Transformator
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Schulversuchspraktikum 1. Protokoll Transformator (3. Klasse Oberstufe) Dana Eva Ernst 9955579 Linz, am 19.10.2002 Inhaltsverzeichnis Kapitel I - Thema und Ziele 2 Kapitel II - Versuche 2.1. Grundversuche zur Induktion 2 2.1.1. Die Leiterschleife 2 2.1.2. Der Stabmagnet 3 2.2. Der Transformator 4 2.2.1. Der unbelastete Transformator 4 2.2.2. Der belastete Transformator 8 2.3. Der Hochstromtransformator – Anwendungsversuche 11 2.3.1. Die Schmelzrinne 11 2.3.2. Der durchgeschmolzene Nagel 12 2.4. Der Hochstromtransformator 13 2.4.1. Der Hörnerblitzableiter 13 2.5. Der Trenntransformator 15 Kapitel III - Zusatzinformationen 3.1. Stromversorgung in Österreich - Vom Kraftwerk zum Verbraucher 15 3.2. Aufbau des Verbundnetzes - Das Österreichisches Hochspannungsnetz 16 3.3. Elektrische Verluste mit dem Transformator 17 3.4. Spannungswerte in Europa, Amerika 17 3.5. Transformatoren für hohe Frequenzen (Ferritkerne) 18 Kapitel IV-Anmerkung 18 Kapitel V-Literatur 20 Anhang Übersichtstabellen für Lehrer 21 Folien 25 -1- I. THEMA und ZIELE Der Transformator hat in der Praxis eine wichtige Bedeutung. In der Elektrizität spielt er von elektrischer Energietechnik bis hin zur Nachrichtentechnik eine wichtige Rolle. Ohne den Transformator wäre eine Versorgung mit Strom für ganz Österreich nicht vorstellbar. Der Transformator kommt im Gymnasium in der 4. Klasse das erste Mal vor und ein zweites Mal in der Oberstufe in der 7. Klasse. Was sind die Ziele? Verstehen, wie ein Transformator funktioniert Eventuell selbst einen Transformatorversuch durchführen Eine Vorstellung davon entwickeln, wo und welche wichtige Rolle ein Transformator im Alltag spielt Erforderliche Voraussetzungen bzw. Vorwissen: Induktion- Selbstinduktion Magnetischer Fluss (Kirchhoffsche Gesetze) Spule und ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis Lorentzkraft, Lenzsche Regel II. VERSUCHE 2.1. Grundversuche zur Induktion Da es recht viele Grundversuche zur Induktion gibt, habe ich mich entschlossen folgende zwei elementare Versuche anzuführen. 2.1.1. Die Leiterschleife Aufbau: Abb. 1 -2- Versuchsgang und Erklärung: Die Leiterschleife wird in einem Hufeisenmagneten bewegt. An der Leiterschleife ist außerdem ein Voltmeter angeschlossen. Bewegt man die Leiterschleife hin und her, so wird im Leiter eine Spannung induziert, die man mit dem Voltmeter sichtbar machen kann. Wenn der Leiter im Magnetfeld ruht, ist kein Ausschlag des Voltmeterzeigers zu sehen, da nur bei Bewegung des Leiters Spannung induziert wird. Wiederholung: Lorentzkraft: Bewegt sich ein geladenes Teilchen der Ladung Q mit der Geschwindigkeit v durch ein Magnetfeld der magnetischen Induktion B, so wirkt auf das Teilchen eine Kraft: F QvB Lenzsche Regel: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass seine Wirkung der Ursache des Induktionsstroms entgegengesetzt ist. 2.1.2. Der Stabmagnet Aufbau: Abb. 2 Versuchsgang und Erklärung: Ein Stabmagnet wird in eine Spule eingeführt (und wieder herausgezogen). Das Voltmeter zeigt wiederum die induzierte Spannung an. Ergebnis: Durch das Einführen des Magneten ändert sich der magnetische Fluss, der die Spule durchsetzt und eine Spannung wird dadurch induziert. Wird der Magnet schnell heraus- oder hineingeschoben, so ist die induzierte Spannung für eine kurze Zeit (so lange, wie sich der Magnet in der Spule befindet) „sehr“ hoch. Schiebt man den Magneten hingegen langsamer heraus oder hinein, so wird zwar weniger Spannung induziert, aber über einen „längeren“ Zeitraum im Vergleich zum schnellen Bewegen. -3- 2.2. Der Transformator Wofür benötigt man in erster Linie einen Transformator im Alltag? Ganz einfach: Die Elektrizitätswerke leiten den Strom über Hochspannungsleitungen weiter. Damit die Übertragung mit möglichst wenig Verlusten erfolgt, ist Hochspannung notwendig. Der Transformator transformiert die Spannung, die im Kraftwerk erzeugt wird auf Hochspannung hoch. Im Haushalt hingegen wäre Hochspannung viel zu gefährlich und außerdem funktionieren elektrische Geräte nicht mit Hochspannung. Deshalb braucht man wiederum einen Transformator, der die Hochspannung wieder hinunter transformiert (siehe 3.1. ). Zusammengefasst: Transformatoren haben die Aufgabe, elektrische Energie aus einem System gegebener Spannung U1 und Frequenz f in ein System gewünschter Spannung U2 unter Beibehaltung der Frequenz zu übertragen. Dabei erfolgt die Umwandlung der elektrischen Wechselstromenergie über ein magnetisches Wechselfeld. Im folgenden sind die einzelnen Transformatortypen, sowie einige Transformatorversuche beschrieben. 2.2.1. Der unbelastete Transformator Folgendermaßen ist ein unbelasteter Transformator aufgebaut: Foto 1 -4- Ersatzschaltbild: Abb. 3 oder: Abb. 4 Versuchsgang: Der Aufbau des Versuches erfolgt wie im Foto 1 zu sehen ist. Man verwendet mehrere Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen (zum Beispiel: 150 Wdg., 600 Wdg., 900 Wdg., 1200 Wdg.). Beachte: Vor jedem Versuch die Messgeräte auf ihre Funktion überprüfen. Man variiere entweder die Eingangsspannung oder/und die Spulen. Aus der Primärspannung und der Sekundärspannung bestimmt man nun das Übersetzungsverhältnis U1/U2 und anschließend kontrolliere man das Verhältnis der Spulenwindungszahlen. Hier einige Messbeispiele: Die Primärwindungszahl wurde mit 600 Wdg. konstant gehalten. Primärspannung U1 Sekundärspannung U2 5V 5V 5V 5V 1,3V 5,4V 8V 11V Windungszahl der Sek.-Spule N2 150 Wdg. 600 Wdg. 900 Wdg. 1200 Wdg. Verhältnis N1/N2 4 1 0,667 0,5 Verhältnis U1/U2 3,85 0,93 0,625 0,455 -5- Ergebnis: Aus diesen Messdaten lässt sich das 1. Trafogesetz ablesen (siehe Seite 7). In dieser Messreihe stimmen die Verhältnisse nicht genau überein, weil das verwendete Voltmeter im Schnitt 1 Volt zu wenig angezeigt hat. Die Sekundärspannung U2 eines unbelasteten Transformators steigt bei konstanter Primärspannung U1 und bei konstanter Windungszahl N1 der Primärspule mit zunehmender Windungszahl N2 der Sekundärspule an. Anmerkung: Verwendet man bei diesem Versuch einen Eisenkern ohne Joch, so treten Energieverluste auf, da der magnetische Fluss, der die Primärspule durchsetzt, nicht vollständig in die Sekundärspule übergeht. Verwendet man keinen Eisenkern, so ist der Versuch nicht durchführbar. Es wird einfach nur ein Magnetfeld in der Primärspule erzeugt, was nicht nutzbar ist. Der Eisenkern stellt den „Kleber“ zwischen den zwei Stromkreisen dar. Physikalische Erklärung: Ein Transformator besteht aus einer Erregerspule (oder Primärspule), einer Induktionsspule (oder Sekundärspule) und einem Weicheisenkern. Zum Weicheisenkern und Verluste: Der verwendete Weicheisenkern ist aus dünnen Eisenblechen (Dynamoblechen) aufgebaut, die durch Lack oder Papier gegeneinander isoliert sind. Diese schichtweise Zusammensetzung unterdrückt entstehende Wirbelströme. Einen solchen Eisenkern bezeichnet man auch als laminierten Eisenkern. Bei einem Weicheisenkern, der nicht aus Schichten zusammengesetzt ist, entstehen diese eben genannten Wirbelströme durch die Flussänderung in der Spule, was einen Energieverlust (in Form von Wärme) bedeutet. Es treten zum Beispiel auch Hystereseverluste auf. Diese Verluste rühren daher, weil der Eisenkern ständig durch die Wechselspannung ummagnetisiert wird. Hat man keine derartigen Verluste, so spricht man von einem idealen Transformator. Ein idealer Transformator verbraucht bei offener Sekundärspule keine Energie. Beim unbelasteten Transformator befindet sich im Sekundärstromkreis kein Verbraucher. An der Induktionsspule wird daher keine Leistung