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Transformator 07:17 min

Textversion des Videos

Transkript Transformator

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle. Wir machen heute den Transformator aus dem Gebiet Elektrizität und Magnetismus. Für dieses Video solltet Ihr bereits den Film über das allgemeine Induktionsgesetz gesehen haben und Euch schon ein wenig mit Wechselstrom auskennen. Wir lernen heute, was ein Transformator ist, wie er funktioniert und wie die Formeln für den unbelasteten bzw. den belasteten Transformator aussehen. Dann wollen wir mal. Der Transformator ist ein elektrotechnisches Bauelement, mit dessen Hilfe Wechselspannung umgespannt werden kann, d.h., die Höhe der Wechselspannung wird verändert. Man nennt den Transformator deswegen auch manchmal Umspanner. Rechts seht Ihr ein Bild eines ringförmigen Transformators. Ein Transformator besteht immer aus einem magnetischen Kreis, d.h., einer Vorrichtung, in der der magnetische Fluss im Kreis fließen kann. Dafür bietet sich zum Beispiel ein ringförmiger Eisenkern oder so etwas Ähnliches an, um den 2 oder mehrere Spulen gewickelt sind. Sein Schaltzeichen, d.h. das Symbol, mit dem man einen Transformator kennzeichnet, wenn man einen Schaltplan aufzeichnet, sieht so aus. So, dann wollen wir uns jetzt mal aus der Nähe ansehen, wie so ein Transformator eigentlich genau funktioniert. Wir wissen bereits, ein Transformator besteht z. B. aus einem Eisenring und 2 darum gewickelten, nicht verbundenen Spulen und er dient zur Umspannung von Wechselspannung. Also schließen wir mal an eine unserer beiden Spulen, die Primärspule, eine Wechselspannung an. Wenn wir nun an der zweiten Spule, der Sekundärspule, ein Spannungsmessgerät anschließen, können wir eine Wechselspannung messen. Der Grund dafür ist, dass bei einer Wechselspannung die Richtung des Stroms ständig umgepolt wird. In Deutschland z. B., hat die Wechselspannung, die aus der Steckdose kommt, eine Frequenz von 50 Hz. Das bedeutet, sie wechselt 100 Mal pro Sekunde ihre Richtung. Durch diese Richtungsänderung ändert sich natürlich auch die Richtung des Magnetfelds, das von unserer Spule erzeugt wird und das durch unseren Eisenkern durch die Sekundärspule hindurchwandert. Dieses ständig hin- und herschwingende Feld induziert nun in unserer Sekundärspule eine Wechselspannung, die die gleiche Frequenz hat, wie die Wechselspannung, die die Feldänderung in Spule 1 erzeugt hat. Wir merken uns: Die von U1 erzeugte ständige Änderung des magnetischen Flusses im Eisenkern induziert in der zweiten Spule die Wechselspannung U2, die die gleiche Frequenz wie U1 hat. Wir halten an dieser Stelle gleich fest: Ein Transformator kann also nur mit Wechselspannung funktionieren. Würde ich an einen Transformator eine Gleichspannungsquelle anschließen, dann würde ich einmalig, nämlich dann, wenn ich die Spannungsquelle anschalte, eine Flussänderung durch die Spule, durch den Aufbau des Magnetfeldes, erhalten und dadurch eine Spannung in Spule 2 messen können. Ab da ändert sich jedoch nichts mehr am Magnetfeld von Spule 1 und damit wird auch in Spule 2 keine Spannung mehr induziert. Durch Versuche kann man feststellen, dass die Höhe der induzierten Wechselspannung vom Verhältnis der Windungszahlen N1 und N2 abhängt. Was das genau bedeutet, wollen wir uns nun im letzten Kapitel ansehen. Wir zeichnen uns erstmal einen einfachen Schaltplan mit einer Wechselspannungsquelle, einem Transformator und einem Spannungsmessgerät. Als nächstes merken wir uns: Wir gehen aus von einem idealen Transformator, d.h., der magnetische Fluss durchsetzt mit Hilfe des Eisenkerns verlustfrei die zweite Spule. Das allgemeine Induktionsgesetz, das den Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und Flussänderung festlegt, lautet wie folgt: Ui = -N d?/dt. Mit Hilfe des Induktionsgesetzes kann ich in einem unbelasteten Transformator, d.h. in einem Transformator, in dem im Sekundärkreislauf kein Strom verbraucht wird, folgende Gleichung aufstellen: Die Flussänderung ist in beiden Spulen gleich dem Verhältnis von Spannung zu Windungszahl. Falls Ihr hier vor U2 ein Minuszeichen vermisst: Die Richtung der induzierten Spannung, oder besser gesagt, die Phasenverschiebung von U2 gegenüber U1, hängt davon ab, ob die Spule im gleichen Sinne oder im entgegengesetzten Sinne um den Eisenkern gewickelt ist. Ist die Sekundärspule im gleichen Sinn um den Eisenkern gewickelt wie die Primärspule, so ergibt sich für U2 gegenüber U1 eine Phasenverschiebung von 180 Grad. Ist die Sekundärspule jedoch im entgegengesetzten Sinn gewickelt, so sind U2 und U1 phasengleich. Ich kann mir also folgende wichtige Gleichung merken U1/N1 = U2/N2. Das bedeutet: Hat die Sekundärspule eine höhere Bindungszahl als die Primärspule, so ist die induzierte Spannung U2 höher als die Spannung U1. Sie ist hochtransformiert worden. Ist N2 kleiner als N1, so ist U2 eine heruntertransformierte, also niedrigere, Spannung als U1. Im belasteten Transformator wird im Sekundärkreislauf Strom verbraucht, d.h. ich ersetze mein Spannungsmessgerät durch einen Stromverbraucher, z.B. eine Glühlampe. Je mehr Strom I2 dabei fließt, desto größer ist sein Einfluss auf unser Magnetfeld im Eisenkern und diesen Einfluss muss der Strom I1im Primärkreislauf ausgleichen. Während also über das Verhältnis der Bindungszahlen die angelegte Primärspannung die erzeugte Sekundärspannung bestimmt, regelt der durch den Stromverbrauch bestimmte Sekundärstrom den Primärstrom. Wir können das folgendermaßen aufschreiben: Da wir einen idealen Transformator betrachten, ist die Leistung auf beiden Seiten gleich groß. P1=P2, also kann ich schreiben, U1I1=U2I2. Jetzt kann ich unsere eingerahmte Gleichung nach U2 auflösen und hier einsetzen. Dann erhalte ich: =N2/N1xU1I2. Nun kann ich U1 kürzen und erhalte einen Ausdruck, der mir das Verhältnis zwischen I1 und I2 angibt. Ich erhalte: I1/N2=I2/N1. Oder anders gesagt: Das Verhältnis der Stromstärken ist gleich dem umgekehrten Verhältnis der dazugehörigen Bindungszahlen. Und dies ist die zweite wichtige Formel für den Transformator. Wir wollen nochmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Ein Transformator ist ein elektronisches Bauelement, das zur Umspannung von Wechselspannungen verwendet wird. Die durch die Wechselspannung U1 verursachte magnetische Flussänderung induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung U2. Für den unbelasteten Transformator habe ich folgendes Verhältnis gefunden: U1/N1=U2/N2. Im belasteten Transformator galt: I1/N2=I2/N1. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte Euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen. Vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle

