Energieübertragung und Transport bei Wechselstrom?
Hallo,
als ich gestern mal so vor mich her gemacht habe, ist mir aufgefallen das ich doch ein gewisses Verständnisproblem bezüglich Wechselstrom habe.
Eigentlich habe ich insgesamt zwei Fragen:
- Mir ist bewusst, dass bei der Stromübertragung bei langen Wegen, also zum Beispiel von dem Kraftwerk in die Stadt, eine hohe Spannung bei niedriger Stromstärke verwendet wird. Allerdings ist mir dabei im Zusammenhang mit der Definition von Spannung und Stromstärke eine Frage aufgekommen. Wenn die Stromstärke die Ladung bzw. könnte man ja auch Anzahl an Elektronen pro Zeit durch den Querschnitt des Leiters ist, und man die Spannung so zusagen als Druck sieht, die die Elektronen anschiebt bzw. Beschleunigt, dann müsste die Stromstärke ja theoretisch beim erhöhen der Spannung auch steigen, weil sich die Elektronen schneller bewegen und so mehr Elektronen pro Zeit (z.Bsp. 1 Sekunde) durch den Leiterquerschnitt bewegen oder nicht?
- Ist mir beim Wechselstrom bewusst, dass es eine ständige umpolung, bzw. einen Wechsel von + und - Pol gibt. Allerdings habe ich ein Verständnisproblem, was die Abgabe der Energie an einen Verbraucher angeht. Beim Gleichstrom kann man ja sagen, dass die Elektronen von einem Pol zum anderen durch den Kreislaufe fließen und dabei einen Teil ihrer Energie an den Verbraucher abgeben. Beim Wechselstrom würden die Elektronen aber doch quasi immer hin und her gehen, also durch den Verbraucher hin und durch den Verbraucher zurück und immer so weiter gehen. Aber okay wenn ich es mir jetzt so recht überlege, würde der Verbraucher so ja immer laufen gehalten werden, wobei ich mir dann wieder die Frage stelle, ob beim Gleichstrom dann konstant Elektronen aus dem - Pol kommen, um den Elektronenfluss aufrecht zu erhalten? Ich habe da echt ein kleines Vorstellungsproblem.
Außerdem würde mich in dem Zusammenhang interessieren, wo die Elektronen dann herkommen, also angenommen, ich stecke jetzt eine Lampe in die Steckdose, beim Gleichstrom würde man denken kommen die Elektronen vom Kraftwerk fließen einmal durch den Verbraucher und wieder zurück, aber Wechselstrom , müssten sie den langen Weg ja immer hin und zurück, anderseits könnte ich mir auch vorstellen, dass man beim stecken in die Steckdose, sozusagen nur die Spannung aktiviert und die Elektronen aus den Leitern/Kabeln vor Ort kommen, in diesem Fall würde ich mich aber wieder fragen wozu man für lange Übertragungen dann eine hohe Spannung und niedrige Stromstärke braucht bzw. Verluste minimieren will.
Also ihr seht, ich hab da eine Menge Fragen und ich habe bereits viel im Internet gesucht, aber konnte nur teilweise meine Fragen beantworten, teilweise wurde ich noch mehr verwirrt. Vielleicht habe ich auch irgendwo einen extremen Denkfehler.
😅
Ich würde mich wirklich über eine Antwort von euch freuen und danke schon mal im Voraus.
3 Antworten
Energie wird in einer Leitung durch das elektrische und magnetische Feld übertragen, nicht durch die Elektronen.
Die Elektronen sind schon im Kabel vorhanden. Denn Kabel bestehen aus Atomen und Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen.
In Metallen kann sich ein Teil der Elektronen frei zwischen den Atomen bewegen. Man kann sich das vorstellen wie einen Wasserschlauch, der komplett mit Wasser gefüllt ist. Wenn man nun immer im Wechsel ein wenig Wasser in den Schlauch hinein und wieder heraus pumpt, dann bewegt sich das Wasser im Inneren hin und her. Am anderen Schlauchende kann das Wasser dann irgendetwas bewegen, z.B. eine Maschine antreiben. Und das obwohl kein einziges Wassermolekül von einem zum anderen Ende geflossen ist. Ein hin und her Bewegen reicht aus.
