Vekselstrøm
Vekselstrøm angiver elektrisk strøm, der ændrer dens retning (polaritet) ved regelmæssig gentagelse, og hvor positive og negative øjeblikkelige værdier supplerer hinanden på en sådan måde, at strømmen i gennemsnit er nul over tid. Vekselstrømmen skal skelnes fra jævnstrøm , som ikke ændrer sig over tid (bortset fra koblingsoperationer eller påvirkende effekter) og blandet strøm som en superposition af de to.
På verdensplan sker den elektriske energiforsyning oftest med sinusformet vekselstrøm. Årsagerne til denne præference er den enkle generation og den simple transformation af vekselstrømmen . Enfaset vekselstrøm er almindelig i husholdningssektoren. Der er også en fordelagtig forbindelse som et trefaset vekselstrømssystem . Ved energioverførsel skal de aktive og reaktive strømkomponenter i vekselstrømmen tages i betragtning.
Højfrekvente vekselstrømme bruges i kommunikationsteknik og i elektromedicin .
Internationalt omtales vekselstrøm ofte på engelsk som vekselstrøm eller med forkortelsen AC , som også bruges til vekselstrøm . Derimod står DC for jævnstrøm, som bruges til at identificere både jævnstrøm og jævnstrøm .
generation
Midlertidigt forløb
Den enkleste tænkelige form for vekselstrøm skabes ved konstant skiftende polaritetsomvendelse af en jævnstrømskilde . Selvom denne vekselstrøm er teknisk nyttig, bruges den ikke til stor energiforsyning . Årsagen er det udvidede frekvensspektrum for en sådan spændingskurve, som omfatter yderligere, væsentligt højere frekvenser end bare basisfrekvensen . Denne meget høje andel af harmoniske vil forårsage høje energiforbrug til transformation og langdistancetransmission af den elektriske strøm. Af samme grund er det ikke tilladt at sende med kvadratbølgespænding i radioteknologi, fordi de meget intense harmoniske ville forstyrre andre radiotjenester. Den rektangulære form bruges i små enheder, f.eks. Strømforsyninger i switch-mode i computere eller choppere til at generere højspænding fra batterier, fordi den teknisk let kan laves med switch-komponenter i strømelektronik . Små enheder kan afskærmes, så de harmoniske ikke forstyrrer andre enheder.
I energiforsyningen bruges næsten kun "sinusformet vekselstrøm", fordi den ikke har nogen uønskede harmoniske svingninger. Det får sit navn fra, at de øjeblikkelige værdier over en hel periode med en positiv og en negativ halvoscillation nøjagtigt svarer til værdierne for sinusvinkelfunktionen over en hel cirkel (0-360 °), grafisk fremstilling på en tidsakse resulterer i den typiske sinuskurve.
Andre grafformer, såsom trekantede former, forekommer kun med meget lidt effekt inden for måleteknologi , impulsteknologi , elektronisk lydgenerering eller analog kommunikationsteknologi .
Flerfaset vekselstrøm
Ud over vekselstrøm som enfaset lederstrøm bruges sammenkoblede vekselstrømme forskudt i deres fasevinkler til at levere energi i de roterende elektriske maskiner . Generatorspolerne, der kræves til dette, er jævnt fordelt omkring omkredsen. Med tre fasevinkler på 120 ° hver kaldes denne særlige form for vekselstrøm trefaset vekselstrøm og i daglig tale som "trefasestrøm".
De enkelte vekselstrømme i trefasesystemet kan bruges uafhængigt af hinanden som et enkelt system til små forbrugere. De tre eksterne lederstrømme , der forskydes mod hinanden i tide, har blandt andet den fordel, at de samlede ledertværsnit kan reduceres med den samme transmitterede effekt og langdistancetransmissionen med højspændings-vekselstrøm er mindre tab på grund af sammenkoblingen. Derudover kan der bygges billige og robuste trefasede asynkrone motorer - men med den ulempe, at deres hastighed kun kan ændres i grove trin uden en frekvensomformer .
Derudover er der andre flerfasede vekselstrømsystemer, såsom tofaset vekselstrøm eller generelt flerfasede vekselstrømsystemer, som imidlertid ikke er af væsentlig betydning for offentlig elektrisk energiforsyning. AC -systemer med mere end tre faser bruges blandt andet i specielle elektriske drivsystemer baseret på synkronmotorer . Flerfaset vekselstrøm hentes fra trefasesystemet ved hjælp af en inverter og et mellemkredsløb .
