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Wechselstromgenerator und Transformator

Ein Wechselstromgenerator dreht eine Spule in einem Magnetfeld. Der Fluss durch die Spule ändert sich ständig, deshalb entsteht die Spannung e = NBAω sin ωt mit dem Spitzenwert NBAω. Ein Transformator nutzt die Gegeninduktion zwischen zwei Spulen auf einem Eisenkern: Vs/Vp = Ns/Np. Ein Hochtransformator erhöht die Spannung und senkt die Stromstärke, ein Runtertransformator macht das Gegenteil. Die Leistung bleibt fast gleich (Vp Ip ≈ Vs Is).

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Eine Spule steht zwischen Nord- und Südpol eines Magneten und zeigt mit ihrer Fläche zum Feld. Der Fluss ist am größten, ändert sich aber nicht, also ist die Spannung e = 0.
  2. Die Spule beginnt sich zu drehen. Der Fluss steigt und sinkt immer wieder, deshalb schwankt die Spannung und wechselt das Vorzeichen. Die Lampe leuchtet heller und dunkler. e = NBAω sin ωt.
  3. Dreh die Spule doppelt so schnell. Die Spitzenspannung verdoppelt sich und die Richtung wechselt doppelt so oft.
  4. Ein Transformator: zwei Spulen auf einem Eisenkern. Die Sekundärspule hat mehr Windungen als die Primärspule, also steigt die Spannung. Das nennt man Hochtransformieren.
  5. Jetzt hat die Sekundärspule weniger Windungen. Die Spannung sinkt und die Stromstärke steigt. Das nennt man Runtertransformieren. Die Leistung bleibt fast gleich.
  6. Freies Spiel: Ändere Np, Ns und Vp und lies Vs ab. Wechsle zum Generator und ändere seine Drehzahl.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum ist die Spannung null, wenn der Fluss am größten ist?

Die Spannung hängt davon ab, wie schnell sich der Fluss ändert, nicht davon, wie groß er ist. In der Stellung mit der Fläche zum Feld ist der Fluss am höchsten und ändert sich für einen Moment nicht.

Warum wechselt die Spannung ständig das Vorzeichen?

Wenn sich die Spule dreht, steigt der Fluss und sinkt dann wieder. Steigender und sinkender Fluss erzeugen Spannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen, deshalb kehrt sich der Strom bei jeder halben Drehung um.

Warum gibt schnelleres Drehen mehr Volt?

Dieselbe Flussänderung passiert in kürzerer Zeit, also wachsen dΦ/dt und e₀ = NBAω beide mit ω.

Wie bekommt die Sekundärspule Energie, ohne die Primärspule zu berühren?

Der sich ändernde Fluss im gemeinsamen Eisenkern geht durch beide Spulen. Der sich ändernde Fluss induziert in der Sekundärspule eine Spannung.

Bekommen wir kostenlose Energie, wenn die Spannung steigt?

Nein. Die Stromstärke sinkt um denselben Faktor, also gilt Vs Is ≈ Vp Ip. Die Energie bleibt erhalten.

Warum muss der Kern aus Eisen sein?

Eisen leitet fast den ganzen Fluss von der Primär- zur Sekundärspule, deshalb geht sehr wenig verloren.

Wechselstromgenerator: Prinzip und Bauteile

Ein Wechselstromgenerator (Lichtmaschine) wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. Er arbeitet nach der elektromagnetischen Induktion: Wenn sich eine Spule im Magnetfeld dreht, ändert sich der Fluss durch sie, und es wird eine Spannung induziert.

Wichtige Bauteile

Spannung eines Wechselstromgenerators

Die Spule (N Windungen, Fläche A) dreht sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Zur Zeit t schließt die Normale den Winkel θ = ωt mit B ein. Fluss: Φ = N B A cos ωt.

Nach dem Faraday-Gesetz ist e = −dΦ/dt = N B A ω sin ωt. Die Spitzenspannung ist e₀ = NBAω.

Bei einer vollen Drehung wechselt die Spannung zweimal die Richtung. Frequenz f = ω/2π.

Transformator: Prinzip und Aufbau

Ein Transformator macht aus einer Wechselspannung eine höhere oder niedrigere Wechselspannung. Er arbeitet nach der Gegeninduktion.

Zwei Spulen sind auf einen geblechten weichen Eisenkern gewickelt: die Primärspule (Np Windungen, am Eingang angeschlossen) und die Sekundärspule (Ns Windungen, am Verbraucher angeschlossen). Wechselstrom in der Primärspule erzeugt einen sich ändernden Fluss im Kern. Derselbe Fluss geht durch die Sekundärspule und induziert dort eine Spannung.

Mit konstantem Gleichstrom funktioniert ein Transformator nicht, weil sich dabei der Fluss nicht ändert.

Windungsverhältnis: Hoch- und Runtertransformieren

Jede Windung beider Spulen bekommt dieselbe Spannung, dΦ/dt. Also gilt Vs/Vp = Ns/Np.

Beim idealen Transformator (ohne Verluste) ist die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung: Vp Ip = Vs Is, also Is/Ip = Np/Ns.

