Was ist der Unterschied zwischen Gleichstrom und Wechselstrom, und wo werden sie eingesetzt?

In der heutigen Welt ist jeder seit seiner Kindheit mit Elektrizität konfrontiert. Die ersten Erwähnungen dieses Naturphänomens gehen auf die Philosophen Aristoteles und Thales zurück, die von den erstaunlichen und geheimnisvollen Eigenschaften des elektrischen Stroms fasziniert waren. Aber erst im 17. Jahrhundert begannen große wissenschaftliche Geister mit einer Reihe von Entdeckungen im Bereich der elektrischen Energie, die bis heute andauern.

Die Entdeckung des elektrischen Stroms und die Entwicklung des ersten Generators der Welt durch Michael Faraday im Jahr 1831 veränderten das Leben der Menschen radikal. Wir sind an Geräte gewöhnt, die elektrische Energie nutzen, um unser Leben zu erleichtern, aber bis jetzt haben die meisten Menschen kein Verständnis für dieses wichtige Phänomen. Um die Grundprinzipien der Elektrizität zu verstehen, müssen wir uns zunächst mit zwei grundlegenden Definitionen beschäftigen: Strom und Spannung.

Was sind Wechselstrom und Spannung?

 

Elektrischer Strom - ist die geordnete Bewegung von geladenen Teilchen (elektrische Ladungsträger). Die Träger des elektrischen Stroms sind Elektronen (in Metallen und Gasen), Kationen und Anionen (in Elektrolyten), Löcher in der Elektron-Loch-Leitung. Dieses Phänomen wird durch die Erzeugung eines Magnetfeldes, eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung oder die Erwärmung von Leitern hervorgerufen. Die wichtigsten Merkmale des Stroms sind:

• Die Stromstärke, bestimmt durch das Ohmsche Gesetz und gemessen in Ampere (А), in den Formeln ist er mit dem Buchstaben I gekennzeichnet;
• Leistung nach dem Joule-Lenz-Gesetz, gemessen in Watt (W), wird mit P bezeichnet;
• Frequenz, gemessen in Hertz (Hz).

Elektrischer Strom wird als Energieträger zur Erzeugung von mechanischer Energie in Elektromotoren, zur Erzeugung von Wärmeenergie in Heizgeräten, Elektroschweißgeräten und Heizungen, zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen verschiedener Frequenzen, zur Erzeugung von Magnetfeldern in Elektromagneten und zur Erzeugung von Lichtenergie in Beleuchtungsgeräten und Lampen aller Art eingesetzt.

Spannung - ist die Arbeit, die ein elektrisches Feld verrichtet, um eine Ladung von 1 Coulomb zu bewegen (Coulomb) von einem Punkt eines Leiters zu einem anderen. Nach dieser Definition ist es jedoch schwierig zu verstehen, was Spannung ist.

Um ein geladenes Teilchen von einem Pol zum anderen zu bewegen, muss eine Potenzialdifferenz zwischen diesen Polen erzeugt werden (dies wird als Spannung bezeichnet). Die Maßeinheit für die Spannung ist das Volt (В).

Zum endgültigen Verständnis der Definition von elektrischem Strom und elektrischer Spannung kann eine interessante Analogie hergestellt werden: Stellen Sie sich vor, die elektrische Ladung sei Wasser, dann ist der Druck des Wassers in der Säule die Spannung und die Fließgeschwindigkeit des Wassers in der Leitung die Stärke des elektrischen Stroms. Je höher die Spannung ist, desto stärker ist der elektrische Strom.

Was ist Wechselstrom?

Ändert man die Polarität der Potentiale, so ändert sich die Richtung des Stromflusses. Diese Art von Strom wird als Wechselstrom bezeichnet. Der Betrag der Richtungsänderung in einem bestimmten Zeitintervall wird als Frequenz bezeichnet und, wie oben erwähnt, in Hertz gemessen (Hz). In einem normalen Stromnetz in unserem Land beträgt die Frequenz beispielsweise 50 Hz, was bedeutet, dass sich die Stromrichtung 50 Mal pro Sekunde ändert.

Was ist Gleichstrom?

Wenn die geordnete Bewegung der geladenen Teilchen immer nur eine Richtung hat, nennt man diesen Strom Gleichstrom. Gleichstrom tritt in einem Gleichspannungsnetz auf, wenn die Polarität der Ladungen auf der einen und der anderen Seite über die Zeit konstant ist. Es wird sehr häufig in verschiedenen elektronischen Geräten und Techniken verwendet, wenn keine Energieübertragung über große Entfernungen erforderlich ist.

