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Wechselstrom

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Wechselstrom bezeichnet einen stationären elektrischen Strom, der seine Richtung (Polung) periodisch ändert und bei dem sich positive und negative Augenblickswerte so ergänzen, dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist.

Abzugrenzen ist der Wechselstrom vom Gleichstrom, der sich (abgesehen von Schaltvorgängen oder Einflusseffekten) zeitlich nicht ändert, oder – in erweiterter Bedeutung – der ein periodischer Strom ist, dessen Gleichanteil vorrangige Bedeutung hat. In der erweiterten Bedeutung handelt es sich um Mischstrom.

Weil sich sinusförmige Wechselspannung einfach erzeugen und transformieren lässt, verwendet die elektrische Energieversorgung meist diese. Sie treibt durch einen linearen Widerstand Wechselstrom, der auch sinusförmig ist. Bei nichtlinearen Widerständen treten Verzerrungen auf, indem sich im Strom zusätzliche Sinus-Schwingungen mit höheren Frequenzen (Oberschwingungen) ausbilden. Bei der Erzeugung in rotierenden elektrischen Maschinen ist die Sinusform vorgegeben. Häufig werden drei einzelne Wechselströme in einem Dreiphasenwechselstrom-System zusammengefasst und übertragen. Im Haushaltsbereich wird Einphasenwechselstrom für Beleuchtung und für alles, was sich über Haushaltssteckdosen anschließen lässt, bevorzugt. Bei der Energieübertragung sind beim Wechselstrom dessen Wirkstrom- und Blindstromanteil zu beachten.

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Internationales Zeichen für Wechselstrom nach IEC 60617

Hochfrequente Wechselströme werden in der Nachrichtentechnik und in der Elektromedizin verwendet.

International wird Wechselstrom häufig auf englisch mit alternating current oder mit dem Kürzel AC bezeichnet, das zugleich für Wechselspannung verwendet wird. Im Gegensatz dazu steht DC für direct current, womit Gleichstrom wie auch Gleichspannung gekennzeichnet werden.

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Links: Sinusförmige Wechselgröße
Rechts: Ihr Quadrat als ebenfalls sinusförmige, aber einen Gleichanteil enthaltende Mischgröße

Erzeugung

Zeitlicher Verlauf

Die einfachste denkbare Form von Wechselstrom entsteht durch ständig wechselnde Umpolung eines Gleichstroms. Obwohl dieser Wechselstrom technisch für die verschiedensten Anwendungen nutzbar ist, wird er nicht zur großräumigen Energiebereitstellung und Netzregelung verwendet. Der Grund ist das entstehende Frequenzspektrum eines solchen Spannungsverlaufes, das zusätzliche, wesentlich höhere Frequenzen als nur die Grundfrequenz umfasst. Zum Beispiel darf in der Funktechnik nicht mit Rechteckspannung gesendet werden, weil dies andere Funkdienste stören würde. In kleinen Geräten wie Schaltnetzteilen in Computern oder Zerhackern zur Erzeugung von Hochspannung aus Batterien wird die Rechteckform verwendet, weil sie technisch sehr einfach mit schaltenden Bauelementen der Leistungselektronik hergestellt werden kann. Kleine Geräte lassen sich so abschirmen, dass die Oberschwingungen keine Störungen anderer Geräte verursachen.

In der Energieversorgung wird fast nur „sinusförmiger Wechselstrom“ eingesetzt, weil er keine unerwünschten Schwingungsanteile besitzt. Er hat seinen Namen daher, dass die Momentanwerte über eine vollständige Periode mit einer positiven und einer negativen Halbschwingung exakt den Werten der Sinus-Winkelfunktion über einen Vollkreis (0–360°) entsprechen, die grafische Darstellung des Stromes auf einer Zeitachse ergibt dabei die typische Sinuskurve.

Andere Graphformen, wie beispielsweise Dreieckform, kommen nur mit sehr geringen Leistungen in der Messtechnik, der Impulstechnik, der elektronischen Klangerzeugung oder der analogen Nachrichtentechnik vor.

Mehrphasiger Wechselstrom

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Sinusschwingungen im Dreiphasen­system

Neben Wechselstrom als Einphasen-Leiterstrom werden zur Energieversorgung verkettete, in ihren Phasenwinkeln versetzte Wechselströme eingesetzt. Die dazu notwendigen Spulen der Generatoren sind gleichmäßig um den Kreisumfang verteilt. Diese spezielle Form von Wechselstrom wird bei drei Phasenwinkeln von je 120° als Dreiphasenwechselstrom und umgangssprachlich als „Drehstrom“ bezeichnet.

Die einzelnen Wechselströme des Dreiphasensystems lassen sich unabhängig voneinander als Einzelsystem bei Kleinverbrauchern nutzen. Die drei zeitlich gegeneinander verschobenen Außenleiterströme haben unter anderem den Vorteil, dass sich damit bei gleicher übertragener Leistung die Leiterquerschnitte in Summe verringern lassen und die Fernübertragung mit hochgespanntem Wechselstrom durch die Verkettung verlustärmer wird. Zudem gibt es Drehstrom-Asynchronmotoren, deren Drehzahl jedoch ohne Frequenzumrichter nur in groben Stufen verändert werden kann.

Darüber hinaus existieren noch andere mehrphasige Wechselstromsysteme, wie der Zweiphasenwechselstrom oder allgemein Mehrphasenwechselstromsysteme, welche allerdings in der öffentlichen elektrischen Energieversorgung keine wesentliche Bedeutung haben. Wechselstromsysteme mit mehr als drei Phasen werden unter anderem bei speziellen elektrischen Antriebssystemen basierend auf Synchronmotoren eingesetzt. Der Mehrphasenwechselstrom wird dabei mittels Wechselrichter und einem Zwischenkreis aus dem Dreiphasensystem gewonnen.

Rechengrößen

Frequenz und Periode

Die Frequenz bezeichnet die Anzahl der Schwingungen eines periodischen Vorgangs bezogen auf das Zeitintervall, für das diese Anzahl gilt. Sie wird angegeben in der Einheit Hertz mit dem Einheitenzeichen Hz.

