Trafo

Elektromagnet

Funtionsweise des Elektromagneten

Ein Elektromagnet besteht aus einer Spule, in der sich bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld bildet. Die Spule besteht aus einem Draht und ist um einen meist offenen Eisenkern gewickelt, der das Magnetfeld verstärkt.

Zunächst liegen die Elementarmagnete im Eisen regellos durcheinander, ihre magnetische Wirkung hebt sich nach außen auf. Nach dem Einschalten des Spulenstroms richten sich die Elementarmagnete - aufgrund der magnetischen Wirkung der Spule - aus. Nun "addieren" sich ihre magnetischen Wirkungen und verstärken diejenige der Spule.

Es entsteht ein Magnetfeld.

Das Magnetfeld wird in Feldlinien dargestellt, die die Flussrichtung des Magnetfeldes anzeigen.

Die Feldlinien des Magnetfeldes treten am Nordpol des Elektromagneten aus dem Eisenkern aus, strömen am Südpol wieder hinein und laufen innerhalb des Magneten wieder zum Nordpol.

Die Stärke des Magnetfeldes nimmt mitzunehmendem Abstand zum Magneten ab.

Die Geschwindigkeit (in Betrag und Richtung), sowie die Größe (Betrag und Vorzeichen) der bewegten Ladungen bestimmen die Stärke und Richtung der magnetischen Kräfte.

Geschichte des Elektromagneten

1820 entdeckte Hans Christian Oersted mit einem Kompass die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes.

Noch im selben Jahr bemerkte Francois Arago die Magnetisierung von Eisen (Stahlnadeln) durch einen von Strom durchflossenen Leiter.

Vier Jahre später führte er ein Experiment durch, bei dem eine frei rotierbare Magnetnadel über einer rotierenden Kupferscheibe schwebt und durch die Rotation der Scheibe ebenfalls in Bewegung gesetzt wird.

Michael Faraday wies einige Jahre später nach, dass es sich hierbei um die Induktion handelt.

Allerdings dauerte es noch fünf Jahre, bis der erste brauchbare Elektro-Magnet konstruiert wurde.

Die Spulen verhielten sich zwar grundsätzlich wie Magnete, wiesen aber ohne einen festen Eisenkern keine Tragkraft auf.

Der Engländer William Sturgeon war der erste der 1825 die durch Elektrizität hervorgerufenen Magnete in Hufeisenform beschrieben hat.

Den Eisenbügel mit Kupferdraht umwunden, konnte ein solcher Magnet bei Stromeinspeisung schwere Eisenstangen tragen; ohne Strom fiel das Gewicht augenblicklich ab.

Es handelte sich um eine folgenschwere Erfindung.

Denn jetzt war auch der Weg zur praktischen Anwendung des Elektro-Magnetismus frei.

In Deutschland wurde 1828 der erste Elektro-Magnet in Berlin von Georg Friedrich Pohl vorgeführt. Die Tragkraft lag bei etwa 5 kg.

Die ersten Elektro-Magnete von größerer Tragkraft, 65 kg, baute 1828 Gerard Moll in Utrecht.

Um 1830 stieg die Kraft der Magnete von Sturgeon auf 200 kg, und in Albany, USA, gelang es Joseph Henry und Ten Eyck, elektrische Hufeisenmagnete für Lasten bis zu 500 kg herzustellen.

Die Tragkraft der Elektro-Magnete übertraf nun die Kraft sowohl der größten Naturmagnete (100 kg) als auch der leistungsstärksten künstlichen Magnete (125 kg).

Allerdings wirkten die Elektro-Magnete nur, solange der Strom eingeschaltet war.

