Der Transformator - benutzt auch Induktion 2. Art.

Auf dieser Seite hast du gelernt, dass auch in einer ruhenden Spule eine Spannung induziert werden kann, wenn sich das Magnetfeld in der Spule ändert.
Wenn du sie noch nicht kennst, arbeite sie zuerst durch!

Du solltest auch die Funktion der entgegengesetzt gepolten Leuchtdioden kennen. Eine Erklärung findest du hier.

Nun kann man Magnetfelder aber auch mit Hilfe eines Elektromagneten erzeugen!

Der Aufbau im Versuchsvideo besteht aus zwei Spulen:

Spule 1 (blaue Kabel) ist mit einer Quelle verbunden.
Ist sie von einem Strom durchflossen, erzeugt sie ein Magnetfeld.
Man nennt sie die Primärspule oder Feldspule.
Spule 2 (rote Kabel) ist an die entgegengesetzt gepolten Leuchtdioden angeschlossen.
Ändert sich das Magnetfeld in ihr, entsteht in ihr eine Induktionsspannung.
Man nennt sie die Sekundärspule oder Induktionsspule.

Beachte, dass beide Spulen einen gemeinsamen Eisenkern haben und nicht elektrisch leitend verbunden sind!
Diesen Aufbau nennt man einen Transformator.

Sieh' dir dieses Versuchsvideo an.

Bestimmt sind dir folgende vier Abschnitte des Versuchs aufgefallen (falls nein, schaue den Film noch einmal genau und langsam an!):

Schalter ist geöffnet	kein Stromfluss in der Spule, kein Magnetfeld	keine Leuchtdiode leuchtet, keine Induktionsspannung
Schalter wird geschlossen	der Stromfluss in der Spule nimmt zu, ein Magnetfeld baut sich auf	die rechte Leuchtdiode leuchtet, eine Induktionsspannung entsteht
Schalter ist geschlossen	der Stromfluss in der Spule ist konstant, das Magnetfeld ändert sich nicht	keine Leuchtdiode leuchtet, keine Induktionsspannung
Schalter wird geöffnet	der Stromfluss in der Spule nimmt ab, das Magnetfeld bricht zusammen	die linke Leuchtdiode leuchtet, eine Induktionsspannung entsteht

Fassen wir zusammen:

Eine Induktionsspannung bekommen wir also immer nur dann, wenn sich der Stromfluss in der Spule 1 ändert.
Damit ändert sich auch die Stärke des Magnetfeldes, das auch in Spule 2 wirkt.
Diese Änderung des Magnetfeldes bewirkt die Induktionsspannung in Spule 2.
Die Polung der Induktionsspannung ist unterschiedlich, je nachdem, ob die Stärke des Magnetfeldes zu- oder abnimmt.
Ändert sich der Stromfluss nicht, dann bleibt das Magnetfeld konstant und es gibt auch keine Induktionsspannung!
Deshalb betreibt man Transformatoren immer mit Wechselspannung.
Bei einer Gleichspannung würde sich das Feld (außer beim ersten Einschalten) nicht ändern und daher keine Induktionsspannung entstehen!

2. Transformator mit einem Funktionsgenerator betrieben.

Der Transformator im nächsten Video ist etwas anders aufgebaut und entspricht mehr dem, wie in der Technik Transformatoren aussehen:
die beiden Spulen (Feldspule links, Induktionsspule rechts) befinden sich auf einem geschlossenen Eisenkern.
Die Feldspule wird von einem Funktionsgenerator gespeist, dessen Spannung sich in Stärke und Polungsrichtung mit einer Frequenz von ca. 1 Hz ständig ändert.

Man erkennt deutlich am wechselnden Aufleuchten der beiden Leuchtdioden, dass die Polung der Spannung in der Induktionsspule sich ebenfalls ständig ändert, dass diese also eine Wechselspannung abgibt.

