Spannungsarten und -ströme

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Spannungsarten und -ströme: Wechselstrom – Gleichstrom – Drehstrom

Stromkabel mit fünf Adern © Demarco, stock.adobe.com
Stromkabel mit fünf Adern © Demarco, stock.adobe.com

Einfach ausgedrückt: Strom ist nichts anderes als der Transport von elektrischen Ladungsträgern. Strom fließt, sobald zwischen einer Stromquelle und einem Verbraucher eine leitende Verbindung besteht – genannt Stromkreis. Dabei ist die Stromflussrichtung stets von Plus nach Minus. Die physikalische Größe, die den elektrischen Strom bemisst, ist die elektrische Stromstärke (Formelzeichen I), die Einheit ist das Ampere (A).

Einfacher Stromkreis ©  Heinz Kerp
Einfacher Stromkreis © Heinz Kerp

Damit Strom überhaupt fließen kann, ist elektrische Spannung notwendig. Die Spannung ist nämlich die Fähigkeit, die elektrischen Ladungsträger zu verschieben. Vereinfacht ausgedrückt und analog zum Stromkreis, charakterisiert die Spannung die „Stärke“ der Stromquelle.

Einfacher Stromkreis ©  Heinz Kerp
Einfacher Stromkreis © Heinz Kerp

Werden beispielsweise die zwei Pole einer Steckdose durch einen elektrischen Verbraucher miteinander verbunden, fließt Strom. Wie groß sich die Stromstärke dabei einstellt, hängt von der Größe der Spannung und vom Verbraucher ab, der als elektrischer Widerstand bezeichnet wird.

Die physikalische Größe der elektrischen Spannung hat das Formelzeichen U und wird im internationalen Einheitensystem in der Einheit Volt (V) angegeben. Der elektrische Widerstand hat das Formelzeichen R und besitzt die Einheit Ohm (Ω).

Die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung zeigt sich in der Formel:

Strom = Spannung / Widerstand

I = U/R

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Wechselstrom und Wechselspannung

Strom benötigen wir überall, doch kaum einer weiß, ob er gerade ein Gerät mit Gleich- oder Wechselstrom beziehungsweise -spannung betreibt. Was üblicherweise aus der Steckdose kommt, sind Wechselstrom und Wechselspannung. Beides zeichnet sich durch eine wechselnde Richtung beim Transport der elektrischen Ladungsträger aus. Sie unterscheiden sich vom Gleichstrom oder der Gleichspannung dadurch, dass beide regelmäßig die Richtung ändern, so dass die positiven und negativen Werte einander ergänzen. Im zeitlichen Mittel liegen Strom und Spannung also bei null. Mit welcher Frequenz sich die Richtung ändert, wird in Hertz angegeben. In Europa beträgt sie 50 Hertz – das bedeutet, die Richtung ändert sich 100 Mal pro Sekunde, 50 Mal in jede Richtung.

Die Frequenz des Stromnetztes beträgt in Europa 50 Hz
Die Frequenz des Stromnetztes beträgt in Europa 50 Hertz
Wechselstrom und Wechselspannung © Heinz Kerp
Wechselstrom und Wechselspannung © Heinz Kerp

Wechselstrom und Wechselspannung haben den Vorteil, dass beides leicht zu erzeugen und zu transportieren ist. In der Regel nutzt man dazu einen Generator, der Strom wie auch Spannung durch konstante Drehung einer Leiterschleife in einem ruhenden Magnetfeld erzeugt. Diese Technik ist sehr einfach zu realisieren.

Drehstromgenerator © Heinz Kerp
Drehstromgenerator © Heinz Kerp

In den Kraftwerken der öffentlichen Stromversorgung werden durchweg Drehstrom-Synchrongeneratoren eingesetzt. Die Leiterschleife bewegt sich an drei um 120 Grad räumlich versetzten Magneten vorbei, sodass bei einer Umdrehung auch um 120 Grad zeitlich versetzte Spannungen oder Ströme entstehen.

Dreh- oder Starkstrom

Genau genommen handelt es sich bei „Starkstrom“ oder „Drehstrom“ um eine Dreiphasenwechselspannung, die auf drei miteinander verbundenen Wechselströmen basiert, die den Transport von Strom im Netz ermöglichen. Um Strom transportieren zu können, ist, wie schon erwähnt, ein gewisser Wert an Spannung erforderlich. Müssen weite Strecken zurückgelegt werden, wird Hochspannung verwendet, die aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit den Energietransport vom Kraftwerk in selbst sehr weit entfernte Netze ermöglicht. Dabei durchläuft der Starkstrom diverse Transformationsprozesse, bis er mit einer Spannung von 230 Volt oder 400 Volt im Haushalt ankommt.

Elektroherd und Kochfeld anschließen © Andrey Popov, stock.adobe.com
Elektroherd und Kochfeld anschließen © Andrey Popov, stock.adobe.com

Technisch gesehen wird für die Erzeugung von Starkstrom ein Generator mit drei Magnetfeldern versehen, die kreisförmig angeordnet werden – daher der Begriff Dreiphasenwechselstrom. Hierdurch entstehen anlog zu den Wechselströmen drei Wechselspannungen, die ihre Leistungsfähigkeit zu unterschiedlichen Zeiten abrufen und hierdurch eine eminente Leistung generieren.

Dreiphasenwechselstrom und Dreiphasenwechselspannung © Heinz Kerp
Dreiphasenwechselstrom und Dreiphasenwechselspannung © Heinz Kerp

Das öffentliche Stromnetz läuft mit Dreiphasenstrom. Ist ein Haus an das öffentliche Stromnetz angeschlossen, kommen vier Kabel im Haus an. Dabei handelt es sich um je ein Kabel für die drei Phasen und einen Nullleiter. Den meisten Geräten im Haus oder in der Wohnung reicht eine Phase. Lediglich der Elektroherd benötigt in der Regel die drei Phasen.

Hausanschluss mit Anschluss an das öffentliche Stromnetz
Hausanschluss mit Dreiphasenwechselstrom Anbindung an das öffentliche Stromnetz

Gleichstrom und Gleichspannung

Regelung der Heizkörper mit dem Smartphone © Andrey Popov, stock.adobe.com
Viele elektrische Geräte wie z.B. Radio, Fernseher oder Smartphones laufen mit Gleichstrom © Andrey Popov, stock.adobe.com

Anders als der Wechselstrom oder die Wechselspannung mit ihren stetigen und regelmäßigen Richtungsänderungen mit den dabei alternierend positiven und negativen Werten, behält der Gleichstrom stets die gleiche Polarität bei. Die Gleichspannung besitzt einen Augenblickswert, der sich über einen längeren Betrachtungszeitraum nicht ändert. Sie hat zu jedem Zeitpunkt das gleiche Vorzeichen und den gleichen Betrag.

Gleichstrom und Gleichspannung © Heinz Kerp
Gleichstrom und Gleichspannung © Heinz Kerp

Mischstrom und Mischspannung

Der aus dem Alltag bekannte Gleichstrom oder die Gleichspannung ist in der Regel ein Wechselstrom oder eine Wechselspannung aus der Steckdose, die gleichgerichtet wird. Dies erfolgt über einen Gleichrichter, der bereits im Verbraucher verbaut wurde.

Wechselstromkreis mit Gleichrichter
Wechselstromkreis mit Gleichrichter © Heinz Kerp

Der in Kraftwerken von elektrischen Generatoren erzeugte Strom beziehungsweise Spannung ist eine Wechselspannung. Aus dieser kann mittels Gleichrichtern Gleichspannung erzeugt werden. Dabei entsteht eine Mischspannung, deren Mittelwert als Gleichspannung bezeichnet wird. Mit Glättungskondensatoren, bei größeren Strömen oder bei getakteten Netzteilen auch mit vorgeschalteten Spulen, kann der überlagerte Wechselanteil erheblich vermindert werden. Was bleibt, ist eine kleine Restwelligkeit.

Wechselstrom gleicherichtet und Wechselspannung gleichgerichtet  © Heinz Kerp
Wechselstrom gleicherichtet und Wechselspannung gleichgerichtet © Heinz Kerp
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