Magnetismus / Elektromagnetismus
Generator, Wechselspannung und Transformator
Wie aus Drehbewegung Wechselspannung wird, was Frequenz und Amplitude bedeuten und wie ein Transformator Spannungen umformt.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Aus der Steckdose kommen , aus einer Batterie . Der Unterschied liegt aber nicht nur in der Zahl: Die Batteriespannung ist konstant, die Netzspannung wechselt fünfzigmal pro Sekunde ihre Richtung.
Das klingt nach einem Nachteil, und für viele Geräte ist es einer. Trotzdem hat sich weltweit der Wechselstrom durchgesetzt, und zwar aus einem einzigen Grund: Nur er lässt sich mit einem Transformator verlustarm auf hohe bringen und wieder herunterholen. Ohne dieses Bauteil gäbe es keine überregionale Stromversorgung.
Das kannst du nach diesem Kapitel
den Aufbau und die Wirkungsweise eines Generators erklären.
Gleich- und Wechselspannung anhand ihres zeitlichen Verlaufs vergleichen.
die Kenngrößen Periodendauer, Frequenz und Amplitude bestimmen.
den Aufbau und die Wirkungsweise eines Transformators erklären.
die Übersetzungsverhältnisse für und anwenden.
begründen, warum ein Transformator nur mit Wechselspannung arbeitet.
Der Generator
Ein Generator ist ein rückwärts. Statt Strom hineinzugeben und eine Drehung herauszubekommen, dreht man ihn und bekommt Strom.
Aufbau: eine drehbare (oder ein drehbarer Magnet) im , dazu Schleifringe und Bürsten für den Stromabgriff.
Wirkungsweise: Beim Drehen ändert sich ständig die wirksam vom Feld durchsetzte Fläche der Spule. Damit ist die Induktionsbedingung dauerhaft erfüllt, und es wird laufend .
Die Größe der Spannung hängt von der Stellung ab:
| Stellung der Spule | durchsetzte Fläche | Änderung je Zeit | Spannung |
|---|---|---|---|
| parallel zum Feld | null | maximal | maximal |
| senkrecht zum Feld | maximal | null | null |
🔴 Das überrascht die meisten: Die Spannung ist null, wenn das Feld die Spule am stärksten durchsetzt, und maximal, wenn es sie gar nicht durchsetzt. Der Grund ist das Induktionsgesetz: Nicht der Wert des Feldes zählt, sondern seine Änderung. Beim Durchlaufen der senkrechten Lage hat die durchsetzte Fläche ihren Höchstwert und ändert sich dort gerade nicht, so wie ein hochgeworfener Ball im höchsten Punkt kurz die null hat.
Nach jeder halben Umdrehung kehrt sich die Bewegungsrichtung der Spulenseiten relativ zum Feld um, und damit auch die Polung. Es entsteht eine Wechselspannung, im Diagramm eine Sinuskurve.
Verfolge die zwei markierten Punkte: Steht die Schleife quer zum Feld, ändert sich der Fluss gerade nicht und die ist null. Steht sie längs, ändert er sich am schnellsten und die Spannung ist maximal. Aus gleichmäßiger Drehung wird so eine Sinuskurve.
Wechsel- und Gleichspannung
| Gleichspannung | Wechselspannung | |
|---|---|---|
| Zeitverlauf | konstant, waagerechte Linie | sinusförmig, wechselt die Polung |
| Quelle | Batterie, Akku, Netzteil, Solarzelle | Generator, Steckdose |
| Kurzzeichen | DC | AC |
| transformierbar | nein | ja |
Der Fahrraddynamo liefert übrigens ebenfalls Wechselspannung; das Fahrradlicht stört das nicht, weil eine Glühlampe oder LED bei Wechseln je Sekunde nicht sichtbar flackert.
Wie man doch Gleichspannung bekommt: Ersetzt man beim Generator die Schleifringe durch einen Kommutator (den geteilten Ring aus dem Motorkapitel), wird die Polung genau dann umgekehrt, wenn sie sonst wechseln würde. Man erhält eine pulsierende Gleichspannung. In der modernen Technik nimmt man stattdessen Dioden (Gleichrichter).
Kenngrößen der Wechselspannung
Aus dem Zeitdiagramm liest man drei Größen ab:
- Periodendauer : Zeit für einen vollständigen Durchlauf, in Sekunden.
- Frequenz : Anzahl der Durchläufe je Sekunde, in Hertz ().
- Amplitude: größter Ausschlag (Scheitelwert) der .
Zwischen den ersten beiden gilt
Das ist keine neue Formel, sondern nur die Definition: Wenn ein Durchlauf dauert, passen davon in eine Sekunde.
Im europäischen Netz ist , also . In Nordamerika sind es .
🔴 Die der Steckdose sind nicht die Amplitude. Sie sind der sogenannte Effektivwert: diejenige Gleichspannung, die in einem Widerstand dieselbe erzeugen würde. Der Scheitelwert liegt deutlich höher, bei etwa . Warum das so ist, klärt die Oberstufe; wichtig ist hier nur, dass die Angabe auf dem Typenschild ein Effektivwert ist.
Der Transformator
Aufbau: zwei auf einem gemeinsamen, geschlossenen Eisenkern. Die eine heißt Primärspule (Eingang), die andere Sekundärspule (Ausgang). Eine elektrische Verbindung zwischen ihnen gibt es nicht.
Wirkungsweise:
- Die Wechselspannung an der Primärspule erzeugt einen Wechselstrom und damit ein ständig wechselndes .
- Der Eisenkern führt dieses Feld nahezu vollständig zur Sekundärspule.
- Dort ändert sich das Feld ständig, also wird nach dem Induktionsgesetz eine .
Es bewegt sich dabei kein einziges Teil. Der Transformator ist der Beweis dafür, dass nicht Bewegung die Induktionsbedingung ist, sondern Änderung.
Gezeichnet sind 10 zu 2 Windungen, also dasselbe Verhältnis 5 : 1 wie die angeschriebenen 500 zu 100. Aus folgen damit 46 V. Die verhält sich umgekehrt, denn die bleibt (bis auf Verluste) dieselbe.
Die Übersetzungsverhältnisse
Beide umschließen denselben Fluss, und jede Windung bekommt denselben Beitrag. Deshalb verhalten sich die wie die Windungszahlen:
- : Hochtransformieren, die Spannung steigt.
- : Heruntertransformieren, die Spannung sinkt.
Für die gilt das Umgekehrte. Im idealen Transformator (ohne Verluste) ist die abgegebene gleich der aufgenommenen:
🔴 Ein Transformator ist keine Energiequelle. Was er an Spannung gewinnt, verliert er an Stromstärke. Hundertfache Spannung bedeutet ein Hundertstel Stromstärke. Genau das ist die Goldene Regel der Mechanik in elektrischer Form.
Reale Transformatoren erreichen von bis über . Die Verluste stecken in der der Wicklungen, in Wirbelströmen im Kern (deshalb geschichtete Bleche) und in der ständigen Ummagnetisierung des Eisens.
Warum Gleichspannung nicht funktioniert
Legt man Gleichspannung an die Primärspule, entsteht ein konstantes . Ein konstantes Feld ändert sich nicht, also wird in der Sekundärspule nichts .
Nur in den beiden Augenblicken des Ein- und Ausschaltens zeigt das Messgerät kurz einen Ausschlag, denn dort ändert sich das Feld. Danach bleibt es bei null.
Schlimmer noch: Die Primärspule hat für Gleichstrom nur ihren geringen Drahtwiderstand. Es fließt deshalb ein sehr großer Strom, und der Transformator überhitzt in kurzer Zeit.
🔴 Das ist der eigentliche Grund für Wechselstrom im Stromnetz. Man nimmt die Nachteile des Wechselstroms in Kauf, weil nur er die verlustarme Übertragung über große Entfernungen erlaubt.
