Mit einem Transformator kann man die Spannung hoch- und runterregeln.
WAAAASSS???? Dann kann ich ja eine Batterie mit 1,5V nehmen und daraus eine höhere Spannung von 230V machen, also die Spannung die aus der Steckdose kommt.
Und dann kann ich meinen Toaster oder meine Waschmaschine damit betreiben!
Schön wärs... . So einfach ist es leider nicht. Aber grundsätzlich stimmt, dass ich mit einem Transformator die Spule oder den Strom nahezu beliebig verändern kann. Das Problem ist, dass ich entweder mehr Strom ODER mehr Spannung bekomme. Die andere Größe geht dafür zurück, so dass ich am Ende nie mehr Leistung herausbekomme.
Gleichungen
Wir benötigen folgende Gleichungen:
elektrische Leistung: P = U I
Aufgabe 1) Der Induktionsvorgang in einer Spule
a) Welche Größe muss sich in einer Spule ändern, damit eine elektrische Spannung entsteht?
b) Wovon hängt die Stärke der induzierten Spannung ab?
c) Was entsteht in einer Spule, wenn ein Strom durch sie fließt?
d) Wovon hängt die Stärke des Magnetfeldes ab?
Aufgabe 2) Aufbau eines Transformators
Für einen Transformator verwendet man Wechselstrom, d.h. Strom, der ständig seine Fließrichtung ändert. Anders gesagt ändern die Pole der Elektrizitätsquelle permanent ihre Vorzeichen.
In den meisten Staaten der Welt wechselt der Strom 50mal pro Sekunde seine Richtung. Man spricht von einer Wechselspannung mit 50Hz (Hertz)
Um einen Transformator aufzubauen verwendet man zwei Spulen. In der ersten (Primärspule) wird durch einen Wechselstrom ein Magnetfeld erzeugt, das ständig seine Richtung ändert.
An der zweiten Spule (Sekundärspule) kann dann die gewünschte Spannung bzw. der gewünschte Strom abgegriffen werden.
Für die Verbindung nutzt man ein Eisenjoch, einen viereckigen Ring aus Eisen. Auf zwei Seiten des Eisenjochs sitzt jeweils eine der beiden Spulen.
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a) Erkläre, warum in der zweiten Spule eine Spannung induziert wird.
b) Wie ändert sich die induzierte Spannung, wenn die Sekundärspule eine höhere Anzahl an Windungen hat?
c) Wie kann man also die an der Primärspule anliegende Spannung erhöhen? Wie kann man sie herunterregeln?
Formuliere zunächst in eigenen Worten und stelle dann eine Gleichung auf.
Aufgabe 3) Rechnungen mit der Spannungsgleichung
a) Die erste Spule habe 40 Windungen, die zweite habe 600 Windungen. Welche Spannung liegt an der zweiten Spule an, wenn an der ersten Spule eine Spannung von 30V angelegt wird?
b) Beim gleichen Aufbau soll eine Spannung von 22V an der zweiten Spule herauskommen. Welche Spannung muss an der ersten Spule anliegen.
c) Eine Spannung soll von 230V auf 12V heruntergeregelt werden. Die erste Spule habe die Windungszahl 100. Welche Windungszahl muss die zweite Spule haben?
Aufgabe 4) Leistung und Strom
In der Physik gibt es Erhaltungssätze, gegen die nicht verstoßen werden darf. Z.B. darf Masse oder Ladung nicht verschwinden. Insbesondere gilt der Energieerhaltungssatz, d.h. dass Energie nicht verloren gehen kann aber auch nicht aus dem Nichts entstehen darf. Genau das Gleiche gilt für die Leistung.
Bezogen auf unseren Transformator heißt das, dass die in die erste Spule hineingegebene Leistung nicht kleiner sein kann als die Leisung, die auf der Sekundärseite wieder herauskommt.
Was bedeutet das für den Strom?
Auf beiden Seiten sollen die Leistungen gleich sein.
D.h. P1 = P2 oder U1 I1 = U2 I2
Wir sehen: Wenn eine Spannung steigt muss der dazugehörige Strom sinken, damit der Wert konstant bleibt.
Durch Umstellung erhalten wir:
U1/U2 = I2/I1 d.h. Strom und Spannung verhalten sich antiproprtional zueinander.
Verbinden wir diese Gleichung mit der schon bekannten Spannungsgleichung, so erhalten wir:
U1/U2 = n1/n2 = I2/I1 und damit die Stromgleichung für den Transformator:
I2/I1 = n1/n2
a) Gegeben sei eine Primärspule mit 50 Windungen und eine Sekundärspule mit 400 Windungen. an der Primärspule liegt eine Spannung von 5V und ein Strom von 3,2A an. Welche Spannung und welchen Strom erhalten wir an der Sekundärspule? Kontrolle: Berechne auf beiden Seiten die Leistung.
b) Was erhalten wir, wenn wir die Primär- und die Sekundärspule vertauschen?
