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Thomas Alva Edison und der Gleichstrom

Thomas Alva Edison

Thomas Alva Edison wurde am 11. Februar 1847 in Milan, Ohio geboren. Unterrichtet wurde er von seiner Mutter zu Hause. Ab 1863 arbeitete er als Telegraf und kam so zum ersten Mal mit Elektrizität in Berührung. Er bildete sich mit Fachbüchern weiter und begann mit seinen ersten Experimenten. Schon 1868 meldete er sein erstes Patent an. Es handelte sich um einen elektrischen Stimmenzähler, der im Kongress aber nicht eingesetzt wurde.

Um 1880 erfand Edison die erste funktionstüchtige Glühbirne, die länger als ein paar Stunden brannte. Das Geheimnis der neuen Glühbirne lag im Vakuum das Edison im Glaskörper erzeugte und der Verwendung eines Kohlefaserdrahtes. Diese erste Glühbirne  war ein Meilenstein für die Menschheit. Edison erkannte wie sauber und ungefährlich sein Licht war und forschte weiter. Er entwickelte Birnen die bis zu 1500 Stunden lang brannten.

Ihm war schnell klar, dass die Erfindung der Birne allein nicht ausreichte um die Erfindung überall einzuführen. Also entwickelte er noch Kabel, Schalter, Sicherungen und auch Glühbirnengewinde zum schnellen Austausch von kaputten Glühbirnen, die so genannten „Edisongewinde“, die heute noch an Glühbirnen zu sehen sind.

Nun musste Edison nur noch Strom in die Häuser bringen, damit seine Birnen dort leuchten konnten. So baute Edison zwei leistungsstarke  Dynamomaschinen in einem Haus in New York auf. Jeder dieser Dynamos – vergleichbar riesigen Fahrraddynamos – wog 27 Tonnen. Angetrieben wurden die überdimensionalen Dynamos durch eine Dampfmaschine, die ebenfalls im Keller des Hauses aufgebaut wurde. So entstand am 4. September 1882 das erste Elektrizitätswerk der Welt in einem Wohnhaus in New York.

Erstes Elektrizitätswerk der Welt in einem Wohnhaus in New York
(Quelle: http://www.leifiphysik.de/web_ph10/geschichte/07edison/edison.htm)

Das Kraftwerk versorgte in einem Umkreis von 600 Metern die Häuser mit Strom. Die Menschen reagierten auf das neue feuersichere und helle Licht mit Begeisterung. Innerhalb von zwei Monaten verkaufte Edison 5000 Glühbirnen.

Schon bald erkannte Edison dass dies nicht das Ende seiner Forschungen sein konnte. Seine Dynamos erzeugten Gleichstrom, das bedeutet jedes einzelne Elektron wird vom Dynamo aus auf die Reise durch das Stromkabel geschickt, um dann nach dem Durchlauf des gesamten Kabels wieder zum Dynamo zurückzukehren. Hier kommen nun die von Ohm festgestellten Gesetzmäßigkeiten zum Tragen.

Edison verwendete eine konstante Spannung von 110 Volt. Je weiter er seinen Strom aber vom Dynamo aus weg transportieren musste, desto größer wurde der elektrische Widerstand im Kabel und desto geringer die Stromstärke. Die Stromstärke konnte er nur über eine Verringerung des Widerstands im Kabel erreichen. Der Widerstand im Kabel kann aber nur durch eine Verkürzung des Kabels oder durch die Verwendung von dickeren Kabeln erlangt werden.  

Wenn Edison den Strom über größere Strecken hätte transportieren wollen, hätte er armdicke Kupferdrähte verwenden müssen, damit beim Verbraucher noch genügend Stromstärke angekommen wäre, um die Birnen zum Leuchten zu bringen. Kupferkabel sind aber sehr teuer und deshalb war diese Lösung nicht wirtschaftlich. Alternativ hätte Edison überall Kraftwerke erbauen müssen, was auch sehr teuer war. Nur die reichsten Menschen hätten so viel Geld bezahlen können. Um eine Lösung zu finden, die Licht für alle Menschen und Unternehmen erschwinglich machte, holte Edison den Forscher und Erfinder Nikola Tesla nach New York.
 
Nikola Tesla (1856 – 1943)

Nikola Tesla wurde 1856 in Kroatien geboren und entdeckte schon in jungen Jahren seine Neigung zum Fach Physik. 1884 verließ er Europa und ging nach New York um dort für Edison zu arbeiten. Tesla war einer der größten Erfinder seiner Zeit, stand aber nie so im Vordergrund wie z.B. Edison. 250 Patente meldete Tesla in den Jahren seines wissenschaftlichen Arbeitens an. Zu seinen größten Erfindungen zählt der Transformator für Wechselspannung, der erste Radiosender und die weltweit erste Funkfernsteuerung. Obwohl er einer der größten Erfinder war, ist er kaum bekannt. Dies lag vor allem an seinem Charakter. Tesla war ein Einzelgänger, der sich nicht gerne unter Menschen aufhielt. Er verstarb 1943 allein in einem New Yorker Hotelzimmer.