Nutzung von Elektromagneten

Elektromagneten werden in vielen Bereichen verwendet sowohl im Alltag als auch in besonderen Einrichtungen. Elektromagnete werden z.B. verwendet als:

• Türöffner-Magnet, Magnete in Summern und Tür-Gongs
• Zugmagnete, Schubmagnete
• Hubmagnete (Magnetkran in Stahlwerken)
• Magnete, um Weichen von Schienenfahrzeugen zu stellen
• Erregerfeld-Erzeugung in Elektromotoren (z. B. Staubsauger) und Generatoren (Kfz-Lichtmaschiene, Kraftwerk)
• Separatoren zur Stofftrennung „ferromagnetisch“ / „nicht ferromagnetisch“ (Magnetscheider, z. B. zur Müllsortierung)
• Ablenkmagnete in Teilchenbeschleunigern für geladene Teilchenstrahlen
• Ablenkspulen- und Fokussiermagnete (Elektronenmikroskop, Elektronenstrahlschweißen, Bildröhren)

Trafo (Transformator)

Aufbau

Ein Transformator ist eine Anlage der Elektrotechnik.

Er besteht aus einem Eisenkern (ein magnetischer Kreis sobald der Strom eingeschaltet ist). Der Eisenkern steckt in zwei verschiedenen Spulen. Diese haben in der Regel eine unterschiedliche Windungszahl, um eine Umwandlung des Stroms (z.B höhere Spannung) zu ermöglichen.

Die der elektrischen Energiequelle zugewandte Seite (Spule) wird als Primärseite bezeichnet, die andere Seite (Spule) als Sekundärseite. Der eingehende Strom in der Primärseite erzeugt ein verändertes magnetisches Feld, das wiederum in der Sekundärseite Wechselstrom erzeugt.

Hier ein eigens im Unterricht gebauter Trafo:

Funktionsweise

Eine an die erste Spule („Primärspule“) im Primärstromkreis angelegte Wechselspannung erzeugt dem Induktionsgesetz folgend ein veränderliches Magnetfeld im Kern.

Dieses Feld durchsetzt die zweite Spule („Sekundärspule“) in einem zweiten Stromkreis und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung („Sekundärspannung“). Da Funktionsweise der Induktion auf Wechselspannung beruht, kann auch ein Transformator nur mit Wechselspannung funktionieren.

Eine primäre Wechselspannung wird dabei mit Hilfe des magnetischen Wechselfeldes in eine zu ihr proportionale sekundäre Spannung transformiert, wobei das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung (im Idealfall) gleich dem Windungszahlverhältnis der beiden Spulen ist. Dies kann man auch in einer Formel darstellen: Up:Us = Np:Ns

Up steht für die Spannung der Primärspule, Us für die Spannung der Sekundärspule

Np steht für die Zahl der Windungen der Primärspule, Ns für die der Sekundärspule

Hat also die Sekundärwindung doppelt so viele Windungen wie die Primärspannung, ist ihre Spannung ebenfalls doppelt so hoch. Diese Gegebenheit nutzt man, um die Spannung eines Stroms zu vergrößern oder zu verkleinern (siehe Nutzung). Hier eine Simulation, die das Verhältnis zwischen U und N verdeutlicht: [1]

Bei einem Trafo wird nicht nur die Spannung verändert, sondern auch die Stromstärke. Um den Strom auf langen Strecken zu transportieren, wird die Spannung erhöht. Dies geschieht, weil die sich dann die Stromstärke verringert. Wieso das nötig ist, um den Strom in Hochspannungsleitungen transportieren zu können, kann man in Der Weg des Stroms nachlesen.

In der Praxis ist das Verhältnis zwischen Windungen und Spannung der Primär- und Sekundärspule jedoch nicht proportional, da durch den Widerstand der beiden Spulen Energie verloren geht.

Entgegen einer weitverbreiteten Vorstellung findet die Energieübertragung beim Transformator nicht über den Transformatorkern selbst, sondern über das elektromagnetische Feld im umgebenden Medium statt.

Der Kern lenkt die Ausbildung des Magnetfeldes und darüber die Energieausbreitung, er enthält die Energie aber nicht selbst.

Nutzung

Hauptanwendungsgebiet von Transformatoren ist daher die Erhöhung beziehungsweise die Reduktion von Wechselspannungen.

