Joachim Herz Stiftung
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.
Material
- Netzspule mit \(n=500\) / Alternativ: normale Spule und Netzanschlussdose
- Spule mit \(n=23\,000\)
- U-Kern mit Joch
- Hörner
- Isolierstiele
Versuchsaufbau
Für den Versuch wird ein Transformator wie in Abb. 1.1 bzw. Abb. 1.2 aufgebaut. Auf der Primärseite befindet sich dabei eine Netzspule mit \(n=500\) Windungen und auf der Sekundärseite eine Spule mit \(n=23\,000\) Windungen. An die Sekundärspule werden die beiden "Hörner" (entsprechend gebogene Metallstangen) angeschlossen. Große Hörner müssen dabei fest auf sicher stehenden Isolierstielen montiert werden, kleine Hörner können direkt auf die Spule gesteckt werden. Die Hörner werden jeweils so platziert, dass sie im unteren Bereich nur einen sehr kleinen Abstand voneinander haben.
Tipp: Um den Überschlag und das Aufsteigen des Lichtbogens zu unterstützen, kann wie in Abb. 1.3 ein brennendes Teelicht unter den Hörnern platziert werden (vor dem Einschalten des Versuchs entzünden!).
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, nach oben. 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.
Berechne den theoretisch maximal möglichen Abstand \(d\) der beiden Hörner beim ersten Funkenübersprung. Die Durchschlagsfestigkeit von Luft beträgt bezüglich Wechselspannungen etwa \(1{,}0\,\rm{\frac{kV}{mm}}\).