Der Transformator

Der Transformator Übung

• Gib an, was ein Transformator ist.

  Tipps

  Ein 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.

  Lösung

  Ein 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.

  Tipps

  Die 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.

  Lösung

  Ein 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.

  Tipps

  Die 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.

  Lösung

  Folgende Zuordnungen sind korrekt:

  
  

  • Die Primärspule ist die Spule, an der die Eingangsspannung liegt.

  Eine Primärspule ist die Spule, an welcher die Eingangsspannung angelegt wird. In einem Transformator ist das die Seite, welche die elektrische Energie aufnimmt und den Transformationsprozess initiiert.

  
  

  • Die Sekundärspule ist die Spule, an der die Ausgangsspannung abgegriffen wird.

  Eine Sekundärspule ist die Spule, an welcher die Ausgangsspannung abgegriffen wird. Hier wird die transformierte Spannung erzeugt, welche für die Versorgung von Geräten im Haus verwendet wird.

  
  

  • Das Umspannwerk ist ein Ort, an dem elektrischer Strom von Oberleitungen auf Wohngebiete verteilt wird.

  Ein Umspannwerk ist der Ort, an welchem der erzeugte elektrische Strom von Kraftwerken über Oberleitungen auf Wohngebiete verteilt wird. Hier wird die Spannung durch Transformatoren angepasst, um den Transport über große Entfernungen effizienter zu gestalten.

  
  

  • Die Induktion ist ein Prozess, bei dem durch die Änderung eines magnetischen Flusses eine Spannung entsteht.

  Induktion ist der Prozess, bei welchem ein Magnetfeld in der Primärspule erzeugt wird, das sich über den Eisenkern auf die Sekundärspule überträgt. Das führt zur Induktion einer Ausgangsspannung in der Sekundärspule.

  
  

  • Die Wechselspannung ist eine Art von Spannung, die für einen Transformator notwendig ist, um kontinuierliche Flussänderungen zu ermöglichen.

  Ein Transformator funktioniert am effektivsten mit Wechselspannung. Die kontinuierliche Änderung der Vorzeichen der Primärspannung ermöglicht die kontinuierliche Änderung des magnetischen Flusses. Nur durch Wechselspannung kann eine kontinuierliche Flussänderung und damit die Induktionsspannung in der Sekundärspule erreicht werden.

• Erläutere den Prozess der Stromerzeugung mit einem Transformator.

  Tipps

  Die 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.

  Lösung

  Der 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.

• Benenne den Begriff, der das Funktionsprinzip eines Transformators am besten beschreibt.

  Tipps

  Ein 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

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch, weil der Transformator ohne Ladungsfluss arbeitet. Die Energieübertragung erfolgt durch Induktion und nicht durch den direkten Fluss von Ladungen.

  
  

  • Induktion

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist richtig: Der Transformator basiert auf dem Prinzip der Induktion. Die Änderung des magnetischen Flusses, welche durch die Eingangsspannung in der Primärspule verursacht wird, führt zur Induktion einer Ausgangsspannung in der Sekundärspule.

  
  

  • elektrische Widerstandsanpassung

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch, da sie nicht die Hauptfunktion eines Transformators benennt. Denn während ein Transformator die Spannung transformiert, hat er keine primäre Funktion in Bezug auf die Anpassung von elektrischem Widerstand.

  
  

  • Frequenzmodulation

  $\Rightarrow$ Diese Antwort ist falsch. Ein Transformator funktioniert nämlich nur mit Wechselspannung. Die Frequenzmodulation ist nicht die Hauptfunktion des Transformators, sondern die Wechselspannung ermöglicht die kontinuierliche Änderung des magnetischen Flusses und damit die Induktion einer Spannung in der Sekundärspule.

• Berechne die Spannung, die an der Sekundärspule abgegriffen werden kann.

  Tipps

  Um 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:

  $\dfrac{230~\text{V}}{U_2}=\dfrac{700}{7}$

  Lösung

  Um 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 $2{,}3~\text{V}$.