Sonntag, 26. April 2020

Rückblick und Ausblick

Dieser Blog hat 4 Wochen Unterrichtsausfall ersetzt.
Schauen wir mal zurück:

In Q1 und Q2 beschäftigt man sich mit elektrischen und magnetischen Feldern.
Eigentlich haben wir uns ausschließlich mit dem Lebenswerk von Michael Faraday auseinandergesetzt.
Michael Faraday (1791-1867), ein Laborgehilfe ohne Schulbildung, aber mit immenser Vorstellungskraft, hat den Begriff des Feldes erfunden und damit dann anschaulich, ohne jegliche Formel, beschrieben, wie sich Kraftwirkungen ausbreiten.
Ihm war schon klar, dass die Felder aus Substanzen bestehen, auch wenn er keine Ideeehatte aus welchen.
Faraday, wikimedia
Maxwell, wikimedia

James Clerk Maxwell (1831 - 1879) war ein hochgebildeter Aristokrat, mathematisch hochbegabt. Er hat Faradays Visionen in mathematische Gleichungen umgesetzt.
Seine Maxwellschen Gleichungen, die eigentlich nichts anderes sind als geometrische Regeln, mit denen man Pfeile und Kreise zeichnen kann, haben wir ebenfalls schon kennengelernt. Und ich habe zumindest gesagt, dass man alle (!!) elektrischen und magnetischen Phänomene durch zwei Formeln beschreiben kann:

dF = 0
d*F = j

Dabei ist das d das Gleiche, was wir in der Differnzialrechnung und unter dem Integral als d beim dx kennen. * ist eine besondere Rechenanweisung, F ein Zahlenschema (ein mehrdimensionaler Vektor, ein sog. Tensor), das im wesentlichen die Feldstärken enthält, und j die Stromdichte.

Maxwell und Faraday, das Dreamteam der Physik,  haben gezeigt, dass unsere Welt neben den bekannten Teilchen auch noch eine zweite Art von Substanz enthält, das Feld.

In Q3 werden wir lernen, dass es nur eine Substanz gibt, die Quanten.

Maxwell und Faraday haben Regeln gefunden, mit denen wir selbst modernste Geräte wie Computer und Laser verstehen können. Wir haben entsprechend ja auch schon die Halbleitertechnik und die digitale Elektronik kennengelernt.

Wie geht es weiter:

Maxwell hat erkannt, dass seine Gleichungen zeigen, dass Faradays Feldlinien auch Wackeln können... und dass sich dieses Wackeln auch durch Raum und Zeit ausbreitet. Er hat die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit seinen Gleichungen berechnet und bemerkt, dass die Lichtgeschwindigkeit herauskommt.

Ihm war klar, dass Licht aus wackelnden faradayschen Linien bestehen muss.

Und Heinrich Hertz hat kurze Zeit später wackelnde elektrische Feldlinien niedriger Wackelfrequenz als Radiowellen nachweisen können.
spreadshirt

Im letzten Post habe ich die Hummeln bewundert, die elektrische Felder "sehen". Im Prinzip können wir das auch, wir erkennen elektrische Felder aber nur, wenn ihre Feldlinien wackeln...und die Wackelfrequenz nennen wir Farbe.

Also, so neidisch müssen wir auf Hummeln nicht sein.

Schwingkreise bringen Feldlinien zum Wackeln. Damit sie das effektiver machen, müssen wir sie entdämpfen und die Frequenz erhöhen. Dann können wir die wackelnden Feldlinien über weite Bereiche nachweisen, so wie Hertz es getan hat..

Genau das werden wir jetzt erarbeiten und dann verstehen, wie W-Lan, Handys und Radiosender funktionieren...

Damit endet dieser Blog.

Freitag, 24. April 2020

Mal was ganz anderes...

hat mich heute richtig fasziniert:

Fliegende Hummeln sind elektrisch positiv geladen (durch die Reibung in Luft), viele Blüten negativ, jedenfalls solange noch keine Hummel den Nektar geholt hat.

Mit den kleinen Haaren  im Pelz erkennen die Hummeln die elektrischen Felder und wissen schon beim Anflug ob sich die Landung lohnt und drehen gegebenenfalls ab....

Die Haare des Pelzes vibrieren in einem elektrischen Feld, das kennt ihr auch, wenn man z.B. einen geladenen Luftballon an mit Haaren besetzte Haut hält...das kribbelt irgendwie.

Dabei können Haare und Fühler von Insekten sogar den  Verlauf der Feldlinien erkennen und zur Orientierung verwenden.

Wir haben ja auch schon erfahren, dass in der Netzhaut vieler Vögel magnetische Sensoren sind, die eine Orientierung nach den Magnetfeldlinien der Erde ermöglicht.

Es ist kaum zu glauben, wie reichhaltig die Sinneserfahrungen  dieser kleinen Viecher sind...#

Spektrum der Wissenshcaft 4/20



Mittwoch, 22. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 10: Übungsaufgabe

Vieles aus den letzten Posts (Teil 10) liest man sich nur durch. Es ist eigentlich kein Prüfungsstoff.

Ich habe das trotzdem etwas ausführlicher gepostet, da es ja unser technsicher Alltag ist!

Trotzdem habe ich vor einigen Jahren einmal eine Abituraufgabe zu diesem Thema gefunden, die fast ausschließlich mit Formeln arbeitet, die man in der Mittelstufe nutzt, eigentlich nie in der Oberstufe.

Eine solche Aufgabe habe ich auch bei Leifi entdeckt. Nicht selbst rechnen, aber die Lösung ansehen und sich die Ideen notieren!


Mittelstufenstoff fürs Abitur

Am Wochenende poste ich noch Teil 11: Poyntingvektor. das besprechen wir aber gemeinsam dann im Unterricht, aber dann ist hier alles vollständig enthalten.