Steigert man die Frequenz der Wechselspannung auf 50 Hz, wie es der Wechselspannung in unserem Elektrizitätsnetz entspricht, dann hat man den Eindruck, dass beide Dioden gleichzeitig leuchten. Dem ist aber nicht so. Sie leuchten weiterhin abwechselnd, nur ist unser Auge zu träge, um dies zu merken.

3.) Verschiedene Bauformen von Transformatoren.

Transformatoren können recht unterschiedlich aufgebaut sein:

Dies ist ein normaler "Netztransformator" der aus den 230 V der Steckdose eine Kleinspannung von ca. 12 Volt macht. Die beiden Spulenwicklungen sind übereinander gewickelt.

Hier siehst du einen sogenannten "Ringkerntrafo". Er hat einen ringförmigen Kern auf den die beiden Wicklungen der Primärspule und der Sekundärspule übereinander gewickelt sind. Ringkerntransformatoren sind besonders verlustarm.

4.) Noch ein Versuchsvideo mit einer seltsamen Beobachtung.

Dieses Versuchsvideo zeigt etwas zunächst Verblüffendes!

Der Stromfluss in der Spule wird durch Ein- und Ausschalten geändert, wie wir das schon vom ersten Video oben auf dieser Seite kennen.
(Hier ist die Spule offenbar umgekehrt gepolt, beim Einschalten leuchtet die linke Leuchtdiode, beim Ausschalten die rechte Leuchtdiode.)

Nachdem die Spule längst nicht mehr stromdurchflossen ist (Schalter geöffnet), wird der Eisenkern oben entfernt. Dabei leuchtet wieder eine Leuchtdiode auf und zeigt das Auftreten einer Induktionsspannung an!

( Es leuchtet wieder die rechte Leuchtdiode auf, genau wie beim Ausschaltvorgang.)

Wie kommt diese Induktionsspannung zustande?

Beim Einschalten des Stromflusses in der Spule werden die Elementarmagnete im Eisenkern ausgerichtet.
Beim Ausschalten geht diese "Ordnung" auch wieder verloren - jedoch nicht sofort beim Ausschalten - es dauert eine gewisse Zeit!
Wie lange dies dauert, hängt vom Material der Kerns und der Temperatur ab.

Im Eisenkern der Spule wirkt also noch ein Magnetfeld nach.

Trennt man den Eisenkern oben ab, so nimmt die Stärke des Magnetfeld nochmals ab, dies führt in der Sekundärspule noch einmal zu einer Induktionsspannung - mit gleicher Polung wie beim Ausschalten.
Setzt man den Eisenkern wieder auf, so zeigt das Aufleuchten der anderen Leuchtdiode an, dass die Stärke des Magnetfeldes wieder zunimmt und wieder eine Induktionsspannung (mit entgegengesetzter Polung) entsteht.

Allerdings ist dieses Leuchten nur noch schach. Dies zeigt, dass nach dem ersten Abnehmen des Eisenkerns die Ausrichtung der Elementarmagnete teilweise verloren geht.

Anmerkung zu den Experimenten:
Im Versuch 1 hat die Induktionsspule 3600 Windungen (Phywe), die Feldspule hat 1200 Windungen. Spulen anderer Hersteller mit ähnlichen Windungszahlen sind sicher genauso geeignet. In den anderen Experimenten wurden zwei gleiche Spulen mit 1200 Windungen verwendet.
Die Leuchtdioden sind normale rote Standard-Leuchtdioden, man bekommt sie in jedem Elektronikladen oder im Versandhandel.

Anmerkungen zu den Videoaufnahmen:

Die Videoaufnahmen entstanden im Videomodus einer normalen Digitalkamera (hp photosmart). Sie wurden mit dem Freeware Programm VirtualDub geschnitten und komprimiert und danach mit dem Freeware-Programm trmoov.exe in das Quicktime-Format umgewandelt.

Fachgruppe Physik