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Wechselstromkreis

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Physik

"AC/DC" - eine der, wenn nicht sogar die bekannteste Rockband aller Zeiten weltweit. Aber hast Du dich schon einmal gefragt, wofür eigentlich das AC und das DC stehen? "AC" steht für alternating current, auf Deutsch "Wechselstrom", und "DC" steht für direct current, auf Deutsch "Gleichstrom". Inwiefern dieser Name zu einer Rockband passt, darüber lässt sich streiten. Geschmäcker sind ja bekanntlich verschieden.

Beide Arten von Strom sind heutzutage aber von großer Bedeutung. Was es mit dem "AC" auf sich hat, wie sich Bauelemente im Wechselstromkreis verhalten und was dabei die Unterschiede zum Gleichstromkreis sind erfährst Du jetzt.

Wechselstromkreis Definition

Strom ist doch Strom, oder? Dein Smartphone zum Beispiel lädt meistens mit einem Gleichstrom von etwa zwei Ampere. Auch viele anderen Geräte benötigen Gleichstrom. Deine Steckdose liefert jedoch eine Wechselspannung von rund 230 Volt. Diese Netzspannung wird dann von sogenannten Gleichrichtern in Gleichspannung gewandelt.

Möchtest Du wissen, wie das Gleichrichten funktioniert? Das erfährst Du im Artikel Gleichrichter.

Warum dann aber überhaupt Wechselspannung im Stromnetz verwenden? Das liegt daran, dass die Energieübertragung, was ja der Hauptnutzen vom elektrischen Strom ist, einfacher, stabiler und kostengünstiger mit Wechselspannung funktioniert.

Einfach erklärt besteht der große Unterschied zwischen Gleich- und Wechselstrom besteht darin, dass sich die Polung der Strom- und Spannungsrichtung beim Wechselstrom zeitlich ändert. Bei der Netzspannung geschieht das 50 mal in der Sekunde:

Beim Wechselstrom verändert sich die Strom- und Spannungsrichtung, also die Polung von Plus und Minus, zeitlich stetig. Wie oft das geschieht, gibst Du mit der Frequenz f und der Einheit Hertz (Hz) an. Ein Hertz entspricht dabei einer gesamten Umpolung von Plus zu Minus und wieder zu Plus (oder genau umgekehrt) innerhalb einer Sekunde.

Wechselstromkreis Definition Einheit Hertz der Frequenz StudySmarter

Die Netzspannung in Deutschland und weiten Teilen Europas wird in einer bestimmten Netzfrequenz bereitgestellt:

Wechselstromkreis Definition Netzspannung und Frequenz in Deutschland StudySmarter

Das Umpolen geschieht nicht sofort sondern benötigt etwas Zeit. Die Wechselgrößen sind dementsprechend auch nicht zeitlich konstant sondern haben einen schwingenden Wellencharakter.

Wechselstromkreis Verlauf und Effektivwert

Schaust Du Dir den sinusförmigen Verlauf einer Wechselspannung U(t) wie in Abbildung 1 an kannst Du erkennen, dass sich der Wert der Spannung gleichmäßig verändert und fast nie maximal ist. Was bedeuten bei der Netzspannung aber dann die 230V? Der Maximalwert (Amplitude)? Der Durchschnitt? Oder etwas anderes?

Wechselstromkreis Verlauf Wechselspannung Diagramm Amplitude Effektivwert StudySmarterAbbildung 1: Verlauf einer Wechselspannung mit Amplitude und Effektivwert

Die angegebenen 230V der Netzspannung sind tatsächlich weder Maximalwert noch Durchschnitt, sondern der sogenannte Effektivwert:

Der Effektivwert einer Wechselgröße im Wechselstromkreis ergibt sich aus dessen Maximalwert (Amplitude) und dem Proportionalitätsfaktor .

Für eine Spannung verhalten sich Amplitude und Effektivwert wie folgt:

Wechselstromkreis Definition Effektivwert StudySmarter

Wechselgrößen werden meistens mit deren Effektivwert angegeben.

Der Maximalwert bzw. die Amplitude unserer Netzspannung beträgt 325V.

Es gibt also große Unterschiede zwischen zwischen Gleich- und Wechselgrößen. Dementsprechend ist es wichtig auch anhand einer Schaltung zu erkennen, ob es sich um einen Wechselstromkreis oder Gleichstromkreis handelt.

Wechselquellen Schaltzeichen

Die Darstellung einer Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle ist Dir vielleicht schon bekannt. Das ist meistens ein Kreis oder nur die Kontakte mit jeweils der Größe. Bei der Darstellung einer Wechselquelle gibt es einen kleinen aber wichtigen Unterschied: oftmals wird diese Quelle mit einer Welle ~ neben eben dieser dargestellt. Die Pfeile werden dabei manchmal weggelassen, da die Richtung in vielen Fällen aufgrund der sowieso wechselnden Pole nicht interessant ist.

Manchmal werden auch leicht unterschiedliche Symbole verwendet. Das Wichtige ist aber dabei, dass Wechselgrößen meist mit dem Wellensymbol ~ oder klein geschrieben dargestellt werden.

In der Abbildung 2 wurde der Einfachheit halber auf den Rest einer Schaltung verzichtet. Diese Schaltung kann aus vielen verschiedenen Bauelementen bestehen. Wie sich diese im Wechselstromkreis verhalten, erfährst du jetzt, angefangen beim Widerstand.

Widerstand im Wechselstromkreis

In der Realität besitzt jedes Kabel, jede Verbindung und somit auch jedes Bauelement und jeder Verbraucher im Stromkreis einen gewissen ohmschen Widerstand. Dieser "bremst" den elektrischen Strom aus, je größer der Widerstand ist. Welche Unterschiede gibt es dann im Gleich- und Wechselstromkreis?

Du schließt ein Kabel (den Widerstand R) wie in Abbildung 3 an eine Wechselspannungsquelle U an.

Stelle Dir dabei die folgende Frage: macht es einen Unterschied für das Kabel bzw. den Widerstand, wenn sich die Stromrichtung/Spannungsrichtung ändert? An der Funktionalität ändert sich dabei nichts. Der Strom kann in beide Richtungen fließen und auch eine schnelle Änderung der Stromrichtung bewirkt keine andere Auswirkung. Sobald eine Spannung anliegt fließt auch direkt ein Strom.

Für den Widerstand im Wechselstromkreis kannst Du also folgendes festlegen:

Ein ohmscher Widerstand verhält sich im Wechselstromkreis nicht anders als im Gleichstromkreis. Er behält die Eigenschaft den Strom bei gleichbleibender Spannung zu limitieren. Strom I(t) und Spannung U(t) ändern sich dabei gleichzeitig. Das nennst Du auch "sie sind in Phase".

Wechselstromkreis Diagramm Verlauf Strom und Spannung am Widerstand in Phase StudySmarterAbbildung 4: Wechselstrom & Wechselspannung in Phase am Widerstand

Der Widerstand ist aber nicht das einzige Bauelement, welches oft verwendet wird. Spulen haben eine große Bedeutung in allen Anwendungen beim Wechselstromkreis.

Spule im Wechselstromkreis

Die Spule als Bauelement ist im Grunde genommen nichts anderes, als ein aufgewickelter Draht. Eine Spule stellt somit im Gleichstromkreis auch nichts anderes dar als einen Widerstand. Das gilt, solange der Strom zeitlich konstant bleibt.

Bei Ein- und Ausschaltvorgängen, also schneller Änderung vom Stromfluss, kommt es aufgrund von Induktion aber zu abweichendem Verhalten.

Elektromagnetische Induktion entsteht immer dann, wenn sich das einen Leiter umgebende Magnetfeld schnell zeitlich verändert.

Das Bauelement Spule, wie jeder stromdurchflossene Leiter, besitzt ihr eigenes Magnetfeld. Veränderst Du den Stromfluss durch eine Spule, dann veränderst Du auch das Magnetfeld um die Spule und es kommt zur sogenannten Selbstinduktion.

Aufgrund der Lenzschen Regel wirkt die Selbstinduktion entgegengesetzt ihrer Entstehung.

Interessiert es Dich genauer, wie Induktion und Selbstinduktion entstehen und Anwendung finden? Das erfährst Du im Artikel elektromagnetische Induktion! Dort findest Du auch weitergehende Informationen zum Thema Induktion wie die Lenzsche Regel und Selbstinduktion. Die Artikel zur Spule bieten Dir außerdem weitere spannende Inhalte dazu!

