Transformator

Transformator
Einfacher Transformator mit Eisenkern
Kurzbeschreibung
Messen von Stromstärke und Spannung in Primär- und Sekundärstromkreis
Kategorien
Elektrizitätslehre
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek I
Basiskonzept:	System
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerdemoexperiment, Schülerexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie	1
Anspruch des Aufbaus	einfach
Informationen
Name:	Danny Gonnermann
Kontakt:	${\text{denvertgnn}}$@${\text{yahoo.de}}$
Uni:	Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in:	Steffen Wagner

In diesem Versuch soll der Transformator und seine stromverändernden Eigenschaften gezeigt, sowie der Einfluss von Widerständen auf die Stromstärke im Stromkreis thematisiert werden.

Didaktischer Teil

Anschauung

Im folgenden Versuch wird mit der Ideologie gearbeitet, dass ein Stromkreis einen Widerstand R als Eigenschaft besitzt und die angelegte Spannungsquelle eine Spannung U bereitstellt. Basierend auf diesen beiden Größen stellt sich im Stromkreis ein Stromfluss mit Stromstärke $I={\frac {U}{R}}$ ein.

Strom verändern durch Transformator

Der Transformator teil sich im Wesentlichen in den Primärstromkreis mit der Spannungsquelle und den Sekundärstromkreis mit dem Verbraucher bzw. Widerstand. Wird in der Spannungsquelle eine Spannung angelegt, induziert sich nach dem Lenz'schen Gesetz eine Spannung im Sekundärstromkreis. Diese Spannung ist im Gegensatz zur Primärspannung verändert, basierend auf dem Windungszahlenverhältnis der Spulen im Transformator. Die angebotene Spannung über den Widerstand ist damit ggf. eine andere als die von der Spannungsquelle angebotene, und somit fließt auch eine andere Stromstärke, als wenn man den Widerstand schlicht an die Spannungsquelle angeschlossen hätte. Der Transformator „ändert“ also den Strom, der von der Spannungsquelle angeboten wird für den Widerstand.

Anwendungsgebiete

Die stromverändernde Eigenschaft des Transformators bietet damit eine universelle Anwendung in der Technik: Will man ein Gerät mit einer gewissen Stromstärke betreiben, so kann man einen universell angebotenen Strom per Transformator auf die benötigte Spannung transformieren, je nach Eigenwiderstand des Gerätes. Dies erlaubt eine einheitliche Stromproduktion durch Kraftwerke und eine Verteilung an jegliche Nutzer. Beim Nutzer wird der Strom lokal durch einen vor das Gerät geschalteten Transformator dann auf die gewünschte Spannung transformiert. Läge man ein kleines Hauhshaltgerät, z.B. einen Stabmixer mit einem Widerstand von 1..10Ω an die in Deutschland übliche Netzspannung von 230V an, würde die hohe fließende Stromstärke das Gerät zur Fehlfunktion bringen oder womöglich sogar zerstören. Um dies zu verhindert wird die Spannung also mithilfe eines Transformators vorher heruntertransformiert.

Da jedes Land seine eigenen Stromnormen hat, brauch man für jedes Land bei dem gleichen Gerät auch einen anderen Transformator, wenn man die einwandfreie Funktion des Gerätes garantieren will. Realisiert wird dies durch landeseigene Stecker und Steckerbuchsen. Der Transformator ist dabei oft in den Stecker eingebaut, welcher nur in die dafür vorgesehen Steckerbuchse passt. (Fußnote Steckernormen) Würde man versuchen, ein für deutschen Strom vorgesehenes Gerät in eine amerikanische Steckerbuchse stecken, ist die einwandfreie Funktion des Gerätes nicht mehr garantiert, da es nicht mehr mit dem erwarteten Strom versorgt wird. Umgehen lassen sich diese Länderspezifikationen mithilfe von Adaptern, welche hauptsächlich aus Zielstecker, Transformator zum Übersetzen der Ländernormen und Steckerbuchse des eigenen Landes bestehen. Der Strom wird dabei z.B. von amerikanischer Norm zu deutscher Norm transformiert und dann im Gerät wieder dem Eigenbedarf angepasst.

In den Ländern kann damit auf einheitliche Weise ein einheitlicher, genormter Strom erzeugt werden, welcher dann mithilfe von z.B. Überlandleitungen beim Verbraucher bereitgestellt wird. Der genormte Strom wird dann durch einen Transformator auf die Bedürfnisse des jeweiligen Gerätes angepasst. Aufgrund dessen lassen sich Transformatoren in nahezu jedem Gerät finden und sind für die heutige Elektrotechnik unverzichtbar.

Induktive oder deduktive Herangehensweise

Im Versuch soll mit einer induktiven Herangehensweise die Eigenschaften des Transformators entdeckt werden. Man experimentiert also mit dem Gerät und leitet dann aus den Beobachtungen folgend Regeln ab. Dieser Prozess der Wissensfindung realisiert sich häufig durch offene Aufgaben in der Schule und fördert so die Kreativität und Experimentiergeschick der Schüler.
Dem gegenüber steht der deduktive Prozess der Wissensdarstellung. Man formuliert Regeln basierend auf den theoretischen Grundlagen und überprüft deren Richtigkeit. Der Vorteil dieser Methode liegt in der hohen Zeiteffizienz und fördert das Organisationsgeschick durch genaues Planen und zielgerichteteres Experimentieren.

Der Vorteil vom induktiven Ansatz ist bei diesem Experiment die Realitätsnähe. Beim deduktiven Ansatz geht man von einem idealen Transformator aus, welcher aber nicht-realisierbar ist. Beim Experiment selbst stellt sich heraus, dass den Regeln vom idealen Transformator mit schulüblichen Geräten i.A. nicht hinreichend genüge getan werden kann, Tendenzen jedoch durchaus erkennbar sind. Die Beobachtungen werden mit Merksätzen zusammengefasst, welche das Beobachtete zusammenfassen. Bei der deduktiven Arbeitsweise übernehmen diese Arbeit meist die von der Theorie abgeleiteten Regeln. Letztendlich ist beides sinnvoll zu lernen, da die Formeln ein Gefühl für die Ergebnisse geben, die Merksätze letztendlich die Ergebnisse beschreiben.

Lehrerexperiment vs. Schülerexperiment

Will man das Experiment als Schülerexperiment mit mehreren Schülergruppen gestalten, bedarf es dabei ausreichend Materialien und Zeit. Sollte es an letzterem etwas mangeln, kann man statt einer offenen Aufgabe den Schülern hinweise geben oder Teile der Experiments vorgeben, wie z.B. die Spulen mit ihren Windungszahlen oder die Widerstände. Das Schülerexperiment bietet sich beim induktiven Ansatz an, wenn man das Experiment als offene Aufgabe stellt. Jedoch ist hier ein deduktives Herangehen durch die Schüler mithilfe entsprechender Vorbereitung genauso möglich.

Als Lehrerexperiment bietet sich das Experiment bei Zeit- oder Materialmangel an. Will man die Schüler dennoch in das Experiment einbinden, kann man ihnen Aufgaben zuteilen wie das Umstecken der Bauteile oder das Aufnehmen der Messwerte. Hier bietet sich eher ein deduktives Arbeiten an, um die Schüler nicht zu lange passiv sein zu lassen. Möchte man dennoch den induktiven Ansatz beim Lehrerexperiment verfolgen, kann man die Schüler die Vorgaben überlassen und selber nur noch als Experimentator agieren, der den Anweisungen folgt.

Vorbereitung

Stativmaterial für bessere Sichtbarkeit der Messgeräte

Materialliste

Gegenstand	Kommentar
Spulen	2x gleiche Spule, sonst andere Windungszahlen, gleiche Bauart, Belastbarkeit beachten
U-Kern + I-Kern	zum Schließen des Eisenkerns für bessere Leistungsübersetzung
2x Amperemeter	je nach Spannungsquelle
2x Voltmeter	je nach Spannungsquelle
Steckplatte	bessere Übersicht über den Stromkreis
Kabel	mehrere Farben für bessere Übersicht, z.B. für je Primär- und Sekundärstromkreis
Wechselspannungsquelle	ggf regelbar, bis z.B. 20V, 10A, zum Betreiben einer Glühlampe, weniger sollte auch gehen, auf maximale Stromstärken der Spulen achten
Glühlampe	als Indikator für die Existenz von Stromfluss im Sekundärstromkreis, als kleiner Widerstand nutzbar
Widerstände	mehrere im Bereich 10..1000Ω
Stativmaterial	Bei Lehrerexperiment benötigt, zum Aufstellen von Multimetern und der Steckplatte für bessere Sichtbarkeit

Experimentablauf

Aufbau

Der Stromkreis ist nach folgendem Plan aufzubauen. Mehrere Spulen und Widerstände sind bereitzulegen.

