Elektrische Geräte arbeiten mit unterschiedlichen Betriebsspannungen. Während die Elektronik eines Handys auf einer Spannung von circa 4V basiert, sind Laptops oder Tablets intern meist auf circa 20V ausgelegt.Beide Geräte lassen sich aber an Steckdosen anschließen, die eine sogenannte Netzspannung von 230V zur Verfügung stellen. Diese Netzspannung ist wesentlich höher als die von den Geräten benötigte Betriebsspannung. Um die nötige Betriebsspannung zu erhalten, benutzt man einen Transformator. Dieser besteht aus zwei miteinander gekoppelten Spulen, die mit Wechselspannungbetrieben werden. In diesem Versuch wird untersucht, wie sich mit einemTransformator eine Wechselspannung verändern lässt. Am Ende wird man sogar die Transformation berechnen können.

Dafür wird benötigt: Spule (N=1200), Spule (N=600), U-I-Kern, Stromversorgungsgerät AC, Multimeter mit Kabel (2x) und Kabel (2x)

In unserem Experiment der Woche haben wir für die Schüler*innen schon alles aufgebaut und sie können die Aufgaben dennoch lösen.

So wird es gemacht: Die Spulen mit 1200 und 600 Windungen werden zunächst auf den U-Kern gesteckt. Die Schenkel des U-Kerns werden mit dem I-Kern verbunden und mit der Zugstange festgeschraubt. Anschließend wird die Primärspule direkt mit dem regelbaren Ausgang für Wechselspannung am Netzgerät verbunden. Da Schülernetzgeräte in der Regel nicht stabilisiert sind, muss im Primärkreis die Primärspannung mit einem Messgerät bestimmt werden.
Abschließend wird die Spule im Sekundärkreis direkt an das zweite Messgerät angeschlossen. Sind alle Eingangsfragen zum Anschluss der Messgeräte sowie dem Messablauf auf dem Arbeitsblatt bearbeitet, erfolgt die Inbetriebnahme des Aufbaus.
Mit dem regelbaren Netzgerät wird die Primärspannung U1 im Intervall von 0 V bis 12 V eingestellt und die Sekundärspannung U2 gemessen.
Hat man das Windungsverhältnis N1/N2 = 1200/600 durchgemessen, können weitere Windungsverhältnisse abgegriffen und neue Spannungsreihen gemessen werden. Mögliche Verhältnisse der Windungszahlen von Primärspule N1 und Sekundärspule N2 sind 300 : 600, 300 : 1200, 600 : 600, 600 : 1200 sowie beim Tausch der Primär- mit der Sekundärspule zusätzlich 600 : 300, 1200 : 600 und 1200 : 300.

Wie muss ein Transformator gebaut sein, damit er die Netzspannung auf die Betriebsspannung a) eines Handys und b) eines Laptops transformieren kann?

Hier das passende Arbeitsblatt zu unserem Experiment der Woche "der Transformator" zum KOSTENLOSEN Download.

Auswertung

Da im Sekundärkreis kein Verbraucher angeschlossen ist, handelt es sich um einen unbelasteten Transformator. Der für den unbelasteten Transformator geltende Zusammenhang
​ N1/ N2 ​ = ​ U1 / U2 ​lässt sich gut aus den Daten der Beispielmessung ableiten.
Aufgrund der Verluste liegt die Sekundärspannung wie erwartet unter dem theoretisch erhaltenen Wert. Der Messfehler beträgt insgesamt ca. 5 %.
Benutzt man die Gleichung des unbelasteten Transformators, um die Anforderungen an Transformatoren in Netzgeräten für Handys (5 V) und Laptops (20 V) zu berechnen, ergeben sich für die Wicklungs­verhältnisse WHandy = ​ 230 V / 5 V ​ = 46   und   WLaptop ​ = 230V /20 V ​ ≈ 11,5.

Haben wir das Interesse an naturwissenschaftlichen Experimenten geweckt?

Hier eine kleine Auswahl unserer Experimentier-Sets für den Physik-Unterricht.