PhysProf - Transformatoren - Wirkungen - Strom - Spannungsquelle

Fachthemen: Transformator - Wirkungen des elektrischen Stroms

PhysProf - Elektrotechnik - Ein Programm zur Visualisierung physikalischer Sachverhalte mittels Simulationen und 2D-Animationen für die Schule, das Abitur, das Studium sowie für Lehrer, Ingenieure und alle die sich für Physik interessieren.

Online-Hilfe für das Modul
zur Darstellung und Veranschaulichung des Wirkungsprinzips von idealen Transformatoren bzgl. Widerstand, Strom und Spannung.

Dieses Teilprogramm ermöglicht die Durchführung interaktiver Analysen zu diesem Fachthema sowie eine Untersuchung der entsprechenden physikalischen Sachverhalte.

Es unterstützt dabei ein tiefergehendes Verständnis zu diesem Themengebiet zu erlangen und kann zum Lösen vieler diesbezüglich relevanter Aufgaben eingesetzt werden.

     

Themen und Stichworte zu diesem Modul: Transformatoren - Trafo - Transformator - Idealer Transformator - Funktion - Spule - Strom - Primärspule - Sekundärspule - Primärseite - Sekundärseite - Stromstärke - Spannung - Wirkungsweise - Transformieren - Übersetzungsverhältnis - Verhältnis - Primärspannung - Sekundärspannung - Windungen - Windungszahl - n - Formeln - Primärstrom - Sekundärstrom - Windungsverhältnis - Primär - Sekundär - Sekundärwicklung - Primärwicklung - Leerlaufspannung - Wicklung - Wicklungen - Kurzschlussspannung - Kurzschluss - Kurzschließen - Funktionsweise - Elektrotechnik - E-Technik - Wirkungen - Elektrischer Strom - Wirkungen des elektrischen Stroms - Leuchtwirkung - Lichtwirkung - Wärmewirkung - Magnetische Wirkung - Chemische Wirkung - Stromwirkungen - Wärmeerzeugung - Was - Wie - Weshalb - Was ist - Warum - Bedeutung - Was bedeutet - Erklärung - Einfach erklärt - Eigenschaften - Beschreibung - Aufbau - Experiment - Grundlagen - Funktionsprinzip - Unbelasteter Transformator - Belasteter Transformator - Realer Transformator - Stromstärkeübersetzung - Spannungsübersetzung - Nennscheinleistung - Scheinleistung - Wirkungsgrad - Herleitung - Beweis - Transformatorgesetze - Begriff - Begriffe - Arbeitsblatt - Arbeitsblätter - Unterrichtsmaterial - Unterrichtsmaterialien - Lernen - Erlernen - Aufgaben - Lösungen - Abituraufgaben - Abiturvorbereitung - Abitur - Abi - Leistungskurs - LK - Klassenarbeit - Klassenarbeiten - Anwendungsaufgaben - Abbildung - Einführung - Definition - Formel - Animation - Physik - Physikalisch - Verändern - Veränderung - Ändern - Änderung - Gesetzmäßigkeiten - Rechner - Bild - Berechnen - Grafik - Berechnung - Darstellen - Grafische Darstellung

    

Modul Transformator

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Das Unterprogramm [Elektrotechnik] - [Transformator] steht zur Verfügung um das Wirkungsprinzip eines Transformators untersuchen zu können.

 
Transformator - Abbildung 1

 
Transformator - Abbildung 2

Aufbau und Wirkungsweise (Funktionsprinzip) eines Transformators:

Prinzipiell besteht ein Transformator aus zwei nebeneinander angebrachten Spulen mit gleicher oder unterschiedlicher Windungszahl, der Primärspule und der Sekundärspule. Er verfügt über eine Primärwicklung sowie eine Sekundärwicklung. Mit Hilfe eines Transformators werden Spannungen transformiert (erhöht bzw. erniedrigt).

