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Lab Report
Physics

University, School

Ettlingen Eichendorff

Grade, Teacher, Year

1 , Hr. Resch, 2017

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Text by Holger N. ©
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Praktikum: Der Transformator

Darstellung und Auswertung der Ergebnisse


Leistungskurs Physik

26.04.18-03.05.18


INHALTSVERZEICHNIS


1. EINFÜHRUNG IN DIE THEMEN 3

1.1 Sinusförmige Wechselspannung 3

1.2 Der Transformator 4

1.3 Ferromagnetismus 4

1.4 Widerstand einer Spule 4

2. VERSUCHSREIHEN 5

2.1 Gesetzmäßigkeiten eines Transformators 5

2.1.1 Versuchsdurchführung 5

2.1.2 Versuchsauswertung 7

2.2 Wirkungsgrad des Transformators 7

2.2.1 Versuchsdurchführung 7

2.1.2 Versuchsauswertung 8

2.3 Abhängigkeit des Abstands der Eisenoberfläche zur induzierten Spannung 9

2.3.1 Versuchsdurchführung 9

2.3.2 Versuchsauswertung 10

3. SCHLUSS 11

3.1 Fazit 11

3.1 Ausblick 11

4. LITERATURVERZEICHNIS 12

4.1 Textquellen 12

4.2 Abbildungsquellen 12


1. EINFÜHRUNG IN DIE THEMEN

1.1 Sinusförmige Wechselspannung

Bei der Wechselspannung ist die Spannung U bzw. die Stromstärke I abhängig von der Zeit t.

Das liegt daran, dass Wechselspannungen erzeugt werden ,indem eine Leiterschleife in einem Magnetfeld gedreht wird und so eine sogenannte Sinusspannung bilden (siehe Abb. 1).


Abb.1 Sinusförmige Wechselspannung


Dabei wird in die sich zeitlich ändernde Spannung U(t) (der Funktionswert) und in û, den Maximalwert der Spannung, unterschieden.

1.2 Der Transformator

Ein Transformator (lat. transformare= umwandeln) ist ein elektrisches Gerät, welches zur Erhöhung oder zur Herabsetzung der Spannung dient.

Ein Transformator besteht dabei aus einer Primärspule und einer Sekundärspule, welche galvanisch getrennt sind (siehe Abb. 2).

Des Weiteren besitzt ein Transformator einen Eisenkern zwischen den beiden Spulen um das von der Primärspule erzeugte Magnetfeld nahezu vollständig durch die Sekundärspule zu leiten.

Abb.2 Aufbau eines Transformators

Wenn an die Primärspule eine sinusförmige Wechselspannung angeschlossen wird ändert sich der magnetische Fluss durch die Sekundärspule dauerhaft und es wird eine Spannung an der Sekundärspule induziert.

Dabei ist die Sekundärspannung abhängig vom Wicklungsverhältnisund von der Primärspannung.


1.3 Ferromagnetismus

Der Ferromagnetismus kann mithilfe des Elementarmagnet-Modell erklärt werden. In diesem Modell stellt man sich magnetische bzw. ferromagnetische Stoffe vor, welche wiederum winzige Magnete/Dipole, die Elementarmagnete, enthalten. Diese sind in einem Permanentmagneten alle in dieselbe Richtung ausgerichtet, so bildet die Summe ihrer Magnetfelder ein au.....[read full text]

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Trotz dieser Messfehler können wir nach unserem Versuch sagen, dass der Experimentier-Transformator, vor allem in höheren Spannungsbereichen, die Gesetzmäßigkeiten eines Transformators erfüllt, allerdings muss mit Fehlern gerechnet werden.




2.2 Wirkungsgrad des Transformators

2.2.1 Versuchsdurchführung


Aufgabenstellung: Bestimmen Sie bei verschiedenen Belastungen des Transformators jeweils dessen Wirkungsgrad. Bestimmen Sie dabei an welcher Stelle des Transformators welcher Verlust auftritt.

Versuchsaufbau:


Abb.4

Bei diesem Versuch haben wir an Primär- und Sekundärseite je die Stromstärke und die Spannung gemessen, um aus dessen Produkt die jeweilige Leistung zu messen.

Die Windungszahlen haben wir konstant bei n1=n2=600 gehalten.

Dabei haben wir einmal eine Lampe, dann zwei, dann drei Lampen an der Sekundärseite in Reihe geschaltet um den Transformator verschiedenen Belastungen auszusetzen.

Durch die Leistungen Ppri und Psek haben wir dann den Wirkungsgrad η=berechnet.

Messe.....

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Des Weiteren treten Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Eisenkern auf. Da nicht nur in der Sekundärspule, sondern auch im Eisenkern Spannung induziert wird, welche als kreisförmige Ströme auftreten, muss diese Induktionsspannung im Eisenkern möglichst klein gehalten werden.