Durchführung

Der erste Widerstand sollte die Glühlampe sein, um zu zeigen, dass ohne direkte Kabelverbindung im Sekundärstromkreis ein Strom fließen kann. Die ersten Spulen sollten die beiden gleichen sein. Man überprüft den Stromkreis auf seine Korrektheit und stellt die Spannungsquelle auf den niedrigsten Output. Ist alles ordnungsgemäß, schaltet man die Spannungsquelle ein und stellt die Spannung so ein, dass die Glühlampe leuchtet. Ist dies getan, regelt man die Spannungsquelle wieder auf null und schaltet sie aus.

Nun lässt sich die Glühlampe mit einem beliebigen Widerstand ersetzen und die Spannungsquelle wird wieder eingeschaltet. Man stellt eine beliebige Spannung ein, z.B. 5V, und nimmt die Messdaten der 4 Messgeräte auf. Ist dies getan, wird die Spannungsquelle wieder auf null geregelt, abgeschaltet und ein anderer Widerstand kann eingesetzt werden. Man stellt die gleiche Spannung wie vorher ein und misst. Um dies zu gewährleisten kann man sich am Regler der Spannungsquelle oder der Primärspannungsmessung orientieren. Während des Einstellens der Spannung ist auf die Werte der Messgeräte zu achten und gegebenenfalls der Messbereich anzupassen. Dann wird die Spannungsquelle wieder heruntergeregelt, ausgeschaltet und der nächste Widerstand wird eingesetzt. Nach ähnlichem Verfahren werden für die restlichen Widerstände wieder die Werte aufgenommen.

Hat man für alle Widerstände gemessen, so tauscht man nun die Spulen aus, um das Windungszahlenverhältnis zu verändern. Jetzt werden wieder nacheinander die Widerstände eingesetzt und die Spannungen und Ströme notiert. Diese Reihenfolge bietet sich an, da sich die Widerstände schneller auswechseln lassen als die Spulen. Für direktere Vergleiche zwischen den Windungszahlverhältnissen kann man aber auch bei gleichem Widerstand die Spulen durchwechseln.

Ergebnisse

Die gemessenen Werte lassen sich gut tabellarisch erfassen und vergleichen. Arbeitet man mit einem Tabellenprogramm, so kann man die jeweiligen Datensätze beliebig hervorheben und anordnen, jenachdem, welchen Aspekt man genauer betrachten möchte. Man kann z.B. die verschiedenen Leistungsverhältnisse errechnen, den Einfluss der Windungszahlen von Primär- und Sekundärspule auf die Messwerte beobachten oder die theoretisch erwarteten Werte mit der Praxis vergleichen.

Die Messdaten einer Beispielmessung sehen so aus:

Wirkungsgrade inkl. Messunsicherheiten (in grau)

