Transformatoren
Anwendungsbereiche
Transformatoren sind einfache Bauteile, welche Spannungen verändert übertragen können. In fast jedem Gerät ist ein Transformator (kurz: "Trafo") eingebaut. Das Tablet von Herr Rudolph benötigt z.B. eine Spannung von 15 V um betrieben zu werden. Die Netzspannung in Deutschland liegt aber bei 230 V. Daher hat der Netzstecker einen Trafo verbaut, der die Spannung verringert. Aber wie genau funktioniert das?
Versuchsaufbau
Ein Trafo besteht aus zwei Spulen, welche über einen in sich geschlossenen Eisenkern miteinander verbunden sind. Vor ihnen steht genau dieser Aufbau. Eine Spule ist mit der Wechselspannungsquelle (im Bild: rote Kabel) verbunden. Mit einem Voltmeter messen wir die Spannung (schwarz), die an dieser Seite des Trafos "ankommt". Mit einem anderen Voltmeter (gelb) messen wir die Spannung, die auf der anderen Seite des Trafos "ankommt".
Erklären Sie kurz, wie die Spannung an der Ausgangsspule prinzipiell entsteht!
Herleitung zu Trafo-Gleichung
Vollziehen Sie die folgende Herleitung nach, mit der man aus der "Eingangs-Spannung" die "Ausgangs-Spannung" berechnen kann. Beantworten Sie dann die Frage unten.
Betrachten wir eine ideale Eingangsspule, welche den Eisenkern umgibt. Legt man an diese Spule eine Wechselspannung an, so wird in ihr ein Magnetfeld erzeugt. Durch dieses veränderliche Magnetfeld wird eine Spannung in der Eingangsspule (Selbstinduktion!) erzeugt. Diese Spannung muss jederzeit der angelegten Spannung entsprechen, denn: Da die Spule als ideal betrachtet werden soll, treten keine Energieverluste auf und die gesamte angelegte Spannung trägt zur Änderung des Magnetflusses bei. Daher gilt für die Eingangsspule: .
Andererseits wird auch die zweite Spule von diesem Magnetfeld durchsetzt, da Sie ja den gleichen Eisenkern umgibt. Daher gilt für diese zweite Spule: .
Stellen wir beide Gleichungen nach um und setzen diese gleich, so erhalten wir:
Stellen Sie nun die Spannung der Spannungsquelle so ein, dass das Voltmeter der Eingangsspule 5 V anzeigt. Sagen Sie mit Hilfe der obigen Gleichung vorher, welche Spannung sich ergibt, wenn die Ausgangsspule 500 Windungen, 250 Windungen bzw. 1000 Windungen aufweist. Überprüfen Sie ihr Ergebnis mit der Musterlösung und im Versuch, indem Sie die Ausgangsspule austauschen und den Versuch wiederholen.
Fertig?
Sind Sie mit allem Fertig? Alles verstanden? Dann haken Sie diesen Bereich auf ihrem Laufzettel ab und machen Sie bei den anderen Anwendungen weiter. Haben Sie alle Anwendungen durch? Dann machen Sie sich an die Aufgabe für Schnelle.
(Auf Seite 128-129 im Buch finden weitere Informationen zu Transformatoren)