Wie funktioniert die Energieübertragung bei Wechselspannung?
Ich habe ein grundlegendes Verständnisproblem im Bereich der Wechselspannung. Da ich mir nicht sicher bin welches Puzzleteil in meinem Kopf fehlt möchte ich hier einige Beispiele anführen, welche wie ich denke, auf demselben Unwissen beruhen.
Das erste Beispiel:
Im sogenannten "IT-System" im Bereich der Elektroinstallation, kommt es bei einem einphasigen Leiter-Erde-Schluss zu keinem Stromfluss. Die Begründung dafür ist, dass der Stromkreis nicht geschlossen ist, da der Sternpunkt des Trafos nicht geerdet ist. Leider kann ich mit dieser Erklärung nichts anfangen. Dass keine Spannung zwischen Leiter und Erde anliegt weiß ich auch, trotzdem verstehe ich nicht wie ein Leiter durch welchen sonst Strom fließt, in diesem Fall keine Gefahr darstellt? – schließlich wird im Normalfall Energie über den Leiter übertragen, also warum passiert nichts?
Das zweite Beispiel:
An einer Steckdose bei mir zu Hause liegen 230V/50Hz an - die Spannung schwingt sinusförmig. Ich schließe nun einen Verbraucher an und es kommt zum "Stromfluss".
Laut meinem Verständnis ist der "Stromfluss" bei Wechselspannung kein einseitiger Elektronenfluss in eine Richtung, sondern kann eher als eine Schwingung der Elektronen hin und her angesehen werden - direkt abhängig von der anliegenden Spannung.
Die Frage, auf hinaus will ist Folgende: Wenn die Spannung dafür sorgt, dass die Elektronen hin und her schwingen, warum fließt dann nicht dauerhaft ein Strom auf der Leitung auch wenn kein Verbraucher angeschlossen ist?
Wenn Spannung die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten ist – dann sollte diese doch auch auf Elektronen wirken, wenn der Stromkreis offen ist? Also warum schwingen die Elektronen in meinem Kabel nicht dauerhaft mit der dort anliegenden Spannung? Warum beeinflusst die Spannung nicht die Elektronen in dem sehr gut leitenden Kupfer meiner Phase (damit ist L1 an der Steckdose gemeint)?
Ergänzung: Wenn ich eine gewischt bekomme, geschieht das ja auch unabhängig ob ein geschlossener Stromkreis besteht - weil sich hier Ladungsträger ansammeln.
Ein elektrischer Leiter - welcher ebenso freie Ladungsträger beinhaltet sollte mir also auch einen Schlag verpassen auch wenn ich diesen berühre und gleichzeitig "in der Luft schweben würde".
3 Antworten
trotzdem verstehe ich nicht wie ein Leiter durch welchen sonst Strom fließt, in diesem Fall keine Gefahr darstellt? – schließlich wird im Normalfall Energie über den Leiter übertragen, also warum passiert nichts?
Weil der Stromfluss nur dann zu Stande kommt, wenn es auch einen Pfad für diesen gibt. Man spricht hierbei vom Ladungsträgerstrom. Wenn du im IT-System einen Leiter anpackst, dann wirst du auf das elektrische Potential des Leiters gebracht. Hm, aber wie denn, wenn doch kein Strom fließt?
Tatsächlich fließt ein Strom, undzwar der sog. Verschiebungsstrom. Stell dir einen Leiter vor, an dem jetzt 10 V gegen den Minuspol anliegt. Jetzt nimmst du einen anderen, offen rumliegenden Leiter und bringst ihn einseitig mit dem Pluspol (10 V) in Berührung. Das neue Stückchen wurde jetzt auf das gleiche Potential gebracht (10 V), genau dafür musste es im innern zwischen den beiden Leitern ein Ausgleichsvorgang stattfinden. Diesen Vorgang nennt man den Verschiebungsstrom, der aber relativ winzig ist und unfassbar schnell abgeschlossen ist.
Am Beispiel deines Beispiels (IT-Netz) hast du durch deine Berührung quasi die Leitung verlängert und es fand ein Ausgleichsvorgang zwischen dir bzw. den Kontaktflächen statt. Doch wohin soll jetzt der Ladungsträgerstrom denn fließen, wenn er keinen geschlossenen Pfad zur Senke der Spannungsquelle hat? Was ist denn in dem Moment die Potentialdifferenz aka Spannung? Spannung gegen was? gegen Erde? Im Isolierten Netzt hängt ganz banal gesagt ja die Erde "in der Luft". Das ist ein galvanisch getrenntes System. Die Erde hat keine direkt leitende Verbindung mit der Spannungsquelle, die ihre Spannung ja durch die Potentialdifferenz ihrer Pole definiert und nicht eines ihre Pole gegen "irgendwas anderes im nirgendwo" :)
Laut meinem Verständnis ist der "Stromfluss" bei Wechselspannung kein einseitiger Elektronenfluss in eine Richtung, sondern kann eher als eine Schwingung der Elektronen hin und her angesehen werden
Das ist richtig. Bei Wechselstrom schwingen die Ladungsträger periodisch hin und her, sodass Hin- und Rückleiter ihre Funktion als Hin- und Rückleiter auch abwechseln.
