Gleichstrom und wechselstrom & Elektromagnetische Wellen

Was ist Gleichstrom (DC)?

Gleichstrom ist elektrischer Strom, bei dem sich die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit immer in die gleiche Richtung bewegen – vom Minus- zum Pluspol

->Polarität ändert sich nicht 

Welche Eigenschaften hat Gleichstrom?

•Richtung und Betrag von Spannung und Stromstärke sind konstant

•Die Polarität bleibt gleich

•Es gibt keinen Richtungswechsel des Stroms

Nenne Beispiele für Gleichstromquellen.

Antwort: Batterien, Akkus, Solarzellen

Nenne Beispiele für Gleichstrom in der Natur.

Antwort: Informationsweiterleitung in Nervenzellen, Blitz

Was ist Wechselstrom (AC)?

Beim Wechselstrom ändert sich die Bewegungsrichtung der Ladungsträger und somit die Polarität regelmäßig (periodisch). 

Dabei muss der absolute Stromfluss nach einer Periode null ergeben= ein Elektron befindet sich zu Beginn und am Ende einer Periode an der gleichen Stelle

Wie sieht der Spannungsverlauf bei Wechselstrom aus

Da Generatoren zumeistnach dem Rotationsprinzip arbeiten, entsteht dadurch eine Spannung mit wechselnder Polarität und sinusförmigem Verlauf

Was bedeutet eine Frequenz von 50 Hz

Der Strom wechselt 50-mal pro Sekunde seine Richtung. Die Periodendauer beträgt 1/50 s = 20 Millisekunden

Periodendauer T = 1/f = 20 ms

Was ist der Effektivwert bei Wechselstrom

Die Effektivwerte der Stromstärke I_eff und Spannung U_eff des Wechselstroms entspricht dem Wert eines Gleichstroms mit derselben mittleren Leistung

Beispiel: Aus der Steckdose kommen 230 V_eff

​

Was ist der Scheitelwert (Amplitudenspannung) bei Wechselstrom

Der Scheitelwert entspricht dem maximalen Wert der Wechselspannung

Wie werden die maximalwerte der spannung und Stromstärke bezeichnet 

Die Maximalwerte der Spannung und Stromstärke werden als Spitzenspannung U_sund Spitzenstromstärke I_s bezeichnet

wie berechnet man den scheitelwert des einer stromquelle mit effekticwert

Nimmt man die klassischen 230 Volt aus der Steckdose, so entspricht dieser Wert dem Effektivwert (U_eff). 

Um die maximale Spannung (U_amp), auch Amplitudenspannung oder Scheitelwert genannt, dieser Stromquelle zu berechnen, muss man den Effektivwert mit dem Faktor Wurzel aus zwei (√2) multiplizieren. 

Somit erhält man mit 325 Volt die Spannung, die als Amplitudenspannung, also maximal, anliegt.

wie berechnet man den scheitelwert des einer stromquelle mit effekticwert

Nimmt man die klassischen 230 Volt aus der Steckdose, so entspricht dieser Wert dem Effektivwert (U_eff). 

Um die maximale Spannung (U_amp), auch Amplitudenspannung oder Scheitelwert genannt, dieser Stromquelle zu berechnen, muss man den Effektivwert mit dem Faktor Wurzel aus zwei (√2) multiplizieren. 

Somit erhält man mit 325 Volt die Spannung, die als Amplitudenspannung, also maximal, anliegt.

Warum eignet sich Wechselstrom gut für Stromnetze?

Wechselstrom lässt sich beinahe verlustfrei erzeugen und transformieren, wodurch hohe Spannungen mit geringen Strömen in einem kleinen Leitungsquerschnitt übertragen werden können, da die Verlustleistung P = I²*R  mit dem Quadrat der Stromstärke zunimmt.

Warum eignet sich Wechselstrom gut für Stromnetze?

Wechselstrom lässt sich beinahe verlustfrei erzeugen und transformieren, wodurch hohe Spannungen mit geringen Strömen in einem kleinen Leitungsquerschnitt übertragen werden können, da die Verlustleistung P = I²* R mit dem Quadrat der Stromstärke zunimmt.

Was ist die verlustleistung

Verlustleistung ist die elektrische Energie, die in einem Leiter in Wärme umgewandelt wird und nicht zur Nutzleistung beiträgt.

Kurzformel:

PVerlust = I² · R

(I = Stromstärke, R = elektrischer Widerstand)

Je größer der Strom oder der Widerstand, desto höher die Wärmeverluste.

Deshalb nutzt man bei der Stromübertragung hohe Spannungen und kleine Ströme

Unterschied Wechselstrom und Gleichstrom

Wie entstehen elektromagnetische Wellen

Veränderliche elektrische und magnetische Felder breiten sich im Raum als elektromagnetische Wellen aus. 

Die Änderung dieser Felder wird durch die Geschwindigkeitsänderung der Ladungen hervorgerufen. 

Diese Beschleunigung der Ladungsträger ändert räumlich und zeitlich die Stärke des elektrischen und magnetischen Felds. 

Das elektrische Feld (E, blau) und das magnetische Feld (B, rot) stehen senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung – sie bilden eine Transversalwelle

Welche Eigenschaften haben elektromagnetische Wellen

Sie benötigen kein Medium zur Ausbreitung.

•Im Vakuum beträgt ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ca. 300 000 km/s (≈ 3 × 10⁸ m/s).

•In Materie bewegen sich elektromagnetische Wellen langsamer und die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist von der Leitfähigkeit und Durchlässigkeit der Materie abhängig. 

•Die Frequenz der Welle bestimmt die Wechselwirkung mit Materie (z. B. Brechung, Reflexion, Beugung)

Was versteht man unter dem elektromagnetischen Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist die Gesamtheit aller Wellenlängen elektromagnetischer Wellen – von sehr langen Radiowellen bis hin zu sehr kurzen Gammastrahlen.

Es umfasst z. B.:

•Radiowellen (Rundfunk, WLAN)

•Mikrowellen (Radar, Mikrowellenherd)

•Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung)

•Sichtbares Licht (nur ein kleiner Bereich)

•Ultraviolettstrahlung

•Röntgenstrahlung

•Gammastrahlen

→ Der Bereich unterscheidet sich in Frequenz, Wellenlänge und Energie

Wie hängen Energie, Frequenz und Wellenlänge elektromagnetischer Wellen zusammen

Die Energie  E  einer elektromagnetischen Welle ist direkt proportional zur Frequenz  f 

→  E ~f 

Die Beziehung lautet:

→  E = h* f , wobei  h  das Planck’sche Wirkungsquantum ist.

Außerdem gilt:

→  c = λ *f 

 c  = Lichtgeschwindigkeit,

λ  = Wellenlänge,

 f  = Frequenz.

→ Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge und desto höher die Energie