Schüler-Lernplattform: Mathematik, Physik, Informatik & Nachhilfe

Worum geht es?

Der Transformator überträgt elektrische Energie zwischen zwei getrennten Stromkreisen und wandelt dabei die Spannung : hinauf oder hinunter, je nach Windungszahlen. Das Werkzeug dahinter ist die Induktion : Die Primärspule erzeugt im Eisenkern ein wechselndes Magnetfeld, das in der Sekundärspule Spannung induziert. Untersucht werden die Funktionsbedingungen (warum nur Wechselspannung?) und die Übersetzungsregel.

Warum macht man dieses Experiment?

Ohne Transformator kein Stromnetz: Nur weil sich Wechselspannung fast verlustfrei hoch- und heruntersetzen lässt, kann Energie mit Hochspannung (kleine Ströme, kleine Leitungsverluste) über Land und mit ungefährlichen 230 V in die Steckdose. Jedes Ladegerät enthält das Prinzip im Kleinen. Der Versuch macht aus dem grauen Kasten ein durchschaubares Induktionsgerät.

Die physikalische Idee

Zwei Spulen sitzen auf einem geschlossenen Eisenkern, der das Magnetfeld der Primärspule nahezu vollständig durch die Sekundärspule führt. Wechselstrom in der Primärspule bedeutet ständige Feldänderung im Kern, also dauernde Induktion in der Sekundärspule. Jede Windung erfährt dieselbe Flussänderung: Die Spannungen verhalten sich deshalb wie die Windungszahlen.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Praktisch brauchbare Transformatoren entwickelten Zipernowsky, Bláthy und Déri 1885; im „Stromkrieg“ verhalf der Transformator dem Wechselstromsystem zum Sieg. Die Grundschaltung von damals ist bis heute unverändert im Einsatz.

Versuchsziel

Was möchtest du untersuchen?

Aktuelles Versuchsziel

Spannungsübersetzung prüfen

\tfrac{U_1}{U_2} = \tfrac{n_1}{n_2}

Gemessen

$U_{1}, U_{2}$ — Primär- und Sekundärspannung (in $V$ ) $Das gemessene Spannungspaar jeder Kombination.$

Bekannt

$n_{1}, n_{2}$ — Windungszahlen $Von den Steckspulen abgelesen; die unabhängig gewählten Größen.$

Der Weg von der Messung zum Ergebnis: $(n_{1}, n_{2}), U_{1} ⟶ U_{2} ⟶ \frac{U _{1}}{U _{2}} = ? \frac{n _{1}}{n _{2}}$

Für diese Zielsetzung brauchst du:

$\frac{U _{1}}{U _{2}} = \frac{n _{1}}{n _{2}}$ $Die zu prüfende Übersetzungsregel des unbelasteten Transformators.$ Zur Formelsammlung

1Aufgabenstellung

U_1 = 6{,}0\ \mathrm{V}

2Vorbetrachtung

$Woher kommt die Windungsregel?$

$u_w$
$Die Windungen jeder Spule liegen in Reihe; ihre Spannungen addieren sich:$ $U_{1} = n_{1} \cdot u_{w} U_{2} = n_{2} \cdot u_{w}$
$u_w$ $\frac{U _{1}}{U _{2}} = \frac{n _{1}}{n _{2}}$
$Die Regel gilt für den unbelasteten (bzw. schwach belasteten) Transformator; unter Last kommen Spannungsabfälle an den Wicklungen hinzu.$

3Geräte / Stoffe

Aufbautransformator mit den drei Steckspulen; beide Voltmeter bleiben während der ganzen Reihe angeschlossen. Sekundärseite bleibt unbelastet (nur Voltmeter).

U-Kern mit Joch
$Führt das Magnetfeld nahezu vollständig von der Primär- zur Sekundärspule: die magnetische „Leitung“ des Geräts.$
Steckspulen 250 / 500 / 1000 Windungen
$Frei kombinierbare Primär- und Sekundärwicklungen für die Übersetzungs-Messreihe.$
Wechselspannungsquelle (6 V AC)
$Primärversorgung; die Wechselform ist Funktionsbedingung.$
Gleichspannungsquelle
$Für die entscheidende Gegenprobe: Was passiert bei DC?$
Zwei AC-Voltmeter
$Messen Primär- und Sekundärspannung gleichzeitig.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Messschaltung mit beiden Voltmetern; daneben die vorbereitete Tabelle mit Spalten für n₁, n₂, Vorhersage und Messwert.

\tfrac{U_1}{U_2} = \tfrac{n_1}{n_2}

Aufbau: Aufbautransformator (U-Kern mit aufgesetztem Joch), Steckspulen mit 250, 500 und 1000 Windungen; Wechselspannungsquelle (Kleinspannung), Gleichspannungsquelle für die Gegenprobe, zwei Voltmeter (AC).

5Durchführung

U_1 = 6{,}0\ \mathrm{V}

6Beobachtung

U_1 = 6{,}0\ \mathrm{V}

$n_1$	$n_2$	$U_2$	$U_2$
$500$	$250$	$3{,}0\ \mathrm{V}$	$2{,}95\ \mathrm{V}$
$500$	$500$	$6{,}0\ \mathrm{V}$	$5{,}9\ \mathrm{V}$
$250$	$500$	$12{,}0\ \mathrm{V}$	$11{,}8\ \mathrm{V}$
$500$	$1000$	$12{,}0\ \mathrm{V}$	$11{,}7\ \mathrm{V}$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

2{,}95

8Fazit

U_1/U_2 = n_1/n_2

9Fehlerbetrachtung

Die kleinen systematischen Fehlbeträge dieser Messung haben klare Ursachen:

Streuflusseher systematisch

Ursache: $Ein kleiner Teil des Magnetfelds schließt sich durch die Luft statt durch die Sekundärspule.$
Auswirkung: $U_2$
Verbesserung: $Joch fest verspannen, Spulen dicht am Kern; Restabweichung als Streufluss benennen.$

Belastung durch das Voltmetereher systematisch

Ursache: $Das Sekundär-Voltmeter zieht einen winzigen Strom.$
Auswirkung: $Bei hochohmigen Digitalgeräten unter einem Promille: hier vernachlässigbar; mit niederohmigen Zeigerinstrumenten früher relevant.$
Verbesserung: $Hochohmiges Voltmeter verwenden.$

Primärspannung zwischen den Umbauten veränderteher systematisch

Ursache: $Die Quelle liefert je nach Primärspule leicht andere Spannung .$
Auswirkung: $Vorhersagen mit nominellen 6,0 V passen nicht zur tatsächlichen Messung.$
Verbesserung: $U₁ bei jeder Kombination messen und mit dem Messwert vorhersagen (so durchgeführt).$

Das Wichtigste

Funktionsbedingung: $Der Transformator arbeitet nur mit Wechselspannung: Nur ein sich änderndes Feld induziert . An Gleichspannung passiert (außer im Schaltmoment) nichts.$
Übersetzungsregel: $\tfrac{U_1}{U_2} = \tfrac{n_1}{n_2}$
Energie bleibt: $P_1 \approx P_2$
Netzanwendung: $Hochspannen für den Ferntransport (weniger Leitungsverlust), Heruntersetzen zur Nutzung: die Kette vom Kraftwerk zur Steckdose.$

Transformator