Aufbau Transformator?
Hallo,
und zwar haben wir in Physik aufgaben bekommen. Dieses thema ist neu und wir müssen es uns selbst ausarbeiten, aber ich finde keine passende skizze zu diesem Transformator :/
Dankeschön!
2 Antworten
Der Grundlegende Aufbau eines Transformators beschreibt, dass dieser aus 2 Spulen besteht, einer sogenannten Primärwicklung und einer Sekundärwicklung.
die Spulen sind Galvanisch voneinander getrennt haben also keine elektrisch Leitfähige Verbindung zu einander. Die Spule selber ist dabei ein einfacher Isolierter Leiter denn man einfach nur aufgewickelt hat.
Die beiden Spulen sind dann über einen Eisenkern mechanisch miteinander verbunden haben aber keine elektrisch Leitfähige Verbindung zum Eisenkern. Der Eisenkern hat dabei später noch eine ganz bestimmte Aufgabe worauf ich gleich zu sprechen komme.
Die Spule ist zudem mit 2 Anschlüssen versehen sowohl die Primär als auch die Sekundärwicklung.
Lass uns nun ein Versuch starten und schauen was dort eigentlich passiert und wofür ein Transformator überhaupt gut ist.
Das erste was wir tun ist an die Primärwicklung über die beiden Anschlüsse eine Spannung anzulegen (vorzugsweise eine Wechselspannung die ihre Polarität periodisch ändert. Das heißt + und - tauschen sich regelmäßig ab. Warum unbedingt eine Wechselspannung, erzähle ich dir auch gleich).
Nun fließt ein Strom I durch die Primärwicklung mit der Windungszahl N (sagt aus, wie oft man den Leiter aufgewickelt hat.).
Merken: Jeder elektrische Leiter durch den ein elektrischer Strom fließt baut ein Magnetfeld aus oder noch grundlegender: Überall, wo sich Ladungen bewegen und wo ein elektrisches Feld rotiert baut sich ein Magnetfeld auf. Das rotieren eines elektrischen Feldes führt immer zu einem Magnetfeld und umgekehrt.
Das heißt also wirklich Grundlegend, Es gibt kein Punkt im Universum wo von sich aus einfach so ein Magnetfeld entstehen oder enden kann. Das ist ganz wichtig das du das verstehst. Ein Magnetfeld entsteht immer NUR DANN, wenn ein Elektrisches Feld rotiert und das elektrische Feld hat seinen Ursprung beim Ladungsträger.
Das bedeutet, du hast in einem Raum ein kleines Elektron. Die Tatsache, dass das Elektron negativ elektrisch geladen ist bzw generell elektrisch geladen ist, führt dazu, dass ein elektrisches Feld entsteht, welches vom Elektron ausgeht und Radial in Alle Richtungen verläuft. Das heißt der Ladungsträger ist der Ursprung für das elektrische Feld und wenn dieses elektrische Feld rotiert indem du z.b. das Elektron drehen lässt, dann entsteht ein Magnetfeld. Bestimmt hat du schonmal etwas von "Elementarmagneten" gehört im Thema Magnetismus. Dass sich "Alle Elementarmagnete" in einem Material ausrichten und deshalb ein Material nach außen ein Magnetfeld hat und das was ich hier gerade beschrieben habe ist im Prinzip dein "Elementarmagnet". Da kommt das im Prinzip her. Das Elektron hat ein Elektrisches Feld, dreht sich in seiner eigenen Achse, das nennt man Spin und gleichzeitig bewegt es sich ja auch noch in einer Kreisbahn um den Atomkern und diese Bewegung führen zu einem magnetischen Feld.
Dabei musst du dir merken, dass die Rotation eines Magnetischen Feldes der Rotation des elektrischen Feldes entgegen gerichtet ist.
So. Wir haben also unseren elektrischen Leiter und durch ihn fließt ein elektrischer Strom I und das sind ja negativ geladene Ladungsträger/Teilchen die sich auch Elektronen schimpfen pro Zeit I=Q/t Das heißt ein Strom I ist die Anzahl der Ladung pro Zeit fließt also eine Ladung von 1 Coulomb in einer Sekunde durch den Leiter hast du 1 Ampere Strom welcher dort fließt. I=Q/t=1Coulomb/1Sekunde=1Ampere.