Ein Transformator erzeugt keine Energie. Wenn er die Spannung erhöht, senkt er die Stromstärke um denselben Faktor.

Energieverluste und Wirkungsgrad

Wirkungsgrad η = Ausgangsleistung / Eingangsleistung × 100%. Echte Transformatoren erreichen 95–99%. Verluste:

Warum überträgt man mit hoher Spannung?

Bei gleicher Leistung P = VI bedeutet hohe Spannung V eine kleine Stromstärke I. Der Leitungsverlust I²R wird dann viel kleiner. Deshalb wird Strom mit 220 kV oder 400 kV übertragen und erst nahe den Häusern heruntertransformiert.

Probier es aus: ein Versuch

Probier es aus: Lass im 3D-Modell Vp = 220 V und Np = 5. Schätze Vs für Ns = 10 und dann für Ns = 2. Prüfe deine Antworten in der Anzeige (440 V und 88 V). Beim Generator: Halte an und ziehe dann den Regler "Coil angle" von 0° auf 90°. Beachte, wo e gleich 0 ist und wo es am größten ist. Zu Hause: Sieh dir das Schild auf einem Handy-Ladegerät an. Dort steht Eingang 100–240 V AC und Ausgang 5 V: Das ist ein Runtertransformator.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Eine Spule mit 100 Windungen und der Fläche 0.05 m² dreht sich mit 50 Umdrehungen pro Sekunde in einem Feld von 0.2 T. Berechne die Spitzenspannung.

ω = 2π × 50 = 314 rad/s. e₀ = NBAω = 100 × 0.2 × 0.05 × 314 = 314 V.

2. Berechne für den obigen Generator die Spannung, wenn sich die Spulenebene um 30° aus der Stellung gedreht hat, in der ihre Fläche ⟂ zum Feld steht.

e = e₀ sin 30° = 314 × 0.5 = 157 V.

3. Ein Generator liefert bei 25 Umdrehungen pro Sekunde eine Spitzenspannung von 200 V. Wie groß ist die Spitzenspannung bei 50 Umdrehungen pro Sekunde?

e₀ ∝ ω. Doppelte Drehzahl bedeutet doppelte Spannung: e₀ = 400 V. Auch die Frequenz verdoppelt sich auf 50 Hz.

4. Ein Transformator hat 200 Primär- und 1000 Sekundärwindungen. Die Eingangsspannung beträgt 230 V. Berechne die Ausgangsspannung. Wird hoch- oder runtertransformiert?

Vs = Vp × Ns/Np = 230 × 1000/200 = 1150 V. Hochtransformieren (Ns > Np).

5. Ein Runtertransformator wandelt 220 V in 11 V um. Die Primärspule hat 2000 Windungen. Berechne die Sekundärwindungen und das Verhältnis der Stromstärken.

Ns = Np × Vs/Vp = 2000 × 11/220 = 100 Windungen. Is/Ip = Np/Ns = 20, also ist die Sekundärstromstärke 20-mal so groß wie die Primärstromstärke.

6. Ein idealer Transformator liefert aus dem 220-V-Netz 11 V und 4 A an einen Verbraucher. Berechne die Primärstromstärke.

Vp Ip = Vs Is ⇒ Ip = 11 × 4 / 220 = 0.2 A.

7. Ein Transformator nimmt 5 A bei 220 V auf und gibt 2 A bei 500 V ab. Berechne seinen Wirkungsgrad.

Eingang = 220 × 5 = 1100 W. Ausgang = 500 × 2 = 1000 W. η = 1000/1100 × 100 ≈ 90.9%.

8. 100 kW werden über Leitungen mit dem Widerstand 5 Ω gesendet. Berechne den Leitungsverlust bei (a) 1000 V, (b) 20000 V.

(a) I = 100000/1000 = 100 A, Verlust = 100² × 5 = 50 kW (die halbe Leistung!). (b) I = 5 A, Verlust = 25 × 5 = 125 W. Hohe Spannung verkleinert den Verlust auf ein 400stel.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Ein Wechselstromgenerator funktioniert nach:
2. Die Spitzenspannung eines Wechselstromgenerators ist:
3. Ein Transformator funktioniert nach:
4. Bei einem Hochtransformator gilt:
5. Der Transformatorkern ist geblecht, um zu verringern:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist das Prinzip eines Wechselstromgenerators?

Elektromagnetische Induktion: Eine Spule, die sich in einem Magnetfeld dreht, hat einen sich ändernden Fluss, deshalb wird in ihr eine Spannung induziert.

Wie lautet die Formel des Transformators?

Vs/Vp = Ns/Np, und beim idealen Transformator gilt Is/Ip = Np/Ns.

Warum funktioniert ein Transformator nicht mit Gleichstrom?

Konstanter Gleichstrom erzeugt einen konstanten Fluss. Ohne Flussänderung wird in der Sekundärspule keine Spannung induziert.

Wo das unterrichtet wird

RomaniaClasa a X-aProducing and using alternating current
CBSE (India)Class 12Electromagnetic Induction and Alternating Currents
Japan高校(専門学科)1〜3年Electrical Machines
China高二Selective 2 Ch.3 Alternating current

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