Big Bang HTL 3, Schulbuch

Grundlagen der Elektrotechnik 6 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 61 Zusammenfassung Im Wechselstromkreis schwanken Spannung und Strom- stärke sinusförmig. Somit pulsiert auch die Leistung. Der Einfachheit halber gibt man aber die Effektivwerte an. Die Wirkleistung eines Geräts ist immer dann verringert, wenn die induktiven und kapazitiven Widerstände zu einer Pha- senverschiebung zwischen U und I führen. 6.3 Der Sieg des Wechselstroms Der Transformator Hier erfährst du, warum sich bei der Energieversorgung der Wechselstrom durchgesetzt hat und wie dieser über weite Strecken übertragen wird. Elektromotor Das Typenschild des Elektromotors in F10 zeigt einen Leis- tungsfaktor von 0,87. Der Motor hat ja Spulen und somit in- duktive Widerstände. Dadurch können in diesem konkreten Beispiel 13% der möglichen Leistung nicht genutzt werden (Abb. 6.25). Die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Stromstärke beträgt ϕ = arccos (0,87) = 29,5°. i Abb. 6.25: Leistungskurve eines Motors mit Leistungsfaktor von 0,87 Z Was versteht man unter Induktion und Leistungs- faktor? Lies nach in Kap. 5.4 (S. 49) und 6.2 (S. 60). In Abb. 6.26 siehst du zwei Spulen, die mit einem geschlossenen Eisen- kern verbunden sind. Was musst du mit dem Schalter machen, damit die Lampe aufleuchtet? Hochspannungsleitungen haben bis zu 380.000V. Wieso ist die Spannung so hoch? Das ist doch extrem gefährlich. Warum nimmt man nicht 230V? Viele elektrische Geräte (etwa Handy oder Laptop) werden nicht direkt an den Strom angeschlossen, sondern über ein meist schwarzes Kästchen. Was befindet sich im Inneren? Und warum wird es auch dann warm, wenn das Gerät gar nicht aufgedreht ist? F11 A1 F12 A2 Abb. 6.26 F13 A2 F14 A2 Wann leuchtet die Lampe in Abb. 6.26? Immer nur in dem Augenblick, in dem der Schalter gerade geöffnet oder ge- schlossen wird, nicht aber, wenn der Schalter geschlossen bleibt. Warum? Weil nur dann die erste Spule ein veränder- liches Magnetfeld erzeugt und somit in der zweiten eine Spannung induziert. Mit einer ganz ähnlichen Schaltung hat F ARADAY 1831 die Induktion entdeckt (siehe Abb. 6.40, S. 65) und dabei gleich den Transformator (kurz Trafo) mit erfunden. Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen und einem geschlossenen Leiterkern (Abb. 6.26). Wie F12 zeigt, funktioniert er nur mit Wechselstrom. Abb. 6.27: Schema eines Trafos Schauen wir uns mal einen unbelasteten Trafo an. Das ist etwa der Fall, wenn ein ausgeschalteter Laptop am Netz hängt. Die Primärspule erzeugt einen veränderlichen mag- netischen Fluss, der über den geschlossenen Eisenkern durch beide Spulen fließt. Die Induktionsspannungen in den Spulen sind von deren Windungszahlen abhängig. Daher gilt: Die Spannungen in den Spulen verhalten sich wie die Windungszahlen, also U 1 : U 2 = N 1 : N 2 . Die Indizes „eff“ sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Info: Trafomathematik Trafomathematik Beim unbelasteten Trafo erzeugt der Wechselstrom ein veränderliches magnetisches Feld ∆ Φ / ∆ t , das beide Spulen durchsetzt. Der Betrag der Induktionsspannung in den Spulen ist von der Windungszahl abhängig: U 1 = N 1 ∆ Φ ___ ∆ t und U 2 = N 2 ∆ Φ ___ ∆ t Wenn man davon ausgeht, dass es keine Verluste gibt und der magnetische Fluss in beiden Spulen gleich groß ist, kann man gleichsetzen und umformen und erhält dann: U 1 __ N 1 = U 2 __ N 2 bzw. U 1 __ U 2 = N 1 __ N 2 Bei einem belasteten Transformator sind primäre und se- kundäre Leistungen gleich. Es gilt: P 1 = U 1 · I 1 · cos ϕ 1 = U 2 · I 2 ·cos ϕ 2 = P 2 Wenn man die Transformatorverluste vernachlässigt (cos ϕ 1 ≈ cos ϕ 2 ≈ 1) erhält man: U 1 : U 2 = I 2 : I 1 i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv