Lösungen zu den Stationen (PDF)

Station 2 (Elektrische Zahnbürste)
a) Damit der Akku der Zahnbürste aufgeladen werden
kann, musst du die Bürste auf das Ladegerät setzen.
Beschreibe die Vorgänge im Transformator der Zahnbürste.
Die Primärspule wird über die Steckdose mit
Wechselspannung betrieben. Dadurch entsteht
dort ein sich ständig änderndes Magnetfeld. Die
Sekundärspule befindet sich in der Zahnbürste
und wird beim Aufstecken auf das Ladegerät mit
der Primärspule magnetisch gekoppelt. In der
Sekundärspule wird nun eine Wechselspannung
induziert, mit der der Akku in der Zahnbürste geladen
wird.
b) Erkläre, warum eine leitende Verbindung zwischen Primär- und Sekundärspule der Zahnbürste
gefährlich wäre?
Eine leitende Verbindung birgt die Gefahr eines Stromschlags, weil die elektrische
Zahnbürste meistens in Nassräumen (Badezimmern) verwendet wird.
c) Angenommen, bei der elektrischen Zahnbürste soll die Netzspannung von 230 V auf 4,6
V verringert werden. Du hast eine Primärspule mit 2000 Windungen. Welche Windungszahl
muss die Sekundärspule haben? Berechne!
Es gilt N 1
=
N 2
U1 U2 .
Hier ist U =230 V , U =4,6 V , N =2000 1 2 1 .
Wir stellen die Formel um und lösen nach N2 auf: N = 2 U 2
⋅N = 1
U 1
4,6
⋅2000=40 .
230
Die Sekundärspule muss also 40 Windungen haben.

Station 3 (Induktionsschmelzofen)
Die Abbildung zeigt einen Modellversuch zu
einem Induktionsschmelzofen. In der ringförmigen
Wanne auf der Sekundärseite kann Metall
zum Schmelzen gebracht werden.
Die Primärspule 375 Windungen. Es fließt ein
Strom von 1,35 A. Wie groß ist der Strom der
Sekundärspule (eine Windung)? Berechne!
Es gilt N 1
=
N 2
I2 I1 .
Hier ist N =375, N =1, I =1,35 A .
1 2 1
Wir lösen die Formel nach I2 auf: I = 2 N 1
⋅I = 1
N 2
375
⋅1,35=506,25A .
1

Station 1 (Transformator – Grundlagen)
a) Beschrifte das Bild mit den folgenden Bezeichnungen: Primärspule, Sekundärspule, N1,
N2, U1, U2
U1
Primärspule
N1
b) Achte auf die Spannungsanzeigen im Bild. An welcher Seite des Transformators ist die
Spule mit der höheren Windungszahl?
Auf der linken Seite. Die höhere Windungszahl ist immer da, wo die Spannung
höher ist.
c) Nenne drei Anwendungen für Transformatoren.
Hochspannungstransformator, Schweißtransformator, Handyladegerät
d) Beschreibe die Funktionsweise eine Transformators in drei kurzen Sätzen.
Betreibt man die Primärspule mit Wechselspannung, so wird dort ein sich
ständig änderndes Magnetfeld erzeugt. Dieses wird z.B. mithilfe eines
Eisenkerns in die Sekundärspule gekoppelt. Dort wird eine Wechselspannung
induziert.
e) Angenommen N1 = 200. Wie groß ist dann N2 beim Transformator dieser Aufgabe? Berechne!
Es gilt N 1
=
N 2
U1 U2 .
Hier ist U =4 V , U =1,9 V , N =200 1 2 1 .
Sekundärspule
Wir stellen die Formel um und lösen nach N2 auf: N = 2 U 2
⋅N = 1
U 1
1,9
⋅200=95 .
4
Die Sekundärspule muss also 95 Windungen haben.
N2
U2

Station 4 (Hochspannungstransformator)
Schließt man die Tischsteckdose an das 230 V Netz an und schaltet den Schalter ein, so beobachtet
man einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden.
a) Wie kommt es deiner Meinung nach zu dem Funkenüberschlag an den Elektroden? Welche
Funktion hat der Transformator dabei?
Der Transformator transformiert die Primärspannung auf das 20-fache
(12000:600 = 20). Es entsteht also auf der Sekundärseite eine sehr hohe
Spannung. Diese ist so hoch, dass die Luft zwischen den Elektroden kurzzeitig
leitend wird. Es gibt eine Entladung zwischen den Elektroden, die als
Funkenüberschlag zu sehen ist.
b) Wie groß ist die Primärspannung U1, die Windungszahl der Primärspule N1 und die Windungszahl
der Sekundärspule N2? Berechne mit diesen Angaben die Sekundärspannung
U2.
Aus der Abbildung liest man ab: U 1 =230 V , N 1 =600, N 2 =12000 .
Es gilt N 1
=
N 2
U1 U2 .
Wir lösen die Formel nach N2 auf: U = 2 N 2
⋅U = 1
N 1
12000
⋅230=4600V .
600
c) An der Sekundärseite misst man einen Strom I2 = 0,08 A. Wie groß ist die elektrische
Leistung P2 auf dieser Seite?
Es ist P 2 =U 2 ⋅I 2 =4600⋅0,08=368 W (Watt).
d) Wie müsste man diesen Transformator umbauen, damit er zum Elektroschweißen geeignet
wäre?
Man müsste Primär- und Sekundärspule vertauschen.

Station 5 (Zum Rechnen)
1. Eine 4,5 V Lampe soll über einen Transformator mit N1 = 250 am üblichen Spannungsnetz
(230 V) betrieben werden. Wie viele Windungen muss die Sekundärspule haben?
Es gilt N 1
=
N 2
U1 U2 .
Hier ist U =230 V , U =4,5 V , N =250 1 2 1 .
Wir stellen die Formel um und lösen nach N2 auf: N = 2 U 2
⋅N = 1
U 1
4,5
⋅250=4,89 .
230
Die Sekundärspule muss also 5 Windungen haben.
2. Ein Hochspannungstransformator zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromstärke I2
auf der Sekundärseite sehr niedrig ist. Durch einen Transformator dieser Art fließt eine
Primärstrom I1 = 6,8 A. N1 = 12, N2 = 3600. Wie groß ist der Sekundärstrom I2?
Es gilt N 1
=
N 2
I2 I1 .
Hier ist N =12, N =3600, I =6,8 A 1 2 1 .
Wir lösen die Formel nach I2 auf: I = 2 N 1
⋅I = 1
N 2
12
⋅1,8=0,006 A=6 mA .
3600