Wechselstrom oder Gleichstrom: Was ist besser?

Der Legende nach erhielt die Rockband AC/DC ihren Namen von einem Etikett auf einer alten Nähmaschine im Haus der Brüder Young. Es muss wohl bedeutet haben, dass die Maschine entweder mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom betrieben werden konnte. Heute laufen alle modernen elektronischen Geräte in unseren Haushalten nur noch mit Gleichstrom – sogar die Beleuchtungskörper, nachdem LEDs die Glühbirnen ersetzt haben.

Aber Moment mal! Der Strom aus Ihrer Steckdose ist Wechselstrom . Das bedeutet, dass jedes Gerät Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln und die Spannung auf die deutlich niedrigeren Werte reduzieren muss, die in digitalen Schaltkreisen verwendet werden. Sie fragen sich also vielleicht: Wären Gleichstromsteckdosen im Haus nicht sinnvoller?

Das ist eine gute Frage, die in den Anfängen der Elektrifizierung eine heftige Debatte auslöste. Thomas Edison favorisierte Gleichstromkreise, Nikola Tesla hingegen hielt Wechselstromkreise für die beste Lösung. Tesla gewann diese Diskussion eindeutig. Sehen wir uns an, warum!

Elektrizität ist der Fluss von Elektronen durch ein leitfähiges Material wie einen Metalldraht. Man kann sich das Stromnetz als ein System von Flüssen und Bächen vorstellen, durch die Strom fließt. In einem Fluss führt ein Höhenunterschied dazu, dass das Wasser bergab fließt; in einer Stromleitung ist die Kraft, die den Strom antreibt, die Spannung – ein Unterschied in der potenziellen Energie zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis.

Diese Analogie funktioniert jedenfalls für Gleichstrom. In den meisten Netzen wird elektrischer Strom jedoch mit Wechselspannung übertragen. Das bedeutet, dass die negativen und positiven Pole hin und her wechseln, wodurch die Elektronen endlos hin und her taumeln, anstatt in einem kontinuierlichen Strom zu fließen.

Wie Sie sich vorstellen können, ist der Umgang mit Wechselstrom dadurch komplizierter. Edison hatte jedoch recht: Gleichstrom ist viel einfacher. Tatsächlich kann jeder einen Gleichstromkreis bauen. Alles, was Sie brauchen, ist eine Batterie und ein Kabel, um die positiven und negativen Elektroden zu verbinden. Sie können sogar Ihre eigene Batterie bauen. Nehmen Sie einfach zwei verschiedene Metalle, etwa Zink und Kupfer, und stecken Sie sie in die gegenüberliegenden Enden einer Kartoffel. Die Säure im Kartoffelsaft reagiert unterschiedlich mit den beiden Metallen und erzeugt eine winzige Spannung – genug, um eine kleine LED zum Leuchten zu bringen. Gleichstrom ist einfach.

Angenommen, Sie möchten einen Gleichstromtoaster bauen. Ein Toaster ist im Grunde eine Box mit einem Draht im Inneren, der heiß wird, wenn Strom hindurchfließt. Nehmen wir an, dieser Toaster benötigt 1.000 Watt Leistung. Oh, Leistung? Das ist die Zeit ( t ) der Energie ( E ). Wenn Sie also 1 Joule Energie in 1 Sekunde in einen Draht einspeisen, entspricht das 1 Watt Leistung ( P ):

Insbesondere für die elektrische Leistung können wir dies als Produkt aus dem elektrischen Strom ( I ) und der Spannung ( V ) berechnen:

Damit können wir einen einfachen Toaster-Schaltplan zeichnen:

Der Nichromdraht im Toaster ist kein guter Leiter. Er behindert den Stromfluss und führt zu einer Erwärmung des Drahtes. Es handelt sich also im Grunde um ein Gerät zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Im obigen Diagramm steht R für den Widerstand, der in Ohm gemessen wird.

