Beobachtung von Stromstärke und Spannung im Wechselstromkreis
In Abb. 1 sehen wir einen elektrischen Stromkreis mit einer elektrischen Quelle, die eine sinusförmige Wechselspannung liefert. Im Stromkreis befindet sich weiter ein elektrisches Bauelement (hier z.B. ein OHMsche Leiter, es kann aber auch ein Kondensator oder eine Spule sein). Mit einem Strommesser messen wir die ie Stärke des Stroms, der durch das Bauelement fließt, mit einem Spannungsmesser die Spannung, die über dem Bauelement abfällt.
An den beiden Messgeräten können wir beobachten, dass sich die Stromstärke und die Spannung im Laufe der Zeit ebenfalls sinusförmig ändern. Das zeitliche Verhalten und die Amplituden von Stromstärke und Spannung hängen natürlich von der Frequenz und der Amplitude der elektrischen Quelle ab. Wir werden später sehen, dass sie aber auch vom Typ und den Eigenschaften des eingebauten Bauelements abhängen.
Im Fall des OHMschen Leiters sind die Verhältnisse aber noch einfach: Stromstärke und Spannung ändern sich "im gleichen Takt", ihre Amplituden werden allein durch die Größe des Widerstandes bestimmt.
Darstellung von Stromstärke und Spannung im \(t\)-\(I\)- bzw. \(t\)-\(U\)-Diagramm
Zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Stromstärke \(I\) und Spannung \(U\) können wir deren Werte über der Zeit \(t\) in \(t\)-\(I\)- bzw. \(t\)-\(U\)-Diagrammen auftragen (vgl. Abb. 2).
Wir können noch besser beobachten, dass sich Stromstärke und Spannung im Laufe der Zeit sinusförmig ändern.
Hinweis: Die unterschiedlichen Amplituden der Graphen ergeben sich durch die Auftragung unterschiedlicher Größen mit unterschiedlichen Maßeinheiten in einem Diagramm.
Darstellung von Stromstärke und Spannung im Zeigerdiagramm
In der Wechselstromlehre verwendet man häufig auch ein sogenanntes Zeigerdiagramm, das sich zeichnerisch leichter herstellen lässt und besonders bei der Addition phasenverschobener, aber frequenzgleicher Stromstärken und Spannungen Vorteile hat.
Zur Darstellung der sinusförmigen Stromstärke und Spannung im Zeigerdiagramm lässt man jeweils einen Zeiger von der Länge der Stromstärkeamplitude \(\hat I\) bzw. der Spannungsamplitude \(\hat U\) mit der Winkelgeschwindigkeit \(\omega\) im mathematisch positiven Drehsinn (also gegen den Uhrzeigersinn) rotieren. Die Momentanwerte von Stromstärke und Spannung sind dann an der vertikalen Achse des Zeigerdiagramms abzulesen (vgl. Abb. 3).
Abb. 4 zeigt die entsprechende Darstellung für einen Wechselstromkreis mit einem Kondensator.
Abb. 5 zeigt die entsprechende Darstellung für einen Wechselstromkreis mit einer Spule.