Nachdem wir uns mit den Grundsätzen der Elektrizität befasst haben, können wir weiter gehen. Strom lässt sich in unterschiedlichen Systemen erzeugen. Wir alle sprechen von Stromsystemen, das alleine stimmt so nicht ganz genau. Ströme fliessen immer in eine Richtung und das ist immer vom negativen zum positiven Pol. Egal was wir anstellen es ist so und lässt sich nicht ändern. Trotzdem bleiben wir bei Stromsystemen, denn die sind so gesehen korrekt. Auch wenn wir nun Spannungssysteme ansehen.

Strom und Spannung gehören zusammen. Wir modulieren daher in diesem Kapitel den Strom und die Spannung auf unterschiedliche Art und erhalten daraus, das Stromsystem, denn die Spannung folgt dem Strom. Mit einem Strom- oder Spannungssystem sind wir auf dem richtigen Weg durch die unterschiedlichen Arten, wie elektrische Energie in Erscheinung treten kann. Es kann daher kein anderes Stromsystem, als das Spannungssystem geben.

Grundsätzlich gibt es davon nur drei Varianten. Ich weiss, die Fachleute kennen da noch den Rechteckstrom und die Kombination. Letztlich basieren aber all diese Varianten auf den hier erwähnten drei grundsätzlichen Stromsysteme, auch wenn man korrekterweise sogar nur von 2 ½ sprechen könnte. Dem Laien reicht das durchaus, denn nicht jeder will einen Radio bauen oder eine Atombombe berechnen.

Diese Stromsysteme entstanden zu unterschiedlichen Zeiten, so dass wir uns wieder mit der Natur herumplagen müssen. Die Blitze, die in einem Gewitter entstehen, gleichen bekanntlich die Ladungen zwischen den Wolken und der Erde aus. Diese Ladungen sind jedoch fast immer gleich, denn die Wolken laden sich normalerweise gegenüber der Erde positiv auf. Das bedeutet, der Strom im Blitz fliesst in diesem Fall immer zur Erde.

Der Strom im Blitz hat im Gewitter immer die gleiche Flussrichtung. Daher muss auch die Spannung immer gleich sein, denn wir wissen jetzt, dass die Art, wie sich der Strom zeigt, die Spannung beeinflusst wird. Weil nun alles in diesem System zwischen Wolken und Erde gleich ist, fliesst ein immer gleicher Strom. Dadurch entsteht ein Gleichstrom, den wir nun genauer ansehen werden, denn diese Art der Elektrizität kennen auch wir Menschen.

Der Gleichstrom: Gleichstrom ist die einfachste Form der Elektrizität und sie kommt auch auf natürliche Weise vor. Wenn wir das mit unserer Wasserleitung betrachten, dann ist es eine normale Wasserleitung. Das heisst, das Wasser fliesst vom Wasserhahn in den Topf und das immer dann, wenn Sie den Hahn öffnen. Er kann gar nicht anders fliessen. Daher ist es immer gleich und bei der Elektrizität spricht man dann von Gleichstrom.

Da nun die Spannung immer gleich ist, ist auch eine Gleichspannung vorhanden. Der Druck in der Wasserleitung ist immer gleich, also fliesst das Wasser auch immer gleich. Somit bedingt ein Gleichstrom auch eine Gleichspannung. Wie Sie das nun genau nennen, ist Ihnen überlassen, denn Sie wissen nun, dass der entscheidende Punkt beim gleich zu finden ist und weniger ob es nun Spannung oder Strom ist.

Bei der Gleichspannung handelt es sich um eine natürliche Spannung. Mögen Sie sich noch daran erinnern, wie ich geschrieben habe, dass Elektrizität in den Bereich der Naturwissenschaften gehört? Bei der Gleichspannung trifft das voll und ganz zu, denn in der Natur ist nur Gleichspannung vorhanden. Der Blitz beim Gewitter besteht aus Gleichspannung und auch die elektrischen Impulse in Ihrem Körper arbeiten mit Gleichspannung. Es fliesst überall Gleichstrom.

Als Volta seinerzeit die Batterie erfand und so die Spannung entdeckte, machte er das mit der natürlichen Gleichspannung. Er nutzte unterschiedliche Stoffe und stellte fest, dass diese unterschiedliche Ladungen hatten. Solche Stoffe sind zum Beispiel Zink und Kohle. Daraus lässt sich eine Gleichspannung erzeugen, die dann genutzt werden kann. Wir arbeiten mit einem Gleichstrom, wenn wir Batterien benutzen. Das ist auch heute noch so.

