Wechselstrom und Transformator
Aus der Steckdose kommt kein Gleichstrom wie aus einer Batterie, sondern Wechselstrom: Die Spannung ändert 50-mal in der Sekunde ihre Richtung. Das hat einen wichtigen Grund – mit Wechselspannung funktioniert der Transformator, und ohne ihn gäbe es kein Stromnetz.
Gleichstrom und Wechselstrom
- Gleichstrom (DC) fließt immer in dieselbe Richtung: Batterie, Akku, Solarzelle.
- Wechselstrom (AC) ändert ständig seine Richtung. Im europäischen Netz mit der Frequenz 50 Hz, also mit einer Periodendauer von 20 ms.
Scheitelwert und Effektivwert
Die Netzspannung erreicht in der Spitze 325 V (Scheitelwert Û). Die angegebenen 230 V sind der Effektivwert: Eine Gleichspannung von 230 V würde in einem Heizdraht genauso viel Wärme erzeugen wie die Wechselspannung.
Ueff = Û / √2 ≈ 0,707 · Û gilt für sinusförmige Spannungen
Messgeräte zeigen bei Wechselspannung den Effektivwert an. Mit ihm rechnet man wie gewohnt: P = Ueff · Ieff.
Wie entsteht Wechselspannung?
Im Generator eines Kraftwerks dreht sich ein Magnet in Spulen (oder eine Spule im Magnetfeld). Durch Induktion entsteht eine Spannung, deren Richtung sich bei jeder halben Umdrehung umkehrt – ganz von selbst eine Sinusspannung. 50 Hz bedeutet bei einem zweipoligen Generator 3000 Umdrehungen pro Minute. Mehr dazu: Kraftwerk und Generator.
Der Transformator
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Die Wechselspannung in der Primärspule erzeugt ein ständig wechselndes Magnetfeld, das in der Sekundärspule eine Spannung induziert. Beim idealen Transformator gilt:
U1 / U2 = N1 / N2 I1 / I2 = N2 / N1
Beispiel: Ladegerät
Primärspule 1150 Windungen an 230 V, Sekundärspule 60 Windungen: U2 = 230 V · 60 / 1150 = 12 V. Fließen sekundär 2 A, sind es primär nur 2 A · 60 / 1150 ≈ 0,1 A. Die Leistung bleibt (beim idealen Trafo) gleich: 12 V · 2 A ≈ 230 V · 0,1 A ≈ 24 W.
Rechne eigene Beispiele mit dem Transformator-Rechner.
Warum Hochspannungsleitungen?
In einer Leitung mit dem Widerstand R geht die Leistung PV = I² · R als Wärme verloren. Überträgt man dieselbe Leistung mit der 1000-fachen Spannung, ist der Strom nur ein Tausendstel – und die Verluste sinken auf ein Millionstel. Deshalb transformiert man den Strom im Kraftwerk auf 220 000 oder 380 000 V hoch und vor Ort in mehreren Stufen wieder auf 230 V herunter.
| Netzebene | Spannung | Aufgabe |
|---|---|---|
| Höchstspannung | 220 kV, 380 kV | Transport über weite Strecken |
| Hochspannung | 110 kV | Verteilung in Regionen, Großindustrie |
| Mittelspannung | 10–30 kV | Städte, Dörfer, Betriebe |
| Niederspannung | 230 V / 400 V | Haushalte |
Achtung
Schon 230 V aus der Steckdose sind lebensgefährlich. Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselspannung – an Gleichspannung angeschlossen, fließt ein sehr großer Strom und die Primärspule brennt durch.
Teste Dich selbst
Weiterlesen: Wechselstrom, Transformator bei Wikipedia