Heutzutage ist alles von Elektrizität abhängig, von den Werkzeugen, mit denen wir arbeiten, bis zu unseren Quellen für Unterhaltung und Bildung. Alles scheint mit Strom versorgt und aufgeladen, angesteckt und an das Stromnetz angeschlossen zu werden.

Wir verwenden Elektrizität wortwörtlich immer. Manchmal erscheint es selbstverständlich, dass der Strom direkt in unser Haus kommt und in den Wänden neben dem Bett, Sofa oder Schreibtisch lungert.

Dass wir die Wertschätzung für diese unglaubliche Infrastruktur immer mehr verlieren hängt vielleicht auch damit zusammen, dass viele gar nicht wissen, auf welcher Technologie das alles basiert. Wir reden hier vom Transformator, einem elektromagnetischen Teil, dass die Reise von elektrischen Strom vom Kraftwerk aus bis hin in die Steckdose ermöglicht.

Ohne ihn würden all die Dinge, die so normal für uns geworden sind, nicht existieren. In unseren Häusern gäbe es schlichtweg keine Elektrizität mehr.

Deswegen sollten wir uns die Zeit nehmen, uns diese kleinen, allgegenwärtigen Vorrichtungen anzuschauen. Denn ohne sie würden wir immer noch so leben wie in den 1820er Jahren, oder so ähnlich.

Transformatoren und Elektromagnetismus haben einiges miteinander zu tun.
Was ist ein Transformator? Die Antwort hängt mit Elektromagnetismus zusammen. | Quelle: unsplash

Dieser Artikel ist Teil unser Reihe zu Magnetismus und Elektromagnetismus, die Wissenschaft der fundamentalen Phänomene, welche Stromtransformatoren überhaupt erst ermöglichen. Erinnert Ihr Euch, was Elektromagnetismus genau war? Wenn nicht, lohnt es sich, unseren Artikel über die Wissenschaft des Elektromagnetismus anzuschauen, bevor Ihr weiterlest.

Wenn doch, machen wir weiter! Schauen wir uns also den Krafttransformator an, eines der am meisten unterbewerteten Objekte überhaupt.

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Was ist ein Transformator?

Die wichtigste Frage überhaupt ist wohl: Was ist ein Transformator überhaupt?

Einfach gesagt ist ein elektrischer Transformator ein Gerät, welches elektrische Energie von einem Stromkreis zum nächsten überträgt. Das tolle und für die Industrie so wichtige daran ist, dass er dafür keinerlei Metallverbindung zwischen den beiden Stromkreisen benötigt.

Was macht ein Transformator also? Eigentlich nur das! Aber das durch diese kleinen Geräte entstehende Potential ist gigantisch, wie Ihr gleich erfahren werdet. Denn Stromnetzen und Stromkreisen absolut inhärent ist die Tatsache, dass Verbindungen zwischen Stromkreisen essentiell sind.

Das trifft besonders auf Stromkreise zu, welche verschiedene Spannungen brauchen. Darin liegt auch die zweite große Leistung von Transformatoren: Sie ermöglichen den Transfer von Strom von einem Stromkreis mit hoher Spannung zu einem mit geringer oder mittlerer Spannung.

Wie wir gleich sehen werden ist diese Tatsache extrem wichtig.

Stromverteilung und Stromtransfer

Schauen wir uns aber zuerst die Rolle an, welche Transformatoren in der Stromverteilung spielen.

So gut wie die gesamte elektrische Energie der Welt fließt zumindest einmal in ihrem Lebenszyklus durch einen Transformator. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie sogar mehrmals einen durchläuft. Nur ein winziger Teil der elektrischen Energie wird von Generatoren vor Ort hergestellt und muss daher nicht transferiert werden.

Daher sind Transformatoren für fast die gesamte Energie relevant, die in einen durchschnittlichen Haushalt kommt. 

Stromverteilung findet auf einer massiven Skala statt, die Länder und ganze Kontinente überspannt. Da elektrische Ströme oft lange Wege zwischen Produzent und Konsument haben, werden Transformatoren gebracht, um den Kreis in kleinere Abschnitte aufzuteilen. Dadurch ist die gesamte Leitung stabiler und einzelne Probleme können leichter isoliert werden.

Aufwärts- und Abwärtstransformatoren

Transformatoren finden meisten gebrauch als Aufwärts- oder Abwärtstransformatoren. Diese untermauern das gesamte elektrische Netz und ermöglichen dadurch, dass elektrische Energie in Eurem Haus ankommt.

Spannung vs. Strom

Das liegt daran, dass das elektrische Netz elektrische Ströme mit extrem hoher Spannung überträgt.

Übertragungsnetzwerke können mit so hohen Strömen nicht viel anfangen. Im Allgemeinen ist die Übertragung von Strom umso ineffizienter, je höher der Strom ist. Mit höheren Strömen wird auch mehr Hitze produziert, wodurch mehr Energie über die Kabel verloren geht.

Strom ist die Flussrate von elektrischer Ladung. Je höher der Strom also ist, desto schneller fliesst die Elektrizität durch ein Kabel. Auch wenn das toll klingen mag, wird hier ein großer Teil der elektrischen Energie verschwendet, wenn man sie über lange Strecken hinweg transportiert.