Wenn die Spannung dafür sorgt, dass die Elektronen hin und her schwingen, warum fließt dann nicht dauerhaft ein Strom auf der Leitung auch wenn kein Verbraucher angeschlossen ist?
Auch hier gilt wieder die Bedingung eines Pfades. Kannst du ein Röhrchen, dass mit Wasser gefüllt und an den beiden Enden abgeschlossen ist, dazu bringen, dass trotzdem Wasser von der einen Seite rein und über die andere Seite rausfließt? Dann auch noch abwechselnd in der Richtung? ;)
Der Stromfluss setzt neben einer Potentialdifferenz auch einen geschlossenen Kreis voraus. Die Potentialdifferenz hingegen ist nicht auf einen Stromfluss angewiesen. Sie beschreibt, wie stark sich zwei Punkte in ihrer Anzahl an Ladungsträgern unterscheiden. Je größer dieser Unterschied ist, umso höher ist die Spannung bzw. das Potential, die Menge an Ladungen im Falle eines vorhanden Pfades in Bewegung zu bringen. Die Bewegung geschieht durch die abstoßenden bzw. anziehenden Kräfte zwischen gleich- und ungleichnamigen Ladungsträgern.
Wenn das Potential hoch genug ist, dann kann dieser Pfad auch über Wege mit größeren Hürden entstehen, wie z.B. über Luft. Sie kann z.B. auch so hoch werden, dass sie selbst starke Isolatoren wie Porzellan durchdringt. Alles ist hier eine Frage der elektrischen Kräfte.
Ergänzung: Wenn ich eine gewischt bekomme, geschieht das ja auch unabhängig ob ein geschlossener Stromkreis besteht - weil sich hier Ladungsträger ansammeln.
Bei elektrostatischen Endladungen, die du spürst, braucht man Spannungen im kV Bereich. Auch hier kommt es zu einem Ladungsaustausch nur deswegen, weil "Du" gegenüber das "andere" bedeutend mehr Ladungen hast (Du bist aufgeladen). Der Stromkreis kann sich hier je nach Szenario über verschiedene Wege schließen, z.B. über Erde. Der Kreis kann aber auch "intrinsisch" geschlossen werden, wie oben am Beispiel des Verschiebungsstroms erwähnt.
Die Frage, auf hinaus will ist Folgende: Wenn die Spannung dafür sorgt, dass die Elektronen hin und her schwingen, warum fließt dann nicht dauerhaft ein Strom auf der Leitung auch wenn kein Verbraucher angeschlossen ist?
Ehrlich gesagt verstehe ich die Frage nicht ... wie soll Strom fließen, wenn der Stromkreis offen ist? Was auf der einen Seite rein kommt, muss auf der anderen Seite raus. Ansonsten würden sich Ladungen stauen. Bei einem offenen Kreis kann daher nichts fließen.
Analogie mit dem Wasser:
Dort entspricht der Wasserdruck der Spannung, und die Menge des durchfließenden Wassers dem Strom
Wenn man bei einer Wasserleitung am einen Ende den Druck verändert z.B sinusförmig wie beim Wechselstrom und am anderen Ende der Leitung das Ventil geschlossen hält, so wird sich das Wasser dennoch nicht bewegen
Wenn man die Sinusförmige Bewegung der Spannung aber als Wellen auf der Wasseroberfläche betrachten würde, dann fließt auch kein Wasser aber dafür würde Energie übertragen werden oder nicht?
Ja aber im Vergleich zur geschlossenen Wasserleitung bewegt sich das Wasser bei den Wellen. Es wird Masse m mit einer Geschwindigkeit v bewegt.
Und die Formel für die kinetische Energie E lautet ja
E = mv^2 / 2
Und wie Du richtig schreibst, kann dadurch Energie übertragen werden, denn die Wellen kommen ja z.B am Ufer an. Auch hast du recht, dass man in diesem Fall nicht vom Fliesen des Wassers ( im engeren Sinn) sprechen kann, aber das kann man bei Wechselstrom genau genommen ja auch nicht.
Es geht mir nicht um das "rein und raus" an den Enden des Leiters, sondern um die Elektronen welche sich innerhalb vom Leiter befinden. Denn durch eine anliegende Wechselspannung sollten diese doch auch im offenen Stromkreis schwingen und somit ein Storm fließen..