Aritmetiske mængder
Hyppighed og periode
Frekvensen angiver antallet af svingninger i en periodisk proces relateret til det tidsinterval, som dette tal gælder for. Det er angivet i enheden Hertz med enhedssymbolet Hz.
En periode er det mindste rumlige eller tidsmæssige interval, hvorefter processen gentages. Dette tidsinterval kaldes perioden . I tilfælde af en vekselstrøm er en periode f.eks. B. en successiv positiv og negativ halvoscillation. Periodevarigheden er lig med frekvensens gensidige
- .
Den mest kendte vekselstrømfrekvens er 50 Hz, netværksfrekvensen for den offentlige elektriske energiforsyning i EU. Denne vekselstrøm har en periode på
- .
For en oversigt over energiforsyningen i andre lande, se Landeoversigt over stiktyper, netspændinger og frekvenser .
Vinkelfrekvensen bruges fortrinsvis til teoretiske beregninger, såsom i komplekse AC -beregninger Brugt:
- .
I tilfælde af en vekselstrøm med en frekvens på 50 Hz
- .
Den laveste vekselstrømfrekvens, der i et vist omfang bruges i Tyskland, Østrig, Schweiz, Sverige og Norge, findes i trækstrøm ved 16,7 Hz.
Den højeste frekvens for vekselstrøm er givet af mulighederne og kravene inden for radioteknologi og er i størrelsesordenen 300 GHz.
Karakteristiske værdier for den nuværende styrke

1 = spidsværdi , her også amplitude
2 = peak-valley værdi
3 = effektiv værdi
4 = periodevarighed
Vekselstrømens tidsafhængige forløb forårsager problemer ved angivelse af strømstyrken.
- Øjeblikkelige værdier eller øjeblikkelige værdier er uegnede til karakterisering.
- Spidsværdien er den højeste (uanset polariteten) opnåelige strømstyrke, den er repræsentativ som en særlig øjeblikkelig værdi kun i tilfælde af en sinusformet form og omtales derefter som amplituden ; for ofte er strømmen ikke sinusformet. Det er ofte svært at måle det med et oscilloskop (om end kun af jordforbindelse).
- Per definition er middelværdien nul. [1]
- Den rektificerede værdi er den lettest målbare mængde, men har ringe betydning uden for måleteknologi .
- RMS -værdien er den foretrukne værdi, når energiomdannelse er vigtig.
Den effektive værdi af en vekselstrøm svarer til værdien af en jævnstrøm, der genererer den samme varme i en ohmsk modstand . Det kan måles med et ammeter, der genererer effektive værdier. Amplituden af en sinusformet vekselstrøm kan beregnes ud fra rms -værdien og topfaktoren √2 blive beregnet
- .
I tilfælde af ikke-sinusformet vekselstrøm er der et andet forhold mellem spidsværdi og rms-værdi, afhængigt af kurvens form. Med efter samme tid mellem og For eksempel gælder følgende for springende firkantbølge-vekselstrøm:
- .
Medmindre andet er angivet, refererer vekselstrømme og vekselstrømspændinger altid til rms -værdierne. For eksempel kan en strøm fra strømnettet med specifikationen "maksimum 2,0 A" stige
- .
AC modstande
De lineære modstande for vekselstrøm er ohmsk modstand , kondensator og spole . Kondensatorer og spoler opfører sig anderledes med vekselstrøm end med jævnstrøm . Med sinusformede vekselstrømme kan de behandles som modstande, men de forskyder også fasevinklen mellem strøm- og spændingskurverne. For at skelne den fra den ohmiske modstand bruges impedansen her talt. - Næsten alle halvledere opfører sig som ikke-lineære modstande.
- Ohmisk modstand med vekselstrøm: En ohmsk modstand forårsager ikke et faseskift. I et vekselstrømskredsløb med rent ohmiske modstande er strøm og spænding i fase. Impedansen er lig med DC -modstanden .
- Kondensator til vekselstrøm: I tilfælde af jævnstrøm tillader en kondensator en strøm at strømme under opladning; i processen opbygger den i stigende grad en modspænding, indtil den afbryder strømmen. Med vekselstrøm flyder strøm konstant på grund af den metalliske plades konstant ladningsomvendelse, hvilket forårsager en faseskiftet spænding. En sinusformet ladestrøm opbygger også en sinusformet spænding på kondensatoren, forsinket med 90 °. Impedansen for en "kapacitiv" belastning er . det er kondensatorens kapacitans , vinkelfrekvensen og den imaginære enhed .
