Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit mittel 10 Minuten 20 Minuten Prinzip Mithilfe zweier Hochspannungstransformatoren können die Fernleitungsverluste zwischen Kraftwerk und Verbraucher trotz hohem Leitungswiderstand gering gehalten werden. Sicherheitshinweis Wechselspannungen über 25 V sind berührungsgefährlich, wenn die Stromstärke größer als 0,5 ma ist. Im liegt an den Fernleitungskabeln eine solche berührungsgefährliche Spannung an. Der Versuch darf nur von fachkundigem Lehrpersonal durchgeführt werden, auf keinen Fall dürfen Schüler den Versuch durchführen. Im Versuchsaufbau wird mit berührungsgefährlicher Hochspannung experimentiert. Im Versuchsaufbau besteht keine ausreichend hohe Isolierung gegen diese berührungsgefährliche Hochspannung. Aus diesem Grund sind unbedingt die folgenden Anweisungen zu befolgen! Als erstes ist das Warnschild Hochspannung (z. B. 06543-00) aufzustellen. Die anzuschließende Schaltung (Versuchsaufbau) im stromlosen Zustand (absolute Netztrennung, Netzstecker ziehen!) erst vollständig aufbauen und nochmals überprüfen, bevor das System ans Netz angeschlossen und eingeschaltet wird. Eingriffe bzw. Änderungen am Versuchsaufbau dürfen auch nur im stromlosen Zustand vorgenommen werden. Wichtig: Führen Sie den Versuch mit nur einer Hand (andere Hand in der Hosentasche) durch, um die Gefahr eines elektrischen Stromschlages zu vermeiden. Abbildung 1: Experimenteller Aufbau, Versuchsteil 1 P1434300 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1
Hochspannungsleitung Material Menge Material Bestellnr. 2 Tonnenfuß PHYWE 02006-55 1 Lampenfassung E10 im Schaltkastengehäuse 06170-00 2 Eisenkern,stabf.,kurz,geblättert 06500-00 2 Eisenkern, U-förmig, geblättert 06501-00 2 Stifte für Eisenkern, U-förmig, 1 Paar 06502-00 2 Spannvorrichtung 06506-00 2 Spule, 75 Windungen (primär) 06511-01 2 Spule, 10 000 Windungen 06519-01 1 Warnschild: Gefährliche elektrische Spannung 06543-00 1 Fernleitung Modell, 2 Stück 07305-00 8 Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, schwarz 07361-05 2 Verteilerstütze, l 235 mm 07924-00 1 PHYWE Netzgerät, universal 13500-93 (1) Glühlampe 6 V/0,5 A, E10, 10 Stück 35673-03 Aufbau und Durchführung Den Versuch nach Abb. 1 aufbauen: Die Enden der Fernleitungskabel jeweils in zwei isolierte Bereiche der Verteilerstützen stecken. Das Netzgerät (Wechselspannungsausgang) und die Glühlampe an die Fernleitungskabel anschließen. Eine Wechselspannung von 6 V einstellen. Das Netzgerät einschalten und die Lampe beobachten. Sicherheitshinweis beachten: Das Netzgerät muss ausgeschaltet sein! Den Versuch nach Abb. 2 aufbauen: Zum Aufbau der Transformatoren jeweils eine Spule mit 75 Windungen und eine Hochspannungsspule mit 10 000 Windungen auf die U-Kerne setzen. Die Eisenstifte in die Schenkel der U-Kerne stecken und das Joch auflegen. Die Transformatoren mithilfe der Spannvorrichtungen fest zusammendrücken. Mit der Hochspannungsfernleitung die beiden Spulen mit 10 000 Windungen (Hochspannungsspulen) der Transformatoren verbinden. Die Niederspannungsspule des Sekundärtransformators mit der Glühlampe verbinden. Die Niederspannungsspule des Primärtransformators an den Wechselspannungsausgang des Netzgerätes anschließen. Eine Wechselspannung von 6 V einstellen. Das Netzgerät einschalten und die Lampe beobachten. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P1434300
Abbildung 2: Experimenteller Aufbau, Versuchsteil 2 Beobachtung Wenn die Lampe direkt über die Fernleitungskabel an die Stromversorgung angeschlossen ist, leuchtet sie nicht. Bei einer Spannung von 6 V ist die Stromstärke durch die Überlandleitungen nicht groß genug, um die Lampe zu betreiben. Wird durch den Transformator eine Hochspannung erzeugt, die dann an den Überlandleitungen anliegt und mit dem zweiten Transformator wieder auf 6 V transformiert wird, dann leuchtet die Lampe. Auswertung Das Fernleitungsmodell besitzt zwei Leitungen mit einem Widerstand von je R F /2 50 Ω. Der Gesamtwiderstand des Modells beträgt demnach R F R F 2 + R F 2 50 Ω + 50 Ω 100 Ω. (1) Abb. 3 zeigt, dass die beiden Leitungen des Fernleitungsmodells und die Lampe in Reihe geschaltet sind und sich die beiden Widerstände R F /2 und der Widerstand R L der Lampe addieren. Abbildung 3: Schematische Darstellung zu Versuchsteil 1 P1434300 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3
Hochspannungsleitung Ein maximal erreichbarer Wert für die Stromstärke lässt sich schon abschätzen, wenn für die Berechnung nur der Widerstand des Fernleitungsmodells berücksichtigt wird. R F U I (2) I U R F 6 V 100 Ω 60 ma (3) Der Nennwert für die Stromstärke der Lampe ist I L 0,5 A 500 ma. Bei einer Stromstärke von nur 60 ma leuchtet sie nicht. Abbildung 4: Schematische Darstellung zu Versuchsteil 2 Wie in Abb. 4 gezeigt, transformiert der erste Transformator die Wechselspannung U 1 an der Primärseite in eine Wechselspannung an der Sekundärseite im Verhältnis der Windungszahlen von Primärspule N 1 und Sekundärspule N 2 : U 1 N 1 N 2 (4) Die Spannung des Netzgerätes beträgt 6 V, damit ergibt sich eine Spannung an der Sekundärseite von N 2 N 1 U 1 10 000 75 6 V 800 V (5) Um die für das Lämpchen benötigte Leistung von P L 6 V 0,5 A 3 W bei 800 V zu transportieren, ist im Hochspannungskreis nur ein relativ kleiner Strom I 2 nötig: P L I 2 (6) I 2 P L 3 W 800 V 3,75 ma. (7) Bei dieser Stromstärke fällt am Fernleitungswiderstand R F 100 Ω eine Spannung U F ab von U F R F I 2 100 Ω 0,00375 A 0,375 V. (8) Der Spannungsabfall ist vernachlässigbar. An der Sekundärspule des zweiten Transformators ergibt sich wieder annähernd die ursprüngliche Spannung von 6 V. Im Lampenstromkreis befindet sich kein weiterer Widerstand mehr, die Glühlampe leuchtet hell. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P1434300
Die Leistung P F, die an den Fernleitungskabeln als Verlustleistung aufgewendet wird, beträgt P F U F I 2 0,375 V 3,75 ma 1,4 mw. (9) Die Verlustleistung an den Fernleitungskabeln ist durch das Hochtransformieren der Spannung sehr gering geworden, weil bei gleicher Leistung durch die höhere Spannung ein geringerer Strom fließt. Anmerkungen 1. Der Wirkungsgrad der Übertragung η P L P Gesamt 3 W 3 W+0,0014 W 99,95 % wurde im zweiten Versuch nur theoretisch betrachtet und beträgt daher fast 100 %. Ein Nachmessen der Leistung würde jedoch einen sehr viel geringeren Wirkungsgrad ergeben. Die Transformatoren verhalten sich also bei Weitem nicht ideal. 2. Bei der technischen Energieübertragung wird ein Gesamtverlust von 10 % noch akzeptiert. Typische Werte für eine Hochspannungsfernleitung sind: Aufbau: Länge: Widerstand: Betriebsspannung: Betriebsstrom: 4 Seile mit 30 mm 2 Stahl innen und 340 mm 2 Aluminium außen 250 km 5 Ω 380 kv 4,2 ka P1434300 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5