Nehmen wir also an, unser Gleichstromnetzteil läuft mit 10 Volt. Damit können wir den Widerstand ermitteln, der nötig ist, um unseren Toast schön knusprig zu machen. Es gibt eine Beziehung zwischen Stromstärke ( I ) und Spannung ( V ) für einen Widerstand, das sogenannte Ohmsche Gesetz. Daraus ergibt sich folgender Ausdruck für die Leistung:

Bei 10 Volt benötigen wir einen Widerstand von 0,1 Ohm (was winzig ist), um eine Leistung von 1.000 Watt zu erreichen. Aber Moment mal – es ist nicht nur das Heizelement im Inneren, das Widerstand im Stromkreis erzeugt. Auch das Netzkabel, das Sie in die Steckdose stecken, hat Widerstand. Der Kupferdraht im Kabel ist ein guter Leiter, aber die Länge des Kabels selbst erhöht den Widerstand.

Um es einfacher zu machen: Stellen Sie sich vor, das Netzkabel hätte ebenfalls einen Widerstand von 0,1 Ohm, sodass der Gesamtwiderstand im Stromkreis 0,2 Ohm beträgt. Das bedeutet, dass wir einen geringeren elektrischen Stromfluss erhalten und die Leistung des Toasters nur 250 Watt beträgt. Das wird ein nicht ganz so gerösteter Toast.

Um das Problem zu beheben, müssen wir die Spannung der Stromquelle erhöhen. Erhöhen wir sie auf 100 Volt. In diesem Fall könnte unser Toaster 10 Ohm haben, sodass das 0,1-Ohm-Netzkabel keine große Rolle spielt. Bei einem 90 cm langen Netzkabel in Ihrem Haus ist das kein Problem. Aber wie sieht es mit den Übertragungsleitungen vom Kraftwerk zu Ihrer Stadt aus? Diese können über 100 Kilometer lang sein.

Bei deutlich längeren Drähten erhöht sich der Widerstand, was bedeutet, dass diese Drähte heiß werden und Energie verschwenden. Auch hier besteht die Lösung darin, eine Quelle mit höherer Spannung zu verwenden. Erinnern Sie sich an P = IV ? Das bedeutet, dass Sie die gleiche Leistung liefern können, indem Sie eine extrem hohe Spannung mit extrem niedrigem Strom verwenden.

Ja, man löst ein Problem und schafft damit ein neues. Angenommen, die Steckdose hat 10.000 Volt Gleichstrom. Aber Sie möchten Ihr Telefon aufladen und es benötigt 5 Volt Gleichstrom. Wie machen Sie das? Okay, es gibt eine Möglichkeit. Sie könnten einen großen Widerstand in Reihe mit Ihrem Telefon schalten, der elektrische Energie in Wärme umwandelt. Aber auch das ist reine Energieverschwendung.

Was passiert also, wenn wir auf Wechselstrom umstellen? Zur Erinnerung: Wechselstromkreise entstehen durch das Hin- und Herschalten der Plus- und Minuspole, sodass die Spannung zwischen einem positiven und einem negativen Wert wechselt (d. h. die Richtung des Elektronenflusses ändert sich). Hier ist ein Diagramm der Spannung als Funktion der Zeit für die beiden Stromarten.

Die Gleichstromquelle hat eine konstante Spannung (siehe flache blaue Linie oben). Die Wechselstromquelle (rot) hat eine Spannung, die zwischen +10 und –10 Volt schwankt, und manchmal ist die Spannung sogar Null. In diesem fiktiven Beispiel sieht man, dass die Spannung achtmal pro halber Sekunde wechselt. Die tatsächliche Wechselstromspannung im Haushalt variiert, liegt in den USA aber im Durchschnitt bei etwa 120 Volt (plus und minus) bei einer Frequenz von 60 Hertz.

Wenn wir unseren Toaster an eine 60-Hz-Wechselstromsteckdose anschließen, funktioniert er einwandfrei. Da er lediglich durch Erhitzen eines Drahtes funktioniert, spielt es keine Rolle, ob Gleich- oder Wechselstrom anliegt – er wird in jedem Fall heiß. Dasselbe gilt für Glühbirnen. Tatsächlich unterscheiden sie sich kaum von Toastern; nur der dünne Wolframdraht in einer Glühbirne wird so heiß (bis zu 2.300 °C), dass er glüht und Licht erzeugt.

Bei Wechselstrom haben wir immer noch das gleiche Problem mit langen Stromleitungen. Man braucht hohe Spannung und niedrige Stromstärke, um nicht zu viel Energie durch stromführende Leitungen zu verlieren. Wechselstrom hat jedoch einen netten Vorteil: Es ist einfach, die hohe Spannung in eine niedrige Spannung umzuwandeln. Dies ist aufgrund der oszillierenden Natur des Stroms und des Faradayschen Induktionsgesetzes möglich.