Wir können auch mal schauen wie viele Elektronen das sind. Ein Ladungsträger trägt dabei exakt die Ladung von 1,602*10^-19 Coulomb.
n=Q/e=1Coulomb/1,602*10^-19 Coulomb=6,242*10^18
Es sind also bei 1 Ampere 6,242*10^18 Elektronen oder auch 6242000000000000000 Elektronen PRO SEKUNDE!
Einfach nur um mal eine Vorstellung davon zu bekommen was da eigentlich so los ist :D
Diese ganzen Ladungsträger fließen also durch die Primärspule und es entsteht ein magnetisches Feld. Das Magnetische Feld der durch einen elektrischen Leiter generell fließt berechnet sich folgendermaßen H=I/2*Pi*r. Das heißt wir haben einen Strom I der durch den elektrischen Leiter fließt was zu einem Magnetfeld führt, der sich Kreisförmig um den elektrischen Leiter herum bildet 2*Pi dabei nimmt die stärke des magnetischen Feldes H mit der Entfernung ab, der durch den Radius bestimmt wird r.
Das heißt, wenn der Strom I schwächer wird, wird auch r schwächer. Wenn der Strom I in die andere Richtung fließt verändert sich auch die Richtung der Magnetfeldlinien (Rechte Hand Regel).
Die Richtung also ob hin oder zurück wird mit dem Vorzeichen ausgedrückt. haben wir einen Strom I=2A, dann haben wir im Prinzip einen Strom der meinetwegen von Links nach Rechts mit der Stärke von 2A fließt. Haben wir I=-2A heißt es im Prinzip, dass der Strom von Rechts nach Links mit der stärke von 2A fließt.
Durch das wickeln des elektrischen Leiters haben wir nun die Möglichkeit das Magnetfeld mit gleicher Stromstärke zu verstärken. Deshalb das aufwickeln.
wir haben nun also ein großes Magnetfeld dadurch, dass ein Strom I durch die Primärspule fließt. Dieses Magnetfeld erfährt jetzt die Sekundärspule. Das heißt die Sekundärspule ist im Prinzip in dem Magnetfeld. Leider passiert aber nichts weiter. Klar wir können den Stromfluss ausschalten und einschalten und dann passiert auch kurz etwas aber das ist ja nicht der SInn der Sache.
aber warum passiert nichts? Ganz einfach weil NUR eine Magnetfeld ÄNDERUNG die ein elektrischer Leiter erfährt eine Spannung U in diesen induzieren kann. Wenn das Magnetfeld aber an sich seinen Wert nicht ändert egal wie stark dieser ist, wird auch keine Spannung induziert und exakt das ist der Grund, warum wir eine Wechselspannung haben wollen. Eine Wechselspannung sorgt jedes mal periodisch für eine Veränderung des Magnetfeldes durch den Stromfluss. Du kennst ja das ohmsche Gesetz I=U/R und wenn die Spannung bei gleichen Widerstand kleiner wird, dann wird auch der Strom kleiner, wird er größer, dann wird auch der Strom größer und das wiederum verändert das Magnetfeld H=I/2*Pi*r wir erinnern uns ;)
Wir haben also eine Wechselspannung nehmen wir mal eine Wechselspannung mit der Frequenz von 50 Hz. Das heißt 50 mal in einer Sekunde wechseln + und - sich ab. Das entspricht der Frequenz der Spannung in unserem Netz also die Spannung die auch an deiner Steckdose anliegt.
Wir haben also z.b. eine Spannung an der Primärwicklung von 230V effektiv. Effektiv bedeutet, dass die Wechselspannung in der gleichen Zeit die gleiche Arbeit beim gleichen Widerstand verrichtet wie eine Gleichspannung die 230V beträgt.
In unserem Versuch werden wir nun eine Verhältnismässigkeit feststellen zwischen den Windungen und zwar
Uprimär/Usekundär=Nprimär/Nsekundär
ABER nur mit einer Ausnahme. Das gilt NUR für einen idealen Transformator. Das ist ein Transformator ohne sogenannte Verlustleistung. Was das heißt dazu gleich auch mehr.
Nehmen wir nun mal an die Primär Windung beträgt 1500 Windungen und die Sekundärwindung beträgt 500 Windungen und es liegt eine Spannung von 230V effektiv an der Primärwindung an, dann können wir über das Verhältnis die Sekundärspannung Usekundär berechnen:
UPrimär/Usekundär=Nprimär/Nsekundär => Usekundär=UPrimär*Nsekundär/NPrimär
Werte Ensetzen:
230V*500/1500=76,7V
Tauschen wir mal die Windungszahlen aus. Jetzt hat die Primärwindung 500 und die Sekundärwindung 1500. Mal schauen was passiert:
230V*1500/500=690V
Nun sollte der Sinn eines Transformators klar sein. Mit ihm lässt sich eine Spannung hoch oder runter Transformieren und genau dafür sind die Dinger gut. Was hat es jetzt aber mit dem Eisenkern auf sich?
