Trasformatore
Un trasformatore (in in inglese transformer, pronuncia transformer) è una apparecchiatura elettrica statica (cioè senza parti in movimento) che permette di trasformare i valori di corrente e tensione elettrica mantenendo comunque costante il prodotto tensione x corrente (V x I). Può funzionare solo in corrente alternata.
Normalmente il trasformatore è costituito da un nucleo in materiale ferromagnetico (come sia realizzato il nucleo non è importante per capire il funzionamento del trasformatore, ma se sei curioso, solo dopo aver capito qui il funzionamento, visita nucleo ferromagnetico). Sul nucleo sono avvolti due avvolgimenti di filo di Rame che vengono detti primario e secondario completamente indipendenti e isolati tra loro. Se si collega uno dei due avvolgimenti a un generatore elettrico di corrente alternata, apparirà una corrente alternata del tutto simile anche sul secondo avvolgimento. Questo avviene perché la corrente elettrica alternata applicata al primario genera un campo magnetico alternato nel nucleo (poli Nord e Sud che continuamente si scambiano seguendo la corrente elettrica) e questo campo magnetico variabile genera una tensione elettrica nelle spire del secondario. In Figura 1 è schematizzato un trasformatore. In Figura 2 è rappresentato il simbolo di trasformatore più usato in campo scientifico e elettronico. In Figura 3 è visibile il simbolo più utilizzato negli schemi elettrici.
Per esempio consideriamo un trasformatore con due avvolgimenti uguali e utilizziamo come sorgente di corrente alternata una presa di corrente della nostra abitazione (attenzione! non utilizzare mai le prese di casa per esperimenti perché puoi morire!) che è a 230V. Se colleghiamo alla presa uno dei due avvolgimenti del trasformatore (non importa quale dei due, ma lo chiameremo primario perché è quello a cui colleghiamo la corrente elettrica alternata), anche sull'altro avvolgimento (secondario) troveremo 230V tanto che possiamo collegare al secondario una lampadina e questa si accenderà.
Se realizziamo il secondario con metà spire rispetto al primario vedremmo la lampadina fare poca luce e se misurassimo la tensione ai suoi capi (con un voltmetro) vedremmo che è 115V (cioè la metà di 230V applicati al primario).
Se realizziamo il secondario con il doppio di spire rispetto al primario vedremmo la lampadina fare una gran luce (e forse bruciarsi) e se misurassimo la tensione ai suoi capi vedremmo che è 460V (cioè il doppio di 230V applicati al primario).
Quindi in un trasformatore vale la legge: V1 / V2 = N1 / N2 dove i numeri 1 e 2 indicano il primario e il secondario, V indica la tensione e N il numero di spire.
Ma il numero delle spire può essere qualunque? No. Per sapere quante devono essere le spire negli avvolgimenti occorrono basi di fisica e tecnologia dei materiali che non hai ancora, ma ti basti sapere che il numero di spire del primario dipende dalla tensione applicata al primario, dalla frequenza della corrente alternata e dalle dimensioni del trasformatore. Usando uno stesso nucleo, il numero di spire è proporzionale alla tensione applicata al primario. Se per esempio fossimo in America (dove la tensione nelle prese è 120V) nel nostro trasformatore avvolgeremmo un primario con circa metà spire rispetto a quello che abbiamo usato a 230V (120 è circa la metà di 230). In realtà ne potremmo avvolgere un po' meno perché in America la frequenza è 60 Hz mentre la nostra è 50 Hz (cioè le spire diminuiscono all'aumentare della frequenza della corrente elettrica che è collegata al primario). Anche se usassimo un nucleo più grosso utilizzeremmo avvolgimenti con meno spire, cioè il numero di spire diminuisce all'aumentare delle dimensioni del nucleo: un grosso trasformatore di grande potenza, a parità di tensione applicata, ha molte meno spire (ma di filo più grosso essendo attraversate da correnti più grandi) di un piccolo trasformatore.
Utilizzi del trasformatore
Il trasformatore fu inventato intorno al 1830 ma fu solo verso la fine del 1800 che cominciò ad assomigliare a quello di oggi e cominciò ad essere utilizzato ampiamente.
Il primo utilizzo, ancora oggi fondamentale, fu per permettere di trasferire l'energia elettrica a grande distanza da dove veniva prodotta (centrali elettriche) agli utilizzatori. Infatti nelle centrali elettriche si adottano grandi trasformatori (Figura 4) con i secondari dotati di molte più spire dei primari per elevare la tensione (tipicamente a 100.000 Volt) in modo da ridurre la corrente e quindi la dimensione dei fili elettrici necessari a trasportarla. In vicinanza della zona di utilizzo (per esempio una città) posta a volte a più di 100 km di distanza, i cavi dell'alta tensione vengono collegati a un trasformatore con il secondario dotato di molte meno spire del primario per riabbassare la tensione a un valore più facile da trasportare, senza la necessità di altissimi pali come quelli dell'alta tensione (normalmente 15.000 Volt). Questa tensione poi viene ulteriormente abbassata nelle cabine di trasformazione sparse in tutte le zone abitate dove un ulteriore trasformatore abbassa la tensione al valore presente nelle prese domestiche (in Italia 230V).
A parte questo uso fondamentale, trasformatori di piccole dimensioni sono utilizzati in moltissime apparecchiature, Nelle apparecchiature elettroniche si utilizzano normalmente trasformatori dotati di nuclei realizzati con materiali ferromagnetici ceramici particolari (ferriti) che vengono pilotati da particolari circuiti elettronici a frequenza elevata (normalmente da 20.000 a 500.000 Hz). Poiché, come abbiamo visto, il numero delle spire necessarie diminuisce all'aumentare della frequenza, questi trasformatori hanno dimensioni piccolissime in rapporto alla potenza che riescono a trasformare. Per dare una idea, un trasformatore in ferrite della potenza di un trasformatore a 50Hz grande come una scatola da scarpe è grande come un pacchetto di sigarette e pesa 50 volte meno.