Untertitel: Der Sieg des Wechselstroms
Wann leuchtet die Lampe in der Abb.? Immer nur in dem Augenblick, wenn der Schalter gerade geöffnet oder geschlossen wird, nicht aber, wenn der Schalter geschlossen bleibt. Warum? Weil nur dann die erste Spule ein veränderliches Magnetfeld erzeugt und somit in der zweiten eine Spannung induziert. Mit einer ganz ähnlichen Schaltung hat Farady 1831 die Induktion entdeckt und dabei gleich den Transformator (kurz Trafo) mit erfunden. Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen und einem geschlossenen Leiterkern. Wie F12 zeigt, funktioniert er nur mit Wechselstrom.
| Schema eines Trafos. Den geschlossenen Eisenkern nennt man auch Joch. |
Schauen wir uns mal einen unbelasteten Trafo an. Das ist etwa dann der Fall, wenn ein ausgeschalteter Laptop am Netz hängt. Die Primärspule erzeugt einen veränderlichen magnetischen Fluss, der über das Eisenjoch durch beide Spulen fließt. Die Induktionsspannungen in den Spulen sind von deren Windungszahlen abhängig. Daher gilt: Die Spannungen in den Spulen verhalten sich wie die Windungszahlen, also $U_{1,eff}:U_{2,eff} = N_1 : N_2$.
Will man die Spannung hinauf transformieren, muss man auf der Sekundärseite mehr Windungen haben und umgekehrt. In diesem Fall gibt es fast nur induktive Widerstände, und der Leistungsfaktor (Kap. 32.2) ist daher nahe null, aber nicht ganz. Wenn du etwa auf den Trafo eines ausgeschalteten Laptops greifst, wirst du feststellen, dass sich dieser erwärmt hat. Es gibt also eine kleine Leistungsabgabe (F14).
| Windungszahlen verhalten sich wie 1:20. Bei 230 V primär herrschen also sekundär 4600 V, das reicht für einen saftigen Funkenüberschlag. |
Wenn man nun ein Gerät anschließt, etwa einen Laptop, dann spricht man von einem belasteten Transformator. In diesem Fall sind die Verhältnisse wesentlich komplizierter, weil nun auch in der zweiten Spule Strom fließt. Dadurch entsteht zusätzlich eine Induktionsspannung in der ersten Spule. Man weiß aber aus Erfahrung, dass die Leistungen primär und sekundär praktisch gleich sind, wenn man die Verluste vernachlässigt. Daher ergibt sich: Die Stromstärken in den Spulen verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen, also
$I_{1,eff}:I_{2,eff}=N_1:N_2$
Will man also den Strom hinauf transformieren, muss die zweite Spule weniger Windungen aufweisen. Weil das Übersetzungsverhältnis der Spannungen auch im belasteten Fall näherungsweise gilt, kann man zusammenfassen:
| Übersetzungsverhältnis eines Trafos | $U_1:U_2=I_2:I_1=N_1:N_2$ |
|---|---|
| U | Spannung (in V) |
| I | Stromstärke (in A) |
| N | Windungszahlen |
| Die Windungszahlen verhalten sich wie 75:1. Durch den hohen Stromfluss in der Sekundärspule kann man sogar einen Eisennagel zum Schmelzen bringen. |
Das erste E-Werk der Welt arbeitete mit Gleichstrom (siehe Prolog). Der berühmte Thomas Edison, der unter anderem die Glühbirne verbessert hatte, setzte auf diese Technik. Dagegen stand die Wechselstromtechnik, deren bekanntester Verfechter Nikola Tesla war. Weil es hier nicht nur ums Prestige, sondern auch um unglaublich viel Geld ging, entbrannte ein Streit, der vor allem von Edison brutal geführt wurde. Um die Gefährlichkeit von Wechselstrom zu zeigen, erfand er quasi nebenbei den elektrischen Stuhl. Letztlich setzte sich der Wechselstrom durch, weil er transformierbar ist. Besonders wichtig ist das zum Minimieren der Verluste in den Hochspannungsleitungen.
| Das Hochspannungsnetz in Österreich hat zwischen 110kV und 380 kV. |
Zusammenfassung