Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

84 Versorgung mit elektrischer Energie 16 Aufbau und Wirkungsweise eines Transformators A1 Wiederhole den Begriff „magnetischer Fluss“! Der Transformator besteht im Prinzip aus einer Erre- gerspule (Primärspule), einer Induktionsspule (Se- kundärspule) und einem gemeinsamen, geschlosse- nen Weicheisenkern. Liegt an der Primärspule eine Wechselspannung, dann erzeugt der elektrische Strom, der durch die Pri- märspule fließt, ein veränderliches magnetisches Feld. Der entstehende magnetische Fluss durchdringt auch die Sekundärspule, wodurch in der Sekundärspule In- duktionsspannungen hervorgerufen werden. Unbelasteter Transformator A2 Wiederhole die Begriffe „Induktion“ und Leis- tungsfaktor! Unter einem unbelasteten Transformator versteht man einen Transformator, an dem bei der Sekundär- spule kein Verbraucher angeschlossen ist. An der Se- kundärspule wird daher keine Leistung entnommen. In der Primärspule treten Leistungsverluste durch den Wechselstromwiderstand (Ohm´scher und induktiver Widerstand) der Spule auf. Dazu kommen Wirbel- stromverluste und Verluste durch die Ummagnetisie- rung des Eisenkerns (Hystereseverluste). Die Verluste sind umso geringer, je kleiner der Ohm´sche im Ver- gleich zum induktivenWiderstand der Primärspule ist. Im Idealfall wird der Leistungsfaktor cos { = 0, das be- deutet, der Transformator nimmt keine Leistung auf. 16.5.1 16.5.2 Beim unbelasteten Transformator besteht ein einfa- ches Verhältnis zwischen den Spannungen u 1 und u 2 an Primär- und Sekundärspule einerseits und den Windungszahlen N 1 und N 2 der beiden Spulen an- dererseits. Durch beide Spulen tritt der gleiche ver- änderliche magnetische Fluss U . Dies bedingt in der Primärspule eine Selbstinduktionsspannung u ind, 1 , die gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet wie die angelegte Spannung u 1 ist: d d d d u u N t t N u , ind 1 1 1 1 1 " $ U U =- = = Die Änderung des magnetischen Flusses bewirkt auch in der Sekundärspule eine Induktionsspannung, die gleichzeitig die Klemmenspannung der unbelasteten Sekundärspule ist: d d d d u N t u t N u ,2 ind 2 2 2 2 " $ U U =- = =- Da die Änderung des magnetischen Flusses in beiden Spulen gleich groß ist, erhält man (abgesehen vom Vorzeichen): A3 Gruppenarbeit: Welche Geräte benötigt man, um die Verhältnisse am unbelasteten Transformator zu überprüfen? Entwirf eine Schaltung und gib an, wel- cher Aufgabe die einzelnen Bestandteile der Schal- tung dienen. Führe die entsprechenden Messungen durch. Stelle fest, wie weit Theorie und Experiment übereinstimmen. Überlege, wie genau deine Mes- sungen sind, und erkläre (falls notwendig) die Abwei- chungen zwischen Theorie und Experiment. A4 Erkläre, warum in öffentlichen Stromnetzen mit Wechselspannung gearbeitet wird! A5 Überlege, wie der Kern eines Transformators auf- gebaut sein muss, damit Wirbelstromverluste gering gehalten werden können! A6 Begründe, warum bei Transformatoren geschlos- sene Weicheisenkerne verwendet werden! A7 Begründe, warum sich das angesteckte externe Netzgerät eines Laptops oder eines Druckers, der aus- geschaltet ist, erwärmt! Abb. 84.1 Prinzipaufbau eines Transformators Abb. 84.2 Schaltsymbol eines Transformators mit Eisenkern veränderlicher magnetischer Fluss Eisenkern Sekundärspule Primärspule N 1 N 2 ~ u 1 ~ u 2 Eisenkern Spule Beim unbelasteten Transformator verhalten sich die Spannungsbeträge so wie die Windungszahlen. u 1 : u 2 = N 1 : N 2 u 1 … Spannung an der Primärspule u 2 … Spannung an der Sekundärspule N 1 …Windungszahl der Primärspule N 2 …Windungszahl der Sekundärspule Unbelasteter Transformator Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv