Der Transformator
Ein Transformator ist ein Bauteil, das eine hohe Wechselspannung in eine niedrige oder umgekehrt umwandelt. Er besteht aus einer Eingangsspule, einer Ausgangsspule und einem Transformatorkern. Bei Betrieb mit Wechselspannung erzeugt die Eingangsspule einen magnetischen Fluss, der eine Spannung in der Ausgangsspule induziert. Das Spannungsverhältnis hängt von den Windungszahlen der Spulen ab. Lerne, wie man Transformator im Alltag verwendet!
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Grundlagen zum Thema Der Transformator
Was ist ein Transformator?
Vielleicht ist es dir gar nicht bewusst, aber du hattest sehr wahrscheinlich schon oft einen Transformator in der Hand. Ein elektronischer Transformator ist ein Bauteil, das zum Beispiel in Netzteilen für elektronische Geräte Verwendung findet. Manchmal wird er auch kurz als Trafo bezeichnet.
Ein Transformator ist ein mit Wechselspannung betriebenes Gerät, mit dem Ströme und Spannungen definiert verändert werden können. Es besteht im Wesentlichen aus zwei oder mehr Spulen, die durch einen Eisenkern miteinander gekoppelt sind.
Transformator – Funktion
Das Wort transformare kommt ursprünglich aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie umwandeln. Ein Transformator macht einfach erklärt genau das: Er wandelt eine hohe Wechselspannung in eine niedrige um – oder eine niedrige in eine hohe. Das deutsche Stromnetz liefert beispielsweise eine Wechselspannung von $\pu{230 V}$. Möchte man ein Gerät benutzen, das mit einer anderen Spannung betrieben wird, muss die Netzspannung umgewandelt, also transformiert werden. Deswegen benötigen viele elektrische Geräte oder ihre Netzteile Transformatoren.
Wusstest du schon?
In den rund 150 Jahren seit der Erfindung des Transformators hat sich seine grundsätzliche Funktionsweise kaum verändert. Moderne Transformatoren sind zwar effektiver und sicherer geworden, aber sie basieren immer noch auf den gleichen Prinzipien wie die ersten Modelle aus dem 19. Jahrhundert. Das zeigt, wie genial die ursprüngliche Erfindung war!
Transformator – Aufbau
Ein Transformator besteht in seiner einfachsten Ausführung aus einer Eingangsspule, einer Ausgangsspule und dem Transformatorkern. Die Spulen sind beide um den Kern gewickelt. Der Kern ist in der Regel ein Eisenjoch, also ein geschlossener Kreis, durch den der magnetische Fluss ungestört fließen kann.
Dieser Aufbau spiegelt sich auch im Transformatorschaltzeichen wider. Beides siehst du in der folgenden Abbildung:
Die Eingangsspule wird auch Primärspule genannt. Sie hat die Windungszahl $N_1$ und hier liegt die Eingangsspannung $U_1$ an. Die Ausgangsspule wird auch Sekundärspule genannt. Sie hat die Windungszahl $N_2$ und dort kann die transformierte Ausgangsspannung $U_2$ abgegriffen werden.
Spulen
Die Ausgangsspule, auch Sekundärspule genannt, bildet mit dem Verbraucher oder Messgerät den Sekundärkreislauf. Die Eingangs- oder Primärspule bildet mit der Spannungsquelle den Primärkreislauf. Sie erzeugt bei Betrieb mit Wechselspannung einen ständig wechselnden magnetischen Fluss.
Eisenkern
Eisenkerne sind ein wesentlicher Bestandteil von Transformatoren, sie dienen zur Leitung des magnetischen Flusses. Dabei sind einige Aspekte von Bedeutung:
- Wahl des Materials: Eisen wird in Transformatoren als Kernmaterial verwendet, weil es eine hohe magnetische Permeabilität hat. Dies bedeutet, dass es magnetische Felder gut leitet, was es ideal für die Transformation von elektrischer Energie macht.
