Der seltsame Transformator

1) Ein überraschendes Experiment.

Ein Aufbautransformator (z.B. Leybold) wird mit einer Primärspule ans Stromnetz angeschlossen. Die Sekundärspule mit wenigen Windungen wird mit einer 6V,5A Lampe verbunden.
Der untere U-Teil des Trafos ist der normale Trafokern, das Joch oben ist massives Material.

Der folgende Film zeigt das Experiment.
Zur Verdeutlichung wird die Temperatur der beiden Trafoteile mit zwei Digitalthermometern gemessen.
Das linke Thermometer zeigt die Temperatur am U-Kern, das rechte Thermometer zeigt die Temperatur am Joch.
Die Aufnahme ist in Echtzeit.

Die Anordnung wird eingeschaltet und etwa 1 bis 2 Minuten betrieben (je nach Masse und Wärmekapazität des oberen Jochs). Anschließend kann man den Trafo demontieren und erlebt eine Überraschung:
Das Joch ist ziemlich heiß geworden, der U-Kern hat praktisch immer noch Zimmertemperatur!

Aber warum?
Beide Teile waren doch im selben Aufbau und haben dasselbe Magenetfeld erzeugt!

2) Die Erklärung

Die Primärspule ist ans Stromnetz angeschlossen. Dieses liefert eine Wechselspannung. Die Spule wird also von einem sich ständig ändernden Strom durchflossen. Daher baut sie auch ein sich ständig änderndes Magnetfeld im Trafokern auf. Dieses durchsetzt auch die Sekundärspule und erzeugt so die Sekundärspannung (Trafoprinzip). Nun kann aber dieses sich ändernde Magnetfeld nicht nur in einer zweiten Spule eine Spannung induzieren, sondern auch in anderen leitenden Materialien, wie z.B. einem Aluring (vgl. Versuch mit dem Aluring). Es geht aber auch im leitenden Trafomaterial selber!! Da dieses massive Material einen kleinen Widerstand hat, können kräftige Ringströme entstehen, d.h. das Material erwärmt sich dabei stark. Der Umlaufsinn der Ringströme ändert sich dabei im Takt der Wechselspannung (50 Hz).

Das möchte man natürlich nicht!

Ein sehr großer Anteil der Energie, welche die Primärspule aus dem Stromnetz bezieht, wird gar nicht an die Sekundärspule übertragen, sondern geht in die Erwärmung des Trafomaterials.

Der Trafo hat also so nicht nur einen schlechten Wirkungsgrad, sondern es besteht außerdem die Gefahr, dass er durch Überhitzung Schaden nimmt oder gar kaputt geht!

3) Die Lösung des Problems.

Also gilt es die Ausbildung der Ringströme zu verhindern. Dies gelingt offenbar im U-förmigen Teil des Kerns, denn dieser ist ja (fast) kalt geblieben! Sieht man sich diesen Trafokern genauer an, so stellt man fest, dass er gar nicht aus massivem Material besteht, sondern aus einzelnen Blechen. Die obere Schemazeichnung zeigt einen Schnitt durch den Trafokern, das Foto unten zeigt den Kern von der Seite gesehen. Zwischen den Trafoblechen (im der Schemazeichnung oben blau gezeichnet) ist immer eine Isolationsschicht (rot) aus Lack, oder früher auch aus einem nichtleitenden Ölpapier. Dadurch wird die Ausbildung von Ringströmen im Kernmaterial weitgehend unterbunden. Je besser diese Isolation ist, um so besser ist der Wirkungsgrad eines Trafos. Was man beim Trafo unbedingt verhindern möchte, ist aber genau das Funktionsprinzip des Induktionsherdes.

Einen Vergleich zwischen diesen verwandten Versuchen findet man hier: Vergleich dreier Versuche

Sie können den Film auch hier herunterladen: trafo.flv (FLV Format 4,6 MB).
(Rechter Mausklick und "Ziel speichern unter")
Zur Wiedergabe eignet sich z.B. der kostenlose VLC-Player http://www.videolan.org/vlc/