 Übrigens: Alles was wir während der Corona-Zeit gemacht haben, findet ihr in eurem Physikbuch
Impulse auf den Seiten 150 - 162, sogar ausführlicher. 

Wechselstromtechnik Teil 10: Energieverluste



schullv
In vielen Zusammenhängen haben wir gesehen, dass elektrischer Strom bei einem ohmschen Widerstand den Draht erwärmt und deshalb Energie verliert. Man merkt das am Spannungsabfall.

Im Video von Eugene wird darauf auch am Ende eingegangen. Ruhig nochmal ansehen.

Formel für Energieverlust:

Leistung P = U * I = R * I², wenn man U = R * I ersetzt.

Der Energieverlust hängt also quadratisch von der Stromstärke ab.

Deshalb transformiert man die vom Kraftwerk erzeugten Spannungen  nach oben, denn dabei sinken die Stromstärken und damit der Energieverlust.

Beispiel:

Überträgt man elektrische Energie statt bei 230 V mit 23000 V (man muss die Spannung dazu hochtransformieren), sinkt der Strom um einen Faktor 100 (230 * 100 = 23 000)  und der Energieverlust sogar  um einen Faktor 10 000!

Natürlich muss man dann am Ende der Übertragungsstrecke, die Spannung wieder herunter transformieren. Aber der Aufwand lohnt sich.

Da aber Wechselstrom auch Radiowellen abstrahlt (lernen wir noch), gibt es einen zusätzlichen Energieverlust längs der Hochspannungsleitungen. Ideal wäre es, wenn man Gleichstrom verwenden könnte.

Früher konnte man Gleichstrom nicht hoch- oder herunter transformieren (Trafos funktionieren logischerweise nicht mit Gleichstrom).
Inzwischen ist es aber mit Halbleiterschaltungen leicht möglich, auch Gleichstrom zu transformieren und es gibt erste Hochspannungsleitungen, die mit Gleichstrom betrieben werden, insgesamt wohl schon über 1000 km.
Bei einer Gleichstromleitung kann der Energieverlust nochmal halbiert werden.

Ein Gleichstromnetz hat auch einen gewaltigen Vorteil: Solarzellen liefern Gleichstrom, den könnte man viel leichter einspeisen!

Irgendwann wird es Supraleiter geben, die bei normalen Temperaturen arbeiten. Dann lässt sich elektrische Energie vollkommen verlustfrei übertragen.

Da man elektrischen Strom nicht effektiv speichern kann, muss immer soviel im Umlauf sein, wie gerade benötigt wird.
Das hat zu komplexen Regelungssystemen geführt, die u.a. von Fraunhofer IEE in Kassel entwickelt und erforscht werden.


Wechselstromtechnik Teil 10: Struktur des deutschen Stromnetzes

Ich zitiere teilweise einen Artikel von Hermann-Friedrich Wagner aus Welt der Physik vom 20.8.17:

Unser Stromnetz weist vier Spannungsebenen auf, die mit Wechselstrom betrieben werden und durch Transformatoren miteinander verbunden sind.

Die Höchstspannungsebene arbeitet mit 220 000 Volt und 380 000 Volt und hatte nach Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums im Jahr 2016 in Deutschland eine Länge von circa 35 000 Kilometern. Sie bildet den Anschluss an die europäischen Netze und dient zur Verbindung der Ballungsräume über große Entfernungen mit großen Fernleitungen sowie zur Versorgung sehr großer Industriebetriebe. Ihre Leitungen sind die Autobahnen des deutschen Stromnetzes.

An diese Ebene sind die Großkraftwerke angeschlossen. Die Energie wird durch Umspannwerke an die Hochspannungsebene übergeben, welche mit Spannungen von 60 000 bis 220 000 Volt operiert und eine Länge von etwa 77 000 Kilometern aufweist. Sie dient der überregionalen Verteilung des Stroms und beliefert lokale Stromversorger sowie große Industrieanlagen, größere Gewerbebetriebe und die Eisenbahnen.

Die nächste Ebene, die Mittelspannungsebene, arbeitet bei 6000 bis 60 000 Volt, hat eine Länge von etwa 479 000 Kilometern und beliefert unter anderem regionale Verteilernetze sowie kleinere und mittlere Betriebe in der Industrie und im Gewerbe wie zum Beispiel Krankenhäuser.

Die Niederspannungsebene liefert schließlich den Strom mit der bekannten Spannung von 230 Volt oder 400 Volt an die Endverbraucher wie zum Beispiel die Haushalte, kleinere Gewerbeunternehmen und landwirtschaftliche Betriebe. Die Länge dieses Netzes betrug 1,23 Millionen Kilometer.
Das gesamte Stromnetz hatte 2016 eine Länge von etwa 1,8 Millionen Kilometern und benötigt zur Versorgung der unterschiedlichen Spannungsebenen 550 000 Transformatoren. Etwa 1,45 Millionen Kilometer dieses Netzes oder fast 81 Prozent waren 2015 Erdkabel. Da sich der Strom praktisch nicht speichern lässt, muss in dieses Netz in jeder Sekunde so viel Energie eingespeist werden wie benötigt wird, was einen enormen Aufwand an Regelungskapazität bedeutet, um das Netz stabil zu halten.


90 Sekunden Einführung findet ihr in diesem Video:




Dienstag, 21. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 9: Anwendung der Transformatoren, Abschnitt 3: Schmelzen und Schweißen

Wenn man durch elektrischen Strom Metalle zum Schmelzen bringen will, müssen viele Elektronen an die Ionen knallen, damit deren Verbindungen untereinander  geschwächt werden:
Man braucht also hohe Ströme!
Also betreibt man die Vorrichtungen durch einen Trafo, der auf der Sekundärseite eine deutlich kleinere Windungszahl hat als auf der Primärseite.
Dadurch wird die Spannung runter transformiert (in einer Schmelze reicht eine kleinere Spannung aus, denn die ist gut leitend) und die Stromstärke rauf.