Was bedeutet die Selbstinduktion nun für die Anwendung einer Spule im Wechselstromkreis?

Stelle Dir folgendes Szenario vor: zunächst versorgst Du eine Spule mit einem Gleichstrom. Jetzt schaltest Du die Versorgung ab, wechselst so schnell Du kannst die Kontakte und somit die Stromrichtung, schaltest sie wieder an, dann aus, polst um usw.

In jedem dieser Schritte wirkt die Spule kurzzeitig wie ein größerer Widerstand aufgrund der dem Strom entgegen gerichteten Selbstinduktion. Diese Wirkung ist aber nur extrem kurzzeitig und somit nicht konstant, da Du mit deinen eigenen Händen nur eine sehr geringe Frequenz der Umpolung schaffst.

Wenn Du, z.B. durch maschinelle Hilfe, das Umpolen super schnell machen kannst (hohe Frequenz), wie es im Wechselstromkreis in Abbildung 5 der Fall ist, dann wirkt die Spule wie ein deutlich größerer Widerstand als nur ihr eigener ohmscher Widerstand des Drahtes.

Schaltet die Wechselspannungsquelle U ihre Polung um, liegt somit auch eine Spannung U(t) über Deiner Spule an. Der Stromfluss I(t) wird durch die Induktion allerdings verzögert, weil dieser vorerst ausgebremst wird und somit etwas später als die Spannung U(t) sein Maximum erreicht.

Mithilfe Deiner Beobachtungen kannst du also folgendes festlegen:

Aufgrund von Selbstinduktion verhält sich eine Spule im Wechselstromkreis so ähnlich wie ein Widerstand. Je größer dabei die herrschende Frequenz im Wechselstromkreis, desto größer ist auch die Wirkung als Widerstand.

Die Stärke der Selbstinduktion und somit der Widerstandswirkung hängt dabei auch von der Induktivität der Spule ab. Die Spule wird deswegen als induktiver Widerstand im Wechselstromkreis bezeichnet.

Die Widerstandswirkung bedeutet ein Ausbremsen den Stromflusses. Die Spannung U(t) an der Spule eilt somit dem Stromfluss I(t) voraus. Diesen Unterschied nennst du Phasendifferenz oder Phasenverschiebung.

Wechselstromkreis Diagramm Verlauf Strom und Spannung an Spule mit Phasenverschiebung StudySmarterAbbildung 6: Wechselstrom- und Wechselspannungsverlauf an einer Spule

Die Induktivität einer Spule ist eine physikalische Bauteilgröße, welche die Material- und elektrischen Eigenschaften einer Spule zusammenfasst. Die Phasendifferenz von Strom zur Spannung beträgt genau eine viertel Periode aber negativ (weil Spannung zeitlich vor dem Strom). Anders ausgedrückt also genau -90° bzw. -π/2. Betrachtest Du die Phasenverschiebung andersherum, also von Spannung zum Strom, drehst Du deren Vorzeichen um.

Das Verhalten einer Spule unterscheidet sich im Wechselstromkreis also deutlich vom Verhalten im Gleichstromkreis. Das gilt auch für das Bauelement Kondensator im Wechselstromkreis.

Kondensator im Wechselstromkreis

Vielleicht hast Du Dir das Folgende schon einmal überlegt oder selbst in einem Versuch oder Experiment ausprobiert bzw. gesehen. Was passiert, wenn Du einen Kondensator in einen Gleichstromkreis einbaust und dann anschaltest? Kurzzeitig fließt ein Strom, bis der Kondensator geladen ist. Danach herrscht nur noch eine Spannung aber kein Stromfluss mehr durch den Kondensator. Das liegt am grundsätzlichen Aufbau des Kondensators.

Der Artikel Kondensator erklärt dir genau, warum das so ist.

Da die beiden Kondensatorflächen nicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, ist die Wirkung eines voll aufgeladenen Kondensators im Gleichstromkreis gleich einer Unterbrechung. Also im Prinzip ein fast unendlich großer Widerstand. Wie sieht das im Wechselstromkreis aus?