Damit hat es sich mit dem Gleichstrom eigentlich auch schon. Wir wissen, dass hier immer alles gleich ist und es keinen Wechsel geben kann. Nur, was ist, wenn es trotzdem zu einem Wechsel kommt? Das würde bedeuten, dass der Blitz immer in unterschiedliche Richtung Strom fliessen lassen müsste. Weil er das nicht tut, kennt die Natur nur Gleichströme. Aber, die Wissenschaft kann die Ströme wechseln lassen und daher tun wir das nun auch.

Der Wechselstrom: Wenn wir einen Wechselstrom haben, ändert sich die Flussrichtung des Stromes. Weil Strom und Spannung zusammen hängen, macht das  eigentlich auch die Spannung. Wir nennen diese Art des Stromes daher einfach Wechselstrom. Da nun aber der Strom seine Flussrichtung permanent ändert, haben wir einen wechselnden Strom und somit einen Wechselstrom. Wie oft dieser Wechsel nun erfolgt spielt im Moment keine Rolle.

Jetzt wissen wir, dass Strom und Spannung zusammen gehören und kommen so zur Wechselspannung. Aber jetzt müssen wir unsere Theorie von vorhin gleich wieder begraben, denn eigentlich gibt es keine Wechselspannung, denn der Druck in unserer Leitung bleibt immer gleich. Nur die Richtung in der das Wasser fliesst ist anders. Trotzdem spricht man auch von Wechselspannungen, denn das hängt mit der Art zusammen, wie der Strom seine Richtung ändert.

Wie schon vorher beim Gleichstrom, gilt auch hier. Wo Wechselspannung anliegt, fliesst auch ein Wechselstrom und umgekehrt. Eine Kombination von Gleichspannung und Wechselstrom ist nicht möglich. Wie, das ist falsch? Ich weiss, denn es gibt eine Möglichkeit mit dem später noch beschriebenen Drehstrom, aber mit Gleichstrom lässt sich das nicht verwirklichen. Doch noch etwas kommt mit dem Wechselstrom auf uns zu, die Frequenz.

Die elektrische Frequenz gibt an, wie oft sich ein Vorgang in einer Sekunde wiederholt. Genau genommen gibt man mit der Frequenz die Abfolge einer Handlung an. Gemessen wird immer vom Start der Sequenz bis zu deren Ende, also bis zu dem Punkt, wo die gleiche Sequenz erneut gestartet wird. Jetzt erfasst man diese Abfolgen der Sequenzen in einem Zeitraum von einer Sekunde und erhält dann einen Wert, den man Frequenz nennt.

Sie vermuten nun, dass das beim Wechselstrom in ihrem Haus in der Sekunde 50mal der Fall ist. Im Grunde hätten Sie eigentlich Recht, aber zuerst fliesst er ja von A nach B und dann von B nach A. Erst jetzt wiederholt sich dieser Vorgang wieder. Die Flussrichtung hat sich somit zweimal geändert. Somit gilt für das Landesnetz mit 50 Hz die Feststellung, dass sich die Flussrichtung in der Sekunde 100mal ändert.

Frequenzen werden auch an anderen Orten verwendet. Deshalb ist diese Einheit keine rein elektrische Einheit. Sie kommt in der Elektrizität auch nicht nur bei Wechselstrom zur Anwendung. Besondere Schwingkreise in einem Radio ermöglichen es Ihnen, einen Sender zu empfangen. Diese Schwingkreise funktionieren aber mit Gleichstrom. Nur, wie das geht, lassen wir sein, denn das ist etwas für Profis und denen muss ich es nun wirklich nicht mehr erklären.

Die Einheit für die Frequenz wird mit Hertz oder kurz Hz angegeben. Wie, nein ich habe mich nicht vertippt, es heisst tatsächlich Hertz. Warum? Weil der Entdecker so hiess. Heinrich Rudolf Hertz wurde am 22. Februar 1857 in Hamburg geboren. Dem deutschen Physiker gelang der Nachweis von elektromagnetischen Wellen. Heinrich Rudolf Hertz starb am 01. Januar 1894 in Bonn. Neben Volt, Ampère und Ohm, wurde Hertz mit dem Einheitszeichen geehrt.

Solche Angaben haben Sie vermutlich schon öfters gesehen. Genau, bei jedem Haushaltsgerät steht die Frequenz angeschrieben. Wie, nicht gefunden, dann suchen Sie doch nach 50 Hz. Bei den Bahnen kommen auch andere Werte zur Anwendung, so zum Beispiel in der Schweiz, in Deutschland und Österreich, wo 16.7 Hz verwendet werden. Entscheidend ist aber, dass es sich dabei um ein Gerät handelt, das mit Wechselstrom betrieben wird, denn bei Gleichstrom gibt es keine Frequenz.

