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Teil B – Gleichstromtechnik

Geschichte der Gleichstromtechnik

In elektrischen Stromkreisen wird Energie in Form von getrennter Ladung zur Verfügung gestellt, die über Leitungen zum Verbraucher transportiert wird. Die Stromkreise bestehen damit im Wesentlichen aus Energieerzeugern, Verbindungsleitungen und Verbrauchern. Hinsichtlich des Stromverlaufs wird zwischen Gleich- und Wechselstromkreisen unterschieden. Als Gleichstrom wird ein elektrischer Strom bezeichnet, dessen Stärke und Richtung sich als Funktion der Zeit nicht ändert.

Historisch betrachtet gilt die voltasche Säule als erster technisch brauchbarer Erzeuger für elektrische Energie. Ausgangspunkt für ihre Entwicklung war die Veröffentlichung einer Beobachtung des Mediziners Galvani. Er stellte beim Sezieren von Froschschenkeln, die an einem Eisengitter fixiert waren, Muskelkontraktionen fest. Durch diese Veröffentlichung wurde Volta angeregt, sich mit diesem Phänomen zu beschäftigen. Er erkannte, dass zwischen zwei verschiedenen Metallen, die von einer leitenden Flüssigkeit umgeben sind, eine elektrische Spannung entsteht. Er gab diesem Phänomen den Namen Galvanismus, der bis heute verwendet wird. Aufgrund seiner Theorie entwickelte er die voltasche Säule, die aus mehreren Lagen übereinandergeschichteter Elemente aufgebaut ist. Jedes Element besteht aus einer Kupfer- und einer Zinkplatte. Zwischen den Metallen, die ein unterschiedliches elektrochemisches Potential besitzen, befindet sich ein in Säure oder Salzlösung getränkter Stoff als flüssiger Leiter. Die voltasche Säule gilt als erste Spannungsquelle, die größere Ströme liefern konnte. Sie ist die Vorläuferin der heutigen Batterie. Ein Beispiel ist in Bild 1.1 dargestellt.

Bild 1.1: Voltasche Säule [Chie16]

Die Anwendung des galvanischen Effektes wurde durch zahlreiche Forscher weiter entwickelt. So konstruierte Johann Wilhelm Ritter 1802 den ersten Akkumulator, einen wieder aufladbaren Speicher elektrischer Energie, der aus Kupferplatten und einer in Kochsalzlösung getränkten Pappe bestand. 1892 stellte der Amerikaner Edward Weston ein Quecksilber-Cadmium-Element vor, das lange als Normalelement für die Einheit ein Volt verwendet wurde. Thomas Alva Edison stellte einen alkalischen Nickel-Eisen-Akkumulator her, der in Bild 1.2 dargestellt ist. Bis heute ist die Entwicklung von Batterien und Akkumulatoren nicht abgeschlossen. Vor allem für die Elektromobilität wird an leistungsstarken Energiespeichern mit kleinem Gewicht geforscht.

Bild 1.2: Alkalischer Nickel-Eisen-Akkumulator von Alva Edison [User16]

Volta ebnete mit seiner Erfindung den Weg in die Elektrotechnik und startete eine bis heute andauernde Entwicklung. 1820 gelang Hans Christian Oestad der Nachweis des Zusammenhangs zwischen Elektrizität und Magnetismus. Michael Faraday entdeckte daraufhin 1831 die elektromagnetische Induktion, die durch Werner von Siemens 1866 in der Entwicklung der Dynamomaschine technisch genutzt wurde. Über das Grundprinzip der Dynamomaschine wurde es ermöglicht, einer breiten Masse der Bevölkerung elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Nikola Tesla und Galileo Ferraris haben 1882 Mehrphasensysteme genutzt, die Voraussetzung für den ersten Zweiphasenmotor mit Drehfeld waren. 1882 nahm Thomas Alva Edison das erste Elektrizitätswerk der Welt in Betrieb. Im gleichen Jahr wurde die erste Gleichstromübertragung durch Oskar von Miller und Marcel von Deprez ermöglicht. Zur verlustarmen Energieübertragung auf großen Strecken, die durch die Entwicklung leistungsfähiger Wechselstromgeneratoren und Transformatoren ermöglicht wurde, wird jedoch seit Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts Wechselstrom genutzt [Volk94].

Die aktuelle Diskussion zum Netzausbau zeigt, dass der Energietransport auch mit sehr großen Wechselspannungen über große Distanzen nicht wirtschaftlich ist. Stattdessen wird die am Generator entstehende Wechselspannung zu einer Gleichspannung gleichgerichtet. Die Energie wird dann mit Hilfe von Hochspannungs-Gleichtrom-Übertragung transportiert. Um hohe Spannungen zu erreichen, werden dabei moderne Halbleiterbauelemente eingesetzt.

Aber auch die Nutzung von Gleichstrom in Endgeräten gewinnt ständig an Bedeutung. Die zunehmende Digitalisierung und Automatisierung wird, neben dem Fortschritt in der Informatik und des Internets, vor allem durch die Weiterentwicklung elektronischer Schaltungen vorangetrieben, die über Halbleiter-Bauelemente realisiert werden. Diese werden vorwiegend mit Gleichspannung betrieben, die über eine Gleichrichtung der Wechselspannung erzeugt oder über Akkumulatoren zur Verfügung gestellt wird.

Eine zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen erlaubt die Realisierung komplexer Schaltungen auf kleinstem Raum, deren Entwurf, Berechnung und Dimensionierung immer aufwendiger werden. Grundlage dafür ist der sichere Umgang mit elektrischen Größen und ein weitreichendes Verständnis der Elektrizitätslehre [Jaeg10] .