Eine Periode ist das kleinste örtliche oder zeitliche Intervall, nach dem sich der Vorgang wiederholt. Dieser Zeitabstand heißt Periodendauer. Bei einem Wechselstrom ist eine Periode z. B. eine aufeinanderfolgende positive und negative Halbschwingung. Die Periodendauer T{\displaystyle T}image ist gleich dem Kehrwert der Frequenz f{\displaystyle f}image

T=1f{\displaystyle T={\frac {1}{f}}}image .

Die bekannteste Wechselstrom-Frequenz ist 50 Hz, die Netzfrequenz der öffentlichen Energieversorgung in der Europäischen Union. Dieser Wechselstrom hat eine Periodendauer von

T50=150Hz=150s=20ms{\displaystyle T_{50}={\frac {1}{50\;\mathrm {Hz} }}={\frac {1}{50}}\mathrm {s} =20\;\mathrm {ms} }image .

Eine Übersicht zur Energieversorgung in anderen Ländern siehe unter Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen.

Vorzugsweise für theoretische Berechnungen, wie etwa bei der komplexen Wechselstromrechnung, wird die Kreisfrequenz ω{\displaystyle \omega }image verwendet:

ω=2π⋅f{\displaystyle \omega =2\pi \cdot f}image .

Bei einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz ist

ω50=2π⋅50Hz≈314s−1{\displaystyle \omega _{50}=2\pi \cdot 50\;\mathrm {Hz} \approx 314\;\mathrm {s} ^{-1}}image .

Die niedrigste Wechselstrom-Frequenz, die mit einer gewissen Verbreitung in Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden und Norwegen eingesetzt wird, ist beim Bahnstrom mit 16,7 Hz zu finden.

Die höchste Frequenz für Wechselstrom ist durch die Möglichkeiten und Erfordernisse in der Funktechnik gegeben und liegt in der Größenordnung von 300 GHz.

Siehe auch: Liste von Größenordnungen der Frequenz und Elektromagnetisches Spektrum

Charakterisierende Werte der Stromstärke

image
Die Darstellung für sinusförmige Wechselspannung gilt entsprechend auch für die Stromstärke.
1 = Scheitelwert, hier auch Amplitude
2 = Spitze-Tal-Wert
3 = Effektivwert
4 = Periodendauer

Der zeitabhängige Verlauf des Wechselstromes bringt bei der Angabe über die Stromstärke Probleme mit sich.

  • Augenblickswerte oder Momentanwerte i{\displaystyle i}image sind zur Charakterisierung ungeeignet.
  • Der Scheitelwert ist die höchste (unabhängig von der Polarität) erreichbare Stromstärke, er ist als besonderer Augenblickswert nur bei Sinusform repräsentativ und wird dann als Amplitude bezeichnet; allzu oft ist der Strom nicht sinusförmig. Seine Messung mittels Oszilloskop ist häufig schwierig (allein schon aus Erdungsgründen).
  • Der Mittelwert ist definitionsgemäß gleich null.
  • Der Gleichrichtwert ist die am leichtesten messbare Größe, hat aber außerhalb der Messtechnik nur wenig Bedeutung.
  • Der Effektivwert ist die bevorzugte Angabe, wenn Energieumsetzung von Bedeutung ist.

Der Effektivwert eines Wechselstroms entspricht dem Wert eines Gleichstroms, der in einem ohmschen Widerstand dieselbe Wärme erzeugt. Er kann mit einem effektivwertbildenden Strommessgerät gemessen werden. Aus dem Effektivwert und dem Scheitelfaktor √2 eines sinusförmigen Wechselstroms kann dessen Amplitude ı^{\displaystyle {\hat {\imath }}}image berechnet werden

ı^=2⋅Ieff{\displaystyle {\hat {\imath }}={\sqrt {2}}\cdot I_{\mathrm {eff} }}image .

Bei nicht sinusförmigem Wechselstrom ergibt sich in Abhängigkeit von der Kurvenform ein anderer Zusammenhang zwischen Scheitelwert und Effektivwert. Bei nach jeweils gleichen Zeiten zwischen +ı^{\displaystyle +{\hat {\imath }}}image und −ı^{\displaystyle -{\hat {\imath }}}image umspringendem Rechteckwechselstrom gilt beispielsweise:

ı^=Ieff{\displaystyle {\hat {\imath }}=I_{\mathrm {eff} }}image .

Falls nichts anderes angegeben wird, sind bei Wechselströmen und Wechselspannungen immer die Effektivwerte gemeint. So darf ein aus dem Stromnetz bezogener Strom mit der Angabe „maximal 2,0 A“ dennoch steigen auf

ı^=Ieff⋅2≈2,0 A⋅1,414≈2,8 A{\displaystyle {\hat {\imath }}=I_{\mathrm {eff} }\cdot {\sqrt {2}}\approx 2{,}0\ \mathrm {A} \cdot 1{,}414\approx 2{,}8\ \mathrm {A} }image .

Wechselstromwiderstände

→ Hauptartikel: Wechselstromwiderstand und Komplexe Wechselstromrechnung

Ohmscher Widerstand, Kondensator und Spule verhalten sich bei sinusförmigem Wechselstrom wie lineare Widerstände. Sie haben keinen Einfluss auf die Sinusförmigkeit, aber Kondensatoren und Spulen verursachen eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom- und Spannungsverlauf. – Nahezu alle Halbleiter verhalten sich als nichtlineare Widerstände. Für nichtlineare Widerstände und nichtsinusförmige Verläufe ist eine geschlossene Behandlung nicht möglich.

Kenngrößen der Leistung

→ Hauptartikel: Elektrische Leistung

Mit der Spannung u{\displaystyle u}image und der Stromstärke i{\displaystyle i}image, die sich mit der Zeit t{\displaystyle t}image ändern, gilt für den Augenblickswert der Leistung p{\displaystyle p}image

p=u⋅i{\displaystyle p=u\cdot i\,}image.

