträgt die Filmtiefe eines Kupferleiters bei 60 Hz ungefähr 8,57 mm. Aus diesem Grund sind Hochstromleiter im Allgemeinen hohl. Dies spart Masse und Kosten.

Da der Strom dazu neigt, am Umfang der Leiter zu fließen, wird der effektive Querschnitt des Leiters verringert. Dies 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.

Umstellung von alternierend auf kontinuierlich

Wechselstrom kann einfach auf Gleichstrom umgeschaltet werden. Das Kontinuum hat diese Möglichkeit nicht. Dies ist genau der Grund für die weit verbreitete Verwendung dieser Art von Strom.

Um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, wird der Spannungsanstieg durch Reihenschaltung von Dynamos erreicht. Diese Technik ist im Vergleich zu der Alternative mit einem Transformator sehr unpraktisch, wodurch die Spannung effizient erhöht werden kann.

Elektrische Energie ergibt sich aus dem Produkt von Spannung, Intensität und Zeit. Da der Leiterabschnitt der elektrischen Leitungen vom Strom abhängt, kann die Spannung mittels eines Transformators auf hohe Werte angehoben werden. Elektrischer Hochspannungsstrom. Durch Erhöhen der Spannung wird die Stromstärke verringert.

Der große Vorteil der Verteilung von Strom bei hoher Spannung besteht darin, dass Elektrizität bei geringen Intensitäten über große Entfernungen verteilt werden kann. Dies reduziert die verursachten Energieverluste:

  • Der Joule-Effekt.

  • Hysterese.

  • Foucault-Ströme.

Bei Photovoltaik-Solaranlagen wird üblicherweise ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler verwendet, damit die erzeugte Energie in das Netz eingespeist werden kann.

Stromverteilung

In Europa wird Elektrizität in Form eines sinusförmigen Wechselstroms mit einer konstanten Frequenz von 50 Hz verteilt.

Die Verwendung dieser Art von Strom ist zurückzuführen auf:

  • Der Transport hoher elektrischer Leistungen ist sehr effizient, wenn er bei hohen Spannungen durchgeführt wird. Hohe Spannungen werden mit Transformatoren recht einfach erreicht.

  • Lichtmaschinen sind einfacher. Sie sind auch effizienter als Dynamos.

  • Im Gleichstrom können die Vorteile eines Dreiphasensystems nicht genutzt werden. Fast alle Unterhaltungselektronikgeräte werden mit Gleichstrom betrieben. Trotzdem kann diese Umwandlung leicht mittels eines einfachen Gleichrichters erreicht werden.

Andererseits ist es möglich, elektrischen Wechselstrom aus Gleichstrom zu erhalten. Wechselrichter können diese Umwandlung erzeugen und den Strom in geeigneten Parametern wie Frequenz, Wellenform und Spannung liefern.

Geschichte des Wechselstroms

In den industriellen Ursprüngen des Stromverbrauchs im 19. Jahrhundert wurde Gleichstrom verwendet. Gleichstrom bietet den Vorteil, in Batterien gespeichert werden zu können.

Mit der Ankunft des Wechselstroms durch den Wissenschaftler Nikola Tesla wurde die Welt jedoch erneut revolutioniert.

Wechselstromerweiterung

Der Wirkungsgrad dieser neuen Stromart beruht auf der Tatsache, dass sie dank der Erhöhung der elektrischen Spannung die Energieverluste über große Entfernungen drastisch reduzieren kann.

Diese Eigenschaft ermöglichte es, den Gleichstrom von Thomas Edison zu überwinden.

Der Wechselstrom wurde dank des Einsatzes des Transformators verlängert. Der Transformator ermöglicht es, die Potentialdifferenz (Spannung) auf sehr hohe Werte (Hochspannung) und den Strom auf sehr niedrige Werte zu bringen.

Auf diese Weise bleibt die Leistung unverändert, wenn sie über große Entfernungen übertragen wird.

Außerdem sind Wechselstrommotoren zuverlässiger und effizienter als Gleichstrommotoren.

Gegenwärtig wird weltweit wechselnde elektrische Energie in zwei Frequenzen verteilt, 50 Hz (Europa, Asien, Afrika) und 60 Hz (Amerika, Teil Japans) und unterschiedlichen Spannungen.

Krieg der Strömungen

Der Krieg der Strömungen war eine Reihe von Ereignissen, die den Kampf umgaben, der durch die Einführung elektrischer Energieübertragungssysteme in den Vereinigten Staaten motiviert war. Es geschah zwischen Ende der 1880er und Anfang der 1890er Jahre.

Der Kampf wurde durch die Erwartung der enormen Vorteile motiviert, die große Unternehmen aus dem raschen Wachstum des Stromversorgungsgeschäfts ziehen wollten.

Die Gleichstrom-Gleichstromsysteme der Edison Company und die Wechselstrom-Wechselstromsysteme von Westinghouse Electric (dessen Eigentümer George Westinghouse war) mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen wurden zu Protagonisten der Konfrontation zwischen Unternehmen.

Thomas Edison war auf der Seite der DC-Befürworter. Der Ingenieur Nikola Tesla befürwortete dagegen Wechselstrom.

Trotz Edisons Popularität und seiner Entdeckungen und Erfindungen war es Teslas Wechselstrom, der die Schlacht gewann.

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Erscheinungsdatum: 9. August 2016
Geändert am: 18. April 2020