Energieübertragung bei Wechselstrom
Hallo,
bisher habe ich mir nie wirklich Gedanken zu dem Thema gemacht und ich dachte ich wüsste alles, was man als "normaler" Mensch darüber wissen muss, aber ich frage mich seit einigen Tagen... Wie kommt es zur tatsächlichen Energieübertragung bei Wechselstrom?
Bei Gleichstrom stelle ich es mir so vor: Vom Minuspol werden Elektronen in Richtung Pluspol durch einen Verbraucher/Widerstand gedrückt.
Bei Wechselstrom wechselt jedoch die Polarität, so müssten ja im Grunde immer die selben Elektronen hin und her geschoben werden. Dass Elektronen nicht "verbraucht" werden wie Benzin oder andere Kraftstoffe weiß ich ja, aber worin besteht nun die Energieübertragung?
Ist es nur das bloße Bewegen von Elektronen in einem Leiter? Kann man mir dann in dem Zusammenhang nochmal Spannung und Stromstärke erklären, denn scheinbar ist das reine Schulwissen da nicht ausreichend.
Wenn ich nämlich weiter ausdrösel, dann komm ich auf folgendes... Ich brauche Energie, Energie ist Arbeit, Arbeit ist Kraft x Weg Der Weg ist soweit klar, das Kabelinnere, aber die Kraft...?
Seht Ihr wo ich genau den Knoten im Kopf habe? :S
Danke für die Antworten Gruß
10 Antworten
Ist es nur das bloße Bewegen von Elektronen in einem Leiter?
Genauso ist es.
Die ständige Umpolung war anfangs dafür notwendig, dass der Wechselstrom transformierbar bleibt, das heißt auf großen Strecken mit hoher Spannung (U) transportiert werden kann.
Dann ist es möglich (wegen P = U x I) große Leistungen (P) mit wenig Strom ( I ) zu übertragen. Wenig Strom bedeutet wiederum wenig Kupfereinsatz für die Überlandkabel.
Strom und Spannung kann man leicht mit Wasser in einer Wasserleitung vergleichen.
Die Spannung (Volt) entspricht dabei dem Druck, der auf der Leitung herrscht.
Der Strom (Ampere) fließt erst, wenn ein Verbraucher angeschlossen wird (Wasserhahn wird aufgedreht). Die Wassermenge, die dann fließt (z.B. 10 Liter pro Minute) kann man mit dem Strom vergleichen.
Bei weniger Spannung (z.B. USA: 120 Volt) ist für die gleiche Leistung viel mehr Strom notwendig (etwa das Doppelte). Daher sind dort in den Elektroleitungen die Kupferadern auch viel dicker.
Die elektrische Arbeit (gerne Verbrauch genannt) wird in kWh oder Wh gemessen. Diese Berechnet sich nicht, wie die mechanische Arbeit in Kraft x Weg, sondern in Leistung (Watt) x Zeit (h)
Gruß DER ELEKTRIKER
"Reibung" kann man das nicht nennen. Zwischen den Elektronen gibt es ja keine mechanische Bewegung in dem Sinne.
Es ist eher ein Zusammenstoßen der Elektronen mit den vorhandenen Atomen, aus dem die Wärmeenergie entsteht. Bei erhöhter Temperatur (Glühwendel hat Betriebstemperatur) steigt der elektrische Widerstand um 0,366 % pro Grad der Temperatur der Glühwendel bis der Widerstand so hoch ist (bzw. der Strom so klein), dass er sein Normalniveau erreicht.
Ist die Glühwendel durch Verdampfungsprozesse dünner geworden (oft sichtbar durch Wolfram-Niederschlag auf der Innerseite des Glaskolbens), kann sie den Strom nicht mehr aushalten und reisst.
Wenn Spannung U anliegt, entsteht ein el. Feld der Stärke E = U/d
(d = Weg zwischen den Polen). Elektronen der Ladung e erfahren dadurch
eine Kraft F = e E. Wenn sie sich dabei um die Strecke s weiterbewegen,
wird die Arbeit W = F s geleistet. Das gilt bei jeder Polarität.
Beim Wechselstrom wird in jeder Halbwelle die gleiche Arbeit geleistet,
auch wenn die Elektronen mal hin mal her gehen.
Ich versuche es mal Laienhaft zu erklären.
Wenn Spannung anliegt fliessen keine Elektronen. Sobald der Kreislauf geschlossen ist können die Elektronen fließen. Das ist dann der Stromfluß.
Wenn Wechselstrom mit sagen wir 1 Hertz durch eine Lampe fließt, dann geht für 1 Sekunde die Lampe an und eine Sekunde die Lampe aus.
Die Kraft sind somit die Elektronen die das Bedürfnis haben sich Auszugleichen.
Wenn Wechselstrom mit sagen wir 1 Hertz durch eine Lampe fließt, dann geht für 1 Sekunde die Lampe an und eine Sekunde die Lampe aus.
Nöö. Bei 1Hz wird die Lampe für 0,25s heller, hat dann die maximale Helligkeit erreicht, wird die nächsten 0,25s dunkler, bis sie aus ist. Dann wiederholt sich das ganze mit umgekehrter Polarität, was der Glühlampe egal ist. Sie wird also wieder hell und dann wieder dunkel. Zumindest theoretrisch.
In der Praxis ist der Glühfaden so träge, dass die Lampe mit konstanter Helligkeit brennt.
