Gleichstrom (DC) ist eine Art von Strom, bei dem die Ladung in eine Richtung fließt, während Wechselstrom (AC) die Richtung periodisch ändert. AC wird verwendet, um Strom in Häuser, Büros usw. zu liefern.
Wechselstrom (AC) erzeugen
Wechselstrom kann mit einem Gerät namens Wechselstromgenerator erzeugt werden. Dieser Generator ist eine spezielle Art von elektrischem Generator, der Wechselstrom erzeugt.
Eine Drahtschleife wird in einem magnetischen Feld gedreht, was einen Strom entlang des Drahtes induziert. Die Drehung des Drahtes kann von verschiedenen Quellen stammen, wie z.B. einer Windturbine, einer Dampfturbine, fließendem Wasser usw. Da sich der Draht periodisch dreht und eine andere magnetische Polarität annimmt, wechseln die Spannung und der Strom auf dem Draht. Hier ist eine kurze Animation, die dieses Prinzip zeigt.
Die Erzeugung von Wechselstrom kann mit unserem vorherigen Wasser-Analogon verglichen werden. Um Wechselstrom in einem Rohrsystem zu erzeugen, verbinden wir eine mechanische Kurbel mit einem Kolben, der das Wasser in den Rohren hin und her bewegt (unser “wechselnder” Strom). Beachten Sie, dass der geklemmte Abschnitt des Rohrs unabhängig von der Flussrichtung einen Widerstand für den Wasserfluss darstellt.
Wellenformen
Wechselstrom kann in verschiedenen Formen auftreten, solange die Spannung und der Strom wechseln. Wenn wir ein Oszilloskop mit einer Schaltung mit Wechselstrom verbinden und die Spannung im Laufe der Zeit plotten, könnten wir verschiedene Wellenformen sehen. Die gebräuchlichste Art von Wechselstrom ist die Sinuswelle. Der Wechselstrom in den meisten Häusern und Büros hat eine oszillierende Spannung, die eine Sinuswelle erzeugt.
Andere gebräuchliche Formen von Wechselstrom sind die Rechteckwelle und die Dreieckswelle. Die Rechteckwelle wird häufig in der digitalen und schaltenden Elektronik verwendet, um ihre Funktion zu testen. Die Dreieckswelle wird in der Klangsynthese gefunden und eignet sich zur Prüfung linearer Elektronik wie Verstärkern.
Eine Sinuswelle beschreiben
Oft möchten wir eine Wechselstrom-Wellenform mathematisch beschreiben. In diesem Beispiel verwenden wir die übliche Sinuswelle. Eine Sinuswelle besteht aus drei Teilen: Amplitude, Frequenz und Phase.
Wenn wir uns nur die Spannung anschauen, können wir eine Sinuswelle als mathematische Funktion beschreiben:
V(t) ist unsere Spannung als Funktion der Zeit, das bedeutet, dass sich unsere Spannung mit der Zeit ändert. Die Gleichung rechts vom Gleichheitszeichen beschreibt, wie sich die Spannung im Laufe der Zeit ändert.
VP ist die Amplitude. Dies beschreibt die maximale Spannung, die unsere Sinuswelle in beide Richtungen erreichen kann, das heißt, unsere Spannung kann +VP Volt, -VP Volt oder irgendwo dazwischen sein.
Die sin()-Funktion gibt an, dass unsere Spannung in Form einer periodischen Sinuswelle vorliegen wird, einer sanften Oszillation um 0V.
2π ist eine Konstante, die die Frequenz von Zyklen (in Hertz) in die Winkelgeschwindigkeit (Radian pro Sekunde) umrechnet.
f beschreibt die Frequenz der Sinuswelle. Diese wird in Hertz oder Einheiten pro Sekunde angegeben. Die Frequenz gibt an, wie oft eine bestimmte Wellenform (in diesem Fall eine volle Periode unserer Sinuswelle – ein Aufstieg und ein Abfall) innerhalb einer Sekunde auftritt.
t ist unsere unabhängige Variable: Zeit (gemessen in Sekunden). Mit der Zeit ändert sich unsere Wellenform.