Dazu wird der Eisenkern nicht aus einem massiven Block, sondern aus mehreren Blechen hergestellt, die zueinander isoliert sind.

Die Hystereseverluste treten auf, da durch die ständige Umpolung des Magnetfeldes, auch die Elementarmagnete ständig ihre Richtung ändern müssen. Dabei treten Verluste, ähnlich wie bei Reibung, auf, welche den Eisenkern erwärmen. Um diese zu minimieren wird Weicheisen als Material gewählt, welches weniger Energie für die Umpolung des Magnetfeldes benötigt.

Außerdem wirkt der induzierte Strom nach dem Lenzschen Gesetz seiner Ursache entgegen, somit ist der magnetische Fluss der Sekundärspule, dem der Primärspule entgegengerichtet, dadurch wird der magnetische Fluss der Primärspule zum Teil aus der Sekundärspule verdrängt; es entsteht ein Streufluss.

Für eine genaue Bestimmung der Verluste kann die Formelbenutzt werden um den Widerstand zu bestimmen und damit den Verlust durch diesen. Der restliche Verlust ist dann auf die Verluste im Eisenkern zurückzuführen. Allerdings fehlt uns zu dieser Rechnung die Eigeninduktivität L der Spule.

Wenn man nun aber L hätte könnte man den Scheinwiderstand Z berechnen und anschließend mit der Formeldie Verlustleistung durch den Widerstand.





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Um möglichst genau arbeiten zu können, wählten wir die Windungszahlen mit n1=300 und n2=1200, um eine möglichst große Spannungsänderung zu erreichen, sobald sich der Abstand ändert.

Die Primärspannung veränderten wir nicht und ließen sie konstant bei Upri=6,4V.

Messergebnisse:

Anzahl Papierschichten

Upri

Usek

0 (Eisenblech auf Eisenkern)

6,4V

24V

3

6,4V

22,5V

6

6,4V

21,5V

12

6,4V

20V

24

6,4V

17,5V

48

6,4V

15V

Ohne Eisenblech

6,4V

10V

2.3.2 Versuchsauswertung

Leider gab es bei diesem Versuch Schwierigkeiten, da trotz dem kleinen Windungsverhältnis von 0,25, die Spannungsunterschiede zu klein waren, um jede einzelne Papierschicht zu messen.

Deshalb haben wir in unserer Messreihe die Anzahl der Papierschichten jedes Mal verdoppelt, um dadurch etwas genauere Werte zu erhalten.

Wir stellten dabei fest, dass die induzierte Spannung bei jeder Verdopplung um ca. 1-2,5V abnahm.

Zur weiteren Verbesserung und Präzisionsmessung sollte das Windungsverhältnis noch weiter verringert werden und die Primärspannung erhöht, damit selbst bei geringen Änderungen des Abstands, deutliche Spannungsunterschiede an der Sekundärspule festzustellen sind.

Aufgrund unseres jetzigen Wissensstands können wir sagen, dass diese Messmethode nicht für genaue Messungen geeignet ist, außer man hat einen Transformator mit hohem Wirkungsgrad und wie eben genannt ein geringes Windungsverhältnis .....

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Vor allem, weil der Transformator auch im Haushalt nicht mehr wegzudenken ist, da er in vielen technischen Geräten, z.B. in Netzteilen von Handys, verbaut ist. Des Weiteren findet er große Nutzung bei der Übertragung von Stromüber große Strecken, da dabei bei niedriger Spannung hohe Leistungsverluste entstehen, da die Verluste vom Strom abhängig sind.

Deshalb wird die Spannung hochtransformiert, da dadurch nach der Formelfolgt, dass die Stromstärke sinkt und so die Verlustleistung mitquadratisch sinkt.



4. LITERATURVERZEICHNIS

4.1 Textquellen

Alexander von Weiss: Die elektromagnetischen Felder: Einführung in die Feldtheorie und ihre Anwendung

Germar Müller; Bernd Ponick: Grundlagen elektrischer Maschinen; 2014

Grehn, Joachim; Krause, Joachim: Metzler Physik; 2007

Wilfried Weißgerber: Elektrotechnik für Ingenieure - 2: Wechselstromtechnik, Ortskurven, Transformator, Mehrphasensysteme; 2015

aufgerufen: 22.05.18 11:24 Uhr

aufgerufen: 25.04.18 18:23 Uhr

aufgerufen: 23.05.18 13:14 Uhr

4.2 Abbildungsquellen

Abb.1:

Abb.2:

Abb. 3:

Abb. 4:

Eigenzeichnung

Abb.5:

Hr. Resch: Praktikum (Ph-Kurs-.....


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