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Die Trafogesetze - Wissenswertes

Wer sich schon einmal gefragt hat, wie der Starkstrom, der in Kraftwerken produziert wird, auf haushaltsübliche Stärke reduziert wird, hat sicher auch schon von Transformatoren, kurz Trafos, gehört. Diese sind für eben diese Umwandlung zuständig und verhalten sich alle nach bestimmten Trafogesetzen.

Hochspannungstransformatoren - erst sie machen den Strom für uns verwendbar
Hochspannungstransformatoren - erst sie machen den Strom für uns verwendbar

Die physikalischen Gesetze der Trafos

Transformatoren bestehen aus einem magnetischen Kreis: meistens aus einem Eisen-  oder Ferritkern, der von zwei oder mehreren Leitern verschiedener Stromkreise umwickelt ist. Die Funktion des Trafos setzt dann ein, wenn die Wicklung der Primärseite (-spule) an Wechselspannung angeschlossen wird.

  • Idealerweise sollte nun an der sekundären Wicklung eine Wechselspannung eintreten. Die Höhe dieser Spannung steht dabei im gleichen Verhältnis wie die Windungszahlen der beiden Wicklungen zueinander.
  • Das heißt, dass die Ausgangsspannung (Sekundärseite) umso größer im Vergleich zur Eingangsspannung (Primärseite) ist, desto mehr Wicklungen sich im Verhältnis auf der Primärseite befinden. Lassen sich zum Beispiel bei 600 Wicklungen 50 Volt Spannung auf der Primärseite messen, so sind auf der Sekundärseite bei 300 Wicklungen 100 Volt Spannung zu erwarten:
    U2 = N2/N1*U1
    Dabei gilt: N1 = Anzahl Wicklungen auf der Primärseite, N2 = Anzahl Wicklungen Sekundärseite, U1 = Spannung Primärseite, U2 = Spannung Sekundärseite.
  • Die Stromstärke, die auf der Sekundärseite zu entnehmen ist, verhält sich umgekehrt proportional zur Spannung: Je mehr Spannung die Sekundärwicklungen aufweisen, desto weniger Stromstärke ist auf dieser Seite vorhanden: U1/U2 =  I1/I2.
    Hier steht I1 wiederum für die Stromstärke auf der Primärseite, I2 für die Stromstärke auf der Sekundärseite. Daher ist die Spannung auf der Sekundärseite möglichst gering zu halten, wenn viel Strom entnommen werden soll: Die Wicklungszahl auf der Sekundärseite sollte in diesem Fall also möglichst hoch sein.

Weitere Trafogesetze

  • Der bisher beschriebene Trafo stellt einen in der Praxis nicht realisierbaren, idealen Trafo dar. In der Realität ist der Wirkungsgrad nicht bei 100% wie beim Modell. Wäre er 100%, so entspräche das Produkt von Spannung und Stromstärke auf der Primärseite dem Produkt der Spannung und Stromstärke auf der Sekundärseite (I1 * U1 = I2 * U2). Die meisten Trafos haben einen Wirkungsgrad zwischen 50% und 99%. Es geht also immer ein wenig Strom bei der Verwendung von Trafos verloren.
  • Dieser Unterschied ist besonders durch Eisenverluste begründet. Darunter versteht man Magnetisierungsverluste, die sich durch Wärmeabgabe bemerkbar machen. Jene entstehen durch die permanente Ummagnetisierung der magnetischen Wechselfelder.
  • Weiterhin wirken beim Trafo noch die Widerstandsgesetze des elektrischen Stroms. Hier sind besonders die Wicklungen auf beiden Seiten zu nennen, die den Real-Transformator noch zusätzlich vom idealen Trafo unterscheiden. Außerdem treten noch Streuflüsse auf, die dafür verantwortlich sind, dass nicht der gesamte magnetische Fluss, der die Primärwicklungen durchläuft, auch bei den Sekundärwicklungen ankommt.

Die Prinzipien der Induktion, also die Trafogesetze, sind bereits seit 1831 bekannt. Der erste Trafo wurde allerdings erst einige Jahrzehnte später entwickelt. Mittlerweile sind die magnetischen Bauteile in der gesamten Industrie als auch im alltäglichen Gebrauch nicht mehr wegzudenken - allein jeder Computer besitzt einen.

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