Wechselstrom (AC) ist eine von zwei Arten von elektrischem Strom, die zur Übertragung von Elektrizität verwendet werden. Die Herstellung erfolgt mit speziell für diesen Zweck entwickelten Generatoren. Diese Wechselstromgeneratoren wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um und ermöglichen so eine effiziente Produktion.
An der Entdeckung und Entwicklung des Wechselstroms (AC) waren im Laufe der Zeit mehrere Pioniere beteiligt.
Im Jahr 1831 legte Michael Faraday mit seiner Entdeckung der elektromagnetischen Induktion den Grundstein. Er zeigte, dass ein sich änderndes Magnetfeld in einem Leiter einen elektrischen Strom induzieren kann, ein wesentliches Prinzip zur Erzeugung von Wechselstrom. Daraus baute Hippolyte Pixii im Jahr 1832 einen frühen Generator, der Wechselstrom erzeugte, der jedoch zu dieser Zeit häufig in Gleichstrom (DC) umgewandelt wurde.
Mitte des 19. Jahrhunderts verbesserten Ingenieure wie Zénobe Théophile Gramme Dynamomaschinen, die Wechselstrom erzeugen konnten. Später führten Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs Transformatoren ein und begannen, das Potenzial von Wechselstrom für die elektrische Übertragung zu erforschen, wobei sie seine Vorteile für die Stromverteilung über große Entfernungen erkannten.
Es war jedoch Nikola Tesla, der in den 1880er Jahren die Nutzung von Wechselstrom revolutionierte. Tesla entwickelte den Induktionsmotor und fortschrittliche Wechselstromgeneratoren, die eine effiziente Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Wechselenergie ermöglichten. Ihre Arbeit ermöglichte die Übertragung von Wechselstrom über große Entfernungen mit minimalem Energieverlust, eine wesentliche Verbesserung gegenüber Gleichstromsystemen.
Die Innovationen von Tesla führten zusammen mit der finanziellen und geschäftlichen Unterstützung von George Westinghouse dazu, dass Wechselstrom zum vorherrschenden System für die Stromerzeugung und -verteilung wurde. Während Faraday die theoretische Grundlage lieferte, machten Teslas Beiträge den Wechselstrom praktisch und transformativ für moderne elektrische Systeme.
Die Anfänge der Elektrizität: von Gleichstrom zu Wechselstrom
In den Anfängen der Elektrizitätsnutzung, im 19. Jahrhundert, war Gleichstrom (DC) das vorherrschende System. Doch mit dem Aufkommen des Wechselstroms, der vom Wissenschaftler Nikola Tesla entwickelt wurde, erlebte die Welt eine revolutionäre Veränderung in der Art und Weise, wie Elektrizität erzeugt, übertragen und genutzt wird.
Entdeckung der elektromotorischen Kraft
Die Entdeckung der elektromotorischen Kraft (EMF) wurde 1831 vom britischen Wissenschaftler Michael Faraday gemacht. Faraday beobachtete, dass ein in einem Magnetfeld rotierender Leiter einen konstanten Stromfluss erzeugt. Dieses Phänomen ermöglicht die Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie.
Faradays Entdeckung, bekannt als elektromagnetische Induktion, demonstrierte die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und führte zum Verständnis der elektromagnetischen Kraft. Jahrzehnte später drückte James Clerk Maxwell diese Prinzipien mathematisch durch seine berühmten Gleichungen aus.
Nikola Tesla und das Wechselstromverteilungssystem
Nikola Tesla war der erste, der ein Wechselstromverteilungssystem vorschlug. Zu dieser Zeit arbeitete Tesla für die Firma von Thomas Alva Edison.
Im Jahr 1887 baute Tesla erfolgreich den ersten Prototyp eines Induktionsmotors. Dieser Motor wurde mit einer Art elektrischem Strom betrieben, bei dem die Elektronen aufgrund der wechselnden Polarität periodisch ihre Richtung änderten. Tesla erkannte, dass Wechselstromgeneratoren einen elektrischen Fluss erzeugten, der in einem bestimmten Zeitraum mehrmals die Polarität änderte.
Die Herausforderungen der Gleichstromübertragung (DC).