φ beschreibt die Phase der Sinuswelle. Die Phase ist ein Maß dafür, wie verschoben die Wellenform in Bezug auf die Zeit ist. Sie wird oft als Zahl zwischen 0 und 360 angegeben und in Grad gemessen. Aufgrund der periodischen Natur der Sinuswelle wird, wenn die Wellenform um 360° verschoben ist, wieder dieselbe Wellenform erzeugt, als ob sie um 0° verschoben wäre. Einfachheitshalber nehmen wir im Rest dieses Tutorials an, dass die Phase 0° beträgt.
Wir können uns an unsere Verkaufsstelle wenden, um ein gutes Beispiel dafür zu bekommen, wie eine Wechselstrom-Wellenform funktioniert. In den Vereinigten Staaten wird der Strom, der in unsere Häuser geliefert wird, mit etwa 170V Nulldurchgang-Spitzenwert (Amplitude) und 60Hz (Frequenz) geliefert. Wir können diese Zahlen in unsere Formel einsetzen, um die Gleichung zu erhalten (beachten Sie, dass wir annehmen, dass unsere Phase 0 ist):
Wir können unseren praktischen Grafikrechner verwenden, um diese Gleichung zu zeichnen. Wenn kein Grafikrechner zur Verfügung steht, können wir ein kostenloses Online-Grafikprogramm wie Desmos verwenden (Beachten Sie, dass Sie möglicherweise das „v“ durch „y“ in der Gleichung ersetzen müssen, um die Grafik zu sehen).
Beachten Sie, dass die Spannung periodisch von 170V bis -170V ansteigt und fällt, wie wir vorhergesagt haben. Außerdem treten 60 Zyklen der Sinuswelle pro Sekunde auf. Wenn wir die Spannung in unseren Steckdosen mit einem Oszilloskop messen würden, würden wir das sehen (WARNUNG: Versuchen Sie nicht, die Spannung in einer Steckdose mit einem Oszilloskop zu messen! Dadurch wird wahrscheinlich das Gerät beschädigt).
HINWEIS: Sie haben vielleicht gehört, dass die Wechselspannung in den USA 120V beträgt. Das ist auch korrekt. Wie? Beim Wechselstrom (da die Spannung sich ständig ändert) ist es oft einfacher, einen Durchschnittswert oder Mittelwert zu verwenden. Dazu verwenden wir eine Methode namens “Root Mean Squared” (RMS). Es ist oft hilfreich, den RMS-Wert für Wechselstrom zu verwenden, wenn Sie elektrische Leistung berechnen möchten. Obwohl in unserem Beispiel die Spannung von -170V bis 170V variierte, beträgt der quadratische Mittelwert 120V RMS.
Anwendungen
Haus- und Bürosteckdosen sind fast immer Wechselstrom. Dies liegt daran, dass die Erzeugung und Übertragung von Wechselstrom über lange Strecken relativ einfach ist. Bei hohen Spannungen (über 110 kV) geht weniger Energie bei der elektrischen Energieübertragung verloren. Höhere Spannungen bedeuten geringere Ströme und geringere Ströme bedeuten weniger Wärme, die in der Stromleitung aufgrund des Widerstands erzeugt wird. Wechselstrom kann einfach in und aus hohen Spannungen umgewandelt werden, indem Transformatoren verwendet werden.
Wechselstrom kann auch elektrische Motoren antreiben. Motoren und Generatoren sind dasselbe Gerät, aber Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um (wenn die Welle eines Motors gedreht wird, entsteht eine Spannung an den Anschlüssen!). Dies ist nützlich für viele große Geräte wie Geschirrspüler, Kühlschränke usw., die mit Wechselstrom betrieben werden.
