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Versuche

Hochstromtransformation

Ziel des Versuchs

Mit den Versuchen zeigst du, dass ein Hochstromtransformator sehr hohe Ströme im Sekundärkreis ermöglicht.

Versuchsaufbau zum "Schweißen" eines Nagels

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau zum "Hochstromschweißen"
Für die folgenden Versuche baust du einen Hochstromtransformator auf. Dieser besteht auf der Primärseite aus einer Netzspule \(U=230\,V\) mit \(N=500\) Windungen und auf der Sekundärseite einer Spule mit \(N=5\) Windungen. Den Sekundärkreis schließt du zunächst durch das Einspannen eines Nagels. Zusätzlich brauchst du einen Handschuh und eine Zange, da der Nagel und seine Halterungen nach dem Versuch heiß sind.

Versuchsdurchführung

Bei ausgeschalteter Netzspule spannst du den Nagel in die entsprechenden Halterungen auf der Sekundärseite des Hochstromtransformators ein. Dabei den Nagel so festschrauben, dass er von den Halterungen leicht "auseinandergezogen" wird.

Versuchsdurchführung im Video

Aufgabe

a) Erläutere, warum im Versuch die Verwendung eines Hochstromtransformators notwendig ist und der Nagel nicht einfach an das Haushaltnetz angeschlossen wird, um ihn zum Glühen zu bringen.

Lösung

a) Der Nagel besitzt einen sehr geringen Widerstand. Würdest du ihn direkt an das Haushaltnetz anschließen, so würde (hoffentlich!) die Sicherung deines Haushaltnetzes sofort auslösen und den Stromkreis unterbrechen. Typischerweise sind Stromkreise im Haushalt mit \(16\,\rm{A}\) abgesichert. Übersteigt der fließende Strom diesen Wert, so löst die Sicherung aus.

b) Berechne die maximale Stromstärke, die im Sekundärkreis fließen kann, wenn der Primärkreis mit \(16\rm{A}\) abgesichert ist.

c) In der Netzspule ist ebenfalls eine Sicherung verbaut. Berechne die maximale Stromstärke, die im Sekundärkreis fließen kann, wenn die Netzspule mit \(6\rm{A}\) abgesichert ist.

Lösung

b) Mit \({{I_{\rm{P}}} = 16\,{\rm{A}}}\), \({{N_{\rm{P}}} = 500}\) und \({{N_{\rm{S}}} = 5}\) ergibt sich
            \[\frac{{{I_{\rm{P}}}}}{{{I_{\rm{S}}}}} = \frac{{{N_{\rm{S}}}}}{{{N_{\rm{P}}}}} \Leftrightarrow {I_{\rm{S}}} = {I_{\rm{P}}} \cdot \frac{{{N_{\rm{P}}}}}{{{N_{\rm{S}}}}} \Rightarrow {I_{\rm{S}}} = 16{\rm{A}} \cdot \frac{{500}}{5} = 1600\,{\rm{A}}\]

c) Mit \({{I_{\rm{P}}} = 6\,{\rm{A}}}\), \({{N_{\rm{P}}} = 500}\) und \({{N_{\rm{S}}} = 5}\) ergibt sich
            \[\frac{{{I_{\rm{P}}}}}{{{I_{\rm{S}}}}} = \frac{{{N_{\rm{S}}}}}{{{N_{\rm{P}}}}} \Leftrightarrow {I_{\rm{S}}} = {I_{\rm{P}}} \cdot \frac{{{N_{\rm{P}}}}}{{{N_{\rm{S}}}}} \Rightarrow {I_{\rm{S}}} = 6\,{\rm{A}} \cdot \frac{{500}}{5} = 600\,{\rm{A}}\]

Versuchsaufbau zur Messung der Stromstärke

Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Messung der Stromstärke im Sekundärkreis
Um zu messen, wie groß der Stromfluss im Sekundärkreis in etwa ist, erweiterst du den Versuchsaufbau um eine Stromzange. Mit dieser musst du einen Leiter im Sekundärkreis umfassen und kannst dann berührungslos den durch diesen Leiter fließenden Strom messen. Eine Stromzange arbeitet dabei ähnlich wie der Transformator mit Induktion. Stromzangen eigenen sich daher besonders für das Messen großer Ströme.

Durchführung

Den Messbereich an der Stromzange wählst du möglichst groß - hier bis \(600\,\rm{A}\). Auch musst du die Stromzange auf Wechselspannung einstellen. Anschließend "klickst" du die Zange um einen Leiter, schaltest due Netzspule ein und beobachtest du Messwerte an der Stromzange.

Versuchsdurchführung im Video

Glühlampe statt Nagel im Sekundärstromkreis

Joachim Herz Stiftung
Abb. 5 Glühlampe im Hochstromtrafo
Zum Abschluss kannst du mit dem Hochstromtransformator noch ein weiteres Experiment machen. Dazu baust du anstelle des Nagels eine einfache Glühlampe bspw. mit den Kennwerten \(2{,}5\,\rm{V}\) und \(0{,}3\,\rm{A}\) in den Sekundärkreis des Transformators ein.

Aufgabe

Stelle eine begründete Vermutung auf, was beim Einschalten der Netzspule mit der Glühlampe passiert. Brennt die Lampe sofort durch, leuchtet sie normal auf und tut sich gar nichts?

Lösung

Prüfe deine Vermutung mit dem Video nach der Überschrift "Versuchsdurchführung im Video".

Versuchsdurchführung im Video