Daten für steigende Windungszahlen

Vergleich Theorie und Praxis

Auswertung

In den Messdaten sollte ein Abfall der Leistung $P=U\cdot I$ im Sekundärstromkreis im Gegensatz zum Primärstromkreis zu sehen sein. Dieser Leistungsverlust ist auf Energieverluste beim realen Transformator zurückzuführen. Dazu gehören u.a. die unvollständige Durchsetzung der Sekundärspule vom Magnetfeld der Primärspule, Wirbelströme im Eisenkern und die ständige Verformung der Spulen durch die Eigenmagnetisierung.
Die unvollständige Durchsetzung der Sekundärspule vom Magnetfeld der Primärspule lässt sich vergrößern, indem man während des Experiments den Eisenkern öffnet, also den I-Kern abnimmt. Es sollte dann ein starker Abfall in der Sekundärstromstärke beobachtbar sein.
Die Wirbelströme deponieren Wärmeenergie im Eisenkern und führen damit zu dessen Erwärmung. Bei geblätterten Eisenkern lässt sich dieser Einfluss reduzieren, da die Wirbelströme weniger große Ausmaße annehmen können.
Die Verformung der Spulen lässt sich bei größeren Spannungen und demnach Stromstärken hörbar machen. Die Spulen geben dabei ein Brummen von sich in Höhe der Frequenz des Wechselstroms. Diesen Effekt kann man auch in der Nähe von Transformatorkästen oder Umspannwerken wahrnehmen.
Der reelle Transformator weist also im Gegensatz zum idealen Transformator Energieverluste auf und besitzt damit einen Wirkungsgrad $\eta ={\frac {P_{s}}{P_{p}}}$ von weniger als 100%. Professionell hergestellte Transformatoren erreichen jedoch Wirkungsgrade über 99%, nahe an 100%. Ein idealer Transformator, also 100% Energieübertragung, ist jedoch nicht möglich. Die Beispielergebnisse bringen einen Wirkungsgrad von bis zu 60%, jedoch sind hier starke Schwankungen zwischen den Messungen zu erkennen, sodass sich Wirkungsgrade von 1% bis 60% beobachten lassen. Man kann also vermuten, dass Transformatoren bei gewissen Einstellung effizienter sind als bei anderen.

Weiterhin sollte zu beobachten sein, dass mit steigender Windungszahl in der Sekundärspule gegenüber gleichbleibender Primärspule und Widerstand die Sekundärspannung und -stromstärke ansteigen. Andersherum sinkt mit verringern der Windungszahl in der Sekundärspule die Sekundärspannung und -stromstärke. In ähnlicher Weise sinken mit steigender Primärspulenwindungszahl die Sekundärspannung und -stromstärke, beim Verringern der Primärwindungszahl erhöhen sich Sekundärspannung und -stromstärke.
Im Allgemeinen lässt sich beobachten, dass die Sekundärstromstärke bei größer werdenden Widerständen sinkt. Kleine Widerstände ziehen demnach eine größere Sekundärstromstärke mit sich. Will man also ein kleines Gerät mit geringer Stromstärke betreiben, sollte die Sekundärwindungszahl möglichst klein im Gegensatz zur Primärwindungszahl gehalten werden. Benötigt man hohe Stromstärken, so ist die Primärwindungszahl im Verhältnis zur Sekundärwindungszahl klein zu halten, sowie der Widerstand möglichst gering zu wählen.

Vergleich man Theorie und Praxis, so werden die Messwerte den Gesetzmäßigkeiten des idealen Transformators nicht gerecht, jedoch sind Tendenzen zu erkennen. Im idealen Transformator entspricht das Windungszahlenverhältnis ${\frac {N_{p}}{N_{s}}}$ dem Spannungsverhältnis ${\frac {U_{p}}{U_{s}}}$ , bzw. dem inversen Stromstärkenverhältnis ${\frac {I_{s}}{I_{p}}}$ . In den Messergebnissen lässt sich eine Annäherung des Spannungsverhältnis an das Windungszahlenverhältnis bei hohen Widerständen erkennen. Das inverse Stromstärkenverhältnis kommt dem Windungszahlenverhältnis bei sich verringernden Widerständen näher. Die Theorie gibt daher nur Aufschluss über die Werte in beiden Extremfällen.

Messfehler sind hier bei den Messgeräten zu suchen. Deren Messfehler lassen sich auf den Geräten, in der Anleitung oder im Internet auf den Seiten der Anbieter finden. Meistens beträgt dieser einige Prozent und Digits. Demnach sind die Messbereiche möglichst so zu wählen, dass der gemessene Wert nicht nur im Digit-Bereich liegt, sondern eher in der Mitte bis Ende des Messbereichs.

Sicherheitshinweise

Um Schäden an Personen zu vermeiden ist beim Aufbau des Stromkreises der einwandfreie Zustand der Geräte zu überprüfen, offene Kabel zu vermeiden und Schäden an den Geräten zu beim Verantwortlichen zu melden und ggf. zu beheben.

Um Schäden an den Geräten zu vermeiden sollte die Spannung der Spannungsquelle stets vor dem Aus- und Anschalten auf das Minimum geregelt werden um hohe Induktionsströme beim Ein- und Ausschalten zu verhindern. Die Messgeräte sollten stets auf Überschreitung des oberen Ende des Messbereichs überprüft werden um eine Überlastung zu verhindern.

Literatur

folgt bei Bedarf