Die Eingangsspannung eines Transformators liegt an seiner Primärseite an. Die Ausgangsspannung eines Transformators kann an seiner Sekundärseite abgegriffen werden. Eine Änderung der Eingangsspannung im Primärkreis führt auch zu einer Änderung des maximal verfügbaren Stroms im Sekundärkreis. Wird die Spannung heruntertransformiert, so steigt der maximal zur Verfügung stehende Strom im Sekundärkreis an.

Die an der Primärspule eines Trafos anliegende Spannung wird als Primärspannung bezeichnet. Die Sekundärspannung eines Transformators ist die an dessen Sekundärspule anliegende Spannung. Als Primärstrom wird der Strom bezeichnet, der durch die Primärwicklung eines Trafos fließt. Der Sekundärstrom ist der elektrische Strom der durch die Sekundärwicklung des Transformators fließt.
 

 

 
 
Idealer Transformator:
Als idealer Transformator wird ein Transformator bezeichnet, der keinerlei Energieverluste aufweist bzw. bei dem alle auftretenden Energieverluste unberücksichtigt bleiben..
 
Idealer unbelasteter Transformator:
Ein idealer Transformator (unbelasteter Transformator) verfügt in seinem Sekundärkreis über keinen Verbraucher. Es fließt kein Sekundärstrom. Wird an einem Transformator jedoch ein Widerstand im Sekundärkreis angeschlossen, so wird von einem realen (belasteten) Transformator gesprochen.

Idealer belasteter Transformator:
Unter einem idealen, belasteten Transformator wird ein Modell verstanden, bei welchem ein Sekundärstrom fließt, jedoch keine Energieverluste durch Widerstände und sonstige Einflüsse entstehen.

Realer belasteter Transformator (realer Transformator):
Bei einem belasteten realen Transformator fließt in dessen Sekundärkreis ein Sekundärstrom. In seinem Primärkreis fließt der Primärstrom. Mit zunehmender Belastung des Transformators erhöhen sich Primär- sowie Sekundärstromstärke. Die zuvor durch Formeln beschriebenen Gesetzmäßigkeiten gelten bei einem realen Transformator nur bedingt, denn auftretende Energieverluste sind hierbei nicht berücksichtigt.
 

Übersetzung - Windungen

 
Mit der Windungszahl der Primärseite wird bei einem Transformator die Anzahl der Leiterschleifen beschrieben, aus denen die Primärwicklung besteht. Die Windungszahl der Sekundärseite gibt Auskunft über die Zahl der Leiterschleifen seiner Sekundärwicklung.
 
Das Verhältnis n1/n2 der Windungszahlen eines Transformators wird als Übersetzungsverhältnis oder Windungsverhältnis bezeichnet.
 
Spannungsübersetzung - Stromübersetzung:

Für einen idealen Transformator gelten hinsichtlich der Spannungsübersetzung und der Stromstärkeübersetzung folgende Gesetze:

Spannungsübersetzung:

Beim idealen unbelasteten Transformator verhalten sich die Spannungen an den Spulen wie deren Windungszahlen. Es gilt:



Stromstärkeübersetzung:

Beim idealen unbelasteten Transformator verhalten sich die Ströme an den Spulen umgekehrt wie deren Windungszahlen. Es gilt:


 

Sonstige Grundlagen

  
Das Verhältnis der Spannungen (Primärspannung und Sekundärspannung) verhält sich in einem solchen Fall umgekehrt proportional zu den Strömen (dem Primärstrom und dem Sekundärstrom). Es gilt:


U₁,U₂: Spannung (Primärspannung und Sekundärspannung) [V]
I₁,I₂: Strom (Primärstrom und Sekundärstrom) [A]
n₁,n₂: Windungszahlen der Primär- und der Sekundärspule
 

Der Wirkungsgrad eines Transformators kann wie folgt bestimmt werden:

η = Pab / Pzu

η: Wirkungsgrad
P_ab: abgegebene Leistung [W]
P_zu: zugeführte Leistung [W]


Für die Nennscheinleistung (Scheinleistung) eines Transformators gilt bei Wechselstrom:

S_N = U₂·I₂

S_N: Nennscheinleistung [W]
U₂: Nennspannung an Ausgangsseite [V]
I₂: Nennstromstärke an Ausgangsseite [A]
 

Wicklungen: Die Gesamtheit aller Windungen eines Trafos wird als Wicklung bezeichnet.

