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Worum geht es?

Der Transformator überträgt elektrische Energie zwischen zwei getrennten Stromkreisen und wandelt dabei die Spannung : hinauf oder hinunter, je nach Windungszahlen. Das Werkzeug dahinter ist die Induktion : Die Primärspule erzeugt im Eisenkern ein wechselndes Magnetfeld, das in der Sekundärspule Spannung induziert. Untersucht werden die Funktionsbedingungen (warum nur Wechselspannung?) und die Übersetzungsregel.

Warum macht man dieses Experiment?

Ohne Transformator kein Stromnetz: Nur weil sich Wechselspannung fast verlustfrei hoch- und heruntersetzen lässt, kann Energie mit Hochspannung (kleine Ströme, kleine Leitungsverluste) über Land und mit ungefährlichen 230 V in die Steckdose. Jedes Ladegerät enthält das Prinzip im Kleinen. Der Versuch macht aus dem grauen Kasten ein durchschaubares Induktionsgerät.

Die physikalische Idee

Zwei Spulen sitzen auf einem geschlossenen Eisenkern, der das Magnetfeld der Primärspule nahezu vollständig durch die Sekundärspule führt. Wechselstrom in der Primärspule bedeutet ständige Feldänderung im Kern, also dauernde Induktion in der Sekundärspule. Jede Windung erfährt dieselbe Flussänderung: Die Spannungen verhalten sich deshalb wie die Windungszahlen.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Praktisch brauchbare Transformatoren entwickelten Zipernowsky, Bláthy und Déri 1885; im „Stromkrieg“ verhalf der Transformator dem Wechselstromsystem zum Sieg. Die Grundschaltung von damals ist bis heute unverändert im Einsatz.

Versuchsziel

Was möchtest du untersuchen?

Aktuelles Versuchsziel

Aufbau und Funktionsbedingung

Untersuche, unter welchen Bedingungen der Transformator überträgt: Wechselspannung gegen Gleichspannung, geschlossener gegen offener Kern, und was im Ein-/Ausschaltmoment der Gleichspannung geschieht.

Gemessen

$U_{2}$ — Sekundärspannung (in $V$ ) $Ihr Auftreten oder Fehlen zeigt, wann das Induktionsprinzip arbeitet.$

1Aufgabenstellung

Baue den Transformator (500/500 Windungen) auf und prüfe die Sekundärspannung: (a) an Wechselspannung mit geschlossenem Kern, (b) an Gleichspannung, (c) an Gleichspannung im Ein- und Ausschaltmoment, (d) an Wechselspannung mit abgenommenem Joch.

2Vorbetrachtung

Alle vier Tests prüfen dieselbe Kernaussage aus verschiedenen Richtungen: Übertragen wird durch Feldänderung im gemeinsamen Kern . Also: (a) AC ändert das Feld dauernd, dauerhafte Sekundärspannung. (b) DC hält das Feld konstant, nichts. (c) Aber im Schaltmoment ÄNDERT sich auch das DC-Feld (von null auf voll bzw. zurück): kurzer Spannungsstoß, mit entgegengesetzten Vorzeichen bei Ein und Aus. (d) Ohne Joch findet das Feld keinen geschlossenen Eisenweg zur Sekundärspule: Die Übertragung sollte drastisch einbrechen, aber nicht ganz verschwinden (Streufeld).

3Geräte / Stoffe

Aufbautransformator 500/500; Sekundärseite ans Voltmeter (für die Schaltmoment-Tests möglichst ein Zeigerinstrument oder Interface, das kurze Stöße zeigt).

U-Kern mit Joch
$Führt das Magnetfeld nahezu vollständig von der Primär- zur Sekundärspule: die magnetische „Leitung“ des Geräts.$
Steckspulen 250 / 500 / 1000 Windungen
$Frei kombinierbare Primär- und Sekundärwicklungen für die Übersetzungs-Messreihe.$
Wechselspannungsquelle (6 V AC)
$Primärversorgung; die Wechselform ist Funktionsbedingung.$
Gleichspannungsquelle
$Für die entscheidende Gegenprobe: Was passiert bei DC?$
Zwei AC-Voltmeter
$Messen Primär- und Sekundärspannung gleichzeitig.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Transformator mit getrennten Kreisen: Primärkreis (Quelle wählbar AC/DC), Sekundärkreis nur mit Voltmeter; Markierung des abnehmbaren Jochs.