30 Kommentare
  1. Hallo Heiko Mueller1681,

    eine Wechselspannung mit 50 HZ durchläuft in einer Sekunde 50 Perioden. Dabei ändert sich 100 mal ihre Polung (Auslenkungsrichtung).

    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Karsten Schedemann, vor 6 Monaten
  2. Also ich bin der Meinung das 50Hz bedeutet, dass sich die Wechselspannung 50mal/sek. ändert und nicht 100mal.
    Hz = 1/sek => 50/1sek= 50mal/sek.
    Korrigiert mich bitte wenn ich falsch liege.

    Von Heiko Mueller1681, vor 6 Monaten
  3. Ich finde das Video sehr gut zu verstehen. Es ist zwar im Mittelteil etwas schnell, aber da ging es ja auch nur um Theorie. Diese wurde dann nochmal zusammengefasst aufgelistet. Das war sehr gut. Wir hatten im Unterricht diese Formeln, doch ich wusste nicht das man in belasteten und unbelasteten Trafo unterscheidet. In der Übung könnte eine Rechenaufgabe mehr sein, aber sonst ist das Video echt topp! Daumen hoch :-)

    Von Swentina La Dous, vor mehr als einem Jahr
  4. @Physikmeister,
    Beim belasteten Transformator, fließt auf der Sekundärseite ein Strom. Dieser Strom (I_2) wird von der Last bestimmt und je größer er ist desto stärker ist das Magnetfeld der Sekundärspule (N_2). Dieses Magnetfeld ist dann für den Strom im Primärstromkreis verantwortlich (I_1). Durch die Lenz'sche Regel ist der Primärstrom seiner Ursache entgegen gerichtet. Daher verhalten sich auch die Ströme umgekehrt-proportional zu den Windungszahlen.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als einem Jahr
  5. Warum verhalten sich beim belasteten Transformator die Ströme umgekehrt wie die Windungszahlen ?