- Arten von Eisenkernen: Es gibt verschiedene Arten von Eisenkernen, die in Transformatoren verwendet werden. Hier sind zwei häufig verwendete Typen:
Massive Eisenkerne: Diese sind aus massiven Eisenstücken gefertigt. Sie sind stark und beständig, aber sie können auch viel Energie in Form von Abwärme verlieren, was sie weniger effizient macht.
Laminierte Eisenkerne: Diese bestehen aus dünnen Eisenplatten, die isoliert und dann gestapelt werden. Diese Bauweise reduziert die Energieverluste durch Wirbelströme und Wärmeentwicklung und macht diese Kerne effizienter. - Energieverluste minimieren: Wie bereits erwähnt, können Eisenkerne Energie in Form von Wärme verlieren. Dies geschieht durch zwei Hauptmechanismen:
Verluste durch Hysterese: Dies sind Energieverluste, die auftreten, wenn das Magnetfeld im Eisenkern ständig umgekehrt wird (was bei Wechselstrom der Fall ist). Um diese zu minimieren, wird in modernen Transformatoren oft speziell behandeltes Eisen verwendet.
Verluste durch Wirbelströme: Diese Ströme werden durch das wechselnde Magnetfeld im Kern erzeugt bzw. induziert und führen ebenfalls zu Energieverlusten in Form von Wärme. Laminierte Eisenkerne sind effektiv bei der Minimierung dieser Verluste, da die Isolierung zwischen den Platten den Stromfluss einschränkt.
Wie funktioniert ein Transformator?
Jetzt können wir auf die Funktion des Transformators eingehen. Wir unterscheiden hier zwischen unbelastetem und belastetem Transformator.
Kennst du das?
Vielleicht hast du schon einmal bemerkt, dass ein Handy‑Ladegerät schnell heiß wird, wenn es angeschlossen ist. Das liegt daran, dass im Inneren des Ladegeräts ein Transformator arbeitet. Dieser Transformator wandelt die hohe Spannung aus der Steckdose in eine niedrigere Spannung um, mit der das Handy sicher aufgeladen werden kann. Der Transformator arbeitet dabei nicht ganz verlustfrei, das heißt, es geht Energie „verloren“, die in Form von Wärme freigesetzt wird.
Indem du mehr über den Transformator lernst, verstehst du, wie elektrische Geräte sicher mit Strom versorgt werden.
Unbelasteter Transformator
Wir schauen uns zunächst einen idealen, unbelasteten Transformator und seine Funktion in einem einfachen Schaltplan an. Ideal bedeutet in diesem Zusammenhang, dass wir Verluste vernachlässigen. Ein Transformator im Schaltkreis und eine Detailskizze des Transformators sind in der folgenden Abbildung gezeigt:
An der Spule mit der Windungszahl $N_1$ liegt eine Wechselspannung $U_1$ an. Diese Spule erzeugt ein Magnetfeld und damit den magnetischen Fluss $\Phi$ im Eisenkern. Der magnetische Fluss ändert aufgrund der Wechselspannung durchgehend seine Größe und Richtung und induziert daher eine Spannung $U_2$ in der rechten Spule mit der Windungszahl $N_2$.
Beim unbelasteten Transformator ist kein elektrischer Energiewandler („Verbraucher“) an die Sekundärspule angeschlossen. Es fließt kein Strom im Sekundärkreis. Man spricht auch von Leerlauf.
Ein Transformator kann übrigens nicht mit Gleichstrom betrieben werden. Bei Gleichstrom gäbe es nach dem Einschaltvorgang keine Änderung des magnetischen Flusses mehr (also nur eine einmalige, kurzzeitige Änderung) und demzufolge auch keine Induktion bzw. Umwandlung mehr.
