Transformator mit Hörnerelektroden

Hierbei handelt es sich um ein sehr anschauliches Experiment zum Aufzeigen der Wirkung von Hochspannungen. Ein Hochspannungstransformator erzeugt zwischen zwei Elektroden einen Blitz.

Transformator mit Hörnerelektroden
Der Transformator mit Hörnerelektroden (noch nicht eingesteckt)
Kurzbeschreibung
Hierbei handelt es sich um ein sehr anschauliches Experiment zum Aufzeigen der Wirkung von Hochspannungen.
Kategorien
RUB
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für:	Sek. II
Basiskonzept:	Wechselwirkung, Energie
Sonstiges
Durchführungsform	Lehrerexperiment
Anspruch des Aufbaus	leicht
Informationen
Name:	Robin Decker
Kontakt:	${\text{robin.decker}}$@${\text{rub.de}}$
Uni:	Ruhr-Universität Bochum
Betreuer*in:	Irene Neumann, Hanno Michel

Didaktischer Teil

Bedeutsamkeit

Den Schülerinnen und Schülern werden die Wirkung von Hochspannungen und die Gefahren des elektrischen Stroms aufgezeigt. Damit ist dieses Experiment exemplarisch für alle technischen Anwendungen, die mit Hochspannungen betrieben werden. Die in diesem Experiment künstlich erzeugten Blitze können darüber hinaus als stellvertretend für Gewitterblitze angesehen werden. Hochspannungsleitungen begegnen Schülerinnen und Schülern schon im Alltag, sei es bei Fernleitungen des Stromnetzes oder über Eisenbahnstrecken. Die besondere Gefahr von Hochspannungen macht es nötig, die SuS über die Risiken aufzuklären. Die Schülerinnen und Schüler können häufig selbst Zeugen des spektakulären Naturschauspiels bei einem Gewitter werden. Der in diesem Versuch künstlich erzeugte Blitz kann genutzt werden, um das Thema Blitze als Naturphänomen zu behandeln. Möglicherweise haben die SuS aber auch schon mal einen Blitz zwischen einer Elektrolokomotive und der Eisenbahn-Hochspannungsleitung beobachtet. Auch diese Beobachtungen können im Unterrichtsgespräch aufgenommen und erklärt werden. Das Experiment ist somit für eine Vielzahl an Erfahrungen aus der Lebenswelt der Schüler bedeutsam. In vielen technischen Berufen wird mit Hochspannungen gearbeitet. Frühes Bewusstmachen der Gefahren und Aufklärung über den Umgang helfen, Unfälle zu vermeiden.

Einsetzbarkeit des Versuchs

Der Versuch eignet sich nur für die Oberstufe. Das Experiment kann sowohl in einer Unterrichtsreihe über Naturphänomene zur Veranschaulichung eines Blitzes bei einem Gewitter als auch als Ausgangspunkt einer Diskussion über das Thema Hitzeentwicklung eingesetzt werden, wobei in letzterem Falle der Fokus auf dem Aufsteigen des erzeugten Blitzes zwischen den Elektroden liegt. Auch kann der Versuch gegen Ende der Unterrichtsreihe über Transformatoren eingesetzt werden, um aufzuzeigen, was passiert, wenn man besonders hohe Spannungen mit einem Transformator erzeugt.

Zur weiteren Analyse siehe auch [[1]].

Versuchsanleitung

Geräte und Aufbau

Folgende Komponenten werden benötigt:

• Netzanschluss-Steckdosenleiste (230 Volt) mit Schalter
• Transformator
  • Primärspule 500 Windungen
  • Sekundärspule 23.000 Windungen
  • Eisenjoch
• 2 Elektroden

Durchführung

• 

  Demontierter Hochspannungs-Transformator mit Hörnerelektroden

• 

  Aufgebauter Hochspannungs-Transformator mit Hörnerelektroden

• 

  Skizze zu Hochspannungs-Transformator mit Hörnerelektroden

Der Versuch ist, sofern nicht als fertiger Aufbau vorhanden, - wie auf dem zweiten Foto gezeigt - aufzubauen. Auf eine korrekte Wahl der Spulen (Windungszahl, etc.) ist zu achten. Insbesondere sollte überprüft werden, dass Primär- und Sekundärspule nicht vertauscht sind (sonst erhält man einen Hochstromtransformator). Die Spulen sollten durch das Joch ausreichend fixiert sein. Die Elektroden können direkt in die Anschlüsse der Sekundärspule gesteckt werden (Abstand ca. 1 cm). Das Netzanschlusskabel wird in die (ausgeschaltete) Steckdosenleiste gesteckt (siehe [[2]]) und diese kann an eine gesicherte Steckdose am Lehrerpult angeschlossen werden. Spätestens an dieser Stelle sollten die Schülerinnen und Schüler über die Gefahren aufgeklärt werden. Dann kann der Transformator kurzzeitig (ca. 5 Sekunden) in Betrieb genommen werden. Sollte kein Blitz entstehen (meist brummt in dem Fall der Transformator laut), ist die Schalterleiste sofort auszuschalten. Zusätzlich sollte dann der Netzstecker gezogen werden und erst dann können die Elektroden etwas näher aneinander gedrückt werden. Dann kann das Experiment wiederholt werden. Die vollständige Durchführung des Experimentes ist auf diesem Video gezeigt.

Beobachtung

Zwischen den Elektroden bildet sich am unteren Ende ein Blitz aus, der sich mit der Zeit nach oben bewegt. Nach einiger Zeit entsteht am unteren Ende der Elektroden ein neuer Blitz, der vorherige Blitz ist verschwunden. Der Effekt ist auf diesem Video gezeigt.

Erklärung/Interpretation

Die Hochspannung reicht aus, um die Luft zwischen den Elektroden zu ionisieren und somit die Luft leitend zu machen. Diese Leitung kann als Blitz beobachtet werden. Durch die Ionisierung erhitzt sich die Luft zwischen den Elektroden. Da die wärmere und ionisierte Luft spezifisch leichter als die Umgebungsluft ist, steigt die ionisierte Luft langsam nach oben. Aufgrund der Ionisierung ist die Luft ein sehr guter Leiter, daher findet der Überschlag zwischen den Elektroden auch dann noch durch den bereits ionisierten Luftbereich statt, wenn der Abstand zwischen den Elektroden (und damit die Länge des Blitzes) bereits deutlich länger als die kürzest mögliche Verbindung wäre. Erst wenn der Blitz so lang ist, dass der Widerstand bei direktem Überschlag am unteren Ende der Elektroden, geringer wäre, findet der Überschlag nicht mehr über die bereits ionisierte Luft statt, sondern es bildet sich ein neuer Blitz aus.

Sicherheit

Hochspannung

Achtung! Lebensgefährliche Hochspannung. Aus Sicherheitsgründen ist das Experiment nur vom Lehrer durchzuführen. Da das Ausschalten einer Steckdosenleiste schneller geht, als einen (u. U. klemmenden) Stecker aus der Steckdose zu ziehen, ist diese immer zwischenzuschalten. Der Schalter muss bis zur endgültigen Inbetriebnahme und sofort nach Abschluss der Durchführung auf "Aus" stehen. Sollte der gewünschte Effekt nicht eintreten ist zunächst in jedem Fall der Schalter auf "Aus" zu stellen. Erst dann kann die Position der Elektroden modifiziert werden.

Wärmeentwicklung

Bei den von mir verwendeten Materialien haben sich die Elektroden trotz Hochspannung mit Überschlag nicht aufgeheizt. Dies sollte vor Durchführung des Experiments sicher gestellt werden (z.B. Infrarotthermometer).

Materialverschleiß

Um den Transformator nicht übermäßig zu belasten, ist das Experiment nur kurz (einige Sekunden lang) durchzuführen.

Raumluft

Es kann zur Bildung von Ozon kommen. Auf eine ausreichende Lüftung des Raumes sollte Wert gelegt werden.