entnommen. Die zwei Spulen sind auf einen Weicheisenkern gesteckt (siehe Abbildung 3). Dieser Eisenkern hat die Aufgabe, das Magnetfeld zu verstärken und den gesamten magnetischen Fluss, der in einer der beiden Spulen erzeugt wird, auf die andere Spule zu übertragen. -6- Wie entsteht das magnetische Feld? Der Transformator funktioniert mit Wechselspannung. Legt man an den Transformator Spannung an, so durchfließt die Primärspule ein elektrischer Strom. Durch den Strom wird in der Erregerspule ein veränderliches Magnetfeld hervorgerufen. Legt man an die Primärspule (mit N1 Windungen) eine Wechselspannung U1 = U1 sin (t) an, so fließt in der Primärspule nur ein schwacher Strom (auch Leerlaufstrom genannt). Die Primärspule und die Sekundärspule (mit N2 Windungen) werden nun von einem großen magnetischen Fluss durchsetzt. Strom und Spannung sind aufgrund der induktiven Last um 90° phasenverschoben (siehe Abbildung 5). Zeigerdiagramm: Abb. 5 Über der Primärspule fällt folgende Spannung ab: UL1 = N1 d dt .... magnetische Fluss t .... Zeit N1 .... Windungszahl der Primärspule UL1 .... Spannungsabfall Aufgrund der Kirchhoffschen Gesetze folgt: U1 = N1 d dt (1) Nachdem der gesamte magnetische Fluss auch die Sekundärspule durchsetzt, gilt für diese Spule: U 2 N 2 d dt Diese Spannung kann nun am Ausgang des Transformators entnommen werden. Setzt man (1) und (2) gleich, so folgt daraus der 1. Transformatorgesetz: U2 N 2 U1 N1 -7- (2) U1 .... Spannung an der Primärspule U2 .... Spannung an der Sekundärspule N1 .... Windungszahl der Primärspule N2 .... Windungszahl der Sekundärspule Das Verhältnis der Windungszahlen wird auch Übersetzungsverhältnis genannt. Auffällig ist das negative Vorzeichen, das nichts anderes bedeutet, als dass eine Phasenverschiebung von 180° zwischen U1 und U2 besteht. Wenn N2 größer als N1 ist (oder umgekehrt), so kann man an der Sekundärseite eine größere Spannung (kleinere Spannung) abgreifen. Somit kann man mit dem Transformator eine Spannung in jede gewünschte andere Spannung umtransformieren. 2.2.2. Der belastete Transformator 1. Versuch: Ersatzschaltbild: Abb. 6 Versuchsgang: Der Aufbau des Versuches erfolgt wie im Ersatzschaltbild zu sehen ist. Man verwendet mehrere Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen (zum Beispiel: 150 Wdg., 600 Wdg., 900 Wdg., 1200 Wdg.). Man variiere die Sekundär- sowie die Primärspulen. Aus dem Sekundärstrom I2 und dem Primärstrom I1 bestimmt man nun den Quotienten I1/I2 und anschließend kontrolliere man das Verhältnis der Spulenwindungszahlen. Ergebnis: Beim belasteten Transformator verhalten sich die Sekundärströme I2 und die Primärströme I1 umgekehrt wie die entsprechenden Windungszahlen. -8- 2. Versuch: Ersatzschaltbild: Abb. 7 Versuchsgang: Die Primärspule hat 900 Windungen und die Sekundärspule hingegen 600 Windungen. Im Primärstromkreis befindet sich ein Verbraucher in Form einer Glühbirne und im Sekundärstromkreis zwei parallel geschaltete Verbraucher. Ergebnis: Schraubt man im Primärkreis den Verbraucher heraus, erlöschen auch die Glühbirnen im Sekundärstromkreis. Es fließt also kein Strom. Lässt man hingegen den Schalter im Sekundärkreis geöffnet, erlöschen wiederum alle Glühbirnen. Man hätte vermuten können, dass die Glühbirne im Primärkreis weiterleuchtet, dem ist aber nicht so. Trotzdem zeigt das Amperemeter einen schwachen Strom an, den sogenannten Leerlaufstrom (siehe unbelasteter Transformator). Befindet sich im Sekundärstromkreis hingegen nur eine Glühbirne, so leuchtet auch die Primärbirne schwach und das Amperemeter zeigt gegenüber dem Ausgangswert eine geringere Stromstärke an. Bei diesem Versuch lässt sich nachweisen, dass beim unbelasteten Trafo der Primärstrom der Primärspannung um /2 nacheilt. Beim belastetem Trafo steigt mit zunehmendem Sekundärstrom auch