Wechselstrom, Drehstrom & Gleichstrom » Unterschiede einfach erklärt
Wer sich etwas intensiver mit Elektrotechnik und Elektronik beschäftigt, wird immer wieder über die Begriffe „Strom“ und „Spannung“ stolpern. Speziell Einsteiger verlieren schnell den Überblick, wenn von Gleichspannung, Wechselspannung, Drehstrom oder AC und DC gesprochen wird.
Wenn dann auch noch die Formelzeichen ins Spiel kommen, ist die Verwirrung komplett. Aus diesem Grund haben wir einige Begriffe rund um das Thema Strom und Spannung verständlich erklärt.
Um das Thema Elektrizität genau verstehen zu können, muss man wissen, was genau der elektrische Strom ist. Darauf lassen sich dann alle weiteren Informationen und Erklärungen problemlos aufbauen.
In der Elektrizitätslehre wird Strom als Transport von elektrischen Ladungsträgern definiert. Ladungsträger können z.B. Elektronen sein, die in einem elektrischen Leiter fließen.
Dazu müssen die Atome des elektrischen Leiters so beschaffen sein, dass sie Elektronen leicht abgeben und auch wieder leicht aufnehmen können. Viele Metalle, wie z.B. Aluminium oder Kupfer haben diese vorteilhafte Eigenschaft. Im Gegensatz dazu gibt es Stoffe, die ihre Elektronen nicht abgeben. Diese Materialien werden dann als Isolatoren verwendet.
Wenn man das Bohr`sche Atommodell genauer betrachtet, erkennt man Elektronen, die in unterschiedlichen Bahnen um den Atomkern kreisen. Im Fall von Kupfer mit der Ordnungszahl 29 sind das 29 Elektronen, wobei sich in der äußersten Schale, der Valenzschale, lediglich ein Elektron (Valenzelektron) befindet.
Allerdings stimmt bei der beigefügten Zeichnung das Verhältnis zwischen Atomkern und Elektronenbahn nicht. Bei einem Atomkern mit einem Durchmesser von 5 – 6 cm hätte ein Elektron die Größe eines Stecknadelkopfes und würde im Abstand von ca. 100 m um den Kern kreisen.
Da die Atome in Metallen gitterförmig aufgebaut sind, kommt es vor, dass das Valenzelektron dem Kern eines „Nachbar-Atoms“ sehr nahe kommt. Dadurch verliert es die Bindung zum „eigenen“ Atomkern und kann sich frei im Leiter bewegen.
Kupfer hat lediglich ein Elektron auf der äußersten Schale (N-Schale).
Damit diese freien Elektronen durch den Leiter wandern können und somit elektrischer Strom fließt, muss von außen eine treibende Kraft auf den Leiter bzw. die Elektronen im Leiter einwirken. Diese Kraft wird durch die elektrische Spannung erzeugt.
Elektronenüberschuss und Elektronenmangel in einer Batterie.
Die elektrische Spannung wird als die treibende Kraft für den elektrischen Stromfluss erklärt. Eine Spannungsquelle benötigt demzufolge zwei Anschlüsse. An einem Anschluss muss ein Elektronen-Überschuss (Minus-Pol) und am anderen Anschluss muss ein Elektronen-Mangel (Plus-Pol) herrschen. Die Art und Weise, wie bei einer Spannungsquelle der Potentialunterschied zwischen den beiden Anschlüssen erzeugt wird, ist recht unterschiedlich.
Im Wesentlichen wird dazu die elektromagnetische Induktion genutzt. Das geht beim Fahrraddynamo mit geringer Energie los und reicht bis zum gigantischen Kraftwerksgenerator. Bei Batterien oder Akkus werden elektrochemische Prozesse für die Spannungserzeugung genutzt.
Eine weitere Möglichkeit der Spannungserzeugung ist zum Beispiel die statische Aufladung durch Konvektion, die bei Gewitterwolken oder Influenzmaschinen anzutreffen ist.
Das Formelzeichen für die Spannung ist U und die Einheit ist 1 Volt.
Unabhängig von der Art der Spannungserzeugung ist die Wirkung der elektrischen Spannung immer gleich:
Sobald die beiden Pole einer Spannungsquelle mit einem elektrischen Leiter verbunden werden, fließt Strom. Das bedeutet, auf der Seite mit dem Elektronen-Mangel werden freie Elektronen aus dem Leiter abgezogen. Gleichzeitig werden auf der Seite mit dem Elektronen-Überschuss Elektronen in den Leiter abgegeben.
