Trafo-Brummen

Wissenschaft Physik
#1

Hallo Leute !

Weil hier vor nicht allzulanger Zeit mal über die Ursache des Trafo-Brummens diskutiert wurde:

http://www.wissenschaft-aktuell.de/cgi-bin/onchange/…:

Pulsierendes Eisen verursacht Trafo-Brummen [Physik]

Bern (Schweiz) - Ein sanftes Brummen erschallt von zahlreichen Geräten, in denen Transformatoren den 230 Volt-Wechselstrom aus der Steckdose in niedrigere Spannungen umwandeln. Schweizer Physiker gingen nun der Ursache dieses Brummens auf atomarer Ebene auf den Grund. Ursache ist ein Pulsieren des Eisenkerns im Trafo, der sich unter den ständigen Richtungsänderungen eines induzierten Magnetfeldes leicht zusammenzieht und wieder ausdehnt. Die spektroskopisch genauen Beobachtungen dieses Verhaltens beschreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Bei einer typischen Wechselstromfrequenz von 60 Hertz wird 120 mal pro Sekunde ein neues Magnetfeld im Eisenkern aufgebaut. Da magnetesierte Ionen danach streben, näher zusammenrücken, schrumpft auch ein kompletter Eisenkern mit einem Meter Durchmesser um gerade mal ein millionstel Meter. Genau dieses permanente Umordnen auf atomarem Niveau ist zwar schwer zu sehen, macht sich aber durch das konstante Brummen bemerkbar. Dieses Schrumpfen, Magnetostriktion genannt, konnten die Forscher von der Universität Bern und der Technischen Hochschule Zürich mit beschleunigten Neutronen sichtbar machen. Allerdings wählten die Physiker als Testmaterial Mangan statt Eisen, da der Effekt bei diesem Element stärker auftritt.

Unmagnetisiert ordnen sich die Mangan-Atome innerhalb einer Kristallstruktur in einer geraden Linie aneinander. Wirkt jedoch ein Magnetfeld, formieren sich immer je zwei Manganatome zu isolierten Paaren zusammen. Dabei nehmen sie weniger Platz ein und folglich schrumpft ein Manganblock aus Abermilliarden von Atomen um ein winziges Stück. Wechselt das Magnetfeld, ändert sich parallel die Anordnung der Atome. Dieses Pulsieren überträgt sich als Schallwelle auf die Luft und wird entsprechend der Wechselfrequenz mit einem tiefen 120-Hertz-Ton hörbar.

Da auch unser Planet im Grunde ein riesiger Magnet ist, wirkt auch hier die Magnetostriktion. Doch das Magnetfeld ist permanent und lässt dadurch den Erddurchmesser um rund zehn Zentimeter schrumpfen. Ließe sich dieses Magnetfeld abschalten, würde sich die Erde um diesen Wert ausdehnen. Dabei würde rein rechnerisch die Oberfläche um etwa zehn Quadratkilometer anwachsen. (wsa040702jol1)

Autor: Jan Oliver Löfken
Quelle: Physical Review Letters

mfg
Christof

#2

Hallo Christof,

Da hat mal wieder jemand über etwas geschrieben, von dem er keine Ahnung hatte.

Die Magnetostriktion ist schon lange bekannt, neu ist nur, dass man die atomaren Vorgänge sichtbar machen konnte.

Die Schweiz gehört zu Europa und in Europa ist die „typische Wechselstromfrequenz“ 50Hz und nicht 60Hz.

MfG Peter(TOO)

#3

Hi Christof,

immer wieder schön, wenn die Jugend in Occams Rasiermesser rennt!

Ein Trafo brummt nicht wegen beschleunigter Neutronen, sondern wegen der magnetischen Kräfte, die auf die Drähte der Wicklung und die Bleche einwirken.

Du erinnerst Dich vielleicht an den Versuch im Physiklabor der Mittelstufe: Zwei parallele Drähte, nicht allzuweit voneinander entfernt, werden von Gleichstrom durchflossen - mal gleichsinnig, mal gegensinnig. Was passiert beim Einschalten? Im einen Fall zieht es den einen Draht zum andern hin, im anderen bewegen sie sich auseinander (was in welchem Fall passiert, überlasse ich Dir zum Üben). Genau dieser Effekt lässt den Trafo brummen: Keine Wicklung ist so dicht, dass die Drähte nicht immer noch Spielraum hätten.

Gruß Ralf

#4

Hi drambeldier,

ich muss dir leider zum Teil widersprechen.

Sowohl der Effekt der Magnetostriktion als auch der Effekt des
gegenseitigen An- bzw. Abstoßens der Leiter bewirkt ein
Schwingen (einmal des Eisens, einmal der Drähte) mit jeweils
doppelter Frequenz des Stromes.

**Beide> Effekte tragen also zum Abstrahlen des 100
Hz-Brummens bei.

Welcher Effekt größer ist wag ich nicht zu sagen. Das hängt
aber sicher auch von weiteren Parametern wie Art des Eisens,
Isolationsmaterial des Drahtes, evt. Vergießen der Drähte usw.
ab.

MfG Herbert**

#5

Hi Herbert,

aus dem Beitrag von Christof:

schrumpft auch ein kompletter Eisenkern mit einem Meter Durchmesser um gerade mal ein millionstel Meter.

Das nehme ich mal so hin, besorge mir einen Trafo mit einem Meter Durchmesser und frage mich, welches Luftmolekül sich wohl durch eine Auslenkung von einem millionstel Meter beeindrucken lässt.

Gruß Ralf

#6

Hallo Christof,

Weil hier vor nicht allzulanger Zeit mal über die Ursache des
Trafo-Brummens diskutiert wurde:

http://www.wissenschaft-aktuell.de/cgi-bin/onchange/…:

Von den Effekten, die zum Trafobrummen beitragen ist die Magnetostriktion sicher der unbedeutendste. Ein gut verklebter Trafo erzeugt kein hörbares Brummen. Erst ab dem kHz-Bereich können nennenswerte und deutlich hörbare Schalleistungen durch magnetostriktive Effekte abgegeben werden. Im Ultraschallbereich können dann sogar Intensitäten erreicht werden, die für die Materialbearbeitung geeignet sind. Das liegt daran, dass zur Abgabe einer bestimmten Leistung mit zunehmender Frequenz eine immer geringere Auslenkung erforderlich ist. Mit Auslenkungen im µm-Bereich kann man nun mal keine hörbaren tiefen Brummtöne erzeugen, es sein denn mit einer mechanischen Impedanzwandlung über Getriebe oder Resonator.

Jörg

#7

Hi…

schrumpft auch ein kompletter Eisenkern mit einem Meter
Durchmesser um gerade mal ein millionstel Meter.

Das nehme ich mal so hin, besorge mir einen Trafo mit einem
Meter Durchmesser und frage mich, welches Luftmolekül sich
wohl durch eine Auslenkung von einem millionstel Meter
beeindrucken lässt.

pro Quadratmeter Oberfläche des Trafos wären das ca. 26886 Billionen Moleküle…
(bei normalem Druck und Temperatur)

genumi

#8

Billionen?
Hi genumi,

pro Quadratmeter Oberfläche des Trafos wären das ca. 26886
Billionen Moleküle…

das hilft dem Schall nicht weiter - der entsteht nicht durch Moleküle in der Fläche, sondern durch Auslenkung in der Longitude.

Gruß Ralf

#9

Zitat aus Hering, u.a.: Physik für Ingenieure

„Die Längenänderungen delta(l)/l liegen im allgemeinen
zwischen -3x10^(-5) und +5x10^(-5).“
Eine Angabe der Stärke des Magnetfeldes ist nicht angegeben.

und weiter
„Magnetostriktive Materialien dienen der Erzeugung von
Ultraschall mit einer Frequenz bis 60 kHz und einer
Schallintensität
bis 10^5 W/(m^2).“

Warum sollte ein Ton im kHz-Bereich abgestrahlt werden, einer
im Hz-Bereich aber nicht?

#10

Hi Herbert,

Warum sollte ein Ton im kHz-Bereich abgestrahlt werden, einer
im Hz-Bereich aber nicht?

Weil Trafos nicht als Schallquellen konstruiert werden, sondern als Übertrager, deren Verlustleistung so klein wie möglich gehalten wird. Im Gegensatz hierzu werden Ultraschallwandler so gebaut, dass sie möglichst viel der zugeführten Energie abstrahlen. Deswegen bestehen sie auch nicht aus Eisenblechen und Wickeldraht; an Trafos wirst Du hingegen kaum die Materialien finden, die beim Wandler den Ultraschall aussenden.