Der Drehstrom: Fälscher als jetzt, kann ein Titel gar nicht sein. Obwohl wir alle wie vernarrt in den Drehstrom sind, gibt es effektiv keinen Drehstrom. Vielmehr verwendete ich den Begriff, weil er sehr bekannt ist und weil er zu den anderen Titeln passte. Aber Sie können sich merken, Drehstrom gibt es nicht, auch wenn wir bisher immer gesagt haben, dass Spannung und Strom eine Einheit bilden. Beim Drehstrom ist das nicht so.

Es ist besser, wenn wir von einer Drehspannung sprechen. Nur, auch jetzt sind wir nicht ganz richtig. Denn eine Drehspannung gibt es eigentlich auch nicht. Vielmehr ist die Drehspannung ein Zusammenschluss von drei Wechselspannungen und somit fliesst bei Drehstrom immer ein Wechselstrom. Wenn sie nun verwirrt sind, macht das nichts, denn nun befassen wir uns mit dem Drehstrom oder eben der Drehspannung.

Bei einem Drehstrom fliesst wirklich ein ganz normaler Wechselstrom. Sehen Sie, wieso ich hier von kompliziert spreche. Das löst sich nur, wenn ich Ihnen erkläre, dass es eigentlich nur die Spannung ist, die den normalen Wechselstrom zu Drehstrom werden lässt. Wobei es eigentlich auch wieder eine normale Wechselspannung ist. Deshalb ist eigentlich Drehspannung besser, denn es gibt genau an, was passiert, denn die Spannung dreht sich. Wie das geht?

Sie müssen sich die Sache mit einer Uhr vorstellen. Achtung, mit einer digitalen Uhr geht es nicht. Im Generator wird der elektrische Strom mit einer rotierenden Maschine erzeugt. Die Achse ist bei uns die Welle der Uhrzeiger. Durch den Aufbau des Generators wird in den einzelnen Leitern nicht immer zur gleichen Zeit die gleiche Wechselspannung induziert. Das nennt man so, ich kann es nicht ändern. Es entstehen daher drei unterschiedlich gelagerte Wechselspannungen.

Lassen wir die Sache mit dem induzieren und dem Wechselstrom, denn das ist etwas für Elektroprofis. Begnügen wir uns damit, dass bei 12 Uhr der höchste positive Wert erreicht wird und bei 6 Uhr der höchste negative Wert. Überhaupt keine Induktion findet bei 3 und 9 Uhr statt. Diese beiden Momente nennt man fachlich Nulldurchgang, weil jetzt keine Spannung vorhanden ist. Im Landesnetz wird der Nulldurchgang 100-mal vollzogen und das erst noch in einer Sekunde. Sie haben also in jeder Sekunde 100-mal keine Spannung und somit kein Strom.

Eine ganze Umdrehung auf der Uhr, ergibt die Landesfrequenz von 50 Hz. Das ergibt auf einem Blatt Papier eine Kurve, die von Fachleuten Sinuskurve genannt wird. Die sieht so aus:

Bei einem Drehstrom wird die zweite Phase 4 Stunden, äh 120° später mit der maximalen Spannung induziert. Die dritte Phase folgt dann noch einmal um 120° versetzt.

Somit erreichen diese Phasen der Reihe nach die maximalen Spannungen. Jede dieser Phasen bildet einen ganz normalen Wechselstrom mit einer ebenso normalen Wechselspannung. Entscheiden für den Drehstrom sind die drei Phasen als Ganzes.

Zuerst erreicht Phase 1 das Maximum, dann 2 und zum Schluss 3. Danach beginnt es wieder mit 1. Haben Sie Zeit? Dann schauen Sie auf Ihrer Uhr dem Minutenzeiger nach.

Genau, der steht zuerst auf 12, dann auf 4, und schliesslich auf 8 Uhr. Er dreht sich im Uhrzeigersinn. Da sich nun die Spannungsspitzen wie der Zeiger drehen, entsteht ein Drehfeld, das auch Drehstrom genannt wird. Drehstrom bildet sich daher aus drei Wechselströmen, die in einem Drehfeld geschaltet wurden.

So richtig begriffen haben es vermutlich noch nicht alle. Die obere Grafik zeigt eigentlich einen normalen Wechselstrom an. Jetzt bauen wir darin noch zwei weitere Sinuskurven ein, dann haben wir drei und unseren Drehstrom. Das sieht dann so aus:

Damit haben wir die drei Wechselspannung mit ihren Wechselströmen. Drehstrom ist nur die Zusammenschaltung der Spannungen. Das wird bei Ihnen zu Hause vermutlich genauso angewendet.

Denn normalerweise arbeitet man mit Drehstrom, der insgesamt drei Leitungen und einen Anschluss zur Erde benötigt. Nimmt man nun zwei dieser Leitungen und schliesst dort ein Gerät an, erhält man einen ganz normalen Wechselstrom. So ist vielleicht Ihr Kochherd angeschlossen.

