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gehe zu: Transformator Zwei
wesentliche Anwendungen des Induktionsprinzips sind „der Ge- nerator“
und „der Transformator“. Das Prinzip des Generators wurde schon im
ersten Kapitel zur Induktion beschrieben. Wir kümmern uns in
diesem Kapitel jetzt um den Transformator. Wie der Name schon sagt,
handelt es sich um ein Gerät, welches Umwandlungen vornimmt, und zwar
werden Spannungen verkleinert oder vergrößert. Aufbau Den üblichen Aufbau kann man in der folgenden Abbildung sehen:
Quelle. wikipedia Aufbau: Es gibt zwei Spulen, eine Primarspule und eine Sekundärspule. Diese Spulen haben meist unterschiedliche Windungszahlen. Der Primär- spule wird eine Wechselspannung zugeführt. An der Sekundärspule wird eine Spannung abgegriffen. Beide Spulen sind häufig über einen Eisenkern miteinander verbunden. Einen typischer Schultransformator sieht so aus:
Quelle: wikipedia
(mit Benennungen ergänzt) Funktion: Meist hat man die Absicht mit einem Transformator die vorgegebene Primärspannung zu verändern. Die Sekundärspannung hat also einen anderen Wert als die Primärspannung. Dies hängt vom Verhältnis der Windungszahlen ab. Folgende Messergebnisse bestätigen dies noch einmal: Primärspannung = 10 V, nPrimär = 140 (Phywe-Spulen)
Entstehung der Sekundärspannung Wichtig ist zunächst, dass auf der Primarseite eine Wechselspannung zugeführt wird. Mit Gleichstrom gibt es keine Sekundärspannung. Diese Wechselspannung führt über die Stromstärke zu einem Mag- netfeld, welches mit der Frequenz der Spannung seine Stärke ändert (s. Magnetfeld einer Spule). Dieses Magnetfeld greift auch in die Umgebung der Primärspule aus. Da der Eisenkern selber mag- netisch wird und das Magnetfeld verstärkt, liegt in der Hauptsache das Magnetfeld im Eisenkern vor. Somit gelangt das sich ändernde Mag- netfeld über den Eisenkern auch auf die Sekundärseite. Hier liegt jetzt also innerhalb der Sekundärspule ein sich änderndes Magnetfeld vor. Dies führt nach dem Induktionsgesetz 2. Teil zu einer Spannung inner- halb der Sekundärspule. Nach dem Induktionsgesetz hängt diese von der Windungszahl der Sekundärspule ab. (s. Induktionsgesetz). Wir können also schon einmal festhalten USekundär ~ nSekundär wegen des Induktionsgesetzes. Komplexer ist es zu erklären, dass auch die Primärspannung von der Windungszahl der Primärspule abhängt. Für eine exakte Darstellung muss man die Gesetze des Wechsel- stromkreises kennen, die z.Z. (2025) aber nicht mehr in der Oberstufen- physik (NRW) unterrichtet werden. Eine Kurzerläuterung könnte so aussehen: Geht man davon aus, dass der Ohmsche Widerstand keine Rolle spielt, ergibt sich, dass die Selbstinduktionsspannung der anliegenden Spannung entspricht, d.h. U(t) = − Uind(t) = nprimär ∙ A ∙ dB/dt, somit würde gelten UPrimär ~ nPrimär Transformatorformel Spannungen Es ergibt sich dann die sogenannte Transformatorformel oder das Transformatorgesetz.
Man sieht, dass dies für die obigen Messergebnisse in etwa passt. Die Werte sind alle etwas niedriger als die Formel vorhersagt. Dies hängt damit zusammen, dass es bei der Übertragung über den Eisenkern leider immer Verluste gibt, so dass die Energieübertragung nie zu 100% funktioniert (s.unten: Extrakapitel). Wenn keine Verluste auf- treten würden, spricht man von einem idealen Transformator. Transformatorformel Stromstärken Im Fall eines idealen Transformators lässt sich auch schnell eine For- mel für das Verhältnis der Stromstärken gewinnen. Falls kein Energieverlust vorliegt, gibt es auch keinen Leistungsunter- schied zwischen den beiden Transformatorseiten. Es gilt also
Wir halten also fest:
Die Stromstärken verhalten sich also umgekehrt wie die Spannungen. Wenn man auf der Sekundärseite hohe Spannungen hat, liegen dafür dann niedrige Stromstärken vor. Übrigens spricht man bei einem Transformator, bei dem auf der Se- kundärseite eine Stromstärke auftritt, also ein geschlossener Strom- kreis vorliegt, von einem belasteten Transformator. Video: Transformatorgesetz Im Folgenden sieht man in dem Video der LMU einmal Messungen zur Spannungsänderung. Hinweis:
In allen Videos zum Thema werden relativ wenige Messungen durchgeführt.
Meiner Meinung nach wären
sehr viele Messungen mit den 140 Spulen von Phywe (s.oben) möglich. Leider habe
ich selber dazu kein Video aufgenommen.
Quelle: LMU In der Videoliste kann man sich noch weitere Videos zum Transforma- tor ansehen. Extra: realer Transformator - Verluste Bei einem belasteten Transformator treten mehrere Energieverluste auf, die dafür sorgen, dass der Wirkungsgrad nie 100% sein wird. Man unterscheidet im Allgemeinen zwei Sorten von Verlusten: 1.) Eisenverluste: Dies sind Verluste die sich auf den Eisenkern be- ziehen und durch die Magnetisierung mittels Wechselstrom auftreten. 2.) Kupferverluste: Hier handelt es sich um Verluste, die auf den Stromfluss in den Spulen zurückzuführen sind. Die größten Verlustarten sind hier Wirbelstromverluste und Hysterese- verluste. 1.a.) Wirbelstromverluste: Da der Eisenkern von einem sich ändernden Magnetfeld durchsetzt wird, entstehen in ihm aufgrund von Induktion Wirbelströme. Um die Entstehung weitgehend zu reduzieren, wird der Kern aus einzelnen isolierten Blechen aufgebaut, so dass eine großflächige Wirbelstrom- bildung unterbunden wird. Folgendes Video zeigt einmal die Verhältnisse anschaulich:
Quelle: videoliste wirbelstroeme- video 1 ausschnitt 1.b.) Hystereseverluste Durch das äußere Spulenmagnetfeld Berr wird im Trafokern durch die Magnetisierung eine Gesamtmagnetfeldstärke Bges erzeugt. Diese Feldstärken verlaufen aber nicht im Einklang. Folgende Abbildung zeigt dies einmal.
Die Hystereseschleife
lässt sich mit der Neuorientierung der Weiss- Bezirke und der Änderung der Bloch-Wände erklären. Hierfür wird Energie benötigt, die sich letztendlich als Wärmeenergie, die Hystere-sewärme, bemerkbar macht. 1.c.) Magnetostriktion Eine geringere Rolle spielen mechanische Verluste, die durch eine Verlängerung und Verkürzung des Eisenkerns auftreten. Man spricht vom Phänomen der Magnetostriktion. Man kann diese Längenänder- ungen im Rhythmus der Frequenz am „Brummen“ des Transformators erkennen. Technisch kann man die Magnetostriktion zum Bau von Ultraschallsendern benutzen. Hierunter versteht man die Wärmeenergieverluste, die durch den Widerstand des Spulenmaterials auftreten. Bei niedrigen Frequenzen geht es meist um den ohmschen Widerstand des Materials. Bei hohen Frequenzen kann noch der „Skineffekt“ hinzukommen, der dazu führt, dass der Strom nur noch an der Oberfläche der Strom- kabel fließt. Hinweis: realer Transformator - Wechselstromphysik Da bei einem Transformator Wechselstrom fließt, muss man sich eigentlich mit der Physik des Wechselstromkreises (induktive Wider- stände, Phasenverschiebungen, Zeiger-Diagramme) beschäftigen, um die Verhältnisse am Transformator ganz genau zu verstehen. Hierauf wird in diesem Kapitel z.Z. keine Rücksicht genommen. Hinweis:
Z.Z. (2025) wird dieses Thema nicht mehr in der Oberstufe (NRW) unterrichtet. Wahrscheinlich
schreibe ich hierzu noch ein umfangreiches Kapitel. Dann kann ich darauf verweisen.
Also etwas Geduld. zur Videoliste: Einführung Transformator gehe zu: zurück zum Kapitel: weiter zum Kapitel
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