Für die Stromversorgung sind sie unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels Hochspannungsleitungen über weite Entfernungen wirtschaftlich sinnvoll transportiert werden kann, der Betrieb von Elektrogeräten aber nur mit Niederspannung praktikabel ist.

Netztransformatoren befinden sich in nahezu allen Elektronikgeräten, bei denen die Betriebsspannung von der Netzspannung verschieden ist. Dort heißen sie dann Kleintransformatoren oder Netztransformatoren.

In der Signalverarbeitung/-übertragung und der Tontechnik kommen spezielle Transformatoren zum Einsatz, die nicht auf möglichst verlustarme Leistungsübertragung, sondern auf möglichst ungestörte Signalweitergabe optimiert sind.

Geschichte

Obwohl das Induktionsprinzip seit den Entdeckungen Michael Faradays von 1831 bekannt war, wurde der Transformator erst 50 Jahre später entwickelt. Lucien Gaulard und John Gibbs bauten 1881 den ersten Transformator in London.

Die Ungarn Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy bekamen 1885 das Patent für den Transformator.

Dieser war mechanisch nach dem umgekehrten Prinzip der heutigen Transformatoren aufgebaut; die Leiterspulen waren um einen soliden Kern aus unmagnetischem Material gewunden, darüber wurden dicke Eisendraht-Lagen gelegt, die eine ferromagnetische Schale bildeten.

Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der Amerikaner George Westinghouse.

Er erkannte die Nachteile von Thomas A. Edisons Gleichstrom-Energieverteilung und setzte vorrangig auf Wechselstrom.

1885 importierte Westinghouse eine Anzahl Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselspannungsgenerator für die elektrische Beleuchtung in Pittsburgh.

Westinghouses Chefingenieur, William Stanley, führte im gleichen Jahr wesentliche Verbesserungen an Lucien Gaulards und John Gibbs’ Gerät durch.

Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselspannungsgenerator, dessen 500 V Wechselspannung zur Verteilung auf 3000 V hochtransformiert und zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 V heruntertransformiert wurde.

Der wachsende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit der Schaffung von Wechselstrom-Stromnetzen zum weltweiten Fortschreiten der Elektrifizierung.

Der Weg des Stroms

Strom wird in verschiedenen Kraftwerken hergestellt. Er verlässt das Kraftwerk mit 21.000 Volt Spannung. Der Strom wird dann auf 110.000 bis 380.000 Volt transformiert, damit man ihn auf Hochspannungsleitungen über lange Strecken mit wenig Verlust transportieren kann. Wenn man die Voltzahl erhöht, verringert sich die Amperezahl. Das ist nötig, da bei einer hohen Amperezahl der Widerstand ebenfalls erhöht ist. Je höher der Widerstand wiederum ist, desto mehr erwärmt sich der Leiter. Das würde bei längeren Strecken und geringer Voltzahl dazu führen, dass die Leitung durchbrennt. Je mehr sich der Leiter erwärmt, desto mehr Energie geht als thermische Energie verloren, also mehr "Verlust", deshalb der Transport durch Hochspannungsleitern. Vor einer Stadt oder einem Ort wird die Spannung auf 20.000 Volt herunter transformiert, da eine Hochspannungsleitung innerhalb einer Siedlung zu gefährlich ist. Der Strom wird dann noch mehrmals umgewandelt bis er die Strom-Spannungszahl unserer Stechdosen(220V) hat. In fast jedem unsere Elektrogeräte oder deren Ladekabel ist noch ein Transformator vorhanden, da jedes Gerät eine andere Strom-Spannung oder Stärke benötigt.

Im Folgenden seht ihr ein selbstgedrehtes Video, das den Weg des Stroms vom Kraftwerk bis zur Glühbirne und die Nutzung von Transformatoren bei diesem Vorgang verdeutlichen soll.

Quellen

• Wikipedia.de
• http://www.vde-verlag.de/buecher
• Cornelsen Fokus Physik 9
• http://leifiphysik.de/