Warum sind die Sekundärwindungen so dick?

Der Draht der Sekundärwindungen soll einen möglichst kleinen Widerstand haben, damit der sich nicht erwärmt...wir wollen ja nicht den Trafo schmelzen...

Zwei kleine Demoversuche  dazu kann ich euch zeigen:

Schweißen


Bitte nicht nachmachen:



Schmelzen (mit Outtakes):


Dieser Blog wird noch einen weiteren Eintrag zum Thema Trafo erhalten und dann beendet sein.

Montag, 20. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 9: Anwendung der Transformatoren, Abschnitt 2: Der Tesla-Trafo macht Musik


Ein ganz berühmter Trafo  ist der Tesla-Transformator.


Im SFN haben wir unter strengsten Sicherheitsvorkehrungen mal ein Team gehabt, dass einen nachbauen wollte. Zum Glück hat er nie funktioniert...
Es gibt aber Bausätze für Kinder, damit haben zwei Mädchen einen kleinen ungefährlichen Tesla-Trafo gebaut und damit sogar Musik übertragen.

Was ist das eigentlich?

Nikola Tesla (1856-1943) war ein kroatischer Erfinder, der viele technische Neurungen entwickelt hat, aber nach 1900 voll in den esoterischen Bereich abgedriftet ist.


Sein Tesla-Trafo hat keine praktische Bedeutung, ist aber ein Megashow-Gerät geworden...

Um einen Tesla-Trafo zu verstehen, müsst ihr euer bisheriges Wissen zusammentragen:

Der Trafo besteht aus zwei Schwingkreisen, die in Resonanz sind und die als Trafo zusammengeschaltet sind. Wegen der hohen Frequenzen (30 kHz bis 500 kHz)  braucht man aber keinen Eisenkern, das Magnetfeld allein reicht zur Übertragung aus.

Der Primärschwingkreis pumpt wegen der Resonanz ständig Energie in den Sekundärschwingkreis. Da gleichzeitig auch die Spannung erhöht wird, entstehen gewaltige Blitze.
Leicht treten Spannungen von 100 kV auf.

mmons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5555557


Moduliert man die Primärspannung mit Musik, dann schwingen die Plasmawolken mit der Tonfrequenz und ein unwirklicher Sound ist zu hören...

Viel Spaß beim Anschauen der Videos...






In Stereo:

und zun Abschluss mein Lieblingsstück, obwohl ich Filme nicht mag

Ergänzung: Zeitlupe

Man erkennt manchmal, wie der Entladungsbogen als Plasmawolke noch nach dem Ablösen über den Elektroden schwebt...




Und hier alles im Zeitlupenfilm:



Wechselstromtechnik Teil 9: Anwendung der Transformatoren, Abschnitt 1: Hochspannungstrafo

Hochspannungstrafo

Wie erzeugt man Hochspannung? Einfach einen Trafo mit kleiner  Windungszahl auf der Primärseite und großer Windungszahl auf der Sekundärseite.
Und natürlich brauchen wir Wechselspannung.

Ich möchte auf das Stromnetz zurückgreifen, dann hat man schon mal effektiv 230 V und einen Spitzenwert von 1,4*230 = 322 V  (Wo kommt der Faktor 1,4 her???).
Die Primärspule hat mit 500 Windungen eine so große Induktivität, dass der Wechselstromwiderstand bei der Netzspannung ausreichend niedrige Ströme ermöglicht. Ich kann sie direkt ans Stromnetz anschließen.

Auf der Sekundärseite habe ich 23 000 Windungen, d.h. eine Spannungserhöhung um 23000/500 = 46 -fach. Wir kommen also auf Spitzenwerte von fast 15 kV.

Die Stromstärken sind klein, reichen aber für ausreichende Effekte aus. Die Luft zwischen den beiden Blitzableitern, die an den Enden der Sekundärspule stecken,  wird ionisiert, der Widerstand sinkt, es bildet sich ein breiter Blitz aus, die Luft erwärmt sich und steigt zusammen mit dem Blitz auf.

Viel Spaß beim Zuschauen...




Im nächsten Post lernen wir den berühmten Tesla-Transformator kennen und wie man damit Musik machen kann....


Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 5 Phasenverschiebungen

In diesem Post möchte ich zeigen, wieso die Sekundärspannung genau entgegengesetzt zur Primärspannung verläuft (Phasenverschiebung 180°).
Hier noch einmal das Video zum Versuch:


Schauen wir uns meine drei Zeichnungen an (Amplituden und Frequenzen beliebig angenommen):

Oberes Bild:
Wie an jeder Spule gilt auch für die Primärspule: U vor I (um 90° oder T/4)

Mittleres Bild: 
Die Stromstärke bestimmt das Magnetfeld B und damit den magnetischen Fluß
Φ = B * A.
Für die Induktionsspannung ist aber die Änderung des magnetischen Flusses entscheidend, also
dΦ/dt.
Wir müssen also die Stromstärkekurve differenzieren. An den Hoch- und Tiefpunkten ist die Ableitung 0, am ersten Nulldurchgang maximal positiv und am zweiten Nulldurchgang minimal negativ.
Wir erhalten die im mittleren Bild dargestellte sinus-Kurve.
(Wer jetzt verwirrt ist:  nehmt in der oberen I(t) - Kurve den Sinusteil (habe das durch  einen Pfeil markiert) und ihr seht, der geht wie erwartet in einen cos-Teil im mittleren Bild über. Die Ableitung vom sinus ist eben der cosinus)

Unteres Bild:
Das Induktionsgesetz sagt U = - n*dΦ /dt, um also zur Spannungskurve auf der Sekundärseite zu kommen, muss man einfach die Kurve im mittleren Bild umklappen...

Und dann seht ihr: Die beiden schwarzen Kurven (obere Primärspannung, untere Sekundärspannung) verlaufen genau gegenphasig.