Stelle Dir nun das gleiche Szenario vor, wie Du es schon bei der Spule getan hast: du schaltest den Gleichstromkreis an, sofort wieder aus, polst deine Spannungsquelle um, schaltest an, aus, polst wieder um usw.

Bei jedem dieser Schritte fließt kurzzeitig ein Strom, weil der Kondensator erst aufgeladen wird, nach dem Umpolen entlädt und in die andere Richtung geladen wird. Handelt es sich dabei um einen Kondensator mit sehr geringer Kapazität oder Du lässt dir viel Zeit beim Umschalten (geringe Frequenz), stellt der Kondensator im Großen und Ganzen einen fast unendlichen Widerstand im Stromkreis dar.

Findest Du stattdessen einen Weg alle Schritte deutlich schneller (hohe Frequenz) ablaufen zu lassen, wie im einfachen Wechselstromkreis in Abbildung 7, wird der Kondensator niemals vollgeladen. Er wirkt wie ein sehr kleiner Widerstand, weil er auch während dem Aufladen einen geringen Widerstand darstellt. Dabei muss die Kapazität des Kondensators aber auch genügend groß sein.

Erst durch das Aufladen des Kondensators fällt über genau diesem eine Spannung ab. Zum Aufladen muss also vor einer Spannung U(t) schon ein Stromfluss I(t) stattgefunden haben. Das gilt in beide Polungsrichtungen.

Das Auf- bzw. Entladen eines Kondensators erfolgt nicht linear. Mehr dazu findest Du in den Artikeln Kondensator, Aufladen eines Kondensators und Entladen eines Kondensators.

Diese Erkenntnisse kannst Du also wie folgt zusammenfassen:

Die Wirkung eines Kondensators im Wechselstromkreis kannst Du wie einen Widerstand betrachten. Diese Widerstandswirkung ist dabei antiproportional zur Frequenz im Wechselstromkreis. Bei hoher Frequenz ist die Widerstandswirkung also deutlich geringer als bei kleiner Frequenz.

Eine geringe Kapazität bewirkt dabei eine Erhöhung des Widerstands. Ein Kondensator im Wechselstromkreis wird daher auch kapazitiver Widerstand genannt.

Beim Aufladen in beiden Richtungen hängt die Spannung U(t) über dem Kondensator dabei dem Stromfluss I(t) hinterher. Diesen Unterschied nennst du Phasendifferenz oder Phasenverschiebung.

Wechselstromkreis Diagramm Verlauf Strom und Spannung an Kondensator mit Phasenverschiebung StudySmarterAbbildung 8: Wechselstrom- und Wechselspannungsverlauf an einem Kondensator

Die Phasendifferenz von Strom zur Spannung beträgt genau eine viertel Periode. Anders ausgedrückt also genau 90° bzw. π/2, weil die Spannung hier zeitlich dem Strom hinterher hängt. Betrachtest Du die Phasenverschiebung andersherum, also von Spannung zum Strom, drehst Du das Vorzeichen um.

Ist die Kapazität oder die Frequenz so gering, dass der Kondensator vollgeladen ist bevor umgepolt wird, wirkt er wieder wie eine Unterbrechung im Stromkreis bzw. als fast unendlicher Widerstand und verliert die eigentliche Aufgabe als Bauelement.

Eine ähnliche Wirkung kann auch eine Diode im Wechselstromkreis haben.

Diode im Wechselstromkreis

Die wohl bekannteste Form des Bauelements Diode ist die LED. "LED" steht hierbei für light emitting diode, also Licht emittierende Diode – eine Diode, die bei richtiger Schaltung leuchtet.

Eine Diode als elektrisches Bauelement weißt je nach Betriebsrichtung unterschiedliche Eigenschaften auf. Du unterscheidest dabei in Durchlass- und Sperrrichtung:

In Durchlassrichtung wird eine geringe Spannung benötigt, die Diode funktioniert wie vorgesehen und besitzt einen sehr geringen elektrischen Widerstand.

In Sperrrichtung kommt es auch bei großen Spannungen zu keinem Stromfluss. Sie wirkt wie ein fast unendlicher Widerstand.