    Von Physikmeister, vor mehr als einem Jahr
  1. Ich weiß nicht, was ihr alle habt. ich hab alles verstanden

    Von Rapmonster, vor mehr als 2 Jahren
  2. Das ging viel zu schnell! Und wir hatten im Unterricht andere Formeln aufgestellt.(n2 :n1 = u2 :u1)

    Von Kunmar, vor mehr als 2 Jahren
  3. Den Anfang fand ich gut zu verstehen, aber ab dem Moment, als es um die Formeln und das Verhältnis der Spannung, Windungszahl und Stromstärke ging, bin ich total aus der Bahn geworfen worden.

    Von Heideroskar, vor mehr als 2 Jahren
  4. Kann es denn nicht noch einmal ein neues und besseres Video zu Berechnungen dazu geben?

    Von Iukirschef, vor mehr als 4 Jahren
  5. Viel zu schnell!

    Von Iukirschef, vor mehr als 4 Jahren
  6. 9. Klasse-Niveau wäre echt super..

    Von Jonasfuessel 1, vor mehr als 4 Jahren
  7. Ich hab echt keine Ahnung was du mit den Formeln geredet hast :(

    Von Maliche, vor mehr als 4 Jahren
  8. Richtig gutes video. Könnte man vielleicht den transformator auf 9 Klassniveau bringen ?

    Von Frederik Zwink, vor mehr als 4 Jahren
  9. Lieber Jeffrey I.:
    Das mit den hohen Tempo ist verständlich, doch dafür hast du ja die Möglichkeit, das Video anzuhalten und bestimmte Sequenzen erneut zu schauen.
    Das hier vorgestellte Schaltzeichen ist kein EU-genormtes Schaltzeichen, von daher wird es mit unterschiedlichen Windungen und auch mal mit einem oder mal mit zwei Strichen für den Eisenkern dargestellt. Die verschiedenen Windungen sind sogar sinnvoll, da auch gern ein bestimmtes Verhältnis (z.B. 3 zu 4 Windungen) von Primär- und Sekundärspule damit dargestellt wird.

    Du sagst aber, das es bei dir in der Schule "vollkommen anders erklärt" wird. Was (außer dem Schaltzeichen) meinst du denn noch?

    Beste Grüße, Max

    Von Maximilian T., vor etwa 5 Jahren
  10. Habe das Video bloß bis zur hälfte gesehen, sie haben viel zu schnell gesprochen und zu wenig pausen gemacht damit, der Zuschauer darüber nachzudenken kann. Außerdem wird es in der Schule vollkommen anders erklärt, z.B hat das Schaltzeichen des Trafo bei den Spulen nur 4 Windungen und nur einen Strich der den Eisenkern darstellen soll, zwischen den Spulen.

    Von Jeffrey I., vor etwa 5 Jahren
  11. Könnte ein Video kommen wo erklärt wird wie hoch die Sekundärwicklung bei einer bestimmten Primär- und Sekundärspannung sein muss... ?

    Von David E., vor mehr als 5 Jahren
  12. @Janbusse4: Es wird bald ein Video zum Transformator für die 9. und 10. Klasse geben! Diese Video behandelt das Thema auf einem anderen Niveau.

    Von Nikolai P., vor fast 6 Jahren
  13. Warum steht da niveu der 11 12 13 Klasse ich habe das, dieses Jahr in der 9 durchgenommen

    Von Janbusse4, vor fast 6 Jahren
  14. @Suemeyra: 50 Hz beudeutet das der Strom bzw. die Spannung 50 komplette Schwingungsperioden pro Sekunde durchläuft und in einer Periode ändert sich zwei mal das Vorzeichen. Also, der Strom wechselt die Richtung, bedeutet das er sich von plus nach minus umpolt oder umgekehrt. Immer wenn Strom sein Vorzeichen ändert wechselt er seine Richtung.

    Von Nikolai P., vor mehr als 6 Jahren
  15. Ich verstehe nicht ganz:
    Warum wechslet der Strom bei einer Wechselspannung von 50Hz
    100 mal pro Sekunde die Richtung ? Hertz ist doch 1*s^-1 also müsste der Strom doch 50 mal pro Sekunde die Richtung wechseln ? Was verstehe ich denn da falsch ?

    Und heißt "der Strom wechselt die Richtung", dass er wirklich einmal von - nach + und dann wieder von + nach - fließt ?
    Warum ist denn das nicht dasselbe ? Immerhin bestreben e- doch immer von ihrem Ort aus also Minus zum Positiven hin also Plus zu wandern?

    Von Suemeyra Oezdemir, vor mehr als 6 Jahren
  16. salz

    Von Howam22, vor mehr als 6 Jahren
  17. Eifach super .. Liebe deine Videos und bin begeistert. Weiter so. :)

    Von Shushack, vor mehr als 6 Jahren
  18. Ich finde die Videos von Kalle sehr verständlich und anschaulich erklärt!
    Kann das "Problem" mit der Geschwindigkeit nicht ganz nachvollziehen- es ist ein Viedeo und man hat jederzeit die Möglichkeit auf Pause zu drücken ;)

    Von Deleted User 39355, vor mehr als 7 Jahren
  19. Danke, und ich weiß ... das Problem habe ich schon seit meiner Schulzeit.
    Ich geb mir Mühe langsamer zu sprechen und mehr Pausen zu machen!

    Von Jakob Köbner, vor mehr als 7 Jahren
  20. Didaktisch sind die Videos alle gut durchdacht von Kalle, allerdings ist die Sprechgeschwindigkeit (vor allem im Vergleich zu anderen Tutoren) extrem hoch, was eine hohe Konzentrationsleistung fordert. Das kann bei einer hohen Informationsdichte und geringer Redundanz (wie in diesem Video) zum Aufnahmeabriss führen.

    Von E235, vor mehr als 7 Jahren
  21. geht so, ich verstehs immer noch nicht .. -.-

    Von C.Buck Rumphorst, vor mehr als 7 Jahren
  22. es wäre cool wenn du ein video nur zu den Fachbegriffen machst und die
    deutlich erklärst:D
    also Wechselspannung
    Induktions...
    .....
    .....

    Von Msts, vor mehr als 7 Jahren
  23. Es ist ganz gut erklärt, trotzdem verstehe ich es nicht-.-

    Von Nicolino321, vor etwa 8 Jahren
  24. Tut mir sehr leid dass das Video für dich keine Hilfe ist; wenn du mir erklären kannst woran genau das liegt (schreib mir einfach eine Nachricht) kann ich gern versuchen dir das mit anderen Worten zu erklären oder das Video verbessern...

    Von Jakob Köbner, vor etwa 8 Jahren
  25. Sehr sehr schlecht erklärt, und für sowas zahl ich geld

    Von Skyliner88, vor etwa 8 Jahren
Mehr Kommentare

Transformator Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Transformator kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, was ein Transformator ist.

    Tipps

    Wie sieht das Schaltzeichen des Transformators aus?

    Lösung

    Am Schaltzeichen lässt sich gut erkennen, woraus der Transformator besteht. Hier sind deutlich die mindestens 2 Spulen und in der Mitte auch der magnetische Kreis aus ferromagnetischem Metall wie Eisen, Cobalt oder Nickel zu erkennen. Die Wechselspannungsquelle ist nicht zwingend notwendig, um solch ein Bauteil als Transformator zu bezeichnen.

    Seine Aufgabe ist es, Wechselspannungssignale zu transformieren. Er funktioniert als Transformator natürlich nur mit Wechselspannungssignalen, da nur eine Änderung des Signals eine Spannung in der Sekundärspule induzieren kann.

    Ein Anwendungsbeispiel ist die Hochtransformation der Spannung bei der Einspeisung in unser Hochspannungsstromnetz, bei der die Spannung deutlich erhöht wird. Dieses Netz dient dem Transport über weite Strecken. Bei einem PC-Netzteil hingegen wird intern die Spannung von 230 V auf 12 V reduziert. Dabei steigt die Stromstärke stark an.

  • Gib den Aufbau eines Transformators an.

    Tipps

    Obwohl elektrischer Strom verwendet wird, ist die Funktion des Transformators kein rein elektrischer Effekt.

    Was ist die Funktion einer Spule?

    Lösung

    Der Transformator nutzt den Effekt der Induktion. Zur Verstärkung dieses Effektes wird ein Eisenkörper verwendet, der den magnetischen Fluss in seinem Inneren bündelt.

