Der Transformator: Unterschied zwischen den Versionen
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Die Primärspule hat 500 Windungen und ist über einen Schalter direkt an die Netzspannung ("Steckdose") angeschlossen. Die Sekundärspule hat 23000 Windungen. An die Sekundärspule sind zwei aufrecht stehende Drähte angeschlossen, die unten einen kleinen Abstand von ca. 2cm haben und nach oben hin auseinanderlaufen. | Die Primärspule hat 500 Windungen und ist über einen Schalter direkt an die Netzspannung ("Steckdose") angeschlossen. Die Sekundärspule hat 23000 Windungen. An die Sekundärspule sind zwei aufrecht stehende Drähte angeschlossen, die unten einen kleinen Abstand von ca. 2cm haben und nach oben hin auseinanderlaufen. | ||
:a) Der Schalter wird umgelegt. Mit einem Glasstab werden die Drähte vorsichtig am unteren Ende näher aneinandergedrückt. Nach der Beobachtung wird wieder ausgeschaltet. | :a) Der Schalter wird umgelegt. Mit einem Glasstab werden die Drähte vorsichtig am unteren Ende näher aneinandergedrückt. Nach der Beobachtung wird wieder ausgeschaltet. | ||
| − | :b) Im ausgeschalteten Zustand werden die Drähte wieder auf einen Abstand von ca. 2cm auseinandergedrückt und der Trafo erneut eingeschaltet. Danach wird eine Flamme (oder eine | + | :b) Im ausgeschalteten Zustand werden die Drähte wieder auf einen Abstand von ca. 2cm auseinandergedrückt und der Trafo erneut eingeschaltet. Danach wird eine Flamme (oder eine radioaktive Quelle) unter die engste Stelle der Drähte gehalten. <br style="clear: both" /> |
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:a) Nach dem Einschalten hört man ein Brummen. Werden die Drähte näher aneinandergedrückt, entsteht ein Lichtbogen am unteren Ende der Drähte. Der Lichtbogen wandert nach oben und wird immer länger. Bei einer bestimmten Höhe verschwindet der Lichtbogen und am unteren Ende entsteht ein neuer Lichtbogen. | :a) Nach dem Einschalten hört man ein Brummen. Werden die Drähte näher aneinandergedrückt, entsteht ein Lichtbogen am unteren Ende der Drähte. Der Lichtbogen wandert nach oben und wird immer länger. Bei einer bestimmten Höhe verschwindet der Lichtbogen und am unteren Ende entsteht ein neuer Lichtbogen. | ||
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An der Primärspule liegt eine Wechselspannung mit einer Spannung von effektiven <math>230 \,\rm V</math> und einer Frequenz von <math>50\,\rm Hz</math> an. | An der Primärspule liegt eine Wechselspannung mit einer Spannung von effektiven <math>230 \,\rm V</math> und einer Frequenz von <math>50\,\rm Hz</math> an. | ||
| − | + | Das entstehende Magnetfeld drückt oder zieht an den Teilen des Eisenkerns oder der Spule in einem Rythmus von 50Hz. Dadurch entsteht das Brummen. | |
Die Sekundärspule hat wesentlich mehr Windungen als die Primärspule, dementsprechend entsteht an der Sekundärspule eine sehr hohe Spannung: | Die Sekundärspule hat wesentlich mehr Windungen als die Primärspule, dementsprechend entsteht an der Sekundärspule eine sehr hohe Spannung: | ||
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E = \frac{U}{d}= \frac{10580\,\rm V}{0{,}01\,\rm m} = 1058000\,\rm \frac{V}{m}= 1{,}058\,\rm \frac{kV}{mm} | E = \frac{U}{d}= \frac{10580\,\rm V}{0{,}01\,\rm m} = 1058000\,\rm \frac{V}{m}= 1{,}058\,\rm \frac{kV}{mm} | ||
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| − | Diese Feldstärke reicht aus, um Luft leitfähig zu machen. Man sagt, ihre "Durchschlagsfestigkeit" ist überschritten. <br>Dies geschieht, indem in der Luft vorhandene Ionen durch das elektrische Feld beschleunigt werden und so neue Moleküle ionisieren, welche wiederum beschleunigt werden. Durch diese Kettenreaktion entsteht eine "Ionisationslawine". Ist ein | + | Diese Feldstärke reicht aus, um Luft leitfähig zu machen. Man sagt, ihre "Durchschlagsfestigkeit" ist überschritten. <br>Dies geschieht, indem in der Luft vorhandene Ionen durch das elektrische Feld beschleunigt werden und so neue Moleküle ionisieren, welche wiederum beschleunigt werden. Durch diese Kettenreaktion entsteht eine "Ionisationslawine". Ist ein durchgängiger Bereich zwischen den Drähten ionisiert, fließt ein immer stärker werdender Strom von Ionen, die schließlich dazu führen, dass eine Vielzahl von Atomen der Luft ionisiert sind. Ein "Plasma" ist enstanden. Die ionisierten Atome, aber vor allem die Elektronen des Plasmas, sind leicht beweglich und so fließt ein großer Teilchenstrom zwischen den Drähten. |
Die Elektronenhüllen der Atome werden durch die Zusammenstöße auf höhere Niveaus gebracht. "Fallen" diese in niedrigere Niveaus zurück, so senden sie Licht aus. | Die Elektronenhüllen der Atome werden durch die Zusammenstöße auf höhere Niveaus gebracht. "Fallen" diese in niedrigere Niveaus zurück, so senden sie Licht aus. | ||
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Das heiße Plasma erhitzt auch die umgebende Luft und so steigt der Lichtbogen mit der erwärmten weniger dichten Luft nach oben auf. | Das heiße Plasma erhitzt auch die umgebende Luft und so steigt der Lichtbogen mit der erwärmten weniger dichten Luft nach oben auf. | ||
| − | Die elektrische Feldstärke zwischen den Drähten nimmt nach oben hin durch den immer größeren Abstand ab. | + | Die elektrische Feldstärke zwischen den Drähten nimmt nach oben hin durch den immer größeren Abstand ab. Irgendwann reicht die Feldstärke nicht mehr aus, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten und er erlischt. |
Erst nachdem der Lichtbogen am oberen Ende der Drähte erloschen ist, entsteht am unteren Ende ein neuer Lichtbogen. Das liegt an der Veränderung des elektrischen Widerstands der Luft durch den Lichtbogen. Ohne Lichtbogen ist der Widerstand groß und es fallen fast die kompletten 10580 V an den Drähten ab und die Feldstärke ist hoch. Der Lichtbogen hat einen kleineren Widerstand und so verringert sich die Spannung zwischen den Drähten und die Feldstärke ist zu gering, um einen zweiten Lichtbogen zu erzeugen. | Erst nachdem der Lichtbogen am oberen Ende der Drähte erloschen ist, entsteht am unteren Ende ein neuer Lichtbogen. Das liegt an der Veränderung des elektrischen Widerstands der Luft durch den Lichtbogen. Ohne Lichtbogen ist der Widerstand groß und es fallen fast die kompletten 10580 V an den Drähten ab und die Feldstärke ist hoch. Der Lichtbogen hat einen kleineren Widerstand und so verringert sich die Spannung zwischen den Drähten und die Feldstärke ist zu gering, um einen zweiten Lichtbogen zu erzeugen. | ||
Aktuelle Version vom 21. Mai 2026, 16:31 Uhr
(Kursstufe > Elektro-Magnetismus)
Inhaltsverzeichnis
Versuche
Das Prinzip des Transformators
- Aufbau
Ein selbstgebauter Trafo.
Verschiedene Spulen für den Trafo.
- Beobachtung
- Erklärung
Die Netzspannung hat eine Effektivspannung von 230 Volt. Die Windungsanzahl ander Sekundärspule ist um eine vielfaches größer als an der Primärspule,
Ein Hochspannungstransformator
- Aufbau
Die Primärspule hat 500 Windungen und ist über einen Schalter direkt an die Netzspannung ("Steckdose") angeschlossen. Die Sekundärspule hat 23000 Windungen. An die Sekundärspule sind zwei aufrecht stehende Drähte angeschlossen, die unten einen kleinen Abstand von ca. 2cm haben und nach oben hin auseinanderlaufen.
- a) Der Schalter wird umgelegt. Mit einem Glasstab werden die Drähte vorsichtig am unteren Ende näher aneinandergedrückt. Nach der Beobachtung wird wieder ausgeschaltet.
- b) Im ausgeschalteten Zustand werden die Drähte wieder auf einen Abstand von ca. 2cm auseinandergedrückt und der Trafo erneut eingeschaltet. Danach wird eine Flamme (oder eine radioaktive Quelle) unter die engste Stelle der Drähte gehalten.
- Beobachtung
- a) Nach dem Einschalten hört man ein Brummen. Werden die Drähte näher aneinandergedrückt, entsteht ein Lichtbogen am unteren Ende der Drähte. Der Lichtbogen wandert nach oben und wird immer länger. Bei einer bestimmten Höhe verschwindet der Lichtbogen und am unteren Ende entsteht ein neuer Lichtbogen.