der Primärstrom an. Die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom geht gegen Null. Physikalische Erklärung: Beim belasteten Transformator befindet sich im Sekundärkreis ein ohmscher Verbraucher. Der dadurch entstehende Wirkstrom I2 ist mit der Spannung U2 in Phase und ebenso ist der Primärstrom zur Primärspannung in Phase (siehe Abbildung 8). -9- Zeigerdiagramm: Abb. 8 Dieser Strom erzeugt einen magnetischen Fluss, der den ursprünglichen vorhandenen Fluss schwächt (Induktion). Nun ist aber die Spannung der Primärspule durch die Eingangsspannung fest vorgegeben. Somit muss nun durch die Primärspule ein zusätzlicher Strom I1 fließen, um den ursprünglichen Fluss aufrechtzuerhalten. Der Strom I1 und der Strom I2 hängen wie folgt zusammen (2. Transformatorgesetz): I1 N 2 I2 N1 Wieder spiegelt das Minuszeichen die Phasenverschiebung von I1 zu I2 wider (siehe Abbildung 9): Zeigerdiagramm: Abb. 9 Eine wichtige Aussage liefert noch der Energiesatz. Die primärseitig aufgenommene Leistung muss stets gleich der sekundärseitig abgegebenen Leistung sein: P1 1 1 I1 max U1 max cos 1 I 2 max U 2 max cos 2 P2 2 2 I1max, I2max .... Maximalstromstärken U1max, U2max .... Maximalspannungen P1 , P2 .... Wirkleistungen 1, 2 .... Phasenverschiebungen Dabei ist allerdings vorausgesetzt worden, dass keinerlei Verluste auftreten. -10- Anmerkung: Die Versuche sind relativ einfach durchzuführen. Von der Theorie her, würde ich als Lehrer Augenmerk auf die Phasenverschiebungen und den prinzipiellen Aufbau und Funktionsweise des Trafos legen. Je nach dem, welches Wissen in der Klasse vorhanden ist, kann der Lehrer auch einige der obigen physikalischen Aspekte des Transformators weglassen. Bei diesem Thema würde ich auf Formeln nicht verzichten, da diese ohnehin schon aus dem Kapitel Induktion – Selbstinduktion bekannt sind. Generell glaube ich aber, dass die physikalisch korrekte und ausführliche Erklärung Schüler der 6. bzw. 7 Klasse nicht überfordert. 2.3. Der Hochstromtransformator - Anwendungsversuche 2.3.1. Die Schmelzrinne Versuchsaufbau: Foto 2 Die Schmelzrinne fungiert als Spule mit nur einer Windung (N2 = 1). Die Primärspule hat z. B. N1 = 600 Windungen und der Primärstrom beträgt angenommen I1 = 2 A. Der Transformator wirkt als Ofen: Wenn durch die Primärspule Strom fließt, induziert dieser in der geschlossenen Schmelzrinne, der Sekundärwicklung, einen sehr viel höheren Strom. Dieser erhitzt das Wasser und bringt es zum Kochen. Aus dem 2. Trafogesetz ergibt sich: I1 N I N 2 600 2 I2 = 1 1 = = 1200 A 1 I2 N1 N2 Dieser Strom Fließt also durch den Sekundärkreis und bringt das Wasser zum Kochen. -11- 2.3.2. Der durchgeschmolzene Nagel Versuchaufbau: Foto 3 Man verwende zum Beispiel eine Primärspule mit 600 Windungen und eine Sekundärspule mit nur sehr wenig Windungen (5 Windungen). Dadurch fällt an der Sekundärspule nur eine kleine Spannung ab. Ihre Anschlussklemmen werden mit einem Nagel miteinander verbunden (siehe Bild): Sie werden kurzgeschlossen. Es fließt ein sehr hoher Sekundärstrom der den Nagel zum Glühen bringt (siehe Foto 3) und schließlich zum Schmelzen (siehe Foto 4) bringt. Nachdem man den Strom abgeschaltet hat und der Nagel sich langsam abkühlt, entsteht eine weiße Schicht um die Schmelzstelle. Bei dem weißlichen Pulver handelt es sich um Zinkoxid, das durch Herausdiffundieren von Zink und anschließender Verbindung mit dem Sauerstoff aus der Luft entsteht. Solche Transformatoren verwendet man auch als Schweißtransformatoren. Foto 4 -12- Anmerkung: Dieser Versuch ist recht anschaulich und außerdem mit kurzen Worten erklärt. 