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Wechselstrom 06:48 min

Textversion des Videos

Transkript Wechselstrom

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir wollen uns heute aus dem Gebiet Schwingungen und Wellen, mit dem Wechselstrom beschäftigen. Für dieses Video könnte es hilfreich sein, wenn ihr bereits den Film "Induktion durch Bewegung" gesehen habt, indem gezeigt wird, wie durch Rotation einer Leiterschleife im Magnetfeld eine Wechselspannung erzeugt wird. Wir lernen heute, was Wechselstrom überhaupt ist, was man sich darunter genau vorstellen kann und was er für Vorteile gegenüber dem Gleichstrom hat. Und los geht es. Wechselstrom nennt man einen elektrischen Strom, der periodisch umgepolt wird und dadurch regelmäßig seine Richtung ändert. Bekannte Symbole für den Wechselstrom sind zum einen die Abkürzungen seines englischen Namens, alternating currents, also kurz AC und diese Wellenlinie. Das Schaltzeichen für eine Wechselspannungsquelle sieht so aus. Und wenn ihr euch jetzt fragt, wo ihr Wechselstrom findet, müsst ihr nur bis zur nächsten Steckdose gehen. Denn die aus der Steckdose beziehbare Netzspannung ist immer eine Wechselspannung. Wir erinnern uns, wenn ich, wie im Bild, eine Leiterschleife so in ein Magnetfeld halte, das ihre Fläche senkrecht zu den Feldlinien steht und sie dann rotieren lasse, so kann ich an der Leiterschleife eine sinusförmige Wechselspannung messen. Wenn ich mir nun mit einem Widerstand einen einfachen Schaltkreis baue, indem ich Strom und Spannung messen kann, dann erhalte ich folgendes Diagramm. Sowohl Spannung als auch Strom haben einen sinusförmigen Verlauf und ihre Nullstellen sind an denselben Orten. D. h. also, während die freien Ladungsträger beim Gleichstrom mit einer ziemlich langsamen Driftgeschwindigkeit die Leitungen entlangwandern, zappeln sie beim Wechselstrom einfach nur auf der Stelle hin und her. Es fließt also ingesamt gar kein Strom. Man kann aus diesem Hin- und Herschwingen aber trotzdem Energie gewinnen. Wie ihr euch sicher leicht vorstellen könnt, wenn ihr an die Zylinder eines Automotors denkt. Die Formeln für U und I sind. U von t = der Maximalwert von U, den man auch die Scheitelspannung nennt, mal Sinus Omega t + Phi von U. Phi von U ist dabei die Phasenverschiebung der Spannung. Denn wo meine Spannung genau beginnt, hängt ja davon ab, wie die Leiterschleife im Magnetfeld am Anfang steht. I von t ist der Scheitelstrom mal sinus omega t + Phi i. Phi i und u sind hier gleich, das müssen sie aber nicht sein, dazu erfahren wir allerdings im späteren Videos mehr. Die Zeit, die mein Wechselstrom braucht, um eine vollständige Schwingung auszuführen, nenne ich die Periodendauer groß T. Dann kann ich die Frequenz meines Wechselstromes, klein f mit 1/T berechnen. Vorsicht, das kleine Omega, das ich im Sinus verwende, ist die sogenannte Kreisfrequenz, die ihr nicht mit der Frequenz verwechseln dürft. Ihr Wert ist 2Pi/T und das liegt daran, dass die Periode des Sinus 2Pi ist. Zum Vergleich wollen wir uns kurz noch mal den Gleichstrom ansehen. Wenn ich mir einen Schaltkreis mit Widerstand bastele und Strom und Spannung an der Gleichstromquelle, z. B. an einer Batterie messe, erhalte ich folgendes, nicht ganz so spannendes Diagramm. Strom und Spannung sind beim Gleichstrom, deswegen heißt er ja so, immer gleich. Was wir uns jedoch merken wollen: Sowohl für den Gleichstrom als auch für den Wechselstrom gilt am Ohmschen Widerstand unser Ohmsches Gesetz, R= U/I. Wie in den meisten Teilen der Welt hat unsere Netzspannung eine Frequenz f=50 Hz, d. h., 50 Schwingungen pro Sekunde. Die Periodendauer groß T, die eine Schwingung benötigt, ist also 1/50s oder 20 ms. Warum basiert aber unser Stromnetz auf Wechselspannung? Das wollen wir uns im letzten Kapitel ansehen. Die Generatoren, die in großen Kraftwerken verwendet werden, sind ja im Endeffekt nicht anderes als riesige Elektromotoren. Mit dem kleinen Unterschied, dass hier nicht Wechselstrom in Bewegung, sondern Bewegung in Wechselstrom verwandelt wird. D. h., Kraftwerke arbeiten schon mal von Haus aus mit Wechselstromgeneratoren. Der zweite und wirklich große Vorteil ist, dass sich Wechselspannung mithilfe von Transformatoren sehr einfach umspannen lässt. Falls ihr davon noch nichts gehört habt, empfehle ich das Video zum Transformator. Das bedeutet, dass ich einen Wechselstrom sehr leicht auf eine hohe Spannung bringen kann. Eine hohe Spannung bedeutet nur einen sehr geringen Strom, und da die Transportverluste von der Stromstärke abhängen, habe ich also so meine Transportverluste minimiert. Daraus folgt also der letzte Vorteil: Wechselstrom lässt sich viel einfacher verlustarm übertragen. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Wechselstrom ändert periodisch seine Richtung. Er kann erzeugt werden mithilfe einer rotierenden Leiterschleife im Magnetfeld. Die Formeln für Spannung und Strom sind: U=Scheitelspannung mal Sinus Omega t + Phasenverschiebung der Spannung und Strom= Scheitelstrom x Sinus Omega x t+ Phasenverschiebung des Stromes. Die Frequenz f lässt sich berechnen, indem man 1 durch die Periodendauer T teilt. Die Kreisfrequenz Omega= 2Pi/T. Außerdem haben wir gehört, dass Wechselstrom sich gut mit Transformatoren umspannen lässt, und daher einfacher mit geringem Verlust übertragbar ist. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für das Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.

Informationen zum Video
3 Kommentare
  1. Nikolai

    @Juergen Klingler: Diese Videos werden gerade produziert. Das erste ist schon online und du findest es hier:
    http://www.sofatutor.com/physik/videos/ursachen-der-elektromagnetischen-induktion
    Weitere Videos zu diesem Thema folgen in kürze!
    Lg Nikolai

    Von Nikolai P., vor mehr als 3 Jahren
  2. Default

    ich suche für die 9. Klasse Realschule Videos zur Magnetismus, Induktion, Transformator

    Von Juergen Klingler, vor mehr als 3 Jahren
  3. Default

    Sehr gut erklärt. Vielen Dnak!

    Von Mansoor, vor mehr als 4 Jahren