Das Faradaysche Gesetz besagt, dass ein elektrischer Strom entsteht, wenn man die Stärke eines Magnetfelds in einer Drahtschleife ändert. Im folgenden Clip können Sie sehen, dass die Stromstärke (gemessen in Ampere) sprunghaft ansteigt, wenn ich einen starken Magneten in eine Drahtspule stecke oder herausziehe.

Sie können dies auch ohne Magnet tun, wenn Sie zwei Drahtspulen verwenden. Im Video unten schließe ich eine kleine Knopfzelle an eine Primärspule an und trenne sie wieder. (Sie können die Spulen nicht sehen, aber sie befinden sich in der kleinen grauen Box im Vordergrund.)

Die Sekundärspule ist nicht an eine Stromquelle angeschlossen. Der wechselnde Strom in der Primärspule erzeugt jedoch ein wechselndes Magnetfeld, das wiederum einen Strom in der Sekundärspule induziert. Selbst mit dieser winzigen Batterie kann man sehen, dass ich einen großen induzierten Strom erhalte. Schaut es euch an:

Aber das ist noch nicht alles! Wir können die in der zweiten Spule induzierte Spannung verändern, indem wir das Verhältnis der Anzahl der Windungen in jeder Spule ändern. Wenn die induzierte Spule 100 Windungen und die primäre Spule 1.000 Windungen hat, beträgt die induzierte Spannung 100/1.000 oder das 0,1-fache der Eingangsspannung. Kehrt man das um, erhält man eine Ausgangsspannung, die das Zehnfache der Eingangsspannung beträgt.

Wir nennen das einen Transformator (weil er die Spannung transformiert). Sie sind ziemlich groß. So sieht ein kleiner Transformator von innen aus:

Dies ist einer dieser „Strombausteine“, mit denen alle Ihre Geräte an die Steckdose angeschlossen werden. Die beiden Spulen liegen nebeneinander, und Sie können sehen, dass die rechte mehr Windungen hat als die linke. Bei einem 120-Volt-Wechselstromeingang ist die Ausgangsspannung also niedriger (in diesem Fall 12 Volt). Da ist noch etwas anderes drin, das diese niedrigere Wechselspannung in Gleichstrom umwandelt; das nennt man Spannungsgleichrichter.

Um es klarzustellen: Man kann keinen Wechselstromtransformator mit einem Gleichstromkreis verwenden. Technisch ist es zwar möglich, einen Gleichstromeingang in Wechselstrom umzuwandeln und ihn dann zu transformieren – aber warum sollte man sich den zusätzlichen Aufwand machen, wenn man einfach Wechselstrom an die Häuser liefern kann? Genau das machen wir. Wenn Sie diese riesigen Hochspannungsleitungen sehen, handelt es sich um Höchstspannungs-Wechselstromkreise.

So funktioniert es: Sie haben ein Kraftwerk, das mit fossilen Brennstoffen, Wasserkraft oder was auch immer betrieben wird. Sie müssen daraus einen Wechselstromausgang machen und die Spannung dann auf einen verrückten Wert wie 100.000 Volt erhöhen. Das bedeutet, dass Sie die Spannung mit sehr geringer Stromstärke über die langen Stromleitungen leiten können, sodass kaum Leistungsverlust entsteht.

Wenn eine Stromleitung eine Stadt erreicht, führt sie in ein Umspannwerk. Dabei handelt es sich im Grunde nur um einen weiteren riesigen Transformator, der die Wechselspannung auf ein besser handhabbares Niveau wie etwa 10.000 Volt reduziert. Schließlich durchläuft der Strom einen weiteren Transformator, um ihn auf 240 Volt Wechselspannung zu bringen, die in Ihr Haus gelangt. Große Geräte wie Wäschetrockner verbrauchen die gesamten 240 V, und für Ihre Steckdosen wird dieser Wert halbiert, sodass Sie 120 V erhalten.

Aber nichts davon wäre mit Gleichstrom möglich. Es wäre einfach nicht praktikabel. Wechselstrom ist der Hammer!