Als Leerlaufspannung wird die Spannung angegeben, die ein Trafo an seiner Sekundärwicklung besitzt, wenn an dieser kein Lastwiderwiderstand (Verbraucher) angeschlossen ist.

Kurzschluss (Kurzschließen) eines Transformators:

Als Kurzschlussspannung wird eine Kenngröße von Transformatoren bezeichnet, die die Spannung angibt, die an der Primärwicklung eines Trafos anliegt, wenn die Sekundärwicklung dessen kurgeschlossen wird und seine Primärwicklung vom Bemessungsstrom durchflossen wird. Für sie gilt:

u_k = U_k/U_n·100%

u_k: Prozentuale Kurzschlussspannung [%]
U_k: Gemessene Kurzschlussspannung [V]
U_n: Nennspannung der Primärspule [V]
 

Programmbedienung

 
Sachverhalte zu diesem Thema können Sie analysieren, wenn Sie die Einstellungen an den dafür vorgesehenen Rollbalken ändern. Mit Hilfe des mittig angebrachen Schiebereglers können Sie das Übersetzungsverhältnis n des Gleichstromtransformators einstellen. Der linksseitig angebrachte Rollbalken ermöglicht die Festlegung der Eingangsspannung U₁ des Transformators und mit Hilfe des rechtsseitig zur Verfügung stehenden Rollbalkens kann der Widerstand R im Sekundärkreis variiert werden.
 

Wirkungen des elektrischen Stroms

 


Bei den Wirkungen des elektrischen Stroms wird unterschieden zwischen:

 - Leuchtwirkung (Lichtwirkung)
 - Wärmewirkung
 - magnetischer Wirkung
 - chemischer Wirkung

Elektrischer Strom ist eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (Elektronen oder Ionen). Wird ein elektrischer Stromkreis geschlossen, so erfolgt deren Wanderung von dessen Minuspol zum Pluspol. Hierdurch werden Kollisionen mit den Rümpfen einzelner Atome dieses Stoffes verursacht, die unter anderem eine Erhöhung der Temperatur des entsprechenden Mediums zur Folge haben. Genutzt wird diese Wärmewirkung unter anderem bei elektrischen Geräten, die zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden, wie z.B. Herd, Toaster, Fön und Bügeleisen.

Die Leuchtwirkung des elektrischen Stroms wird unter anderem zum Betrieb von Glühlampen, Leuchtstofflampen (Halogenlampen) oder LED's genutzt.

Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms wird beim Einsatz von Elektromagneten angewandt. Hierbei findet der Einsatz ferromagnetischer Stoffe bei Spulen statt, deren magnetische Kraft sich erheblich verstärken kann, wenn sie sich im Umfeld eines entsprechend gestalteten stromdurchflossenen Leites befinden.

Die chemische Wirkung des elektrischen Stroms findet unter anderem in der Galvanik sowie bei der Elektrolyse Anwendung. Mit Hilfe der Galvanik erfolgt das Beschichten von leitenden Werkstoffen mit dünnen Metallenschichten edlerer Metalle. Als Beispiele seien das Versilbern, das Verkupfern oder das Vergolden genannt. Bei der Elektrolyse erfolgt die Umwandlung eines Stoffes in einen anderen mit Hilfe des elektrischen Stroms. Hierbei wird elektrische in chemische Energie umgewandelt.
   

Transformator - Abbildung 3


Transformator - Abbildung 4
  

 
Mit Hilfe dieses Programms lassen sich unter anderem Grafiken für Arbeitsblätter zur nichtkommerziellen Nutzung für Unterrichtszwecke erstellen. Beachten Sie hierbei jedoch, dass jede Art gewerblicher Nutzung dieser Grafiken und Texte untersagt ist und dass Sie zur Verfielfältigung hiermit erstellter Arbeitsblätter und Unterrichtsmaterialien eine schriftliche Genehmigung des Autors (unseres Unternehmens) benötigen.

