Die Einführung der Wechselstromtechnik war die Voraussetzung für die heutige umfassende Verbreitung elektrischer Anwendungen in den Haushalten, beim Verkehr und in der Industrie. Diese Thematik wird in den nächsten drei Sendungen behandelt. Diese erste Sendung beschäftigt sich mit der Bereitstellung von Wechselspannung und sie gliedert sich in folgende Abschnitte:
Die ersten Elektrizitätsquellen, "Elektrisiermaschinen" genannt, wurden im
18.Jahrhundert erfunden; sie funktionierten nach dem Prinzip der
Reibungselektrizität. Es folgten Influenzmaschinen,
die Hochspannungsversuche bei sehr niedrigen Stromstärken ermöglichen. Mit den
"Leidener
Flaschen" wurde die Speicherfähigkeit von Kondensatoren entdeckt. Damit
konnte für sehr kurze Zeit eine große Ladungsmenge fließen. Anfangs des
19.Jahrhunderts wurden mit den Volta'schen Säulen die ersten Batterien
eingeführt und so begann die Erforschung der Gesetze des Gleichstroms. Mit der
Entdeckung der Induktion wurden Generatoren
entwickelt, zuerst für Gleichstrom, später auch für Wechselstrom. Jetzt erst
begann die umfassende Nutzung von Elektrizität.
Mit einer Anordnung von zwei parallel geschalteten Leuchtdioden wird
erläutert, was man sich unter Wechselstrom vorstellen soll. Eine Leuchtdiode ist
ein Halbleiterbauteil, das Stromfluss nur in eine Richtung erlaubt. Bei Betrieb
mit einer Batterie
leuchtet nur eine der beiden, umgekehrt gepolten Dioden. Damit wird geprüft, wo
der Plus- und der Minuspol der Batterie ist. Nach dem Umpolen leuchtet die
andere Diode. Bei einem Wechselstrom leuchten beide Dioden abwechselnd und
zeigen die Frequenz f mit der Einheit 1 Hertz
an. Bei f = 3 Hz z.B. leuchtet jede Diode in jeder Sekunde dreimal. Ab
Frequenzen von etwa 25 Hz, kann unser Gehirn die Einzelbilder
von je einer leuchtenden Diode nicht mehr auflösen, und es scheinen dann beide
gleichzeitig zu leuchten. Bei einer Dreiecksglimmlampe, die mit dem
50-Hz-Haushaltsstrom betrieben wird, wird das abwechselnde Aufleuchten der
beiden Elektroden mit einem Drehspiegel
gezeigt.
Soweit zur Vorstellung von Wechselspannung und Wechselstrom, aber
wie funktioniert ein Wechselspannungsgenerator? Ein Modellversuch
zeigt das verblüffend einfache Prinzip: Ein rotierender Dauermagnet induziert in
einer Spule abwechselnd positive und negative Spannungsspitzen. Um eine
Situation zu schaffen, bei der die Formel für Induktion anwendbar ist, wird eine
rechteckige
Induktionsspule im homogenen Magnetfeld eines Helmholtzspulenpaars gedreht.
Bei konstanter Kreisfrequenz 
(Omega) ergibt sich eine sinusförmige
Wechselspannung. Diese Kurvenform lässt sich auch theoretisch herleiten,
indem man das Induktionsgesetz
auf die wirksame Fläche der rotierenden Induktionsspule anwendet.
Ein Modellgenerator
mit einem Eisenkern und mit bogenförmigen Polschuhen für die Dauermagneten wird
näher untersucht. Die erzielten Spannungswerte sind ganz beachtlich, aber der
Kurvenverlauf ist keine saubere Sinusform. Deshalb werden in Kraftwerken
aufwändigere Anordnungen mit vielen versetzen Wicklungen und Polschuhen
verwendet. Ein Wechselstromgenerator kann sehr leicht zu einem Gleichstromgenerator
umgebaut werden. Dazu wird wie beim Gleichstrommotor ein Kommutator verwendet,
der hier die Polung der Spannung nach je einer Halbdrehung ändert. Aus dem
ursprünglichen Sinusverlauf werden die negativen Halbwellen nach oben geklappt
und es entsteht ein "pulsierender" Gleichstrom.
Werner
von Siemens war an der Erforschung und der industriellen Nutzung der
Wechselstromtechnik maßgeblich beteiligt. Zunächst baute der junge Ingenieur mit
Telegraphentechnik
ein eigenes Unternehmen auf. Später entdeckte er das "elektrodynamische
Prinzip", das viel leistungsstärkere
Generatoren ermöglichte. Bis dahin wurde das magnetische Feld immer mit den
damals relativ schwachen Dauermagneten bereitgestellt. Eine Verwendung von
Elektromagneten hielt man für unmöglich, weil dann beim Hochfahren des
Generators kein Magnetfeld bereitsteht. Siemens fand heraus, dass der
Restmagnetismus des Eisenkerns für den Start genügt.
Bei Multimetern gibt es für Amperemessungen jeweils getrennte Bereiche für
Gleich- und Wechselstrom, analog ist es bei Spannungen. Die internationalen
Abkürzungen hierfür sind DC für "direkt current" und AC für "alternating
current" oder ein Gleichzeichen
und eine Welle. Die Messgeräte zeigen für Wechselstrom/spannung
Effektivwerte an, die den Werten bei Gleichstrom/spannung gleicher Leistung
entsprechen. Mathematische
Überlegungen für die Umrechnung zwischen den Effektiv- und den
Amplitudenwerten liefern den Faktor 0,71 = 1/Wurzel(2). Für unsere Haushaltselektrizität
im europäischen Verbund ist die Frequenz auf 50 Hz festgelegt. Die
Spannungsamplitude beträgt 320 V und damit ergibt sich für den Effektivwert eine
Spannung von 230 V.
Für sehr starke Motoren oder für die Geräte von Werkstätten wird manchmal
"Starkstrom" benötigt. Die Steckverbindungen
weisen fünf Anschlüsse auf: Je einen für den Schukokontakt und den geerdeten
"Nullleiter" und dann noch drei Anschlüsse mit je einer "Phase". Ein Modellversuch
zeigt, wie ein Drei-Phasen-Drehstrom-Generator aufgebaut ist. Um einen drehbaren
Magnetanker, hier ein Stabmagnet, sind mit 120°-Zwischenwinkeln drei
Induktionsspulen aufgestellt. Bei einer vollen Umdrehung des Magneten blitzen
die drei angeschlossenen Lämpchen zeitlich versetzt auf, nach je einer Drittel
Periodendauer. Die Wechselströme und Wechselspannungen
in den drei Phasenleitungen sind gegeneinander um 120° bzw. T /3
versetzt. Drehstrommotoren
sind analog mit drei Feldspulen und einer gemeinsamen Ankerspule aufgebaut. So
können Drehstrommotoren mit Drehstrom ein kontinuierlich hohes Drehmoment
aufbringen.