A2C - Salerno

Ormai ognuno di noi ha almeno una decina di trasformatori ciascuno. Li usiamo ma spesso non sappiamo come funzionano. Oggi ne approfondiamo le caratteristiche in modo da utilizzarli con maggiore consapevolezza. Innanzitutto noi siamo abituati ai piccoli trasformatori, ma in realta i grandi trasformatori elettrici sono i protagonisti del trasporto di energia elettrica a grandi distanze. Sono dispositivi fondamentali per la trasmissione, la distribuzione e l'utilizzo finale di energia elettrica.

Ne esistono di molti tipi, ma tutti assolvono ad un compito ben preciso: trasformare i valori di tensione tra ingresso e uscita. Un trasformatore elettrico è una macchina che funziona esclusivamente in corrente alternata e si basa sul principio dell'induzione elettromagnetica. Al loro interno sono presenti due circuiti chiamati avvolgimento primario ed avvolgimento secondario, ciascuno dei quali formati da un certo numero di spire avvolte intorno a quello che è detto "nucleo del trasformatore". La corrente in ingresso entra nell'avvolgimento primario dove genera un campo di induzione magnetica variabile nel tempo, il cui flusso si propaga attraverso il nucleo del trasformatore fino al secondo avvolgimento. La variazione del flusso magnetico induce nel secondo avvolgimento una forza elettromotrice, o tensione. Questo fenomeno permette di ottenere delle correnti in uscita a tensione più alta o più bassa rispetto a quelle di entrata, a seconda delle necessità di impiego, mantenendo però invariata la potenza elettrica. Ovviamente, questo è un caso ideale, perché ci saranno sempre dei fenomeni dissipativi di varia natura.

Proprio perché il trasformatore funziona mediante il principio dell'induzione elettromagnetica, essi possono essere alimentati solo a corrente alternata e anche le correnti in uscita dal trasformatore saranno alternate, a meno di dispositivi di conversione AC/DC. Questo perché il fenomeno dell'induzione è possibile solo in presenza di campi elettromagnetici variabili nel tempo: la corrente alternata genera campi variabili nel tempo, la corrente continua genera campi di tipo statico. Se la tensione e l'intensità in ingresso fossero costanti nel tempo, cioè nel caso della corrente continua, avremmo un campo di induzione magnetica costante nel tempo, da cui un flusso costante nel secondo avvolgimento, e non ci potrebbe essere alcuna formazione di correnti indotte in esso.
Invece, nel caso delle correnti alternate, tensione ed intensità variano nel tempo e generano campi a loro volta variabili nel tempo, da cui un flusso magnetico variabile. In accordo con la legge di Faraday-Neumann-Lenz si induce un campo elettrico nel secondo avvolgimento.
Tale campo elettrico indotto, a sua volta variabile nel tempo, è il vero responsabile della fem indotta nel secondo avvolgimento che rende possibile la circolazione di una corrente alternata, ossia a tensione ed intensità oscillanti nel tempo.
I trasformatori sono comunque macchine reversibili: il primo avvolgimento può fungere da secondo e viceversa, a seconda del verso di alimentazione.
La tensione indotta nell'avvolgimento secondario è proporzionale al rapporto fra numero di spire nel primario e quelle del secondario:

Vp / Vs = Np / Ns

dove

• Vp e Vs sono le tensioni nel primario e secondario,
• Np e Ns sono il numero di spire nel primario e nel secondario.

I trasformatori più semplici sono costituiti da due avvolgimenti di filo conduttore avvolti attorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico (ad elevatissima permeabilità magnetica), che può essere di forma quadrata, ad anello oppure toroidale.
Ovviamente, ci sarà sempre una parte di energia dissipata per effetto Joule, per isteresi, per dispersione e altro ancora, pertanto il valore di tensione efficace in uscita da un trasformatore è dato da:

Veff = Vmax / √2

dove

• Veff e Vmax sono i valori di tensione efficace e tensione massima, rispettivamente,
• √2 è la radice quadrata di 2.

Poiché il calore dissipato per effetto Joule tende a riscaldare la parte attiva del trasformatore, ciò ne ridurrebbe le prestazioni e l'efficienza. Per scongiurare ciò, nei trasformatori che operano in bassa tensione e cioè quelli che siamo abituati a vedere in casa nostra, la parte attiva è isolata da resine sintetiche.
Per queste ragioni, questi trasformatori sono anche detti "a secco". I trasformatori più grandi, invece, come quelli presenti nelle cabine elettriche per trasformare l'energia elettrica da AT a MT, o quelli usati nelle reti di trasmissione in AT e AAT, usano sistemi di raffreddamento ad olio refrigerante. Nel primo caso il sistema può essere passivo, nel secondo servono pompe e anche ventilatori. In passato, venivano impiegati largamenti all'interno i policlorobifenili (PCB) per le loro ottime caratteristiche refrigeranti, tuttavia, a causa della loro tossicità e persistenza ambientale, sono stati progressivamente banditi e sostituiti con altre sostanze meno pericolose.

Chiudo con una frase di Richard Feynman:"L'elettricità è una delle forze primordiali dell'universo, e il suo studio ci avvicina alla comprensione dell'essenza della realtà".

Si ringrazia il Dott. Luigi Rescigno per il supporto scientifico.