Leistungsübertragung beim idealen Transformator.

Für die Wiedergabe der Simulationen auf dieser Seite benötigt man die Java-Runtime-Environment.
Wenn Du diese nicht hast, kannst Du sie externer Link hier kostenlos herunterladen.
In den Einstellungen des Browsers muss Java und Javascript aktiviert sein.

Das Laden und Aktivieren der Java-Applets benötigt etwas Zeit. Bitte nicht beginnen, bevor der Transformator als Schemazeichnung zu sehen ist.

1.) Die Windungszahlen bestimmen die Spannungen beim Transformator.

Bevor du diese Seite durcharbeitest solltest du mit der Funktionsweise des Transformators und der Transformatorgleichung vertraut sein.

Wenn du das nicht bist, dann arbeite die entsprechenden Seiten zunächst durch:
Der Transformator - benutzt auch Induktion 2. Art
Transformatorgleichung

2.) Spannungen, Stromstärken und Leistungen.

Nach welcher Gesetzmäßigkeit verhalten sich die Spannungen und Stromstärken in der Primär- und Sekundärspule?
Dies kannst du hier erforschen.

  • An die Sekundärspule können verschiedene Lampen angeschlossen werden.
    Diese sind alle für eine Spannung von 10V gebaut, sie unterscheiden sich lediglich in der Leistung.
    Die Spannung an der Sekundärspule muss also immer fest 10 V betragen, sonst leuchten die Lampen nicht richtig (Sekundärspannung zu klein) oder gehen kaputt (Sekundärspannung zu groß).

  • Die Windungszahlen Primärspule kann über das Auswahlmenüs links vom Java-Applet verändert werden.
    Die Primärspannung U1 wird automatisch so angepasst, dass die Sekundärspannung bei 10V bleibt.

  • Die gewählten Windungszahlen und die Größen der Spannungen an Primär- und Sekundärspule werden im Applet angezeigt.

Windungszahl
Primärspule n1:

Windungszahl
Sekundärspule n2:



Leistung P2 der Lampe:

Fragen und Aufgaben:

1.) Die Leistung im Sekundärkreis der Lampe.

Belasse zunächst die Grundeinstellungen (n1 = 100, n2 = 10, P = 10W)

  • Warum ergibt sich nun im Sekundärkreis (Lampe) eine Stromstärke I2 von 1 A?

Lasse die Windungszahlen unverändert, aber wähle nun Lampen mit anderer Leistung (im Auswahlfeld rechts unten).

  • Was kann man über die Stromstärken I2 aussagen?
  • Welcher Zusammenhang besteht zwischen U2, I2 und P2?

 Nach oben zum Applet

2.) Spannung, Stromstärke und Leistung im Primärkreis.

Wähle als Lampe z.B. die Lampe mit 10 W aus.
Ändere die Windungszahlen im Primärkreis. Die Spannung U1 wird nach dem Transformatorgesetz automatisch so angepasst, dass U2 bei - für die Lampe richtigen - 10 V bleibt.

  • Fülle folgende Tabelle aus (auf ein Blatt übertragen)
Windungszahl n1 Spannung U1 Stromstärke I1 Leistung P1 (Primärspule)
10      
100      
1000      
  • Gibt es eine Größe, die immer gleich bleibt, unabhängig davon, welche Windungszahl n1 du wählst?

 Nach oben zum Applet

3.) Das Leistungsgesetz eines idealen Transformators.

Vergleiche die Leistung in der Primärspule P1 mit der Leistung in der Sekundärspule P2.
Wähle dazu auch wieder verschiedene Lampen aus.

  • Kannst du ein Gesetz für die Leistungsübertragung beim idealen Transformator angeben?

 Nach oben zum Applet

Die Natur ist leider nicht ideal!

So wie hier dargestellt verhalten sich Transformatoren in aller Regel nicht, das ist eine Idealisierung!
Trafos werden im Betrieb warm und die Energie dafür muss irgendwo herkommen!

  • Wo kommt die Energie für das Erwärmen des Trafos her?

  • Wie kommt es zu dieser Erwärmung?
    (Tipp: Betrachte die Spulen selber, überlege aber auch, was die Elementarmagnete in den Blechen des Trafokerns machen, wenn an der Primärspule eine Wechselspannung anliegt).

Dies führt dazu, dass man auf der Primärseite mehr Energie je Sekunde zuführen muss, als man auf der Sekundärseite nutzen kann.
Der Quotient aus im Sekundärkreis nutzbarer Energie / in den Primärkreis hineingesteckte Energie bezeichnet man als Wirkungsgrad η (griechischer Buchstabe 'eta')

Ein idealer Trafo, der die komplette Energie an den Sekundärkreis übergibt und sich nicht erwärmt, hätte also einen Wirkungsgrad von η = 1 oder 100%.
In der Praxis kommen gute Transformatoren in Netzgeräten usw. auf Wirkungsgrade von bis zu η = 0,9 oder 90%, d.h. 90% der vorne hineingesteckten Energie kommen am Sekundärkreis an, 10% davon erwärmen den Trafo und sind daher für die Nutzung der elektrischen Energie verloren.
Schlechte Trafos, z.B. auch die Trafos aus Aufbauteilen in der Schule, kommen auf Wirkungsgrade von nur etwa 50%.

Physlets am Davidson College

Die Simulationen entstanden mit Hilfe von Physlets von Wolfgang Christian und Mario Belloni vom Davidson College, USA (externer Link Copyright Hinweise)
© Javascript dieses Problems: Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg, 2012