Anwendungen
| Anwendung | Art |
|---|---|
| Umspannwerk zwischen Kraftwerk und Fernleitung | hoch |
| Ortsnetzstation im Wohngebiet | herunter |
| Steckernetzteil, Ladegerät | herunter |
| Klingeltrafo () | herunter |
| Schweißtransformator (kleine , riesiger Strom) | herunter |
| Zündspule im Auto | hoch |
Transformator berechnen
Ein Klingeltrafo soll auf heruntersetzen. Die Primärspule hat Windungen.
a) Wie viele Windungen braucht die Sekundärspule?
b) Die Klingel zieht . Welcher Strom fließt primär (ideal gerechnet)?
c) Vergleiche die auf beiden Seiten.
d) Der Trafo hat tatsächlich einen von . Wie groß ist der Primärstrom dann?
- 1
a) Spannungsverhältnis gleich Windungsverhältnis:
Die Sekundärspule braucht Windungen.
- 2
b) verhalten sich umgekehrt zu den Windungszahlen:
Der Primärstrom ist also winzig, obwohl sekundär ein halbes Ampere fließt.
- 3
c) Leistungen vergleichen:
Gleich, wie es beim idealen Transformator sein muss. Die wurde durch geteilt, die Stromstärke mit demselben Faktor multipliziert. Ihr Produkt bleibt unverändert.
Das ist genau die Goldene Regel der Mechanik in elektrischer Form: Was man an einer Größe gewinnt, zahlt man an der anderen.
- 4
d) Mit Wirkungsgrad. Sekundär werden weiterhin gebraucht, primär muss aber mehr aufgenommen werden:
Die fehlenden werden im Trafo zu : im Drahtwiderstand der Wicklungen, durch Wirbelströme im Kern und durch die ständige Ummagnetisierung des Eisens.
Deshalb wird ein Klingeltrafo im Dauerbetrieb spürbar warm, auch wenn niemand klingelt.
a) Windungen b) c) beide Male d) bei Wirkungsgrad.
Wechselspannung im Diagramm auswerten
Ein Oszilloskop zeigt eine sinusförmige . Ein vollständiger Durchlauf dauert , der größte Ausschlag beträgt .
a) Bestimme Periodendauer, Frequenz und Amplitude.
b) Wie oft wechselt die Spannung in einer Sekunde ihre Polung?
c) Vergleiche mit dem europäischen Stromnetz.
d) Warum flackert eine Zimmerlampe am Netz nicht sichtbar?
- 1
a) Direkt ablesen und umrechnen.
Periodendauer:
Frequenz:
Amplitude (Scheitelwert):
- 2
b) Zwei Wechsel je Durchlauf. In jeder Periode geht die Spannung einmal ins Positive und einmal ins Negative, durchläuft also zweimal den Nulldurchgang.
- 3
c) Vergleich mit dem Netz. Dort ist und damit
Die gemessene Spannung wechselt also fünfmal so schnell wie die Netzspannung. Ihre Periode ist entsprechend ein Fünftel so lang.
- 4
d) Weil zweierlei zusammenkommt.
Erstens durchläuft die Netzspannung Nulldurchgänge je Sekunde, die Helligkeit schwankt also mit . Das menschliche Auge kann Helligkeitsschwankungen oberhalb von etwa bis nicht mehr auflösen.
Zweitens hat der Glühfaden einer Glühlampe eine Wärmeträgheit: Er kühlt in den zwei Hundertstelsekunden zwischen den Maxima gar nicht nennenswert ab und leuchtet praktisch gleichmäßig weiter.
Bei LED-Lampen fehlt diese Trägheit. Billige LED-Leuchten ohne gute Glättung flackern deshalb tatsächlich mit , was manche Menschen als Unruhe wahrnehmen und was auf Videoaufnahmen als Streifen sichtbar wird.
, , Amplitude , Polwechsel je Sekunde. Das Netz ist mit fünfmal langsamer.
