Comprendere il Funzionamento di un Trasformatore: Una Guida Semplice

Ogni giorno usiamo centinaia di dispositivi. Tuttavia i meno esperti sono ignari di alcuni dispositivi che sono essenziali per il corretto funzionamento della società moderna. Cos’è un trasformatore? Il trasformatore è un dispositivo che consente di trasferire energia elettrica da un circuito ad un altro tramite un legame magnetico. Questo è stato uno dei più grandi progressi nell’ingegneria elettrica, che ha permesso di trasportare l’energia elettrica su lunghe distanze e di convertirla in forme diverse per adattarla alle esigenze dei vari utilizzatori. La trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze ha permesso di illuminare città e paesi sfruttando un solo punto centrale (la centrale elettrica), e permettendo ad attività e abitazioni di usufruire della corrente elettrica. Il mondo non appariva più spento, ma un’intricata rete di energia elettrica atta ad alimentare molteplici operazioni della vita quotidiana. I cuori pulsanti della società moderna diventarono le centrali elettriche.  Il trasformatore gioca un ruolo chiave.

Oggi spieghiamo una tecnologia complessa. Armatevi un attimo di pazienza, vedrete che non sarà così ostico capirla. Dopotutto, il nostro motto è spiegare in maniera elementare l’informatica e la tecnologia!

Storia del Trasformatore

La storia del trasformatore inizia nel lontano 1831, quando il fisico Michael Faraday scoprì il principio di induzione elettromagnetica. Egli dimostrò che una variazione di corrente in un circuito può generare una tensione in un altro circuito attraverso un legame magnetico. Questa scoperta ha aperto la strada alla creazione di un dispositivo in grado di trasformare la tensione elettrica in modo efficiente. Qualcuno colse la palla al balzo, fiutando le nuove opportunità offerte dalla scoperta dell’induzione elettromagnetica. Il primo trasformatore funzionante è stato inventato nel 1885 da George Westinghouse, un ingegnere e imprenditore americano. Il suo trasformatore utilizzava un nucleo di ferro e avvolgimenti di rame per trasferire l’energia elettrica tra due circuiti. Questo dispositivo ha permesso di trasportare l’energia elettrica su distanze maggiori rispetto a quelle permesse dalle tecnologie esistenti, aprendo la strada alla creazione di una rete di trasmissione di energia elettrica a livello nazionale. Non fu cosa da poco ai tempi, anzi, diede una marcia in più alla Seconda rivoluzione industriale.

I trasformatori moderni invece sono progettati per essere molto più efficienti e affidabili rispetto ai primi modelli. Essi utilizzano materiali avanzati, come il silicio, per migliorare le prestazioni e ridurre le perdite di energia. Inoltre, i trasformatori vengono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la trasmissione e la distribuzione dell’energia elettrica, la generazione di energia, l’illuminazione e le apparecchiature elettroniche. Ora illustriamo il funzionamento di un trasformatore odierno.

Meccanismi del Trasformatore

Un trasformatore funziona utilizzando il principio di induzione elettromagnetica, accennato nel capitolo precedente. Non è altro che una macchina elettrica statica alimentata a corrente alternata. Consente di ridurre i flussi di corrente elettrica a un livello accettabile. Il suo compito principale è quello di trasferire potenza elettrica a lunghe distanze cambiando il livello di tensione. La sua morfologia ci aiuta a capire il funzionamento.

Osservando l’illustrazione, possiamo notare come il dispositivo consiste di due o più avvolgimenti di filo, chiamati avvolgimento primario e avvolgimento secondario, che sono avvolti intorno ad un nucleo di ferro a forma di anello rettangolare. L’avvolgimento primario è quello che riceve la corrente alternata dalla fonte di alimentazione. La corrente che scorre attraverso l’avvolgimento primario crea un campo magnetico che attraversa il nucleo del trasformatore. L’avvolgimento secondario è quello che fornisce la corrente trasformata all’apparecchio o al circuito collegato. La corrente che scorre attraverso l’avvolgimento secondario è determinata dal numero di spire presenti in esso rispetto al numero di spire presenti nell’avvolgimento primario. Proviamo a spiegare il concetto con l’esempio della centrale elettrica e la distribuzione della corrente in città.

Spiegazione

1. Generazione di corrente alternata: Nella centrale elettrica, una turbina viene azionata dall’energia di una fonte, come l’acqua o il vapore, per generare corrente alternata.
2. Alimentazione dell’avvolgimento primario: La corrente alternata generata dalla centrale elettrica viene inviata al trasformatore attraverso l‘avvolgimento primario. L’avvolgimento primario funziona quindi da ricevente (tensione di ingresso).
3. Creazione di un campo magnetico: Poi la corrente che scorre attraverso l’avvolgimento primario crea un campo magnetico attorno al nucleo del trasformatore. Il nucleo ha la forma di un anello rettangolare composto da materiale ferromagnetico.
4. Induzione di corrente: Il campo magnetico generato dall’avvolgimento primario induce una corrente alternata nell’avvolgimento secondario del trasformatore.
5. Trasformazione della tensione: La corrente trasformata generata nell’avvolgimento secondario può essere utilizzata per alimentare gli apparecchi o i circuiti collegati alla centrale elettrica, a una tensione diversa dalla tensione originaria (tensione di uscita). Il trasformatore consente di alzare o abbassare la tensione della corrente in modo da adattarla alle esigenze del sistema di distribuzione.