2.4. Der Hochstromtransformator 2.4.1. Der Hörnerblitzableiter Foto 5 Streutransformator: Man verwendet bei diesem Versuch vorzugsweise einen Streutransformator (siehe Foto 5), da Hochspannung erzeugt wird und ein solcher Transformator wegen seines speziellen Aufbaus nicht durchbrennen kann. Aufbau des Streutransformators: Ein Streutransformator besteht aus zwei in Reihe geschalteten (beide auf einer Seite des Eisenkerns) Primärspulen und aus zwei in Reihe geschalteten Sekundärspulen. Durch die Reihenschaltung addieren sich jeweils die Induktivwiderstände und somit wird der Gesamtwiderstand (Impedanz) pro Stromkreis größer. Dadurch wird die Stromstärke kleiner (Impedanz = U ). Es fließen somit kleinere Ströme sowohl auf der Primär- als auch auf der I Sekundärseite. Somit kann ein Streutransformator nicht so schnell durchbrennen. Bei dem im Versuch verwendeten Transformator fällt an der Primärspule (I1 = 1,58A) eine Spannung von U1 = 220V ab, und an der Sekundärspule (I2 = 0,05A) 7000V. Damit beträgt das Übersetzungsverhältnis 7000/220 32. Die Sekundärspule ist mit zwei gebogenen Drahtstücken versehen (Hörnerblitzableiter). Schaltet man den Transformator ein, so entsteht an der Engstelle der Drahtbügel ein Lichtbogen, der u. a. wegen der Erwärmung der Luft und dem langsamen Auseinanderziehen der Drahtbügel nach oben wandert (siehe Foto 6), immer länger und dünner wird und schließlich zerreißt. -13- Foto 6 Durch Überspannung entsteht am unteren Ende der Kupferbügel ein Lichtbogen, welcher die Luft in seiner Umgebung erhitzt. Diese steigt infolgedessen in die Höhe und nimmt den Lichtbogen mit nach oben. Hierbei wird er immer schwächer und zerreißt endlich. Zusatzinformation: Zieht man ein weißes Blatt Papier durch den Hörnerblitzableiter während ein Blitz nach oben läuft, so einstehen je nach dem wie schnell man das Blatt durchzieht, in einigen Abständen kleine Brandlöcher . Abb. 10 Erklärung: Durch die Wechselspannung wird der Blitz einmal von der rechten Seite gezündet (Brandloch), dann geht die Spannung wieder zurück auf Null (Zwischenraum) und anschließend wird der Blitz von der linken Seite gezündet (Brandloch). -14- 2.5. Der Trenntransformator Foto 7 Der Trenntransformator sollte aus Sicherheitsgründen vor jede Schaltung, die mit Netzspannung arbeitet, geschaltet werden. Durch den Trenntransformator wird das Erdpotential abgetrennt. Dadurch besteht keine Gefahr für einen Laboranten, dass er einen Stromschlag bekommt, wenn er eine Leitung berührt (er müsste dafür schon beide Leitungen berühren). Der Trenntrafo ist ein Gerät zur Trennung zweier Stromkreise. Aus Sicherheitsgründen müssen z.B. alle auf einer Bühne betriebenen fremden Geräte wie Tonverstärker und Keyboards über jeweils einzelne Trenntransformatoren an das Stromnetz angeschlossen werden. Dadurch wird vermieden, dass sich zwischen den Anlagen, Mikrofonen und Instrumenten und den Stromkreisen im Studio gefährliche Spannungen aufbauen. Zusätzlich dient der Transformator der Anpassung an unterschiedliche Netzspannungspegel (Rasiersteckdose im Ausland). III. Zusatzinformationen 3.1. Stromversorgung in Österreich - Vom Kraftwerk zum Verbraucher Die physikalische Leistung setzt sich folgendermaßen zusammen: P=U·I Würde die Leistung mit großen Strömen übertragen werden, so würden in den Leitungen große Verluste auftreten. Deshalb erfolgt die Übertragung mit geringeren Strömen, aber dafür mit höheren Spannungen. Mit Hilfe von Transformatoren wird die Energie von einer Spannung auf eine andere Spannung transformiert. -15- In den Transformatoren von Kraftwerke wird eine elektrische Spannung von einigen tausend Volt erzeugt und anschließend entweder im Kraftwerk selbst oder in einem naheliegenden Umspannwerk auf eine sehr hohe Spannung transformiert. Über das Verbundnetz wird die Energie zu den Verbrauchern übertragen und auch der Stromaustausch mit dem Ausland erfolgt über dieses Netz. Die Übertragung der Energie geschieht mit Spannungen von 220 kV bzw. 380 kV. Von den Umspannwerken