Ph9 Transformator: Unterschied zwischen den Versionen
| (10 dazwischenliegende Versionen von einem Benutzer werden nicht angezeigt) | |||
| Zeile 1: | Zeile 1: | ||
| + | Wir haben zuletzt kennengelernt, dass die Änderung der Stärke eines Magnetfels in einem Leiter eine Induktionsspannung hervorruft. Dies wird in diesem Video<br> | ||
| + | {{#ev:youtube |CkYO5RMsZuo|350}} | ||
| + | wiederholt. | ||
| + | {{Versuch|1=Schaue dir dieses Video | ||
| + | {{#ev:youtube |75ZqBm3fU3w|350}} | ||
| + | an und notiere die gemachten Aussagen. }} | ||
| − | + | {{Lösung versteckt|1=1. In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich in ihr das Magnetfeld ändert. <br> | |
| + | 2. Ein Trafo besteht aus einer Feldspule und einer Induktionsspule, die durch einen gemeinsamen Eisenkern gekoppelt sind. Der Eisenkern verstärkt die magnetissche Wirkung. <br> | ||
| + | 3. Legt man an die Feldspule eine Wechselspannung, so wird dauerhaft in der Induktionsspule eine Spannung induziert.<br> | ||
| + | 4. Der gemeinssame Eisenkern hat U-Form und wird oben durch ein Joch geschlossen, dadurch wird das Magnetfeld im Eisenkern eingeschlosssen.<br> | ||
| + | 5. Haben Feld- und Induktionsspule unterschiedliche Windungszahlen so kann man die Spannung an der Induktionsspule ändern. Hat die Induktionsspule mehr Windungen als die Feldspule, so wird die Spannung an der Induktionsspule größer, hat sie weniger Windungen, so wird die Spannung kleiner.<br> }}. | ||
| − | + | {{Merke|1=Ein Transformator besteht aus zwei Spulen und einem gemeinsamen Eisenkern. Die der Spannungsquelle zugewandte Seite heißt Primärseite, die Seite, an der der Verbraucher hängt, heißt Sekundärseite. <br> | |
| + | [[Datei:Transformer3d_col3_de.svg|400px]] | ||
| − | + | Die Wirkungsweise eines Transformators lässt sich beschreiben:<br> | |
| + | * Eine Wechselspannung auf der Primärseite des Transformators bewirkt ein sich wechselndes Magnetfeld im Eisenkern.<br> | ||
| + | * Das sich dauernd ändernde Magnetfeld induziert auf der Sekundärseite des Transformators eine Spannung.<br> | ||
| + | }} | ||
| − | |||
| − | + | Wie funktioniert das mit dem Herunter- bzw. Herauftransformieren? | |
| − | + | Schaue dir hierzu diesen Video | |
| + | {{#ev:youtube |AwBp6PR12x4|350}} | ||
| + | an. | ||
| − | + | {{Merke|1=Hat die Primärspule eines Transformators n<sub>1</sub> Windungen und die Sekundärspule n<sub>2</sub> Windungen, dann gilt, wenn an der Primärseite die Spannung U<sub>1</sub> anliegt für U<sub>1</sub> und die Induktionsspannung U<sub>2</sub> auf der Sekundärseite<br> | |
| + | <center><math>\frac{U_1}{U_2} = \frac {n_1}{n_2}</math></center> | ||
| − | + | Mit einem Transformator kann man Spannungen hoch- bzw. heruntertransformieren. }} | |
| + | |||
| + | {{Aufgaben-blau|1|2=1. An einem Transformator liegt die Primärspannung U<sub>1</sub> = 230 V. Die Prinmärspule hat 460 Windungen. Wie viele Windungen muss die Sekundärspule haben, wenn auf der Sekundärseite die Spannung U<sub>2</sub> = 5 V sein soll? | ||
| + | |||
| + | 2. Die Spannung zum Zünden einer Zündkerze im Auto beträgt ca. 24000 V. Das Hochtransformieren der Batteriespannung U<sub>1</sub> = 12 V übernimmt der Zündtransformator mit der Zündspule. Er hat auf der Primärseite n<sub>1</sub> = 200 Windungen. Wie viele Windungen hat er auf der Sekundärseite? }} | ||