Typischer Fehler
„Ein Transformator funktioniert auch mit einer Batterie, man muss ihn nur richtig anschließen."
Er funktioniert nicht, und der Grund liegt direkt im Induktionsgesetz.
Eine Batterie liefert Gleichspannung. Diese erzeugt in der Primärspule einen konstanten Strom und damit ein konstantes . Ein konstantes Feld ändert sich nicht, also wird in der Sekundärspule nichts . Das Messgerät bleibt bei null.
Zwei Ausnahmen, die die Regel bestätigen: Im Augenblick des Einschaltens springt das Feld von null auf seinen Wert, beim Ausschalten zurück. In beiden Momenten zeigt das Messgerät kurz einen Ausschlag. Danach passiert nichts mehr. Das ist ein hervorragender Schulversuch, weil er die Induktionsbedingung isoliert sichtbar macht.
Und es wird sogar gefährlich: Für Gleichstrom wirkt die Primärspule nur mit ihrem geringen Drahtwiderstand, oft wenige Ohm. Nach fließt deshalb ein sehr großer Strom, die Wicklung erhitzt sich stark, und der Transformator kann durchbrennen.
Warum das historisch so wichtig war: Genau an dieser Stelle entschied sich der „Stromkrieg" der 1880er Jahre zwischen Edison (Gleichstrom) und Westinghouse/Tesla (Wechselstrom). Gleichstrom ließ sich nicht transformieren und deshalb nicht verlustarm über weite Strecken übertragen; Kraftwerke hätten alle paar Kilometer stehen müssen. Der Wechselstrom setzte sich durch, obwohl er für viele Geräte umständlicher ist.
Merksatz: Kein Wechsel, keine Änderung, keine Induktion.
Übung 1
leichta) Eine Wechselspannung hat die Periodendauer . Wie groß ist die Frequenz?
b) Ein Trafo hat primär und sekundär Windungen. Bei primär: Welche liegt sekundär an?
c) Handelt es sich um einen Auf- oder Abwärtstransformator?
Tipp anzeigen
b) Spannungen verhalten sich wie Windungszahlen.
Lösung anzeigen
a)
Das ist die Netzfrequenz in Europa.
b)
c) Ein Abwärtstransformator: Die Sekundärspule hat weniger Windungen, deshalb ist die Sekundärspannung kleiner. Dafür kann sekundär ein entsprechend größerer Strom fließen.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht in drei kurzen Teilaufgaben
a) , gesucht die Frequenz . b) , , , gesucht . c) gesucht die Art des Transformators.
- 2
Die beiden Gesetze: Frequenz und Windungsverhältnis
Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer: . Und beim Transformator verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen: .
- 3
a) und b) Frequenz und Sekundärspannung
Erst der Kehrwert der Periodendauer, dann die Spannung über das Windungsverhältnis .
;
Zwischenergebnis
,
- 4
c) Ergebnis deuten: Abwärtstrafo, und was das für den Strom heißt
Es ist ein Abwärtstransformator: Die Sekundärspule hat weniger Windungen, deshalb ist die Sekundärspannung kleiner. Dafür kann sekundär ein entsprechend größerer Strom fließen.
Übung 2
mittelEin Schweißtransformator setzt auf herunter. Beim Schweißen fließen sekundär .
a) Wie groß ist das Windungsverhältnis?
b) Welcher Primärstrom fließt (ideal gerechnet)?
c) Welche wird umgesetzt?
d) Warum sind die Sekundärkabel eines Schweißtrafos so auffällig dick?
Tipp anzeigen
d) Denke an die Verlustleistung .
Lösung anzeigen
a)
Die Primärspule hat also -mal so viele Windungen wie die Sekundärspule.
b)
c)
Kontrolle primär: . Passt.
(Nebenbei: liegen nahe an der Grenze einer -Ampere-Sicherung. Größere Schweißgeräte brauchen deshalb Starkstromanschlüsse.)
d) Weil die Verlustleistung in einer Leitung mit dem Quadrat der wächst:
Bei würde schon ein Widerstand von zu
führen, also fast der Hälfte der Nutzleistung. Das Kabel würde glühend heiß.