Bei periodischen Vorgängen gibt es zeitunabhängige Leistungsgrößen, und zwar die Wirkleistung P{\displaystyle P}image, Blindleistung Q{\displaystyle Q}image und Scheinleistung S{\displaystyle S}image.

Geschichte

Die grundlegenden Voraussetzungen des heutigen „Stromes aus der Steckdose“ schuf Michael Faraday im Jahre 1831 mit seinen Untersuchungen zur elektromagnetischen Induktion. Durch seine Grundlagenforschung war es möglich, mechanische Leistung in elektrische Leistung umzusetzen.

Die magnetoelektrischen Maschinen der ersten Epoche, etwa die der in Belgien operierenden englisch-französischen Societé anonyme de l’Alliance nach Floris Nollet, waren mit ihren Permanentmagneten sperrig und unwirtschaftlich. Um die Jahrhundertmitte wurde jedoch das dynamoelektrische Prinzip entdeckt, welches die bisher eingesetzten Stahlmagnete durch sich selbst induzierende Elektromagnete ersetzte und daher zu einer größeren Wirtschaftlichkeit führte. Der Erstentdecker, der Däne Søren Hjorth, ließ seinen Generator 1854 in England patentieren. Der nächste Erbauer einer derartigen Maschine, Ányos Jedlik, verstand es noch nicht ganz und hoffte auf eine Weiterentwicklung zum Perpetuum mobile. Werner Siemens war der dritte und erreichte 1866 mit dem dynamoelektrischen Generator einen wirtschaftlichen Durchbruch.

Um 1890 kam es zum sogenannten Stromkrieg in den Vereinigten Staaten von Amerika.

Eine wesentliche Komponente für die flächendeckende Verbreitung und Anwendung der Wechselstromtechnik war die Entwicklung des Transformators, an der zwischen 1870 und 1910 mehrere Forscher, Ingenieure und Geschäftsmänner in verschiedenen Ländern, teils unabhängig voneinander, wesentlich beteiligt waren.

Mit den Elektricitäts-Werken Reichenhall errichtete der Holzstoff-Fabrikant Konrad Fischer das erste öffentliche Wechselstromkraftwerk Deutschlands in Bad Reichenhall, welches am 15. Mai 1890 den Betrieb aufnahm. Es war das erste Wasserkraftwerk in Deutschland und das erste öffentliche E-Werk in Bayern. Über ein Vorgelege mit zwei konischen Rädern und einem Riemenantrieb übertrug eine Jonval-Turbine die Wasserkraft mit 600 min−1 auf einen Wechselstromgenerator der Firma Oerlikon in Zürich, der 2000 Volt Spannung und maximal 30 Ampere entwickelte. Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme war das Werk in der Lage, 1200 Glühlampen in Reichenhall, Karlstein und Kirchberg zu versorgen.

Die Betreiber der Niagara-Wasserkraftwerke schrieben einen Preis in Höhe von 100 000 US-Dollar für denjenigen aus, der eine Lösung zur Übertragung elektrischen Stroms über große Entfernungen entwickelt. Die Entscheidung fiel 1893 zugunsten des von Nikola Tesla und George Westinghouse entwickelten Wechselstrom-Systems.

Verwendung

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Bei der Netzfrequenz 50 Hz beträgt die Wellenlänge 6000 km, das übersteigt erheblich die Ausdehnung Deutschlands. In den meisten Wechselstrombauteilen kann daher vernachlässigt werden, dass es sich beim Wechselstrom um eine Welle handelt. Bei höheren Frequenzen wie im Bereich der Hochfrequenz tritt der Skin-Effekt (Stromverdrängung) auf, welcher zu einer Einschränkung der tatsächlich leitenden Schicht auf die äußeren Bereiche eines Leiters führt. Bei 50 Hz beträgt diese Eindringtiefe 12 mm für Aluminium und 10 mm für Kupfer. Während dies für Leitungen im Hausgebrauch nicht von Relevanz ist, werden Leitungen für höchste Ströme, z. B. in Generatoren, zuweilen als Hohlleiter ausgeführt (ein solcher Leiter kann dabei zusätzlich zur Führung von Kühlflüssigkeit genutzt werden). Bei der Energieübertragung mittels Freileitungen wird als Leiterseil oftmals eine Kombination aus Stahl und Aluminium verwendet, wobei Stahl als Kern der Zugfestigkeit dient, umgeben von Aluminium für die elektrische Leitfähigkeit.

Unter anderem lässt sich Dreiphasenwechselstrom größerer Leistung nicht über die notwendigen längeren Seekabel übertragen. Zu dem elektrischen Energieaustausch muss Gleichstrom in Form der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) verwendet werden.

Biologische Wirkung auf den Menschen

Die Wirkung und eventuelle Gefährlichkeit von Strom auf den menschlichen Körper ergibt sich unter anderem aus der Beeinflussung auf das Erregungsleitungssystem des Herzens: Dort werden Erregungen als elektrische Impulse weitergeleitet, die zur geordneten Kontraktion des Herzmuskels führen. Von außen zugeführter Strom stört diese Erregungsausbreitung, insbesondere dann, wenn er während der sogenannten vulnerablen Phase Zellen des Herzens erregt. In dieser Phase sind Teile des Herzens noch erregt – also nicht neu erregbar –, während andere Teile schon wieder auf dem Weg zum nicht-erregten Zustand sind, also teilweise schon wieder erregbar. Wird in der vulnerablen Phase eine zusätzliche Erregung ausgelöst, kann es zu ungeordneten Erregungen der Herzmuskelzellen kommen, dem Kammerflimmern. Durch die ungleichmäßigen, schnellen Kontraktionen der Herzmuskelzellen kann kein Blut mehr gepumpt werden.

Die besondere Gefährlichkeit von Wechselstrom gegenüber Gleichstrom ergibt sich daraus, dass Wechselstrom durch die schnellen Wechsel der Polarität mit höherer Wahrscheinlichkeit die vulnerable Phase trifft.

