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Der Transformator

  • Aufbau

 

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die mit einem Eisenkern verbunden sein können.

Die Spulen werden Primärspule bzw. Feldspule und Sekundärspule bzw. Induktionsspule genannt.

Primär- und Sekundärspule sind NICH elektrisch leitend verbunden.

Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben. Jede Änderung eines Magnetfeldes induziert einen Strom.

Der Eisenkern hat hier die Aufgabe das Magnetfeld zu "bündeln".

Der Transformator würde auch ohne Eisenkern funktionieren, jedoch wäre die Übertragung wesentlich schlechter.

Fließt ein Strom durch die Primärspule, dann baut sich um die Primärspule ein Magnetfeld auf. Fließt ein Wechselstrom durch die Primärspule, dann ändert sich in der gleichen Frequenz auch die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes.

Dieses magnetische Wechselfeld wird über den Eisenkern auf die Sekundärspule übertragen. Das veränderte Magnetfeld induziert hier einen Stromfluss.

Im Leerlauf, also im unbelasteten Fall  (Spulenenden offen) , kann an den Enden der Sekundärspule die Sekundärspannung U2 gemessen werden.

Das Verhältnis von Primärspannung U1  und Sekundärspannung U2 ist von den Windungszahlen bzw. Dem Verhältnis der Windungszahlen von Primärspule N1 und Sekundärspule N2 abhängig.

Für den unbelasteten Transformator gilt: è

"Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen. "

Gleichung 1

 

Ist die Sekundärseite des Trafos nicht offen, dann fließt hier ein Strom. Die Stärke des Stromes I2 ist von der Belastung abhängig.

Dieser Strom I2 ist auch von einem Magnetfeld umgeben. Dieses Magnetfeld ist nach der Lenzschen  Regel so gerichtet, dass es der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Je größer also der Strom I2 ist, desto stärker ist das Magnetfeld.

Dieses Magnetfeld wirkt also auch primärseitig und ist für den Primärstrom I1 verantwortlich.

Es gilt:  è

"Die Ströme verhalten sich zu den Windungszahlen umgekehrt proportional."

Gleichung 2

Für den idealen Transformator gilt: è

 
 

Gleichung 3

 

Experimentell werden die Ergebnisse je nach Güte und Belastung des Transformators von der aufgestellten Gleichung abweichen.

  • Warum???

Beim Aufbau der magnetischen Felder richten sich die Weißschen Bezirke (Elementarmagneten) im Kern aus. Diese werden mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung (im Normalfall 5o Hz, also 50 mal pro Sekunde) immer neu ausgerichtet. Dabei kommt es im Kern zu einer Erwärmung. Diese Erwärmung stellt einen Verlust dar.

Ferner treten durch den ohmschen Widerstand der Leitungen weitere Verlust auf.

Durch die Wahl hochwertigerer Kerne kann der Verlust minimiert werden. Hierbei verwendet man keine Kerne aus Volleisen, sondern geblätterte Kerne oder gesinterte (aus "Eisenfeilspänen" gepresst) Kerne. Hierdurch wird die Hysterese (Erklärung in Klasse 12) des Kerns schmaler und die Energie, die zum Ummagnetisieren des Kerns aufgebracht werden muss geringer. Der Kern erwärmt sich auch weniger stark.

  • Transformator - Hochstrom

Zum Schmelzen des Nagels ist eine hohe Temperatur und somit ein hoher Strom erforderlich.

Also müssen wir nach Gleichung 2 einen Transformator wählen, der primärseitig mehr Windungen hat.

In diesem Fall haben wir  folgenden  Transformator gewählt:

N1 = 300 Wdgn.      N2 = 6 Wdg.

D.H. dass der Sekundärstrom 50 mal höher ist als der Primärstrom. Bei einer Absicherung des Primärkreisen mit 10A können also auf der Sekundärseite des Trafos Ströme von  maximal 500A fließen. Das reicht zum Schmelzen des Nagels aus.

F Videos vom Experiment:
  •  Transformator - Hochspannung
   
     
     
     
F Videos vom Experiment:
 
     
  • Energieübertragung - Transformation

... in Arbeit . .........   

 

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