Ich denke, das war eine schöne Übung zu Phasenunterschieden, Induktionsgesetz und Ableiten...


Trafo für ein Küchengerät, Flexotiger

Sonntag, 19. April 2020

It´s erneut Videotime with Eugene....


Auch zum Trafo hat er ein nettes Filmchen gebastelt...
Im zweiten Teil erklärt der Film sehr schön, welche Bedeutung Trafos bei der Energieübertrgaung vom Kraftwerk zum Haushalt haben. Könnt ihr das in zwei Sätzen formulieren?

Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 4 Leistung und Windungszahlen

Die meisten der Bilder scheinen wieder aufzutauchen, also wage ich es, weiter zu posten...
Ich bitte weiterhin um Rückmeldung, wenn irgendwo Bilder durch ein - Zeichen ersetzt sind..., ich kann das im Gegensatz zu Google relativ schnell in Ordnung bringen...

Herleitung der Transformationsformeln


Ich hatte euch ja schon einmal zum Einstieg einen Link auf Leifi gegeben. Es wäre sinnvoll, den jetzt noch einmal zu überfliegen:

Hinführung zur Physik des Trafos

In der Schule spielt nur der unbelastete ideale Transformator eine Rolle.
Das bedeutet:
Auf der Sekundärseite fließt kein Strom. Das gesamte in der Primärspule erzeugte Magnetfeld wird in die Sekundärspule geleitet.
Alle Spulen haben keine ohmschen Widerstände.

sps lehrgang

wiki
Dann haben wir auf der Primärseite zwei Spannungsquellen:
Einmal die angelegte Spannung Up(t), die wir ja transformieren wollen, und dann die in der Primärspule erzeugte Induktionsspannung Uind(t).

Bei einem belasteten Trafo sieht das alles viel komplizierter aus, das werden wir hier aber nicht behandeln, ihr wisst aber schon: Der Trafo sorgt über Rückkopplungen dafür, dass der Wirkstrom, der auf der Sekundärseite abgegriffen wird, als Wirkstrom in die Primärseite reinfliesst:

trels

Spannungsquelle und Primärspule bilden einen Stromkreis und deshalb muss die Summe aller Spannungen 0 sein (ihr kennt das: Das Kreisintegral E*ds ist 0).

Also:  Up(t) + Uind(t) = 0

Für die Induktionsspannung setzen wir das Induktionsgesetz ein:  Uind(t)  = - n*dΦ(t)/dt

 also:

Up(t) - np * dΦ(t)/dt = 0, wobei np die Windungszahl der Primärspule ist.

Da der magnetische Fluß Φ auch vollständig in der Sekundärspule ankommt, wird dort ebenfalls eine Spannung induziert, deren Größe natürlich von der Windungszahl der Sekundärspule bestimmt ist:

Us(t) = - ns * dΦ(t)/dt, wobei ns die Windungszahl der Sekundärspule ist.

Wir können also  dΦ(t)/dt = - Us(t)/ns ersetzen und erhalten in unserer Formel:

Up(t) - np * (- Us(t)/ns) = 0

Up(t) + np * Us(t)/ns = 0

also ist:

Up(t) = - np/ns * Us(t)   oder Us(t) = - ns/np * Up(t)

oder Us(t) / Up(t) = - ns/np

Schreibt euch das mal auf und schreibt die Buchstaben s und p wirklich als Index, dann sieht es übersichtlicher aus und ihr merkt, dass es wirklich eine einfache Herleitung ist.

Die Spannung am (idealen unbelasteten) Transformator wird wie die Windungszahlen transformiert.

Seht euch noch mal die Filme an:

np = 250 zu ns = 1000 im ersten Film bedeutet eine Vervierfachung der Spannung.
Später habe ich dann np = 500 genommen und wir hatten nur noch die doppelte Spannung.

Will man Spannungen runtertransformieren, z.B. ein Handy an 230 V aufladen, so muss der Trafo auf der Sekundärseite eine kleinere Windungszahl haben. Für Netzteile wird oft 20:1 als Windungszahlverhältnis genommen.

Wie verändern sich die Stromstärken?
Ohne auf die Details eines belasteten Trafos einzugehen, dürfte klar sein:

Die Leistung, die auf der Primärseite zur Verfügung gestellt wird, ist so groß wie die Leistung, die man auf der Sekundärseite bekommt. Eine klare Konsequenz des Energieerhaltungssatzes.

Zu Leistungen gehören  Ströme: Ip auf der Primärseite und Is auf der Sekundärseite.
Nehmt ruhig jetzt die Effektivwerte!

Dann gilt:

Pprim = Psek

Up * Ip = Us * Is

also: Up/Us = Is/Ip

Die Stromstärken werden in umgekehrtem Verhältnis transformiert wie die Spannungen.

Erzeugt ein Trafo eine höhere Spannung auf der Sekundärseite, so fließt dort weniger Strom!

Jetzt haben wir alle Formeln zusammen:

Us/Up = - ns/np
Is/Ip = np/ns

Übrigens: Das - Zeichen habe ich euch mit dem Oszilloskop im letzten Film ebenfalls gezeigt...schaut euch den nochmal an.

Im nächsten Post möchte ich euch noch die Phasenverschiebung zwischen Primär- und Sekundärspannung durch die Wechselstromeigenschaft der Spule erklären. Danach zeige ich euch noch einige Anwendungsexperimente.

Aber vorher gibt es noch einen Film....



Samstag, 18. April 2020

Achtung: Probleme mit blogspot

...viele Bilder werden zur Zeit nach Neustart nicht hochgeladen,  seit 2 Stunden ist google am fixen, denke , das Problem ist bald gelöst...ansonsten lade ich am Sonntag die letzten Bilder neu hoch,
da das viel Arbeit macht, würde ich gerne warten....

Bitte am Sonntag Rückmeldung geben wo noch Bilder fehlen

Aktualisierung: Das Problem ist weltweit aufgetreten. Google muss alle Bilddatein restaurierenn...das dauert. Aber im Google Bildarchiv sind alle Bilder der Blogs in der hochgeladenen Reihenfolge  erhalten. Ich habe begonnen, die letzten Blogs zu restaurieren.
So 10.00 Uhr: Wechselstromtechnik Teil 7,8 müsste wieder vollständig sein.
Für den Rest warte ich noch ab. Zum Glück fehlen nicht alle Bidler. Wenn jemand drignend ein bestimtmes Bild braucht, bitte per Mial melden oder in discort...ich ersetze es dann gleich!

Freitag, 17. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 3 Weitere Experimente

Im nächsten Versuch ändere ich das Verhältnis der Windungszahlen: 500 zu 1000!
Was wird passieren?




Hier zeige ich euch, dass die Spannungen Up und Us gegenphasig sind. Das werden wir im nächsten Post erklären.




Bei sehr kleinen Frequenzen stimmt das mit der Gegenphasigkeit nicht mehr perfekt (allerdings kommen Frequenzen im Hz  - Bereich in der Praxis nicht vor, unser Wechselstrom hat 60 Hz).



Der Grund für das etwas andere Spannungsverhalten bei niedrigen Frequenzen liegt daran, dass der Transformator eigentlich ein  richtig komplexes rückgekoppeltes System ist.

Einige Ideen dazu will ich vorstellen, da ihr daran gut Vieles wiederholen könnt und euch auch überprüfen könnt, ob ihr die Inhalte früher verstanden habt.

Jede Stromentnahme auf der Sekundärseite führt dazu, dass auf der Primärseite genau diese entnommene Leistung in die Primärspule durch einen Wirkstrom hineinfließt.

Wenn man also einem Trafo auf der Sekundärseite Strom entnimmt, steuert man damit die Stromzufuhr auf der Primärseite!

(Können wir nicht hier erklären, klingt aber sinnvoll, oder? Und für so ein einfaches Gerät: Irre!)

Ein Trafo im Leerlauf (kein Sekundärstrom) wird aber trotzdem warm, er verbrät Leistung, da jede Spule auch immer einen ohmschen Widerstand hat.
Packt mal an das Netzteil eures Laptops..., da sind noch echte Trafos drin, merkt man am Gewicht... (wo kommt das her???)

Bei einer Spule ohne ohmschen Widerstand (Induktivität) ist die Phasenverschiebung zwischen U und I genau 90°. Da gibt es keine Wirkleistung. Die Spule wird nie warm.
Je größer der ohmsche Widerstand relativ zur Induktivität wird, desto mehr nimmt die Phasenbeziehung von 90° ab zu kleineren Winkeln.

Seht euch das alles in den früheren Posts noch mal an.

Und das ist der Grund für die Erklärung des letzten Versuchs: Bei sehr kleinen Frequenzen ist der induktive Widerstand sehr klein, vielleicht in der gleichen Größenordnung wie der ohmsche Widerstand. Und dann stimmen die "idealen" Phasenverschiebungnen nicht mehr.

Mehr wollen wir zum realen Trafo nicht machen...

Im nächsten Post kommt jetzt die Erklärung für den einfachen Idealfall, danach noch einige Experimente zur Anwendung und zum Schluss die Bedeutung für unser Stromnetz.

Was werden wir erklären:

- Wieso bestimmt das Verhältnis der Windungszahlen die Spannung auf der Sekundärseite?
- Was gilt für die Stromstärken?
- Wie kommt es zur Gegenphasigkeit?

Vielleicht habt ihr schon Ideen?

Donnerstag, 16. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 2 Transformatoren transformieren Spannungen

Hier könnt ihr noch einmal sehr schön die grundlegende Erklärung eines Transformators durch Induktion lernen U(bitte durchsehen und Notizen machen):

Von der Induktion zum Transformator

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen. Die Spule, an der eine Wechselspannung angeschlossen wird, nennt man Primärspule PS, die andere Spule, an der man eine Spannung abgreifen kann, nennt man Sekundärspule SS.
Dann braucht er unbedingt noch einen geschlossenen Eisenkern. Im Experiment werdet ihr gleich sehen, wozu der gut ist.

Die Windungszahlen der Spulen sind in der Regel nicht gleich.
Wir nennen ns die Windungszahl der Sekundärspule und np diejenige der Primärspule:

 np = ns:  Die Sekundärspannung Us ist so groß wie die angelegte Primärspannung Up.
                Ist eigentlich unsinng, aber solche Transformatoren trennen Stromkreise, man nennt sie Trenntrafo.

ns > np: jetzt ist Us > Up, man sagt, die Spannung  wird hochtransformiert

ns < np: Jetzt wird die Spannung runtertransformiert (zeige ich im Experiment hier nicht).

Wir werden im Experiment sehen und dann bald durch eine einfache Herleitung begründen:

Das Transformationsverhältnis der Spannungen ist immer gleich dem Verhältnis der Windungszahlen (gilt für einen idealen Trafo, was das ist kommt am Ende der Reihe ganz kurz):

Us/Up = ns/np


Die beiden Bilder zeigen euch den Aufbau, anhand der Beschriftungen kann man sich schon die Erklärung vorstellen (Formeln kommen im übernächsten Post):

wiki
sps lehrgang
Versucht mal zu erklären, warum der Trafo nicht für Gleichstrom funktioniert..., da ist immer Us = 0!

Hier mal ein Trafo direkt an einem Kraftwerk: Der macht die Hochspannung für die Überlandleitungen!

siemens

Und nun zum ersten Versuch:

 Hier erst einmal einen Überblick über den Versuchsaufbau:


Ihr könnt die Windungszahlen des ersten Experimentes ablesen: 250 zu 1000, d.h. alle angelegten Spannungen werden vervierfacht, wenn...


ja, wenn der Trafo auch vollständig zusammengebaut ist...
das durch die Primärspule erzeugte Magnetfeld muss natürlich in der Sekundärspule ankommen...

Im nächsten Video hört ihr das typische Brummen eines Trafos..., wer noch alte Netzteile hat, sollte das kennen, sonst haltet mal die Ohren an ein Trafohäuschen (am Bebelplatz steht eins, da wird eine mittlere Spannung auf die Haushaltsspannung runtertransformiert)....


Im nächsten Post gibt erst noch mehr Experimente..., dann etwas Theorie und dann bringe ich euch durch Knallen zum Schmelzen...

Wechselstromtechnik Teil 8: Anpassung durch Transformatoren, Abschnitt 1 Wozu braucht man Transformatoren?

Was ist ein Transformator?
Transformatoren wandeln elektrische Spannungen und Ströme um!

Sie funktionieren nur mit Wechselströmen, warum wird im nächsten Post klar.
Die Generatoren der Kraftwerke erzeugne bestimmte Spannungen, Geräte benötigen bestimtmer Spannungen für den Betrieb.

Wir werden sehen:

Für die Übertragung elektrischer Energie ist es sinnvoll, möglichst hohe Spannungen bei möglichst kleinen Strömen zu nutzen. Nur dabei sind die Verluste gering.
Hier haben sich Spannungen im Bereich vieler kV als sinnvoll eraus gestellt.

Im "Verbraucher" sollten die Spannungen möglichst klein sein, einmal, weil das die Bauteile einfacher in der Herstellung macht und zum anderen, weil das die Überlebenschancen für den Nutzer bei einer Fehlfunktion erhöht.
Schon früh hat man sich auf eine Wechselspannung von 220 ...230 V (Effektivwert) geeinigt, in manchen Ländern sogar nur auf 110 V.
Für moderne elektronische Geräte ist selbst das zuviel, sie arbeiten mit Gleichspannungen von einigen Volt!

Warum braucht man verschiedene Spannungen?

Spannungen können Leistungsbereiche regeln.

Für die elektrische Leistung P gilt ja: P = U*I.
Braucht ein Gerät z.B. eine Leistung von 100 W, so muss bei einer Spannung von 230 V ein Strom von 4,3 A fließen (nachrechnen!).

Spannungen geben also Leistungen  pro Ampere an, Ströme regeln dann den eigentlichen Leistungstransport.

Die Innenwiderstände in den Geräten legen fest, welche Ströme durchfließen können, d.h. sie regeln also die Leistungsaufnahme. Ein Elektroherd wird also einen kleinen Innenwiderstand haben, er braucht viel Strom und lässt ihn natürlich auch leicht fließen. Eine Stereoanlage hat einen großen Innenwiderstand, zum Betrieb reichen kleine Ströme aus.
Also:
Geräte mit unterschiedlichem Leistungsbedarf können durchaus mit der gleichen Spannung betrieben werden, wenn sie über angepasste Innenwiderstände den Stromfluss sinnvoll regeln können.

Schauen wir uns mal den unterschiedlichen Leistungsbedarf einiger Geräte an:

Smartwatch  MikroWatt
Taschenrechner: 20 mW
Beleuchtung 50 -100 W
TV 80 W
Mikrowelle kW

Elektroherd mehrere kW
Elektrolokomotive  5 MW


Alle diese Geräte mit der gleichen Spannung zu versorgen, wäre Unsinn, da funktioniert die Regelung durch Innenwiderstände nicht!

Gewitter im Taschenrechner und Supraleiter im ICE?
Die Halbleiter-Mikrochips in einer  Smartwatch und einem Taschenrechner würden bei Spannungen von 230 V bzw. gar kV kaputt gehen (die extrem schmalen Leitungen und kleinen Bauteile würden durch Spannungsüberschläge kaputt gehen) , da wird man höchstens mit einigen Volt arbeiten.

Wollte man eine Elektrolok mit 230 V betreiben, müssten da über 20 000 A fließen, da würden alle Kabel sofort durchglühen (es sei denn man würde Supraleiter nehmen...).
Die Elektrolok sollte also mit einer höheren Spannung betrieben werden, damit sinnvoll handelbare Ströme die zum Betrieb notwendige Leistung transportieren können.

Planung unserer Vorväter
Das alles war unseren Vorvätern zu Beginn des 20. Jahrhunderts schon klar, also meinen Großeltern udn euren Ur-Großeltern). Über Transformatoren wollten sie alle diese Spannungen bereitstellen. Da diese nur mit Wechselstrom arbeiten, entschieden sie sich die Stromnetze mit Wechselstrom zu betreiben und bei Bedarf diesen dann durch Gleichrichtung  in (pulsierenden) Gleichstrom umzuwandeln.
Wie wir das heute machen (Dioden aus pn-Halbleitermaterial, Brückenschaltung, Kondensator zum Glätten) haben wir ja schon früher gelernt).
Hierzu eine schöne Wiederholungsmöglichkeit:

 Gleichrichtung und Glättung


fremohemsbach

conrad
Heute könnten wir Gleichspannungen viel verlustfreier durch elektronische Schaltungen transformieren. In den Mini-Netzzteilen eurer Ladegeräte passiert das auch. Da sind keine Transformatoren mehr drin, sonst wären die viel größer und schwerer.
Und es gibt bei neuen Übertragungsstrecken  inzwischen auch Hochspannungsleitungen für Gleichstrom.

Die folgenden Darstellungen  geben einen groben Überblick über unser Stromnetz:
aus wikipedia
emf portal

Wir sehen also, dass Transformatoren ein ganz wichtiges Element in unserer technischen Kultur sind.
Deswegen, und weil man wichtige Aspekte der Induktion an ihnen wiederholt, und weil sie für die abiturrelevante Entdämpfung des Schwingkreises eine Rolle spielen, werden wir uns mit ihnen beschäftigen.
Themen:
Physikalische Erklärung
Hochspannungstrafo
Schmelztrafo
Berechnung eines Energieverlustes bei Überlandleitungen
Ausblick auf moderne Geräte





Samstag, 4. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 7: Stromerzeugung durch Generator Teil 6: Drehstrom

Stromerzeugung durch den Generator: Drei-Phasen-Strom

Es gibt verschiedene Namen: Drei-Phasen-Strom (oder Spannung), Drehstrom (weil man damit
auch Motoren zum Drehen bringt) und Starkstrom (weil eine höhere Spannung zur Verfügung steht).

