Elektrische Energieversorgung Mit der Entdeckung der Induktion wurden Generatoren entwickelt, zuerst für Gleichstrom, später auch für Wechselstrom. Jetzt erst begann die umfassende Nutzung von Elektrizität. Die ersten Elektrizitätsquellen, "Elektrisiermaschinen" genannt, wurden im 18.Jahrhundert erfunden; sie funktionierten nach dem Prinzip der Reibungs-elektrizität. Es folgten Influenzmaschinen, die Hochspannungsversuche bei sehr niedrigen die Hochspannungsversuche bei sehr niedrigen Stromstärken ermöglichen. Mit den "Leidener Flaschen" wurde die Speicherfähigkeit von Kondensatoren entdeckt. Damit konnte für sehr kurze Zeit eine große Ladungsmenge fließen. Anfangs des 19.Jahrhunderts wurden mit den Volta'schen Säulen die ersten Batterien eingeführt und so begann die Erforschung der Gesetze des Gleichstroms.

Sinusförmige Wechselspannung Bei einer Dreiecksglimm-lampe, die mit dem 50-Hz-Haushaltsstrom betrieben wird, wird i das abwechselnde Aufleuchten der beiden Elektroden mit einem Drehspiegel gezeigt. Mit einer Anordnung von zwei parallel geschalteten Leucht-dioden wird erläutert, was man sich unter Wechselstrom vorstellen soll. Eine Leucht-diode ist ein Halbleiterbauteil, das Stromfluss nur in eine Richtung erlaubt. Bei Betrieb mit einer Batterie leuchtet nur eine der beiden, umgekehrt gepolten Dioden. Damit wird geprüft, wo der Plus- und der Minuspol der Batterie ist. Nach dem Umpolen leuchtet die andere Diode. Bei einem Wechselstrom leuchten beide Dioden abwechselnd und zeigen die Frequenz f mit der Einheit 1 Hertz an. Bei f = 3 Hz z.B. leuchtet jede Diode in jeder Sekunde dreimal. Ab Frequenzen von etwa 25 Hz, kann unser Gehirn die Einzelbilder von je einer leuchtenden Diode nicht mehr auflösen, und es scheinen dann beide gleichzeitig zu leuchten.

Sinusförmige Wechselspannung Diese Kurvenform lässt sich auch theoretisch herleiten, indem man das Induktionsgesetz auf die wirksame Fläche der rotierenden Induktionsspule anwendet. Soweit zur Vorstellung von Wechselspannung und Wechsel-strom, aber wie funktioniert ein Wechselspannungsgenerator? Ein Modellversuch zeigt das verblüffend einfache Prinzip: Ein rotierender Dauermagnet induziert in einer Spule abwechselnd positive und negative Spannungs-spitzen. Um eine Situation zu schaffen, bei der die Formel für Induktion anwendbar ist, wird eine rechteckige Induktionsspule im homogenen Magnet-feld eines Helmholtzspulenpaars gedreht. Bei konstanter Kreisfrequenz (Omega) ergibt sich eine sinusförmige Wechselspannung.

Generator wobei der Drehwinkel ist. Die induzierte Spannung ist dann Der Generator ist sicher einer der wichtigsten technischen Anwendungen in unserer Welt. Die Erzeugung von Strom (Spannung) beruht auf dem Induktionsgesetz. Durch die Drehung der Leiter-schlaufe kommt es zu einer Flächenänderung und somit zu einer Änderung des magnetischen Flusses. Für diesen gilt bei Drehung mit konstanter Geschwindigkeit bzw. Frequenz wobei der Drehwinkel ist. Die induzierte Spannung ist dann Um die Fläche zu vergrößern, werden mehrere Leiterschleifen übereinander gelegt. Die Fläche A muß dann noch mit der Anzahl der Windungen n multipliziert werden.