Meines Wissens bedeutet ein 1Hertz das eine Sinuskurve/Sekunde durchlaufen wird.
Eine Sinuskurve hat 2 Amplituden: Eine Negative und eine Positive. Ok es stimmt, dann leuchtet sie 2mal pro Sekunde ( 2 x 0,5 Sekunden).
In der Praxis ist der Glühfaden so träge, dass die Lampe mit konstanter Helligkeit brennt.
Nein, das würde ich so nicht sagen. Man sieht sehr oft in alten Filmen oder auf Reisen das wenn nur eine niedrige Stromversorgung vorhanden ist das die Lampen flackern. Das ist ein Zeichen von zu wenig Hertz bzw. zu wenig Wechselspannung.
Das Flackern käme von einer zu niedrigen Frequenz. Die Spannung spielt keine Rolle.
Ich weiss nicht, welche alten Filme oder welche Reise zu meinst, aber bei 50Kz siehst du keine Glühlampe flackern. Dafür ist der Glühfaden zu träge.
Flackern können Gasentladungslampen, wie Leuchtstofflampen. In Filmen mag das noch mehr auffallen, weil Einzelbilder aufgenommen werden, was auch einem 'Flackern' gleichkommt.
Das ist klar das man bei 50 khz keine Lampe mehr flackern sieht.
Mit Reisen meine ich: Wenn man in Länder mit unzureichender Stromversorgung reist. Meinetwegen Sibirien oder Indien oder so. Da kommt es häufiger zu Stromausfällen bzw. öfter mal zu einem mehrsekündigen Flackern der Glühbirnen.
Ich (als nichtfachmann) dachte immer Frequenz und Spannung hängen zusammen. Das würde bedeuten das nur die Höhe der Amplitude die Spannung bestimmt und nicht die Amplitudendauer.
Aber was bestimmt dann die Frequenz? Ist es die Stromstärke?
Die Einheit der Frequenz ist 1/s. Die Frequenz beschreibt also, wie oft pro Sekunde etwas schwingt. Im Falle der Wechselspannung, wie oft pro Sekunde die Spannung positiv + negativ ( = 1 Schwingung) geworden ist.
Die Amplitude, also die Höhe dieser Schwingung, bestimmt die Spannung.
Die Menge an Elektronen, die fliesst, bestimmt die Stromstärke.
Ja schon, aber wie bekomme ich eine hohe Frequenz? Wie schaffe ich es in 1 Sekunde möglichst viele Schwingungen zu durchlaufen?
Ich stelle das mal als Hauptfrage rein.
Die Frequenz wird normalerweise durch den Generator (im Kraftwerk) und seine Drehgeschwindigkeit bestimmt.
In so einem Generator befinden sich drei Spulen (im Stator = festes Außenteil) die von einem drehenden Magnet durchlaufen werden.
Hier sieht man ein schön animiertes Bild dazu oben rechts. http://de.wikipedia.org/wiki/Drehstromgenerator
In Wirklichkeit ist es etwas komplizierter, da ja nicht alle Generatoren in Europa genau gleich schnell laufen. Dann ist eine Korrektur auf elektronischem Weg erforderlich.
Gruß DER ELEKTRIKER
Laß das mit den Elektronen mal weg, die kann man nicht sehen.
Wenn Du einen Verbraucher, etwa einen Tauchsieder, benutzt, dann liegt zwischen seinen Anschlüssen eine Wechselspannung, und durch ihn hindurch fließt proportional dazu ein Wechselstrom. Das Produkt aus beiden ist die elektrische Leistung, der er in Wärme umwandelt. Nimm die Leistung mit der Zeit mal, die er in Betrieb ist, dann bekommst Du die Energie.
Falls Du Formeln magst:
Mit Spannung U, Strom I, Widerstand R und Leistung P ist
U = R I (ohmsches Gesetz)
P = U I = U^2 / R = R I^2Darin erkennst Du, daß U und I immer als Quadrat vorkommen. Damit ist die Leistung unanbhängig von der Richtung von Spannung oder Strom.
Beim WEchselstrom wird mit einr Frequenz von 50hz der Strom hin und her geschoben. Eine Lampe zum Beispiel flimmert - im Takt von 50hz. Das sieht das menschliche Auge aber nicht.
Es wird also beim hin und rückweg der Energie jedesmal ein Teil der Energie von Strom in Licht und Wärme umgewandelt.
Es rücken aber im netz ständig ausreichend elektronen nach.
Die meisten komplexeren Geräte wandeln übrigens den WEchselstrom erst in Gleichstrom um.
Das Erwärmen eines Leiters (bsp Glühwendel) kommt dann durch die innere Reibung zustande?
Das reine Bewegen also von Elektronen ergibt die nutzbare Energie...aber wie genau? Das enstandene Magnetfeld reicht aus?
Ich stells mir grade bildlich so vor...Ein Seil (an den Enden zusammengeknotet) mit Umlenkrolle (als Verbraucher) und Wechselstrom ist wenn ich jeweils an einem "Ende" (links oder rechts von der Rolle) ziehe...Das Drehen der Rolle ist dann die Arbeit, die nutzbare Energie. Meine Hände sind im Grunde das Kraftwerk was dafür sorgt, dass diese Bewegung entsteht. Mechanik liegt mir eher ^^
Nun kanns ja immer passieren, dass so ein Elektron den Leiter verlässt. Das "fehlt" ja und wird durch ein anderes ersetzt... Wo kommt das schlussendlich her? Umgebung?