- Spole med vekselstrøm: Med en tabsfri spole fører spændingen strømmen med 90 °, fordi selvinduktion (se Lenz's regel ) skaber en modspænding i spolen, som kun tillader strømmen gradvist at stige. Impedansen for en "induktiv" belastning er igennem . det er spolens induktans .
Til beregningen henvises til den komplekse vekselstrømberegning . Alle målbare fysiske størrelser som strøm og spænding er reelle; brugen af komplekse størrelser er udelukkende en matematisk metode, der forenkler beregningerne.
Ydelsesparametre
Med spændingen og strømstyrken der udvikler sig med tiden ændring gælder for den øjeblikkelige værdi af ydelsen
I tilfælde af periodiske processer er der tidsuafhængige effektvariabler, nemlig den aktive effekt , den reaktive effekt eller den tilsyneladende magt .
Har en ohmsk modstand og altid det samme tegn, derfor den nuværende ydelse altid positiv, som det tilstødende billede viser. Strømmen gennem en ohmsk modstand genererer altid "effektiv" energi, som frigives til ydersiden som Joule -varme ; denne energi pr. tid kaldes reel kraft. Det står for den gennemsnitlige ydelse over tid.
Hvis spoler (induktanser) eller kondensatorer (kapacitanser) er inkluderet i et kredsløb, sker der faseskift i tilfælde af sinusformede mængder. I tilfælde af en ideelt induktiv forbruger bruges energien fra spændingskilden til at opbygge magnetfeltet. Energien lagres oprindeligt i magnetfeltet, men med den periodiske ændring i tegn på spændingen reduceres feltet igen, og energien føres tilbage til netværket, som vist ved negative værdier af angiver. Det samme gælder for kapacitive forbrugere. Tidsgennemsnittet over viser, at en ideel reaktans ikke trækker nogen reel kraft. Den energi pr. Gang, der oscillerer i netværket, kaldes forskydningsreaktiv effekt.
Den tilsyneladende effekt er en mængde dannet ud fra de effektive værdier for spænding og strøm, hvor tidsforholdet mellem og gå ubemærket hen.
For de nøjagtige definitioner og yderligere detaljer henvises til de tre artikler i de nævnte ydelsesparametre.
historie
Michael Faraday skabte de grundlæggende krav til nutidens "elektricitet fra stikkontakten" i 1831 med sine undersøgelser af elektromagnetisk induktion. Hans grundforskning gjorde det muligt at konvertere mekanisk kraft til elektrisk strøm . [2]
De magnetoelektriske maskiner i den første epoke, såsom dem fra det anglo-franske Societé anonyme de l'Alliance baseret på Floris Nollet , der opererede i Belgien , var omfangsrige og uøkonomiske med deres permanente magneter. Omkring midten af århundredet blev det dynamo-elektriske princip imidlertid opdaget, som erstattede de tidligere anvendte stålmagneter med selvfremkaldende elektromagneter og derfor førte til større økonomisk effektivitet. [2] Den første opdager, danskeren Søren Hjorth , fik sin generator 1854 patenteret i England. Den næste bygherre af sådan en maskine, Ányos Jedlik , forstod det ikke helt endnu og håbede på yderligere udvikling til den evige maskine . Werner Siemens var den tredje og opnåede et økonomisk gennembrud i 1866 med den dynamo-elektriske generator.
Den historiske udvikling af forskellige systemer er beskrevet under den aktuelle krigsførelse . En væsentlig komponent for den udbredte formidling og anvendelse af vekselstrømsteknologi var udviklingen af transformatoren , hvor flere forskere, ingeniører og forretningsmænd i forskellige lande var betydeligt involveret mellem 1870 og 1910, nogle uafhængigt af hinanden.
