Cosa sono i trasformatori e come funzionano?

Cosa sono i trasformatori e come funzionano? Scopri i principi base del funzionamento dei trasformatori in elettromagnetismo e la loro applicazione pratica.

I trasformatori sono dispositivi elettrici che trasferiscono energia elettrica tra due o più circuiti attraverso l’induzione elettromagnetica. Sono comunemente utilizzati per aumentare (trasformatore elevatore) o diminuire (trasformatore abbassatore) la tensione in un circuito elettrico.

Principi di Funzionamento

Il funzionamento dei trasformatori si basa su due principi fondamentali dell’elettromagnetismo: l’induzione elettromagnetica e la legge di Faraday.

Induzione Elettromagnetica: Quando una corrente elettrica passa attraverso un conduttore, genera un campo magnetico attorno ad esso. Questo campo magnetico può indurre una corrente in un altro conduttore vicino, senza che ci sia un contatto diretto tra i due.
Legge di Faraday: La legge di Faraday afferma che una variazione del flusso magnetico nel tempo attraverso un circuito induce una tensione (fem) in quel circuito. Matematicamente, è espressa come:
\[ \text{fem} = -N \frac{d\Phi}{dt} \]

dove N è il numero di spire del circuito, \(\Phi\) è il flusso magnetico, e \(\frac{d\Phi}{dt}\) è la variazione del flusso magnetico nel tempo.

Componenti Principali di un Trasformatore

Avvolgimenti: Solitamente un trasformatore ha due avvolgimenti principali, il primario (collegato alla sorgente di alimentazione) e il secondario (collegato al carico). Gli avvolgimenti sono realizzati con filo di rame isolato e avvolti su un nucleo di materiale ferromagnetico.
Nucleo: Il nucleo è il componente che supporta gli avvolgimenti e facilita il passaggio del flusso magnetico. È generalmente costruito con fogli di acciaio laminato per ridurre le perdite per correnti parassite.

Tipi di Trasformatori

I trasformatori possono essere classificati in vari modi, ma uno dei metodi più comuni è in base alla loro funzione:

Trasformatori di Potenza: Utilizzati nelle reti di distribuzione di energia elettrica per cambiare la tensione da un livello molto alto a uno più basso, o viceversa.
Trasformatori di Strumento: Utilizzati per misurazioni e protezione dei circuiti. Possono essere ulteriormente suddivisi in trasformatori di corrente (CT) e trasformatori di tensione (VT).
Trasformatori di Isolamento: Utilizzati per isolare elettricamente diverse parti di un circuito, senza cambiare i livelli di tensione.

Efficienza e Perdite

I trasformatori sono generalmente molto efficienti, con un’efficienza che può superare il 98%. Tuttavia, ci sono alcune perdite che possono verificarsi, che includono:

Perdite nel Nucleo: Sono causate dall’isteresi magnetica e dalle correnti parassite nel nucleo. Le perdite di isteresi sono dovute alla necessità di invertire la magnetizzazione del nucleo, mentre le perdite per correnti parassite sono causate dalle correnti indotte nei fogli di acciaio del nucleo.
Perdite negli Avvolgimenti: Conosciute anche come perdite per effetto Joule, sono causate dalla resistenza degli avvolgimenti stessi e sono proporzionali al quadrato della corrente (P = I²R).

Conclusione

I trasformatori sono componenti essenziali nei sistemi elettrici moderni, consentendo il trasferimento efficiente di energia elettrica a diversi livelli di tensione. Comprendere il loro funzionamento e i principi su cui si basano è fondamentale per chiunque si avventuri nel campo dell’elettromagnetismo e dell’ingegneria elettrica.