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Laborbericht
Physik

Ettlingen Eichendorff

1 , Hr. Resch, 2017

Philipp M. ©
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ID# 76811







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 außen messbares Magnetfeld.

Bei einem ferromagnetische Stoff sind die Elementarmagnete in verschiedene Richtungen ausgerichtet, können aber durch ein äußeres Magnetfeld in dieselbe Richtung ausgerichtet werden, somit verstärkt der ferromagnetische Stoff das äußere Magnetfeld.

Allerdings zeigen solche Stoffe die Tendenz ihre magnetische Ordnung nach einem äußeren Einfluss beizubehalten. Diese „Restmagnetisierung“ wird Remanenz genannt.


1.4 Widerstand einer Spule

Wenn in na eine Spule Wechselspannung angeschlossen wird, ist der Widerstand deutlich größer als mit Gleichspannung. Das liegt daran, dass zu dem ohmschen Widerstand noch der induktive Widerstand hinzukommt.

Ursache dafür ist die Selbstinduktion. Denn die durch Wechselspannung entstehende Induktionsspannung ist nach dem Lenzschen Gesetz so gerichtet, die ursprüngliche Stromstärke zu schwächen.

Da dabei aber, wie beim ohmschen Widerstand, keine Energie umgesetzt wird, bezeichnet man den induktiven Widerstand auch als Blindwiderstand.


2. VERSUCHSREIHEN

2.1 Gesetzmäßigkeiten eines Transformators

2.1.1 Versuchsdurchführung


Aufgabenstellung: Überprüfen Sie inwieweit der Experimentier-Transformator die Gesetzmäßigkeiten eines Transformators erfüllt.

Versuchsaufbau:


Abb.3

Bei dieser Schaltung haben wir an der Primärspule eine Wechselspannung mit Ueff=6,3V=konstant angeschlossen.

Dabei haben wir die Windungszahl der Sekundärspule mehrmals verändert und bei der Primärspule konstant zu halten, um das Transformatorgesetz

zu überprüfen.


Messergebnisse:

Wicklungsverhältnis

2 (600:300)

1 (600:600)

0,5 (600:1200)

Primarspannung

6,3V

6,3V


6,3V


Gemessene Sekundärspannung

2,8V


5,8V

12V


Zu erwartende Sekundärspannung

3,15V


6,3V

12,6V

Hierzu haben wir mithilfe der oben genannten Formel die zu erwartende Sekundärspannung wie folgt berechnet:

Nach U2 auflösen:

Einsetzen:

Für alle anderen Werte:

2.1.2 Versuchsauswertung

Die Prozentuale Differenz zu den errechneten Werten liegt bei ca. 5%-11,1%.

Auf den ersten Blick mögen diese Werte ziemlich ungenau erscheinen, allerding muss dabei auch die Messungenauigkeit berücksichtigt werden, da während des Versuchs mit analogen Messgeräten gemessen wurde und dabei z.B. durch Parallaxe, also die scheinbare Verschiebung des Zeigers, je nach Standpunkt, Messfehler entstehen können, die jedoch nicht auf die Qualität des Transformators schließen lassen.


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.

Messergebnisse:

Anzahl der Lampen

Upri

Ipri

Usek

Isek

1

6,4V

66mA

5V

54mA

2

6,4V

48mA

5,4V

36mA

3

6,4V

45mA

5,4V

33mA

Berechnung der Wirkungsgrade:

1 Lampe:

2 Lampen:

3 Lampen:


2.1.2 Versuchsauswertung

Bei diesem Versuch treten mehrere Arten von Verlusten auf.

Hier ist ρ der spezifische Widerstand, l die Leiterlänge und A der Leiterquerschnitt.

Da der spezifische Widerstand materialabhängig ist, kann dieser nicht weiter gesenkt werden. Auch die Leiterlänge ist durch die Anzahl der Windungen vorgegeben. Allerdings kann bei der Produktion der Leiterquerschnitt in einem gewissen Maße erhöht werden um dadurch den Gesamtwiderstand zu senken.

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.

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.

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


2.3 Abhängigkeit des Abstands der Eisenoberfläche zur induzierten Spannung

2.3.1 Versuchsdurchführung


Aufgabenstellung: Wie ändert sich die induzierte Spannung, wenn man den Eisenkern in die Nähe eines Eisenblechs bringt? Untersuchen Sie die Abhängigkeit der induzierten Spannung vom Abstand von der Eisenoberfläche.

Eichen Sie das Gerät so, dass man damit die Anzahl von Papierschichten messen kann.

Versuchsaufbau:


Abb.5


Da bei diesem Versuch der Aufbau schon durch eine Skizze (Abb.3) gegeben war, haben wir diese auch so nachgebaut.

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.

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 und hohe Primärspannung.


3. SCHLUSS

3.1 Fazit

Durch diese Versuche und die damit verbundenen Recherchen zu dem Großthema „Transformator“ geben, wie wir finden, einen sehr guten Einblick in den realen Einsatz von Transformatoren. Damit meinen wir, dass im Unterricht, wegen Zeitgründen und des vermutlich zu großen Aufwands, immer nur mit idealen Objekten, in diesem Fall ein Transformator ohne Verluste, gerechnet wird.

Dass dabei aber große Verluste entstehen und wie diese bereits während der Produktion durch Anpassung des Kabels und des Eisenkerns, zur Minimierung der Verluste, berücksichtigt werden, wird bei diesem Thema häufig nicht erwähnt.


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

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-J1): Transformator



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