Der transformator

Was ist ein Transformator? Auf der elektromagnetischen Induktion beruhendes Gerät zur Erhöhung oder Herabsetzung elektrischer Wechsel- und Gleichspannungen. Wozu braucht man Transformatoren? Um die Erwärmung von Überlandleitungen durch sehr große Ströme zu begrenzen, können dickere und damit teuere Leitungen verwendet oder hohe Spannungen zur Übertragung benutzt werden. Mit Transformatoren kann man auf einfache Weise Spannung herauf- und herabsetzten. Hochstromtransformatoren benutz man zum schweißen. Andere Transformatoren findet man in Netzgeräten für Kleingeräte, wie z.B.

Walkman. Wie ist der Transformator aufgebaut? Alle Transformatoren wandeln elektrische Energie in der Primärspule über magnetische Energie im gemeinsamen Eisenkern wieder in elektrische Energie in der Sekundärseite um. Dabei ist immer der Energieerhaltungssatz erfüllt. Der Transformator bestehend aus zwei Spulen, einer Primärspule (Windungszahl N1) und einer Sekundärspule (Windungszahl N2), die entweder auf den Schenkeln eines einfach geschlossenen Eisenkerns (Kerntrafo) oder auf dem mittleren Schenkel eines zweifach geschlossenen Eisenkerns (Manteltrafo), sitzen. Kerntransformator Manteltransformator Wie funktioniert ein Transformator? Legt man an die Primärspule eine Wechselspannung U1 mit der Frequenz v, so erzeugt der im Stromkreis A fließende Wechselstrom I ein Magnetfeld, das sich mit derselben Frequenz v in Größe und Richtung ändert. Dadurch wir in der Sekundärspule eine Wechselspannung U2 induziert, deren Frequenz mit derjenigen von U1 übereinstimmt.

Messungen von U1 und U2 bei verschiedenen Windungszahlen N1 und N2 der Spulen ergeben bei unbelasteter Sekundärspule annähernd die Beziehung:   Bei belasteter Sekundärspule gilt dagegen: Schaltplan: Meßwertetabelle: Meßung Nr. N1 N2 U1 in V U2 in V N1/N2 U1/U2 1 600 150 50 12,5 4 4 2 600 300 50 25 2 2 3 600 600 50 50 1 1 4 600 1200 50 100 0,5 0,5 5 300 150 50 25 2 2 6 300 300 50 50 1 1 7 300 600 50 100 0,5 0,5 8 300 1200 50 200 0,25 0,25 Um nun im Sekundärstromkreis eine möglichst hohe Spannung zu erhalten, muß man eine geringe Windungszahl N1 mit einer hohen Windungszahl N2 kombinieren. Was ist ein unbelasteter- und belasteter Transformator? Beim unbelasteten Transformator verhalten sich die Primär- und Sekundärspannung wie die Windungszahlen der entsprechenden Spulen: Beim belasteten Transformator verhalten sich die Stromstärken angenähert umgekehrt wie die Windungszahlen der entsprechenden Spulen: Was ist Selbstinduktion? Ändert sich in einer Spule die Stromstärke und damit das von ihr umschlossene Magnetfeld, dann tritt an dieser eine Selbstinduktionsspannung auf. Sie verzögert die sie verursachende Stromstärkeänderung. Dabei wird elektrische in magnetische Energie umgewandelt und umgekehrt. Das Magnetfeld der Spule ist Träger der Energie.

Warum treten Energieverluste auf? Der Eisenkern eines Transformators wird durch den primären Wechselstrom in sehr schneller Folge ummagnetisiert. Dazu ist elektrische Energie nötig, die zum Teil im Eisenkern thermisch frei wird und "verloren" geht. Diese Verluste kann man durch die Wahl besonderer Eisensorten niedrig halten. Andererseits wird durch das veränderliche magnetische Feld der Primärspule in jedem Leiter in ihrer Nähe eine Induktionsspannung erzeugt, z.B. in der Sekundärspule, aber auch im Eisenkern.

Dort entstehen Wirbelströme, und der Eisenkern wird erwärmt. Um diesen Effekt zu minimieren, benutzt man Eisenkerne aus vielen Spezialblechen (0,3mm dünn, gegeneinander isoliert) Wovon ist der Wirkungsgrad eines Transformators abhängig? Transformatoren haben einen Wirkungsgrad Ps:Pp bis zu 0,95! Die Energie-"Verluste" sind durch die ohmschen Widerstände der Kupferdrähte der Spulen sowie durch die Magnetisierung des Eisenkerns und das Auftreten von Wirbelströmen bedingt. Folgende Gleichung ist zur Berechnung des Wirkungsgrades erforderlich:   Schaltplan: Meßwertetabelle: Wirkungsgrad eines Transformators bei unterschiedlicher Belastung Belastung U1 in V I1 in mA U2 in V I2 in mA Wirkungsgrad h Eine Glühlampe 11,2 0,25 3,6 0,1 0,12857 Zwei Glühlampen 11 0,35 1,2 0,3 0,09351 Drei Glühlampen 11 0,3 0,8 0,3 0,07272 Das heißt also, je größer die Sekundärstromstärke bzw. je geringer die Sekundärspannung, desto geringer der Wirkungsgrad. Meßwertetabelle: Wirkungsgrad eines Transformators ohne I-Kern: Belastung U1 in V I1 in mA U2 in V I2 in mA Wirkungsgrad h Eine Glühlampe 11 0,5 0,6 0,1 0,01091 Zwei Glühlampen 11 0,6 0,3 0,25 0,01136 Drei Glühlampen 11 0,6 0,05 0,15 0,00136   Ohne Induktionskern nimmt der Wirkungsgrad eines Transformators erheblich ab. Quellennachweis Joachim Grehn Metzler Physik Diesterweg Einführung in die Physik Schülerduden Die Physik

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