Das funktioniert ähnlich wie bei einem Schlauch (Leiter), der mit Kugeln (Elektronen) gefüllt ist. Steckt man auf einer Seite eine weitere Kugel in den Schlauch hinein, fällt zeitgleich auf der anderen Seite eine Kugel heraus.
Wenn links eine Kugel eingedrückt wird, fällt rechts eine Kugel heraus.
Ebenso ist es beim Stromkreis. Die Wirkung der Spannung, also der Druck auf die Kugeln im Schlauch, wird mit nahezu Lichtgeschwindigkeit weitergeleitet. Die tatsächliche Bewegung der einzelnen Elektronen hingegen liegt bei ca. 1 mm/s.
Das Formelzeichen für den Strom ist I und die Einheit ist 1 Ampere.
Damit Strom fließen kann, müssen bestimmte Voraussetzungen gegeben sein:
Die Elektronen fließen über den Verbraucher vom Überschuss zum Mangel.
1. Eine elektrische Spannung muss vorhanden sein
Da die elektrische Spannung die treibende Kraft für den Strom ist, kann ohne Spannung kein Strom fließen. Spätestens wenn man bei einem Stromausfall in der kalten und dunklen Wohnung sitzt, wird dieser Zusammenhang deutlich spürbar.
2. Der Stromkreis muss geschlossen sein
Damit die Spannungsquelle einerseits Elektronen in den Stromkreis einspeisen und andererseits abziehen kann, muss der Stromkreis geschlossen sein.
Wird der Stromkreis durch einen Schalter unterbrochen, kann auch kein Strom mehr fließen. Selbst wenn die Spannung noch vorhanden ist.
Wieviel Strom durch einen Stromkreis fließt, hängt zunächst von der Spannungshöhe der Stromquelle ab. Wenn z.B. bei einer Taschenlampe die Spannung sinkt, weil die Batterien leer werden, verringert sich auch die Stromstärke. Das Licht wird immer dunkler, bis es schließlich ganz erlischt.
Aber auch der Widerstand des Stromkreises bzw. des Verbrauchers spielt eine entscheidende Rolle.
Bei einem KFZ fließen beim Startvorgang mehrere Hundert Ampere über den Anlasser. Das Standlichtbirnchen hingegen benötigt nur wenige Milliampere. Und dass, obwohl beide Verbraucher an derselben Autobatterie angeschlossen sind und die gleiche Betriebsspannung von 12 V haben. Der Grund dafür liegt im elektrischen Widerstand der Verbraucher. Dieser ist bei einem Elektrostarter extrem klein und bei einem Standlicht-Leuchtmittel sehr groß.
Das Formelzeichen für den Widerstand ist R und die Einheit ist 1 Ohm (Ω).
Ohmsches Gesetz
Das Ohmsche Gesetz definiert das Verhältnis zwischen Spannung, Strom und Widerstand:
Widerstand = Spannung : Strom (R = U : I)
Nach dieser Formel kann immer ein Wert berechnet werden, wenn die beiden anderen bekannt sind. Die umgestellten Formeln lauten dann:
U = R x I oder I = U : R
In Schaltplänen wird die technische Stromrichtung genutzt.
Noch bevor man von der Existenz von Atomen und Elektronen Kenntnis hatte, konnte man die Bewegung von positiv geladenen Ladungsträgern (Ionen) in Elektrolyten nachweisen.
Da sich die Ladungsträger vom Pluspol zum Minuspol bewegten, ging man von einer technischen Stromrichtung von Plus nach Minus aus.
Diese Betrachtung hat sich bis heute erhalten. In den Schaltplänen der unterschiedlichsten Geräte sind die gezeichneten Bauteile wie Dioden oder Transistoren entsprechend dieser Stromfluss-Richtung ausgelegt.
Die physikalische Stromrichtung hingegen beschreibt die tatsächliche Elektronenbewegung, die von Minus nach Plus verläuft.
Eine Gleichspannung ist eine Spannung, bei der die Elektronen immer in eine Richtung wandern. Die Spannungsquelle ist also dauerhaft gleich gepolt. Die Spannungshöhe hingegen muss nicht zwangsläufig immer gleich hoch sein.
Klassische Energiequellen für die Erzeugung von Gleichspannung sind Batterien und Akkus, bei denen sich die Spannungslage im Verlauf der Entladung mehr oder weniger stark verringert.
Ergänzend dazu erzeugen die meisten Netzteile ebenfalls eine Gleichspannung, obwohl sie mit Wechselspannung gespeist werden. Bei stabilisierten Netzteilen legt man neben der gleichbleibenden Stromrichtung auch noch sehr großen Wert auf eine absolut gleichbleibende Spannungshöhe
Batterien sind typische Gleichspannungsquellen.
Da die Spannung kontinuierlich die gleiche Polarität aufweist, fließt auch der Strom kontinuierlich in die gleiche Richtung. Allerdings kann der Gleichstrom in Abhängigkeit von der Spannung in der Höhe variieren. Die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnung Direct Current (DC) wird im deutschen Sprachgebrauch ebenfalls für Gleichstrom genutzt.
Hinweis:
Der große Vorteil von Gleichspannung bzw. Gleichstrom ist die Möglichkeit der Speicherung. Mit Hilfe von Batterien oder Akkus kann elektrische Energie auf ideale Weise für den mobilen Einsatz gespeichert werden.
Eine Wechselspannung ist eine Spannung, bei der die Polung periodisch wechselt und der Spannungswert sich dadurch kontinuierlich ändert. Die am meisten anzutreffende Wechselspannung ist die Sinuswechselspannung des öffentlichen Stromnetzes. Wie eine sinusförmige Wechselspannung entsteht, kann man sehr einfach erkennen, wenn man einen Stromgenerator genauer betrachtet.
Wenn die Spule sich im Magnetfeld bewegt, wird Spannung induziert.
Wie bei einem Gleichstromelektromotor besteht der Generator aus einem Dauermagneten (1) mit Nordpol (Rot) und Südpol (Grün), der als Stator dient. Zwischen den beiden Polen sind einige wenige Pfeile (2) zu sehen, die das unsichtbare Magnetfeld optisch darstellen sollen.
In diesem Magnetfeld ist eine drehbare Spule (3) angeordnet. Zur einfacheren Darstellung hat die Rotorspule im Bild lediglich eine Wicklung. Die beiden Enden der Spule sind mit Schleifringen (4) verbunden, damit die Spannung der Spule über Schleifkontakte (5) nach außen abgeführt werden kann.
Wenn die Spule wie im gezeigten Bild senkrecht ausgerichtet ist, durchqueren die waagerecht angeordneten Teile der Spule bei der Bewegung sehr viele Magnetfeldlinien. Dadurch ist in diesem Moment die in der Spule induzierte Spannung sehr hoch.
Wenn die Spule waagerecht ausgerichtet ist, erfolgt eine Bewegung der waagerechten Spulendrähte parallel zu den Magnetfeldlinien. Da in diesem Fall keine Magnetfeldlinien durchquert werden, ist die in der Spule induzierte Spannung gleich Null.
Da sich die Spule in einer gleichmäßigen Geschwindigkeit dreht, ergibt das eine sinusförmige Wechselspannung. Im nachfolgenden Video ist die Spule direkt von vorne zu sehen.
Bei einem Ohm`schen Verbraucher, wie z.B. einer Glühlampe, verhält sich der Strom ebenso wie die Spannung. Das bedeutet, der Strom steigt zeitgleich mit der Spannung an, fällt nach dem Spitzenwert wieder ab und ändert bei der negativen Halbwelle die Richtung. Deshalb spricht man auch von Wechselstrom. Die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnung Alternated Current (AC) wird im deutschen Sprachgebrauch auch für Wechselstrom genutzt.
Hinweis:
Der große Vorteil von Wechselspannung bzw. Wechselstrom ist die Möglichkeit der Transformierung. Mit zwei Spulen auf einem Eisenkern (Transformator) kann eine Wechselspannung mit z.B. 230 V problemlos in 12 V Wechselspannung gewandelt werden.
Im Zuge der Angleichung wurde im Jahr 1987 die Netzspannung europaweit auf einheitlich 230 V festgelegt. Seit 2009 beträgt die max. zulässige Spannungsschwankung ± 23 V.
Somit kann sich die Netzspannung im Bereich von 207 V – 253 V bewegen. Wobei die angegebenen Spannungswerte die Effektivspannung beschreiben. Das bedeutet: Wenn an der 230 V Netzspannung der Steckdose ein Heizwiderstand angeschlossen wird, erreicht dieser die gleiche Heizleistung, als wenn er an einer Gleichspannung in Höhe von 230 V betrieben werden würde.
Da aber bei einer Sinuswechselspannung die Spannung zwischen den Halbwellen immer wieder auf 0 Volt zurückgeht, müssen demzufolge die Spannungsspitzen (Us) deutlich über 230 V liegen. In der Praxis liegt der Wert bei ca. 325 V. Die beigefügte Grafik veranschaulicht diese Zusammenhänge.
