Il trasformatore

AREA 7 Elettricità e macchine
Il trasformatore
L’induzione elettromagnetica è alla base anche del funzionamento del
trasformatore, un dispositivo in grado di innalzare o abbassare la tensione
alternata (va ricordato che il trasformatore non può funzionare in presenza di una tensione continua). Il trasformatore è composto da un nucleo di
ferro dolce, sul quale sono presenti due avvolgimenti di filo elettrico isolato: quello primario è collegato al generatore, mentre quello secondario è
collegato al circuito di utilizzo.
La corrente alternata che scorre nell’avvolgimento primario provoca un
campo magnetico che, tramite il nucleo di ferro, si trasferisce all’avvolgimento secondario, inducendo nel circuito secondario una tensione, il cui
valore è proporzionale al numero di spire: il numero delle spire negli avvolgimenti può quindi variare per aumentare o diminuire la tensione sul
circuito secondario.
I grossi trasformatori sono
impiegati per innalzare o
abbassare la tensione sulle linee per il
trasporto dell’energia elettrica. I piccoli
trasformatori, invece, con l’aggiunta di pochi
altri componenti elettronici, sono utilizzati
per alimentare una vasta gamma di prodotti
elettronici.
Nucleo di ferro, costituito
da lamierini di ferro dolce
Avvolgimento
primario
Circuito di utilizzo
220 V
Avvolgimento
secondario
PUNTI DI DOMANDA
1. Xxxxx?
2. Xxxxxxx?
3. Xxxxxxx
xxxxxx?
Se si vuole diminuire la tensione sull’avvolgimento secondario, quello primario
deve avere un numero di spire maggiore rispetto al secondario. Viceversa, se si
vuole aumentare la tensione sull’avvolgimento secondario, l’avvolgimento primario
avrà un numero di spire minore.
SALUTE
Il campo magnetico e la medicina
Una particolare applicazione del magnetismo generato con correnti elettriche è la RMN (risonanza magnetica nucleare). Il
campo magnetico, generato con un’apposita apparecchiatura, viene irradiato sul corpo del paziente secondo angolazioni
diverse. I dati che si ottengono, elaborati da un computer, permettono
di ottenere immagini degli organi in formato tridimensionale. Tale diagnostica consente di ricavare informazioni sulle caratteristiche chimiche
e fisiche dei tessuti molli quali muscoli, organi interni, vasi sanguigni e
sistema nervoso.
I campi magnetici sono inoltre sfruttati nella magnetoterapia. Questa
tecnologia utilizza campi magnetici a bassa densità per curare, nei vari
settori della medicina, traumi, disturbi articolari, ulcere di origine traumatica e da ustioni, malattie reumatiche, disturbi di tipo infiammatorio.
Si tratta di una terapia utilizzata in alternativa ai farmaci e alla quale si
ricorre con interesse sempre crescente.
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Corrente elettrica
UNITÀ 1
LEZIONE
Attorno alla calamita si
esercita una forza
d’attrazione, chiamata
campo magnetico, che si
manifesta secondo le linee
di forza, osservabili
facilmente con della
polvere o limatura di ferro.
101B. Effetto elettromagnetico
I magneti naturali
In natura esistono dei materiali, ad esempio la magnetite, che si comportano come magneti.
Questi magneti naturali, chiamati comunemente calamite, sono detti permanenti perché
mantengono nel tempo la loro capacità di magnetizzazione. Tra le caratteristiche delle calamite vi sono la capacità di attrarre solo materiali ferrosi e avere sempre una polarità distinta
in polo Nord e polo Sud anche se vengono divisi in più parti. Inoltre, le forze di interazione
tra calamite (poli uguali si respingono, mentre poli contrari si attraggono) rimangono tali
anche all’interno dell’acqua o in presenza di ostacoli come legno, vetro, tessuti, carta, plastica.