Das bedeutet, benutzt Du eine Diode in einem Wechselstromkreis (Abbildung 9), kommt es immer nur bei etwa der Hälfte der Zeit zu einem Stromfluss I(t) – nämlich immer dann, wenn die Spannungsrichtung der Durchlassrichtung entspricht. In der anderen Hälfte der Zeit ist die Spannung U(t) an der Diode falsch herum, die Diode sperrt und es erfolgt kein Stromfluss I(t).

Du kannst eine Diode also als eine Art Ventil benutzen. Nur eine bestimmte Strom-/Spannungsrichtung des Wechselstromkreises wird zugelassen. Die andere Richtung wird gesperrt. Die Strom- und Spannungsverläufe an der Diode sehen dann wie in der Abbildung 10 aus, wenn die Diode für positive Werte der Spannung U(t) in Durchlassrichtung betrieben wird. Die Verläufe ohne eine Diode wären wie beim Widerstand in Abbildung 4 weiter oben.

Wechselstromkreis Diagramm Verlauf Strom und Spannung an Diode StudySmarterAbbildung 10: Wechselstrom- und Wechselspannungsverlauf an einer Diode

Je nach Anwendung im Gleichstrom- oder Wechselstromkreis weisen also alle Bauteile ein bestimmtes Verhalten auf. Das kannst du jetzt zusammenfassen.

Gleichstromkreis Wechselstromkreis - Bauelemente im Vergleich

Mit dem Widerstand passiert im Wechselstromkreis nichts besonderes. Spule und Kondensator können bei gewissen Bedingungen einen großen oder kleinen Widerstand im Wechselstromkreis darstellen und das genau andersherum als im Gleichstromkreis. Die Diode kannst Du als sehr einfaches Ventil im Wechselstromkreis verwenden.

Zeit, einen übersichtlichen Vergleich anzustellen!

BauelementGleichstromkreisWechselstromkreis
WiderstandDer ohmsche Widerstand behindert in beiden Stromkreisen auf gleiche Weise den Stromfluss.
Spulewie ein langer Draht mit geringem ohmschen Widerstand
Je größer die Frequenz, desto größer ist der induktive Widerstand durch die Spule.Phasenverschiebung: Spannung eilt dem Strom voraus.
KondensatorAuftrennung des Stromkreises und somit (fast) unendlich großer ohmscher WiderstandJe größer die Frequenz, desto kleiner ist der kapazitive Widerstand durch den Kondensator.Phasenverschiebung: Spannung hängt dem Strom hinterher.
DiodeDurchlassrichtung: geringer Widerstand.Sperrrichtung: (fast) unendlich großer Widerstand (ähnlich Kondensator)Die Diode lässt nur den Teil des Stroms passieren, welcher in Durchlassrichtung fließt.

Fragst Du dich vielleicht, warum der Widerstand des Kondensators bzw. der Spule beim Gleichstrom nur fast unendlich groß ist? Das liegt daran, dass bei ausreichender Spannung auch die Auftrennung des Stromkreises überwunden werden könnte.

Dieses Verhalten der einzelnen Bauelemente kannst Du Dir in einfachen Schaltungen zu Nutze machen.

Einfache Wechselstromkreise

Gerade für die Signalübertragung und -verarbeitung werden Wechselstromkreise verwendet. Um ein bestimmtes Signal zu empfangen sollte der Empfänger empfindlich für eine bestimmte Frequenz sein und wenn möglich andere Frequenzen herausfiltern. Signale kannst Du Dir dabei grundsätzlich als eine Wechselspannung bestimmter Frequenz vorstellen.

Die Vorstellung, dass ein Signal einer Wechselspannung entspricht, ist sehr vereinfacht aber als Modell hinreichend genau für die folgenden Betrachtungen.

Kondensator und Spule weisen unterschiedliches Verhalten je nach Frequenz im Wechselstromkreis auf. Durch die Grundbauelemente kannst Du Dir somit extrem einfache Filter für Signale bauen. Fangen wir mit der Spule an.

Spule und Widerstand

Wir haben bereits definiert, dass eine Spule bei hoher Frequenz im Wechselstromkreis als sehr hoher Widerstand wirkt. Diese schaltest Du jetzt mit einem Widerstand in Reihe (Abbildung 11). Legst Du nun gleich große Wechselspannungen / Signale U verschiedener Frequenzen an, verändert sich auch der Widerstand durch die Spule und somit die Stromstärke im Wechselstromkreis.

