Wechselstrom: Die Grundlagen und Anwendungen
Was ist Wechselstrom?
Wechselstrom (AC, Alternating Current) ist eine Art von elektrischem Strom, bei dem die Stromrichtung periodisch wechselt und zwischen positiven und negativen Werten oszilliert. Im Gegensatz zum Gleichstrom (DC, Direct Current), bei dem die Stromrichtung konstant bleibt, fließt bei Wechselstrom die elektrische Ladung zunächst in eine Richtung und dann in die entgegengesetzte, wobei sie ihre Richtung mit einer bestimmten Frequenz ständig umkehrt.
Die Maßeinheit des elektrischen Stroms
Die SI-Einheit des Stroms ist das Coulomb pro Sekunde, auch Ampere (A) genannt, eine Basis-SI-Einheit: \(1 \text{ Ampere} = 1A = 1 \text{ Coulomb pro Sekunde} = 1 \frac{C}{s}\). Elektronen, die negativ geladene Teilchen sind, tragen typischerweise den Fluss der elektrischen Ladung.
Anwendungen von Wechselstrom
Wechselstrom ist die vorherrschende Form des Stroms in unseren Häusern und Unternehmen. Dies liegt daran, dass er sich für die Übertragung über lange Strecken eignet, da er leicht auf hohe Spannungen hochtransformiert und dann für die Nutzung in Haushalten und Unternehmen auf niedrigere Spannungen heruntertransformiert werden kann. Die Frequenz von Wechselstrom wird typischerweise in Hertz (Hz) gemessen, was der Anzahl der Schwingungen des Stroms pro Sekunde entspricht. In den USA beträgt die Standardfrequenz des Wechselstroms 60 Hz, in einigen anderen Ländern 50 Hz.
Messung von Wechselstrom
Zur Messung des Wechselstroms werden Amperemeter verwendet. Es gibt drei grundlegende Arten von Amperemetern für Wechselstrom:
- Bewegliche Spulenamperemeter: Diese nutzen eine Spule, die sich in einem Magnetfeld bewegt, um den durchfließenden Strom zu messen.
- Digital-Amperemeter: Sie messen den Wechselstrom, indem sie ihn in ein proportionales digitales Signal umwandeln.
- Zangenamperemeter: Diese messen den Stromfluss durch ein Kabel, ohne dass dieses physisch getrennt werden muss.
Gleichrichtung und Wechselstrom
Die Gleichrichtung ist der Prozess der Umwandlung eines Wechselstromsignals in ein Gleichstromsignal. Dabei wird die negative Hälfte der Wechselstromwelle eliminiert oder „gleichgerichtet“. Dies geschieht in der Regel mit einer Diode, einem Einwegventil für den Stromfluss, das den Strom nur in eine Richtung fließen lässt und in der anderen blockiert. Es gibt zwei Arten von Gleichrichtern: Halbwellen- und Vollwellengleichrichter.
Quellen von Wechselstrom
Zu den Quellen von Wechselstrom gehören das Stromnetz, Generatoren, Wechselrichter und Transformatoren. Das Stromnetz liefert Wechselstrom für Haushalte und Unternehmen, Generatoren erzeugen Wechselstrom durch die Drehung einer Spule in einem Magnetfeld, Wechselrichter wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um und Transformatoren werden verwendet, um die Spannung des Wechselstroms für die Übertragung über lange Strecken zu ändern.
Warum verwenden wir Wechselstrom zu Hause?
Wechselstrom ist effizienter für die Übertragung über lange Distanzen und kann leicht in verschiedene Spannungsstufen transformiert werden. AC-Generatoren sind effizienter und kostengünstiger zu bauen und zu warten als DC-Generatoren. Wechselstrom ist auch sicherer als Gleichstrom bei höheren Spannungsebenen.
Elektrischer Strom und die hydraulische Analogie
Die hydraulische Analogie vergleicht Hydraulik mit Elektrizität und ist ein nützliches Werkzeug zum Verständnis von Stromkreisen. Strom entspricht dabei der hydraulischen Volumenstromrate, gemessen in Ampere, während der Widerstand dem Rohrdurchmesser oder Hindernissen in einem Schlauch entspricht, gemessen in Ohm.
