Lösungen zu den Teste-dich-Aufgaben
a Ein Transformator besteht aus zwei meist unterschiedlichen Spulen und einem Eisenkern.
b Die Primärspule ist an die Energiequelle angeschlossen, die Sekundärspule an das Gerät, das die Energie benötigt.
c Die Energieübertragung beim Transformator ist kabellos, das heißt, es gibt keine leitende Verbindung zwischen den beiden Spulen.
Der Träger der Energie von einer Spule zur anderen ist das Magnetfeld.
d Eine elektrische Wechselspannungsenergiequelle wird an die Primärspule angeschlossen. Die Wechselspannung ändert ständig ihre Polung und ihre Stärke. Dadurch wird in der Primärspule ein sich ständig änderndes Magnetfeld erzeugt.
In der Primärspule steckt ein Eisenkern. Er verstärkt das Magnetfeld und überträgt es auf die Sekundärspule. Durch das sich ständig ändernde Magnetfeld wird in der Sekundärspule eine Wechselspannung induziert.
e Ja, eine Energieübertragung ist auch ohne Eisenkern möglich. Ein Transformator kann grundsätzlich auch nur aus zwei Spulen bestehen, die durch ein veränderliches Magnetfeld miteinander gekoppelt sind. Allerdings ist die Energieübertragung ohne Eisenkern sehr ineffizient. Der Eisenkern hat die Aufgabe, das Magnetfeld zu bündeln und gezielt von der ersten zur zweiten Spule zu leiten. Dadurch wird die magnetische Kopplung stark verbessert und die Energieübertragung ist viel effizienter.
a Mögliche Geräte sind: Handyladegerät, Akkuladegeräte, Netzgeräte in der Physiksammlung …
b Die Geräte benötigen eine geringe Spannung, wie sie von Batterien bereitgestellt werden kann. Wird das Gerät an eine Steckdose angeschlossen, müssen die 230 V durch den Transformator auf die passende Spannungsgröße reduziert werden.
Hinweis: In Netzgeräten ist noch eine zusätzliche Schaltung eingebaut, die aus Wechselspannung Gleichspannung macht.
c Bei einem Hochspannungstransformator ist die Windungszahl der Sekundärspule sehr viel höher als die Windungszahl der Primärspule. Beim einem Niederspannungstransformator ist die Windungszahl der Sekundärspule niedriger als die Windungszahl der Sekundärspule.
Durch Umformen der Gleichungen ergeben sich die fehlenden Größen:
ns = \( \frac{U_s}{U_p} \) ∙ np
np = \( \frac{U_p}{U_s} \) ∙ ns
Us = \( \frac{n_s}{n_p} \) ∙ Up
Up = \( \frac{n_p}{n_s} \) ∙ Us
Durch Einsetzen der gegebenen Werte erhält man:
a Beispiele für Brennstoffe in Wärmekraftwerken: Erdöl, Gas, Kohle, Uran (Kernenergie)
b Beispiele für Kraftwerke, die regenerative Energien nutzen: Windkraftwerk, Wasserkraftwerke (Laufwasserkraftwerk, Speicherkraftwerk), Fotovoltaikanlagen
c Chemische Energie/ Kernenergie → Wärme → Bewegungsenergie → Elektrische Energie
d In der Brennkammer wird ein Energieträger verbrannt (oder es finden Kernspaltungen statt). Es entsteht Wärme. Wasser wird
in Rohren oberhalb der Brennkammer durch die Wärme zu Wasserdampf. Der Wasserdampf trifft in der Turbine auf die
Turbinenschaufeln und versetzt sie in Bewegung. Die Drehbewegung wird auf den Generator übertragen. Dort wird die Bewegungsenergie über elektromagnetische Induktion in elektrische Energie umgewandelt. Zum Transport wird die Spannung im Transformator erhöht.
a elektrische Energie, Stromstärke, Spannung, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Energieentwertung
b Die In Kraftwerken bereitgestellte elektrische Energie muss über weite Strecken zu den Zielorten transportiert werden. Die langen Leitungen führen aufgrund des hohen Widerstands zu großen Energieentwertungen in Form von Wärme. Die im Kraftwerk erzeugte Spannung muss für den Energietransport mithilfe eines Transformators erhöht werden. Durch die hohe Spannung wird eine relativ geringe Stromstärke ermöglicht und die Energieentwertung dadurch reduziert.
c Es werden mehr Niederspannungstransformatoren benötigt. Die Hochspannungstransformatoren befinden sich in den Kraftwerken und erhöhen die Spannung, damit die elektrische Energie verlustarm über große Entfernungen transportiert werden kann. Auf dem Weg zu den Haushalten muss die Spannung wieder heruntertransformiert werden. Da es sehr viele einzelne Haushalte und Straßenzüge gibt, werden dafür viele kleinere Niederspannungstransformatoren benötigt, die die Spannung für den Gebrauch im Haushalt anpassen.
d 1: Samstag; 2: Sonntag; 3: Werktag
Begründung: An einem Werktag steigt der Energiebedarf früher an als an einem Wochenendtag. Am Wochenende schlafen viele Menschen länger und benötigen demnach auch erst später elektrische Energie im Haushalt zum Beispiel für Licht. An einem Werktag sind viele Menschen tagsüber nicht zuhause, weshalb der Gesamtenergiebedarf niedriger ist, als am Wochenende, wo mehr Menschen zuhause sind. An einem Samstag gibt es einen hohen Energiebedarf am Abend, weil hier viele Menschen Aktivitäten wie Fernsehen oder anderen Freizeitbeschäftigungen nachgehen. Sonntags gibt es einen hohen Energiebedarf um die Mittagszeit, weil viele Menschen am Sonntag aufwendig und lange kochen.