Um den Widerstand klein zu halten, macht man den Querschnitt groß (). Deshalb sind Schweißkabel armdick, während die Zuleitung zur Steckdose bei nur ein dünnes Standardkabel sein kann.
Dasselbe Prinzip in umgekehrter Richtung ist der Grund für Hochspannungsleitungen: kleine Stromstärke, kleine Verluste, dünnere Leiter.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht am Schweißtrafo
Gegeben: , und . Gesucht: a) das Windungsverhältnis, b) der Primärstrom, c) die Leistung, d) eine Begründung für die dicken Kabel.
- 2
a) Windungsverhältnis gleich Spannungsverhältnis
Weil Spannungen und Windungszahlen im selben Verhältnis stehen, gilt . Man braucht die Windungszahlen selbst gar nicht zu kennen.
- 3
a) bis c) Verhältnis, Primärstrom und Leistung
Erst das Verhältnis aus den Spannungen, dann der Primärstrom über das umgekehrte Verhältnis, schließlich die Leistung aus Sekundärspannung und Sekundärstrom.
; ;
Zwischenergebnis
Verhältnis ; ;
- 4
d) Ergebnis deuten: warum Schweißkabel armdick sind
Weil die Verlustleistung in einer Leitung mit dem Quadrat der Stromstärke wächst: . Bei würde schon ein Widerstand von zu führen, fast der Hälfte der Nutzleistung.
Übung 3
schwera) Erkläre, warum die eines Generators genau dann null ist, wenn die senkrecht zum Feld steht.
b) Was passiert, wenn man einen Transformator an eine Batterie anschließt? Nenne beide Effekte.
c) Ein Schüler baut einen Trafo mit Primär- und Sekundärwindungen und schließt primär an. Er hofft, sekundär bei gleichem Strom abnehmen zu können. Nimm Stellung.
d) Warum hat sich weltweit Wechselstrom durchgesetzt, obwohl viele Geräte Gleichstrom brauchen?
Tipp anzeigen
a) Denke an einen hochgeworfenen Ball im höchsten Punkt.
Lösung anzeigen
a) Die Induktionsspannung hängt von der Änderungsgeschwindigkeit der durchsetzten Fläche ab, nicht von deren Wert.
Steht die Spule senkrecht zum Feld, ist die durchsetzte Fläche maximal. Ein Maximum ist aber genau die Stelle, an der sich eine Größe momentan nicht ändert: Kurz davor wächst sie, kurz danach fällt sie, im Scheitel ist die Änderungsrate null.
Der Vergleich hilft: Ein senkrecht hochgeworfener Ball hat im höchsten Punkt die größte Höhe und gleichzeitig die null. Höhe und Änderung der Höhe sind zwei verschiedene Dinge.
Umgekehrt ist die durchsetzte Fläche null, wenn die Spule parallel zum Feld liegt, aber sie ändert sich dort am schnellsten. Deshalb ist die genau dort maximal.
b) Zwei Effekte:
- Keine Induktion im Dauerbetrieb. Gleichspannung erzeugt ein konstantes Feld, ein konstantes Feld ändert sich nicht, also wird sekundär nichts induziert. Nur beim Ein- und Ausschalten zeigt ein Messgerät kurz einen Ausschlag.
- Überhitzungsgefahr. Für Gleichstrom wirkt die Primärspule nur mit ihrem kleinen Drahtwiderstand. Es fließt ein sehr großer Strom, die Wicklung erhitzt sich, und der Trafo kann durchbrennen.
c) Die Spannung stimmt, der Rest nicht.
Richtig ist:
Falsch ist die Erwartung gleicher . Der Transformator ist keine Energiequelle; im Idealfall gilt . Also:
Sekundär steht nur ein Zehntel der Stromstärke zur Verfügung. Wer bei gleichem Strom bekäme, hätte die zehnfache aus dem Nichts erzeugt, also ein Perpetuum mobile.