Alles hängt mit einer ganz einfachen Beobachtung zusammen:

Unsere Steckdosen haben drei Kontakte! 

Phase: An dieser Leitung liegt ein Potenzial von etwa 230 V.
Nullleiter: Wenn alles richtig läuft, liegt dieser Leiter auf dem Potenzial 0 V.
Erde: Dieser Kontakt verbindet das Gehäuse eines Gerätes mit dem Erdpotenzial, sorgt also für das Abfließen gefährlicher Leckströme in die Erde. Das ist eine Schutzeinrichtung bei bestimmten Geräten.

Bauhaus

Steckerladen


Was steckt dahinter?

Ein Wechselspannungsgenerator besteht aus drei Spulen, die jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind.

kfz technik

Jede der Spulen erzeugt eine Wechselspannung mit dem Effektivwert 230V. Da die Spulen aber versetzt sind, werden die Spannungen zeitlich nacheinander aufgebaut, eben mit einer Phasenverschiebung von 120°.

Hier noch ein kurzes Video dazu:



Soweit noch nichts besonderes....

Addiert mal drei um 120° versetzte sinus-Kurven...das kann man rechnen oder auch einfach hinsehen:

Es kommt 0 raus!
Vorausgesetzt die Amplituden sind gleich!
ksb

Was heißt das?

Das Kraftwerk kann mit 4 statt 6 Leitungen drei Spannungen übertragen:

Schließt man jeweils die  Enden jeder Spule zusammen, entsteht die Spannung 0 V. Das Kabel wird der Nullleiter.
Die jeweils anderen Enden der Spulen liegen dann auf 230 V Potenzial, das sind drei Phasenleiter.
ksb

Und das Tolle:
Zwischen zwei Phasenleitern liegen etwa 400 V. Damit kann man besonders starke Ströme erzeugen (>>> Starkstrom) und betreibt man einen Motor, der drei um 120° versetzte Spulen (Rotoren) hat mit allen drei Phasen, so dreht der sich besonders leistungsstark...(>>> Drehstrom).

Drehstrommoter JS

Deswegen haben Werkstätten (auch wir im SFN in unserer Werkstatt und im EMI-Raum) Drehstromanschlüsse. Das sind besondere Stecker und besondere Kabel!
wiki
elektroteile

Ein Haus wird immer nur mit einer Phase (und dem Nullleiter) versorgt. Nachbarhäuser können an verschiedene Phasen angeschlosssen sein. Den Nulleiter haben alle gemeinsam.

Das Ganze funktioniert deshalb nur gut, wenn alle drei Phasen gleich stark belastet sind, also die Maximalspannungen gleich sind. Nur dann addieren sie sich zu 0 Volt.

In physikalischen Laboratorien gelingt das nicht immer, ich hatte teilweise 60 V auf dem Nullleiter meiner Geräte. das hat Probleme gemacht...

Ausblick:

Ihr habt mit diesem Post einen sehr kleinen Einblick in die technische Realisation unseres Stromnetzes bekommen.

Übertragungen elektrischer Energie vom Kraftwerk zum "Verbraucher" erfordern (noch) Transformatoren.
emf portal


Damit werden wir uns nach den Osterferien beschäftigen. Ich poste dazu schon direkt nach Ostern.
Mit den Posts über den Transformator  endet dann dieser Blog.
Vermutlich wird es nach den Ferien einen weiteren LK-Blog geben: Schallwellen und Dopplereffekt.

Jetzt mache ich erstmal ein paar Tage Ferien....




Freitag, 3. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 7: Stromerzeugung durch Generator Teil 5: Erklärung durch die Lorentzkraft, erneute Herleitung der Generatorgleichung

Herleitung der Generatorgleichung mit Lorentzkraft 

Ich habe in das letzte Bild die wichtigen Größen ergänzt, den Drehwinkel α eingezeichnet und den Radius r =l/2 der Spule.

In diesem Bild hier ist der Drehwinkel 90°:
lpunigöttingen 
 Und nun  meine Herleitung:
Schritt 1: Formel für Lorentzkraft umschreiben
Schritt 2: Drehwinkel durch  ω*t ersetzen
Schritt 3: Lorentzkraft und elektrische Kraft gleichsetzen
Schritt 4: v durch ω*r ersetzen (Kreisbewegung)
Schritt 5: l² verallgemeinernd durch Querschnittsfläche A ersetzen
Schritt 6: Wert verdoppeln, da ja zwei Leiterstücke eine Spannung produzieren.
Schritt 7: Mit Windungszahl n multiplizieren, da ja jede Windung die so berechnete Spannung erzeugt.

 Und nun noch mal für den Hörzugang:


Am Ende hab ich vergessen, zu erwähnen, dass man natürlich mit der Windungszahl n multiplizieren muss. Wir haben ja oben nur eine Leiterschleife betrachtet.

So, am Samstag (also morgen)  noch einen Post zum Abschluss des Themas Generator über Starkstrom (Dreiphasenstrom) als technische Anwendung. Dann mach ich auch erst mal etwas Pause.
Gegen Ende der Ferien poste ich dann etwas über den Transformator. Damit arbeiten wir dann im Live-Unterricht  oder notfalls weiter im Blog nach den Ferien.
Mit dem Thema Transformator ist dann die Einführung in die Wechselstromtechnik beendet.
Dann endet auch dieser Blog. Er wird aber online bleiben. 