Ganz allgemein können wir eine Induktionsspannung, die durch die Änderung eines magnetischen Flusses erzeugt wird, so ausdrücken:
$U_{i} = -N \dfrac{d \Phi }{dt} ~\Leftrightarrow~ \dfrac{U_i}{N}= - \dfrac{d \Phi }{dt}$
Da im Sekundärkreislauf kein Verbraucher angeschlossen ist, wird dort kein Strom verbraucht. Es handelt sich demnach um einen unbelasteten Transformator. Außerdem betrachten wir den idealisierten Fall – ohne Verluste. Wir können deshalb annehmen, dass der durch die Eingangsspule induzierte magnetische Fluss genauso groß ist wie der, der wiederum die Spannung $U_2$ in der Ausgangsspule induziert. Mit dieser Überlegung ergibt sich die folgende Gleichung:
$\dfrac{U_1}{N_1} = \dfrac{U_2}{N_2} ~\left(=- \dfrac{d \Phi}{dt} \right)$
Man sieht schon an dieser Gleichung, dass das Spannungsverhältnis von den Windungszahlen der Primär- und Sekundärspule abhängt. Um es noch deutlicher zu machen, stellen wir die Gleichung nach $U_2$ um:
$U_2 = U_1 \cdot \dfrac{N_2}{N_1}$
Ist $N_2 > N_1$, dann ist $U_2 > U_1$, das heißt, die Spannung wird hochtransformiert.
Im Gegensatz dazu wird die Spannung niedriger, wenn $N_2 < N_1$ ist.
Man nennt das Verhältnis $\dfrac{U_1}{U_2}$ auch Übersetzungsverhältnis des Transformators.
Belasteter Transformator
Beim belasteten Transformation ist ein Energiewandler („Verbraucher“) im Sekundärkreislauf verschaltet. An diesem liegt also die Ausgangsspannung $U_2$ an – es fließt Strom.
Einen belasteten Transformator erhalten wir, wenn wir einen Stromverbraucher in den Sekundärkreislauf schalten. Das kann zum Beispiel eine einfache Glühlampe sein.
Im entsprechenden Schaltplan ist der Verbraucher mit einem X gekennzeichnet:
Durch den Verbraucher fließt jetzt ein Strom im Sekundärkreislauf, der wiederum zu einer Änderung des magnetischen Flusses führt. So beeinflusst der Strom im Sekundärkreislauf den Strom im Primärkreislauf.
Um zu berechnen, wie genau die beiden Größen zusammenhängen, nehmen wir wieder einen idealen Transformator an (also ohne Verluste). Dann ist die Leistung, also das Produkt aus Spannung und Stromstärke, auf beiden Seiten gleich groß:
$U_1 \cdot I_1 = U_2 \cdot I_2$
Hier setzen wir die weiter oben hergeleitete Transformatorformel für $U_2$ ein und formen um:
$U_1 \cdot I_1 = U_1 \cdot \dfrac{N_2}{N_1} \cdot I_2 \quad \big\vert ~: \left(U_1 \cdot I_2 \right)$
So erhalten wir für den idealen, belasteten Transformator folgende Formel:
$\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_2}{N_1}$
Das Verhältnis der Stromstärken $I_1$ und $I_2$ ist also gleich dem umgekehrten Verhältnis der Windungszahlen $N_1$ und $N_2$.
Transformator – Wirkungsgrad
In unseren Berechnungen sind wir von idealisierten Bedingungen ausgegangen und haben Verluste vernachlässigt. Bei gleicher Eingangs- und Ausgangsleistung (wie in unserem Beispiel) wäre der Wirkungsgrad des Transformators gleich $1$. In der Realität ist das natürlich aufgrund der Verluste nicht möglich. Allerdings kann man bei Transformatoren dennoch sehr hohe Wirkungsgrade von über
Fehleralarm
Häufig wird angenommen, dass der Transformator Energie erzeugt. Tatsächlich wandelt er nur die Spannung um, die Energiemenge bleibt gleich.
