Elektrizitätslehre

Transformator - Fernübertragung

Hörnertrafo

  • Wofür sind die vielen kleinen Netzgeräte zu Hause gut?
  • Was befindet sich in den brummenden Transformatorkästen?
  • Warum transportiert man elektrische Energie mit Hochspannung?

Hörnertrafo

Ziel des Versuchs

Mit dem Versuch kannst du eindrucksvoll zeigen, dass bei geeigneter Wahl der Windungszahl von Primär- und Sekundärspule die Spanuung "hochtransformiert" wird.

Achtung

Sicherheitshinweis

Im folgenden Versuch entstehen auf der Sekundärseite des Transformators Spannungen von mehreren Tausend Volt. Bei Kontakt besteht Lebensgefahr, insbesondere da durch den Einsatz des Transformators typische Schutzeinrichtungen wie der Fehlerstromschutzschalter nicht greifen!

Der Versuch darf nur von Lehrkräften nach der Erstellung einer entsprechenden Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden! Er ist ungeeignet für Prüfungs- und Vorführstunden.

Versuchsaufbau

Für den Versuch wird ein Tranformator aufgebaut. Auf der Primärseite befindet sich dabei eine Netzspule mit \(n=500\) Windungen und auf der Sekundärseite eine Spule mit \(n=23000\) Windungen. An die Sekundärspule werden die beiden auf Isolierstiele monitierte "Hörner" (entsprechend gebogene Metallstangen) angeschlossen. Dabei werden die Hörner so platziert, dass sie im unteren Bereich nur einen sehr kleinen Abstand voneinander haben.

Versuchsaufbau des Hörnertrafos
Abb.
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Versuchsaufbau des Hörnertrafos

Durchführung im Video:

Die Netzspule wird (evtl. über eine Steckerleiste) eingeschaltet.

Beobachtung und Erklärung

Der Trafo mit den entsprechend gewählten Windungen transformiert die angelegte Netzspannung nach oben. An den beiden Hörnern liegt also eine sehr hohe Spannung an. Durch diese sehr hohe Spannung springt im unteren Bereich der beiden Hörner ein Funke über, der die Luft ionisiert und leitend macht. Der dadurch fließende Strom von etwa \(100\,\rm{mA}\) erwärmt die Luft dieses "Blitzkanals". Die erwärmte Luft steigt in der umgebenden kalten Luft, unterstützt durch die Form der Hörner. Dabei wächst die Länge des Blitzkanals bis dieser schließlich "reißt". Nun beginnen die Vorgänge wieder von vorne und im unteren Bereich bildet sich ein neuer Blitzkanal.

Aufgabe

Berechne die Spannung \(U_{\rm{S}}\), die am Ausgang der Sekundärspule anliegt.

Lösung

Mit \({{U_{\rm{P}}} = 230\,{\rm{V}}}\), \({{N_{\rm{P}}} = 500}\) und \({{N_{\rm{S}}} = 23000}\) ergibt sich
\[\frac{{{U_{\rm{S}}}}}{{{U_{\rm{P}}}}} = \frac{{{N_{\rm{S}}}}}{{{N_{\rm{P}}}}} \Leftrightarrow {U_{\rm{S}}} = {U_{\rm{P}}} \cdot \frac{{{N_{\rm{S}}}}}{{{N_{\rm{P}}}}} \Rightarrow {U_{\rm{S}}} = 230\,{\rm{V}} \cdot \frac{{23000}}{{500}} = 10580\,{\rm{V}}\]

Berechne den theoretisch maximal möglichen Abstand \(d\) der beiden Hörner beim ersten Funkenübersprung. Die Durchschlagsfestigkeit von Luft beträgt bezüglich Wechselspannungen etwa \(1{,}0\,\rm{\frac{kV}{mm}}\).

Lösung

Da zwischen den Hörner eine Spannung von \(U_\rm{S}\approx 11\,\rm{kV}\) anliegt, beträgt der theoretisch maximal mögliche Abstand der beiden Hörner im unteren Bereich etwa \(d=11\,\rm{mm}\).

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