Diesen aiMOOC als Battle spielen: Geschichte, Klasse 7-8, G-Niveau

Transformator - Physik

Einleitung

Ein Transformator – kurz Trafo – verändert die Höhe einer Wechselspannung. Er kann eine Spannung hochtransformieren oder heruntertransformieren. Dabei überträgt er elektrische Energie mithilfe eines veränderlichen Magnetfeldes von einer Spule auf eine zweite Spule.

Transformatoren stecken zum Beispiel in Umspannwerken, Netzteilen, Ladegeräten, Türklingeln und Schweißgeräten. Für das Stromnetz sind sie besonders wichtig: Hohe Spannungen ermöglichen eine verlustärmere Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du den Aufbau und die Funktionsweise eines Transformators erklären. Du kannst außerdem das Übersetzungsverhältnis anwenden, Hoch- und Heruntertransformieren unterscheiden, einfache Rechnungen durchführen und die Bedeutung von Transformatoren im Stromnetz beurteilen.

Benötigtes Vorwissen

Hilfreich sind Grundkenntnisse zu Spannung, Stromstärke, Leistung, Spule, Magnetfeld und elektromagnetischer Induktion.

Aufbau eines Transformators

Ein einfacher Transformator besteht aus drei Hauptteilen:

Primärspule: Sie ist mit der Eingangswechselspannung verbunden.
Sekundärspule: An ihr wird die Ausgangswechselspannung abgegriffen.
Transformatorkern: Er führt den magnetischen Fluss möglichst gut von der Primärspule zur Sekundärspule.

Die Windungszahlen werden meist mit $N_{1}$ für die Primärspule und $N_{2}$ für die Sekundärspule bezeichnet. Die Spannungen heißen entsprechend $U_{1}$ und $U_{2}$ .

Unterschiedliche Bauformen sind an verschiedene Aufgaben angepasst. Ein Ringkerntransformator besitzt einen ringförmigen Kern und kann ein kleines äußeres Streufeld haben.

Historischer Bezug

Michael Faraday zeigte im 19. Jahrhundert, dass ein veränderliches Magnetfeld in einer benachbarten Spule eine Spannung induzieren kann. Dieses Prinzip bildet die physikalische Grundlage des Transformators.

Funktionsweise

An der Primärspule liegt eine Wechselspannung. Dadurch fließt ein Wechselstrom, der im Kern einen sich ständig ändernden magnetischen Fluss erzeugt. Dieser magnetische Fluss durchsetzt die Sekundärspule. Nach dem Induktionsgesetz entsteht dort eine Wechselspannung.

Wichtig ist: Nicht ein konstantes Magnetfeld, sondern seine Änderung erzeugt die Induktionsspannung. Deshalb funktioniert ein gewöhnlicher Netztransformator nicht dauerhaft mit konstanter Gleichspannung. Beim Ein- oder Ausschalten kann zwar kurz eine Spannung entstehen, doch im Dauerbetrieb fehlt die notwendige Änderung des Magnetfeldes.

Vom Induktionsversuch zum Transformator

Beim Induktionsversuch wird eine Spannung erzeugt, sobald sich der magnetische Fluss durch eine Spule ändert. Im Transformator übernimmt der Wechselstrom in der Primärspule diese fortlaufende Änderung. Der Kern koppelt beide Spulen magnetisch, obwohl sie elektrisch voneinander getrennt sein können.

Transformatorgesetze

Für einen idealen, unbelasteten Transformator gilt näherungsweise:

$\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

Das Spannungsverhältnis entspricht also dem Verhältnis der Windungszahlen.

Ist $N_{2} > N_{1}$ , wird die Spannung hochtransformiert.
Ist $N_{2} < N_{1}$ , wird die Spannung heruntertransformiert.
Ist $N_{2} = N_{1}$ , bleiben die Spannungen gleich groß.