 Alles andere Wichtige habe ich euch per Mail geschrieben....

Da ich aber gerade am Filmen bin...



Wechselstromtechnik Teil 7: Stromerzeugung durch Generator Teil 5: Erklärung durch die Lorentzkraft, Idee

Begründung durch die Lorentzkraft
Könnte im Abi auch drankommen, ist aber sicher eine gute Übung zur Induktion an sich...

Wiederholung Magnetfeld und Induktion

gehtanders.de
Ich habe mal die Lorentzkräfte (hier mit F bezeichnet) in das bekannte Bild aus Leifi eingezeichnet:
Wir brauchen nur die nach hinten und vorne gehenden Leiterteile zu untersuchen, weil nur dort die Lorentzkraft in Richtung des Leiters wirkt, also einen Stromfluss in Gang setzen kann.
Ich habe meine rechte Hand benutzt, d.h. es wird die Kraft auf eine positive Ladung dargestellt. Wir erhalten also die Stromrichtung eines technischen Stromes (die Elektronen bewegen sich in die andere Richtung).
Im ersten und dritten Bild entsteht eine Kraft, die einen Strom erzeugt, im Bild 2 und 4 gibt es eine solche Kraft nicht, da die Leiterteile sich in Richtung des Magnetfeldes bewegen.
Durch die periodische Änderung der Kraftrichtung entsteht ein Wechselstrom.

Bitte selbst ausprobieren!

Wir müssen natürlich jetzt den Geschwindigkeitsvektor für eine beliebige Position der Spule zerlegen, in einen Anteil parallel und einen Anteil senkrecht zum Magnetfeld. Der senkrechte Anteil vs erzeugt eine Lorentzkraft F = q*vs*B, die sich mit einer elektrischen Kraft das Gleichgewicht hält F = q*E = q*U/l, wobei l die Leiterlänge ist.
So etwas kennen wir schon vom Halleffekt und Induktionsversuchen.

vs kann man über eine Winkelfunktion aus dem Drehwinkel und der Winkelgeschwindigkeit ω der Drehung  bestimmen: v = ω*r, wobei r =l/2 gesetzt werden kann (quadratische Spule).

Macht euch das mal klar, versucht es mal aufzuschreiben.
Vielleicht hilft euch diese Skizze weiter, die ich in ein Bild aus 123mathede eingezeichnet habe:


Ich werde euch heue Nachmittag meine Notizen dazu hochladen.
Aber vielleicht versucht ihr es erst einmal selbst. Es müsste mit meinen gegebenen Tipps klappen...

Wie geht es weiter?

Heute poste ich noch die Herleitung der Formel, vielleicht noch einen Post zum Drehstrom als Anwendung. Der könnte auch am Samstag erst kommen. 
Dann stelle ich noch kurz den Transformator vor.

Damit hätten wir die Wechselstromtechnik beendet.

Mal sehen wie es mit Schule dann weitergeht.
Haben wir nach den Osterferien wieder Unterricht, dann zeige ich euch die Experimente zum Trafo live, ansonsten filme ich sie gegen Ende der Ferien und poste das schon.

Sollte unsere Auszeit zwangsweise weitergehen, werde ich für etwa 2 Doppelstunden den Dopplereffekt und eine Wiederholgung der Wellenlehre per Blog behandeln (ca. 7 Posts). Der Dopplereffekt  ist ausgewiesenes Abiturthema, wir hatten das in E2 nicht gemacht. Die Posts beginne ich dann auch schon in den Ferien (damit ich es schaffe, ihr macht es nach den Ferien).

Mit der Rückkopplungsschaltung etc. würde ich gerne warten, bis wir wieder Unterricht im herkömmlichen Siinn haben.
 Ansonsten habt ihr ja eine ausführlichere Aufgabe als Klausurersatzleistung (Abgabe spätestens 10.4.), einige zusätzliche Fragen stehen schon im Blog, wenige weitere kommen am Samstag (Abgabe 21.4.). 
Wir sehen uns am 21.4. um 12.30 Uhr oder wir hören uns zu der Zeit in discort.

Ihr könnt mir aber auch in den Osterferien Fragen stellen!
 







Donnerstag, 2. April 2020

Wechselstromtechnik Teil 7: Stromerzeugung durch Generator Teil 4: Herleitung der Generatorformel

Zuerst die Lösung der Aufgabe des letzten Posts:

(1) Φ = 0, da keine Feldlinie durch die Fläche tritt
         aber dΦ/dt = max, da sich jetzt in diesem Moment die Flußrichtung ändert.

(2) Φ = max, alle FL gehen senkrecht durch die Fläche hindurch
        aber dΦ/dt = 0 (wie in jedem Extrempunkt ist die Steigung 0)

(3) Φ = 0 und dΦ/dt = - max

(4) Φ = - max (andere Richtung!), dΦ/dt = 0


Wichtig:
Die Gleichung Φ = A * B gilt so nur, wenn das Magnetfeld senkrecht durch die Fläche A geht!

Herleitung der Generatorgleichung:

Ich habe euch das aufgeschrieben. Bitte zeichnet es ab und übertragt die Herleitung mit eigenen Kommentaren in euer Heft!
 
Es gibt aber Leute, die besser verstehen, wenn sie zuhören können. Deshalb erzähle ich euch das im folgenden Video nochmal. Auch wer meine Notizen versteht, sollte sich die zwei Minuten Zeit nehmen.


Und nun noch eine kleine Rechenaufgabe:

Eine Spule mit 1000 Windungen und einer Querschnittsfläche von 50 cm²  dreht sich 500 mal in jeder Sekunde in einem Magnetfeld der Stärke 10 mT.
a) Wie groß ist der Maximalwert der Spannung?
b) Wie groß ist der Effektivwert der Spannung?
c) Zeichne den Graph U(t) der erzeugten Wechselspannung mit geeigneten Einheiten auf den Achsen.

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