Gleichstrom
und Wechselstrom
Während bei einer Gleichspannung
immer die gleiche Polarität und damit bei einem Gleichstrom
die gleiche Flussrichtung
vorliegt, wird eine Spannung, deren Polarität sich periodisch ändert,
als Wechselspannung bezeichnet. Entsprechend ändert sich die Flussrichtung
des Wechselstromes periodisch, sodass man definieren kann:
Strom, der seine Flussrichtung periodisch ändert, wird als Wechselstrom bezeichnet.
Spannung und Stromstärke müssen nicht unbedingt
den zeitlichen Verlauf einer Sinusfunktion besitzen. Allerdings ist sinusförmiger
Wechselstrom technisch am weitesten verbreitet, da er bei der Stromgewinnung
in Wechselstromgeneratoren entsteht. Er lässt sich auch mathematisch
relativ einfach beschreiben.
In der Technik spielen auch nichtsinusförmige
Verläufe (Bild 2) eine wichtige Rolle, z.B. der sägezahnfömige
Verlauf (wird bei Oszillografen zur horizontalen Ablenkung genutzt) oder
rechteckige Verläufe, die insbesondere in der Digitaltechnik verwendet
werden, da mit ihnen zwei Zustände (ein - aus, high - low) dargestellt
werden können.
Wir beschränken uns nachfolgend auf die genauere Kennzeichnung von
sinusförmigem Wechselstrom.
Sinusförmiger
Wechselstrom
Sinusförmiger Wechselstrom kann
als harmonische Schwingung
aufgefasst werden. Man kann ihn damit mit den gleichen Größen
wie andere harmonische Schwingungen beschreiben. Die sich periodisch ändernden
Größen sind die Spannung und die Stromstärke.
Der Verlauf von Spannung und Stromstärke erfolgt nach der Sinus-
oder Kosinusfunktion und kann mit folgenden Gleichungen beschrieben werden:
Die Kreisfrequenz 
hängt unmittelbar mit der Frequenz zusammen. Es gilt:
Für Netzwechselstrom
beträgt die Frequenz 50 Hz und damit die Schwingungsdauer 0,02 s.
Das in den Gleichungen stehende Produkt aus Kreisfrequenz und Zeit ergibt
einen Winkel in Bogenmaß. Es gilt also:
Das ist bei der Darstellung von Wechselspannung
und Wechselstromstärke
in Diagrammen von Bedeutung. So ist es üblich, die Spannung bzw.
die Stromstärke gegen den Winkel in Bogen- oder Gradmaß oder
gegen die Zeit aufzutragen. In Bild 3 ist der Winkel gewählt.
Spannung und Stromstärke können die gleiche
Phase haben, d.h. zu den gleichen Zeiten Maxima oder Minima erreichen,
so wie das in Bild 3 dargestellt ist. Befinden sich induktive oder kapazitive
Widerstände im Wechselstromkreis, so tritt zwischen Spannung und
Stromstärke eine Phasenverschiebung auf, die manchmal als 
und manchmal einfach als 
bezeichnet wird. Für den in Bild 4 dargestellten Fall, dass die Spannung
später das Maximum erreicht als die Stromstärke, würden
die Gleichungen für Wechselstromstärke und Wechselspannung lauten:
Mittelwerte von
Stromstärke und Spannung
Stromstärke und Spannung schwanken ständig zwischen den positiven
und dem negativen Maximalwert, den wir als
Die mittlere Stromstärke entspricht
im i-t-Diagramm der Fläche unter dem Graphen
(Bild 5). Diese Fläche ergibt sich für Wechselstrom durch Integration:
Die angegebene mittlere Stromstärke entspricht
der Stromstärke von gleichgerichtetem Wechselstrom. Man bezeichnet
den Mittelwert daher auch als Gleichrichtwert.
Effektivwerte von
Stromstärke und Spannung
Für die Praxis von größerem Interesse sind die sogenannten
Effektivwerte.
Es sind diejenigen Werte für Stromstärke und Spannung im Wechselstromkreis,
bei denen die gleiche Leistungsabgabe
erfolgt wie bei eben diesen Werten im Gleichstromkreis.
Der Effektivwert
eines sinusförmigen Größe y
ist allgemein definiert als:
Damit erhält man für die Effektivwerte von Wechselstromstärke und Wechselspannung die Gleichungen:
Physikalisch ergibt sich der Effektivwert von Stromstärke
und Spannung auch durch die folgende Überlegung: Die momentane Leistung
an einem ohmschen Widerstand im Wechselstromkreis ergibt sich als:
Nun interessiert in der Regel nicht die momentane Leistungsabgabe, sondern
der ihr zeitlicher Mittelwert. Dieser mittlere Wert beträgt, wie
aus Bild 6 erkennbar ist,
Dieser Mittelwert der Leistung ist gleich der tatsächlich abgegebenen Leistung. Aus der Gleichung lassen sich direkt die Effektivwerte ablesen.
Der Effektivwert der Spannung betrug bis 1989 in Deutschland
und vielen anderen Ländern 220 V. Danach erfolgt die allmähliche
Umstellung auf 230 V. Bis zum Jahre 2003 gilt dafür eine Spannungsdifferenz
von + 6% (243 V) bis - 10% (207 V). Grundlage dafür ist die DIN IEC
38. Nach 2003 soll die Spannungsdifferenz endgültig festgelegt werden.