Beispiel zur Spannung

Ein Transformator besitzt primär $N_{1} = 1150$ Windungen und sekundär $N_{2} = 60$ Windungen. Die Primärspannung beträgt $U_{1} = 230 V$ .

$U_{2} = U_{1} \cdot \frac{N_{2}}{N_{1}}$

$U_{2} = 230 V \cdot \frac{60}{1150} = 12 V$

Der Transformator setzt die Spannung von 230 V auf etwa 12 V herab.

Stromstärke und Leistung

Beim idealen Transformator bleibt die Leistung erhalten:

$P_{1} = P_{2}$

Mit $P = U \cdot I$ folgt:

$U_{1} \cdot I_{1} = U_{2} \cdot I_{2}$

Daraus ergibt sich das umgekehrte Verhältnis der Stromstärken:

$\frac{I_{1}}{I_{2}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

Wird die Spannung hochtransformiert, wird die Stromstärke entsprechend kleiner. Wird die Spannung heruntertransformiert, kann die Stromstärke größer werden. Ein Transformator erzeugt dabei keine zusätzliche Energie.

Idealer und realer Transformator

Ein idealer Transformator ist ein Modell ohne Verluste. Reale Transformatoren erwärmen sich und geben nicht die gesamte zugeführte Leistung wieder ab.

Kupferverluste: Der elektrische Widerstand der Wicklungen führt zu Wärme.
Wirbelstromverluste: Im Kern können Ströme entstehen, die den Kern erwärmen. Dünne, gegeneinander isolierte Bleche verringern diese Verluste.
Hystereseverluste: Das fortlaufende Ummagnetisieren des Kernmaterials benötigt Energie.
Streufluss: Ein Teil des magnetischen Flusses erreicht nicht die Sekundärspule.

Der Wirkungsgrad ist:

$η = \frac{P_{2}}{P_{1}}$

Bei einem realen Transformator gilt $η < 1$ . Außerdem sinkt die Sekundärspannung unter Belastung meist etwas ab.

Transformatoren im Stromnetz

Für eine elektrische Leistung gilt näherungsweise $P = U \cdot I$ . Wird dieselbe Leistung mit höherer Spannung übertragen, ist eine kleinere Stromstärke nötig. Die Wärmeverluste einer Leitung sind:

$P_{V} = I^{2} \cdot R$

Eine kleinere Stromstärke verringert die Leitungsverluste daher stark. Transformatoren erhöhen die Wechselspannung für den Ferntransport. In der Nähe der Verbraucher wird sie stufenweise wieder herabgesetzt.

Anwendungen

Anwendung	Aufgabe des Transformators
Stromnetz	Anpassung zwischen verschiedenen Spannungsebenen
Netzteil	Bereitstellung einer passenden Kleinspannung
Schutztransformator	Elektrische Trennung zweier Stromkreise
Schweißtransformator	Niedrige Spannung und sehr hohe Stromstärke
Türklingel	Herabsetzen der Netzspannung auf eine Kleinspannung
Messwandler	Anpassung hoher Spannungen oder Ströme an Messgeräte

Sicherheit

Experimente mit Transformatoren dürfen in der Schule nur mit geeigneten Kleinspannungsquellen und unter Anleitung durchgeführt werden. Arbeite niemals selbst an Netzspannung, geöffneten Netzteilen, Mikrowellentransformatoren oder Anlagen eines Umspannwerks. Auch eine kleine Ausgangsspannung kann bei sehr hoher Stromstärke starke Erwärmung verursachen.

Merksätze

Ein Transformator benötigt einen veränderlichen magnetischen Fluss.
Das Spannungsverhältnis entspricht näherungsweise dem Windungsverhältnis.
Spannung und Stromstärke werden beim idealen Transformator entgegengesetzt verändert.
Die Frequenz der Wechselspannung bleibt gleich.
Reale Transformatoren besitzen Verluste und einen Wirkungsgrad kleiner als eins.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Spannung benötigt ein gewöhnlicher Transformator für den dauerhaften Betrieb? (Wechselspannung) (!Konstante Gleichspannung) (!Nur Hochspannung) (!Nur Kleinspannung)

Welches Bauteil verbindet Primär- und Sekundärspule magnetisch? (Transformatorkern) (!Sicherung) (!Kondensator) (!Schalter)

Wie heißt die Spule auf der Eingangsseite? (Primärspule) (!Sekundärspule) (!Messspule) (!Leerspule)

Was gilt beim idealen Transformator für das Spannungsverhältnis? (Es entspricht dem Windungsverhältnis) (!Es entspricht immer eins) (!Es hängt nur vom Drahtdurchmesser ab) (!Es ist unabhängig von den Windungszahlen)

Wann wird eine Spannung hochtransformiert? (Wenn die Sekundärspule mehr Windungen besitzt) (!Wenn beide Spulen gleich viele Windungen besitzen) (!Wenn die Sekundärspule weniger Windungen besitzt) (!Wenn Gleichspannung angelegt wird)

Was geschieht beim idealen Hochtransformieren mit der Stromstärke? (Sie wird kleiner) (!Sie wird größer) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird null)

Welche Verlustleistung entsteht in einer Leitung? (I Quadrat mal R) (!U geteilt durch I) (!N mal U) (!R geteilt durch I)

Warum wird elektrische Energie mit hoher Spannung übertragen? (Weil dadurch bei gleicher Leistung die Stromstärke und die Leitungsverluste sinken) (!Weil dadurch keine Transformatoren nötig sind) (!Weil Gleichstrom grundsätzlich verboten ist) (!Weil der Leitungswiderstand vollständig verschwindet)

Welche Größe bleibt beim Transformieren unverändert? (Frequenz) (!Spannung) (!Stromstärke) (!Windungszahl)

Was beschreibt der Wirkungsgrad eines realen Transformators? (Das Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung) (!Das Verhältnis von Windungszahl zu Frequenz) (!Die Summe beider Spannungen) (!Die Länge des Eisenkerns)

Memory

Primärspule	Eingangsseite
Sekundärspule	Ausgangsseite
Eisenkern	Magnetische Kopplung
Windungsverhältnis	Spannungsverhältnis
Hochtransformieren	Größere Ausgangsspannung
Heruntertransformieren	Kleinere Ausgangsspannung
Kupferverluste	Erwärmung der Wicklungen
Wirkungsgrad	Nutzleistung durch Eingangsleistung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Primärwicklung	Eingang des Transformators
Sekundärwicklung	Ausgang des Transformators
Wechselstrom	Erzeugt einen veränderlichen magnetischen Fluss
Blechkern	Verringert Wirbelstromverluste
Hochspannung	Ermöglicht kleinere Transportströme

Kreuzworträtsel

Primärspule	Wie heißt die Wicklung auf der Eingangsseite?
Sekundärspule	Wie heißt die Wicklung auf der Ausgangsseite?
Induktion	Welcher Vorgang erzeugt die Spannung in der zweiten Spule?
Eisenkern	Welches Bauteil führt den magnetischen Fluss?
Wechselstrom	Welche Stromart erzeugt fortlaufend ein veränderliches Magnetfeld?
Wirkungsgrad	Welche Größe vergleicht Ausgangsleistung und Eingangsleistung?

LearningApps

Lückentext

Ein Transformator besteht mindestens aus einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem

. An der Eingangsseite liegt eine

an. Der dadurch entstehende veränderliche magnetische Fluss verursacht in der zweiten Spule eine

. Beim idealen Transformator entspricht das Spannungsverhältnis dem

. Besitzt die Sekundärspule mehr Windungen, wird die Spannung

. Bei gleicher Leistung führt eine höhere Spannung zu einer kleineren

. Reale Transformatoren besitzen Energieverluste und daher einen Wirkungsgrad kleiner als

. Im Stromnetz verringern hohe Spannungen die

.

