Big Bang 7, Schulbuch

10 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektrodynamik Formel: Wirkleistung P = U eff I eff cos ϕ P …Wirkleistung bei einer Mischung von Ohm’schen, kapazitiven und induktiven Widerständen [W] U eff … effektive Spannung [V] I eff … effektive Stromstärke [A] ϕ … Phasenwinkel zwischen U und I cos ϕ … Leistungsfaktor 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 Phasenverschiebung zwischen U und I führen. 27.3 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. ? Fragenbox Wann leuchtet die Lampe in Abb. 27.27? Immer nur kurz dann, wenn der Schalter gerade geöffnet oder geschlossen wird. 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 und dabei gleich den Transformator (kurz Trafo) mit erfunden. Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen und einem geschlossenen Leiterkern (Abb. 27.26). Wie F12 zeigt, funktioniert er nur mit Wechselstrom. F Elektromotor Das Typenschild des Elektromotors in F10 zeigt einen Leistungsfaktor von 0,87. Der Motor hat ja Spulen und somit induktive Widerstände. Dadurch können in diesem konkre- ten Beispiel 13% der möglichen Leistung nicht genutzt werden (Abb. 27.25), weil sie beim Aufbau des Magnetfeldes verloren gehen. Die Phasenverschiebung zwischen Span- nung und Stromstärke beträgt ϕ = arccos (0,87) = 29,5°. i Abb. 27.25: Leistungskurve eines Motors mit Leistungsfaktor von 0,87 Z Abb. 27.26: Schema eines Trafos: Den geschlossenen Eisenkern nennt man auch Joch. Schauen wir uns mal einen unbelasteten Trafo an. Das ist etwa dann der Fall, wenn ein ausgeschalteter Laptop am Netz hängt. Die Primärspule erzeugt einen veränderlichen magnetischen Fluss, der über das Eisenjoch durch beide Spulen fließt. Die Induktionsspannungen in den Spulen sind von deren Windungszahlen abhängig. Daher gilt: Die Span- nungen in den Spulen verhalten sich wie die Windungs- zahlen, also U 1 : U 2 = N 1 : N 2 . Die Indizes eff sind der Über- sichtlichkeit halber weggelassen. Info: Trafomathematik Will man die Spannung hinauf transformieren, muss man auf der Sekundärseite mehr Windungen haben (Abb. 27.28) und umgekehrt. Bei einem Trafo gibt es praktisch nur induk- tive Widerstände, und der Leistungsfaktor (siehe Formel links oben) ist daher nahe, aber nicht ganz null. Wenn du etwa auf den Trafo eines ausgeschalteten Laptops greifst, wirst du feststellen, dass sich dieser erwärmt hat. Es gibt also eine kleine Leistungsabgabe ( F14 ). Was versteht man unter Induktion und Leistungs- faktor? Lies nach in Kap. 26.4, „Big Bang 6“ und Kap. 27.2, links oben auf dieser Seite. In Abb. 27.27 siehst du zwei Spulen, die mit einem geschlossenen Eisenkern 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 W1 F12 E1 Abb. 27.27 F13 S1 F14 E2 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv