Gleich- und Wechselspannung
Einsteiger
- Eine Batterie liefert Gleichspannung: Plus bleibt Plus, der Strom fließt immer in dieselbe Richtung.
- Die Steckdose liefert Wechselspannung: Plus und Minus tauschen 50-mal pro Sekunde die Seite, das sind 50 Hertz.
- Das Stromnetz nutzt Wechselspannung, weil man sie mit einem Transformator leicht hoch- und heruntersetzen kann.
- 230 V aus der Steckdose sind lebensgefährlich. Alle Versuche hier laufen mit der 9-V-Batterie.
Dein Handy hat einen Akku, die Fernbedienung Batterien. Der Kühlschrank und der Wasserkocher hängen an der Steckdose. Beide liefern Strom, und doch ist es nicht dasselbe. Wer das Ladegerät vom Handy anschaut, findet einen Hinweis: Darauf steht vorne 230 V ~ und hinten 5 V ⎓. Die zwei kleinen Zeichen ~ und ⎓ sind der Unterschied, um den es hier geht.
Gleichspannung: die Batterie
Bei einer Batterie ist ein Pol immer Plus und der andere immer Minus. Die Spannung bleibt gleich, solange die Batterie nicht leer wird. Deshalb fließt der Strom immer in dieselbe Richtung, so wie du es in Teil 2 gesehen hast: Die Elektronen wandern vom Minuspol durch die Schaltung zum Pluspol. Das nennt man Gleichspannung und Gleichstrom. Das Zeichen dafür ist ⎓ oder einfach DC (englisch direct current).
Wechselspannung: die Steckdose
In der Steckdose ist es anders. Ihre zwei Löcher tauschen ständig die Rollen: Erst ist das eine Plus, dann das andere, dann wieder das eine. Die Spannung steigt dabei nicht sprunghaft um, sondern schwingt gleichmäßig hin und her, wie eine Schaukel. Das nennt man Wechselspannung und Wechselstrom, Zeichen ~ oder AC (alternating current).
Links bleibt die Spannung gleich, rechts schwingt sie zwischen Plus und Minus.
Was heißt das für die Elektronen? Sie fließen nicht mehr im Kreis, sondern zappeln hin und her: ein Stück nach rechts, ein Stück nach links, wieder nach rechts. Sie kommen dabei kaum vom Fleck. Trotzdem leuchtet die Lampe, denn die Energie wird übertragen, egal in welche Richtung die Elektronen gerade geschoben werden. Probier es aus:
Zum Ausprobieren: Gleichstrom und Wechselstrom
Die blauen Kugeln sind Elektronen im Draht, eine ist rot markiert, damit du ihr folgen kannst. In der Mitte sitzt eine Lampe. Der Wechselstrom ist hier stark verlangsamt.
Die Elektronen wandern gleichmäßig in eine Richtung. Die Lampe leuchtet gleichmäßig.
50 Hertz: wie oft pro Sekunde
Wie schnell die Spannung hin- und herschwingt, sagt die Frequenz \(f\). Sie zählt, wie viele ganze Schwingungen in einer Sekunde stattfinden. Gemessen wird sie in Hertz (Hz):
Im europäischen Stromnetz sind es 50 Hz. Eine Schwingung dauert also
Kontrolle: 50 Schwingungen zu je 20 ms ergeben 1000 ms, also genau eine Sekunde. Das ist so schnell, dass du davon nichts siehst: Eine Lampe wird zwar 100-mal pro Sekunde kurz dunkler (bei jedem Umkehren), dein Auge ist dafür aber zu träge.
👤 Wer war Heinrich Hertz? (1857–1894)
Heinrich Hertz war Physikprofessor in Karlsruhe. Dort zeigte er 1886 bis 1888 als Erster, dass es elektromagnetische Wellen wirklich gibt: Mit einem Funken als Sender und einer Drahtschleife als Empfänger schickte er Wellen quer durch den Hörsaal, so wie es James Clerk Maxwell vorhergesagt hatte. Nach dem Nutzen gefragt, meinte er, das Experiment habe wohl keinen. Wenige Jahre später baute Marconi darauf den Funk auf, aus dem Radio, Handy und WLAN wurden. Hertz starb mit nur 36 Jahren. Die Einheit der Frequenz trägt seinen Namen.
230 Volt, aber Spitzen bis 325 Volt
Auf der Steckdose steht 230 V. Im Bild oben schwingt die Spannung aber bis 325 V hoch. Wie passt das zusammen?
Die Spannung ist ja nur ganz kurz an der Spitze und geht dazwischen immer wieder durch null. Die 230 V sind deshalb ein Mittelwert, genauer der Effektivwert: Eine Wechselspannung mit 230 V heizt einen Wasserkocher genauso stark wie eine Gleichspannung von 230 V. Die Spitze liegt um den Faktor 1,41 darüber:
Warum genau dieser Faktor, gehört in einen späteren Teil. Für jetzt reicht: Wer 230 V anfasst, bekommt in den Spitzen 325 V ab.
Warum das Stromnetz Wechselspannung nutzt
Der Strom für deine Steckdose kommt oft aus einem Kraftwerk oder Windpark viele Kilometer entfernt. Auf dem Weg dorthin wird jede Leitung warm, denn auch ein dicker Kupferdraht hat einen kleinen Widerstand. Aus Teil 6 weißt du: Was im Widerstand landet, wird zu Wärme und ist für den Verbraucher verloren. Und je größer der Strom, desto mehr Wärme entsteht.
Der Trick: Man überträgt dieselbe Leistung mit hoher Spannung und kleinem Strom. Wegen \(P = U \cdot I\) geht das.
Zahlenprobe: Ein kleines Dorf braucht 1 MW (eine Million Watt). Der Strom wäre
- bei 230 V: \(I = P / U = 1\,000\,000\,\text{W} / 230\,\text{V} \approx 4300\,\text{A}\), dafür bräuchte man Leitungen so dick wie ein Arm,
- bei 110 000 V (Hochspannungsleitung): \(I = 1\,000\,000\,\text{W} / 110\,000\,\text{V} \approx 9\,\text{A}\).
Hochsetzen und wieder heruntersetzen geht mit einem Transformator (kurz Trafo), und der funktioniert nur mit Wechselspannung. Deshalb hat sich um 1890 die Wechselspannung durchgesetzt. Thomas Edison hatte in New York noch auf Gleichstrom gesetzt; George Westinghouse und Nikola Tesla gewannen den Streit mit Wechselstrom. Wie ein Trafo funktioniert, kommt bei der Spule in Teil 14.
Warum die Steckdose tabu ist
- Schon 25 V Wechselspannung gelten bei trockener Haut als Grenze des Ungefährlichen. Die Steckdose hat fast das Zehnfache, in den Spitzen sogar 325 V.
- Wechselstrom mit 50 Hz ist für das Herz besonders gefährlich: Er kann den Herzschlag aus dem Takt bringen. Das kann tödlich sein.
- Netzteile und Geräte nie öffnen. Manche Bauteile darin (Kondensatoren, mehr dazu in Teil 13) können auch nach dem Ausstecken noch gefährlich hoch geladen sein.
- Alle Versuche auf dieser Seite laufen mit einer 9-V-Batterie. Mehr braucht es nicht.
Versuch: Wechselstrom von Hand
Wechselstrom kannst du gefahrlos selbst machen, nur sehr langsam: indem du die Batterie umdrehst. Damit du siehst, in welche Richtung der Strom gerade fließt, nimmst du zwei LEDs, die gegeneinander geschaltet sind. Eine LED lässt Strom nur in eine Richtung durch, deshalb leuchtet immer nur die, für die die Richtung gerade passt.
Du brauchst: das Steckbrett, die 9-V-Batterie mit Clip, einen Widerstand 470 Ω (gelb, violett, braun), eine rote und eine grüne LED.
Links leuchtet rot, rechts ist die Batterie umgedreht und grün leuchtet.
- Den Widerstand von Spalte 3 nach Spalte 7 stecken (Reihe c).
- Die rote LED: langes Bein in b7, kurzes in b9.
- Die grüne LED andersherum: langes Bein in d9, kurzes in d7.
- Das rote Kabel des Clips in Spalte 3, das schwarze in Spalte 9. Batterie anklemmen: Die rote LED leuchtet.
- Jetzt die zwei Kabel tauschen: rot in Spalte 9, schwarz in Spalte 3. Die grüne LED leuchtet, die rote ist aus.
Wenn du die Kabel immer wieder tauschst, hast du eine sehr langsame Wechselspannung gebaut, etwa 1 Hz statt 50 Hz. Die beiden LEDs zeigen dir jedes Mal, in welche Richtung der Strom gerade fließt.
Gerechnet: An der leuchtenden LED liegen etwa 2 V, am Widerstand der Rest, rund 7 V. Es fließen \(I = 7\,\text{V} / 470\,\Omega \approx 15\,\text{mA}\), genau wie in Teil 2. Die dunkle LED bekommt dabei nur die rund 2 V der leuchtenden ab, und zwar falsch herum. Das verträgt sie gut.
Was du gemerkt hast: Bei Gleichspannung leuchtet immer dieselbe LED. Bei Wechselspannung wechseln sie sich ab. An der Steckdose würden sie sich 50-mal pro Sekunde abwechseln, und für dein Auge würden beide gleichzeitig leuchten.
Zusammenfassung
- Gleichspannung (⎓, DC): Plus bleibt Plus, der Strom fließt immer in dieselbe Richtung. Beispiel: Batterie.
- Wechselspannung (~, AC): Plus und Minus tauschen ständig, die Elektronen schwingen hin und her. Beispiel: Steckdose.
- Die Frequenz sagt, wie oft pro Sekunde, gemessen in Hertz. Im Netz sind es 50 Hz, eine Schwingung dauert 20 ms.
- 230 V sind der Effektivwert, die Spitzen liegen bei 325 V.
- Das Netz nutzt Wechselspannung, weil ein Transformator sie leicht hoch- und heruntersetzen kann.
- Die Steckdose ist für Experimente tabu.
Weiter mit Teil 8: Schaltpläne lesen. Zurück zu Teil 6: Leistung, Energie und Wärme oder zur Übersicht aller Teile.