Il rapporto tra le tensioni nell’avvolgimento primario e secondario è noto come rapporto di trasformazione e può essere utilizzato per aumentare o diminuire la tensione. Ad esempio, se il rapporto di trasformazione è di 1:10, ciò significa che una tensione di 1 volt nell’avvolgimento primario genererà una tensione di 10 volt nell’avvolgimento secondario.

Inoltre, la corrente nell’avvolgimento primario e secondario è inversamente proporzionale al numero di spire. Ciò significa che se c’è una corrente di 1 ampere nell’avvolgimento primario, ci sarà una corrente di 0,1 ampere nell’avvolgimento secondario se il rapporto di trasformazione è di 1:10. In sintesi, un trasformatore funziona trasferendo energia elettrica da un circuito ad un altro tramite un legame magnetico, utilizzando il principio di induzione elettromagnetica.

Impiego dei trasformatori

Il trasformatore viene utilizzato in molti luoghi e in molti modi differenti, rende l’idea di quanto utili e diffusi possano essere nella nostra società. L’idea generale è che siccome in un paese esistono tecnologie molto diverse tra loro, bisognose di tensioni diverse, allora è obbligatorio l’impiego di trasformatori specifici. Vengono impiegati  in:

• Centrali elettriche: vengono utilizzati per aumentare o diminuire la tensione della corrente prima di trasportarla attraverso le linee di trasmissione a lunga distanza. Ciò è importante per calibrare la tensione, allo scopo di evitare guasti.
• Reti di distribuzione: i trasformatori vengono utilizzati per ridurre la tensione della corrente prima di distribuirla ai clienti finali.
• Impianti industriali: operano per alimentare macchinari e attrezzature industriali a tensioni diverse da quelle disponibili nella rete di alimentazione. Correggono la tensione appositamente per i macchinari, garantendo il corretto funzionamento.
• Impianti di illuminazione: i trasformatori vengono utilizzati per alimentare le lampade a bassa tensione, come quelle utilizzate per l’illuminazione stradale e dei giardini pubblici.
• Apparecchiature elettroniche: sono utilizzati per alimentare apparecchiature elettroniche, come computer, televisori e dispositivi audio, che richiedono una tensione e una frequenza specifiche.
• Sistemi di ricarica per veicoli elettrici: inoltre i trasformatori vengono utilizzati per fornire la giusta tensione e corrente per ricaricare le batterie dei veicoli elettrici. Quella dei veicoli elettrici è una realtà sempre più diffusa e l’impiego di specifici trasformatori sarà sempre più massiccio.
• Trasformatori per l’alta tensione: trasformatori ad alta tensione vengono utilizzati per trasportare l’energia elettrica su lunghe distanze, tra centrali elettriche e città.

Dopo un’infarinatura generale sui trasformatori, entriamo ancora più nei dettagli per scoprire le tipologie di trasformatori presenti in società.

Tipologie di trasformatori

Esistono parecchi tipi di trasformatori, perciò evitiamo di includerli tutti, per fini divulgativi. Elenchiamo qui di seguito i più comuni:

• Trasformatori di distribuzione: sono utilizzati per ridurre la tensione dell’energia elettrica da trasportare su lunghe distanze fino ai livelli utilizzati per l’alimentazione domestica. In una casa la tensione deve essere per forza ridotta, altrimenti sarebbe un disastro!
• Trasformatori di potenza: questi invece sono utilizzati per trasferire energia elettrica ad alte tensioni su lunghe distanze, come nelle linee di trasmissione.
• Trasformatori di isolamento: utilizzati per isolare un circuito elettrico da un altro.
• Trasformatori di corrente: utilizzati per misurare la corrente in un circuito. Sì, i trasformatori hanno anche funzionalità di misurazione.
• Trasformatori di tensione: utilizzati per misurare la tensione in un circuito.
• Trasformatori di corrente continua: in pratica sono utilizzati per convertire la corrente continua in corrente alternata o viceversa.
• Trasformatori audio: impiegati per amplificare o ridurre il segnale audio in un circuito. Sono meno conosciuti rispetto agli altri, ma svolgono una funzione altresì importante.
• Trasformatori di potenza in bassa tensione: impiegati per la trasmissione e la distribuzione dell’energia elettrica in bassa tensione.

In realtà non c’è un numero preciso di quanti tipi di trasformatori esistono, poiché ne vengono sviluppati di nuovi per soddisfare le esigenze delle varie apparecchiature e dei nuovi sviluppi tecnologici. L’unica certezza è il loro diffuso impiego.

Conclusione

Il principio di induzione elettromagnetica ha permesso il concepimento dei trasformatori, macchine elettriche fondamentali per una società dove l’elettricità è una fonte di energia importante. Adesso sapete come funziona un trasformatore! Non è stato così complicato alla fine, basta capire alcuni concetti chiave. Noi di Inline Style ci teniamo a una comunicazione semplice e brillante. Il nostro è un progetto nato da esperti di sviluppo software e divulgazione con più di 10 anni di esperienza in ambiti industriale ed accademico, che vogliono introdurre la programmazione, la tecnologia e il mondo del web a tutti coloro che non hanno precedenti esperienze nel settore.