Vielleicht fragst Du dich: Warum schaltest Du zusätzlich einen Widerstand in Reihe? Dieser dient in einer reellen Schaltung als Begrenzung und beugt somit zu großen Stromstärken, die zu Schäden führen können, vor.

Hohe Frequenzen bewirken dabei eine starke Dämpfung der Stromstärke - bei geringen Frequenzen genau andersherum. Wenn deine Wechselspannung einem Signal gleicher Frequenz entspricht, kannst Du die Auswirkung auf die Signale durch die einfache Reihenschaltung von Spule und Widerstand im Wechselstromkreis wie folgt festlegen:

Die Reihenschaltung von Spule und Widerstand bewirkt eine starke Dämpfung bei hoher Signalfrequenz.

Signale geringer Frequenz werden dabei nur schwach gedämpft.

Du hast somit einen sehr einfachen Signalfilter gebaut, der hohe Frequenzen herausfiltert. Am effektivsten empfängst Du damit also Signale niedriger Frequenz.

Nicht nur die Spule sondern auch den Kondensator kannst Du in eine solche Schaltung einbauen.

Kondensator und Widerstand

Im Gegensatz zur Spule wirkt der Kondensator im Wechselstromkreis bei hoher Frequenz als geringer Widerstand. Jetzt schaltest Du den Kondensator mit einem Widerstand in Reihe und legst gleich starke Wechselspannungen U unterschiedlicher Frequenzen an.

Bei hohen Frequenzen stellst Du fest, dass auch der Stromfluss größer ist als bei niedrigen Frequenzen. Bei niedrigen Frequenzen wird der Stromfluss also abgeschwächt bzw. gedämpft. Nun gehst Du davon aus, dass Deine Wechselspannungen empfangene Signale darstellen. Somit kannst Du die Auswirkung der Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand im Wechselstromkreis auf Signale definieren:

Die Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand bewirkt eine starke Dämpfung bei niedriger Signalfrequenz.

Signale hoher Frequenz werden dabei nur schwach gedämpft.

Wunderst Du dich vielleicht, warum immer auch ein Widerstand verbaut wird? Dieser dient als Schutz vor zu großen Strömen (Strombegrenzung), die Deiner Schaltung bzw. anderen Geräten schaden könnten.

Möchtest Du also Signale hoher Frequenz empfangen und wenig Störung von niedrigfrequenten Signalen bekommen, kannst Du diese vereinfachte Schaltung verwenden.

Meistens möchtest Du aber Signale bestimmter Frequenzbereiche empfangen. Auch das ist mit Spule und Kondensator möglich.

Wechselstromkreis Aufgabe

Möchtest Du Radio hören stellst du dafür meistens eine bestimmte Frequenz ein. Mit den hier besprochenen einfachen Schaltungen kannst Du aber nur hohe oder tiefe Frequenzen filtern.

Du möchtest jetzt weder hohe noch niedrige Frequenzen empfangen sondern nur eine mittlere Frequenz.

Aufgabe

Beschreibe eine mögliche Schaltung um mittlere Frequenzen zu empfangen und hohe sowie niedrige Frequenzen zu dämpfen. Begründe Deine Wahl.

Hinweis: Die Schaltung darf aus einer beliebigen Anzahl (0 bis unendlich) der Grundbauelemente Widerstand, Spule und Kondensator bestehen.

Lösung

Eine Spule dämpft hohe Frequenzen und lässt niedrige Frequenzen einfach passieren. Ein Kondensator hat die genau entgegengesetzte Wirkung.

Du kannst für Deine Schaltung also eine Spule in Reihe mit einem Kondensator und einem Widerstand schalten. Somit werden Signale hoher und niedriger Frequenzen stark gedämpft. Dazwischen gibt es auch eine Dämpfung. Diese ist aber deutlich geringer.

Der Widerstand hat auch hier wieder die Funktion, vor zu großen Strömen zu schützen. Damit die Gesamtdämpfung aber nicht zu groß ausfällt, sollte der Widerstand je nach Anwendungsbereich und erwarteter Signalstärke klein gehalten werden.