Transformator – Beispielaufgabe
Zum Zusammenhang zwischen Primär- und Sekundärkreislauf wollen wir eine kurze Beispielaufgabe lösen:
Transformator – Anwendungen
Der Transformator ist eine Schlüsselkomponente in vielen elektronischen Geräten und Systemen, die wir täglich verwenden. Hier sind einige Beispiele:
- Stromversorgung: In Stromnetzen sind Transformatoren von entscheidender Bedeutung, um die Spannung von der hohen Spannung der Übertragungsleitungen auf eine niedrigere Spannung zu reduzieren, die in Haushalten und Unternehmen sicher verwendet werden kann.
- Elektronische Geräte: Viele Haushaltsgeräte und Elektronikgeräte, z. B. Fernseher, Computer, Handys und Küchengeräte, enthalten Transformatoren in ihren Netzteilen, um die Netzspannung auf die für ihre Funktion erforderliche Spannung zu reduzieren.
- Beleuchtung: Transformatoren werden oft in Beleuchtungssystemen verwendet, insbesondere bei Niedervolt-Beleuchtung, z. B. Halogenlampen.
- Elektrische Geräte: Geräte wie Rasierapparate oder Haartrockner haben oft eingebaute Transformatoren, um die Spannung auf ein sichereres Niveau zu reduzieren.
- Audio-Systeme: In Audiosystemen werden Transformatoren verwendet, um Signale zwischen verschiedenen Teilen des Systems zu übertragen, ohne den Klang zu verzerren. Auch Lautstärkeregler sind im Wesentlichen Transformatoren.
- Medizinische Geräte: In medizinischen Geräten werden Transformatoren zur Sicherheitsisolierung und zur Anpassung von Spannungspegeln verwendet.
- Elektrische Fahrzeuge: Transformatoren spielen eine wichtige Rolle in den Ladegeräten von Elektrofahrzeugen, da sie die Spannung auf das für den Akku des Fahrzeugs erforderliche Niveau reduzieren. Im geladenen Elektroauto wird dann im Endeffekt auch die Fahrgeschwindigkeit über Transformatoren geregelt.
Ausblick – das lernst du nach Der Transformator
Du bist bereit für die nächste Stufe: Wirf einen Blick auf den Elektromotor und verstehe die Theorie sowie deren Anwendung in der Praxis. Die Selbstinduktion und der Wechselstrom sind spannende Themen, die darauf warten, von dir entdeckt zu werden. Mach dich bereit, dein Wissen in Physik zu erweitern!
Zusammenfassung des Transformators
Du kennst nun den Aufbau und die Funktion des Transformators. Der Nutzen des Transformators ist, Spannungen und Stromstärken umzuwandeln – größere in kleinere und kleinere in größere. Das funktioniert allerdings nur mit Wechselspannung. Das Funktionsprinzip des Transformators basiert auf der elektromagnetischen Induktion.
Hier sind noch einmal die Formeln zu sehen, die beschreiben, wie sich das Verhältnis der Windungszahlen beim belasteten und beim unbelasteten Transformator auswirkt:
- Beim unbelasteten Transformator gilt das Transformatorengesetz:
$U_2 = U_1 \cdot \frac{N_2}{N_1}$ - Beim belasteten Transformator gilt im idealisierten, d. h. verlustfreien Fall:
$\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_2}{N_1}$
Häufig gestellte Fragen zum Thema Transformator
Transkript Der Transformator
Strom wird in riesigen Kraftwerken erzeugt – meist durch die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie.
Da kommt einiges zusammen!
Aber der Strom wird nicht direkt vom Kraftwerk ins Haus geleitet, oder?
Das wäre ganz schön hart für dein Handy!
Wie geht das, dass all die verschiedenen Geräte im Haus mit genau der Spannung versorgt werden, die sie brauchen?
Dafür braucht es den „Transformator“ – wie der funktioniert, lernst du in diesem Video.
Ein Transformator transformiert – er wandelt also etwas um, nämlich hohe Spannungen zu kleineren und umgekehrt.
Deshalb nennt man ihn auch „Umspanner“.
Das kennst du vielleicht vom „Umspannwerk“, in dem elektrischer Strom von Oberleitungen auf die Wohngebiete verteilt wird.
Transformatoren gibt es aber auch in wesentlich kleinerer Ausführung.
Der grundsätzliche Aufbau sieht dabei immer so aus:
Es gibt zwei Spulen, die über einen gemeinsamen Eisenkern miteinander verbunden sind.
Das wird in einem Schaltbild vereinfacht so dargestellt.
An der „Primärspule“ liegt die „Eingangsspannung“ an.
Diese soll zu einer „Ausgangsspannung“ transformiert werden, die an der „Sekundärspule“ abgegriffen wird.
Der Clue ist nun, dass die Transformation über eine Änderung des magnetischen Flusses, also über „Induktion“, geschieht.
Durch die Eingangsspannung „U-Eins“ wird ein Magnetfeld in der Primärspule erzeugt, das sich über den Eisenkern auf die Sekundärspule überträgt und dort die Ausgangsspannung „U-Zwei“ induziert.
Die Spannungen „U-Eins“ und „U-Zwei“ können beide mit dem Induktionsgesetz beschrieben werden.
Aber wie erreicht man nun zwei unterschiedliche Spannungen, wenn doch die Flussänderung, „D-Phi durch D-T“, in beiden Spulen gleich ist?
Das klappt ganz einfach, wenn die Anzahl „N“ der Windungen der beiden Spulen unterschiedlich ist.
Denn wenn „N-zwei“ ungleich „N-eins“ ist, wird sich auch „U-zwei“ von „U-eins“ unterscheiden müssen, damit die Gleichungen stimmen.
Daraus folgt, dass das Verhältnis von Spannung zu Windungszahl der Primärspule, gleich dem Verhältnis von Spannung zu Windungszahl der Sekundärspule sein muss.
Wenn man die beiden Verhältnisse gleichsetzt, und diese Gleichung dann umformt, wird deutlich, dass sich das Verhältnis der unterschiedlichen „Spannungen“ direkt aus den unterschiedlichen „Windungszahlen“ ergibt.
Wenn die Sekundärspule also mehr Windungen hat, wird auch die Ausgangsspannung entsprechend größer sein.
Macht Sinn, oder?
Ein Problem gibt es aber noch.
Eine Spannung wird nur dann induziert, wenn sich der magnetische Fluss ändert.
Bei einer Gleichspannung wäre das aber nur im Moment des Einschaltens der Primärspule der Fall.
Wenn sich die Magnetfelder in den Spulen erstmal aufgebaut haben, ändert sich nichts mehr.
Deshalb funktioniert ein Transformator nur mit Wechselspannung.
Denn dann ändert die Primärspannung kontinuierlich ihr Vorzeichen und das Magnetfeld baut sich, der Frequenz der Wechselspannung folgend, immer wieder neu auf.
Es gibt also eine kontinuierliche Flussänderung und damit eine Induktionsspannung in der Sekundärspule.
Diese ist auch eine Wechselspannung – mit der gleichen Frequenz wie die Eingangsspannung.
Für einen „idealen, unbelasteten Transformator“ gilt dann die aufgestellte Gleichung.
„Ideal“ bedeutet, dass elektrische Widerstände, Wirbelströme und Wärmeverluste im Transformator vernachlässigt werden.
„Unbelastet“ bedeutet, dass die Ausgangsspannung direkt an der Sekundärspule abgegriffen wird, also auf dieser Seite kein Strom fließt.
Ein Strom wird aber fließen, wenn die Sekundärspule Teil eines Schaltkreises ist, an dem weitere Elemente hängen – zum Beispiel dein Handy.
Dann spricht man von einem „belasteten“ Transformator.
Hier gibt es ein Gleichgewicht der „Produkte aus Spannung und Stromstärke“ in den beiden Spulen.
Durch Umformung der Gleichung folgt, dass sich die „Stromstärken“ genau umgekehrt zu den „Spannungen“ verhalten.
