Hochspannungserzeugung

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Glimmlampe

Selbstinduktion

Wagnerscher Hammer

Trafo

Hochspannungserzeugung

Auf dieser Seite wird erklärt, wie aus 12V Batteriespannung 20000V Zündspanung zur Versorgung der Zündkerze entstehen.

Glimmlampe

Selbstinduktion

Glimmlampen leuchten nicht durch einen zum Glühen gebrachten Metalldraht, sondern durch zum Leuchten angeregte Gasatome (z.B. Neon) Das Symbol der Glimmlampe soll auch verdeutlichen, dass es keine metallisch leitende Verbindung zwischen den beiden Lampenanschlüssen gibt.Der Strom wird durch das leitfähig gewordene Gas (ionisiertes Gas) von einer Elektrode zur anderen transportiert. (Ähnlichkeiten mit der Zündkerze sind durchaus erwünscht!)
Auf ihrem Weg zwischen den Elektroden werden die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie bei einem Zusammenstoß mit einem Gasatom dieses zum Leuchten anregen. Glimmlampen werden verwendet in schraubenzieherförmigen Spannungsprüfern (230V) oder als leistungsschwache Kontrolllampen in Elektrogeräten, wo sie jedoch zunehmend durch Leuchtdioden verdrängt werden. Auch kann man durch die Form der Blechelektroden (Rose, Herzchen,...) sehr dekorative Effekte erzielen. Da die Glimmlampenleistung unter 5W liegt, sind sie ungeeignet, einen dunklen Raum zu erhellen.

Die Glimmlampe wird in den weiteren Versuchen als Anzeigegerät verwendet. Zur Demonstration der Eigenschaften dient der Vorversuch:
Schliesst man die Glimmlampe an eine einstellbare Spannungsquelle an und erhöht die Spannung allmählich, so stellt man fest, dass die Lampe erst bei einer bestimmten Spannung zu Leuchten beginnt (hier 110V). Bei Spannungen unter dieser Zündspannung bleibt die Lampe dunkel.

In dem Versuch ist ebenfalls das Hysterese-Verhalten der Lampe sehr deutlich zu beobachten: Dreht man die Spannung langsam wieder herunter, so schaltet die Lampe nicht etwa bei 110V wieder ab, sondern sie bleibt noch an bis etwa 90V. Diese unterschiedlichen Schaltpunkte beim Einschalten und beim Ausschalten nennt man Schalthysterese. Ähnlich verhalten sich auch Relaisspulen, Thermostatventile für Kühlmittel und Magnete beim Magnetisieren / Entmagnetisieren.

Für die nachfolgenden Erklärungen ist wichtig:

Wenn die Glimmlampe leuchtet, muss die Spannung höher als 110V gewesen sein!

Glimmlampe

Selbstinduktion

Wagnerscher Hammer

Hier wird eine Spule (z.B. 1000 Windungen) über eine Schalter an eine Starterbatterie angeschlossen. Parallel zur Spule ist die Glimmlampe (Zündspannung 110V) geschaltet.Wird der Schalter betätigt. so fließt Strom durch die Spule aber nicht durch die Glimmlampe, denn dafür ist die Spannung zu niedrig. Beim Abschalten passiert auch nichts Unerwartetes. Erst wenn man die Spule über einen Eisenkern schiebt, der am besten auch noch in sich geschlossen ist, dann kann man beobachten, wie beim Abschalten des Spulenstroms die Glimmlampe kurz aufleuchtet.

Dazu muss zweierlei erklärt werden:

1. Nach dem Induktionsgesetz wird in einer Spule eine Spannung induziert, die um so höher ist, je schneller sich das in ihr befindliche Magnetfeld ändert. Das Magnetfeld ändert sich beim Einschalten des Stroms und beim Ausschalten. Während es sich aber beim Einschalten relativ langsam aufbaut, bricht es beim Abschalten sehr rasch zusammen. So ist einleuchtend, dass die beim Einschalten induzierte Spannung offenbar geringer als die Zündspannung ist, aber die beim Ausschalten induzierte Spannung höher. Da diese Induktionsspannung in der Spule, die vorher das Magnetfeld aufgebaut hat, selbst erzeugt wird, spricht man von Selbstinduktion

2. Der Eisenkern hat offenbar erheblichen Einfluss auf die erzeugte Spannung. Dies wird verständlich, wenn man bedenkt, wie stark ein Eisenkern die Induktivität einer Spule verstärkt.

Hier merken Sie sich bitte:

Durch die Selbstinduktion wird in einer Spule beim Abschalten des Spulenstroms eine Spannung von bis zu 400V erzeugt.