Die Spitzenwerte der Wechselspannung liegen deutlich über 230 V.
Unstabilisierte Netzteile haben eine gewisse Restwelligkeit.
Von Mischspannungen spricht man, wenn eine Gleichspannung mit einer Wechselspannung überlagert wird. In der Praxis sind Mischspannungen oft bei unstabilisierten Stecker-Netzteilen anzutreffen. Diese Netzteile enthalten in der Regel einen Brücken-Gleichrichter (Diode D1 – 4), der die negative Halbwelle nach oben in den positiven Spannungsbereich klappt. Ohne Siebkondensator (C), der die Ausgangsspannung annähernd auf gleichem Niveau hält (siehe blaue Linie), würde die Spannung zwischen den Halbwellen immer wieder auf Null absinken.
Da sich der Siebkondensator aber zwischen den einzelnen Spannungsspitzen der Sinus-Halbwellen immer wieder leicht entlädt, schwankt die Gleichspannung ständig in der Höhe. Fachleute sprechen in diesem Fall von Restwelligkeit der Spannung. Entsprechend der Spannungsänderungen der Mischspannung fließt dann auch ein ständig sich ändernder Mischstrom. Das bedeutet: Der Gleichstrom schwankt im Rhythmus der überlagerten Wechselspannung.
Die Restwelligkeit einer gleichgerichteten und mit einem Kondensator geglätteten Netzteilspannung (siehe auch Abschnitt Mischspannungen) sollte so gering wie möglich sein. Dies ist besonders bei den Netzteilen in Audio-Verstärkern wichtig.
Stabilisierte Netzteile haben so gut wie keine Restwelligkeit.
Darum werden Verstärkernetzteile auch mit großen Kondensatoren mit hoher Kapazität zur Glättung der Betriebsspannung bestückt. Denn zwischen den Halbwellen müssen diese Kondensatoren als Spannungsquelle für den Verstärker dienen. Zu klein bemessene oder mit der Zeit gealterte und somit ausgetrocknete Kondensatoren erzeugen eine zu hohe Restwelligkeit, die sich dann als Brummton in den Lautsprechern bemerkbar macht. Bei alten Radios kann man diesen Effekt oft beobachten. Aus diesem Grund wird die Restwelligkeit des Netzteils auch als Brummspannung bezeichnet.
Um eine absolut saubere Gleichspannung zu erhalten, wird oft mit Spannungs-Stabilisierungsstufen oder Festspannungsreglern gearbeitet. Damit diese Stabilisierung aber zuverlässig funktioniert, muss die Eingangsspannung ein etwas höheres Niveau haben, als am Ausgang für die Verbraucher benötigt wird.
Für viele Anwendungen und Verbraucher im Haushalt und Büro ist die Netzspannung von 230 V vollkommen ausreichend. Im Handwerk oder in der Industrie ist das aber sehr oft nicht der Fall.
Hier wird für Motoren, große Maschinen und Anlagen mehr Leistung bei der elektrischen Energieversorgung benötigt. Aus diesem Grund werden in den Stromgeneratoren nicht nur eine, sondern drei Spulen zur Stromerzeugung genutzt. Der mittlere Anschluss der drei Spulen wird in einem gemeinsamen Punkt zusammengefasst und mit der Erde verbunden. Die anderen drei Spulenenden werden als einzelne Phasen L1, L2 und L3 nach außen geführt.
Drehstromgeneratoren liefern um 120° versetzte Wechselspannungen
Hinweis:
Ob sich eine Spule in einem Magnetfeld eines feststehenden Magneten dreht oder umgekehrt ist für das Funktionsprinzip bedeutungslos.
Die Sinuswellen sind jeweils um 120° verschoben
Die drei Spulen sind mechanisch um 120° versetzt zueinander angeordnet. Demzufolge sind auch die drei Sinuswellen zeitlich um 120° versetzt.
Wenn die Wechselspannung an einer Spule gemessen wird, ergibt das einen Effektivwert von 230 V. Diese Spannung wird bei der Gebäudeinstallation für Steckdosen und Beleuchtung genutzt.
Wenn jedoch die Spannungzwischen zwei Phasen gemessen wird, addieren sich die Spannungswerte beider Spulen. Demzufolge liegen hier der Effektivwert bei 400 V und der Spitzenwert bei 565 V.
Da Dreiphasenwechselstrom vornehmlich zur Versorgung von großen Elektromotoren genutzt wird, hat sich in der Umgangssprache diese Art der Energieversorgung auch als Starkstrom, Drehstrom oder Kraftstrom etabliert. Die Elektromotoren werden dementsprechend auch als Drehstrom-Elektromotoren oder Drehstrommotoren bezeichnet.
