Gleichstrom vs. Wechselstrom

Gleichstrom und Wechselstrom sind zwei Betriebsarten desselben Stromkreises, und fast jede elektrische Größe verhält sich in beiden anders oder eben gerade gleich. Dieses Experiment ist der systematische Vergleich: Für jede Größe (Spannung, Stromrichtung, Stromstärke) und jedes Grundbauteil (Widerstand, Kondensator, Spule) wird nebeneinandergestellt, was bei DC und was bei AC passiert. Die Einzeluntersuchungen dazu haben eigene Experimente; hier entsteht das Gesamtbild.

Unser Alltag lebt in beiden Welten: Batterien, Akkus, USB und Solarzellen liefern Gleichstrom, das Netz liefert Wechselstrom, und an jeder Schnittstelle (Ladegerät, Netzteil, Wechselrichter) wird gewandelt. Wer die Systemunterschiede kennt, versteht, warum das so ist: Wechselstrom lässt sich mit Transformatoren verlustarm auf Reisespannung bringen, Gleichstrom speichert sich in Akkus. Der Vergleich ist auch fachlich die beste Wiederholung: Jede Zeile der Gegenüberstellung fasst ein eigenes Experiment zusammen.

Im „Stromkrieg“ der 1880er Jahre standen sich Edisons Gleichstromnetz und das Wechselstromsystem von Westinghouse und Tesla gegenüber; die Transformierbarkeit entschied für AC. Heute kehrt DC auf höchster Ebene zurück: Hochspannungs-Gleichstromübertragung verbindet Netze über tausende Kilometer, und die Gerätewelt (Elektronik, LED, Akku) ist intern längst wieder Gleichstromland.

Zeichne die Wechselspannung des Kleinspannungsausgangs auf dem Oszilloskop auf, bestimme die Periodendauer über mehrere Perioden und berechne die Frequenz. Vergleiche mit dem Nennwert des Netzes ($50\ \mathrm{Hz}$).

Das Oszilloskop ist ein Spannungs-Zeit-Schreiber: Die Zeitbasis legt fest, wie viele Millisekunden ein Skalenteil der Rechtsachse bedeutet. Die Periodendauer wird darum als Streckenmessung erledigt: Skalenteile zwischen zwei gleichen Kurvenpunkten zählen, mit der Zeitbasis multiplizieren. Genauer wird es, wenn man über mehrere Perioden misst und teilt, derselbe Trick wie beim Pendel: Der Ablesefehler verteilt sich.

Netzgerät (AC-Ausgang), Oszilloskop, Messleitungen. Die Zeitbasis-Einstellung wird notiert, sie ist Teil der Messung.

Anschlussplan: AC-Ausgang direkt an Kanal 1. Auf der Skizze des Schirmbilds werden die Ablesepunkte markiert: gleiche Kurvenstellen (z. B. steigende Nulldurchgänge).

Realer Aufbau: Schülernetzgerät mit Gleich- und Wechselausgang, Umschaltung zwischen den Prüflingen (Widerstand, Kondensator mit Lampe, Spule mit Lampe), Zweikanal-Oszilloskop, Vielfachmessgeräte. Jede Bauteil-Betriebsart-Kombination ist in wenigen Minuten gemessen.

Schritt 1: Zeitbasis auf $5\ \mathrm{ms}$ je Skalenteil, Bild stabil triggern.

Schritt 2: Abstand zwischen fünf aufeinanderfolgenden steigenden Nulldurchgängen ablesen (= vier Perioden).

Schritt 3: In Zeit umrechnen und durch vier teilen; Frequenz berechnen.

Periodendauer:

Frequenz:

Der Messwert trifft die Netzfrequenz. Das ist kein Zufall des Netzgeräts: Sein Transformator wandelt nur die Spannungshöhe, den Takt gibt das europäische Verbundnetz vor, und der wird dort auf besser als ein Zehntelprozent gehalten, weil alle Generatoren des Verbunds synchron laufen. Die Netzfrequenz ist damit eine der stabilsten Größen, die sich im Klassenzimmer messen lassen. Uhren mit Synchronmotoren nutzten sie jahrzehntelang als Zeitnormal.

Die Wechselspannung hat $T = 20\ \mathrm{ms}$ und damit $f = 50\ \mathrm{Hz}$: die europäische Netzfrequenz, die der Kleinspannungstrafo unverändert weitergibt.

Die Messgenauigkeit hängt fast nur an der Ablesung; die Mehrperiodenmessung ist die wichtigste Gegenmaßnahme: