Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

85 16.5 Transformator Belasteter Transformator A1 Wiederhole, wovon die Wirkleistung einer mit Wechselstrom betriebenen Maschine abhängt! Im Allgemeinen dient ein Transformator dazu, elekt- rischen Strom auf die gewünschte Betriebsspannung zu bringen, damit elektrische Energie in einem Gerät verwendet werden kann. Für die Praxis wichtig ist daher der Fall des belaste- ten Transformators, bei dem an der Sekundärspule elektrische Energie entnommen wird. Abgesehen von Verlusten durch Wirbelströme und Ohm´sche Widerstände im Transformator muss die primärseitig aufgenommene Leistung P 1 gleich der sekundärseitig abgegebenen Leistung P 2 sein. Der Energiesatz liefert ein einfaches Hilfsmittel, die Strom- und Spannungs- verhältnisse an Primär- und Sekundärseite des Trans- formators darzustellen: P 1 = P 2 ½ I m, 1 ∙ U m, 1 ∙ cos { 1 = ½ I m,2 ∙ U m, 2 ∙ cos { 2 P 1 , P 2 … Wirkleistungen I m, 1 , I m, 2 … Maximalstromstärken U m, 1 , U m, 2 … Maximalspannungen { 1 , { 2 … Phasenverschiebungen Die Indizies 1 und 2 beziehen sich auf Primär- und Se- kundärspule Bei einem belasteten Transformator kommt es nicht nur zu einer Selbstinduktion in der Primärspule und zu einer Induktion in der Sekundärspule, sondern durch den Strom in der Sekundärspule auch zu einer Selbstinduktion in der Sekundärspule und zu einer Induktion in der Primärspule. Die Vorgänge sind also einigermaßen kompliziert. Es zeigt sich aber in der Praxis, dass die Leistungsfaktoren von Primär- und Sekundärseite des Transformators nahezu gleich groß sind. Sie obige Gleichung vereinfacht sich damit zu: Bemerkung: Bei Großtransformatoren treten so hohe Leis- tungen auf, dass selbst beim heute erreichbaren, hohen Wirkungsgrad von 98% große Energiemengen in Form von Wärmeenergie auftreten. Großtransformatoren müs- sen daher andauernd gekühlt werden. A2 Überlege, bei welchen Anwendungen Transfor- matoren eingesetzt werden, um hohe Stromstärken zu erzielen! 16.5.3 A3 Gruppenarbeit: Welche Geräte benötigt man, um die Verhältnisse am belasteten Transformator zu über- prüfen? Entwirf eine Schaltung und gib an, welcher Aufgabe die einzelnen Bestandteile der Schaltung dienen. Führe die entsprechenden Messungen durch. Stelle fest, wie weit Theorie und Experiment über- einstimmen. Überlege, wie genau deine Messungen sind, und erkläre (falls notwendig) die Abweichung zwischen Theorie und Experiment. Die folgenden zwei Beispiele zeigen den Transforma- tor in ungewöhnlichen Anwendungen: I m, 1 : I m, 2 = U m, 2 : U m, 1 Beim belasteten Transformator verhalten sich die Stromstärken umgekehrt wie die Spannungen. I m, 1 , I m, 2 … Maximalstromstärken U m, 1 , U m, 2 … Maximalspannungen Belasteter Transformator Beispiel Betatron In einem Betatron bewegen sich Elektronen auf Kreisbahnen im homogenen Feld eines Elektromag- neten. Wird nun rasch die magnetische Induktion B erhöht, kommt es zu einer Beschleunigung der Elektronen. In einem typischen Betatron dauert das Anwachsen der magnetischen Induktion B nur einige Millisekunden. Dabei legen die Elektronen etwa 10 6 Umläufe zurück, wobei ihre Energie auf etwa 40 bis 400 MeV anwächst (1 eV = 1,6 ∙ 10 -19 J). Nach der Beschleunigung verlassen die Elektronen die Maschine und der nächste Beschleunigungszy- klus kann beginnen. Diese Elektronen haben fast Lichtgeschwindigkeit. Mit ihrer Hilfe lässt sich Rönt- genstrahlung erzeugen, die in der Kernphysik zur Auslösung von Kernreaktionen, in der Technik zur Materialprüfung und in der Medizin zur Strahlenbe- handlung verwendet wird. Abb. 85.1 Vergleich des ersten Betatrons (auf der Kiste) aus dem Jahr 1940 mit der größten derartigen Maschine (im Hintergrund), die Elektronen auf eine Energie von 340 MeV beschleunigte. Beispiel Induktionsofen In Induktionsöfen wird durch Induktionsströme Joule´sche Wärme erzeugt, die zB zum Schmelzen von Legierungen benützt werden kann. Ein Vorteil spezieller Induktionsöfen besteht darin, dass die Erwärmung in sauerstofffreier Atmosphäre durch- geführt werden kann. + Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv