Transformation i fysik: sådan virker en transformator
Transformation ændrer spændingen i vekselstrøm. Flere vindinger på sekundærspolen hæver spændingen, mens færre vindinger sænker den. Her får du tegningen, formlerne og to regneeksempler, så du kan forklare sammenhængen selv.
Af Emil Brandt Rex, gymnasielektor i dansk og historie
Svar først
Det korte svar
En transformator har en primærspole og en sekundærspole omkring en jernkerne. Vekselstrømmen i primærspolen skaber et magnetfelt, der hele tiden ændrer sig. Det ændrede felt fremkalder en spænding i sekundærspolen.
Forholdet mellem spændingerne følger forholdet mellem spolernes vindingstal. Har sekundærspolen dobbelt så mange vindinger som primærspolen, bliver spændingen i idealmodellen dobbelt så stor. Effekten bliver ikke fordoblet: strømstyrken bliver omtrent halvt så stor, når tab ses bort fra.
Afgrænsning
Det skal du kunne på Fysik B htx
Den aktuelle læreplan placerer emnet under elektriske kredsløb, lederes modstand, elforsyningsnettet og kendskab til vekselstrøm. Ministeriets vejledning gør omfanget mere konkret: du skal forstå ledningstab og fordelen ved, at vekselspænding kan transformeres op og ned.
Du behøver ikke en fuld forklaring af induktion og impedans for at ramme kernestoffet. Du skal kunne forbinde vindingstal, spænding, strømstyrke, effekt og tab og forklare, hvorfor højspænding er nyttig i elnettet.
Fra primærspole til sekundærspole
Vekselstrøm i primærspolen skaber et skiftende magnetfelt i jernkernen. Feltet fremkalder en spænding i sekundærspolen. Vindingstallene bestemmer spændingsforholdet.
De tre sammenhænge
Brug den til at finde spænding eller vindingstal.
Stiger spændingen, falder strømstyrken omtrent tilsvarende.
Lavere strømstyrke giver meget mindre varmetab i ledningen.
Symboler: p betyder primærside, s betyder sekundærside, U er spænding i volt, I er strømstyrke i ampere, N er antal vindinger, og R er modstand i ohm.
Konstrueret træningseksempel
Eksempel 1: Fra 230 V til 12 V
1. Skriv det kendte op
Træningseksempel: Primærspændingen er 230 V, primærspolen har 1.150 vindinger, og udgangen skal være 12 V. Vi søger antallet af vindinger på sekundærspolen.
2. Isolér det ukendte
Ud fra spændingsforholdet får du Nₛ = Nₚ gange Uₛ divideret med Uₚ.
3. Sæt tallene ind
Nₛ = 1.150 gange 12 divideret med 230 = 60 vindinger.
4. Kontrollér retningen
60 er færre end 1.150. Derfor skal udgangsspændingen også være lavere end indgangsspændingen. Svaret passer med en nedtransformering.
Fra formel til virkelighed
Hvorfor elnettet bruger høj spænding
En ledning bliver varm, når der løber strøm gennem dens modstand. Tabet vokser med strømstyrken i anden. Det betyder, at en halvering af strømstyrken giver en fjerdedel så stort ledningstab, hvis modstanden er den samme.
Elnettet transformerer derfor spændingen op før transport over lange afstande. For den samme overførte effekt kan strømstyrken så blive lavere. Tættere på forbrugeren transformeres spændingen ned igen.
Eksempel 2: Samme effekt, forskellig spænding
- Spænding
- 1.000 V
- Strømstyrke
- 100 A
- Tab ved R = 1 ohm
- 10.000 W
- Spænding
- 100.000 V
- Strømstyrke
- 1 A
- Tab ved R = 1 ohm
- 1 W
Tjek regningen
Sådan skal tabellen læses
Begge rækker overfører i idealmodellen 100 kW, fordi spænding gange strømstyrke er den samme. Når spændingen bliver 100 gange større, bliver strømstyrken 100 gange mindre. Da strømstyrken står i anden i tabsformlen, bliver varmetabet 10.000 gange mindre.
Tallene er et konstrueret træningseksempel, ikke en model af en bestemt højspændingslinje. Virkelige transformatorer og ledninger har flere typer tab, og deres modstand er ikke bare 1 ohm.
Typiske faldgruber
Fire fejl, du kan opdage selv
Jævnstrøm giver ikke fortsat transformation
Efter tændingsøjeblikket er magnetfeltet ikke længere skiftende. Derfor opstår der ikke en vedvarende spænding på sekundærsiden.
Flere vindinger betyder højere spænding
Sammenlign altid sekundærspolens vindingstal med primærspolens. Gæt ikke ud fra, hvilken spole der ser størst ud.
Højere spænding er ikke mere effekt
I idealmodellen følges højere spænding af lavere strømstyrke. Transformatoren skaber ikke energi.
Idealmodellen har ingen tab
Et regnestykke med UₚIₚ omtrent lig UₛIₛ er en nyttig model. En virkelig transformator bliver blandt andet varm.
Prøv selv, før du læser svaret
1. Primærspolen har 500 vindinger, sekundærspolen 100, og indgangen er 20 V. Hvad bliver udgangen?
Us = 20 V gange 100 divideret med 500 = 4 V. Færre vindinger på sekundærsiden passer med den lavere spænding.
2. Er det optransformering eller nedtransformering, hvis sekundærspolen har flest vindinger?
Det er optransformering, fordi spændingen stiger i samme forhold som vindingstallet.
3. Hvad sker der, hvis primærspolen forbindes til en stabil jævnspænding?
Der kan komme en kort ændring ved tilslutningen, men ingen vedvarende transformation. Et stabilt magnetfelt fremkalder ikke fortsat spænding i sekundærspolen.
Til tavlen eller eksamen
Sådan forklarer du transformation mundtligt
1. Start med formålet
Sig, at transformatoren ændrer vekselspændingen, så den kan passe til transport eller til det apparat, der skal bruge den.
2. Peg på mekanismen
Vekselstrømmen i primærspolen skaber et skiftende magnetfelt i jernkernen, som fremkalder spænding i sekundærspolen.
3. Brug forholdet
Forklar med Uₛ divideret med Uₚ lig Nₛ divideret med Nₚ, om spændingen transformeres op eller ned.
4. Slut med konsekvensen
Knyt høj spænding til lavere strømstyrke ved samme effekt og derfor mindre I i anden gange R-tab i ledningerne.
Spørgsmål og svar
Kilder
Kilder
- Læreplan for Fysik B htx, august 2024 hos Børne- og Undervisningsministeriet.
- Ministeriets vejledning til Fysik B htx: uvm.dk
- Niels Bohr Institutet om transformatoren: nbi.ku.dk
- Store norske leksikon om transformatorer: snl.no
Brug forklaringen i dit eget arbejde
Skriv de tre formler øverst i dine noter. Tag derefter ét af jeres egne forsøg eller regneeksempler og forklar hvert tal med enhed og fysisk betydning.