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Der Transformator
16.4.2021
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Physik Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die auf einem Eisenkern sitzen. Zwischen beiden Spulen gibt es keine elektrisch leitende Verbindung. Die Feldspule (Primärspule) wird an eine Wechselspannungsquelle ange- schlossen. Der Wechselstrom in dieser Spule erzeugt ein Magnetfeld, dessen Richtung und Stärke sich ständig än- dern. Der Eisenkern sorgt dafür, dass das Magnetfeld möglichst stark ist. Die Magnetfeldänderungen rufen in der Feldspule eine Gegenspannung hervor, die fast so groß ist wie die angelegte nung (→Info oben). Spannung ( Da sich das Magnetfeld in der anderen Spule ebenfalls ändert, kommt es auch in ihren Windungen zur Induktion; zwi- schen den Enden misst man eine Induk- tionsspannung. Die zweite Spule heißt Induktionsspule (Sekundärspule). Wenn die Feldspule und die spule gleiche Windungszahlen haben (N₁ = N₂), ist die induzierte Spannung U₂ (Se- kundärspannung) so groß wie die anlie- gende Spannung U, (Primärspannung). Hat die Induktionsspule doppelt so viele Windungen wie die Feldspule (N₂ = 2 N₁), so gilt: U₂ = 2 U₁. Wir können herleiten, wie die Sekundär- spannung von der Primärspannung und den Windungszahlen abhängt: U20 V N₁-200 1 Weshalb kann man einen Trans- Glei pannung betreiben? 2 Wieso können Experimente mit Transformatoren gefährlich sein? N₂-1 3 Bild 1 zeigt einen Klingeltransfor- mator. Welches ist die Feldspule, welches die Induktionsspule? Be- gründe deine Antwort. 4 Der Radiotrafo von Bild 2 hat eine Induktionsspule mit mehreren Ein Klingeltrafo wird mit Netzspannung (230V) be trieben. Die Sekundärspannung beträgt 5 V -0,1 ( Der Transformator 2 Info: So funktioniert ein Transformator Das Magnetfeld ändert sich in beiden Spulen in gleicher Weise....
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Alternativer Bildtext:
Daher wird zwischen den Enden jeder einzelnen Windung die gleiche Spannung indu- ziert. Wie groß die Spannung pro Win- dung ist, lässt sich berechnen. In der Feldspule wird eine Gegenspannung in- duziert, die so groß ist wie die Primär- spannung U₁. In jeder einzelnen Win- dung wird also die Spannung erzeugt. Die gleiche Spannung wird auch zwi- schen den Enden jeder Windung der Induktionsspule induziert. Weil die Win- dungen in Reihe geschaltet sind, addie- 10 ren sich diese Spannungen (Bilder 7-9). Die Induktionsspannung U₂ ergibt sich, wenn wir die auf jede Windung entfal- lende Spannung mit der Windungszahl N₂ der Induktionsspule multiplizieren: U₂= N₁ N₂. Durch Umformen erhalten wir: U₂ N₂ U₁N₁ Beim Transformator ist der Quotient der Spannungen gleich dem Quotien- ten der Windungszahlen. Streng genommen gilt diese Formel nur, wenn kein Gerät an die Induktions- spule angeschlossen ist und keine Ener- gie von der Feld- zur Induktionsspule übertragen wird (unbelasteter Trafo). 8 Primärspule U20 V N₁-200 5 Der Transformator einer Modell- eisenbahn wird mit einer Spannung von 230 V betrieben. Die Sekundär- spannung beträgt maximal 12 V. Wie viele Windungen muss die In- duktionsspule des Trafos haben, wenn eine Spule mit 690 Windungen als Feldspule verwendet wird? 6 Die Feldspule des Netzgerätes von Bild 3 hat 5100 Windungen. Die Sekundärspule Bei diesem Radiomato sind die beiden Spulen über einander gewickelt 1 Aufgaben „Anzapfungen". Welchen Vorteil hat Primärspannung beträgt 230 V. Man solcher Transformator? kann folgende Sekundärspannun- gen einstellen: 3 V, 4,5 V, 6V, 7,5 V, 9 V und 12 V. Wie viele Windungen sind auf der Sekundärseite jeweils erforderlich? 20 V N₂-200 9 7 Ein Hochspannungstransforma- tor eines Farbfernsehers besitzt eine Feldspule mit 400 Windungen und ei- ne Induktionsspule mit 24 000 Win- dungen. Die Primärspannung beträgt 230 V. Wie hoch ist die Sekundär- spannung? Auch ein Netzgerät ist ein Trafo. Es transformiert die Spannung von 230 V auf 2.8.3 V bis 12 v Beispiel: Der Trafo von Bild 10 hat die Windungszahlen N₁ = 750 und N₂ = 30. Die Sekundärspannung beträgt 400 V. Berechne die Primärspannung. Lösung: U₁=NU₂. 750 30 U₁= 400 V 10 000 V. Die Spannung an der Feldspule beträgt 10 kV. (Eigentlich handelt es sich bei dem Gerät von Bild 10 nicht um einen Transformator, sondern um drei Tra- fos, durch die zwei Drehstromnetze verknüpft sind. Für jeden einzelnen Trafo stimmt aber unsere Rechnung.) UU -20 V N₁ - 200 -40V N₂-400 Physik Formeln: Transformatoren werden verwendet, um elektrische Energie eines Wechselstromes von einem Primärstromkreis auf einen Sekundärstromkreis zu übertragen. Bei dieser Übertragung kann man die Werte für die Spannungen und Stromstärken verändern. Das Funktionsprinzip von Transformatoren beruht auf der elektromagnetischen Induktion. Eingangs-/Primär Spannung U1 Primär-/Feldspule/ Sekundär-/ Windungsanzahl:N1 U- Eisenkern Induktionsspule Windungsanzahl:N2 U₁₁ - №₁ U₂ N₂ = gesucht → U₁ -> U₁ U₁ U₂ U₁ = №₁² /• U₂ U₂ N₂ = №₁ N₂ ]! Aufbau eines Transformators: • U₂ Der Transformator gesucht → N₁ U₁ = N₁ | •N₂ U₂ N₂ •N₂ = N₂₁ U₂ U₁ gesucht →> U₂ N₂ N 1.0₂ N₁ -I-Eisenkern/Joch V Ausgangs-/Sekundär Spannung U2 U₂ = №₁₂₁² • U₁₁ N₂ gesucht-N₂ N₂ N₁ U₂ U₁ = /. №₁ U₁₂ • N₁ = N₂ U₁ 26.02.21- Wichtig hier ist, dass wenn ich U₂ oder No Suche ich es in den Zähler schreiben muss!