Das sind schon alle möglichen Stromsysteme. Es gibt im Grunde keine anderen Stromsysteme mehr. Die Leitungen werden mit mehr oder weniger Spannung betrieben, aber letztlich ist es Wechselstrom, Gleichstrom und Drehstrom.

Wobei wir nun wissen, dass der Drehstrom auf dem Wechselstrom aufbaut. Die folgende Tabelle soll etwas Übersicht in diese drei Stromsysteme bringen, denn dann wird einiges klarer ersichtlich.

Um nun endlich wieder zur Lukmanierbahn zurück zu kehren, betrachten wir nun diese drei Systeme, denn jedes System hat seine Vor- und Nachteile.

Da ist zum einen der Gleichstrom, der dank der gleichbleibenden Spannung sehr homogen arbeitet. Die Verluste in den Leitungen, die einen Widerstand haben, sind gering, da der Widerstand nicht immer neu überwunden werden muss. Der Nachteil ist aber in der Tatsache zu suchen, dass man bis vor wenigen Jahren eine Gleichspannung nicht wirtschaftlich verändern konnte. Gleichstrom kommt aber immer wieder bei Bahnen zum Einsatz.

Der Wechselstrom lässt sich leicht umformen und so nach Belieben verändern. Der Vorteil ist so gross, das man den steten Wechsel in Kauf nimmt. Wechselstrom hat mehr Mühe in den Leitungen, da der Widerstand nach jedem Wechsel erneut überwunden werden muss. Das führt zu höheren Verlusten, die aber mit hohen Spannungen ausgeglichen werden können. Wechselstrom hat sich daher immer mehr bei den Bahnen durchgesetzt.

Beim Drehstrom sind die Vorteile nur bei einem Punkt zu suchen und das sind die Drehstrommotoren, die sehr wirtschaftlich arbeiten können. Drehstrom kann ebenfalls leicht umgeformt werden. Trotzdem hat der Drehstrom auch die Probleme des Wechselstromes und zudem noch drei Leitungen, die benötigt werden. Daher ist Drehstrom als System bei Bahnen sehr selten und wird auch nicht mehr oft angewendet. Der Aufwand für die Fahrleitung ist einfach zu gross.

Nach so viel Theorie sollten wir uns ein paar Gedanken machen, wo welches dieser drei Systeme denn angewendet wird. Damit diese Auflistung nicht zu unübersichtlich wird, verwende ich nur einige bestimmte Bahngesellschaften, die durch ihr Netz und das damit gewählte Stromsystem auffallen. Gerade die Gesellschaften, wo mehrere Systeme verwenden, sind zu beachten, denn dort findet zunehmend ein Wechsel statt. Doch nun zur Tabelle:

Nun, jede Tabelle hat etwas, das man genauer erklären muss. Vielleicht stutzten einige bei der Jungfraubahn. Das ist richtig, denn auch die Bahn auf das Gornergrat benutzt Drehstrom in der Fahrleitung. Damit haben wir aber auch schon fast alle Bahnen, die heute noch dieses Stromsystem nutzen. Bahnen, wie die Burgdorf – Thun – Bahn haben längst auf Wechselstrom umgestellt. Zu kompliziert war die Fahrleitung bei diesem System.

Andererseits fehlen viele schweizer Privatbahnen, die mit Gleichstrom fahren. Dort werden so viele unterschiedliche Spannungen verwendet, dass die Liste unübersichtlich lange geworden wäre. Es gibt Bahnen, die in der Schweiz mit Gleichstrom fahren. Keine dieser Bahnen erwägt eine Umstellung, denn das System funktioniert gut. So haben sich die Bahnen für ein System entschieden und bleiben dabei, denn eine Umstellung verursacht heutzutage riesige Kosten, die nicht jede Bahngesellschaft tragen kann.

Obwohl wir nun bei den Bahnen waren, habe ich einen wichtigen Punkt vergessen. Elektrizität ist gefährlich und das müssen Sie wissen, denn Fehler verzeiht sie nicht. Daher müssen die Bahnen die Mitarbeiter auf diese Gefahren schulen. Ausnahmen gibt es keine und selbst die elektrische Bahn, die mit einer seitlichen Fahrleitung arbeitet, macht alles, damit niemand mit der Elektrizität in Kontakt kommt.

Die für die Spannung in der Fahrleitung angegebenen Werte sind nur ein Richtmass. Je nach Ort der Einspeisung kann der Wert davon abweichen. In diesem Zusammenhang wird von der Nennspannung gesprochen. Davon abweichende Werte sind durchaus üblich und diese betragen in der Regel in jede Richtung zehn Prozent. Bei einer Nennspannung von 15 000 Volt, kann das bis zu 16 500, oder auch nur 13 500 Volt bedeuten.