Die Folgen eines Stromunfalls mit Wechselstrom auf den Menschen hängen dabei von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von Stromart und -frequenz (s. o.) sowie der Zeitdauer, die der Strom auf den Körper wirkt. Das erklärt, warum beispielsweise ein durch einen elektrischen Weidezaun zugefügter Stromschlag weder auf Menschen noch auf Tiere bleibende Folgen hat, da die Stromimpulse zu kurz sind, um die Nervenzellen des Herzens zu erregen. Schließlich spielt auch der Weg, den der Strom durch den Körper nimmt, eine Rolle, wobei der vertikale Weg, bei dem der Strom durch alle lebenswichtigen Organe fließt, der gefährlichste ist.

Letztlich bestimmt die Stromstärke pro Fläche, also die Stromdichte, sowie deren Einwirkdauer die Auswirkungen. Beispielsweise bewirken hohe Ströme an den Ein- und Austrittstellen Verbrennungen der Haut, die Strommarken genannt werden. Einen Anhalt über die zu erwartenden Auswirkungen auf den menschlichen Körper gibt folgende Tabelle. Diese Werte sind jedoch stark abhängig von dem Stromweg und gelten nur, wenn sich der Strom über den Hautwiderstand im Körper verteilt und nicht z. B. auf den Herzmuskel konzentriert. So genügen für den Herzmuskel selbst bereits 0,01 mA, um Herzkammerflimmern auszulösen. Wenn etwa Elektroden unter der Haut oder sogar in der Nähe des Herzens oder anderer empfindlicher Organe implantiert werden, können die bei gewöhnlichen Haushaltsgeräten vergleichsweise noch zulässigen Größenordnungen von Kriechströmen hier lebensbedrohlich sein.

variiert stark nach Stromweg und Einwirkdauer
Stromstärke Wirkung
unter 0,5 mA nicht wahrnehmbar (evtl. mit der Zunge wahrnehmbar)
10 … 25 mA Kontraktionen der Fingermuskeln (Loslassgrenze), Blutdrucksteigerung, keine Auswirkung auf Erregungsleitungssystem des Herzens, für Kinder möglicherweise bereits tödlich
25 … 80 mA Bewusstlosigkeit, Arrhythmie, Blutdrucksteigerung
80 mA … 3 A Atemstillstand, Kreislaufstillstand durch Kammerflimmern bzw. Asystolie
über 3 A zusätzlich Verbrennungen

Die entsprechende Angabe von Berührungsspannungen ist nur möglich (siehe ohmsches Gesetz), wenn der entsprechende Körperwiderstand bekannt wäre. Beispielsweise im Falle des Hausstromanschlusses (230 V) und einem Körperwiderstand von näherungsweise 3 kΩ (bei Stromweg zwischen einer Fingerspitze der linken Hand und einer Fingerspitze der rechten Hand unter verschiedenen Bedingungen), ergibt sich ein Strom von ca. 75 mA, der zu den oben genannten Reaktionen und in der Folge auch zum Tod führen kann. Feuchte oder nasse Haut kann den Körperwiderstand massiv absenken. Das Berühren von Gegenständen unter Kleinspannung (U∼{\displaystyle U_{\sim }}image< 50 V) gilt für erwachsene Menschen als nicht lebensbedrohlich.

Literatur

  • Klaus Lunze: Theorie der Wechselstromschaltungen: Lehrbuch. Verlag Technik, Berlin 1991, ISBN 3-341-00984-1.
  • Heinz Rieger: Wechselspannung, Wechselstrom. Publicis Corporate Publishing, Erlangen 1992, ISBN 3-8009-4036-1.
  • Paul Vaske: Berechnung von Wechselstromschaltungen. Teubner, Stuttgart 1985, ISBN 3-519-20065-1.
  • Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik. 15. Auflage. AULA-Verlag. Wiebelsheim, ISBN 978-3-89104-747-7

Weblinks

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Commons: Wechselstrom – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
imageWiktionary: Wechselstrom – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  • Flash-Animation zum Wechselstromverlauf. Dieter Welz Unterrichtsmaterialien, abgerufen am 1. Oktober 2007. 

Einzelnachweise

  1. IEC 60050, deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE: Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch, IEV-Nummer 131-11-24.
  2. IEC 60617–2:1996, deutsche Fassung als DIN EN 60617–2:1997, Graphische Symbole für Schaltpläne; Teil 2
  3. DIN 40110-1:1994 Wechselstromgrößen – Zweileiter-Stromkreise
  4. Elektrische Energietechnik Microsoft Encarta Version: 13.0.0.0531 ©1993–2003.
  5. Toni Schmidberger: Das erste Wechselstrom-Kraftwerk in Deutschland. 1984, S. 9–33.
  6. In Search of Long Distance Hydro-Electric Transmission (englisch).
  7. Schmidt, Lang, Thews: Physiologie des Menschen. 29. Auflage. Springer, Heidelberg 2005, ISBN 3-540-21882-3, S. 556. 
  8. H.-W. Baenkler et al.: Kurzlehrbuch Innere Medizin. 1. Auflage. Thieme, Stuttgart 2007, ISBN 978-3-13-141671-1, S. 684 f. 
  9. J. Koppenberg, K. Taeger: Stromunfälle. In: Notfall & Rettungsmedizin. Nr. 4. Springer-Verlag, 2001, S. 283–298, doi:10.1007/s100490170061. 
  10. David B. Lumenta, Lars-Peter Kamolz, Manfred Frey: Stromverletzungen. In: Wiener Klinisches Magazin. Nr. 2/2009, 2009, doi:10.1007/s00740-009-0141-6 (HTML [abgerufen am 19. August 2010]). 
  11. Friedrich W. Ahnefeld: Sekunden entscheiden: Notfallmedizinische Sofortmaßnahmen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-09845-5 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 30. Oktober 2016]). 
  12. Reanimation - Empfehlungen für die Wiederbelebung. Deutscher Ärzteverlag, 2007, ISBN 978-3-7691-0529-2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 30. Oktober 2016]). 
  13. Bei direktem Kontakt mit dem Herzen führt 0,01 mA zu Herzkammerflimmern – mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,2 %… Siehe Norbert Leitgeb: Sicherheit von Medizingeräten: Recht – Risiko – Chancen. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-662-44657-7, S. 176 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 8. Juli 2016]). 
  14. Douglas C. Giancoli: Physik. Pearson Deutschland GmbH, 2006, ISBN 978-3-8273-7157-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 19. November 2016]). 
  15. Mitteldeutsche Zeitung: Experte: 0,1 Ampere können schon tödlich sein. In: Mitteldeutsche Zeitung. (mz-web.de [abgerufen am 19. November 2016]). 
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4064931-3 (GND Explorer, lobid, OGND, AKS)