    Die Wechselspannung wird verwendet, damit sich der magnetische Fluss ändert. Durch die kompletten Umpolungen auf Grund des Wechselstromes wird die Änderung maximal. Eine höhere Frequenz und eine größere Spannung verstärken die magnetische Flussänderung noch weiter.

    Durch unterschiedliche Windungszahlen bei den Spulen kann die Spannung im Verhältnis der Windungszahlen auf- oder abtransformiert werden.

    Da die Leistung $P=U\cdot I$ auf beiden Seiten des Transformators gleich groß ist, muss sich die Stromstärke um den Faktor reduzieren, um den die Spannung ansteigt. Oder andersherum: Wenn die Spannung reduziert wird, muss die Stromstärke um den gleichen Faktor ansteigen.

  • Gib an, warum wir Wechselspannung im Transformator verwenden.

    Tipps

    Die Wechselspannung ändert periodisch ihre Spannungswerte.

    Was ist nötig, um in einer Spule eine Spannung zu induzieren?

    Lösung

    Die Entdeckung der Wechselstrom durch Nikolai Tesla machte die Transformatortechnik erst möglich und damit auch unseren heutigen Lebensstil. Ohne Wechselstrom könnten wir die elektrische Energie nur über kurze Strecken transportieren und hätten dabei auch gewaltige Energieverluste.

  • Erkläre das Lehrerexperiment zum schmelzenden Nagel.

    Tipps

    Verwende die Gleichung für den belasteten Transformator.

    Lösung

    Diese Technik wird zum Beispiel beim Elektroschweißen oder auch beim elektrischen Hochofen verwendet.

    Um die Windungszahl der Primärspule zu bestimmen, nutzen wir die Gleichung für den belasten Transformator.

    $\frac{I_1}{n_2}=\frac{I_2}{n_1}$

    Diese stellen wir nach $n_1$ um.

    $n_1=\frac{I_2}{I_1}\cdot n_2= \frac{640\,A}{4\,A}\cdot 6=960$

    Wir benötigen also eine Primärspule mit 960 Windungen.

  • Bestimme die Spannung und den Strom im Sekundärkreis.

    Tipps

    Beachte die Lenzsche Regel.

    Lösung

    Der ideale Transformator transformiert das Wechselspannungssignal nach dem Verhältnis der Windungszahlen. Dafür gelten diese Gleichungen:

    $\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2}$

    $\frac{I_1}{I_2}=\frac{n_2}{n_1}$

    Daraus folgt:

    $U_2=U_1\cdot\frac{n_2}{n_1}=220\,V\cdot\frac{100}{2000}=220\,V\cdot\frac{1}{20}=\frac{220V}{20}=11\,V$

    $I_2=I_1\cdot\frac{n_1}{n_2}=1\,A\cdot\frac{2000}{100}=1\,A\cdot 20=20\,A$

  • Erkläre das Lehrerexperiment zur Hochspannung.

    Tipps

    Ein Verhältnis ist zum Beispiel 1:4.

    Blackbox ist der englische Begriff für einen schwarzen Kasten, der hier mit einem weißen Fragezeichen beschriftet ist.

    Lösung

    Dieser Versuch wird unter sehr großen Sicherheitsvorkehrungen durch die Lehrkraft vorgeführt. Dabei wird die Spannung des Netzspannungssignals sehr stark hochtransformiert. Dazu befindet sich ein Transformator in der Blackbox.

    Um dessen genaue Windungszahl zu bestimmen, nutzen wir die Gleichung für den unbelasteten Transformator.

    $\frac{n_1}{n_2}=\frac{U_1}{U_2}$

    $U_1$ entspricht hier der Netzspannung $U_{Netz}$. $U_2$ entspricht der transformierten Spannung.

    $U_2=10,58\,cm\,\cdot\,1000\,\frac{V}{cm}=10580\,V$

    $\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{230\,V}{10580\,V}=\frac{1}{46}$

    Wenn wir nun eine Primärspule mit $n_1=100$ Windungen nutzen, benötigen wir auch eine Sekundärspule mit der 46-fachen Windungszahl also eine Spule mit $n_2=4600$ Windungen.

    Dieser Versuch ist leider immer sehr störanfällig. Gerade die Luftfeuchtigkeit verkürzt die Blitzlänge erheblich. Jedoch kann man die Blitzlänge drastisch erhöhen, indem man ein simples Teelicht auf einem Podest zwischen den Hörnern aufstellt. Dieses ionisiert die Luftmoleküle und sorgt zudem für einen leichten Aufwind. Damit lässt sich im Ideallfall die Blitzlänge um die Hälfte vergrößern.