Offene Aufgaben

Leicht

Transformator im Alltag: Suche fünf Geräte oder Anlagen, in denen ein Transformator vorkommt, und beschreibe jeweils seine Aufgabe.
Bauteile beschriften: Zeichne einen einfachen Transformator und beschrifte Primärspule, Sekundärspule, Kern, Eingangs- und Ausgangsspannung.
Merksatz gestalten: Entwirf ein Lernplakat mit den wichtigsten Regeln zur Spannungs- und Stromtransformation.
Medienanalyse: Erkläre anhand eines ausgewählten Bildes aus diesem aiMOOC, welche Bauteile und Energieumwandlungen erkennbar sind.

Standard

Transformatorversuch: Plane mit einer schulgeeigneten Kleinspannungsquelle einen Versuch zum Zusammenhang zwischen Windungszahl und Spannung.
Messwerttabelle: Erstelle eine Tabelle mit mehreren Windungsverhältnissen, sage die Sekundärspannung voraus und vergleiche später mit Messwerten.
Stromnetzmodell: Zeichne den Weg elektrischer Energie vom Kraftwerk bis zu einem Haushalt und markiere die Stellen, an denen transformiert wird.
Fehleranalyse: Untersuche die Aussage „Ein Transformator erzeugt beim Hochtransformieren zusätzliche Energie“ und widerlege sie mit Leistung und Stromstärke.

Schwer

Wirkungsgrad bestimmen: Entwickle eine Messmethode, mit der Eingangsleistung, Ausgangsleistung und Wirkungsgrad eines Kleintransformators bestimmt werden können.
Verlustmodell: Erstelle ein Modell, das Kupferverluste, Wirbelstromverluste, Hystereseverluste und Streufluss unterscheidet.
Energieübertragung vergleichen: Vergleiche rechnerisch die Leitungsverluste bei zwei verschiedenen Übertragungsspannungen und bewerte das Ergebnis.
Erklärvideo Transformator: Produziere ein kurzes Erklärvideo, das Aufbau, Induktion, Transformatorgesetze, Stromnetz und Sicherheit korrekt miteinander verbindet.

Lernkontrolle

Modell und Wirklichkeit: Erkläre, welche Annahmen im Modell des idealen Transformators gemacht werden und warum reale Messwerte davon abweichen.
Transfer auf das Stromnetz: Begründe mit zwei Gleichungen, weshalb Hochspannung die Energieübertragung über weite Strecken verbessert.
Unbekannter Transformator: Entwickle ein Verfahren, mit dem Du ohne Öffnen des Geräts herausfinden kannst, ob ein Kleintransformator hoch- oder heruntertransformiert.
Gleichspannungsfehler: Ein Lernender schließt einen Transformator an eine konstante Gleichspannungsquelle an. Erkläre, warum sekundär nur beim Schalten kurz eine Spannung auftreten kann und welche Gefahr besteht.
Konstruktionsentscheidung: Begründe, warum ein Transformatorkern aus dünnen, isolierten Blechen statt aus einem massiven Eisenblock aufgebaut sein kann.
Leistungsbilanz: Ein realer Transformator nimmt mehr elektrische Leistung auf, als er abgibt. Erkläre, wohin die Differenz geht und wie sie experimentell erkennbar ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du folgende Kompetenzen zeigen:

Du beschriftest den Aufbau eines Transformators fachsprachlich korrekt.
Du erklärst die Funktionsweise mithilfe von Wechselstrom, Magnetfeldänderung und Induktion.
Du wendest das Spannungs- und Stromstärkeverhältnis auf einfache Aufgaben an.
Du unterscheidest Hoch- und Heruntertransformieren.
Du erklärst Leistungserhaltung beim idealen und Verluste beim realen Transformator.
Du begründest die Rolle von Transformatoren im Stromnetz.
Du beachtest Sicherheitsregeln bei elektrischen Experimenten.

OERs zum Thema

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