Transformator

Transformer

Physik Klasse 10 16 Aufgaben

ElektromagnetismusTransformatorTechnikKerncurriculum

Der Wechselstrom in der Primärspule erzeugt im gemeinsamen Eisenkern ein sich änderndes Magnetfeld, das in der Sekundärspule eine Spannung induziert. Beim idealen Transformator verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen, U₁/U₂ = N₁/N₂ — und weil keine Energie aus dem Nichts entstehen kann, übersetzen sich Spannung und Stromstärke gegenläufig (I₁/I₂ = N₂/N₁). Energieerhaltung ist damit die Begründung, keine Zusatzregel. Anwendung mit Tragweite: Hochspannung macht den Ferntransport elektrischer Energie verlustarm.

Voraussetzungen (1)

Induktion und Generator

Klasse 10

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Leicht

Multiple Choice #1 10s ▶ Testen

Aus welchen Hauptbestandteilen besteht ein Transformator?

● Zwei Spulen (Primär- und Sekundärspule) und ein Eisenkern
○ Zwei Magnete und ein Leiter
○ Eine Batterie und ein Widerstand
○ Ein Kondensator und eine Spule

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen (Primär- und Sekundärspule), die über einen geschlossenen Eisenkern magnetisch gekoppelt sind.

Lückentext #2 15s ▶ Testen

Beim idealen Transformator gilt: U₁/U₂ = n₁/n₂. Dieses Verhältnis heißt ___.

✓ Antwort: Übersetzungsverhältnis

Das Übersetzungsverhältnis gibt an, wie die Spannungen im Verhältnis der Windungszahlen transformiert werden.

Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Ein Transformator hat n₁ = 500 Windungen (Primärspule) und n₂ = 100 Windungen (Sekundärspule). Die Primärspannung beträgt 230 V. Berechne die Sekundärspannung.

✓ Antwort: 46

U₂ = U₁ · n₂/n₁ = 230 · 100/500 = 230 · 0,2 = 46 V.

Wahr / Falsch #4 10s ▶ Testen

Ein Transformator funktioniert auch mit Gleichstrom.

✓ Falsch

Falsch. Ein Transformator benötigt Wechselstrom, da nur eine sich ändernde Spannung (und damit ein sich ändernder magnetischer Fluss) eine Spannung in der Sekundärspule induziert.

Zahleneingabe #5 15s ▶ Testen

Ein idealer Transformator hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:10. An der Primärspule liegen 24 V an. Wie groß ist die Sekundärspannung in Volt?

✓ Antwort: 240

U₂ = U₁ · n₂/n₁ = 24 · 10/1 = 240 V.

Lückentext #6 10s ▶ Testen

Beim idealen Transformator gilt die Leistungserhaltung: P₁ = P₂, also U₁ · I₁ = U₂ · ___.

✓ Antwort: I₂

Die Leistung bleibt beim idealen Transformator erhalten: P₁ = U₁·I₁ = U₂·I₂ = P₂.

Wahr / Falsch #7 10s ▶ Testen

Beim Hochspannungstransport wird die Spannung am Kraftwerk herauf- und beim Verbraucher heruntertransformiert.

✓ Wahr

Richtig. Im Kraftwerk wird auf Hochspannung (z. B. 380 kV) hochtransformiert, beim Verbraucher schrittweise auf 230 V heruntertransformiert.

Lückentext #8 10s ▶ Testen

Wird die Spannung hochtransformiert (U₂ > U₁), spricht man von einem ___-Transformator.

✓ Antwort: Aufwärts

Aufwärts-Transformator: erhöht die Spannung (n₂ > n₁). Abwärts-Transformator: verringert die Spannung (n₂ < n₁).

Wahr / Falsch #9 10s ▶ Testen

Ein Transformator kann sowohl Spannung herauf- als auch heruntertransformieren — es kommt auf das Windungszahlverhältnis an.

✓ Wahr

Richtig. Ist n₂ > n₁, wird die Spannung erhöht. Ist n₂ < n₁, wird sie verringert.

Mittel

Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Ein Transformator erhöht die Spannung von 20 V auf 100 V. Was passiert mit der Stromstärke? (Idealer Transformator)

● Sie wird auf 1/5 reduziert.
○ Sie bleibt gleich.
○ Sie wird verfünffacht.
○ Sie wird null.

Beim idealen Transformator gilt P₁ = P₂, also U₁·I₁ = U₂·I₂. Wenn U₂ = 5·U₁, dann I₂ = I₁/5.

Zahleneingabe #2 20s ▶ Testen

An der Primärseite eines idealen Transformators liegen 230 V bei 2 A an. Die Sekundärspannung beträgt 23 V. Wie groß ist der Sekundärstrom in Ampere?

✓ Antwort: 20

P₁ = P₂: 230 · 2 = 23 · I₂ → I₂ = 460/23 = 20 A.

Multiple Choice #3 20s ▶ Testen

Warum wird Strom für den Ferntransport auf Hochspannung transformiert?

● Damit bei gleicher Leistung weniger Strom fließt und die Leitungsverluste sinken
○ Damit der Strom schneller fließt
○ Damit die Leitungen kürzer sein können
○ Damit mehr Strom fließt

Die Verlustleistung ist P_V = I²·R. Hohe Spannung → weniger Strom → deutlich weniger Verluste (quadratischer Zusammenhang).

Zahleneingabe #4 20s ▶ Testen

Ein Transformator soll 230 V auf 12 V umwandeln. Die Primärspule hat 460 Windungen. Wie viele Windungen hat die Sekundärspule?

✓ Antwort: 24

n₂ = n₁ · U₂/U₁ = 460 · 12/230 = 460 · 0,0522 = 24.

Multiple Choice #5 15s ▶ Testen

Welche Aufgabe hat der Eisenkern im Transformator?

● Er leitet den magnetischen Fluss von der Primär- zur Sekundärspule.
○ Er erzeugt den Strom.
○ Er speichert elektrische Energie.
○ Er isoliert die Spulen voneinander.

Der Eisenkern bündelt und leitet das Magnetfeld von der Primär- zur Sekundärspule und sorgt so für eine gute magnetische Kopplung.

Zahleneingabe #6 30s ▶ Testen

Ein idealer Transformator mit n₁ = 1000 und n₂ = 250 wird mit 400 V gespeist. Der Sekundärstrom beträgt 8 A. Wie groß ist der Primärstrom in Ampere?

✓ Antwort: 2

U₂ = 400 · 250/1000 = 100 V. P₂ = 100 · 8 = 800 W. I₁ = P₁/U₁ = 800/400 = 2 A.

Multiple Choice #7 15s ▶ Testen

Welche historische Bedeutung hatte der Transformator?

● Er ermöglichte den verlustarmen Stromtransport über große Entfernungen.
○ Er ersetzte die Dampfmaschine.
○ Er wurde zur Datenspeicherung erfunden.
○ Er erzeugte erstmals elektrischen Strom.

Der Transformator war entscheidend für die Einführung des Wechselstromnetzes und ermöglichte verlustarmen Fernstromtransport.