Autor: www.NiNa.Az

Veröffentlichungsdatum: 25 May 2025 / 08:45

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Wechselstrom bezeichnet einen stationaren elektrischen Strom der seine Richtung Polung periodisch andert und bei dem sich positive und negative Augenblickswerte so erganzen dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist Abzugrenzen ist der Wechselstrom vom Gleichstrom der sich abgesehen von Schaltvorgangen oder Einflusseffekten zeitlich nicht andert oder in erweiterter Bedeutung der ein periodischer Strom ist dessen Gleichanteil vorrangige Bedeutung hat In der erweiterten Bedeutung handelt es sich um Mischstrom Weil sich sinusformige Wechselspannung einfach erzeugen und transformieren lasst verwendet die elektrische Energieversorgung meist diese Sie treibt durch einen linearen Widerstand Wechselstrom der auch sinusformig ist Bei nichtlinearen Widerstanden treten Verzerrungen auf indem sich im Strom zusatzliche Sinus Schwingungen mit hoheren Frequenzen Oberschwingungen ausbilden Bei der Erzeugung in rotierenden elektrischen Maschinen ist die Sinusform vorgegeben Haufig werden drei einzelne Wechselstrome in einem Dreiphasenwechselstrom System zusammengefasst und ubertragen Im Haushaltsbereich wird Einphasenwechselstrom fur Beleuchtung und fur alles was sich uber Haushaltssteckdosen anschliessen lasst bevorzugt Bei der Energieubertragung sind beim Wechselstrom dessen Wirkstrom und Blindstromanteil zu beachten Internationales Zeichen fur Wechselstrom nach IEC 60617 Hochfrequente Wechselstrome werden in der Nachrichtentechnik und in der Elektromedizin verwendet International wird Wechselstrom haufig auf englisch mit alternating current oder mit dem Kurzel AC bezeichnet das zugleich fur Wechselspannung verwendet wird Im Gegensatz dazu steht DC fur direct current womit Gleichstrom wie auch Gleichspannung gekennzeichnet werden Links Sinusformige Wechselgrosse Rechts Ihr Quadrat als ebenfalls sinusformige aber einen Gleichanteil enthaltende MischgrosseErzeugungZeitlicher Verlauf Die einfachste denkbare Form von Wechselstrom entsteht durch standig wechselnde Umpolung eines Gleichstroms Obwohl dieser Wechselstrom technisch fur die verschiedensten Anwendungen nutzbar ist wird er nicht zur grossraumigen Energiebereitstellung und Netzregelung verwendet Der Grund ist das entstehende Frequenzspektrum eines solchen Spannungsverlaufes das zusatzliche wesentlich hohere Frequenzen als nur die Grundfrequenz umfasst Zum Beispiel darf in der Funktechnik nicht mit Rechteckspannung gesendet werden weil dies andere Funkdienste storen wurde In kleinen Geraten wie Schaltnetzteilen in Computern oder Zerhackern zur Erzeugung von Hochspannung aus Batterien wird die Rechteckform verwendet weil sie technisch sehr einfach mit schaltenden Bauelementen der Leistungselektronik hergestellt werden kann Kleine Gerate lassen sich so abschirmen dass die Oberschwingungen keine Storungen anderer Gerate verursachen In der Energieversorgung wird fast nur sinusformiger Wechselstrom eingesetzt weil er keine unerwunschten Schwingungsanteile besitzt Er hat seinen Namen daher dass die Momentanwerte uber eine vollstandige Periode mit einer positiven und einer negativen Halbschwingung exakt den Werten der Sinus Winkelfunktion uber einen Vollkreis 0 360 entsprechen die grafische Darstellung des Stromes auf einer Zeitachse ergibt dabei die typische Sinuskurve Andere Graphformen wie beispielsweise Dreieckform kommen nur mit sehr geringen Leistungen in der Messtechnik der Impulstechnik der elektronischen Klangerzeugung oder der analogen Nachrichtentechnik vor Mehrphasiger Wechselstrom Sinusschwingungen im Dreiphasen system Neben Wechselstrom als Einphasen Leiterstrom werden zur Energieversorgung verkettete in ihren Phasenwinkeln versetzte Wechselstrome eingesetzt Die dazu notwendigen Spulen der Generatoren sind gleichmassig um den Kreisumfang verteilt Diese spezielle Form von Wechselstrom wird bei drei Phasenwinkeln von je 120 als Dreiphasenwechselstrom und umgangssprachlich als Drehstrom bezeichnet Die einzelnen Wechselstrome des Dreiphasensystems lassen sich unabhangig voneinander als Einzelsystem bei Kleinverbrauchern nutzen Die drei zeitlich gegeneinander verschobenen Aussenleiterstrome haben unter anderem den Vorteil dass sich damit bei gleicher ubertragener Leistung die Leiterquerschnitte in Summe verringern lassen und die Fernubertragung mit hochgespanntem Wechselstrom durch die Verkettung verlustarmer wird Zudem gibt es Drehstrom Asynchronmotoren deren Drehzahl jedoch ohne Frequenzumrichter nur in groben Stufen verandert werden kann Daruber hinaus existieren noch andere mehrphasige Wechselstromsysteme wie der Zweiphasenwechselstrom oder allgemein Mehrphasenwechselstromsysteme welche allerdings in der offentlichen elektrischen Energieversorgung keine wesentliche Bedeutung haben Wechselstromsysteme mit mehr als drei Phasen werden unter anderem bei speziellen elektrischen Antriebssystemen basierend auf Synchronmotoren eingesetzt Der Mehrphasenwechselstrom wird dabei mittels Wechselrichter und einem Zwischenkreis aus dem Dreiphasensystem gewonnen