Transformator und Gleichstrom

Lehrpläne: GCSE, Sek I/II

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Ziel

Prüfen Sie, ob ein Transformator mit Gleichstrom funktioniert, und beobachten Sie, dass in der Sekundärwicklung nur dann eine Spannung entsteht, wenn sich der Strom in der Primärwicklung ändert.

Aufbau

Eine 6-V-Gleichspannungsquelle ist über einen Schalter und ein Amperemeter an die Primärwicklung des Transformators angeschlossen (2000 Windungen, Widerstand 40 Ω). An die Sekundärwicklung (1400 Windungen) sind eine Glühlampe 3,5 V / 0,5 W und ein Voltmeter im DC-Modus angeschlossen. Der Schalter ist offen.

Durchführung

1. Schließen Sie den Schalter. Beobachten Sie die Lampe und das Amperemeter.
2. Warten Sie einige Sekunden. Notieren Sie die Anzeigen des Amperemeters und des Voltmeters.
3. Öffnen Sie den Schalter. Beobachten Sie die Lampe.
4. Wiederholen Sie den Versuch mit einer niedrigeren Simulationsgeschwindigkeit, um das Aufblitzen besser zu sehen.

Erwartetes Ergebnis

Beim Schließen des Schalters steigt der Strom in der Primärwicklung allmählich an, innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde, und stellt sich auf etwa 0,15 A ein: Er wird durch den Widerstand der Wicklung begrenzt. Der Fluss ändert sich langsam, die induzierte Spannung ist klein, und die Lampe leuchtet kaum – der Glühfaden glimmt gerade eben rot, was nur im Dunkeln auffällt. Solange der Strom konstant ist, zeigt das Voltmeter an der Sekundärwicklung 0, und die Lampe ist aus. Beim Öffnen des Schalters bricht der Strom abrupt ab, und die Lampe blitzt hell auf – doppelt so hell wie bei Nennbetrieb – und erlischt innerhalb einer Viertelsekunde: Der induzierte Strom beträgt etwa 0,2 A, das 1,4-Fache ihres Nennstroms. Eine Spannung in der Sekundärwicklung wird nur durch einen sich ändernden magnetischen Fluss induziert, daher funktioniert ein Transformator nicht mit Gleichstrom.

Der Strom in der Primärwicklung ist nicht zufällig begrenzt. Der Kern eines realen Transformators kann bei Gleichstrom in Sättigung geraten, und ein starker Strom beim Öffnen würde im Verhältnis der Windungszahlen in den Sekundärkreis übergehen und die Lampe durchbrennen lassen.

Fragen

1. Warum blitzt die Lampe beim Öffnen des Schalters heller auf als beim Schließen?
2. Warum steigt der Strom in der Primärwicklung nach dem Schließen nicht sofort an?
3. Warum werden Transformatoren nur in Wechselstromkreisen eingesetzt?

Antworten

1. Beim Schließen des Schalters wachsen der Strom und der magnetische Fluss allmählich, und eine langsame Flussänderung induziert nur eine kleine Spannung. Beim Öffnen hört der Primärstrom von 0,15 A fast sofort auf, und die im Magnetfeld des Kerns gespeicherte Energie geht in den Sekundärkreis über: Der Fluss hält durch die Lampe einen Strom von etwa 0,15 A · 2000 / 1400 ≈ 0,2 A aufrecht, das 1,4-Fache ihres Nennstroms.
2. Die Wicklung hat 2000 Windungen auf einem Eisenkern und deshalb eine große Induktivität. Der wachsende Strom baut einen wachsenden magnetischen Fluss auf, und dieser Fluss induziert in der Wicklung eine Spannung, die dem Anwachsen des Stroms entgegenwirkt (Selbstinduktion), daher nähert sich der Strom allmählich 6 V / 40 Ω ≈ 0,15 A.
3. Ein Transformator überträgt Energie nur über einen sich ändernden magnetischen Fluss; ein Gleichstrom erzeugt einen konstanten Fluss, und die Sekundärwicklung liefert keine Spannung. Bei Gleichstrom ist der Primärstrom außerdem nur durch den Widerstand der Wicklung begrenzt: Mit der voreingestellten Primärwicklung mit 500 Windungen (2,5 Ω) würde die 6-V-Quelle etwa 1,9 A durch sie treiben, und eine reale Wicklung würde überhitzen.