Warum funktioniert ein Transformator nur mit Wechselstrom?
Elektromagnetismus und Transformatoren ermöglich uns, so zu leben, wie wir es gewohnt sind! | Quelle: unsplash

Spannung oder elektromotorische Kraft (EMK) auf der anderen Seite beschreibt den potentiellen Unterschied zwischen zwei verschiedenen Punkten an einem Kabel. Damit ist der elektrische Druck gemeint, der den Strom zum fliessen bringt. Anders gesagt ist dies die Energie, die benötigt wird, um Strom über ein Kabel zu transportieren.

Transformierende Spannungen

Stromnetze benutzen daher lieber unvorstellbar hohe Spannungen, anstatt von hohen Strömen. Das birgt aber ein anderes Problem. Während Elektrizität mit hoher Spannung leichter und effizienter transportiert werden kann, ist sie um einiges gefährlicher im Umgang. Hochspannungsstrom in all unseren Steckdosen wäre also keine besonders gute Idee.

Daher verwendet das Stromnetz Transformatoren, um die Spannung von Elektrizität zu erhöhen, bevor sie übertragen werden soll, und sie am Ende zu verringern. Bevor der Strom auf einer lokalen Ebene verteilt werden kann und irgendein Haus erreicht, muss die Spannung extrem verringert werden, denn die Spannung in nationalen Leitungen ist tausend mal höher als das, was Euer Laptop oder Wasserkocher verkraften könnte.

Das passiert mit Unserer gesamten elektrischen Energie. Euch dürfte also langsam klar werden, warum Transformatoren so wichtig für unseren Alltag sind.

Wie ist ein Transformator aufgebaut?

Jetzt wisst Ihr, was Transformatoren machen. Aber wie genau machen Sie das, was sie machen? Diese Frage wollen wir jetzt beantworten. Es wird sich herausstellen, dass die Antwort eng mit einer Kraft namens Elektromagnetismus zusammenhängt. 

Elektromagnetismus ist die Schnittstelle zwischen elektrischem Strom und Magnetismus. Diese beiden Konzepte sind zwei Seiten derselben Medaille. Transformatoren versuchen, diese Verbindung auszunutzen.

Transformatoren sind ziemlich beeindruckende kleine Geräte. Also, wie ist ein Transformator aufgebaut? Im Grunde genommen besteht er aus zwei Drahtspulen, die um einen ferromagnetischen Kern gewickelt sind. Stellt Euch etwa einen Eisenring vor, an wessen Polen zwei Wicklungen Kupferdraht sind.

Ein Strom durchfliesst die eine Wicklung, die Primärwicklung. Aus der elektrischen Ladung des Magnetfeld entstehen Veränderungen im magnetischen Fluss des Eisenkerns, welche die Sekundärwicklung elektrifizieren werden. Das ist die Grundidee eines idealen Transformators, basierend auf einem Prinzip namens elektromagnetische Induktion.

Das Faraday’sche Gesetz, benannt nach dem Mann, der die elektromagnetische Induktion entdeckt hat, besagt, dass man nur die Windungszahl der Sekundärwicklung verändern muss, um die Spannung im zweiten Stromkreis zu verändern.

Faraday und magnetischer Fluss

Michael Faraday war es, der diese Prinzipien der elektromagnetischen Induktion, welche die Grundkonzepte der Transformatoren bilden, entdeckt hat.

Er baute eigenständig einen kleinen Transformator, genauso wie wir ihn gerade beschrieben haben. Als er eine Seite an eine Batterie und die andere an ein Galvanometer anschloss, bemerkte er, dass die elektrische Ladung nur dann in der Sekundärwicklung vorhanden war, wenn er die Batterie anschloss und wieder abkoppelte.

Darin lag auch der wichtigste Teil seiner Entdeckung. Wenn der elektrische Strom in der Primärwicklung stabil war, konnte keine Elektrizität in der Sekundärwicklung beobachtet werden. Notwendig dafür war die Veränderung der elektrischen Ladung. Diese Veränderung war es, die zur Veränderung des magnetischen Flusses im Eisenkern führte und so die Übertragung von Elektrizität ermöglichte.

Warum funktioniert ein Transformator nur mit Wechselstrom?

Seine Entdeckung definiert bis heute die Funktionsweise von Transformatoren. Denn sie funktionieren ausschließlich mit Wechselstrom, nicht aber mit Gleichstrom.

Während Gleichstrom ein stabiler Strom ist, der nur in eine Richtung fliesst, ändern Wechselströme immer wieder ihre Richtung. Dadurch entsteht eine Änderung im magnetischen Fluss, wodurch der Transformator elektrischen Strom übertragen kann. Anders gesagt wird dadurch die Induktion von Elektrizität in der Sekundärwicklung ermöglicht.

Was ist ein Transformator?
Was hat ein Kompass mit einem Transformator zu tun? Beide beruhen auf ähnlichen physikalischen Prinzipien! | Quelle: unsplash

Ohne diese Variabilität des magnetischen Felds im Transformator wäre die Elektrizitätsübertragung gar nicht erst möglich.

Die Rolle von Elektromagnetismus

Diese Entdeckung machte Michael Faraday bereits in den 1830er Jahren. Obwohl schon mehrfach versucht wurde, den Prozess effizienter zu gestalten, haben sich die Grundprinzipien des Transformators noch kein bisschen verändert, was wahrscheinlich auch nie passieren wird.

Deshalb ist für den Transformator der Elektromagnetismus eine der wichtigsten Entdeckungen der Weltgeschichte.

Also, besser mehr darüber lernen!

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Siad

Student der Poltikwissenschaft, Hobbiefotograf und Kochbegeisterter. Spezialität: Hummus