\tfrac{U_1}{U_2} = \tfrac{n_1}{n_2}

Aufbau: Aufbautransformator (U-Kern mit aufgesetztem Joch), Steckspulen mit 250, 500 und 1000 Windungen; Wechselspannungsquelle (Kleinspannung), Gleichspannungsquelle für die Gegenprobe, zwei Voltmeter (AC).

5Durchführung

Schritt 1: AC 6 V an die Primärspule, Joch geschlossen: Sekundärspannung ablesen. Schritt 2: DC 6 V stattdessen: Sekundärspannung im Dauerzustand ablesen. Schritt 3: DC mehrfach ein- und ausschalten, dabei das Sekundär-Instrument beobachten. Schritt 4: Zurück zu AC; Joch abnehmen und Sekundärspannung erneut ablesen.

6Beobachtung

Beobachtungen (500/500 Windungen)

$Bedingung$	$Sekundärseite$
$AC, Kern geschlossen$	$\approx 6\ \mathrm{V}$
$DC, Dauerzustand$	$null$
$DC, Einschaltmoment$	$kurzer Zeigerstoß in eine Richtung$
$DC, Ausschaltmoment$	$kurzer Stoß in die Gegenrichtung$
$AC, Joch abgenommen$	$\approx 1\ \mathrm{V}$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Das Änderungs-Prinzip erklärt alle fünf Zeilen: Dauerhafte Übertragung gibt es nur bei dauernder Feldänderung (AC). Gleichspannung überträgt exakt in den Momenten, in denen sich ihr Feld ändert: beim Schalten, mit dem vorhergesagten Vorzeichenwechsel zwischen Ein und Aus. Der Transformator ist damit als reines Induktionsgerät entlarvt: keine geheimnisvolle Kopplung, sondern Faradays Grundversuch in Dauerschleife. Die Rolle des Kerns: Ohne Joch bricht die Übertragung auf einen Bruchteil ein: Der geschlossene Eisenweg ist der „Leiter“ des Magnetfelds. Erst er bringt (fast) die gesamte Flussänderung der Primärspule durch die Sekundärwindungen, die Voraussetzung dafür, dass in der nächsten Zielsetzung die saubere Windungsregel gemessen werden kann. Nebenbefund mit Alltagsbezug: Der Ausschalt-Spannungsstoß bei DC kann ein Vielfaches der Quellenspannung erreichen (sehr schnelle Feldänderung!): das Prinzip der Zündspule im Auto.

8Fazit

Der Transformator überträgt ausschließlich Feldänderungen: dauerhaft an Wechselspannung, bei Gleichspannung nur in den Schaltmomenten, und nur mit geschlossenem Eisenkern effizient. Er ist Induktion in Dauerschleife.

9Fehlerbetrachtung

Die qualitativen Befunde sind robust; zwei Feinheiten verdienen Beachtung:

Träges Voltmeter verpasst die Schaltstößeeher systematisch

Ursache: $Digitale Multimeter mitteln über Sekundenbruchteile.$
Auswirkung: $Die DC-Schaltmomente scheinen nichts zu induzieren: Die halbe Pointe fehlt.$
Verbesserung: $Analoges Zeigerinstrument oder Messinterface für Schritt 3 verwenden.$

DC-Dauerbetrieb überhitzt die Primärspuleeher systematisch

Ursache: $Ohne Wechselfeld fehlt die Gegeninduktion; nur der kleine Drahtwiderstand begrenzt den Gleichstrom.$
Auswirkung: $Die Spule wird schnell heiß; Sicherungen lösen aus.$
Verbesserung: $DC nur kurz anlegen, Strom beobachten, gegebenenfalls Vorwiderstand .$

Das Wichtigste

Funktionsbedingung: $Der Transformator arbeitet nur mit Wechselspannung: Nur ein sich änderndes Feld induziert . An Gleichspannung passiert (außer im Schaltmoment) nichts.$
Übersetzungsregel: $\tfrac{U_1}{U_2} = \tfrac{n_1}{n_2}$
Energie bleibt: $P_1 \approx P_2$
Netzanwendung: $Hochspannen für den Ferntransport (weniger Leitungsverlust), Heruntersetzen zur Nutzung: die Kette vom Kraftwerk zur Steckdose.$

Transformator