Physik · Klasse 10 · Schritt für Schritt

Induktion und
Transformator

Beobachte zuerst, wann eine Spannung entsteht. Verstehe danach, wie ein Transformator Wechselspannungen verändert.

Offline nutzbar · Alle Versuche sind Simulationen
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Das kannst du am Ende
  1. Induktion beschreiben
  2. einen Trafo erklären
  3. Spannungen berechnen
  4. ein Alltagsgerät erklären
Blau · EingangHier ist die Spannungsquelle angeschlossen.
Violett · MagnetfeldFeldlinien machen das unsichtbare Magnetfeld sichtbar.
Orange · AusgangHier wird eine neue Spannung erzeugt.

1 · Bewegung wird zu Spannung

Induktion bedeutet: Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt in einer Spule eine elektrische Spannung.

Beweglicher Stabmagnet und SpuleDer Magnet bewegt sich entlang der Spulenachse. Das Messgerät zeigt die induzierte Spannung. NS 0,00 V Spule · 80 Windungenlinksrechts

Die violetten Linien zeigen das Magnetfeld. Schiebe den Magneten durch die Spule und beobachte das Messgerät.

Zusatz Spannungsverlauf als Kurve

Die Kurve zeigt die letzten 6 Sekunden. Oberhalb der Mittellinie ist die Spannung positiv, unterhalb negativ.

Dein Messplatz

Induzierte Spannung0,00 V
Worauf kommt es an?Änderung

Der Magnet steht: keine induzierte Spannung.

Feld verändert sich → Spannung entsteht.
Magnet steht still → keine Spannung.

Schneller bewegen: Die Spannung wird größer. Andersherum bewegen oder Pole tauschen: Die Spannung kann ihre Richtung wechseln.

Hier ist nur ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Es fließt praktisch kein Strom — deshalb zeigen wir keine Strompfeile. Eine Spannung allein ist noch kein Strom!

Dein 3-Schritte-Versuch

  1. Bewege den Magneten langsam, dann schnell.
  2. Halte ihn mitten in der Spule an.
  3. Bewege ihn wieder aus der Spule heraus.

Erkläre: Wann ist die Spannung groß? Wann ist sie null?

Ergebnis prüfen

Je schneller sich das Magnetfeld in der Spule ändert, desto größer ist die Spannung. Beim Stillstand ist sie null. Bei umgekehrter Bewegung wechselt die angezeigte Richtung der Spannung.

Zusatz Magnetischer Fluss und Induktionsgesetz

Der magnetische Fluss Φ beschreibt vereinfacht, wie viel Magnetfeld durch die Spule geht.

Uind = −N · ΔΦ / Δt

Für den Grundkurs reicht: Je schneller sich das Feld ändert, desto größer ist die Induktionsspannung.

① Der Magnet darf weg!Auch eine Spule mit Strom erzeugt ein Magnetfeld.
② Strom wechselt die RichtungWechselstrom erzeugt ein Magnetfeld, das ständig seine Stärke und Richtung ändert.
③ Eine zweite Spule kommt dazuDas wechselnde Feld erzeugt dort eine Spannung. Fertig ist das Grundprinzip des Transformators!

2 · Dein Transformator-Labor

Ein Transformator verändert Wechselspannungen. Er besteht aus Primärspule, Sekundärspule und Eisenkern. Die beiden Stromkreise sind nicht mit einem Draht verbunden.

Zwei Stromkreise, ein wechselndes MagnetfeldBlaue und orange Pfeile zeigen die wechselnde technische Stromrichtung in getrennten Drahtkreisen. Violette Pfeile zeigen das Magnetfeld im Eisenkern. Die Animation ist stark verlangsamt. ~ 1 · Eingang2 · Ausgang Eisenkernkein Strom von links nach rechts! N₁ = 500N₂ = 250 QuelleVerbraucher
→ Blau: Strom 1→ Violett: Magnetfeld→ Orange: Strom 2
50 Hz → sichtbar verlangsamt

Die Pfeile wechseln ihre Richtung. So erkennst du den Wechselstrom und das sich ändernde Magnetfeld.

Stromrichtung
Feldrichtung

Beobachtungsauftrag: Starte die Zeitlupe. Beschreibe den Weg: Spule 1 → Magnetfeld im Kern → Spule 2.

Ausgangsspannung

PrimärspannungSekundärspannung
Sekundärspannung U₂115 V
Sekundärstrom I₂1,15 A
Primärstrom I₁0,575 A
Übertragene Wirkleistung P132 W

Doppelt so viele Windungen am Ausgang?
Dann doppelt so viel Spannung!
U₂ / U₁ = N₂ / N₁
Vertiefung: Strom, Leistung und Messwerte
I₂ / I₁ = N₁ / N₂
P₁ = U₁ · I₁ = U₂ · I₂ = P₂

Die Stromübersetzung gilt bei angeschlossener Last und I₁ ≠ 0. Leistung P bedeutet übertragene Energie pro Sekunde. Ein idealer Trafo erzeugt keine zusätzliche Energie.

Die großen Messwerte sind Effektivwerte: Sie beschreiben die Heizwirkung des Wechselstroms. Die Momentaufnahme darüber zeigt dagegen den Wert zu einem einzelnen Zeitpunkt. Der größte Betrag ist √2-mal der Effektivwert.

