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SG154 Warum wird Hochspannung bei der Energieübertragung mit Wechselstrom verwendet?
© H. Hübel Würzburg 2022

Serielle Wechelstromkreise

Wechselstromkreise mit parallelen Schaltungen

Induktivität

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Impres-sum

Die Spannung U zwischen 2 Punkten A und B (die auch zusammenfallen können) wird definiert als

        U = W/Q .

Dabei ist W die elektrische Arbeit, die beim Transport der Ladung Q von A nach B abgegeben wird bzw. (bei anderer Polung) für den Transport von A nach B aufzuwenden ist.  In vielen Fällen ist W zugleich die Änderung der elektrischen Energie E, die dabei eine Rolle spielt.

1. Betrachte einen einfachen, unverzweigten (Gleich-)Stromkreis. Er soll zwei Widerstände R1 und R2 und eine Stromquelle (Energiequelle) der Spannung U enthalten.

a) Wenn beim Transport der Ladung Q aus dem einen Pol der Stromquelle heraus in den anderen hinein die Energie E an den Stromkreis übertragen wird, ist U = E/Q die Spannung der Stromquelle (Energiequelle).

b) Wenn dabei die Energie E1 an den Widerstand R1 übertragen wird, wobei durch den ganzen Stromkreis die Ladungsmenge Q fließt, ist U1 = E1/Q der Spannungsabfall am Widerstand R1, entsprechend für den Widerstand R2. Da dabei die gesamte Energie E = E1 + E2 an den Stromkreis übertragen wird, folgt für die Spannung der Stromquelle (Energiequelle) U = (E1 + E2)/Q = U1 + U2 , also eine Teilaussage der Maschenregel.

Betrachten wir das aus einem anderen Blickwinkel. R1 soll jetzt der Leitungswiderstand sein. R2 soll der Widerstand eines technischen Geräts sein, eines "Verbraucher", der mit einer bestimmten Betriebsstromstärke I2, also auch einer bestimmten Betriebsspannung U2 betrieben werden sollte. Die Betriebsdaten sind durch das Gerät vorgegeben, und damit auch dessen Leistungsaufnahme P2. Derselbe Strom fließt dann im ganzen unverzweigten Stromkreis, auch durch R1. Es ist völlig klar, dass dann der Leitungswiderstand R1 möglichst klein sein sollte, damit die von der Stromquelle (Energiequelle) gelieferte Gesamtleistung möglichst klein ist.

Das ist aber der eher uninteressantere Fall.

2. Eine ganz andere Fragestellung ist, wie die Energieübertragung angelegt werden sollte, damit bei beliebigen Stromstärken I2 möglichst wenig Verlustleistung an den Leitungswiderstand R1 übertragen wird. Bei Wechselstrom kann mit Hilfe von zwei Transformatoren die Stromstärke innerhalb der Übertragungsleitung verkleinert werden - trotz unverändertem Widerstand R2 und genügender Energieübertragung an die "Verbraucher".

Die an den Leitungswiderstand übertragene Leistung ist bei Gültigkeit des Ohm'schen Gesetzes

        P1 = U1·I1 = R1·I12 = U12/R1                       (*).

Sie hängt von Spannung U1 und Stromstärke I1 ab. Wieder wird die Stromstärke I1 bei Verwendung eines Trafos durch die nutzbare Leistung im "Verbraucher", aber auch durch das Übersetzungsverhältnis ü = I1/I2 bestimmt. Bei gleicher Nutzleistung P2 wird dann die Verlustleistung P1 umso kleiner, je kleiner I1, also je kleiner ü ist (I1 = ü·I2 ). Halbe Stromstärke I1 (ü = 1/2) hat nach (*) 1/4 der Verlustleistung zur Folge. Nach dem Ohm'schen Gesetz wird auch die Spannung am Leitungswiderstand R1, U1 =  R1 ·I1, in gleicher Weise verändert (also U1 = ü·U2 ), und auch die Gleichungen (*) mit U1 liefern das gleiche Ergebnis.

Es lohnt sich also, die Stromstärke nahe des E-Werks herunter und nahe des "Verbrauchers" wieder hoch zu transformieren!

( Dezember 2022 )