Als Tesla 1884 seine Arbeit bei Edison begann, versprach dieser ihm umgerechnet 50.000 Euro wenn es ihm gelang das Transportproblem des Stromes über weite Strecken zu lösen. Das war eine für jene Zeit sehr hohe Geldsumme. Tesla nahm das Angebot an, denn er  hatte schon längere Zeit Überlegungen zu den Möglichkeiten von Wechselstrom angestellt und machte sich nun an die Umsetzung dieser Ideen. Beim Wechselstrom fließen die Elektronen nicht vom Minuspol zum Pluspol durch das gesamte Kabel, sondern erfahren durch die Stromquelle immer wieder eine Richtungsänderung. Das heißt die Elektronen legen nur einen kurzen Weg in einer Richtung zurück, werden dann in die entgegengesetzte Richtung gezogen und bewegen sich wieder zurück. Ein Elektron muss also nicht mehr die komplette Strecke von der Stromquelle bis zum Verbraucher und wieder zurück bewältigen, sondern bewegt sich sehr schnell auf einer kurzen Strecke.  
 
Skizze eines Transformators
(Quelle: www.wikipedia.org/wiki/transformator)

Bringt man nun um einen Eisenkern eine Drahtspule an (siehe in der gezeigten Grafik die Spule mit der Bezeichnung Primärstrom) und lässt Wechselstrom hindurchfließen, so verursachen die sich ständig in verschiedenen Richtungen bewegenden Elektronen in der Drahtspule im Eisenkern eine elektromagnetische Induktion.

So werden die im Eisenkern vorhandenen Elektronen durch die angelegte Wechsel-spannung indirekt ebenfalls in Bewegung gesetzt. Das bedeutet der Eisenkern wird magnetisch. Man nennt dies elektromagnetische Induktion. Durch die dauernd die Richtung wechselnden negativ geladenen Elektronen, kommen auch Elektronen im Eisenkern in eine wechselnde Bewegung. Der wechselnde magnetische Fluss im Eisenkern wiederum induziert in der Sekundärspule einen Spannungsfluss. So entsteht durch die Anlegung eines Wechselstroms auf der einen Seite eines Eisenkerns, - ohne Verbindung der Drahtspulen - auf der Sekundärspule eine Wechselspannung. Diese kann entnommen werden und an einen Verbraucher weitergeleitet werden.

Von besonderem Interesse dabei ist das Verhältnis der Höhe der Spannung in der Primärspule zur Spannung in der Sekundärspule. Verwendet man in beiden Spulen dieselbe Kabelstärke und dieselbe Anzahl von Windungen um den Eisenkern, so haben beide Spulen dieselbe Spannung. Wird nun aber die Windungszahl in der Sekundärspule heruntergesetzt oder ein dickerer Draht verwendet, so entsteht eine geringere Spannung als in der Primärspule. Das heißt der Strom wird auf eine geringere Spannung gebracht, sprich herunter transformiert. Das Prinzip funktioniert auch in der entgegengesetzten Richtung. Man kann die Spannung mit Hilfe der elektromagnetischen Spannung von einer geringen Spannung in der Primärspule auf eine höhere Spannung in der Sekundärspule kommen.       

Mit dieser Erfindung war es Tesla möglich eine sehr viel höhere Spannung als die von Edison verwendeten 110 V durch die Stromkabel zu senden. Mit der erhöhten Spannung im Kabel fiel der elektrische Widerstand im Kabel nicht mehr so stark ins Gewicht. Der Wiederstand war natürlich nach wie vor vorhanden, aber bei 50.000 Volt wirkt er sich prozentual nicht mehr so stark aus wie bei 110 Volt. Am Ende der Stromleitung wurde vor dem Verbraucher wiederum ein Transformator installiert, der die Spannung auf die benötigten 110 Volt transformierte.

Tesla meldete das Patent an und bot es Edison für die vereinbarten 50.000 Euro zum Kauf an. Edison war außer sich vor Wut. Schließlich hatte er bereits umgerechnet 100.000 Euro in die Erforschung und Entwicklung gesteckt und war nun der Meinung, dass Tesla ihm die Erfindung als Ergebnis der von Edison finanzierten Arbeit überlassen sollte. Edison bot Tesla als Gegenleistung für den Transformator eine geringe Gehaltserhöhung an.

Tesla verließ daraufhin Edison mitsamt seinem Patent des Wechselstromtransformators und bot die Erfindung George Westinghouse an.

 

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