Entsprechend führt auch das Verhältnis der „Windungszahlen“ zu einem umgekehrten Verhältnis der Stromstärken.
Die Stromstärke im Schaltkreis der Sekundärspule wird also kleiner, wenn die Anzahl ihrer Windungen größer ist als die der Primärspule.
So können allein über unterschiedliche Windungszahlen die Spannungen und Stromstärken transformiert werden.
Und Dank der Induktion müssen dafür nicht mal Ladungen fließen!
Fassen wir nochmal zusammen:
Ein Transformator setzt sich aus zwei Spulen zusammen, die über einen Eisenkern miteinander verbunden sind.
Eine Eingangsspannung wird durch „Induktion“ in eine Ausgangsspannung transformiert, ohne dass Ladungen fließen müssen.
Ein idealer Transformator arbeitet verlustfrei mit Wechselspannung.
Dabei werden der „unbelastete“ und der „belastete“ Fall mit unterschiedlichen Gleichungen beschrieben, die die Auswirkungen der „Windungszahlen“ der beiden Spulen ausdrücken.
Und dann gibt es da noch den Fall der Überlastung.
Also wenn du sowas machst, hast du hoffentlich gute Sicherungen!
Der Transformator Übung
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Gib an, was ein Transformator ist.
TippsEin Transformator besteht aus einer Primärspule und einer Sekundärspule.
Die zwei Spulen sind über einen Eisenkern miteinander verbunden.
Ein Transformator ist in der Lage, eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, indem er das Prinzip der elektromagnetischen Induktion nutzt.
LösungEin Transformator ist ein elektrisches Gerät, das in der Lage ist, eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, indem es das Prinzip der elektromagnetischen Induktion nutzt: Dieser elegante und effiziente Apparat besteht aus zwei Spulen, die über einen Eisenkern zusammenhängen. Diese beiden Spulen werden in der Regel als Primärspule und Sekundärspule bezeichnet. Wenn eine Wechselspannung an die Primärspule angelegt wird, dann entsteht ein sich ständig änderndes Magnetfeld um die Spule.
Dieses wechselnde Magnetfeld induziert in der benachbarten Sekundärspule eine Spannung, die proportional zum Verhältnis der Wicklungen beider Spulen ist. Entscheidend ist dabei, dass dieser Transformationsprozess ohne physische Bewegung von Ladungen – also ohne elektrischen Stromfluss – erfolgt: Die Übertragung der Energie von der Primärspule zur Sekundärspule geschieht rein durch die magnetische Kopplung der beiden Spulen.
-
Vervollständige die Abbildung des Transformators mit den richtigen Bauteilen.
TippsDie Primärspule ist mit der Eingangsspannung verbunden.
Der Transformator enthält einen Eisenkern, der die beiden Spulen umgibt.
Die Sekundärspule ist mit der Ausgangsspannung verbunden.
Der magnetische Fluss ist ein Maß für die Anzahl der Feldlinien, die einen stromdurchflossenen Leiter durchdringen.
LösungEin Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen: der Primärspule und der Sekundärspule. Diese sind eng miteinander gekoppelt. Der entscheidende Baustein für die Effizienz des Transformators ist der Einsatz eines Eisenkerns.