RechengrossenFrequenz und Periode Die Frequenz bezeichnet die Anzahl der Schwingungen eines periodischen Vorgangs bezogen auf das Zeitintervall fur das diese Anzahl gilt Sie wird angegeben in der Einheit Hertz mit dem Einheitenzeichen Hz Eine Periode ist das kleinste ortliche oder zeitliche Intervall nach dem sich der Vorgang wiederholt Dieser Zeitabstand heisst Periodendauer Bei einem Wechselstrom ist eine Periode z B eine aufeinanderfolgende positive und negative Halbschwingung Die Periodendauer T displaystyle T ist gleich dem Kehrwert der Frequenz f displaystyle f T 1f displaystyle T frac 1 f Die bekannteste Wechselstrom Frequenz ist 50 Hz die Netzfrequenz der offentlichen Energieversorgung in der Europaischen Union Dieser Wechselstrom hat eine Periodendauer von T50 150Hz 150s 20ms displaystyle T 50 frac 1 50 mathrm Hz frac 1 50 mathrm s 20 mathrm ms Eine Ubersicht zur Energieversorgung in anderen Landern siehe unter Landerubersicht Steckertypen Netzspannungen und frequenzen Vorzugsweise fur theoretische Berechnungen wie etwa bei der komplexen Wechselstromrechnung wird die Kreisfrequenz w displaystyle omega verwendet w 2p f displaystyle omega 2 pi cdot f Bei einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz ist w50 2p 50Hz 314s 1 displaystyle omega 50 2 pi cdot 50 mathrm Hz approx 314 mathrm s 1 Die niedrigste Wechselstrom Frequenz die mit einer gewissen Verbreitung in Deutschland Osterreich Schweiz Schweden und Norwegen eingesetzt wird ist beim Bahnstrom mit 16 7 Hz zu finden Die hochste Frequenz fur Wechselstrom ist durch die Moglichkeiten und Erfordernisse in der Funktechnik gegeben und liegt in der Grossenordnung von 300 GHz Siehe auch Liste von Grossenordnungen der Frequenz und Elektromagnetisches Spektrum Charakterisierende Werte der Stromstarke Die Darstellung fur sinusformige Wechselspannung gilt entsprechend auch fur die Stromstarke 1 Scheitelwert hier auch Amplitude 2 Spitze Tal Wert 3 Effektivwert 4 Periodendauer Der zeitabhangige Verlauf des Wechselstromes bringt bei der Angabe uber die Stromstarke Probleme mit sich Augenblickswerte oder Momentanwerte i displaystyle i sind zur Charakterisierung ungeeignet Der Scheitelwert ist die hochste unabhangig von der Polaritat erreichbare Stromstarke er ist als besonderer Augenblickswert nur bei Sinusform reprasentativ und wird dann als Amplitude bezeichnet allzu oft ist der Strom nicht sinusformig Seine Messung mittels Oszilloskop ist haufig schwierig allein schon aus Erdungsgrunden Der Mittelwert ist definitionsgemass gleich null Der Gleichrichtwert ist die am leichtesten messbare Grosse hat aber ausserhalb der Messtechnik nur wenig Bedeutung Der Effektivwert ist die bevorzugte Angabe wenn Energieumsetzung von Bedeutung ist Der Effektivwert eines Wechselstroms entspricht dem Wert eines Gleichstroms der in einem ohmschen Widerstand dieselbe Warme erzeugt Er kann mit einem effektivwertbildenden Strommessgerat gemessen werden Aus dem Effektivwert und dem Scheitelfaktor 2 eines sinusformigen Wechselstroms kann dessen Amplitude i displaystyle hat imath berechnet werden i 2 Ieff displaystyle hat imath sqrt 2 cdot I mathrm eff Bei nicht sinusformigem Wechselstrom ergibt sich in Abhangigkeit von der Kurvenform ein anderer Zusammenhang zwischen Scheitelwert und Effektivwert Bei nach jeweils gleichen Zeiten zwischen i displaystyle hat imath und i displaystyle hat imath umspringendem Rechteckwechselstrom gilt beispielsweise i Ieff displaystyle hat imath I mathrm eff Falls nichts anderes angegeben wird sind bei Wechselstromen und Wechselspannungen immer die Effektivwerte gemeint So darf ein aus dem Stromnetz bezogener Strom mit der Angabe maximal 2 0 A dennoch steigen auf i Ieff 2 2 0 A 1 414 2 8 A displaystyle hat imath I mathrm eff cdot sqrt 2 approx 2 0 mathrm A cdot 1 414 approx 2 8 mathrm A Wechselstromwiderstande Hauptartikel Wechselstromwiderstand und Komplexe Wechselstromrechnung Ohmscher Widerstand Kondensator und Spule verhalten sich bei sinusformigem Wechselstrom wie lineare Widerstande Sie haben keinen Einfluss auf die Sinusformigkeit aber Kondensatoren und Spulen verursachen eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom und Spannungsverlauf Nahezu alle Halbleiter verhalten sich als nichtlineare Widerstande Fur nichtlineare Widerstande und nichtsinusformige Verlaufe ist eine geschlossene Behandlung nicht moglich Kenngrossen der Leistung Hauptartikel Elektrische Leistung Mit der Spannung u displaystyle u und der Stromstarke i displaystyle i die sich mit der Zeit t displaystyle t andern gilt fur den Augenblickswert der Leistung p displaystyle p p u i displaystyle p u cdot i Bei periodischen Vorgangen gibt es zeitunabhangige Leistungsgrossen und zwar die Wirkleistung P displaystyle P Blindleistung Q displaystyle Q und Scheinleistung S displaystyle S GeschichteDie grundlegenden Voraussetzungen des heutigen Stromes aus der Steckdose schuf Michael Faraday im Jahre 1831 mit seinen Untersuchungen zur elektromagnetischen Induktion Durch seine Grundlagenforschung war es moglich mechanische Leistung in elektrische Leistung umzusetzen Die magnetoelektrischen Maschinen der