des Verbundnetzes ausgehend wird die Energie über 110-kV -Leitungen zu den regionalen Umspannwerken in den Bundesländern verteilt. Dort wird die Spannung auf 10 kV, 20 kV oder 30 kV transformiert. Es fällt auf, das diese Spannungen keinen einheitlichen Wert haben. Das ist aus der Geschichte hervorgegangen und steht auch in Zusammenhang mit der geographischen Lage bestimmter Regionen (z.B. 30 kV in langgestreckten Alpentälern, 10 kV eher in städtischen Bereichen). Noch eine kleine Anmerkung: Für die Fahrstromversorgung der ÖBB gibt es ein eigenes System, mit eigenen Kraftwerken. Die von den allgemeinen Verbrauchern benötigte Spannung von 220 V, bzw. 380 V (Kraftstrom: z.B. für E-Herd erforderlich), wird in jedem Ort in den Transformatorstationen erzeugt. Diese Spannung kann nicht sehr weit übertragen werden (wenige hundert Meter). Daher sind in größeren Orten und Städten mehrere Transformatorenstationen erforderlich. Bei Reparaturfällen oder sonstigen Störungen innerhalb eines Kraftwerkes werden die Leitungen abgeschaltet. Für wichtige Leitungen gibt es allerdings ein Reservenetz, sodass der Verbraucher von diesen Störfällen in der Regel nichts bemerkt. Die Betreuung und der Ausbau dieser Versorgungseinrichtungen rund um die Uhr und bei jeder Wetterlage, obliegt den Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU). Da der Stromverbrauch österreichweit und europaweit ständig steigt, ist die Wirtschaft verpflichtet Kraftwerke zu bauen und das Stromnetz zu vergrößern, was mit Ausgaben von 12 Milliarden Euro pro Jahr verbunden ist. Anmerkung: Siehe zu diesem Kapitel: Folie im Anhang 3.2. Aufbau des Verbundnetzes - Das Österreichisches Hochspannungsnetz Innerhalb Europas herrscht ein intensiver Stromhandel, um eine wirtschaftliche Arbeitsweise der einzelnen Elektrizitätsgesellschaften bzw. Kraftwerken zu ermöglichen. Da die Frequenz von 50 Hertz innerhalb des Verbundnetzes konstant gehalten werden muss, muss bzw. darf nur genau soviel Strom erzeugt werden, wie von den einzelnen Verbrauchern benötigt wird. Diese Regelung ist umso leichter, je größer das Stromnetz, also die Anzahl der Kraftwerke ist. Das österreichische Verbundnetz, das für die Regelung der Stromerzeugung zuständig ist, ist -16- in das große westeuropäische UCPTE - Netz eingebunden. Da alle Kraftwerke im europäischen Netz im Einklang arbeiten (arbeiten bei gleicher Frequenz) können sich beteiligte Länder bei Störfällen oder Ausfällen ihrer Kraftwerke sofort gegenseitig unterstützen. In Europa gibt es vier unterschiedliche Verbundnetze: UCPTE (Westeuropa), CDO IPS (Osteuropa), NORDEL (Skandinavien) und UK (Großbritannien). Früher war ein Austausch an Strom zwischen diesen verschiedenen Netzen nicht möglich, da sie nicht synchron zusammen arbeiten. Durch die Gleichstromkurzkupplungen in Dürnrohr und Wien-Südost ist es heute möglich, das westeuropäische und das osteuropäische Netz zu verbinden. Anmerkung: Siehe zu diesem Kapitel: Folie im Anhang 3.3. Elektrische Verluste mit dem Transformator siehe 2.2.1. 3.4. Spannungswerte in Europa, Amerika Innerhalb Europas und zum Beispiel auch in Amerika gibt es unterschiedliche Spannungswerte bzw. Netzspannungen. In Italien beträgt die Netzspannung entweder 120 oder 230 Volt, teilweise auch 135 Volt Wechselstrom. Während in Europa meist 230 Volt (Betriebsspannung: zwischen Phase und Erdung) /400 Volt (Kraftstrom zwischen Phase und Phase) 50 Hertz Netzspannung üblich sind, haben die USA eine Netzspannung von 110 / 115 Volt / 60 Hertz Wechselstrom. Mitgenommene Elektrogeräte sollten also entsprechend umschaltbar sein. Bei den heutigen Geräten (z.B. Föhn, Rasierapparat) ist in der Regel ein solcher Umschalter eingebaut. Für amerikanische Flachsteckdosen ist außerdem ein Adapter notwendig, den man sich am besten vor dem Reiseantritt