Med Reichenhall Electricity Works byggede træpulpefabrikanten Konrad Fischer Tysklands første offentlige vekselstrømsværk i Bad Reichenhall , der blev taget i brug 15. maj 1890. Det var det første vandkraftværk i Tyskland og det første offentlige kraftværk i Bayern. En kontraaksel med to koniske hjul og et remdrev , en gengivet jonval turbine vandkraft 600 min -1 til en vekselstrømsgenerator fra Oerlikon i Zürich , 2000V spændingen udviklet og maksimalt 30 ampere. Ved idriftsættelsen kunne fabrikken levere 1200 pærer i Reichenhall, Karlstein og Kirchberg . [3]
Operatørerne af Niagara vandkraftværk tilbyder en præmie på $ 100.000 til alle, der udvikler en løsning til at overføre elektrisk strøm over lange afstande. Beslutningen blev truffet i 1893 til fordel for vekselstrømssystemet udviklet af Nikola Tesla og George Westinghouse . [4]
Overvejelse inden for højfrekvent teknologi
Ved en netfrekvens på 50 Hz er bølgelængden 6000 km, hvilket er betydeligt større end Tyskland. I de fleste vekselstrømskomponenter kan det derfor negligeres, at vekselstrømmen er en bølge. Ved højere frekvenser, såsom i højfrekvensområdet , forekommer hudeffekten (strømforskydning), hvilket fører til en begrænsning af det faktisk ledende lag til de ydre områder af en leder. Ved 50 Hz er denne indtrængningsdybde 12 mm for aluminium og 10 mm for kobber. Selvom dette ikke er relevant for linjer i husholdningsbrug, er linjer for højeste strømme, f.eks. B. i generatorer, undertiden designet som en bølgeleder (en sådan leder kan også bruges til at lede kølevæske). Ved overførsel af energi via luftledninger bruges ofte en kombination af stål og aluminium som lederkabel. Stål som kerne til trækstyrke omgivet af aluminium for elektrisk ledningsevne.
Biologisk effekt på mennesker
Se også: El- ulykke , elektrisk strøm i hverdagen
Effekten og de mulige farer ved elektricitet på menneskekroppen skyldes delvist påvirkningen af hjertets ledningssystem : Der overføres excitationer som elektriske impulser, hvilket fører til en ordentlig sammentrækning af hjertemusklen. Elektricitet, der leveres udefra, forstyrrer denne spredning af excitation, især når den ophidser hjerteceller i den såkaldte sårbare fase . I denne fase er dele af hjertet stadig begejstrede - det vil sige, at de ikke kan genopspændes - mens andre dele allerede er på vej til den ikke -ophidsede tilstand, det vil sige, at de er delvist ophidsede igen. Hvis yderligere excitation udløses i den sårbare fase, kan dette føre til uregelmæssig excitation af hjertemuskelcellerne, kendt som ventrikelflimren . [5] På grund af de uregelmæssige, hurtige sammentrækninger af hjertemuskelcellerne kan blod ikke længere pumpes.
Den særlige fare for vekselstrøm i forhold til jævnstrøm [6] skyldes, at vekselstrøm er mere tilbøjelig til at ramme den sårbare fase på grund af den hurtige ændring i polaritet.
Konsekvenserne af en strømulykke med vekselstrøm på mennesker afhænger af forskellige faktorer [7] , især typen og frekvensen af strømmen (se ovenfor) og den tid, strømmen påvirker kroppen. Dette forklarer, hvorfor for eksempel et elektrisk stød forårsaget af et elektrisk græsgærde ikke har nogen varige virkninger på mennesker eller dyr, da de nuværende impulser er for korte til at ophidse hjertets nerveceller. Endelig spiller den vej, strømmen går gennem kroppen, også en rolle, idet den lodrette vej, gennem hvilken strømmen strømmer gennem alle vitale organer, er den farligste. [8.]
