5. – 13. Schuljahr

Martin Ernst Kraus

Wechselspannung ein klassisches Thema neu betrachtet

Didaktische und fachliche Hinweise

Wechselspannungen bzw. die von ihnen hervorgerufenen Wechselströme sind in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend aus den Lehrplänen verdrängt worden. Das Thema erscheint stark techniklastig, auch sind die mathematischen Anforderungen höher als bei anderen Standardthemen der Schulphysik. Wie immer muss zunächst gefragt werden, welche Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung das Thema (noch) bietet oder inwieweit es repräsentativ ist. Es wird gezeigt, dass Wechselspannungen, insbesondere in der Energieübertragung, relevant bleiben und hier die technischen Geräte zumindest als Blackboxen eine wichtige didaktische Funktion behalten.
Alltagsbezug
Ein Alltagsbezug zur„Wechselspannung muss zunächst gesucht werden. Schon aus Sicherheitsgründen sind alle Alltagsgeräte, die mit Wechselspannungen betrieben werden, im Allgemeinen eine Blackbox. Da inzwischen viele Geräte bautechnisch verkleinert worden sind, sind die Netzteile häufig ausgelagert und als Steckernetzgeräte erkennbar. Aber man muss genauer hinhören, um das Brummen von Transformatoren wahrzunehmen, insbesondere die Änderung des Geräuschs bei wechselnder Last. Dazu kann man zum Beispiel ältere Schülertrafos, die noch nicht elektronisch geregelt werden, in einer Kurzschlussschaltung betreiben. Bei Generatoren verhält es sich ähnlich: Erst an Modellen, von denen das Gehäuse entfernt wird, wird das Grundprinzip erkennbar, sieht man, wie Spulen und/oder Magnete relativ zueinander bewegt werden. Außerdem ist häufig nicht erkennbar, an welcher Stelle ein Kommutator oder ein Gleichrichter aus der ursprünglichen Wechselspannung eine Gleichspannung macht. Der Dynamo gehört allerdings weiterhin zu den Alltagsgegenständen und wird daher in diesem Heft im Artikel von Kraus in Experimente eingebunden. Auch sein Gegenstück, der Motor, ist bei fehlendem Gehäuse immer ein lohnendes Anschauungsmaterial, wie der Artikel von Friege in diesem Heft verdeutlicht. Dass Elektromotoren auch gesellschaftliche Relevanz haben, zeigt der Beitrag von Spatz, Tampe und Feile.
Energieversorgung
Der klassische Alltagsbezug ist das elektrische Netzwerk der Energieversorgung: Spannungen werden in Turbinen generiert und hochtransformiert. Die Energie wird über gewisse Strecken transportiert, danach wird die Spannung auf haushaltsübliche 400 V bzw. 235 V ± 23 V heruntertransformiert. Während die Spannung also um rund 10 % schwanken darf (DIN EN 50160), muss die Frequenz in einem engen Korridor von 20 mHz liegen und wird ständig kontrolliert (online zu verfolgen: http://www.netzfrequenzmessung.de/verlauf.htm), um den Netzzusammenbruch, den Blackout, zu verhindern.
Jedoch ist auch dies im Alltag kaum mehr zu sehen, da die meisten Überlandleitungen aus dem Landschaftsbild verschwunden sind und mit den regenerierbaren Energien auch eher dezentrale Netze bevorzugt werden. Im Zuge der aktuellen Diskussion um Energieautobahnen vom windstromreichen Norden in den energiehungrigen Süden wird dieses Thema wieder aktuell. Einschränkend muss man ergänzen, dass die technische Entwicklung ermöglicht, zukünftig Fernleitungen mit Gleichspannung zu betreiben, sodass auch hier die Wechselspannungstechnologie überflüssig wird (s. Kasten 1).
Hochspannungsnetze mit Gleichspannung
Hochspannungsnetze mit Gleichspannung
In den letzten Jahrzehnten ist eine alte Debatte (s. Hepp u. Barth in diesem Heft S. 36– 40) neu entfacht, ob der Energietransport über lange Strecken nicht besser durch Gleichspannungen übertragen werden sollte oder müsste ([5]). Dazu trägt bei, dass Technologien entwickelt wurden, um hohe Gleichspannungen schalten zu können, ohne dass es zu Überschlägen kommt. Ferner ist zu beachten, dass Wechselspannungen nur bis zu Entfernungen über einige hundert Kilometer angemessen verlustarm übertragen werden können, bei Erdleitungen sinkt der Wert auf nur 80km ([6]). Der Grund ist, dass...

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