ersten Epoche etwa die der in Belgien operierenden englisch franzosischen Societe anonyme de l Alliance nach Floris Nollet waren mit ihren Permanentmagneten sperrig und unwirtschaftlich Um die Jahrhundertmitte wurde jedoch das dynamoelektrische Prinzip entdeckt welches die bisher eingesetzten Stahlmagnete durch sich selbst induzierende Elektromagnete ersetzte und daher zu einer grosseren Wirtschaftlichkeit fuhrte Der Erstentdecker der Dane Soren Hjorth liess seinen Generator 1854 in England patentieren Der nachste Erbauer einer derartigen Maschine Anyos Jedlik verstand es noch nicht ganz und hoffte auf eine Weiterentwicklung zum Perpetuum mobile Werner Siemens war der dritte und erreichte 1866 mit dem dynamoelektrischen Generator einen wirtschaftlichen Durchbruch Um 1890 kam es zum sogenannten Stromkrieg in den Vereinigten Staaten von Amerika Eine wesentliche Komponente fur die flachendeckende Verbreitung und Anwendung der Wechselstromtechnik war die Entwicklung des Transformators an der zwischen 1870 und 1910 mehrere Forscher Ingenieure und Geschaftsmanner in verschiedenen Landern teils unabhangig voneinander wesentlich beteiligt waren Mit den Elektricitats Werken Reichenhall errichtete der Holzstoff Fabrikant Konrad Fischer das erste offentliche Wechselstromkraftwerk Deutschlands in Bad Reichenhall welches am 15 Mai 1890 den Betrieb aufnahm Es war das erste Wasserkraftwerk in Deutschland und das erste offentliche E Werk in Bayern Uber ein Vorgelege mit zwei konischen Radern und einem Riemenantrieb ubertrug eine Jonval Turbine die Wasserkraft mit 600 min 1 auf einen Wechselstromgenerator der Firma Oerlikon in Zurich der 2000 Volt Spannung und maximal 30 Ampere entwickelte Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme war das Werk in der Lage 1200 Gluhlampen in Reichenhall Karlstein und Kirchberg zu versorgen Die Betreiber der Niagara Wasserkraftwerke schrieben einen Preis in Hohe von 100 000 US Dollar fur denjenigen aus der eine Losung zur Ubertragung elektrischen Stroms uber grosse Entfernungen entwickelt Die Entscheidung fiel 1893 zugunsten des von Nikola Tesla und George Westinghouse entwickelten Wechselstrom Systems VerwendungDieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen beispielsweise Einzelnachweisen ausgestattet Angaben ohne ausreichenden Beleg konnten demnachst entfernt werden Bitte hilf Wikipedia indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfugst Bei der Netzfrequenz 50 Hz betragt die Wellenlange 6000 km das ubersteigt erheblich die Ausdehnung Deutschlands In den meisten Wechselstrombauteilen kann daher vernachlassigt werden dass es sich beim Wechselstrom um eine Welle handelt Bei hoheren Frequenzen wie im Bereich der Hochfrequenz tritt der Skin Effekt Stromverdrangung auf welcher zu einer Einschrankung der tatsachlich leitenden Schicht auf die ausseren Bereiche eines Leiters fuhrt Bei 50 Hz betragt diese Eindringtiefe 12 mm fur Aluminium und 10 mm fur Kupfer Wahrend dies fur Leitungen im Hausgebrauch nicht von Relevanz ist werden Leitungen fur hochste Strome z B in Generatoren zuweilen als Hohlleiter ausgefuhrt ein solcher Leiter kann dabei zusatzlich zur Fuhrung von Kuhlflussigkeit genutzt werden Bei der Energieubertragung mittels Freileitungen wird als Leiterseil oftmals eine Kombination aus Stahl und Aluminium verwendet wobei Stahl als Kern der Zugfestigkeit dient umgeben von Aluminium fur die elektrische Leitfahigkeit Unter anderem lasst sich Dreiphasenwechselstrom grosserer Leistung nicht uber die notwendigen langeren Seekabel ubertragen Zu dem elektrischen Energieaustausch muss Gleichstrom in Form der Hochspannungs Gleichstrom Ubertragung HGU verwendet werden Biologische Wirkung auf den MenschenDie Wirkung und eventuelle Gefahrlichkeit von Strom auf den menschlichen Korper ergibt sich unter anderem aus der Beeinflussung auf das Erregungsleitungssystem des Herzens Dort werden Erregungen als elektrische Impulse weitergeleitet die zur geordneten Kontraktion des Herzmuskels fuhren Von aussen zugefuhrter Strom stort diese Erregungsausbreitung insbesondere dann wenn er wahrend der sogenannten vulnerablen Phase Zellen des Herzens erregt In dieser Phase sind Teile des Herzens noch erregt also nicht neu erregbar wahrend andere Teile schon wieder auf dem Weg zum nicht erregten Zustand sind also teilweise schon wieder erregbar Wird in der vulnerablen Phase eine zusatzliche Erregung ausgelost kann es zu ungeordneten Erregungen der Herzmuskelzellen kommen dem Kammerflimmern Durch die ungleichmassigen schnellen Kontraktionen der Herzmuskelzellen kann kein Blut mehr gepumpt werden Die besondere Gefahrlichkeit von Wechselstrom gegenuber Gleichstrom ergibt sich daraus dass Wechselstrom durch die schnellen Wechsel der Polaritat mit hoherer Wahrscheinlichkeit die vulnerable Phase trifft Die Folgen eines Stromunfalls mit Wechselstrom auf den Menschen hangen dabei von verschiedenen Faktoren ab insbesondere von Stromart und frequenz s o sowie der Zeitdauer die der Strom auf den Korper wirkt Das erklart warum beispielsweise ein durch einen elektrischen Weidezaun zugefugter Stromschlag weder auf Menschen