Wechselstrom und Wechselspannung

Aus der Steckdose kommt keine gleichbleibende Spannung wie aus einer Batterie, sondern eine, die fünfzig Mal pro Sekunde ihre Richtung umkehrt. Entsprechend pendelt auch der Strom im angeschlossenen Gerät hin und her. Diese Wechselgrößen sind die Grundlage der Energieversorgung – und sie verhalten sich an Kondensatoren und Spulen ganz anders als Gleichspannung. Dieser Artikel klärt die Begriffe, die du für das ganze Kapitel brauchst.

Was ist eine Wechselgröße?

Eine Wechselspannung ändert ihren Wert ständig und wechselt dabei regelmäßig die Polarität. Ihr zeitlicher Mittelwert über eine ganze Periode ist null: Was sie in der positiven Halbwelle „hinschiebt“, holt sie in der negativen wieder zurück. Ist ein Gleichanteil überlagert, spricht man von Mischspannung – etwa am Ausgang eines Verstärkers, der auf halbe Betriebsspannung vorgespannt ist.

Den Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt nennt man Momentanwert oder Augenblickswert. Er wird mit Kleinbuchstaben geschrieben: u(t) für die Spannung, i(t) für den Strom. Großbuchstaben wie U und I stehen dagegen für feste Kennwerte, meist den Effektivwert. Den Scheitelwert kennzeichnet ein Dach über dem Zeichen: Û („U-Dach“), Î („I-Dach“).

Die wichtigste Kurvenform ist der Sinus. Er entsteht von selbst, wenn sich eine Leiterschleife gleichmäßig in einem Magnetfeld dreht (Induktion), und er bleibt beim Durchgang durch Widerstände, Kondensatoren und Spulen ein Sinus – nur Amplitude und Lage verschieben sich. Daneben gibt es Rechteck-, Dreieck- und Sägezahnspannungen oder Mischformen daraus. Solche periodischen Formen lassen sich als Summe vieler Sinusschwingungen verschiedener Frequenz darstellen.

Kennwerte einer Sinusspannung

Eine Sinusspannung beschreibst du vollständig mit drei Angaben: wie hoch sie ausschlägt, wie schnell sie sich wiederholt und wo sie zum Zeitpunkt null steht.

Wie Frequenz, Periode und die Kreisfrequenz ω zusammenhängen, steht ausführlich unter Frequenz, Periode und Kreisfrequenz.

Warum das Netz Wechselstrom nutzt

Der entscheidende Vorteil ist der Transformator: Er kann Wechselspannung fast verlustfrei herauf- oder heruntersetzen. Für lange Strecken wird die Spannung auf mehrere Hundert Kilovolt erhöht. Bei gleicher übertragener Leistung sinkt damit der Strom, und weil die Leitungsverluste mit I² · R wachsen, sinken sie sogar quadratisch. Vor Ort wird wieder auf 230 V und 400 V heruntertransformiert.

Dazu kommt, dass rotierende Generatoren von Natur aus Wechselspannung erzeugen – bei einer zweipoligen Maschine entspricht jede Umdrehung des Läufers genau einer Periode, also 3000 Umdrehungen pro Minute für 50 Hz – und dass sich mit Drehstrom einfache, robuste Motoren betreiben lassen. Und beim Abschalten hilft der regelmäßige Nulldurchgang: Ein Lichtbogen im Schalter erlischt leichter als bei Gleichstrom.

Andere Netze arbeiten mit anderen Werten – in Nordamerika etwa 120 V und 60 Hz, in Bahnnetzen teils 16,7 Hz. Für Hochspannungs-Fernleitungen über sehr große Distanzen und Seekabel nutzt man heute dagegen wieder Gleichstrom (HGÜ), weil dort die Blindströme der Leitungskapazität stören.

Wechselgrößen in elektronischen Schaltungen

In der Elektronik ist Wechselspannung nicht nur Energielieferant, sondern vor allem Signal: Audio, Funk, Takt- und Datenleitungen sind Wechselgrößen mit Frequenzen von wenigen Hertz bis in den Gigahertzbereich. Viele Schaltungen trennen deshalb Gleich- und Wechselanteil – ein Koppelkondensator lässt das Signal durch und sperrt die Gleichspannung (siehe Kondensator im Gleichstromkreis und kapazitiver Blindwiderstand).

An einem Wirkwiderstand verlaufen Strom und Spannung im Gleichschritt, an Kondensator und Spule sind sie gegeneinander verschoben. Daraus ergeben sich die Begriffe Impedanz und Blindleistung, die in den folgenden Artikeln erklärt werden.

Wechselgrößen misst du mit einem Multimeter im AC-Bereich oder – wenn du die Kurvenform sehen willst – mit dem Oszilloskop. Worauf du dabei achten musst, steht unter Wechselspannung und Wechselstrom messen.

Selbsttest