Diese kann von einem registrierten Kunden, der im Besitz einer gültigen Softwarelizenz für das entsprechende Programm ist, bei Bedarf unter der ausdrücklichen Schilderung des beabsichtigten Verfielfältigungszwecks sowie der Angabe der Anzahl zu verfielfältigender Exemplare für das entsprechende Arbeitsblatt unter der auf der Impressum-Seite dieses Angebots angegebenen Email-Adresse eingeholt werden. Es gelten unsere AGB.
 

  
Dieses Programm eignet sich neben seinem Einsatz als Berechnungs- bzw. Animationsprogramm zudem zum Lernen, zur Aneignung entsprechenden Fachwissens, zum Verstehen sowie zum Lösen verschiedener Aufgaben zum behandelten Fachthema. Durch seine einfache interaktive Handhabbarkeit bietet es die auch Möglichkeit der Durchführung unterschiedlicher Untersuchungen hierzu. Des Weiteren eignet es sich beim Üben dazu, um das Erlernte hinsichtlich praktizierter Übungen bzw. bearbeiteter Übungsaufgaben zu überprüfen und hierzu erworbenes Wissen festigen zu können.

Es kann sowohl zur Einführung in das entsprechende Fachthemengebiet, wie auch zur Erweiterung des bereits hierzu erlangten Fachwissens sowie als Unterstützung bei der Bearbeitung von Anwendungsaufgaben genutzt werden. Des Weiteren eignet es sich auch als Begleiter bei der Bearbeitung von Abituraufgaben sowie zur Vorbereitung auf Klassenarbeiten, zur Unterstützung bei der Abiturvorbereitung und zur Intensivierung des erforderlichen Wissens beim Abitur (Abi) im entsprechenden Leistungskurs (LK).

Mittels der anschaulichen Gestaltung und einfachen Bedienbarbarkeit einzelner Module dieser Software können Fragen zum entsprechenden Themengebiet, die mit den Worten Was ist?, Was sind?, Wie?, Wieviel?, Was bedeutet?, Weshalb?, Warum? beginnen beantwortet werden.

Eine Herleitung dient dazu, zu erklären, weshalb es zu einer Aussage kommt. Derartige Folgerungen sind unter anderem dazu nützlich, um zu verstehen, weshalb eine Formel bzw. Funktion Verwendung finden kann. Dieses Modul kann auch in diesem Fall hilfreich sein und ermöglicht es durch dessen Nutzung oftmals, einer entsprechenden Herleitung bzw. einem Beweis zu folgen, oder einen Begriff zum entsprechenden Fachthema zu erklären.

Bei Fragen deren Wörter Welche?, Welcher?, Welches?, Wodurch? bzw. Wie rechnet man? oder Wie berechnet man? sind, können zugrunde liegende Sachverhalte oftmals einfach erklärt und nachvollzogen werden. Auch liefert diese Applikation zu vielen fachthemenbezogenen Problemen eine Antwort und stellt eine diesbezüglich verständliche Beschreibung bzw. Erklärung bereit. 
 

Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Mechanik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Elektrotechnik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Optik - Kurzinfos zum Themengebiet Thermodynamik sowie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zu sonstigen Themengebieten.

 

 

Hilfreiche Informationen zu diesem Fachthema sind unter Wikipedia - Transformator zu finden.
 

 

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Lissajousche Figuren - Reihen- und Parallelschaltung - Widerstände im Wechselstromkreis - Messbrücke - Widerstandsgesetz - Kondensator Ladung - Entladung - Kondensator - Kapazitäten - Plattenkondensator - Schwingungsüberlagerung - RC-Kreis - RL-Kreis - RLC-Kreis - Resonanz - Wechselstromkreis
 

 

Unterprogramm Transformator
 

 

PhysProf 1.1 - Unterprogramm RLC-Kreis
 

MathProf 5.0 - Unterprogramm Kurven in Parameterform
 

SimPlot 1.0 - Grafik-  und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke

  

 

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