Die größte Herausforderung bei der Gleichstromübertragung bestand darin, einen effizienten Weg für den Stromtransport über große Entfernungen zu finden. Gleichstrom, der von Dynamos erzeugt wird, fließt nur in eine Richtung mit konstantem Plus- und Minuspol.
Die Gleichstromverteilung hatte jedoch erhebliche Nachteile: Über große Entfernungen kam es zu einer Überhitzung der Kabel und zu Energieverlusten. Um dieses Problem zu lösen, musste die Stromstärke erhöht werden, was jedoch zu höheren Kosten und Energieverschwendung führte.
Im Gegensatz dazu könnten Wechselstromsysteme das Spannungsniveau erhöhen und so die Übertragung von Strom über große Entfernungen mit minimalem Energieverlust ermöglichen.
Der Wirkungsgrad von Wechselstrom (AC)
Wechselstrom reduziert Leistungsverluste über große Entfernungen erheblich, indem er eine Hochspannungsübertragung ermöglicht. Hochspannung ist jedoch gefährlich für Lebewesen und muss daher reduziert werden, bevor sie an Häuser und Fabriken verteilt wird. Dies wird durch Transformatoren erreicht.
Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs entwickelten zu diesem Zweck den ersten Transformator. Transformatoren ermöglichen die Erhöhung der Spannung auf sehr hohe Werte (Hochspannung) und reduzieren gleichzeitig die Stromstärke auf sichere Werte.
Im Jahr 1885 arbeitete auch der Physiker William Stanley an der Verbesserung der Wechselstromübertragung. Er nutzte das Prinzip der elektromagnetischen Induktion, um Wechselstrom zwischen elektrisch isolierten Stromkreisen zu übertragen. Obwohl seine Bemühungen nicht sofort erfolgreich waren, wurde das System von Nikola Tesla schließlich zum Standard für die Stromverteilung.
Warum erfolgt die Stromverteilung mit Wechselstrom?
Die Hauptvorteile der Wechselstromverteilung sind im Wesentlichen zwei:
- Weniger Energieverluste über große Distanzen.
- Erhöhte Zuverlässigkeit und Effizienz von Wechselstrommotoren.
Tesla schlug seinem Arbeitgeber Edison, dem Gründer von General Electric, ein Wechselstromverteilungssystem vor, um Probleme bei der Fernübertragung zu lösen. Edison lehnte jedoch ab, da sein auf Gleichstrom basierendes System zu dieser Zeit kommerziell dominant war.
Trotz anfänglichem Widerstand setzten sich schließlich die Vorteile des Wechselstromsystems von Tesla durch. Dieser Wettbewerb zwischen Tesla und Edison wurde als „Krieg der Strömungen“ bekannt, bei dem es darum ging, herauszufinden, welches das beste System zur Stromverteilung in den Vereinigten Staaten sei.
Die Westinghouse Electric Corporation erwarb die Wechselstrompatente von Tesla und gewann Aufträge für Großprojekte, darunter das Wasserkraftwerk Niagara Falls. Im 20. Jahrhundert wurden Gleichstromverteilungssysteme rasch abgeschafft. Das letzte Gleichstrombeleuchtungssystem von New York City wurde 2007 abgeschaltet.
Die Ausbreitung des Wechselstroms
Die weit verbreitete Einführung von Wechselstrom (AC) wurde durch die Entwicklung von Transformatoren erheblich erleichtert, die die effiziente Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen mit minimalem Energieverlust ermöglichten. Transformatoren passen die Spannungsniveaus an und ermöglichen so die Übertragung hoher Spannungen, wodurch die Verlustleistung reduziert und die Gesamteffizienz verbessert wird.
Diese Fähigkeit machte Wechselstrom für die Übertragung über große Entfernungen im Vergleich zu Gleichstromsystemen (DC) kostengünstiger.
Die Fähigkeit, Strom effizient über große Entfernungen zu übertragen, war ein entscheidender Faktor für den wachsenden Bedarf an elektrischer Energie.
Infolgedessen wurde der Wechselstrom zum weltweit vorherrschenden Stromverteilungssystem, ein Zustand, der bis heute anhält.