im Fachhandel beschafft. Die nachstehende Abbildung zeigt einen Teil von Adaptern (-stecker) für Großbritannien / Indien, Hongkong / Rasierapparaten in Großbritannien / Europa / Australien / Nord-Amerika / Süd-Amerika: Österreich Adapter leiten den Strom lediglich weiter, die Netzspannung verändern sie aber nicht! Ist ein Elektrogerät nicht umschaltbar auf eine andere Netzspannung benötigt man zusätzlich zu dem -17- Adapter einen entsprechenden Spannungswandler = Transformator (für elektrische Geräte wie Rasierer, Föhn usw.) 3.5. Transformatoren für hohe Frequenzen (Ferritkerne) – Genaue Erklärung für Lehrer Verwendet man Transformatoren bei hohen Frequenzen, so würden durch die ständige Ummagnetisierung (hohe Frequenz) des Eisenkerns enorme Energieverluste auftreten. Deshalb verwendet man Ferritkerne. Ferrimagnetismus ist eine Form von Magnetismus in Festkörpern mit einer Spontanmagnetisierung unterhalb der Curie-Temperatur ähnlich dem Ferromagnetismus. Spontanmagnetisierung nennt man die Magnetisierung von ferrimagnetischen Substanzen, die ohne die Einwirkung von äußeren Magnetfeldern auftritt (unterhalb der Curie-Temperatur). Ferritkerne haben eben solche magnetischen und elektronischen Eigenschaften von Ferrimagnetika durch den Einbau von Fremdatomen wie Mg oder Al anstelle von Fe. Diese Fremdatome können gezielt beeinflusst werden. Dadurch werden die Energieverluste beim Ummagnetisieren geringer. Die Ferritkerne sind fast nichtleitend, so dass die Wirbelstromverluste nahezu verschwinden. (einziger Satz, den man den Schülern als Lehrer zum Thema Ferritkerne sagen sollte) IV. Anmerkung Wie bereits erwähnt sind manche Kapitel im Protokoll recht ausführlich angeführt. Ich wollte damit nur eine umfassende Information für den Lehrer liefern (Lehrer sollten stets mehr als ihre Schüler wissen). Ob er/sie den Schülern alle Informationen übermittelt bzw. welche er auslässt, ist jedem selbst überlassen. Die zahlreichen Versuche können nicht alle in einer Physikstunde durchgeführt werden. Deshalb sollte sich ein Lehrer aus den obigen Versuchen die interessantesten aussuchen und durchführen. Was an die Tafel (und ins Heft) geschrieben wird: Sämtliche Zeigerdiagramme Ersatzschaltbilder Formeln und Gesetze Was ins Heft gehört: Unbelasteter Transformator Über der Primärspule fällt folgende Spannung ab: -18- UL1 = N1 d dt .... magnetische Fluss t .... Zeit N1 .... Windungszahl der Primärspule UL1 .... Spannungsabfall Aufgrund der Kirchhoffschen Gesetze folgt: U1 = N1 d dt (1) Nachdem der gesamte magnetische Fluss auch die Sekundärspule durchsetzt, gilt für diese U 2 N 2 Spule: d dt (2) Diese Spannung kann nun am Ausgang des Transformators entnommen werden. Setzt man (1) und (2) gleich, so folgt daraus der 1. Transformatorgesetz: U2 N 2 U1 N1 U1 .... Spannung an der Primärspule U2 .... Spannung an der Sekundärspule N1 .... Windungszahl der Primärspule N2 .... Windungszahl der Sekundärspule Das Verhältnis der Windungszahlen wird auch Übersetzungsverhältnis genannt. Auffällig ist das negative Vorzeichen, das nichts anderes bedeutet, als dass eine Phasenverschiebung von 180° zwischen U1 und U2 besteht. Wenn N2 größer als N1 ist (oder umgekehrt), so kann man an der Sekundärseite eine größere Spannung (kleinere Spannung) abgreifen. Somit kann man mit dem Transformator eine Spannung in jede gewünschte andere Spannung umtransformieren. Belasteten Transformator Beim belasteten Transformator befindet sich im Sekundärkreis ein ohmscher Verbraucher. Der Strom I1 und der Strom I2 hängen wie folgt zusammen (2. Transformatorgesetz): I1 N 2 I2 N1 Wieder spiegelt das Minuszeichen die Phasenverschiebung von I1 zu I2 wider. -19- Eine wichtige Aussage liefert noch der Energiesatz. Die primärseitig aufgenommene Leistung muss stets gleich der sekundärseitig abgegebenen