Transformator
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Schulversuchspraktikum Physik WS 00/01 Protokoll: Transformator Versuchsdatum: 13. 12. 00 Schauer Magdalena 9855708 Praktikumpartnerin: Rauecker Petra Transformator 4. Klasse Inhaltsverzeichnis: 1. Lernziele Seite 2 2. Stoffliche Aufbereitung Seite 2 3. Versuche Seite 6 4. Zusatzinformationen Seite 13 ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 2 Transformator 4. Klasse Der Stoff dieses Protokolls ist aufbereitet für die 4. Klasse Unterstufe. 1.Lernziele: Der Schüler soll: ü Aufbau und Wirkungsweise eines Transformators beschreiben können. ( Primär- und Sekundärspule, Eisenkern, Entstehung einer Induktionsspannung in der Sekundärspule durch das wechselnde Magnetfeld der Primärspule) ü Den Zusammenhang zwischen den Windungszahlen der Spulen und der Spannungen angeben können ( U1: U2 = Wz1: Wz2) ü Den Zusammenhang zwischen den Windungszahlen der Spulen und den Stromstärken bei einem belasteten Transformator angeben können ( Wz1: Wz2 = I1: I2) ü Arten und Verwendung von Transformatoren angeben können (Erhöhung der Spannung – z.b.: für Fernsehgeräte; Erhöhung der Stromstärke – z.b. für elektr. Schweißgeräte) 2.Stoffliche Aufbereitung: Zum Einstieg für die Schüler sollte man noch einmal die Grundversuche der Induktion wiederholen. Da das Verständnis der Induktion unerlässlich für das Verstehen der Wirkungsweise eines Transformators ist. Man kann zum Beispiel den hinten angeführten Versuch 1 als Wiederholung der Induktion machen. Dann kann man auf den ersten Versuch aufbauend und hinführend zur Thematik des Transformators den Versuch 2 machen und die Schüler wiederholen lassen, dass: Jede Änderung der Stromstärke in der Primärspule führt auch zu einer Änderung des Magnetfeldes in der Sekundärspule und damit zur Induktion einer Spannung. Als nächstes wird der Aufbau und die Wirkungsweise eines Transformators erklärt. Man kann dazu den Versuch 3 durchführen und anhand des Versuchsaufbaus den Begriff Primär und Sekundärspule erklären. Dann führt man den Versuch zuerst mit einer Taschenlampenbatterie durch. Dabei wird klar, dass der Strom in der Primärspule ein magnetisches Feld im Eisenkern verursacht. Dieses magnetische Feld durchdringt jetzt ebenfalls die Sekundärspule. Schließt man den Stromkreis wird in das Feld aufgebaut. Es induziert in der Sekundärspule kurzzeitig eine Spannung. Beim Ausschalten wird das magnetische Feld wieder abgebaut. Wieder wird in der Sekundärspule eine Spannung induziert. Nun sind aber die Pole vertauscht. Das erkennt man daran, dass der Zeiger des Voltmeters in die andere Richtung ausschlägt. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 3 Transformator 4. Klasse Aufbau und Abbau des Feldes bedeutet, dass sich die Stärke des Feldes ändert. Daher wird in der Sekundärspule eine Spannung induziert. Fließt nun ständig Gleichstrom durch die Primärspule, dann ändert sich die Stärke des Magnetfeldes nicht. Daher wird in der Sekundärspule auch keine Spannung induziert. Ersetzt man die Flachbatterie jetzt durch ein Netzgerät mit einigen Volt Wechselspannung so sieht man, dass das Wechselstrom- Voltmeter an der Sekundärspule, solange Spannung anzeigt, wie das Netzgerät angeschlossen ist. Man erhält also: Eine Wechselspannung an der Primärspule verursacht im Eisen Kern ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Wechselfeld induziert in der Sekundärspule eine Wechselspannung. Um das Magnetfeld der ersten Spule möglichst verlustfrei zur Sekundärspule zu bringen, verwendet man einen geschlossenen Weicheisenkern. Zur Veranschaulichung