Gruß Ralf

#11

Servus Ralf,

die Erklärung reicht mir nicht.

Wenn man allerdings bedenkt, dass die Schallgeschwindigkeit in
Eisen im Bereich 10^3 m/s liegt (so weit ich weiß werden
Ultraschallgeber aus Eisen, Nickel bzw. entsprchenden
Legierungen hergestellt), dann ist klar das die
Resonanzfrequenz von Eisen mit Längen im cm- bis dm-Bereich
nicht bei einigen Hz, sondern im kHz-Bereich liegt und auch
nur bei diesen Frequenzen nennenswert abstrahlen kann.
Also gebe ich dir recht.

MfG Herbert

#12

Ergänzung
Servus Ralf,

nur um keine Missverständnisse aufkommen zu lassen:

Ich bin weiterhin der Meinung, dass die Magnetostriktion eine Ursache (inzwischen die Hauptursache; siehe unten) des Brummens ist.
Nur um eben eine so hohe Leistung wie oben genannt abstrahlen zu können muss der Kern in Resonanz gehen und das geht bei normalen Abmessungen nicht.

Zu deiner Erklärung: Natürlich ist ein Trafo nicht dafür gebaut Schall abzustrahlen, aber das gilt sowohl für den Kern als auch für die Wicklung.

Warum ich inzwischen der Meinung bin das die Magnetostriktion die Hauptursache ist:

  1. Fischer: Elektrische Maschinen (Ein Standardwerk an (Fach-) Hochschulen) gibt nur die Magnetostriktion als Ursache an.

  2. Ich habe gerade einen Versuch durchgeführt mit einem Transformator (mit Fe-Kern), einer Spule mit Fe und einer Spule ohne Fe.
    Bei den Spulen hab ich zum einen das Eisen so gewählt, dass Spule und Fe sich nicht berührten zum anderen habe ich Spule und Fe von der Auflage entkoppelt (in der Hand gehalten).
    Weiter habe ich dafür gesorgt dass in allen drei Fällen der Strom gleich groß war!!!
    Ergebnis: Brummen beim Trafo und bei der Spule mit Fe deutlich hörbar; bei der Spule ohne Fe kein Brummen wahrnehmbar (bzw. spürbar).

Ich hoffe ich habe nicht irgenwelche Effekte vergessen.

MfG Herbert

#13

Hallo Herbert,

Ich bin weiterhin der Meinung, dass die Magnetostriktion eine
Ursache (inzwischen die Hauptursache; siehe unten) des
Brummens ist.

Das ist weiterhin falsch, denn es erklärt nicht, warum imprägnierte Trafos fast nicht mehr brummen.

Nur um eben eine so hohe Leistung wie oben genannt abstrahlen
zu können muss der Kern in Resonanz gehen und das geht bei
normalen Abmessungen nicht.

Solche Leistungen kann man bei so niedrigen Frequenzen nicht durch Magnetostiktion erzeugen. Dafür ist die Auslenkung viel zu gering.

Zu deiner Erklärung: Natürlich ist ein Trafo nicht dafür
gebaut Schall abzustrahlen, aber das gilt sowohl für den Kern
als auch für die Wicklung.

Warum ich inzwischen der Meinung bin das die Magnetostriktion
die Hauptursache ist:

  1. Fischer: Elektrische Maschinen (Ein Standardwerk an (Fach-)
    Hochschulen) gibt nur die Magnetostriktion als Ursache
    an.

Das muß nichts heißen. Auch in Fachbüchern findet man viel Unsinn.

  1. Ich habe gerade einen Versuch durchgeführt mit einem
    Transformator (mit Fe-Kern), einer Spule mit Fe und einer
    Spule ohne Fe.
    Bei den Spulen hab ich zum einen das Eisen so gewählt, dass
    Spule und Fe sich nicht berührten zum anderen habe ich Spule
    und Fe von der Auflage entkoppelt (in der Hand gehalten).
    Weiter habe ich dafür gesorgt dass in allen drei Fällen der
    Strom gleich groß war!!!
    Ergebnis: Brummen beim Trafo und bei der Spule mit Fe deutlich
    hörbar; bei der Spule ohne Fe kein Brummen wahrnehmbar (bzw.
    spürbar).

Ich hoffe ich habe nicht irgenwelche Effekte vergessen.

