Wechselstrom-Übertragung

Gleich- und Wechselspannungsquelle zur Demonstration der Übertragung elektrischer Energie auf größere Entfernungen

Elektrizität allgemein war weitaus länger bekannt als vor ihrer Nutzung für die öffentliche Versorgung ab etwa 1880 und wurde auch einige Jahrzehnte früher genutzt, jedoch in deutlich geringerem Umfang. Hier ein deutlich abgekürzter Blick in die Geschichte gegenüber dem im TMK über QR-Code ladbarem Artikel "Gleichstrom und Wechselstrom – ihre Geschichte":

Das Elektron, von altgriechisch ἤλεκτρον (élektron = Bernstein), an dem als Namensgeber die Elektrizität in Form der Elektrostatik wie beim im TMK ausgestellten Bandgenerator nachweislich erstmalig beobachtet wurde, ist ein negativ geladenes Elementarteilchen. Bewegt sich dieses in Leitern wie Kupfer oder Aluminium sowie in Halbleitern wie Silizium spricht man von elektrischem Strom. Mit der nicht aufladbaren Batterie, auch als Primärzelle oder Primärbatterie bezeichnet, begann die eigentliche Nutzung des elektrischen Stroms in Form des Gleichstroms. Werner v. Siemens kombinierte das von ihm 1866 entdeckte dynamoelektrische Prinzip mit dem bereits 1831 von Michael Faraday entdeckten Induktionsprinzip: In einem durch ein magnetisches Feld bewegten metallischen Leiter, also einem Draht, wird eine Spannung induziert. Diese Spannung kann z. B. eine angeschlossene Glühlampe zum Leuchten bringen. Hier wurde mechanische Bewegungsenergie in nutzbare elektrische Energie umgewandelt.

Das von Siemens entdeckte dynamoelektrische Prinzip nutzte die im Eisen des Dynamos, heute Generator genannt, vorhandene schwache remanente, also die nach dem letzten Betrieb noch im Eisen vorhandene Magnetisierung, für die Selbsterregung eines mechanisch angetriebenen Dynamos in der Phase des Hochfahrens aus. Im Betrieb erzeugte dann der Generator das erforderliche Magnetfeld durch Speisung der Magnetfeldspulen selbst. Eine detaillierte Beschreibung des selbsterregten Gleichstromgenerators folgt, sicherlich deutlich später, an einem im TMK ausgestellten Exemplar und auch hier in dem noch zu schaffenden Teilgebiet Motoren und Generatoren der Elektrischen Energietechnik.

Gleichstrom konnte aufgrund der damals zur Verfügung stehenden Isoliermaterialien nur eine, aus heutiger Sicht, relativ geringe Spannung haben. Und das Gleiche galt für den im Hausgebrauch einzigen bisher entwickelten Verbraucher: die Glühlampe von Edison, denn Fön, Wasserkocher, Toaster usw. gab es noch nicht. Und Strom ließ sich – unabhängig von der Stromart Gleich- oder Wechselstrom – aufgrund der ebenfalls physikalisch bedingten Eigenschaft, dass alle metallischen Leiter ihm einen Widerstand entgegen setzen, bei den damals realisierbaren Spannungen nur über eine Strecke von etwa 1,5 – 2 km transportieren, weil sonst entweder die Verluste zu hoch oder der Durchmesser (Querschnitt) der Leiter unwirtschaftlich groß geworden wären.

Aus diesem Dilemma konnte nur eine höhere Spannung herausführen, die bei zu übertragender Leistung (Leistung in Watt = Strom in Ampere mal Spannung in Volt) zu einem kleineren Strom und damit kleineren Verlusten führen würde. Das war bei den damaligen Maschinen mit der Leistungsabnahme vom rotierenden Teil unabhängig von der Stromart Gleichstrom oder Wechselstrom noch nicht möglich. Und jetzt müssen wir ausführlicher auf die Definition der beiden Stromarten eingehen:

• Beim elektrischen Strom bewegen sich freie Ladungsträger, also die Elektronen im metallischen Leiter bzw. Halbleiter (wie z. B. die Photovoltaikzelle) und die Ionen im Elektrolyten.
• Ist die Bewegungsrichtung dieser freien Ladungsträger gleich, spricht man von Gleichstrom, wobei sich die Stärke dieses Stromflusses, also die Menge der Ladungsträger über die Zeit, wie auch die Stromrichtung durchaus ändern kann, bei einem aufladbaren Akku also vom Laden aus einer Stromquelle beim Entladen zu einem Verbraucher, wie z. B. im Auto von der Lichtmaschine zum Akku beim Fahren und vom Akku zum Begrenzungslicht nach dem Parken (Grafik 1 links bzw. oben).

• Wechselstrom ist nach der Definition ein Strom, bei dem die Bewegungsrichtung der Elektronen in den Leitern periodisch, also regelmäßig in gleichen Zeitabständen wechselt, und wenn auch in geringsten Wegen über vielleicht nur einige Atome hinweg. Und im Idealfall ist dieser Wechselstrom sinusförmig wie in unseren Stromnetzen (Grafik 2 links bzw. oben).

Erst dieser, wenige Jahre nach Erfindung des dynamoelektrischen Prinzips durch W. v. Siemens seinen Siegeszug antretende Wechselstrom, der in Transformatoren, auch Umspanner genannt, auf höhere Werte transformierbar war, ermöglichte wesentlich größere Entfernungen zwischen Kraftwerk und Verbraucher. Und erst die Erfindung eines preiswerten, auf dreiphasigem verkettetem Wechselstrom in Form des Drehstroms beruhendem Motor mit so bezeichnetem Kurzschlussläufer ermöglichte nach der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt im Jahr 1891 den Durchbruch. Da aber hatte Kassel schon seine erste Stromversorgung und bereits 1898, als die "Weltstadt" Frankfurt ihr erstes Elektrizitätswerk bekam, in weiteren Gebieten mit Wechselstrom versorgt und Gleichstrom für die Straßenbahn sowie für das bereits erschlossene Zentrum geliefert.

All dies und die weiteren Unterschiede bei Gleich- und Wechselstrom sowie die Nutzung der Wärmeentwicklung fließenden Stromes beim Schmelzen von Metallen erläutern wir und führen dies in Versuchen vor. Wir freuen uns auf Ihren Besuch nach Wiederöffnung und sehnen die Beherrschung der Corona-Pandemie herbei. 

Text: Wolfgang Dünkel, TMK

Bild W. v. Siemens: Wikipedia, gemeinfrei

Grafiken 1 u. 2: Helmut Lotz, TMK 

(last update 27.05.2023)