Wechselstrom: Definition, Eigenschaften und Anwendungen
Was ist Wechselstrom?
Ein Wechselstrom (AC) ist ein elektrischer Strom, der seine Richtung und Stärke periodisch ändert. Im Gegensatz zum Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt, kann AC mit weniger Energieverlust über lange Distanzen übertragen werden. AC ist auch die Form der elektrischen Energie, die die meisten Haushaltsgeräte und -vorrichtungen verwenden, wenn sie in eine Steckdose gesteckt werden.
Die Form des AC-Signals kann je nach Quelle und Last variieren. Die häufigste Wellenform ist eine Sinuswelle, die eine glatte und symmetrische Form hat. Andere Wellenformen sind Rechteckwellen, Dreieckwellen und Sägezahnwellen, die unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen haben.
Wie wird Wechselstrom gemessen?
Eine Möglichkeit, AC zu messen, ist durch den Einsatz seines effektiven Werts (RMS). Der RMS-Wert eines AC-Signals ist der gleichwertige Gleichstromwert, der die gleiche Menge an Wärme in einem Widerstand erzeugen würde. Der RMS-Wert kann berechnet werden, indem die momentanen Werte des AC-Signals quadriert, über einen Zyklus gemittelt und dann die Quadratwurzel gezogen wird.
Der RMS-Wert eines sinusförmigen AC-Signals entspricht seinem Spitzenwert geteilt durch die Quadratwurzel von zwei:
Der RMS-Wert eines quadratischen AC-Signals entspricht seinem Spitzenwert:
Der RMS-Wert eines dreieckförmigen AC-Signals entspricht seinem Spitzenwert geteilt durch die Quadratwurzel von drei:
Der RMS-Wert eines Sägezahn-AC-Signals entspricht seinem Spitzenwert geteilt durch die Quadratwurzel von sechs:
Eine weitere Möglichkeit, AC zu messen, ist durch die Verwendung seiner Frequenz. Die Frequenz eines AC-Signals ist die Anzahl der Zyklen oder Perioden, die in einer Sekunde auftreten. Die Einheit der Frequenz ist Hertz (Hz), was Zyklen pro Sekunde bedeutet. Zum Beispiel vollendet ein 60 Hz-AC-Signal 60 Zyklen in einer Sekunde.
Die Frequenz eines AC-Signals steht in Beziehung zur Periode, die die Zeit für einen vollständigen Zyklus darstellt. Die Periode kann berechnet werden, indem eine Sekunde durch die Frequenz geteilt wird:
Die Frequenz kann berechnet werden, indem eine Sekunde durch die Periode geteilt wird:
Warum wird Wechselstrom verwendet?
Wechselstrom bietet viele Vorteile gegenüber Gleichstrom für die Übertragung und Verteilung von Energie. Einige dieser Vorteile sind:
Einfache Erzeugung: AC kann leicht erzeugt werden, indem eine Spule von Draht in einem Magnetfeld gedreht wird oder indem ein Magnet um eine Spule von Draht gedreht wird. Dies erfordert keine Kommutatoren oder Gleichrichter, die für die DC-Erzeugung notwendig sind.
Spannung transformation: AC kann leicht durch die Verwendung von Transformatorn hoch- oder heruntergestuft werden, die Geräte sind, die elektromagnetische Induktion nutzen, um die Spannungs- und Strompegel eines AC-Schaltkreises zu verändern. Dies ermöglicht es, AC bei hohen Spannungen und niedrigen Strömen zu übertragen, was den Leistungsverlust aufgrund des Widerstands der Leitungen reduziert. Es ermöglicht auch, AC in verschiedenen Spannungen und Strömen für verschiedene Anwendungen und Geräte bereitzustellen.
Leistungsfaktor korrektur: AC kann so angepasst werden, dass sein Leistungsfaktor verbessert wird, der ein Maß dafür ist, wie effizient ein AC-Schaltkreis Leistung nutzt. Der Leistungsfaktor ist definiert als das Verhältnis von realer Leistung (die Leistung, die nützliche Arbeit leistet) zu scheinbarer Leistung (das Produkt aus Spannung und Strom). Ein niedriger Leistungsfaktor bedeutet, dass einige Leistung als Blindleistung (die Leistung, die zwischen Quelle und Last oszilliert) verschwendet wird. Blindleistung kann Spannungsschwankungen, Überhitzung und erhöhte Verlust