Primärspule (Eingangsspule):
Die Primärspule ist mit der Eingangsspannung verbunden. Die Eingangsspannung ist eine Wechselspannung, die zu einem magnetischen Wechselfeld führt.Eisenkern:
Der Transformator enthält einen Eisenkern, der die beiden Spulen umgibt. Dieser Kern dient dazu, den magnetischen Fluss zu konzentrieren und zu verstärken. Die Verwendung von Eisen als Material für den Kern verbessert die magnetische Leitfähigkeit und erhöht somit die Effizienz des Transformators.Sekundärspule (Ausgangsspule):
Die Sekundärspule ist mit der Ausgangsspannung verbunden. Das wechselnde Magnetfeld, das durch die Primärspule erzeugt und den Eisenkern verstärkt wird, induziert in der Sekundärspule eine Spannung. Die Anzahl der Windungen in der Sekundärspule im Vergleich zur Primärspule bestimmt das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung.Ausgangsspannung:
Die Spannung, die an der Sekundärspule abgegriffen wird, wird als Ausgangsspannung bezeichnet. Diese Spannung kann entweder höher oder niedriger sein als die Eingangsspannung. Das ist abhängig von dem Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen.Eingangsspannung:
Die Eingangsspannung ist die Spannung, die an die Primärspule angelegt wird. Diese Spannung kann von einer externen Stromquelle stammen und wird durch die Induktion im Transformator transformiert.Magnetischer Fluss:
Der magnetische Fluss ist eine physikalische Größe, welche die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes durch den Querschnitt eines stromdurchflossenen Leiters beschreibt. In einem magnetischen System – wie einem Eisenkern – kann der magnetische Fluss durch Änderungen im Magnetfeld oder in der Fläche, die das Magnetfeld durchsetzt, variieren. Durch die Konzentration des magnetischen Flusses im Eisenkern wird eine effiziente Übertragung des Magnetfeldes von der Primärspule zur Sekundärspule ermöglicht, was zu einer erfolgreichen Induktion der Spannung in der Sekundärspule führt. Der Eisenkern spielt somit eine zentrale Rolle bei der Magnetkopplung und der Effizienz des Transformators. -
Bestimme die Definitionen der Begriffe.
TippsDie Induktion bezeichnet den physikalischen Prozess, bei dem durch eine Änderung des Magnetflusses in einer Primärspule ein elektrisches Feld erzeugt wird. Dieses elektrische Feld wiederum führt zur Entstehung eines elektrischen Stroms in einer benachbarten Sekundärspule, wobei die Übertragung des Magnetfeldes über den Eisenkern erfolgt.
Ein Transformator funktioniert am effektivsten mit Wechselspannung.
LösungFolgende Zuordnungen sind korrekt:
- Die Primärspule ist die Spule, an der die Eingangsspannung liegt.
- Die Sekundärspule ist die Spule, an der die Ausgangsspannung abgegriffen wird.
- Das Umspannwerk ist ein Ort, an dem elektrischer Strom von Oberleitungen auf Wohngebiete verteilt wird.
- Die Induktion ist ein Prozess, bei dem durch die Änderung eines magnetischen Flusses eine Spannung entsteht.
- Die Wechselspannung ist eine Art von Spannung, die für einen Transformator notwendig ist, um kontinuierliche Flussänderungen zu ermöglichen.
-
Erläutere den Prozess der Stromerzeugung mit einem Transformator.
TippsDie Primärspule ist die Spule, welche die elektrische Energie aufnimmt und den Transformationsprozess initiiert.
Durch die Anwendung der Eingangsspannung an der Primärspule entsteht ein sich ändernder elektrischer Strom.
LösungDer Prozess der Stromerzeugung in einem Transformator basiert auf den Prinzipien der elektromagnetischen Induktion. Hier ist eine detaillierte Erläuterung dieses Prozesses:
1) Eingangsspannung an der Primärspule: Der Transformator beginnt mit einer Eingangsspannung, die an der Primärspule angelegt wird. Diese Primärspule ist die Spule, welche die elektrische Energie aufnimmt und den Transformationsprozess initiiert.
2) Erzeugung eines Magnetfeldes durch Induktion: Wegen der Anwendung der Eingangsspannung an der Primärspule entsteht ein sich ändernder elektrischer Strom. Dieser sich ändernde Strom erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld um die Primärspule.
3) Übertragung des Magnetfeldes auf die Sekundärspule: Das erzeugte Magnetfeld breitet sich über den gemeinsamen Eisenkern des Transformators aus und induziert eine Spannung in der Sekundärspule. Die Sekundärspule ist dabei räumlich getrennt von der Primärspule.
