Transformator – Aufbau, Funktion und Formeln

Ein Transformator besteht aus Spulen mit unterschiedlichen Windungszahlen und einem Eisenkern. Mit Formeln zur Spannungsinduktion und Anwendungen im Alltag wie Ladekabeln und Stromübertragung.

Inhaltsverzeichnis zum Thema Transformator

Das Quiz zum Thema: Transformator

Was ist die grundlegende Funktion eines Transformators?

Frage 1 von 5

Worin besteht der Grundaufbau eines Transformators?

Frage 2 von 5

Warum funktioniert ein Transformator nur mit Wechselstrom und nicht mit Gleichstrom?

Frage 3 von 5

Wo werden Transformatoren im Alltag verwendet?

Frage 4 von 5

Wie lässt sich die Spannung in einem Transformator ändern?

Frage 5 von 5

Transformator im Überblick

  • Ein Transformator ist dazu in der Lage, eine elektrische Spannung in eine andere elektrische Spannung umzuwandeln.

  • Allgemein besteht ein Transformator aus zwei Spulen mit den Windungszahlen N_1 und N_2, die mit einem Eisenkern verbunden sind.

  • Für die Spannungen gilt:
    \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}

Transformator: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Bildergalerie zum Thema Transformator

Transformator – Aufbau und Funktionsweise

Aufbau und Funktion eines Transformators

Um sich die Wirkungsweise eines Transformators besser veranschaulichen zu können, ist es hilfreich, sich zunächst den Aufbau genauer anzuschauen. In der beschrifteten Skizze ist im Folgenden der Transformator zusammen mit dem in der Physik für Schaltpläne gebräuchlichen Schaltzeichen gezeigt.

Transformator und Schaltzeichen

Der Grundaufbau des Transformators (kurz: Trafo) ist im Grunde recht einfach erklärt. Er besteht aus zwei Spulen und einem Eisenkern. Damit der Trafo auch etwas transformiert, ist es hierbei wichtig, dass die beiden Spulen unterschiedliche Windungszahlen N haben. Wird nun an die Primärspule eine Wechselspannung angelegt, führt diese in der Primärspule zu einer Änderung des magnetischen Flusses. Diese Änderung wird nun mithilfe des Eisenkerns auf die Sekundärspule übertragen. Dies führt dazu, dass in der Sekundärspule ein Wechselstrom induziert wird. Die Spannung des induzierten Wechselstroms hängt hierbei mit der an der Primärspule anliegenden Spannung U_1 sowie dem Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärspule \frac{N_1}{N_2} zusammen.

Transformator – Formeln

Formeln - Transformator berechnen

Wie wir bereits gesehen haben, führt eine an der Primärspule angelegte Spannung aufgrund des Induktionsgesetzes zu einer Änderung des magnetischen Flusses.

U_1 = N_1 \cdot \frac{d\Phi}{dt}

Das Induktionsgesetz gilt aber auch für die Sekundärspule und führt in dieser aufgrund der Änderung des magnetischen Flusses zur Induktion einer Spannung.

N_2 \cdot \frac{d\Phi}{dt} = U_2

Da die Änderung des Flusses in beiden Fällen gleich ist, können beide Gleichungen gleichgesetzt werden. Man erhält auf diesem Weg folgende Formel.

\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}

Damit lässt sich zum Beispiel für eine an der Primärspule angelegte Spannung die in der Sekundärspule induzierte Spannung berechnen.
Diese Formel gilt allerdings nur, solange kein Strom innerhalb der Spule fließt. Dies ist jedoch nur für unbelastete Transformatoren der Fall, da der Stromkreis in diesen nicht geschlossen ist. Schließt man nun den Stromkreis der Sekundärspule mithilfe eines Verbrauchers oder eines Widerstands, fließt ein Strom innerhalb der Sekundärspule. Dieser Fall wird als belasteter Transformator bezeichnet. Für diesen Fall ist es deshalb häufig interessant, die induzierte Stromstärke zu kennen. Da wir hier annehmen, dass es sich um einen idealen Transformator handelt, also der Transformator einen Wirkungsgrad von \eta = 1 hat, gilt, dass die dem Transformator auf der Primärspule zugeführte Leistung P_1 der von der Sekundärspule abgegebenen Leistung P_2 entsprechen muss. Diese Annahme führt dazu, dass sich die Stromstärken im Vergleich zu den Spannungen umgekehrt proportional zu den Windungszahlen verhalten, da gilt P = U \cdot I. Es gilt demnach:

\frac{I_2}{I_1} = \frac{N_1}{N_2}

Rein praktisch gilt diese Formel nur näherungsweise bei sehr kleinen Widerständen im Sekundärstromkreis und sehr verlustarmer Bauweise.

Transformator – Anwendungen

Transformatoren finden heutzutage in jedem Ladekabel Verwendung, um den Strom aus der Steckdose korrekt für den Verbraucher anzupassen. Aber auch auf dem Weg vom Kraftwerk zur Steckdose werden Transformatoren eingesetzt. So wird der vom Kraftwerk erzeugte Strom zu einer Hochspannung transformiert, da so die Verluste in den Überlandleitungen reduziert werden können. Damit der Strom jedoch in Wohnungen wieder genutzt werden kann, muss dieser anschließend zwischen der Überlandleitung und der Wohnung in einem Umspannwerk zurücktransformiert werden. Du siehst also, dass auch ein so einfaches Bauteil einen sehr großen Einfluss auf unser aller Leben haben kann.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Transformator

Ein Transformator ist dazu in der Lage, eine elektrische Spannung in eine andere elektrische Spannung umzuwandeln.

Einfach erklärt wandelt ein Transformator zum Beispiel eine hohe Spannung in eine geringere Spannung um oder umgekehrt.

Transformatoren finden in Umspannwerken, aber auch in vielen Ladekabeln Anwendung.

Die Spannung muss transformiert werden, da Lampen oder auch Handy keine hohen Spannungen vertragen. Der Transport von Strom über Überlandleitungen ist zum Beispiel jedoch mit Hochspannung deutlich effizienter als mit niedrigen Spannungen.

Damit ein Transformator funktioniert, ist es notwendig, dass sich der magnetische Fluss, der bei einer Spule proportional zur Stromstärke ist, dauerhaft ändert. Bei einem Gleichstrom ist dies nur beim Einschalten der Fall. Ist anschließend das Gleichgewicht erreicht, ändert sich der magnetische Fluss nicht mehr und es wird kein Strom mehr in die Sekundärspule induziert.

Die Spannung lässt sich ganz einfach mithilfe der Windungszahl in einem Transformator ändern. Hierbei gilt:
\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}

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