Phasenverschiebung

Bei einem Heizstab erreichen Spannung und Strom ihren Höchstwert gleichzeitig. Man sagt: Sie sind in Phase.

Bei Motoren, Spulen und Kondensatoren ist das anders: Der Strom kommt früher oder später an seinem Höchstwert an als die Spannung. Wie zwei Läufer im Kreis, von denen einer immer ein Stück hinterherläuft.

Diesen Versatz nennt man Phasenverschiebung. Man gibt ihn als Winkel φ (phi) an. Sie ist der Grund für Blindleistung und dafür, dass auf Motoren der Leistungsfaktor cos φ steht.

• Spule (induktiv): Eine Spule baut ein Magnetfeld auf und wehrt sich gegen jede Stromänderung. Der Strom hinkt deshalb hinterher. Bei einer idealen Spule beträgt die Verschiebung 90°. Motoren, Transformatoren und Drosseln verhalten sich induktiv.
• Kondensator (kapazitiv): Ein Kondensator muss erst geladen werden, bevor sich Spannung an ihm aufbaut. Der Strom fließt also zuerst, die Spannung folgt. Bei einem idealen Kondensator eilt der Strom 90° voraus.
• Echte Verbraucher: bestehen aus Widerstand und Spule oder Kondensator. Ihr Winkel liegt zwischen 0° und 90°.

Foto: D-Kuru, „Inductor for a fluorescent lamp PNr°0019“, Lizenz: CC BY-SA 3.0 AT, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.

Eine volle Schwingung entspricht 360° und dauert die Periodendauer T, im Netz 20 ms. Daraus lässt sich der Winkel in eine Zeit umrechnen und umgekehrt.

Ein anderer Fall von Phasenverschiebung begegnet dir im Drehstromsystem: Dort sind die drei Außenleiterspannungen jeweils um 120° gegeneinander verschoben. Genau daraus entsteht das Drehfeld für Motoren.

Mit einem Zweikanal-Oszilloskop zeigst du Spannung und Strom gleichzeitig an. Den Strom misst du dafür mit einer Stromzange mit Spannungsausgang oder über einen kleinen Messwiderstand. Dann misst du den zeitlichen Abstand zwischen zwei gleichartigen Nulldurchgängen und rechnest ihn in einen Winkel um.

In der Praxis zeigen Leistungsmessgeräte und Netzanalysatoren den Leistungsfaktor direkt an. Viele moderne Multimeter mit Leistungsfunktion können das ebenfalls.

• Vor- und Nacheilen verwechselt: Bei Spulen und Motoren eilt der Strom nach, bei Kondensatoren vor. Die Merkhilfe hilft.
• Halbe Periode als ganze genommen: Für die Umrechnung zählt die volle Periodendauer von 20 ms, nicht die Halbperiode.
• Phasenverschiebung mit Drehstrom-Versatz verwechselt: Die 120° im Drehstromnetz beschreiben den Versatz der drei Spannungen untereinander, φ den Versatz zwischen Strom und Spannung eines Verbrauchers.