Doch, hast Du:

  1. Bei gleichem Strom erzeugt die Spule mit Eisenkern eine wesentlich höhere magn. Feldstärke. Außerdem entstehen Kräfte zwischen Eisenkern und Spule.
  2. Das Magnetfeld erzeugt erhebliche Kräfte zwischen den Eisenblechen des Kernes, die die Hauptursache für das Leerlaufbrummen des Trafos sind.

Bei Belastung kommen noch die Kräfte zwischen den Drähten hinzu, die wesentlich zum Brummen des belasteten Trafos beitragen.
Die Magnetostriktion ist dagegen zumindest bei kleineren Trafos (unter 1 kVA) vernachlässigbar. Bei großen Trafos kann sie eine größere Rolle spielen, da hier größere Massen stärker ausgelenkt werden.

Jörg

#14

Hallo Herbert,

Warum sollte ein Ton im kHz-Bereich abgestrahlt werden, einer
im Hz-Bereich aber nicht?

Ganz einfach weil man für die Abstrahlung gleicher Schallintensität im Hz-Bereich eine um etliche Zehnerpotenzen größere Schallamplitude benötigt als im Ultraschallbereich und die gibt die Magnetostriktion einfach nicht her. Hast Du Dir schonmal überlegt, warum der Tieftöner einer Lautsprecherbox ganz anders aussieht als der Hochtöner und warum sich die Membrane des Tieftöners bei satten Bässen um mehrere cm bewegt, während sich die Membrane des Hochtöners scheinbar überhaupt nicht bewegt ?

Jörg

#15

Aha?
Hallo Jörg,

ich lass’ mich gern überzeugen. Trotzdem noch ein paar Fragen und Anmerkungen zur Klarstellung.

Ich bin weiterhin der Meinung, dass die Magnetostriktion eine
Ursache (inzwischen die Hauptursache; siehe unten) des
Brummens ist.

Das ist weiterhin falsch, denn es erklärt nicht, warum
imprägnierte Trafos fast nicht mehr brummen.

Nur um eben eine so hohe Leistung wie oben genannt abstrahlen
zu können muss der Kern in Resonanz gehen und das geht bei
normalen Abmessungen nicht.

Solche Leistungen kann man bei so niedrigen Frequenzen nicht
durch Magnetostiktion erzeugen. Dafür ist die Auslenkung viel
zu gering.

Das ist was ich sagte. Warum ich trotzdem bei der Magnetostrikiton blieb? Da war ich wohl etwas geistesabwesend.

Zu deiner Erklärung: Natürlich ist ein Trafo nicht dafür
gebaut Schall abzustrahlen, aber das gilt sowohl für den Kern
als auch für die Wicklung.

Warum ich inzwischen der Meinung bin das die Magnetostriktion
die Hauptursache ist:

  1. Fischer: Elektrische Maschinen (Ein Standardwerk an (Fach-)
    Hochschulen) gibt nur die Magnetostriktion als Ursache
    an.

Das muß nichts heißen. Auch in Fachbüchern findet man viel
Unsinn.

Da geb’ ich dir recht. Wenn man es nur immer gleich erkennen würde.

  1. Ich habe gerade einen Versuch durchgeführt mit einem
    Transformator (mit Fe-Kern), einer Spule mit Fe und einer
    Spule ohne Fe.
    Bei den Spulen hab ich zum einen das Eisen so gewählt, dass
    Spule und Fe sich nicht berührten zum anderen habe ich Spule
    und Fe von der Auflage entkoppelt (in der Hand gehalten).
    Weiter habe ich dafür gesorgt dass in allen drei Fällen der
    Strom gleich groß war!!!
    Ergebnis: Brummen beim Trafo und bei der Spule mit Fe deutlich
    hörbar; bei der Spule ohne Fe kein Brummen wahrnehmbar (bzw.
    spürbar).

Ich hoffe ich habe nicht irgenwelche Effekte vergessen.

Doch, hast Du:

  1. Bei gleichem Strom erzeugt die Spule mit Eisenkern eine
    wesentlich höhere magn. Feldstärke. Außerdem entstehen Kräfte
    zwischen Eisenkern und Spule.

Meinst du die magnetische Feldstärke H (die ist doch unabhängig vom Material:
Feldstärke=Durchflutung/mittl.Feldlinienlänge) oder die magnetische Flussdichte B(B=µ x H). Ich hab’ den Leerlaufstrom extra auf Laststrom erhöht damit auf die Wicklungen die gleichen Kräfte wirken.