I sidste ende bestemmer strømstyrken [8] pr. Område, dvs. strømtætheden , samt dets varighed af virkningerne effekterne. [9] [10] For eksempel forårsager høje strømme ved ind- og udgange punkter forbrændinger på huden, som kaldes nuværende mærker . Følgende tabel giver en indikation af de forventede virkninger på menneskekroppen. [7] Disse værdier er imidlertid stærkt afhængige af den aktuelle vej og gælder kun, hvis strømmen fordeles i kroppen via hudmodstanden og ikke f.eks. B. fokuseret på hjertemusklen . For selve hjertemusklen er 0,01 mA tilstrækkeligt [11] til at udløse ventrikelflimren . Hvis der f.eks. Implanteres elektroder under huden eller endda i nærheden af hjertet eller andre følsomme organer, kan størrelsen af lækstrømme, der er relativt tilladt i normale husholdningsapparater, være livstruende. [12]
Strømstyrke | effekt |
---|---|
under 0,5 mA | umærkelig (kan mærkes med tungen ) |
10 ... 25 mA | Sammentrækninger af fingermusklerne (frigivelsesgrænse), stigning i blodtryk, ingen effekt på hjerteledningssystemet, muligvis allerede dødelig for børn [13] |
25 ... 80 mA | Bevidstløshed, arytmi , stigning i blodtryk |
80 mA ... 3 A | Åndedrætsstop, hjertestop på grund af ventrikelflimren eller asystole |
over 3 A. | yderligere forbrændinger |
Den tilsvarende specifikation af kontaktspændinger er kun mulig (se Ohms lov ), hvis den tilsvarende kropsmodstand er kendt. For eksempel for husets strømforbindelse (230 V) og en kropsmodstand på ca. 3 kΩ (med en strømvej mellem en fingerspids på venstre hånd og en fingerspids på højre hånd under forskellige forhold ), er resultatet en strøm på ca. 75 mA, hvilket svarer til ovennævnte reaktioner og kan føre til døden som følge heraf. Fugtig eller våd hud kan reducere kroppens modstand massivt. Berøring af genstande under lav spænding ( <50 V) anses ikke for at være livstruende for voksne.
litteratur
- Klaus Lunze: Teori om vekselstrømskredsløb: lærebog. Verlag Technik, Berlin 1991, ISBN 3-341-00984-1 .
- Heinz Rieger: vekselstrøm, vekselstrøm. Publicis Corporate Publishing, Erlangen 1992, ISBN 3-8009-4036-1 .
- Paul Vaske: Beregning af vekselstrømskredsløb. Teubner, Stuttgart 1985, ISBN 3-519-20065-1 .
- Gert Hagmann: Grundlæggende i elektroteknik. 15. udgave. AULA forlag. Wiebelsheim, ISBN 978-3-89104-747-7
Weblinks
- Flash -animation af vekselstrømmen. Dieter Welz undervisningsmateriale, adgang 1. oktober 2007 .
Individuelle beviser
- ↑ DIN 40110-1: 1994 vekselstrømme-to-leder kredsløb
- ↑ a b Elektroteknik Microsoft Encarta Version: 13.0.0.0531 © 1993–2003.
- ^ Toni Schmidberger: Det første vekselkraftværk i Tyskland. 1984, s. 9-33.
- ↑ På jagt efter langdistancehydroelektrisk transmission .
- ^ Schmidt, Lang, Thews: Physiologie des Menschen . 29. udgave. Springer, Heidelberg 2005, ISBN 3-540-21882-3 , s. 556 .
- ↑ H.-W. Baenkler et al.: Kort lærebog intern medicin . 1. udgave. Thieme, Stuttgart 2007, ISBN 978-3-13-141671-1 , s. 684 f .
- ↑ a b J. Koppenberg, K. Taeger: Elektricitetsulykker . I: Emergency & Rescue Medicine . Ingen. 4. Springer-Verlag, 2001, s. 283-298 , doi : 10.1007 / s100490170061 .
- ↑ a b David B. Lumenta, Lars-Peter Kamolz, Manfred Frey: nuværende skader. I: Wiener Klinisches Magazin . Ingen. 2/2009 , 2009, doi : 10.1007 / s00740-009-0141-6 ( HTML [adgang 19. august 2010]).
- ↑ Friedrich W. Ahnefeld: Sekunder bestemmer: Akutmedicinske øjeblikkelige foranstaltninger . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-09845-5 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [åbnet 30. oktober 2016]).
- ↑ Genoplivning Anbefalinger til genoplivning. Deutscher Ärzteverlag, 2007, ISBN 978-3-7691-0529-2 ( begrænset forhåndsvisning i Google bogsøgning [åbnet 30. oktober 2016]).
- ↑ Ved direkte kontakt med hjertet fører 0,01 mA til ventrikelflimren - med en sandsynlighed på 0,2% ... Se Norbert Leitgeb: Sikkerhed ved medicinsk udstyr: Lov - Risiko - Muligheder . Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-662-44657-7 , s. 176 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning [åbnet 8. juli 2016]).
- ↑ Douglas C. Giancoli: fysik. Pearson Deutschland GmbH, 2006, ISBN 978-3-8273-7157-7 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning [åbnet 19. november 2016]).
- ^ Mitteldeutsche Zeitung: Ekspert: 0,1 ampere kan være dødbringende . I: Mitteldeutsche Zeitung . ( mz-web.de [åbnet den 19. november 2016]).