CEE-Stecker (li) mit 5 Kontakten und Schutzkontaktstecker (re) mit 3 Kontakten.
Im Gegensatz zu den dreipoligen Schutzkontakt-Steckdosen, die in jedem Büro und in jeder Werkstatt zu finden sind, haben die Steckdosen bzw. die Stecker für den Dreiphasen-Wechselstrom bzw. Drehstrom fünf Steckkontakte und werden als CEE-Stecker bezeichnet. Je nach Stromstärke (z.B. 16, 32 oder 63 A) variiert die Steckergröße.
Energieversorger sind daran interessiert, alle drei Außenleiter bzw. Phasen des Stromnetzes gleichmäßig zu belasten. Darum werden alle drei Phasen dem Endverbraucher für die Gebäudeinstallation zur Verfügung gestellt. Selbst dann, wenn der Endverbraucher keinen Anschluss mit Drehstrom benötigt.
Es ist dann die Aufgabe der Elektroinstallation durch eine entsprechende Verteilung die vorhandenen Verbraucher gleichmäßig auf die drei Phasen zu verteilen.
Warum wird bei der Stromversorgung von Gebäuden mit gefährlichen 230 V gearbeitet?
Durch die hohe Spannung kann der Strom trotz hoher Leistung gering gehalten werden. Somit ist es möglich, für die Elektroinstallation Kabel mit 1,5 mm² oder 2,5 mm² zu nutzen und somit die Kosten überschaubar zu halten.
Wieso wird bei Überlandleitungen mit Hochspannung gearbeitet?
Stromleitungen haben einen ohmschen Widerstand, der sich nicht vermeiden lässt. Wie groß der Spannungsverlust durch den Leitungswiderstand ist, hängt davon ab, wieviel Strom über die Leitung fließt. Um den Stromfluss so gering wie möglich zu halten, wird für große Entfernungen die Spannung auf mehrere 100.000 V transformiert. Dadurch ist gewährleistet, dass bei der Energieübertragung so wenig Leistung wie möglich verloren geht. Am Ziel wird die Hochspannung über Umspannwerke stufenweise herunter transformiert und letztendlich in das 230 V Niederspannungsnetz eingespeist.
Warum können Vögel auf Stromleitungen sitzen, ohne dass ihnen etwas passiert?
Die Vögel setzen sich ja nur auf einen Leiter, wobei der Abstand der Beine so gering ist, dass es sich quasi um das gleiche Spannungs-Potential handelt. Gefährlich wird es, wenn Vögel mit großer Spannweite mit den Flügelspitzen in die Nähe zweier Leitungen oder einer Leitung und dem geerdeten Masten geraten. Da kann es leicht zu gefährlichen Spannungsüberschlägen kommen.
Ab wann werden Spannungen gefährlich?
Laut dem Verband für Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik e. V. (VDE) beträgt die max. Berührungsspannung 50 V/AC und 120 V/DC. Der dabei fließende Strom ist vom Körperwiderstand abhängig. Bei einem Wechselstrom mit 50 Hz kann es bereits bei 45 mA zu ernsthaften Gesundheitsproblemen kommen. Darum lösen Fehlerstromschutzschalter bereits bei 30 mA aus.
Sind elektrische Weidezäune für Menschen gefährlich?
Grundsätzlich nicht! Denn obwohl die Weidezaun-Geratoren sehr hohe Spannungen von mehreren Tausend Volt erzeugen, bricht die Spannung sofort zusammen, sobald auch nur ein geringer Strom fließt. Menschen mit einer Herzschwäche sollten einen unter Spannung stehenden Weidezaundraht aber trotzdem nicht bewusst berühren.
Wieso erhält man manchmal einen elektrischen Schlag, wenn man Türen berührt?
Dies passiert dann, wenn man mit gut isolierten Schuhen über einen Teppichboden läuft. Durch die Reibung findet eine elektrostatische Aufladung statt. Dabei gibt der Stoff mit der schwächeren Elektronen-Bindung Elektronen an den Stoff mit der stärkeren Elektronenbindung ab. Es baut sich somit ein Potentialunterschied auf. Beim Griff an eine Tür oder ein Metallregal entlädt sich die elektrische Energie des Potentialunterschieds, was als kurzer aber unangenehmer „Stromschlag“ empfunden wird. Aufgrund der geringen elektrischen Leistung ist dieser Effekt aber nicht gefährlich.