Leistung sein: P1 1 1 I1 max U1 max cos 1 I 2 max U 2 max cos 2 P2 2 2 I1max, I2max .... Maximalstromstärken U1max, U2max .... Maximalspannungen P1 , P2 .... Wirkleistungen 1, 2 .... Phasenverschiebungen Dabei ist allerdings vorausgesetzt worden, dass keinerlei Verluste auftreten. V. Literatur Bücher: Physik (Paul A. Tipler) – Spektrum der Wissenschaften Elektronik für Maschinenbauer (H. Linse) – Teubner Stuttgart Physikbuch 3.Klasse (Oberstufe) (Sexl) Basiswissen 3 (Jaros, Nussbaumer, Kunze) – Hölder-Pichler-Tempsky, Wien Internetlinks: www.iee.tu-clausthal.de www.instrumentation.de www.iee.tu-berlin.de/lehre/mundw/htmlprojekte/laborgeräte/trenntrafo.html www.science.giant-world.com www.walkabouttravelgear.com Folienmappen aus dem Schulversuchspraktikum: Energie und Umwelt Stromversorgung -20- Anhang Übersichtstabellen für Lehrer: Art der Last Ohmsch Kapazitiv Induktiv Schema Das Instrument im Stromkreis misst den Strom I (t ) U(t) Spannung über U (t ) R I (t ) U (t ) dem Bauteil I (t ) 1 U (t ) R U(t) U(t) I (t ) Q (t ) C dQ dU C dt dT U (t ) L I (t ) dI dt 1 U (t )dt L Strom als Funktion der Spannung, U (t ) U 0 sin t I (t ) 1 U 0 sin t R I (t ) C U 0 cost I( t ) I 0 sin t Maximalwert des Stroms I0 I (t ) I 0 cost 1 U 0 R I 0 C U 0 I (t ) U0 cost L I (t ) I 0 cost I0 U0 L Widerstand U R 0 I0 RC R Verlauf von Strom (blau) und Spannung (rot) gegen die Zeit (Abszisse) -21- 1 C R L L Oder mit Zeigerdarstellung: Ohmsch Kapazitiv i Zeiger- Induktiv i i diagramm für den Widerstand r r r Zeigerdiagramm für Strom (blau) und Spannung (orange) und Verlauf beider Größen gegen die Zeit (Abszisse) Verlauf von Strom (blau) und Spannung (rot) gegen die 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0,0 -0,5 -0,5 -1,0 -1,0 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 Zeit Erklärungen zu den Tabellen: - Spitzenwert: Als Spitzenwert bezeichnet man die Amplitude der sinusförmigen Größe. Es gilt folgender Zusammenhang: U(t) = Umax sin t - Leistungsmittelwert (Effektivwert): I eff I max 1 U eff U max 2 -22- 1 2 - Impedanz: Als Impedanz Z bezeichnet man den aus Wechselspannung und Wechselstrom ermittelten Widerstand. Z U I [V/A=] Z.... Scheinwiderstand (=Impedanz) Er setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen: - dem rein ohmschen Widerstand (Wirkwiderstand) - dem kapazitiven Blindwiderstand und - dem induktiven Blindwiderstand. Die letzten beiden Anteile sind von der Frequenz der Wechselspannung abhängig, der Wirkwiderstand nicht. Die Addition der einzelnen Anteile zur Impedanz erfolgt vektoriell. - Ohmsche Widerstand: Ein rein ohmscher Widerstand verhält sich in Gleich- und Wechselstromtechnik gleich. Er hat die Impedanz: Z U R I Strom und Spannung sind hierbei in Phase. Einen derartigen Widerstand bezeichnet man als Wirkwiderstand R. - Induktive Widerstand: Der induktive Widerstand tritt in Spulen auf. Hat die Spule keinen Ohmschen Widerstand, so wird sie als ideale Spule bezeichnet, man spricht dann von einem rein induktiven Widerstand. Der Strom eilt der Spannung um 90° nach. Die Selbstinduktion L der Spule bewirkt in der Spule eine Gegenspannung, wodurch der Strom nur verzögert ansteigt. Der induzierten Spannung muss in jedem Augenblick eine gleichgroße entgegengesetzt gerichtete Netzspannung entgegenwirken. Der Widerstand einer Spule ergibt sich zu: XL L [] Für = 0 (Gleichstrom) folgt XL = 0 Durchlass bei Gleichstrom Für (Hochfrequenter Wechselstrom) folgt XL Sperrung bei hohen Frequenzen -23- - Kapazitive Widerstand: Die Ursache ist ein Kondensator. Hat der Kondensator keinerlei Leckstrom, so spricht man von einem rein kapazitiven Widerstand: XC Us 1 Is C [] Für = 0 (Gleichstrom) folgt XC Sperrung für Gleichstrom Für (Hochfrequenter Wechselstrom) folgt XL Frequenzen. -24- 0 Durchlass bei hohen Folien -1- -2-