Quellen für elektrischen Strom

Eine elektrische Stromquelle Bezieht sich im Allgemeinen auf ein Gerät oder eine Vorrichtung, mit der ein elektrischer Strom in einem Stromkreis erzeugt werden kann. Solche Geräte können sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom erzeugen. Je nach Art der Stromerzeugung werden sie in mechanische, leichte, thermische und chemische Stromerzeuger unterteilt.

Mechanisch Elektrische Stromquellen wandeln mechanische Energie in elektrische Energie um. Zu dieser Ausrüstung gehören verschiedene Arten von Stromerzeugerdie elektrischen Wechselstrom erzeugen, indem sie einen Elektromagneten um eine Spule von Induktionsmotoren drehen.

Licht Quellen wandeln die Energie von Photonen (Lichtenergie) in elektrische Energie um. Sie machen sich die Eigenschaft von Halbleitern zunutze, unter Lichteinwirkung eine Spannung abzugeben. Solarmodule können als ein solches Gerät betrachtet werden.

Thermische - Wandelt Wärmeenergie über die Temperaturdifferenz zwischen zwei sich berührenden Halbleiterpaaren - Thermoelementen - in Strom um. Die Stromstärke in solchen Geräten steht in direktem Zusammenhang mit dem Temperaturunterschied: je größer der Unterschied, desto größer die Stromstärke. Solche Quellen werden z. B. in geothermischen Kraftwerken genutzt.

Chemisch Erzeugt Strom durch chemische Reaktionen. Zum Beispiel können verschiedene Arten von galvanischen Batterien und Akkumulatoren als solche Geräte eingestuft werden. Galvanische Stromquellen werden typischerweise in Einzelgeräten, Fahrzeugen und Geräten verwendet und sind Gleichstromquellen.

Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom

Elektrische Geräte auf der ganzen Welt verwenden sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom. Daher ist es notwendig, einen Strom in einen anderen umzuwandeln oder umgekehrt.

Wechselstrom kann mit Hilfe einer Diodenbrücke oder eines "Gleichrichters" in Gleichstrom umgewandelt werden. Der Hauptbestandteil des Gleichrichters ist eine Halbleiterdiode, die den elektrischen Strom nur in eine Richtung leitet. Nach dieser Diode ändert der Strom seine Richtung nicht mehr, aber es kommt zu einer Welligkeit, die mit Kondensatoren und andere Filter. Gleichrichter gibt es in mechanischer, Vakuum- oder Halbleiterausführung.

Je nach Herstellungsqualität eines solchen Geräts hat der Brummstrom am Ausgang unterschiedliche Werte, in der Regel gilt: Je teurer und besser ein Gerät hergestellt ist, desto geringer ist die Brummspannung und desto sauberer ist der Strom. Beispiele für solche Geräte sind Stromversorgungen verschiedene Geräte und Ladegeräte, Gleichrichter von Stromaggregaten in verschiedenen Verkehrsträgern, Gleichstromschweißmaschinen und andere.

Wechselrichter werden verwendet, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Diese Geräte erzeugen eine Wechselspannung mit einem Sinuswellenmuster. Es gibt verschiedene Arten dieser Geräte: Motorwechselrichter, Relaiswechselrichter und elektronische Wechselrichter. Sie alle unterscheiden sich durch die Qualität des erzeugten Wechselstroms, ihre Kosten und ihre Größe. Beispiele dafür sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Wechselrichter in Autos oder in Solarkraftwerken.

Wo wird AC- und DC-Strom verwendet und was sind die Vorteile?

Unterschiedliche Aufgaben können sowohl den Einsatz von Wechselstrom als auch von Gleichstrom erfordern. Jede Art von Strom hat ihre Vor- und Nachteile.

Wechselstrom wird hauptsächlich verwendet, wenn Ströme über große Entfernungen übertragen werden müssen. Diese Art von Strom ist im Hinblick auf die möglichen Verluste und die Kosten des Geräts sinnvoller. Aus diesem Grund verwenden die meisten Geräte und Maschinen nur diese Art von Strom.

Haushalte und Unternehmen, Infrastruktur und Verkehrseinrichtungen sind weit von Kraftwerken entfernt, so dass alle Stromnetze mit Wechselstrom betrieben werden. Diese Netze versorgen alle Haushaltsgeräte, Industrieanlagen und Zuglokomotiven. Es gibt unglaublich viele mit Wechselstrom betriebene Geräte, und es ist viel einfacher, diejenigen zu beschreiben, die mit Gleichstrom arbeiten.

 

Gleichstrom wird in autonomen Systemen wie Bordsystemen von Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und elektrischen Zügen eingesetzt. Es wird häufig für die Versorgung von Mikroschaltungen in verschiedenen Elektronik-, Kommunikations- und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen Störungen und Restwelligkeit minimiert oder beseitigt werden müssen. In einigen Fällen wird dieser Strom bei Elektroschweißarbeiten mit Hilfe von Wechselrichtern verwendet. Es gibt sogar Eisenbahnlokomotiven, die mit Gleichstromsystemen fahren. In der Medizin wird dieser Strom verwendet, um mittels Elektrophorese Medikamente in den Körper einzubringen und für wissenschaftliche Zwecke, um verschiedene Substanzen zu trennen (Proteinelektrophorese, usw.).

Symbole auf elektrischen Geräten und Stromkreisen

Oft ist es notwendig, die Stromstärke des Geräts zu bestimmen. Denn der Anschluss eines mit Gleichstrom betriebenen Geräts an ein Wechselstromnetz führt unweigerlich zu unangenehmen Folgen: Beschädigung des Geräts, Brand oder Stromschlag. Hierfür gibt es international anerkannte Symbole Codes für solche Systeme und sogar farblich gekennzeichnete Kabel.

So werden z. B. Geräte, die mit Gleichstrom betrieben werden, mit einer Linie, zwei durchgezogenen Linien oder einer durchgezogenen Linie zusammen mit einer gepunkteten Linie untereinander gekennzeichnet. Solche Ströme werden auch mit den folgenden lateinischen Buchstaben gekennzeichnet DC. Die Isolierung von elektrischen Leitungen in Gleichstromsystemen ist rot für positiven Strom und blau oder schwarz für negativen Strom.

Bei elektrischen Geräten und Maschinen wird der Wechselstrom mit der englischen Abkürzung AC oder durch eine Wellenlinie. In Diagrammen und Gerätebeschreibungen wird sie auch durch zwei Linien dargestellt: eine durchgezogene Linie und eine Wellenlinie untereinander. Die Leiter sind in den meisten Fällen wie folgt gekennzeichnet: Phase in braun oder schwarz, Nullleiter in blau und Erde in grün/gelb.

Warum Wechselstrom häufiger verwendet wird

Wir haben oben bereits darüber gesprochen, warum Wechselstrom derzeit häufiger verwendet wird als Gleichstrom. Dennoch sollten wir uns diese Frage genauer ansehen.

Seit der Entdeckung der Elektrizität gibt es eine Debatte darüber, welcher Strom besser zu verwenden ist. Es gibt sogar so etwas wie einen "Krieg der Ströme" - eine Rivalität zwischen Thomas Edison und Nikola Tesla über die Verwendung einer bestimmten Stromart. Der Kampf zwischen den Anhängern dieser großen Wissenschaftler dauerte bis 2007, als die Stadt New York von Gleichstrom auf Wechselstrom umstellte.

Der wichtigste Grund für die häufigere Verwendung von Wechselstrom ist ist die Fähigkeit, sie über große Entfernungen mit minimalen Verlusten zu übertragen.. Je größer der Abstand zwischen der Stromquelle und dem Endverbraucher ist, desto größer ist der Widerstand der Drähte und dem Wärmeverlust der Drähte.

Um die maximale Leistung zu erreichen, ist es erforderlich, entweder die Dicke der Kabel zu erhöhen (und reduzieren so den Widerstand), oder um die Spannung zu erhöhen.

In Wechselstromsystemen ist es möglich, die Spannung mit einer minimalen Drahtstärke zu erhöhen und dadurch die Kosten für die elektrischen Leitungen zu senken. Bei Gleichstromsystemen gibt es keine erschwinglichen und effizienten Möglichkeiten zur Erhöhung der Spannung, so dass für solche Netze entweder die Dicke der Leiter erhöht oder eine große Anzahl kleiner Kraftwerke gebaut werden muss. Beide Methoden sind teuer und erhöhen die Stromkosten im Vergleich zu Wechselstromnetzen erheblich.

Mit elektrischen Transformatoren wird die Wechselspannung effizient (mit Wirkungsgraden von bis zu 99 %) kann in beide Richtungen von Minimal- zu Maximalwerten variiert werden, was ebenfalls einer der wichtigen Vorteile von Wechselstromnetzen ist. Die Verwendung eines Drehstromsystems erhöht die Effizienz weiter, und Maschinen wie Motoren, die mit Wechselstromnetzen betrieben werden, sind viel kleiner, billiger und einfacher zu warten als Gleichstrommotoren.

Aus all dem lässt sich schließen, dass die Verwendung von Wechselstrom in großen Netzen und bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen von Vorteil ist, während für den genauen und effizienten Betrieb elektronischer Geräte und für autonome Geräte die Verwendung von Gleichstrom ratsam ist.

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