Selbstinduktion

Wagnerscher Hammer

Trafo

Diese Maschine besteht aus dem Akku, der Spule mit Eisenkern und einem Schalter (Öffner), der von der Feder in die Ruhelage gezogen und vom Magnetfeld geöffnet wird. Damit hat diese relativ primitive Maschine ein interessantes Verhalten: Durch den fließenden Strom, wird ein Magnetfeld erzeugt, das den Schalter öffnet. Dadurch bricht das Magnetfeld jedoch zusammen und der Schalter .... (na, sie können es sich schon denken). Dieses Prinzip nutzen z.B. bei Rasierapparate, elektrische Zahnbürsten, kleine Membranpumpen, Klingeln und Vibratoren.

Schließt man nun parallel zur Spule wieder die bereits bekannte Glimmlampe, so braucht man keinen mehr, der den Spulenstrom ständig ein- und ausschaltet, um die Lampe dauernd am Leuchten zu halten. (Anstelle der Glimmlampe können Sie, sofern Sie keinen Herzschrittmacher benötigen, auch gerne mal selbst die Spulenanschlüsse herzhaft anfassen!) Dieses Prinzip wird in Elektrisiergeräten und Elektroschockern soweit vervollkommnet, dass Spannungen von einigen tausend Volt entstehen.

Wagnerscher Hammer

Trafo

Hochspannungserzeugung

Der Effekt bei der Selbstinduktion ist stark, aber nicht stark genug, um genügend Spannung zur Auslösung eines Zündfunkens (10000V ... 40000V ) bereitzustellen. Man liest, dass durch die Selbstinduktion in der Primärwicklung der Zündspule eine Spannung von bis zu 400V erzeugt wird. Dieerforderliche Zündspannung ist aber etwa 50 bis 100 mal so groß!

Trafo

Diesen Sprung schafft man mit Hilfe eines Transformators. Ein Trafo besteht aus zwei Spulen, die auf einen gemeinsamen Eisenkern gewickelt sind. Die eine Spule (rot) hat die Windungszahl N1 und wird Primärwicklung genannt, die blaue Spule hat N2 Windungen und heißt Sekundärwicklung. Legt man nun die Primärwicklung eine Wechselspannung von U1 V an, so fließt durch die Primärwicklung der Primärstrom von I1 A. Da der Wechselstrom in der Primärwicklung ständig seine Richtung ändert, wird auch das Magnetfeld ständig umgepolt. Entsprechend dieser zeitlichen Änderung des Magnetfelds wird in der Sekundärwicklung die Spannung U2 induziert, die durch den Widerstand einen Strom von I2 A fließen lässt.

Der Stromkreis mit der Primärwicklung nennt man Primärkreis und den mit der Sekundärwicklung Sekundärkreis

Macht man denselben Versuch mit einem Akku als Spannungsquelle, so stellt man an der Sekundärseite keine Spannung fest, denn das Magnetfeld ist ja nach dem einmaligen Aufbau konstant. Um in einer Spule eine Spannung zu induzieren, muss sich aber gerade das Magnetfeld mit der Zeit ändern. Ein Trafo funktioniert nicht an Gleichspannung!

Trafogleichungen

idealer Trafo

ohne Verluste

Wirkungsgrad 100%

P₁ = P₂

U₁ * I₁ = U₂ * I₂

N1/N2 = U1 / U2

realer Trafo

Verluste

Wirkungsgrad unter 100%

(gute Trafos kommen auf Wirkungsgrade bei 95%) und es gilt:

P₁ = eta *P₂

P₁ = P₂ + P_v

Übersetzungsverhältnis

i = U₁/ U₂

i = N₁/ N₂

i = I₂ / I₁

P1 Primärleistung,

U1 Primärspannnung

I1 Primärstrom

N1 Primärwindungszahl

i Übersetzungsverhältnis

P2 Sekundärleistung

_{U2
Sekundärspannung}

_{I2 Sekundärstrom}

_{Pv Verlustleistung}

_{N2 Sekundärwindungszahl}

_{eta Wirkungsgrad}

Verluste im Trafo

Verlustart

Kupferverluste

Eisenverluste

Ursache

ohm´schen Widerstand der Kupferwicklung

Hystereseverluste durch Ummagnetisieren

Wirbelstromverluste.

Verminderung der Verluste durch:

großer Drahtquerschnitt

magnetisch weiches Eisen

Blechpaket statt Massiveisenkern

Stülpt man nun über die Wicklung aus dem vorigen Kapitel eine Sekundärspule (rot) mit 100 mal mehr Windungen als die Primärwicklung (schwarz) hatte. so wird der Selbstinduktionseffekt mit dem Trafoeffekt kombiniert. Schließt man dann an die Sekundärwicklung eine Funkenstrecke (zwei sich gegenüberstehende Metallnadeln, die sich nicht berühren), so kann man mit dieser Anordnung phantastische Funken mit Funkenzahlen von einigen 1000 pro Minute erzeugen. Aus der Länge der Funken (ca. 30mm) kann man schließen, dass die Spannung an der Sekundärwicklung mindestens 90kV betragen haben muss, denn man rechnet mit etwa 3000V, die für jeden mm Funkenstrecke in normaler Atmosphäre erforderlich sind.

Trafo