Warum liegt in meiner Steckdose Wechselstrom an?

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Übertragungsverlust

Der Vorteil von Wechselstrom für die Verteilung von Strom über eine Entfernung liegt in der Leichtigkeit, die Spannungen mit einem Transformator zu ändern. Die verfügbare elektrische Leistung ist das Produkt aus Strom × Spannung am Verbraucher. Bei einer gegebenen Leistung erfordert eine niedrige Spannung einen höheren Strom und eine höhere Spannung einen niedrigeren Strom. Da leitende Metalldrähte einen fast festen elektrischen Widerstand haben, wird ein Teil der Energie als Wärme in den Drähten verschwendet. Diese Verlustleistung ergibt sich aus dem ersten Gesetz von Joule und ist proportional zum Quadrat des Stroms. Wenn die übertragene Gesamtleistung gleich ist und die Einschränkungen praktischer Leitergrößen gegeben sind, erleiden Übertragungen mit hohem Strom und niedriger Spannung daher einen viel größeren Leistungsverlust als Übertragungen mit niedrigem Strom und hoher Spannung. Dies gilt unabhängig davon, ob Gleichstrom oder Wechselstrom verwendet wird.

Das Umwandeln von Gleichstrom von einer Spannung in eine andere erfordert einen großen drehenden Rotationswandler oder Motor-Generator-Satz, der schwierig, teuer, ineffizient und wartungsbedürftig war, während bei Wechselstrom die Spannung mit einfachen und effizienten Transformatoren geändert werden kann, die keine beweglichen Teile haben und benötigen nur sehr wenig Wartung. Dies war der Schlüssel zum Erfolg des AC-Systems. Moderne Übertragungsnetze verwenden regelmäßig Wechselspannungen bis zu 765.000 Volt.

Leistungsverlust in jedem Widerstandselement ist

An eine Last abgegebene Leistung ist

Wir können uns R1 als unser Übertragungskabel und R2 als das mit Strom versorgte Gerät vorstellen (OK, in Wirklichkeit verhalten sich die meisten Geräte nicht wie Widerstände, aber die Geschichte bleibt dieselbe).

1: Der Verlust (verschwendete Leistung) steigt also mit dem Quadrat des Stroms, die an die Last gelieferte Leistung jedoch nicht. Das heißt, um die gleiche Leistung zu liefern, ist es besser, einen niedrigen Strom in einem Übertragungskabel bei einer hohen Spannung zu verwenden, als eine niedrige Spannung bei einem hohen Strom.

2: Es ist sehr einfach und effizient, einen Transformator zu verwenden, um Wechselstrom von einer Spannung in eine andere umzuwandeln. Das Umwandeln von Gleichstrom von einer Spannung in eine andere ist kostspielig und komplex.

Wenn man all dies zusammenzählt, ist es sinnvoller, Strom mit Wechselstrom als mit Gleichstrom zu übertragen. Weniger Energie wird verschwendet, verschwendete Energie bedeutet verschwendetes Geld.

Da auch die Ströme geringer sind, ist die Größe des Kabels kleiner und leichter, was bedeutet, dass die Kosten für die Infrastruktur niedriger sind.

Der Hauptvorteil besteht darin, dass es viel einfacher ist, Wechselstrom in verschiedene Kombinationen von Spannung und Strom umzuwandeln. Dies war mit DC fast unmöglich, als der Standard auftauchte. Auch große Maschinen wie Motoren und Generatoren, die das Netz mit Strom versorgen, erzeugen von Natur aus Wechselstrom. Dies kann mit Dioden oder einigen Arten von Kommutierung gleichgerichtet werden, aber das Ergebnis wird bestenfalls immer noch Gleichstrom sein.

Gleichstrom hat Vorteile bei der Stromübertragung, da es keine kapazitiven und Strahlungsverluste gibt und die Leiter nicht unter dem Skin-Effekt leiden. Die Tatsache, dass die meisten Übertragungen, selbst die Hochleistungshauptleitungen, heute Wechselstrom sind, ist ein Beweis für die Schwierigkeit, auf Gleichstrom und am anderen Ende wieder zurück auf Wechselstrom umzuwandeln. Die Gleichstromübertragung wird heute an einigen wenigen Orten verwendet, beschränkt auf große Entfernungen und/oder um Strom zwischen zwei Stromnetzen zu übertragen, die nicht phasenstarr sind. Die größere Effizienz über die lange Distanz gleicht die Kosten für die Konvertierung an jedem Ende aus.

Ein Beispiel für eine solche Gleichstromleitung ist die Einspeisung von Hydro-Quebec in das Stromnetz von New England. Diese erstreckt sich über etwa 1000 Meilen von großen Staudämmen im Norden Quebecs bis hinunter zu einem Umspannwerk in Ayer, Massachusetts, nicht weit von meinem Haus entfernt. Die Möglichkeit, den Gleichstrom zu empfangen und für den Anschluss an das lokale Netz umzuwandeln, ist nicht trivial. Werfen Sie einen Blick auf 42,5705N, 71,5242W, wenn Sie die Skala sehen möchten. Dies ist jedoch insgesamt anscheinend immer noch billiger, als für die Leistungsverluste und teureren Kabel über 1000 Meilen Übertragungsleitung zu zahlen.