Das Demonstrationsexperiment WS 08/09 Der Transformator: Modellversuche, Grundlagen

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1 Das Demonstrationsexperiment WS 08/09 Der Transformator: Modellversuche, Grundlagen Wolfgang Riedl

2 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung Einstiegsversuch:,,Wie kommt der Strom in die Steckdose? Materialliste Vorbereitung Versuchsdurchführung Entwickeln eines Experimentiertransformators Materialliste Durchführung Aufbau und Bedienfehler Lernvoraussetzungen 6 3 Lernziele Grobziel Feinziele Übergeordnetes Unterrichtsthema 6 5 Experiment als Schülerversuch 7 6 Unterrichtsverfahren Sozialform Lehrform Unterrichtsmethode Motivation/Stundeneinstieg Lernzielsicherung 8 8 Lernzielkontrolle 9 9 Prä- und Misskonzepte 9 2

3 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Einstiegsversuch:,,Wie kommt der Strom in die Steckdose? Materialliste 1 Netzgerät (25V Wechselspannung, regelbar) 2 Spannvorrichtungen 2 U-Kerne mit Joch, geblättert 2 Spulen 300 Windungen 2 Spulen 1200 Windungen 1 Widerstand (1 kω) 1 Glühlampe (4V/0,04A oder 6V/4A) 1 Lampenfassung (passend zur Glühlampe E10 oder E14) 1 Voltmeter 10 Experimentierkabel Vorbereitung Transformator 1: Auf die Spannvorrichtung wird ein U-Kern gestellt. Die Spule mit 300 Windungen wird als Primärspule auf den U-Kern gesetzt (hier: vom Betrachter aus links), die Spule mit 1200 Windungen als Sekundärspule (vom Betrachter aus rechts). Danach setzt man das Joch auf den U-Kern und spannt es fest. Transformator 2: Aufbau analog zu Transformator 1 nur mit vertauschten Spulen. Einstellen der Spannung: Vor Versuchsbeginn sollte der Versuch mit beiden Transformatoren schon einmal aufgebaut werden und die Spannung so eingestellt werden, dass das Birnchen leuchtet (Voltmeter zur Kontrolle parallel zum Birnchen schalten) Versuchsdurchführung Zuerst betrachtet man folgenden Aufbau: 3

4 Abbildung 1: Versuchsaufbau ohne Transformator. Das Glühlämpchen leuchtet in diesem Aufbau nicht (bzw. nur schwach). Anschließend baut man die Transformatoren 1 und 2 (vgl. Abbildung 2) ein, das Lämpchen leuchtet nun (heller). Abbildung 2: Versuchsaufbau mit Transformator. Gemeinsam mit den Schülern muss wird nun erarbeitet, was dafür verantwortlich ist, dass das Lämpchen nun leuchtet. 1.2 Entwickeln eines Experimentiertransformators Materialliste 1 Spannungsquelle/Netzwürfel (bis 25 V ) 2 Spannungsmesser 1 Spule 300 Windungen 1 Spule 1200 Windungen 4

5 1 U-Kern (Stahl, massiv) 1 U-Kern (geblättert) 1 Joch (Stahl, massiv) 1 Joch (geblättert) 1 Spannvorrichtung Experimentierkabel Durchführung Ziel dieses Versuchs ist der Aufbau eines Experimentiertransformators. Verwendet wurde hierzu analog zu Versuch 1.1 eine Spule mit 300 Windungen als Primärspule und eine mit 1200 Windungen als Sekundärspule. Es werden im Laufe des Versuches die Spannungen an der Primär- und der Sekundärseite gemessen wobei man darauf achten sollte, die Primärspannung in den einzelnen Versuchsteilen immer auf den gleichen Wert einzustellen. Man beginnt den Versuch damit, dass man die Spulen ohne Eisenkern aneinanderbringt. Man kann nun die Spulen gegeneinander verdrehen und den Abstand ändern um zu zeigen, dass die Spannung am höchsten ist, wenn die Spulen parallel zueinander stehen und einen kleinen Abstand voneinander haben. Im nächsten Schritt bringt man einen Eisenkern zuerst in die Primärspule und dann auch noch in die Sekundärspule (analog zu Elektromagnet) und bemerkt, dass die Spannung auf der Sekundärseite sich erhöht. Aus praktischen Gründen führt man hier nun den U-Kern ein und zeigt, dass sich im Vergleich zu den beiden Eisenkernen nicht viel ändert. Nun wird das Joch aufgesetzt und festgespannt, was wiederum zu einer Spannungserhöhung führt. Letztendlich verwendet man nun den Kern aus Trafoblechen um Wirbelströme zu vermeiden und erkennt, dass sich die Spannung nochmals erhöht hat. 1.3 Aufbau und Bedienfehler Vor den Umbauten am Schaltkreis/Transformator sollte die Spannungsquelle abgeschaltet werden. Das Joch sollte nicht schräg auf dem U-Kern sitzen. Die Berührflächen von Joch und U-Kern dürfen nicht verrostet/oxidiert sein. Maximale Leistung des Glühbirnchens darf nicht überschritten werden. 5

6 Maximaler Strom durch die Spule darf nicht überschritten werden. 2 Lernvoraussetzungen Kenntnis von Wechselstrom und Wechselspannung Kenntnis des Prinzips eines Elektromagneten. Kenntnis des Aufbaus eines Elektromagneten (inkl. Schritte zur Optimierung). Kenntnis der elektromagnetischen Induktion. Kenntnis des elektrischen Widerstandes. Wissen wie Spannungsabfälle an Bauteilen mit einem Voltmeter korrekt gemessen werden. 3 Lernziele 3.1 Grobziel Die Schüler sollen mit dem Aufbau eines Transformators vertraut werden und erkennen, dass die Verlustleistung bei Energieübertragung geringer wird, je höher die Spannung auf der Übertragungsstrecke ist. 3.2 Feinziele 1. Die Schüler sollen wissen, dass man Hochspannung einsetzt, um die Transportverluste bei Fernleitungen gering zu halten. 2. Die Schüler sollen wissen, wie ein Experimentiertransformator aufgebaut ist. 3. Die Schüler sollen wissen welche Schritte durchgeführt werden um einen Transformator zu optimieren. 4. Die Schüler sollen wissen, dass man Wechselspannung transformieren kann. 4 Übergeordnetes Unterrichtsthema Der Transformator wird im G8 im Fach Physik im Bereich Elektrik als Anwendung von elektromagnetischer Induktion eingeführt. 6

7 5 Experiment als Schülerversuch Der Einstiegsversuch 1.1 kann in dieser Form auch als Schülerversuch durchgeführt werden, da die verwendeten 4V (bzw. 6V) ungefährlich sind. Man kann als Variante noch in Serie zu dem Lämpchen einen Schalter einbauen lassen (welcher den Lichtschalter im Haus simuliert). 6 Unterrichtsverfahren 6.1 Sozialform Unterrichtsgespräch bei Demoexperiment Frontalunterricht Gruppenarbeit bei Schülerexperiment 6.2 Lehrform Darbietend Erarbeitend 6.3 Unterrichtsmethode Analytische Methode 6.4 Motivation/Stundeneinstieg Als Motivation des Transformators kann man Versuch 1.1 (bzw. den Schülerversuch) verwenden um zu zeigen, warum man in Fernleitungen Hochspannung einsetzt. Mit den Schülern wird anschließend diskutiert, warum die Glühbirne im ersten Versuch nicht (bzw. schwach) leuchtet und nach Einbau des Transformators (heller) leuchtet. 7

8 7 Lernzielsicherung Die Lernzielsicherung erfolgt durch Analyse des Einstiegsversuches und Diskussion mit den Schülern und mittels eines Hefteintrags: Wie der Strom in die Steckdose kommt Je kleiner die elektrische Spannung ist, desto größer ist der Transportverlust bei langen Stromleitungen. Daher setzt man für Fernleitungen Hochspannung ein. Um die Spannung zu ändern setzt man einen Transformator ein, welcher aus 2 Spulen 1 geschlossener Kern aus Trafoblechen besteht. 8

9 8 Lernzielkontrolle Die Lernzielkontrolle erfolgt während der Stunde bzw. in der folgenden Stunde anhand der aufgeführten Fragen: Warum benutzt man in Fernleitungen Hochspannung? (FZ 1) Mit welchem Bauteil kann man die Spannung verändern? Wie ist der Transformator aufgebaut? (FZ 2) Warum ist der Transformator so aufgebaut? (FZ 3) Funktioniert der Transformator auch mit Gleichspannung? (FZ 4) 9 Prä- und Misskonzepte Überlandleitungen haben Hochspannung, weil im Kraftwerk hohe Spannung erzeugt wird. Verlustleistung und Spannung hängen nicht zusammen. 9

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