dieses Zusammenhangs kann man den Versuch 4 durchführen. Der Zusammenhang zwischen Windungszahlen der Spulen und den Spannungen kann man mit dem Versuch 5 zeigen. Den Quotienten Wz1/Wz2 bezeichnet man als das Übersetzungsverhältnis der beiden Spulen. Man erhält: Mit einem Transformator kann eine Wechselspannung in eine kleinere oder größere Wechselspannung umgeformt (transformiert) werden. Das Verhältnis von Primärspannung zu Sekundärspannung entspricht annähernd dem Verhältnis der Windungszahlen: U1 : U2 = Wz1: Wz2 Wir können also mit Hilfe der Induktion durch die Wahl der entsprechenden Spulen aus einer vorgegebenen Primärspannung in gewissen Grenzen jede gewünschte Sekundärspannung erzielen. Als nächstes gehen wir der Frage nach: Wie verhalten sich Windungszahlen und Stromstärken beim belasteten Transformator? Es gilt: Bei einem guten Transformator sind die Leistungen im Sekundärstromkreis und im Primärstromkreis annähernd gleich groß (d.h. von Wärmeverlusten wird abgesehen). Also gilt U1* I1 = U2* I2. Daraus folgt : Je höher die Sekundärspannung, desto kleiner ist die Stromstärke. Daraus dass sich Spannungen so verhalten wie die Windungszahlen erhält man jetzt für die Stromstärken: ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 4 Transformator 4. Klasse Primärstrom und Sekundärstrom verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen: I1 :I 2 = Wz2 : Wz1 Man kann jetzt den Versuch 6 mit seinen verschieden Variationen durchführen. Mit einem Niederspannungstrafo wie wir in bei unseren Versuchen verwendeten lassen sich sehr hohe Stromstärken erzielen. Es gibt daher auch die Bezeichnung Hochstromtransformator. Als Letztes kann man nun mit den Schülern Anwendungen des Transformators erarbeiten. Zum Beispiel: § Für Spielzeugeisenbahnen werden Transformatoren verwendet, die Netzspannung von 220V auf etwa 20V heruntersetzen § Alle Ladegeräte für Akkumulatoren enthalten einen Transformator. § Neben Elektrizitätswerken kann man große Transformatoren sehen, die z.B. die Spannung von 10 000 V auf 110 000 V oder 220 000 V hinaufsetzen. § Mit Hilfe von Schweißtransformatoren kann man Eisenstücke miteinander verschmelzen. § Bei Ortschaften auf dem Lande kann man oft turmförmige Gebäude für Transformatoren sehen. § Fernsehgeräte brauchen für die Bildröhre Hochspannung. Ein Transformator im Gerät setzt die Spannung von 220V auf ca. 15 000V hinauf. Man sieht Transformatoren sind wichtige Geräte der Elektrotechnik. Sie können die elektrische Spannung (und auch die Stromstärke ) fast beliebig verändern. Schaltzeichen eines Transformators: Spule (Wicklung) Eisenkern ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 5 Transformator 4. Klasse 3.Versuche: 3.1. Versuch 1 Relativbewegung Magnetfeld - Spule Versuchsaufbau: Verwendete Geräte: • 1 Stabmagnet • 1 Spule, 500 Windungen • 1 Demonstrations- Drehstrominstrument • 2 Experimentierkabel Messbereich am Demonstrations-Drehspulinstruments: 60 mV, 300µA Versuchsdurchführung: Stabmagnet unter Beobachtung des Messinstrumentes wie in der Abbildung zunächst sehr langsam und dann mit verschiedenen größeren Geschwindigkeiten in die Spule tauchen und wieder herausziehen. Magnet umdrehen, so dass der andere Pol in die Spule taucht; Versuch in Gleicher Weise wiederholen. Versuchsergebnisse: Bewegt man einen Magneten bezüglich einer Spule so, dass die magnetischen Feldlinien die Windungsflächen der Spule schneide, so wird in der Spule eine Spannung induziert (sog. Induktionsspannung). Die Richtung der induzierten Spannung hängt von der Richtung des Magnetfeldes und von der Bewegungsrichtung des Magneten ab. Der Betrag der Induktionsspannung wächst mit der Geschwindigkeit, mit welcher der Magnet bewegt wird. Dieser einfache Versuch soll die Entstehung der Induktionsspannung noch einmal wiederholen und das Wissen der Schüler über die Induktion auffrischen. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 6 Transformator 4. Klasse 3.2 Versuch 2 Versuchsausbau und Versuchsdurchführung: Wir stecken auf einen Eisenkern zwei Spulen mit z.B. je 300 Windungen, von denen die eine über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, während die zweite mit einem Messgerät verbunden ist. Nun beobachtet man die Ausschläge des Messgeräts beim Einschalten und Ausschalten des Stroms. Versuchsergebnis: Nach dem Einschalten des Stromes wird in der ersten Spule (Primärspule) ein Magnetfeld aufgebaut. Der Weicheisenkern wird zu einem Magnet, dessen Feldlinien auch von den Windungen der zweiten Spule ( Sekundärspule) umschlossen werden. Dadurch wird in ihr eine Spannung induziert. Fließt der Strom in der Primärspule in gleichbleibender Stärke, so ändert sich die Zahl der von der Sekundärspule umschlossenen magnetischen Feldlinien nicht. Es wird daher keine Spannung induziert. Beim Ausschalten des Stromes wird das Magnetfeld abgebaut, die Abnahme der Feldlinienzahl hat eine entgegengesetzt gerichtete Induktionsspannung zur Folge. Ein weiterer einfacher Versuch, der die Wirkungsweise der Induktion zeigt. Außerdem kann man von hier eine einfache Überleitung zum Aufbau eines Trafos machen ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 7 Transformator 4. Klasse 3.3 Versuch 3: Versuchsaufbau: Versuchsdurchführung Baue eine Versuchsanordnung, wie in Bild 1 dargestellt. Verwende zwei Spulen mit je 400 Windungen. Die Spule, die an die Stromquelle angeschlossen ist, heißt Primärspule, die andere Sekundärspule. Beobachte das Voltmeter an der Sekundärspule im Augenblick des Einschaltens. Bei geschlossenem Schalter fließt Gleichstrom durch die Primärwicklung. Was zeigt das Voltmeter an? Beobachte das Voltmeter auch im Augenblick des Ausschaltens. Dann ersetzt man die Flachbatterie durch ein Netzgerät, das einige Volt Wechselspannung liefert. Das Wechselstrom- Voltmeter an der Sekundärspule zeigt so lange eine Spannung an, wie das Netzgerät eingeschaltet ist Das Versuchsergebnis wurde vorher schon in den stofflichen Aufbereitungen erklärt und besprochen. Mit diesem Versuch soll der Begriff Primär- und Sekundärspule erklärt und das Entstehen des magnetische Wechselfelds und so die Entstehung der Induktionsspannung erklärt werden. Bei der Versuchdurchführung sollte es eigentlich keine Probleme geben es ist lediglich darauf zu achten dass kein Kabelsalat entsteh und der Versuch für die Schüler schön sichtbar bleibt. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 8 Transformator 4. Klasse 3.4. Versuch 4: Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung: Man schließt eine Spule an Netzstromgerät mit einigen Volt und stellt daneben eine Spule mit einem Messgerät. Ein einfacher Transformator ohne Eisenkern. Dann verbindet man die beiden Spulen mit einem Eisenkern., und misst wieder die Spannung in der Sekundärspule. Als drittes steckt man die beiden Spulen auf einen offenen Eisenkern und dann auf einen geschlossen Eisenkern. Versuchsergebnis: Man sieht sehr schnell dass man mit dem geschlossenen Eisenkern am besten die Spannung verlustfrei übertragen kann. Da der geschlossen Eisenkern das stärkste Wechselfeld erzeugt. Auch bei diesem Versuch muss man lediglich auf den Aufbau aufpassen. Kein Kabelsalat. Man kann auch an die Primärseite ein Netzgerät anschließen. Man kann diesen Versuch auch den Schülern selbst durchführen lassen und sie sollen dann das Versuchergebnis beschreiben. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 9 Transformator 4. Klasse 3.5. Versuch 5: Versuchsaufbau und Durchführung: Man kombiniert nun verschiedene Spule miteinander und gibt an die Primärspule zunächst eine Spannung von 10 Volt und dann 220 Volt Wechselspannung. An die Sekundärspule hängt man ein Messgerät und notiert die Spannung. Dann berechnet man Die Verhältnisse der Windungszahlen zueinander und dann die Verhältnisse der Spannungen und notiert das Ganze dann in einer Tabelle. Beispiel für eine mögliche Messreihe: Primärspule 600 Wdg. 300 Wdg. 300 Wdg. 600 Wdg. 1200 Wdg. 600 Wdg. SekundärSpule 1200 Wdg. 600 Wdg. 1200 Wdg. 300 Wdg. 300 Wdg. 1200 Wdg. Verhältnis 1:2 1:3 1:4 2:1 4:1 1:20 PrimärSpannung 10V 10V 10V 10V 10V 220V SekundärSpannung 20v 20V 40V 5V 2,5V ca.4400V Verhältnis 1:2 1:2 1:4 2:1 4:1 1:20 In der Praxis werden die angegebenen Sekundärspannungen nicht ganz erreicht, weil ein Teil der elektrischen Energie als Wärmeenergie verloren geht. Großen Einfluss auf die Energieübertragung hat vor allem der Eisenkern, wie wir vorher schon gesehen haben. Ein einfacher Versuch der uns schnell zur gewünschten Form für die Formel bringt. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 10 Transformator 4. Klasse 3.6. Versuch 6- Hochstromtransformator Es wird die Anwendung des Transformators zur Erzeugung hoher Temperaturen mittels starker Ströme bei geringer Spannung demonstriert. Verwendete Geräte: § § § § § 1 Netzspule 500 Windungen 1 Schmelzrinne 1 Spule mit 5 Windungen 1 U-Kern mit Joch und Spannvorrichtung 1 Nagel VORSICHT bei den folgenden Versuchen: Netzkabel erst nach erfolgtem Aufbau anstecken. • Durchschmelzen eines Nagels Versuchsaufbau siehe Abbildung: Ein Nagel von ca. 3mm Durchmesser wird in die vorgesehenen Klemmen der Spule mit 5 Windungen eingesetzt. Vor de festschrauben drückt man die Handgriffe der Spule ein wenig zusammen, so dass der Nagel unter leichtem Zug steht. Schaltet man nun den Strom ein, so wird der Nagel in kurzer Zeit glühend und schmilzt schließlich durch. Aufzupassen ist das der Nagel unten und oben gut eingespannt ist, er soll immer unter Zug stehen. Wenn der Versuch beendet ist sofort vom Netz gehen. Das weiße Pulver das am Nagel zu sehen ist, ist Zinkpulver, das zurückbleibt. Wenn man den Nagel vorsichtig auseinanderzieht und dann gleich zusammendrückt, kann man versuchen den Nagel wieder zusammenschweißen. wieder Mit diesem Versuch kann sehr schön gezeigt werden das im sekundären Kreis, das heißt im Kreis mit der kleineren Windungszahl der stärkere Strom fließt. Die praktische Anwendung von diesem Versuch ist das Elektroschweißen-: Wenn man zwei Metallgegenstände, z.b. zwei Platten, verbinden will, erhitzt man sie an der Verbindungsstelle bis zum Schmelzen. Dafür benötigt man Ströme bis zu 1 000 A. diese starken Ströme fließen bei Spannungen von nur etwa 20 V im Sekundärkreis eines Schweißtrafos. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 11 Transformator • 4. Klasse Modell eines Induktionsofens Versuchsaufbau: Besteht die Sekundär nur aus einer einzigen Windung und hat diese die Form einer Rinne, so haben wir das Prinzip eines elektrischen Schmelzofens, nämlich des Induktionsofens. Die Schmelzrinne, in der sich ein Zinnring befindet, wird als Sekundärspule eines Transformators verwendet. Man schaltet den Strom ein und hält die Schmelzrinne am Haltegriff unter Beobachtung des Zinnringes. Nach kurzer Zeit schmilzt dieser infolge des hohen Kurzschlussstromes und der daraus resultierenden Erwärmung. Wichtig dabei ist das man die Rinne vor dem Versuch putzt. Man kann um den Effekt besser zu zeigen kann man das geschmolzene Zinn dann in kaltes Wasser füllen. Man muss hier jedoch sehr schnell sein. Zuerst den Transformator vom Netz nehmen und dann das Joch aufschrauben und die Schmelzrinne ausleeren. Anstatt mit einem Zinnring kann man diesen Versuch auch mit Wasser durchführen und das Verdampfen des Wassers zeigen. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 12 Transformator 4. Klasse 4.Zusatzinformationen Verbundnetz - was ist das? Da ständig Verbraucher ein- und ausgeschaltet werden, ändert sich die Belastung laufend. Die Leistungsabgabe eines Kraftwerkes kann aber nicht so einfach verändert werden. Ein Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch ist um so leichter möglich, je mehr Kraftwerke „zusammengeschaltet“ werden. Dieser Ausgleich erfolgt in Österreich durch das Verbundnetz. Es besteht aus 220 000 V- und 380 000 V-Leitungen. Unser Verbundnetz ist aber auch in das westeuropäische Verbundnetz eingebunden. Weiters ist ein Stromaustausch mit dem osteuropäischen Verbundnetz möglich. Durch diesen internationalen Verbundvertrieb werden nicht nur Belastungsschwankungen ausgeglichen. Es kann auch der plötzliche Ausfall eines großen Kraftwerkes verkraftet werde. Elektrizitätsversorgung in Österreich: Heute sorgt in jedem Bundesland eine Landesgesellschaft für die Stromaufbringung und für die Verteilung bis zum Verbraucher (Haushalte, Industrie usw.). Für die Großkraftwerke bestehen Sondergesellschaften, wie z.b. die Ennskraftwerke AG, die österreichischen Donaukraftwerke AG ( Donaukraft) oder Tauernkraftwerke G. Schließlich gibt es noch die Österreichische Verbundgesellschaft. Zu ihrem Aufgabenbereich gehören u.a. die Ermittlung des gegenwärtigen und zukünftigen Strombedarfs, der Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch des zur Verfügung stehenden Stromes im Verbundnetz, die Errichtung und der betrieb von Verbundleitungen, Umspann- und Schaltwerken und Großkraftwerden. Rund um die Hälfte der in Österreich benötigen elektrischen Energie kann (derzeit) durch Laufkraftwerke gedeckt werde. Es sind dies Wasserkraftwerke ohne Speichermöglichkeit, in denen der Wasserzufluss nur zum Zeitpunkt seines Anfalles ausgenützt wird. Beispiele dafür sind die Donaukraftwerke Ybbs-Persenbeug und Altenwörth. Die Leistungsfähigkeit von Laufkraftwerden ist Schwankungen unterworfen, da z.b. im Winter die Zuflüsse stark zurückgehen. Ungefähr ein Viertel des Bedarfs decken Wärmekraftwerke wie z.b. Mellach, Dürnrohr oder Voitsberg ab. Die Erzeugung des für den Antrieb der Turbinen benötigten Dampfes erfolgt mit der beim Verbr4ennen von Kohle, Erdöl oder Ergas freiwerdenden Wärme. Zur Deckung des zu bestimmten Zeiten, z.b. während der Morgen- und Abendstunden, auftretenden Spitzenverbrauches dienen die Speicherkraftwerke. Hierbei unterscheidet man zwischen Tages- und Wochenspeichern, die den Spitzenverbrauch während eines Tages bzw. einer Woche ausgleichen, und Jahresspeicherwerken, die die Anpassung an die jahreszeitlichen Schwankungen des Verbrauches ermögliche. Beispiele für Kurzzeitspeicher sind ein Speicher des Speicherkraftwerks Gerlos (Wochenspeicher) und die sogenannten Schwellkraftwerke, die in Zeiten niederer Wasserführung den nutzbaren Zufluss während einiger Stunden aufstauen, um anschließend kurzfristig eine höhere Leistung abgeben zu können. ___________________________________________________________________________ Magdalena Schauer Seite 13