Das Magnetfeld ist hier proportional zu −cos(Phase), die Spannung zu sin(Phase). Das passt zum Induktionsgesetz: Die Spannung ist am größten, wenn sich der Fluss am schnellsten ändert. Die Strompfeile gelten für eine Widerstandslast; die Richtung hängt auch vom Wicklungssinn und den gewählten Anschlüssen ab.

Du bist am Regler!

Beginne mit 12 V.
Eine Windung ist eine Drahtschleife um den Kern.

Untersuche die Windungszahl

Halbiere und verdopple N₂. Was passiert mit U₂?

Nur virtuell experimentieren! Hohe Spannungen und große Ströme sind gefährlich. Auch kleine Spannungen können bei großen Strömen starke Erwärmung verursachen.

Was das ideale Modell weglässt

Keine Kupfer- und Kernverluste, kein Streufluss, keine Sättigung und kein Magnetisierungsstrom. Deshalb kann das Modell mathematisch extreme Leistungen liefern. Reale Transformatoren sind durch Nennleistung, Isolierung, Erwärmung und Kernsättigung begrenzt. Mehr Windungen bedeuten nicht mehr verfügbare Energie.

Bei Gleichspannung zeigen wir nur den stationären Zustand: kein veränderlicher Fluss, daher keine dauerhafte Sekundärspannung. Ein- und Ausschaltimpulse werden nicht simuliert. Der Primärstrom ist dann in diesem idealen Modell nicht sinnvoll berechenbar; reale Spulen können überhitzen.

Laborauftrag: 12 V treffen

Stelle bei U₁ = 120 V und N₁ = 500 eine Sekundärspannung von 12 V ein. Die Last darf beliebig sein.

Merke: Ein Trafo zaubert keine Energie. Bei gleicher Leistung gilt: höhere Spannung → kleinerer Strom. Aber wenn du die Ausgangsspannung erhöhst und denselben Widerstand angeschlossen lässt, fließt dort mehr Strom. Die Quelle muss dann mehr Leistung liefern.
Alltag: Warum haben Überlandleitungen hohe Spannungen?

Bei gleicher transportierter Leistung braucht man weniger Strom. Dadurch erwärmen sich die Leitungen weniger. Ihre Wärmeverluste sind PVerlust = I² · RLeitung. Halber Strom bedeutet nur ein Viertel der Wärmeverluste.

3 · Induktion im Alltag

Dasselbe Grundprinzip, unterschiedliche Aufgaben: Energie berührungslos übertragen oder direkt Wärme erzeugen.

Induktionsherd · Der Topf wird zur Heizung

Topfboden wird heiß Glasplatte Wechselstrom in der Spule → wechselndes Feld

Orange Kreispfeile: Wirbelströme im Topfboden, schematisch von oben angedeutet. Violette Feldlinien: das wechselnde Magnetfeld. Ohne geeigneten Topf bleibt die Heizung in diesem Modell aus.

Spule → Magnetfeld → Strom im Topf → Wärme

Das wechselnde Magnetfeld erzeugt im Topfboden Wirbelströme: Ströme, die im Kreis fließen. Der elektrische Widerstand des Topfes wandelt ihre Energie in Wärme um.

Zusätzlicher Wärmeeffekt

Bei magnetischen Materialien kann auch das ständige Ummagnetisieren zur Erwärmung beitragen.

Modell eines üblichen Haushalts-Induktionsfelds: Es benötigt einen passenden, magnetischen Boden. Spezialgeräte können auch andere Metalle erhitzen. Die Platte kann durch den heißen Topf heiß werden — sie bleibt nicht grundsätzlich kalt.

Elektrische Zahnbürste · Laden ohne Metallkontakte

+ Ladeelektronik MagnetfeldAkkuSpule in der Ladestation

Violett: wechselndes Feld zwischen den Spulen. Orange Pfeile zum Akku: Strom mit gleichbleibender Richtung nach der Ladeelektronik — keine direkte Drahtverbindung zur Station.

Station → Magnetfeld → Bürste → Akku

Eine Spule steckt in der Station, die andere in der Bürste. Das Magnetfeld überträgt Energie durch das Kunststoffgehäuse. Die Ladeelektronik macht aus der Wechselspannung eine passende Gleichspannung und steuert das Laden des Akkus.

Warum Gleichspannung für den Akku?

Beim Laden braucht der Akku eine feste Polarität, also eine gleichbleibende Zuordnung von Plus und Minus. Ein Gleichrichter in der Elektronik wandelt die Wechselspannung entsprechend um.

Die Kopplungsanzeige ist qualitativ, keine reale Ladeleistung. Größerer Abstand und schlechte Ausrichtung verringern die Energieübertragung. Der Akku selbst wird nicht direkt mit Wechselstrom geladen.

4 · Prüfe dein Wissen

1. Ein Magnet ruht in einer Spule. Was gilt?
2. N₂ = 4 · N₁. Wie groß ist U₂ beim idealen Wechselspannungstrafo?
3. N₂ ist halb so groß wie N₁. Was gilt?
4. Warum lädt die Zahnbürste ohne offene elektrische Kontakte?