Du wirst damit vermutlich jetzt noch nicht viel rechnen müssen vermutlich sogar gar nicht oder zumindest noch nicht aber ein Transformator ist kein Verlustloses elektrisches Bauelement.
dadurch, dass ein Strom überhaupt durch einen elektrischen Leiter fließt, haben wir Verluste, die sich als Verlustleistung auswirken und der Grund dafür sind, dass ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Darüberhinaus machen auch Magnetfelder leider nicht immer ihren Job zumindest nicht so, wie wir es gerne hätten.
So schließt sich ein großer Teil des Magnetfeldes nicht in der Sekundärwicklung sondern in der Luft selber was dann dazu führt, dass die induzierte Spannung kleiner wird. Einfach 2 Spulen nebeneinander zu stellen reicht also nicht. Die Leistung wird nicht optimal übersetzt. Wir wollen aber so viel wie möglich des elektrischen Stromes nutzen also versuchen wir das ganze möglichst so zu bauen um so wenig Verluste wie möglich zu erreichen, sodass so viel wie möglich der Energie auch verwendet werden kann. Wir wollen ja nicht, dass der elektrische Leiter warm wird, wir wollen, dass die elektrische Energie vollständig übertragen und entsprechend Transformiert wird.
Also hat man einen Eisenkern genommen. Der Eisenkern hat die Aufgabe die Magnetfeldlinien zu bündeln. Das kann es, Weil ein Eisenkern sich leichter vom Magnetischen Fluss durchfluten lässt als Luft. Man spricht von der magnetischen Permerabilität eines Stoffes. Sie sagt etwas darüber aus, wie gut das Material vom magnetischen Fluss durchflossen werden kann und genau wie der elektrische Fluss sucht sich der magnetische Fluss den Weg des geringsten Widerstandes und das ist eben im Eisenkern.
Es geht also nur noch darum den Wirkungsgrad zu verbessern. Beispiel:
Ein Transformator ist so gebaut, dass sein Wirkungsgrad 90% beträgt. Es liegt an der Primärwicklung mit der Windungszahl 1500 eine Spannung von 230V an und es fließt ein Strom durch sie von 3Ampere. Wie groß ist die elektrische Leistung auf der Sekundärseite.
Zunächst müssen wir dazu bestimmen wie groß die Leistung auf der Primärseite ist.
Pprimär=Uprimär*Isekundär=230V*3A= 690Watt
Da der Wirkungsgrad 90% beträgt bedeutet es, dass nur noch 90% der Leistung aus der Primärseite auf der Sekundärseite zu erwarten ist 90% von 690 Watt sind 621 Watt.
Wir machen demnach 690Watt-621Watt=69Watt Verlust. Das heißt 69 Watt die vom Transformator verbraten werden ohne das wir irgendwie etwas davon haben. Diese Energie ist Energie, die z.b. in Wärme umgewandelt wird, dein Transformator wird warm, im Eisenkern entstehen sogenannte Wirbelströme, dein Eisenkern beginnt damit zu vibrieren im 50Hz takt, man nennt es auch das 50 Hz summen eines Transformators. Das hast du bestimmt mal gehört. ein Transformator bzw ein Netzteil irgendwo angeschlossen oft reicht sogar ein Handyladegerät und man hört so ein Summen da raus man meint, man könne die Elektronen fließen hören. Das ist im Prinzip in etwa das was da so hinter steckt. Das ist alles Verlust. Du willst ja nicht, dass sich dein Transformator irgendwie bewegt bzw das es vibriert, du willst dein Handy laden oder? :D
Das ist also alles Energie in Form von bewegungs Energie oder Wärme Energie what ever, womit du einfach nichts anfangen kannst.
Falls es noch Verständnis fragen gibt, einfach Fragen. Es gibt keine Dummen fragen. Ich werde mich darum bemühen diese zu zufriedenstellend zu beantworten :)
Wenn der Strom I schwächer wird, wird auch H schwächer nicht r der Radius kann ja nicht schwächer werden. Das heißt wenn die Stromstärke kleiner wird, wird auch die magnetische Feldstärke H kleiner. Habe mich vertippt :D