Wechselstromgenerator Werner von Siemens entdeckte das "elektrodynamische Prinzip", das viel leistungs-stärkere Generatoren ermöglichte. Eine Verwendung von Elektromagneten hielt man für unmöglich, weil dann beim Hochfahren des Generators kein Magnetfeld bereitsteht. Siemens fand heraus, dass der Rest-magnetismus des Eisenkerns für den Start genügt. Ein Modellgenerator mit einem Eisenkern und mit bogenförmigen Polschuhen für die Dauermagneten wird näher untersucht. Die erzielten Spannungswerte sind ganz beachtlich, aber der Kurven-verlauf ist keine saubere Sinusform. Deshalb werden in Kraftwerken aufwändigere Anordnungen mit vielen versetzen Wicklungen und Polschuhen verwendet. Ein Wechselstromgenerator kann sehr leicht zu einem Gleichstromgenerator umgebaut werden. Dazu wird wie beim Gleichstrommotor ein Kommutator verwendet, der hier die Polung der Spannung nach je einer Halbdrehung ändert. Aus dem ursprünglichen Sinusverlauf werden die negativen Halbwellen nach oben geklappt und es entsteht ein "pulsierender" Gleichstrom.

Effektivwerte für Strom und Spannung Die Messgeräte zeigen für Wechselstrom/spannung Effektivwerte an, die den Werten bei Gleichstrom/spannung gleicher Leistung entsprechen. Mathematische Überlegungen für die Umrechnung zwischen den Effektiv- und den Amplitudenwerten liefern den Faktor 0,71 Bei Multimetern gibt es für Amperemessungen jeweils getrennte Bereiche für Gleich- und Wechselstrom, analog ist es bei Spannungen. Die internationalen Abkürzungen hierfür sind DC für "direkt current" und AC für "alternating current" oder ein Gleichzeichen und eine Welle. Für unsere Haushalts-elektrizität im europäischen Verbund ist die Frequenz auf 50 Hz festgelegt. Die Spannungsamplitude beträgt 320 V und damit ergibt sich für den Effektivwert eine Spannung von 230 V.

Effektivwerte für Strom und Spannung Der Effektivwert der Wechselspannung hat die gleich große Wärmewirkung wie die gleich große Gleichspannung. Bei der Spannung fließt ein Strom der Stärke Für die elektrische Leistung gilt: Die Leistung schwankt also im Verbraucher ständig mit der doppelten Frequenz Um den Mittelwert

Drehstromtechnik Drehstrommotoren sind analog mit drei Feldspulen und einer gemeinsamen Ankerspule aufgebaut. So können Drehstrommotoren mit Drehstrom ein kontinuierlich hohes Drehmoment aufbringen. Ein Modellversuch zeigt, wie ein Drei-Phasen-Drehstrom-Generator aufgebaut ist. Um einen drehbaren Magnetanker, hier ein Stabmagnet, sind mit 120°-Zwischenwinkeln drei Induktionsspulen aufgestellt. Bei einer vollen Umdrehung des Magneten blitzen die drei angeschlossenen Lämpchen zeitlich versetzt auf, nach je einer Drittel Periodendauer. Die Wechselströme und Wechselspannungen in den drei Phasenleitungen sind gegeneinander um 120° bzw. T /3 versetzt.

Fragen zur Wechselspannung Ein Wechselstrom mit der Amplitude 3,5A hat eine Frequenz von 60Hz. a) Wie groß ist die Periodendauer? b) Wie groß ist die Stromstärke 41,7ms nach dem Durchgang durch den Wert Null? Eine sinusförmige Wechselspannung mit dem Scheitelwert 325V wird an einen Widerstand von 52,9 angeschlossen. Wie groß ist die im Widerstand umgesetzte (mittlere) Leistung? Durch eine 21 W-Glühlampe fließt ein sinusförmiger Wechselstrom mit dem Scheitelwert 2,5A. Berechnen Sie die Effektivspannung an der Lampe.