  1. Das Magnetfeld erzeugt erhebliche Kräfte zwischen den
    Eisenblechen des Kernes, die die Hauptursache für das
    Leerlaufbrummen des Trafos sind.

Das überzeugt mich.
Nur zur Klarstellung.
Die Kräfte die dur meinst kommen aufgrund der Wirbelströme in den voneinander isolierten Blechen, die dafür sorgen dass sich die einzelnen Bleche mit 100 Hz gegenseitig abstoßen (wie gegensinnig vom Strom durchflossene Drähte)?

Bei Belastung kommen noch die Kräfte zwischen den Drähten
hinzu, die wesentlich zum Brummen des belasteten Trafos
beitragen.
Die Magnetostriktion ist dagegen zumindest bei kleineren
Trafos (unter 1 kVA) vernachlässigbar. Bei großen Trafos kann
sie eine größere Rolle spielen, da hier größere Massen stärker
ausgelenkt werden.

Jörg

MfG Herbert

#16

Hallo Herbert,

Doch, hast Du:

  1. Bei gleichem Strom erzeugt die Spule mit Eisenkern eine
    wesentlich höhere magn. Feldstärke. Außerdem entstehen Kräfte
    zwischen Eisenkern und Spule.

Meinst du die magnetische Feldstärke H (die ist doch
unabhängig vom Material:
Feldstärke=Durchflutung/mittl.Feldlinienlänge) oder die
magnetische Flussdichte B(B=µ x H). Ich hab’ den Leerlaufstrom
extra auf Laststrom erhöht damit auf die Wicklungen die
gleichen Kräfte wirken.

Ich meinte natürlich die magn. Flußdichte B

  1. Das Magnetfeld erzeugt erhebliche Kräfte zwischen den
    Eisenblechen des Kernes, die die Hauptursache für das
    Leerlaufbrummen des Trafos sind.

Das überzeugt mich.
Nur zur Klarstellung.
Die Kräfte die dur meinst kommen aufgrund der Wirbelströme in
den voneinander isolierten Blechen, die dafür sorgen dass sich
die einzelnen Bleche mit 100 Hz gegenseitig abstoßen (wie
gegensinnig vom Strom durchflossene Drähte)?

Nein, die Wirbelströme versucht man ja gering zu halten und deren Effekt dürfte auch eher vernachlässigbar sein. Viel größer sind die Kräfte auf Grenzflächen zwischen Eisen und Luft, durch die der Fluß hindurchtritt. Die treten vor allem in Luftspalten auf.

Jörg

#17

Nochmal Aha?
Hallo Jörg,

Nein, die Wirbelströme versucht man ja gering zu halten und
deren Effekt dürfte auch eher vernachlässigbar sein. Viel
größer sind die Kräfte auf Grenzflächen zwischen Eisen und
Luft, durch die der Fluß hindurchtritt. Die treten vor allem
in Luftspalten auf.

Das heißt es sind die Pol-Kräfte, die am Übergang zwischen
Joch und Schenkel eben auf diese beiden Wirken?

Hast du eine verlässliche Quelle wo die Geräuschquellen nach
ihrem Beitrag und in Abhängigkeit von der Nennleistung
untersucht sind (mich interessieren eher Transformatoren ab
1kVA)

MfG Herbert

#18

Hallo Herbert,

Das heißt es sind die Pol-Kräfte, die am Übergang zwischen
Joch und Schenkel eben auf diese beiden Wirken?

Ja, zumindest bei schlecht zusammengebauten Trafos treten hier erhebliche Kräfte auf, die den Hauptanteil des Brummens ausmachen.

Hast du eine verlässliche Quelle wo die Geräuschquellen nach
ihrem Beitrag und in Abhängigkeit von der Nennleistung
untersucht sind (mich interessieren eher Transformatoren ab
1kVA)

Nein, habe ich nicht. Ich bezweifle auch, ob es sowas gibt, da hier viele Faktoren wie Kernform, Packungsdichte der Bleche, Befestigung und ganz wesentlich das Gehäuse mit reinspielen. Ob das soo interessant ist, dass sich jemand die Mühe machen würde es herauszufinden ist natürlich auch die Frage.

Jörg