| + | |||
| + | {{Lösung versteckt|1=1. <math>\frac{230V}{5V} = \frac {460}{n_2}</math>, also n<sub>2</sub>=10. | ||
| + | |||
| + | 2. <math>\frac{12V}{24000V} = \frac {200}{n_2}</math>, also n<sub>2</sub>=400000. }} | ||
| + | |||
| + | Bei einem idealen Transformator treten keine Verluste durch Ohmsche Widerstände auf. Man kann davon ausgehen, dass die elektrische Leistung P<sub>1</sub>, die auf der Primärseite zur Verfügung gestellt wird, vollständig als elektrische Leistung P<sub>2</sub> auf der Sekundärseite ankommt. Es ist P<sub>1</sub> = P<sub>2</sub>.<br> | ||
| + | Die elektriche Leistung P ist durch P = U·I gegeben. Es ist also P<sub>1</sub> = U<sub>1</sub>·I<sub>1</sub> und P<sub>2</sub> = U<sub>2</sub>·I<sub>2</sub> und da keine Verluste auftreten U<sub>1</sub>·I<sub>1</sub> = U<sub>2</sub>·I<sub>2</sub>.<br> | ||
| + | Auf der Sekundärseite fließt nur Strom, wenn ein Verbraucher angeschlossen ist. Dann gilt: | ||
| + | Bringt man für die Gleichgung U<sub>1</sub>·I<sub>1</sub> = U<sub>2</sub>·I<sub>2</sub> die Stromstärken I<sub>1</sub> und I<sub>2</sub> auf die linke Seite und die Spannungen U<sub>1</sub> und U<sub>2</sub>) auf die rechte Seite, dann erhält man <math>\frac{I_1}{I_2} = \frac {U_2}{U_1}</math>. <br> | ||
| + | Verwendet man nun, dass <math>\frac{U_1}{U_2} = \frac {n_1}{n_2}</math> ist, dann ergibt sich <math>\frac{I_1}{I_2} = \frac {n_2}{n_1}</math> | ||
| + | |||
| + | {{Merke|Ist auf der Sekundärseite eines Transformators ein Verbraucher angeschlossen, dann gilt:<br> | ||
| + | <center><math>\frac{I_1}{I_2} = \frac {n_2}{n_1}</math></center> | ||
| + | |||
| + | Mit einem Transformator kann man auch Stromstärken hoch bzw. heruntertransformieren. }} | ||
| + | |||
| + | {{Aufgaben-blau|2|2=An einem Transformator fließt auf der Primärseite eine Strom der Stromstärke I<sub>1</sub> = 2 A. Die Prinmärspule hat n<sub>1</sub> = 600 Windungen. Die Sekundärspule besteht nur aus einer Windung. Wie groß ist die Stromstärke I<sub>2</sub> auf der Sekundärseite? | ||
| + | }} | ||
| + | |||
| + | {{Lösung versteckt|1=<math>\frac{2 A}{I_2} = \frac {1}{600}</math>, also I<sub>2</sub> = 1200 A. }} | ||
| + | |||
| + | {{Aufgaben-blau|3|2=Tatsächlich hat man keinen idealen Transformator. Wie macht sich das beim Laden deines Handys bemerkbar?}} | ||
| + | |||
| + | {{Lösung versteckt|1=Ein Transformator wird beim Laden eines Handy-Akkus warm. Es entsteht Wärme, es geht also elektrische Energie verloren. }} | ||
| + | |||
| + | {{Aufgaben-blau|4|2=Bearbeite das [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/quiz-zum-transformator Quiz zum Transformator]. }} | ||
| + | |||
| + | {{Aufgaben-blau|5|2=1. Bearbeite die [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/niedervolt-gluehlampe Aufgabe]. | ||
| + | |||
| + | |||
| + | 2. Schaue dir den Video an {{#ev:youtube |XaJGfOObeM8|350}} und bearbeite dann die [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/heisser-nagel Aufgabe]. | ||
| + | |||
| + | |||
| + | 3. Schaue dir den Video {{#ev:youtube |aHPkSOhikIE|350}} an und bearbeite dann die [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/hoernerblitzableiter Aufgabe]. }} | ||
| + | |||
| + | |||
| + | Eine wesentliche Anwendung der Transformatoren ist der Transport elektrischer Energie über größere Entfernungen. | ||
| + | |||
| + | {{Versuch|1=Auf dieser [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/grundwissen/energieuebertragung-durch-hochspannung Seite] geht es um Energieübertragung durch Hochspannung. <br> | ||
| + | 1. Schaue dir das Beispiel ohne Hochspannungsleitung an. Notiere die Ergebnisse | ||
| + | |||
| + | 2. Schaue dir den Einsatz von Hochspannung an und notiere die Ergebnisse. }} | ||
| + | |||
| + | {{Lösung versteckt|1=Man erkennt, dass mit zunehmender Verbraucherleistung P<sub>V</sub> der Strom in der Leitung größer wird. Die elektrische Leistung ist P<sub>V</sub>=U·I. Da die an der Leitung anliegende Spannung sich auf mehrere Verbraucher wie Leitung, Lampen, ... aufteilt, verwendet man U = R·I und erhält P<sub>V</sub> = R·I<sup>2</sup>. Damit ist die Verbraucherleistung auch P<sub>V</sub> = R·I<sup>2</sup>. Die Verlustleistung in der Leitung ist dann P<sub>L</sub> = R<sub>L</sub>·I<sup>2</sup>, wobei R<sub>L</sub> der Widerstand der Leitung ist. Man sieht, dass die Verlustleistung quadratisch mit I steigt, also überproportional zunimmt. Daher nimmt der Wirkungsgrad stark ab. | ||
| + | |||
| + | 2. Durch das Hochtransformieren der Spannung für die Fernleitung wird die Stromstärke in der Fernleitung entsprechend heruntertransformiert. Die Verlustleistung P<sub>L</sub> in der Fernleitung ist wieder durch P<sub>L</sub> = R<sub>L</sub>·I<sup>2</sup> gegeben. Da I nun sehr viel kleiner ist, ist auch die Verlustleistung in der Leitung sehr klein. }} | ||
| + | |||
| + | {{Versuch|1=1. Das Modell einer Fernleitung wird auf [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/versuche/fernleitung-modellversuch-1 dieser Seite] dargestellt. <br> | ||
| + | Im ersten Teil der Seite wird ein Verbraucher an eine Fernleitung ohne Transformatoren angeschlossen.<br> | ||
| + | Im zweiten Teil der Seite wird der Verbraucher an eine Fernleitung mit Transformatoren angeschlossen. | ||
| + | |||
| + | Notiere die Ergebnisse der Überlegungen. | ||
| + | |||
| + | 2. Auf [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/versuche/fernleitung-modellversuch-2 dieser Seite] wird ebenfalls ein Modell einer Fernleitung dargestellt. Was stellst du fest? Notiere dein Ergebnis.}} | ||
| + | |||
| + | {{Aufgaben-blau|6|2=1. Bearbeite die [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/prinzip-der-fernuebertragung Aufgabe zum Prinzip der Fernleitung] und die [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/warum-ueberhaupt-hochspannung Aufgabe: Warum überhaupt Hochspannung]. | ||
| + | |||
| + | 2. Bearbeite das [https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/transformator-fernuebertragung/aufgabe/quiz-zur-fernuebertragung-von-elektrischer-energie Quiz]. }} | ||
Aktuelle Version vom 11. Januar 2021, 16:40 Uhr
Wir haben zuletzt kennengelernt, dass die Änderung der Stärke eines Magnetfels in einem Leiter eine Induktionsspannung hervorruft. Dies wird in diesem Video
wiederholt.
 Versuch
Schaue dir dieses Video an und notiere die gemachten Aussagen. |
1. In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich in ihr das Magnetfeld ändert.
2. Ein Trafo besteht aus einer Feldspule und einer Induktionsspule, die durch einen gemeinsamen Eisenkern gekoppelt sind. Der Eisenkern verstärkt die magnetissche Wirkung.