4) Induktion der Ausgangsspannung in der Sekundärspule: Die Änderung des Magnetfeldes, welche durch die Eingangsspannung in der Primärspule verursacht wird, führt zur Induktion einer Ausgangsspannung in der Sekundärspule. Diese Ausgangsspannung kann dabei größer oder kleiner sein als die Eingangsspannung – abhängig von den Windungszahlen der beiden Spulen.
Das Verhältnis der Windungszahlen zwischen Primärspule und Sekundärspule beeinflusst das Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung: Hat die Sekundärspule mehr Windungen als die Primärspule, wird die Ausgangsspannung größer sein – und umgekehrt. Wichtig ist, dass eine Spannung nur dann in der Sekundärspule induziert wird, wenn sich der magnetische Fluss ändert. Bei Gleichspannung würde das nur im Moment des Einschaltens der Primärspule geschehen. Daher funktioniert ein Transformator effizienter mit Wechselspannung, da die kontinuierliche Änderung des Vorzeichens der Primärspannung einen kontinuierlichen Aufbau und Abbau des Magnetfeldes ermöglicht.
Insgesamt ermöglicht der Transformatorprozess die effiziente Übertragung von elektrischer Energie über unterschiedliche Spannungsniveaus, ohne dass dabei Ladungen direkt fließen müssen. Die Induktion spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da sie die Umwandlung von magnetischer Energie in elektrische Energie ermöglicht.
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Benenne den Begriff, der das Funktionsprinzip eines Transformators am besten beschreibt.
TippsEin Transformator arbeitet ohne Ladungsfluss.
Während ein Transformator die Spannung transformiert, hat er keine primäre Funktion in Bezug auf die Anpassung von elektrischem Widerstand.
Ein Transformator funktioniert nur mit Wechselspannung.
Der Transformator funktioniert durch die Induktion einer Spannung.
Lösung- Ladungsumwandlung
- Induktion
- elektrische Widerstandsanpassung
- Frequenzmodulation
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Berechne die Spannung, die an der Sekundärspule abgegriffen werden kann.
TippsUm die Sekundärspannung $U_2$ zu berechnen, können wir die ideale Transformatorgleichung verwenden.
Fogende Werte sind gegeben:
- $N_1=700$ (Windungszahlen der Primärspule)
- $N_2=7$ (Windungszahlen der Sekundärspule)
- $U_1=230~\text{V}$ (Primärspannung)
Gesucht ist die Sekundärspannung $U_2$.
Die ideale Transformatorgleichung lautet:
$\dfrac{U_1}{U_2}=\dfrac{N_1}{N_2}$
Setzen wir nun die Werte in die Gleichung ein, können wir berechnen:
$\dfrac{230~\text{V}}{U_2}=\dfrac{700}{7}$
LösungUm die Sekundärspannung $U_2$ zu berechnen, können wir die ideale Transformatorgleichung verwenden:
$\dfrac{U_1}{U_2}=\dfrac{N_1}{N_2}$
Wir haben die folgenden Werte gegeben:
- $N_1=700$ (Windungszahlen der Primärspule)
- $N_2=7$ (Windungszahlen der Sekundärspule)
- $U_1=230~\text{V}$ (Primärspannung)
Gesucht ist die Sekundärspannung $U_2$. Wir setzen nun die Werte in die Gleichung ein und berechnen $U_2$:
$\dfrac{230~\text{V}}{U_2}=\dfrac{700}{7}$
Um $U_2$ zu isolieren, multiplizieren wir beide Seiten mit $U_2$:
$230~\text{V}=\dfrac{700}{7}\cdot U_2$
$\Leftrightarrow 230~\text{V}=100\cdot U_2~~~~~~~~|:100$
$\Rightarrow ~2{,}3~\text{V}=U_2$
Daher beträgt die Sekundärspannung $U_2$ bei einem unbelasteten Transformator etwa $2{,}3~\text{V}$.
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