Zwei praktische Anmerkungen: Mit Gleichspannung (etwa aus einer Autobatterie) würde der Aufbau ohnehin nicht arbeiten, es braucht Wechselspannung. Und die entstehenden wären bereits gefährlich; solche Versuche gehören nicht ins Kinderzimmer.
d) Weil nur Wechselspannung transformierbar ist, und die Übertragung über große Entfernungen genau das verlangt.
Die Verlustleistung einer Leitung ist . Um sie klein zu halten, muss die Stromstärke klein sein, und bei fester Leistung heißt das: die Spannung muss hoch sein. Man transportiert deshalb mit bis und setzt vor Ort wieder auf herunter. Beides geht nur mit Transformatoren.
Mit Gleichstrom hätte man diese Möglichkeit im 19. Jahrhundert nicht gehabt. Ein Kraftwerk hätte höchstens ein paar Kilometer weit liefern können, und in jedem Stadtteil hätte eines stehen müssen. Genau daran scheiterte Edisons Gleichstromnetz im „Stromkrieg" der 1880er Jahre.
Nachtrag zur Ehrlichkeit: Heute gibt es sehr wohl Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), etwa für Seekabel und sehr lange Strecken. Sie ist dort sogar günstiger, wurde aber erst durch moderne Leistungselektronik möglich, die es damals nicht gab. Das ändert nichts an der historischen Entscheidung, erklärt aber, warum sie heute nicht mehr in jedem Fall zwingend wäre.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
a) Warum die Spannung bei senkrechter Spule null ist
Die Induktionsspannung hängt von der Änderungsgeschwindigkeit der durchsetzten Fläche ab, nicht von deren Wert. Steht die Spule senkrecht zum Feld, ist die durchsetzte Fläche maximal, und ein Maximum ist genau die Stelle, an der sich eine Größe momentan nicht ändert.
- 2
b) Ein Transformator an einer Batterie
Keine Induktion im Dauerbetrieb: Gleichspannung erzeugt ein konstantes Feld, ein konstantes Feld ändert sich nicht, also wird sekundär nichts induziert, nur beim Ein- und Ausschalten zeigt ein Messgerät kurz einen Ausschlag. Überhitzungsgefahr: Für Gleichstrom wirkt die Primärspule nur mit ihrem kleinen Drahtwiderstand, es fließt ein sehr großer Strom.
- 3
c) Die Spannung stimmt, die Erwartung nicht
Richtig gerechnet ist . Falsch ist die Erwartung gleicher Stromstärke: Aus folgt .
;
Zwischenergebnis
, aber nur ein Zehntel der Stromstärke.
- 4
d) Ergebnis deuten: warum sich Wechselstrom durchsetzte
Weil nur Wechselspannung transformierbar ist, und die Übertragung über große Entfernungen genau das verlangt: Kleine Verluste brauchen kleine Stromstärke, also hohe Spannung, und die muss vor Ort wieder heruntergesetzt werden. Beides geht nur mit Transformatoren.
Zusammenfassung
Ein Generator ist ein rückwärts betriebener Motor: Die Drehung ändert ständig die vom Feld durchsetzte Fläche der , deshalb wird laufend . Weil es auf die Änderung ankommt, ist die Spannung gerade dann null, wenn das Feld die Spule am stärksten durchsetzt. Es entsteht eine Wechselspannung, beschrieben durch Periodendauer, Frequenz und Amplitude, wobei gilt und das europäische Netz mit arbeitet. Ein Transformator überträgt eine solche Wechselspannung über ein wechselndes auf eine zweite Spule; die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen, die umgekehrt dazu. Er ist keine Energiequelle, sondern tauscht Spannung gegen Stromstärke. Mit Gleichspannung arbeitet er nicht, weil ein konstantes Feld nichts induziert, und genau darum wird im Stromnetz Wechselstrom verwendet.