- b) Bei einer Lücke von 2cm entsteht kein Lichtbogen mehr. Hält man eine Flamme (oder das radioaktive Präparat) in die Lücke, so entsteht wieder ein Lichtbogen, der nach oben wandert und wieder verschwindet. Ohne die Flamme entsteht kein neuer Lichtbogen.
Die große elektrische Feldstärke erzeugt einen Lichtbogen.
Die Ionisierung der Luft kann durch eine Flamme unterstützt werden.
- Erklärung
An der Primärspule liegt eine Wechselspannung mit einer Spannung von effektiven [math]230 \,\rm V[/math] und einer Frequenz von [math]50\,\rm Hz[/math] an.
Das entstehende Magnetfeld drückt oder zieht an den Teilen des Eisenkerns oder der Spule in einem Rythmus von 50Hz. Dadurch entsteht das Brummen.
Die Sekundärspule hat wesentlich mehr Windungen als die Primärspule, dementsprechend entsteht an der Sekundärspule eine sehr hohe Spannung:
- [math] \begin{align} \frac{U_1}{n_1} &= \frac{U_2}{n_2} \\ \frac{230 \,\rm V}{500} &= \frac{U_2}{23000} &&| \cdot 23000\\ \frac{230 \,\rm V}{500} \cdot 23000 &= U_2\\ 10580 \,\rm V &= U_2\\ \end{align} [/math]
Durch diese hohe Spannung entsteht zwischen den Drähten ein elektrisches (Wechsel-)Feld, dass vor allem im Bereich der nahe aneinander stehenden Drähte eine hohe Feldstärke hat. Bei einem Abstand von 1cm sind das:
- [math] E = \frac{U}{d}= \frac{10580\,\rm V}{0{,}01\,\rm m} = 1058000\,\rm \frac{V}{m}= 1{,}058\,\rm \frac{kV}{mm} [/math]
Diese Feldstärke reicht aus, um Luft leitfähig zu machen. Man sagt, ihre "Durchschlagsfestigkeit" ist überschritten.
Dies geschieht, indem in der Luft vorhandene Ionen durch das elektrische Feld beschleunigt werden und so neue Moleküle ionisieren, welche wiederum beschleunigt werden. Durch diese Kettenreaktion entsteht eine "Ionisationslawine". Ist ein durchgängiger Bereich zwischen den Drähten ionisiert, fließt ein immer stärker werdender Strom von Ionen, die schließlich dazu führen, dass eine Vielzahl von Atomen der Luft ionisiert sind. Ein "Plasma" ist enstanden. Die ionisierten Atome, aber vor allem die Elektronen des Plasmas, sind leicht beweglich und so fließt ein großer Teilchenstrom zwischen den Drähten.
Die Elektronenhüllen der Atome werden durch die Zusammenstöße auf höhere Niveaus gebracht. "Fallen" diese in niedrigere Niveaus zurück, so senden sie Licht aus.
Das heiße Plasma erhitzt auch die umgebende Luft und so steigt der Lichtbogen mit der erwärmten weniger dichten Luft nach oben auf.
Die elektrische Feldstärke zwischen den Drähten nimmt nach oben hin durch den immer größeren Abstand ab. Irgendwann reicht die Feldstärke nicht mehr aus, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten und er erlischt.
Erst nachdem der Lichtbogen am oberen Ende der Drähte erloschen ist, entsteht am unteren Ende ein neuer Lichtbogen. Das liegt an der Veränderung des elektrischen Widerstands der Luft durch den Lichtbogen. Ohne Lichtbogen ist der Widerstand groß und es fallen fast die kompletten 10580 V an den Drähten ab und die Feldstärke ist hoch. Der Lichtbogen hat einen kleineren Widerstand und so verringert sich die Spannung zwischen den Drähten und die Feldstärke ist zu gering, um einen zweiten Lichtbogen zu erzeugen.
Ein Schweissgerät
[[Datei:
- Aufbau
Bild:Transformator_Schweissen.jpg|Beim Elektroschweissen benötigt man eine große Stromstärke an der Sekundärspule|thumb]]
- Beobachtung
- Erklärung
Ein selbstgebauter Trafo.
Verschiedene Spulen für den Trafo.
Hochspannung an der Sekundärspule.
Die große elektrische Feldstärke erzeugt einen Lichtbogen.
Die Ionisierung der Luft kann durch eine Flamme unterstützt werden.
Beim Elektroschweissen benötigt man eine große Stromstärke an der Sekundärspule