Vielleicht kommt dir diese Schaltung ja sogar bekannt vor. Das sieht doch sehr nach einem Schwingkreis aus! Welche weiteren Auswirkungen die Bauteile im Schwingkreis haben kannst Du im Artikel zum Schwingkreis erfahren. Der Wechselstromkreis ist essentiell für elektromagnetische Schwingungen und die Signalübertragung. Am Schluss findest Du das Wichtigste noch ein mal zusammengefasst.

Wechselstromkreis - Das Wichtigste

  • Im Wechselstromkreisverändert sich die Richtung (Polung) der elektrischen Spannung und Stromstärke stetig mit der Zeit.
  • Wie oft die Umpolung stattfindet gibst Du mit der Frequenz f der Einheit Hertz (Hz) an.

  • Eine Frequenz von einem Hertz bedeutet, dass in einer Sekunde die Polung von + nach - und wieder nach + (oder umgekehrt) stattfindet.
  • Die Netzspannung in weiten Teilen Europas der Netzfrequenz beträgt:

  • Verschiedene Grundbauelemente können im Wechselstromkreis eine andere Wirkung als im Gleichstromkreis aufzeigen:
    • Widerstand: Wirkt in beiden Stromkreisen als Behinderung des Stromflusses.
    • Spule: Wirkt im Wechselstromkreis bei hohen Frequenzen als hoher Widerstand und bei niedrigen Frequenzen als geringer Widerstand. Spannung eilt Strom voraus.
    • Kondensator: Wirkt im Wechselstromkreis bei hohen Frequenzen als geringer Widerstand und bei niedrigen Frequenzen als hoher Widerstand. Spannung hängt dem Strom hinterher.
    • Diode: Lässt im Wechselstromkreis nur den Anteil des Stromes passieren, der in Durchlassrichtung fließt.
  • Signale kannst Du im Wechselstromkreis als Wechselspannung und Strom betrachten. Auch hier haben die Grundbauteile in einfachen Schaltungen einen Einfluss auf das Signal:
    • Spule + Widerstand: Signale hoher Frequenz werden gedämpft. Signale niedriger Frequenz werden kaum abgeschwächt.
    • Kondensator + Widerstand: Signale niedriger Frequenz werden gedämpft. Signale hoher Frequenz werden kaum abgeschwächt.
    • Spule + Kondensator + Widerstand (Schwingkreis): Signale sehr hoher und sehr niedriger Frequenz werden stark gedämpft. Dazwischen werden Signale nur schwach gedämpft.

Wechselstromkreis

Der ohmsche Widerstand im Wechselstromkreis besitzt die gleiche Wirkung wie im Gleichstromkreis. Bei gleichbleibender Spannung verringert er den Stromfluss.

Die Spule im Wechselstromkreis wirkt bei hohen Frequenzen wie ein sehr hoher Widerstand. Bei geringen Frequenzen wirkt sie wie eine kleiner Widerstand.

Der Kondensator im Wechselstromkreis verhält sich bei hoher Frequenz wie ein sehr geringer Widerstand. Bei niedriger Frequenz verhält er sich wie ein sehr großer Widerstand.

Der Wechselstromkreis ist ein Stromkreis, in dem sich Spannungs- und Stromrichtung mit einer bestimmten Frequenz f zeitlich verändern. Eine Frequenz von f = 1 Hz bedeutet dabei, dass in einer Sekunde von + auf - und wieder auf + gepolt wird.

Finales Wechselstromkreis Quiz

Frage

Beschreibe, was mit der Strom- und Spannungsrichtung im Wechselstromkreis passiert.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Strom- und Spannungsrichtung verändert sich zeitlich mit einer gewissen Frequenz.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie sich der Widerstand im Wechselstromkreis abhängig von der Frequenz verhält.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Frequenz hat keinen Einfluss.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie eine Spule im Wechselstromkreis abhängig von der Frequenz wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Frequenz hat keinen Einfluss.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie ein Kondensator im Wechselstromkreis abhängig von der Frequenz wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Frequenz hat keinen Einfluss.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wodurch eine frequenzabhängige Widerstandswirkung einer Spule entsteht.