1.) Das ist eine ganz einfache Sache. Die Spannung ist ja Arbeit pro Ladung und immer wenn eine Arbeit verrichtet wird, wirkt auch eine Kraft F, denn W=F*s.
Angenommen du schiebst jetzt eine Kiste mit der Kraft F an um diese zu beschleunigen und zu bewegen. Dann wird die Kiste mit der Masse m umso schneller, je mehr Kraft du reinsteckst. Ich denke bis hierhin sind wir uns einig. Jetzt kommt ein Kerl daher, der sich selbst "Widerstand" nennt und sieht, wie du die Kiste bewegst bzw bewegen willst und das passt ihm so gar nicht. Damit du dich also möglichst nicht bewegen kannst drückt er nun ebenfalls mit einer Kraft F auf die Kiste und diese Kraft wirkt nun deiner Kraft entgegen.
Preisfrage: Was muss geschehen, damit sich die Kiste Trotzdem bewegt und damit sie beschleunigt wird? Die Antwort ist, deine Kraft, muss größer sein als die vom Widerstand nicht wahr? Du investierst jetzt viel mehr Kraft legst aber nicht viel mehr Weg zurück. Das heißt deine Arbeit die du verrichtest wird insgesamt größer aber die Strecke die die Kiste dabei zurücklegt ist genauso wie vorher als du ihn ohne Widerstand beschleunigt hast. Woher kommt das? Es ist eben weil der Widerstand dir entgegen drückt und die Beschleunigung zu verhindern versucht. Es braucht nun viel mehr Arbeit um für eine Beschleunigung zu sorgen. beim elektrischen Widerstand wirkt im Prinzip eine Kraft, die die Bewegung der Ladung zu hemmen versucht. Der Strom bleibt also nach dem ohmschen Gesetz vom Widerstand abhängig. Wenn der Widerstand groß ist, muss der Strom nicht ebenfalls groß sein, nur weil die Spannung groß ist und da I=Q/t ist, verrichten die Ladung zwar mehr Arbeit aber es fließen weniger Ladung pro Sekunde. Bzw. Eine höhere Spannung muss nicht gleich zu einen schnelleren Fluss der Ladung und damit zu einer höheren Stromstärke führen demnach gilt das ohmsche Gesetz I=U/R.
2.) Gleichstrom bedeutet, dass die Flussrichtung der Ladung gleich bleibt also von - nach + oder technisch gesehen von + nach -. Dabei muss die Spannung nicht ständig gleich groß bleiben. Im Falle einer Batterie z.b. sinkt die Spannung mit der Zeit ab. Ladungen haben grundsätzlich das bestreben sich auszugleichen. Das heißt ein Atom eines Elementes ist in der Regel immer elektrisch Neutral, das heißt im Normalfall, sobald Elemente Bindungen eingehen ist es das gewesen aber grundsätzlich will ein Atom immer genauso viele Elektronen auf der Außenschale wie Protonen im Kern, damit dieser nach außen elektrisch neutrall ist.
nimmst du dem Element ein Elektron weg, so wird aus dem Atom ein positiv geladenes Ion, einfach weil er nun mehr protonen wie Elektronen besitzt. Es wirkt nun ein elektrisches Feld auf andere Ladungen bis der Ladungsunterschied ausgeglichen ist und genau darum geht es. Es fließt solange ein Strom bis der Potentialunterschied zwischen + und - ausgeglichen ist.
Schauen wir uns einen Generator an oder noch einfacher gesagt ein Fahrraddynamo. Dort befindet sich eine Spule und ein dauermagnet. Wenn du den Dynamo nun antreibst, verändert sich an den Stellen immer das Magnetfeld, weil dieser sich dreht. Das heißt es kommt beim Leiter immer zu einer Magnetfeldänderung und jeder elektrische Leiter der eine Magnetfeldänderung erfährt wird eine elektrische Spannung induziert.
da du den Magneten jetzt drehst, verändert sich ja auch jedesmal die Ausrichtung der Pole des Magneten und so verändert sich auch immer die Flussrichtung der Ladung (wechselstrom) Das macht er in diesem Beispiel aber nicht irgendwie, da der Magnet eine Kreisbewegung beschreibt, beschreibt auch die Spannung eine Kreisbewegung. Das heißt die Spannung ändert Sinusförmig periodisch seine polarität:
