PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM

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1 PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM WS 2000 / 2001 Protokoll zum Thema TRANSFORMATOR Petra Rauecker

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Physikalische Grundlagen Seite 3 2. Hochstromtransformator Seite Schmelzrinne Seite Nagel durchschmelzen, elektrisches Schweißen Seite 8 3. Hochspannungsransformator Seite Hörnerblitzableiter Seite Vom Kraftwerk zum Verbraucher Seite Zusatzinformation Seite 13 Petra Rauecker -2-

3 1. Physikalische Grundlagen Ein Transformator besteht aus einem geschlossenen Weicheisenkern, auf dem sich die Primärspule mit N 1 Windungen und die Sekundärspule mit N 2 Windungen befinden. Fließt ein Wechselstrom durch die Primärspule, so ruft dieser Strom einen zeitlich variablen magnetischen Fluß hervor, der fast völlig im Eisenkern verläuft. Dadurch ändert sich auch der magnetische Fluß in der Sekundärspule, und eine Spannung wird dort induziert. Transformatoren, kurz Trafos genannt, benutzt man sehr häufig. Mir ihnen kann man Wechselspannungen in weiten Bereichen erhöhen oder erniedrigen. Auch die Stromstärke ändert sich. Beim Transformator verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen der Spulen: U 2 U 1 n n 2 1 Wechselspannungen kann man mit Hilfe von Transformatoren in weiten Grenzen ändern (umspannen) Beim Transformator verhalten sich die Ströme umgekehrt wie die Windungszahlen: I I 1 2 n n 2 1 Dabei hängt der Primärstrom vom entnommenen Sekundärstrom ab. Bei den Transformatoren wird zwischen einem unbelasteten Transformator und belasteten Transformator unterschieden. Der unbelastete Transformator: Der Transformator besteht aus einem geschlossenen Eisenkern, auf dem sich die Primärwicklung mit N 1 Windungen und die Sekundärwicklung mit N 2 Windungen befinden. Die Primärwicklung ist eine Spule hoher Induktivität L 1. Ihr Leitungswiderstand soll vernachlässigbar klein sein. Legt man an die Primärwicklung eine Wechselspannung U 1 = U 1,s *sinω t (Primärspannung) Petra Rauecker -3-

4 so fließt wegen der hohen Induktivität der Primärspule nur ein sehr schwacher Wechselstrom, dessen Phase gegenüber der Spannung um fast 2 π nachhinkt. Liegt an der Sekundärspule kein Verbraucher, so kann durch sie kein Strom fließen (I 2 = 0), sie beeinflußt den Primärstrom nicht, der Transformator wird im Leerlauf betrieben. Der Leerlaufstrom in der Primärspule ist ein fast reiner Blindstrom, eine geringe Wirkleistung ist durch den Leitungswiderstand der Wicklung und durch die beim Ummagnetisieren des Eisens entstehenden Energieverluste bedingt. Bei vernachlässigbar kleinem Leitungswiderstand muß nach der 2. Kirchhoffschen Regel die Summe aus der angelegten Primärspannung und der Selbstinduktionsspannung Null sein: U 1 + U l,1 = 0 U l,1 = -U 1 In einer Windung der Primärspule wird daher die Spannung U 1 /N 1 induziert. Weil aber nun der magnetische Fluß nur im Eisenkern fließt, wird auch jede Windung der Sekundärspule vom selben magnetischen Fluß durchsetzt und in ihr daher dieselbe Spannung induziert. In N 2 Windungen der Sekundärspule wird daher die U1 Sekundärspannung U 2 = - N1 = -U 1 *u& & N 1 mit u& & = N 2 / N 1 Übersetzungsverhältnis induziert. Die experimentelle Überprüfung liefert wegen erwähnten Verluste etwas kleinere Werte für U 2. Durch Wahl eines entsprechenden Übersetzungsverhältnisses kann aus einer gegebenen Primärspannung eine größere oder kleinere Sekundärspannung erhalten werden. Bei hoher Induktivität der Primärspule kann der unbelastete Transformator ständig an die Primärspannung angeschlossen bleiben, weil er ja keinen hohen Blindstrom und nur sehr geringe Energeiverluste verursacht. Der belastete Transformator Nun schließen wir an die Sekundärspule des Transformators einen Verbraucher. Die von ihm aufgenommenen Leistung P 2 muß vom Strom an der Primärseite aufgebracht werden. Bei Vernachlässigung aller Energieverluste gilt nach dem Energieprinzip: Primärleistung = Sekundärleistung U 1, eff * I 1, eff * cosφ 1 = U 2, eff * I 2, eff * cosφ 2 Petra Rauecker -4-

5 Primär und sekundär stellt sich automatisch fast die gleiche Phasenverschiebung ein. Dann gilt: U 1,eff * I 1,eff = U 2,eff * I 2,eff => I I 1, ef 2, eff U = U 2, eff 1, eff = u&& Der Transformator übersetzt die Stromstärke im umgekehrten Verhältnis der Spannung. Die Eisenkerne von Transformatoren und anderen Wechselstrommaschinen sind aus dünnen Blechen aufgebaut. Aus einem kompakten Eisenkern kann man Leiterschleifen herausgreifen, die wie eine kurzgeschlossenen Spulenwindung vom magnetischen Fluß durchsetzt werden. In solchen Schleifen entstehen Wirbelströme, die zu hohen Energieverlusten und starker Erwärmung des Eisenkernes führen. Durch gegeneinander isolierte Bleche werden diese Wirbelströme weitgehend unterbunden. Petra Rauecker -5-

6 2. Hochstromtransformator 2.1. Schmelzrinne Mit diesem Versuch wird die Anwendung des Transformators zur Erzeugung hoher Temperaturen mittels starker Ströme bei geringer Spannung demonstriert. Material: Netzspule 500 Windungen Schmelzrinne Schmelzstreifen U - Kern mit Joch- und Spannvorrichtung Aufbau: Ablauf, Ergebnis: 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. Petra Rauecker -6-

7 Bei diesem Versuch muß man zuerst die Schmelzrinne putzen, falls sie schmutzig ist. Den Strom muß man gleich nach dem Flüssig werden ausschalten. Anschließend aufschrauben und die Schmelzrinne herausgeben. Hier kann man sich auch ein Glas mit Wasser vorbereiten und anschließend das Zinn in das Glas laufen lassen. Diesen Versuch kann man auch zuerst mit Wasser durchführen. Dabei füllt man Wasser in die Schmelzrinne. Man sollte darauf achten, daß die Schmelzrinne unten aufliegt. Nach dem einschalten des Stromes beginnt das Wasser zu kochen. Es entstehen Stehende Wellen die sich ausbreiten. Petra Rauecker -7-

8 2.2. Nagel durchschmelzen, elektrisches schweißen Material: Netzspule mit 500 Windungen Spule mit 5 Windungen U Kern mit Joch- und Spannvorrichtung Nagel Aufbau: Ablauf, Ergebnis: Ein Nagel von ca. 3 mm Durchmesser wird in die vorgesehenen Klemmen der Spule mit 5 Windungen eingesetzt. Vor dem 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. Bei diesen Versuch sollen die Kabel lang genug sein. Den Nagel muß man sehr gut einspannen, und er sollte auch unter Zug stehen. Nach Beendigung des Versuches sofort ausschalten und vom Netz trennen. Das Weiße an der Spule stammt von dem Nagel. Es ist Zinkpulver von der Legierung. Hier muß man auch aufpassen, daß man es langsam auseinanderzieht. Ist der Nagel auseinandergerissen drückt man die beiden Enden wieder zusammen und wartet so lange bis es nicht mehr glüht. Petra Rauecker -8-

9 3. Hochspannungstransformator 3.1. Hörnerblitzableiter Aus einer an 220 V~ angeschlossenen Primärspule mit 500 Windungen und einer Sekundärspule mit Windungen wird ein Hochspannungstransformator aufgebaut, dessen Sekundärspannung 2 Hörner - Elektroden zugeführt wird. Material: U Kern mit Joch Spannvorrichtung Netzspule mit 500 Windungen Spule mit Windungen (mit 2 Hörner Elektroden) 2 Sockel 2 Experimentier Isolatoren 2 Experimentierkabel Aufbau: Hinweis zum Aufbau: Vor Beginn des Aufbaues überzeuge man sich, daß die Netzspule ausgeschaltet ist. Sockel so anordnen, daß der Abstand zwischen den Hörner Elektroden ca. 3 mm beträgt. Netzspannung nur kurzzeitig einschalten (starke Überlastung der Sekundärspule). Petra Rauecker -9-

10 VORSICHT! Hochspannung an der Sekundärseite des Transformators! Metallteile der Experimentier Isolatoren und Hörner Elektroden bei eingeschalteter Netzspannung nicht berühren! Ablauf: Primärstrom einschalten und Lichtbogen zwischen den Hörner Elektroden beobachten. Hinweise: Falls der Lichtbogen nicht unmittelbar nach Einschalten des Primärstroms zündet, Abstand zwischen den Elektroden durch verschieben eines Sockels geringfügig vermindern Versuch nach etwa einer Minute abbrechen! Ergebnis: Zwischen den an die Sekundärspule des Hochspannungstransformators angeschlossenen Hörner Elektroden zündet ein Lichtbogen, wenn Wechselstrom durch die Primärspule fließt. Die Entladung im Lichtbogen zeigt an, daß zwischen den Elektroden, also an den Enden der Sekundärspule des Transformators, eine seht hohe Wechselspannung liegt. Sie wird durch die Induktion in der Sekundärspule erzeugt, deren Windungszahl groß genug gegen die der Primärspule ist. Hier ist darauf zu achten, daß sich die Kabel nicht überschneiden. Bei der Spule mit Windungen ist die Kurzschlußgefahr sehr hoch. Daher ist es besser man verwendet einen Transformator mit 2 Primär- und 2 Sekundärspulen. Wobei die Primärspule 220 V und die Sekundärspule 2x3500 V besitzt. Solche Transformatoren werden bei Leuchtreklamen verwendet. Es ist auch darauf zu achten, daß man das Keramik nicht verbiegt, da es sonst zerbricht. Weiters kann man ein Blatt Papier durch die Funken ziehen. Hierbei beobachtet man, daß das Papier nicht durchgehend verbrannt wird, sondern nur punktweise. Der Grund dafür ist, daß die Funken mit 50 Hertz springen. Die Ionisierung der Luft kann mit einer Kerze gefördert werden. Petra Rauecker -10-

11 3.2. Vom Kraftwerk zum Verbraucher Kraftwerke sind meist weit entfernt von den Verbrauchsschwerpunkten elektrischer Energie. Für den Stromtransport ist daher ein dichtes Leitungsnetz auf mehreren Spannungsebenen erforderlich. Je nach Übertragungsleistung und -entfernung wird eine wirtschaftliche und technische Spannungsebene gewählt. Der in den Kraftwerken mit der optimalen Spannung von einigen tausend Volt erzeugte Strom wird in einem meist direkt beim Kraftwerk gelegenen Umspannwerk auf eine sehr hohe Spannung transformiert. Denn nur eine hohe Übertragungsspannung bei gleichbleibender Übertragungsleistung gewährleistet geringe Übertragungsverluste. Die Verluste bei der Übertragung elektrischer Energie sind proportional dem Widerstand der Leitung und dem Quadrat des Stromes. Daher ist es anzustreben, den Strom möglichst klein zu halten. Da die übertragene Leistung ihrerseits proportional dem Produkt aus Strom und Spannung ist, läßt sich die gleiche Leistung bei doppelter Spannung mit dem halben Strom und folglich mit nur einem Viertel der Verluste übertragen. Die Umwandlung der elektrischen Energie von einem Spannungsniveau auf ein anderes erfolgt mittels Transformatoren. Petra Rauecker -11-

12 Die von den allgemeinen Verbrauchern benötigte Niederspannung mit einer europaweit vereinheitlichten Nennspannung von 230 V (Wechselstrom) wird in jedem Ort in den Transformatorstationen hergestellt. Will man die Verluste gering halten, kann sie jedoch nur wenige hundert Meter weit übertragen werden. Daher sind in größeren Orten und in den Städten zahlreiche Transformatorenstationen erforderlich. Petra Rauecker -12-

13 4. Zusatzinformation 4.1. Elektrische Verluste mit dem Transformator Elektrische Energie kann man nur in relativ großen Kraftwerken rationell erzeugen. Sie muß durch Fernleitungen zu den Verbrauchern transportiert werden. Durch den Widerstand der Fernleitungen entstehen Verluste, für die folgendes gilt: Vom Kraftwerk wird eine elektrische Leistung P bei einer Spannung U und einer Stromstärke I abgegeben (P = U * I). Am Gesamtwiderstand der Übertragungsleitungen entsteht ein relativer Leistungsverlust Pi P = I * U i I * U = Ri * I U = P * R U 2 i Der relative Leistungs- und Energieverlust in der Fernleitung ist zum Quadrat der Speisespannung verkehrt proportional. Je höhere Speisespannung man wählt, desto kleinere Stromstärken braucht man für eine bestimmte Leistung U*I, desto weniger werden die Übertragungsleitungen erwärmt. Fernleitungen für Speisespannungen von V oder V werden z.b. so dimensioniert, daß die Verluste unter etwa 5% liegen. Wollte man das gleiche Ziel mit einer Speisespannung von nur 220 V erreichen, so müßte man nach obiger Gleichung deren Widerstand R i auf den millionsten Teil herabsetzen, also statt Leitungen mit etwa 1 cm² Querschnittsfläche solche mit 100 m² Querschnittsfläche verwenden. Die Energieverluste in den Fernleitungen können nur durch sehr hohe Speisespannungen auf ein wirtschaftlich vertretbares Ausmaß herabgedrückt werden. Die Generatoren der Kraftwerke liefern Effektivspannungen von etwa 8000 V. In den angeschlossenen Umspannwerken wird die Spannung auf V, V oder noch höher hinauftransformiert und die elektrische Energie durch Freileitungen zu den Verbrauchszentren transportiert. Dort wird zuerst auf etwa V herabtransformiert. Mit dieser Spannung werden die örtlichen Versorgungsleitungen zu den Letztverbrauchern gespeist, wo dann auf die übliche Spannung von 220 V herabtransformiert. Diese Spannungs- und Stromwandlung ist beim Wechselstrom mit Hilfe des Transformators besonders leicht möglich. Die Transformierbarkeit des Wechselstromes bietet aber auch für den Verbraucher wesentliche Vorteile: Vom öffentlichen Stromnetz kann nur eine zweckmäßig gewählte Spannung zur Verfügung gestellt werden. Sie soll möglichst hoch sein, damit zur Übertragung einer bestimmten Leistung mäßige Stromstärken ausreichen. Eine hohe Spannung erfordert aber bessere Isolierungen und bedeutet eine größere Gefährdung. Petra Rauecker -13-

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