Antwort anzeigen

Antwort

Fließt ein Strom durch eine Spule so befindet sich um die Spule ein Magnetfeld. Ändert sich die Stromrichtung wird dadurch auch das Magnetfeld um die Spule verändert. Eine Veränderung des Magnetfeldes bedeutet auch Induktion. Diese sogenannte Selbstinduktion wirkt aufgrund der Lenzschen Regel entgegengesetzt ihrer Entstehung. Die Entstehung ist der Wechselstrom. Deswegen wirkt die Spule als ein Widerstand im Wechselstrom. Je höher die Frequenz, desto öfter und stärker wird induziert. Dementsprechend ist auch bei hoher Frequenz die Widerstandswirkung größer.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wodurch die frequenzabhängige Widerstandswirkung eines Kondensators entsteht.

Antwort anzeigen

Antwort

Legst du eine Spannung an einen Kondensator an, dann lädt sich dieser auf und der Stromfluss nimmt mit der Zeit ab, bis der Kondensator vollgeladen ist. Legst du nun eine Wechselspannung an, wird der Kondensator kurzzeitig in eine Richtung geladen. Nach der Umpolung wird er in die andere Richtung geladen. Je länger ein Ladevorgang in eine Richtung anhält, desto größer ist der Widerstand durch den Kondensator. Wenn also sehr schnell umgepolt wird (hohe Frequenz), sind die Ladevorgänge nur extrem kurz und somit ist auch der Widerstand bei hoher Frequenzen geringer als bei niedrigen Frequenzen.

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche die Widerstandswirkung einer Spule im Gleich- und Wechselstromkreis.

Antwort anzeigen

Antwort

Spule im Gleichstromkreis: Nach dem Einschaltvorgang wirkt sie wie ein langes Stück Draht mit einem sehr geringen Widerstand.

Spule im Wechselstromkreis: Bei niedriger Frequenz wirkt sie als geringer Widerstand. Je höher die Frequenz, desto höher auch die Widerstandswirkung.

Frage anzeigen

Frage

Vergleiche die Widerstandswirkung eines Kondensators im Gleich- und Wechselstromkreis.

Antwort anzeigen

Antwort

Kondensator im Gleichstromkreis: Lädt sich anfangs auf. Wenn aufgeladen, dann wirkt der Kondensator wie eine Auftrennung des Stromkreises und somit wie ein fast unendlich großer Widerstand.


Kondensator im Wechselstromkreis: Bei niedriger Frequenz wirkt der Kondensator als großer Widerstand. Je größer die Frequenz, desto geringer die Widerstandswirkung.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, als was du ein elektrisches Signal vereinfacht betrachten kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Du kannst ein elektrisches Signal vereinfacht auch als eine Wechselspannungsquelle betrachten.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, ob die Netzspannung einer normalen Steckdose in Deutschland Gleichspannung oder Wechselspannung ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Wechselspannung

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe kurz, wie die Polung einer Wechselspannung innerhalb einer Sekunde abläuft, wenn diese eine Frequenz von zwei Hertz besitzt.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Frequenz von zwei Hertz bedeutet zwei gesamte Umpolungen pro Sekunde.

So z.B.: von + nach - zurück zu + wieder zu - und am Ende wieder zu +

Du kannst auch + und - vertauschen. Wichtig ist, dass es zwei komplette Durchläufe (Perioden) sind.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie das Phänomen heißt, aufgrund dessen eine Spule im Wechselstromkreis einen erhöhten Widerstand darstellen kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Induktion / Selbstinduktion

Frage anzeigen

Frage

Gib an, wie eine Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand auf ein Signal gewisser Frequenz wirkt.

Antwort anzeigen

Antwort

Signale hoher Frequenzen werden stark gedämpft.

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe, wie du hochfrequente Signale mit einer einfachen Schaltung abdämpfen und kleinere Frequenzen trotzdem mit wenig Abschwächung passieren lassen kannst.

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür kannst du eine Reihenschaltung von Spule und Widerstand benutzen. Bei hohen Frequenzen wirkt die Spule wie ein großer Widerstand und dämpft somit die hochfrequenten Signale ab. Niedrige Frequenzen werden nur wenig abgeschwächt, da die Widerstandswirkung der Spule bei geringen Frequenzen sehr klein ist.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, welche Signale bestimmter Frequenzen durch einen Schwingkreis allgemein stark gedämpft werden.

Antwort anzeigen

Antwort

Signale hoher Frequenzen werden stark gedämpft.

Frage anzeigen
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