noch auf Tiere bleibende Folgen hat da die Stromimpulse zu kurz sind um die Nervenzellen des Herzens zu erregen Schliesslich spielt auch der Weg den der Strom durch den Korper nimmt eine Rolle wobei der vertikale Weg bei dem der Strom durch alle lebenswichtigen Organe fliesst der gefahrlichste ist Letztlich bestimmt die Stromstarke pro Flache also die Stromdichte sowie deren Einwirkdauer die Auswirkungen Beispielsweise bewirken hohe Strome an den Ein und Austrittstellen Verbrennungen der Haut die Strommarken genannt werden Einen Anhalt uber die zu erwartenden Auswirkungen auf den menschlichen Korper gibt folgende Tabelle Diese Werte sind jedoch stark abhangig von dem Stromweg und gelten nur wenn sich der Strom uber den Hautwiderstand im Korper verteilt und nicht z B auf den Herzmuskel konzentriert So genugen fur den Herzmuskel selbst bereits 0 01 mA um Herzkammerflimmern auszulosen Wenn etwa Elektroden unter der Haut oder sogar in der Nahe des Herzens oder anderer empfindlicher Organe implantiert werden konnen die bei gewohnlichen Haushaltsgeraten vergleichsweise noch zulassigen Grossenordnungen von Kriechstromen hier lebensbedrohlich sein variiert stark nach Stromweg und Einwirkdauer Stromstarke Wirkungunter 0 5 mA nicht wahrnehmbar evtl mit der Zunge wahrnehmbar 10 25 mA Kontraktionen der Fingermuskeln Loslassgrenze Blutdrucksteigerung keine Auswirkung auf Erregungsleitungssystem des Herzens fur Kinder moglicherweise bereits todlich25 80 mA Bewusstlosigkeit Arrhythmie Blutdrucksteigerung80 mA 3 A Atemstillstand Kreislaufstillstand durch Kammerflimmern bzw Asystolieuber 3 A zusatzlich Verbrennungen Die entsprechende Angabe von Beruhrungsspannungen ist nur moglich siehe ohmsches Gesetz wenn der entsprechende Korperwiderstand bekannt ware Beispielsweise im Falle des Hausstromanschlusses 230 V und einem Korperwiderstand von naherungsweise 3 kW bei Stromweg zwischen einer Fingerspitze der linken Hand und einer Fingerspitze der rechten Hand unter verschiedenen Bedingungen ergibt sich ein Strom von ca 75 mA der zu den oben genannten Reaktionen und in der Folge auch zum Tod fuhren kann Feuchte oder nasse Haut kann den Korperwiderstand massiv absenken Das Beruhren von Gegenstanden unter Kleinspannung U displaystyle U sim lt 50 V gilt fur erwachsene Menschen als nicht lebensbedrohlich LiteraturKlaus Lunze Theorie der Wechselstromschaltungen Lehrbuch Verlag Technik Berlin 1991 ISBN 3 341 00984 1 Heinz Rieger Wechselspannung Wechselstrom Publicis Corporate Publishing Erlangen 1992 ISBN 3 8009 4036 1 Paul Vaske Berechnung von Wechselstromschaltungen Teubner Stuttgart 1985 ISBN 3 519 20065 1 Gert Hagmann Grundlagen der Elektrotechnik 15 Auflage AULA Verlag Wiebelsheim ISBN 978 3 89104 747 7WeblinksCommons Wechselstrom Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Wiktionary Wechselstrom Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Flash Animation zum Wechselstromverlauf Dieter Welz Unterrichtsmaterialien abgerufen am 1 Oktober 2007 EinzelnachweiseIEC 60050 deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE Internationales Elektrotechnisches Worterbuch IEV Nummer 131 11 24 IEC 60617 2 1996 deutsche Fassung als DIN EN 60617 2 1997 Graphische Symbole fur Schaltplane Teil 2 DIN 40110 1 1994 Wechselstromgrossen Zweileiter Stromkreise Elektrische Energietechnik Microsoft Encarta Version 13 0 0 0531 c 1993 2003 Toni Schmidberger Das erste Wechselstrom Kraftwerk in Deutschland 1984 S 9 33 In Search of Long Distance Hydro Electric Transmission englisch Schmidt Lang Thews Physiologie des Menschen 29 Auflage Springer Heidelberg 2005 ISBN 3 540 21882 3 S 556 H W Baenkler et al Kurzlehrbuch Innere Medizin 1 Auflage Thieme Stuttgart 2007 ISBN 978 3 13 141671 1 S 684 f J Koppenberg K Taeger Stromunfalle In Notfall amp Rettungsmedizin Nr 4 Springer Verlag 2001 S 283 298 doi 10 1007 s100490170061 David B Lumenta Lars Peter Kamolz Manfred Frey Stromverletzungen In Wiener Klinisches Magazin Nr 2 2009 2009 doi 10 1007 s00740 009 0141 6 HTML abgerufen am 19 August 2010 Friedrich W Ahnefeld Sekunden entscheiden Notfallmedizinische Sofortmassnahmen Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 662 09845 5 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 30 Oktober 2016 Reanimation Empfehlungen fur die Wiederbelebung Deutscher Arzteverlag 2007 ISBN 978 3 7691 0529 2 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 30 Oktober 2016 Bei direktem Kontakt mit dem Herzen fuhrt 0 01 mA zu Herzkammerflimmern mit einer Wahrscheinlichkeit von 0 2 Siehe Norbert Leitgeb Sicherheit von Medizingeraten Recht Risiko Chancen Springer Verlag 2015 ISBN 978 3 662 44657 7 S 176 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 8 Juli 2016 Douglas C Giancoli Physik Pearson Deutschland GmbH 2006 ISBN 978 3 8273 7157 7 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche abgerufen am 19 November 2016 Mitteldeutsche Zeitung Experte 0 1 Ampere konnen schon todlich sein In Mitteldeutsche Zeitung mz web de abgerufen am 19 November 2016 Normdaten Sachbegriff GND 4064931 3 GND Explorer lobid OGND AKS

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