3. Legt man an die Feldspule eine Wechselspannung, so wird dauerhaft in der Induktionsspule eine Spannung induziert.
4. Der gemeinssame Eisenkern hat U-Form und wird oben durch ein Joch geschlossen, dadurch wird das Magnetfeld im Eisenkern eingeschlosssen.
 Merke
Ein Transformator besteht aus zwei Spulen und einem gemeinsamen Eisenkern. Die der Spannungsquelle zugewandte Seite heißt Primärseite, die Seite, an der der Verbraucher hängt, heißt Sekundärseite. Die Wirkungsweise eines Transformators lässt sich beschreiben:
|
Wie funktioniert das mit dem Herunter- bzw. Herauftransformieren?
Schaue dir hierzu diesen Video
an.
| Merke
Hat die Primärspule eines Transformators n1 Windungen und die Sekundärspule n2 Windungen, dann gilt, wenn an der Primärseite die Spannung U1 anliegt für U1 und die Induktionsspannung U2 auf der Sekundärseite  Mit einem Transformator kann man Spannungen hoch- bzw. heruntertransformieren. |
1. 
, also n2=10.
, also n2=400000.Bei einem idealen Transformator treten keine Verluste durch Ohmsche Widerstände auf. Man kann davon ausgehen, dass die elektrische Leistung P1, die auf der Primärseite zur Verfügung gestellt wird, vollständig als elektrische Leistung P2 auf der Sekundärseite ankommt. Es ist P1 = P2.
Die elektriche Leistung P ist durch P = U·I gegeben. Es ist also P1 = U1·I1 und P2 = U2·I2 und da keine Verluste auftreten U1·I1 = U2·I2.
Auf der Sekundärseite fließt nur Strom, wenn ein Verbraucher angeschlossen ist. Dann gilt:
Bringt man für die Gleichgung U1·I1 = U2·I2 die Stromstärken I1 und I2 auf die linke Seite und die Spannungen U1 und U2) auf die rechte Seite, dann erhält man 
.
Verwendet man nun, dass ist, dann ergibt sich 
| Merke
Ist auf der Sekundärseite eines Transformators ein Verbraucher angeschlossen, dann gilt: Mit einem Transformator kann man auch Stromstärken hoch bzw. heruntertransformieren. |
, also I2 = 1200 A.
Eine wesentliche Anwendung der Transformatoren ist der Transport elektrischer Energie über größere Entfernungen.
| Versuch
Auf dieser Seite geht es um Energieübertragung durch Hochspannung. 2. Schaue dir den Einsatz von Hochspannung an und notiere die Ergebnisse. |
Man erkennt, dass mit zunehmender Verbraucherleistung PV der Strom in der Leitung größer wird. Die elektrische Leistung ist PV=U·I. Da die an der Leitung anliegende Spannung sich auf mehrere Verbraucher wie Leitung, Lampen, ... aufteilt, verwendet man U = R·I und erhält PV = R·I2. Damit ist die Verbraucherleistung auch PV = R·I2. Die Verlustleistung in der Leitung ist dann PL = RL·I2, wobei RL der Widerstand der Leitung ist. Man sieht, dass die Verlustleistung quadratisch mit I steigt, also überproportional zunimmt. Daher nimmt der Wirkungsgrad stark ab.
2. Durch das Hochtransformieren der Spannung für die Fernleitung wird die Stromstärke in der Fernleitung entsprechend heruntertransformiert. Die Verlustleistung PL in der Fernleitung ist wieder durch PL = RL·I2 gegeben. Da I nun sehr viel kleiner ist, ist auch die Verlustleistung in der Leitung sehr klein.| Versuch
1. Das Modell einer Fernleitung wird auf dieser Seite dargestellt. Notiere die Ergebnisse der Überlegungen. 2. Auf dieser Seite wird ebenfalls ein Modell einer Fernleitung dargestellt. Was stellst du fest? Notiere dein Ergebnis. |
