[Physik] Gleichstrom und Wechselstrom?
Guten Abend,
ich habe verstanden, was Gleichstrom und Wechselstrom ist. Ich weiß, dass es beim Wechselstrom zu einer periodischen (sich gleichmäßig wiederholenden) Umkehrung der Spannung kommt, sie wechselt vom Positiven ins Negative und wieder zurück. Das führt dazu, dass sich die Elektronen im Stromleiter nur hin und her bewegen.
Aber wie können dann elektrische Geräte betrieben werden, wenn sich die Elektronen nur hin und her bewegen? Das verstehe ich leider noch nicht.
Ich verstehe, dass einige Geräte, u.a. Geräte mit Akkus Gleichstrom benötigen, weil sie einen konstanten Fluss von Elektronen benötigen. Daher haben diese Geräte einen Gleichrichter in sich eingebaut, mit dem sie selbst den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
Aber wie ist das bei „Geräten“, die Wechselstrom aufnehmen und keinen Gleichrichter in sich eingebaut haben? Wie funktioniert es da dann? Die Elektronen bewegen sich ja nur hin und her. Sie fließen ja nicht. Aber wieso funktionieren diese Geräte dann trotzdem mit Wechselstrom? Was sind Beispiele für solche Geräte?
Ich freue mich sehr auf eure hilfreichen und leicht verständlichen Antworten.
9 Antworten
Stell es dir vielleicht anhand von etwas anderem vor:
Wenn fliessende Elektronen Arbeit verrichten, ist es egal, in welche Richtung sie fliessen. Beim Hin- und Herfahren fliessen sie ja auch, nur stehen sie zwischendurch still und kehren um:
- Bei einer Kettensäge läuft die Kette ständig in der gleichen Richtung und schneidet einen Ast entzwei
- Bei einer Handsäge fährt man hin und her und kann die genau gleiche Arbeit verrichten. Auch eine elekrische Sichsäge sägt hin und her
- Auch wenn du Brot schneidest, machst du vermutlich mehrere Hin- und Herbewegungen.
Genau gleich tun es Elektronen beim Hin- und Herfliessen.
Sie werden von der Spannung durch ein "Engnis"; einen Widerstand, gedrückt, dabei geben sie von ihrer Energie ab und verrichten Arbeit.
Ihre Leistung schwankt aber genau gleich und periodisch wie jene beim Handsägen oder Brotschneiden.
Das führt dazu, dass sich die Elektronen im Stromleiter nur hin und her bewegen.
Und das erstaunlich langsam. Die Elektronen selber bewegen sich mit rund ein paar Milimetern pro Sekunde. Das ist die sogenannte Driftgeschwindigkeit. Der elektrische Impuls bzw. Strom ist allerdings viel schneller. Der wird von Elektron zu Elektron übertragen und kann fast Lichtgeschwindigeit betragen.
Bei einfachen Geräten, die Strom in Wärme oder über einen Glühdraht Licht umwandeln, ist es völlig egal, dass die ständig an und ausgehen. Das menschliche Auge kann maximal 25 Bilder pro Sekunde auflösen. 50 Hz werden als konstantes Licht betrachtet. Wenn man eine Glühlampe mit einer Hochgeschwindigkeitskamera filmt, sieht man allerdings, dass eine Glühlampe ständig flackert.
Wenn man eine Leuchtstoffröhre, die ebenfalls 50 mal in der Sekunde an und ausgeht schnell rauf und runter bewegt, kann mam das sogar mit bloßem Auge sehen.
Bei Motoren ist es ganz einfach. Die konstruiert man so, dass sie zum Wechsel- bzw. Gleichstrom passen. Eigentlich gibt es gar keine Wechselstrommotoren, sondern nur Drehstrommotoren. Diese Motoren brauchen 3 Wechselphasen, die sich im Kreis drehen und dadurch den Anker des Motors mitnehmen. Bei Motoren, die am Wechselstrom angeschlossen sind, wird die 3. Phase künstlich über eine Kondensatorschaltung erzeugt.
Ich weiß, dass es beim Wechselstrom zu einer periodischen (sich gleichmäßig wiederholenden) Umkehrung
Auch ungleichmäßige Umkehrung in der Polarität des Stroms ist ein Wechselstrom. Das "Wechsel.." bezieht sich i.A. rein auf den Polaritätswechsel. Deshalb ist ein Strom, der zwar seine Höhe ändert, aber nicht das Vorzeichen, immer noch Gleichstrom, weil die gerichtete Ladungsbewegung immer nur in eine Richtung folgt.
Aber wie können dann elektrische Geräte betrieben werden, wenn sich die Elektronen nur hin und her bewegen? Das verstehe ich leider noch nicht.
Es geht rein um das Verrichten einer Arbeit. Bewegende Ladungsträger verrichten Arbeit und elektrische Verbraucher bedienen sich daran, weil die Arbeit an diesen Verbrauchen verrichtet wird.
Nimm eine Säge in die Hand und zersäge damit einen Baumstamm, indem du die Säge einmal vor, dann zurück, dann wieder vor, dann wieder zurück, dann wieder vor usw.. bewegst. Zu jeden Zeitpunkt waren es deine Hände, die eine Kraft ausgeübt hatten. Du warst die Quelle und am Baumstamm wurde dabei Arbeit verrichtet. Du hättest auch ein Sägeband nehmen und es dauerhaft in eine Richtung bewegen/drehen können (Analogie zu Gleichstrom).
Vielen lieben Dank für deine Hilfe. 🙏🤩 Schau dir sehr gerne noch meine neuste Frage zu Physik (Akkustik) an: https://www.gutefrage.net/frage/physik-akkustik-schall-intensitaetsleistungsdruck-pegel
Es wurde ja schon viel geschrieben.
Als Ergänzung: Leistung ist Strom mal Spannung. Ich habe hier mal die zeitlichen Verläufe von Spannung, Strom und Leistung für eine Spannung mit 50Hz und 1V Spitzenwert und 10 Ohm Last geplottet:
Du siehst: obwohl die Spannungen und Stöme abwechselnd positiv und einmal negativ sind, ist das Produkt U*I immer positiv (minus mal minus ergiibt plus). Der Mittelwert ist hier 5W, obwohl die Momentanleistung sich mit 100 Hz ändert. Das ist die im zeitlichen Mittel umgesetzte Wirkleistung im Widerstand.
Ja, aber obwohl die momentane Leistung alle 10ms null ist, ist der Mittelwert hier eben 5W. Der Maximalwert ist 10W. Genau in der Mitte ist eben der Mittelwert.
Für Heizungen oder Beleuchtungskörper machen sich die Schwankungen nicht bemerkbar. Was man sieht, ist die mittlere Lestung, was man auch als "Wirkleistung" bezeichnet.
Für den Betrieb elektronischer Geräte wird Wechselspannung gleichgerichtet und geglättet, sodass man eine Gleichspannung zur Verfügung hat.
Der Fluss der Elektronen ist nicht der Punkt.
Durch die Elektronen und das elektrische Feld wird die Energie übertragen, sie werden nicht verbraucht.
Das ist wirklich sehr hilfreich. 🙏 Aber es gibt doch immer wieder Punkte, an denen P = U * I = 0 W ist. Könntest du mir das vielleicht noch erklären? 🙋♂️