L'effetto elettromagnetico
Se si avvolge un filo elettrico isolato, formando un certo numero di spire,
attorno a una barretta di ferro e si collegano le due estremità del filo ai
poli di una batteria, si crea un’elettrocalamita. La corrente che circola nel
filo crea un campo magnetico, che influenza la barretta generando una
forza chiamata elettromagnetica, capace di attrarre oggetti di ferro.
La forza elettromagnetica si differenzia dal magnetismo della calamita
perché può essere interrotta o ripristinata in qualsiasi momento aprendo
o chiudendo il circuito elettrico.
Spire di filo elettrico
Barretta
di ferro
Chiodi
Interruttore
Pila
PUNTI DI DOMANDA
1. Xxxxx?
2. Xxxxxxx?
3. Xxxxxxx
xxxxxx?
Il treno a levitazione magnetica, o maglev,
è un tipo di treno che viaggia grazie al
fenomeno della levitazione magnetica. Il
maglev, che è in grado di muoversi a velocità
elevatissime e su lunghi percorsi, potrebbe
competere con il trasporto aereo, ma l’elevato
costo per la realizzazione delle infrastrutture ne
ha attualmente limitato l’utilizzo a brevi tratte. I
30 km tra l’aeroporto di Shanghai, in Cina, e il
centro città vengono percorsi in circa 7 minuti,
a una velocità di 500 km/h.
Nella vita quotidiana spesso si utilizza, senza rendersene conto, l’effetto
dell’elettrocalamita, ad esempio quando si premono i pulsanti per suonare
il campanello o per aprire il portone di casa. Nelle industrie viene utilizzato
per spostare oggetti di ferro oppure rottami o materiali comunque ferrosi.
Il campanello elettrico
Il campanello elettrico è un esempio di dispositivo elettromagnetico basato sul principio dell’induzione elettromagnetica, ovvero la capacità posseduta dalla corrente elettrica di creare un campo magnetico. Il componente
elettrico ha la funzione di richiamare l’attenzione su un particolare evento,
ad esempio la segnalazione di un persona all’ingresso di casa, una situazione di pericolo, un allarme nell’ascensore oppure per indicare l’intervallo o la fine delle lezioni a scuola.
› Il campanello elettrico
1
Chiudendo l’interruttore
si alimenta il circuito.
2 Il passaggio della
corrente crea nella bobina
un campo elettromagnetico.
Il martelletto
colpisce la
campana e viene
emesso un suono.
4
6 Il ciclo si ripete fin tanto
che si permette alla corrente
di circolare nel circuito.
5 Contemporaneamente
la barretta si allontana
dalla vite e interrompe il
circuito. Tornando nella
posizione iniziale, la
barretta richiude il circuito.
3 La forza elettromagnetica attrae
la barretta fissata su un perno.
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AREA 7 Elettricità e macchine
LEZIONE
102. Effetto termico e luminoso
L'effetto termico (effetto Joule)
La corrente elettrica che scorre in un corpo conduttore inevitabilmente
incontra una certa resistenza dovuta al tipo di materiale, sviluppando e
disperdendo dell’energia sotto forma di calore. A questo fenomeno s’interessò James Prescott Joule (1818-1889), fisico inglese che studiò e quantificò la dispersione di calore prodotta dal passaggio della corrente elettrica
in un conduttore.
I cavi che trasportano l’energia sono
interessati dall’effetto Joule. Quindi, per
evitare che una grande quantità dell’energia
prodotta si disperda sotto forma di calore, la
tensione viene innalzata con trasformatori
fino a 380 000 volt, in modo da diminuire il
valore della corrente. Questo fa sì che, a
parità di energia elettrica trasportata, si
riduca la perdita di calore.
Se da una parte la dissipazione di energia risulta
svantaggiosa proprio perché si disperde una certa
quantità di energia, dall’altra può risultare vantaggiosa perché, sfruttando questo effetto, è possibile ottenere energia termica. La corrente elettrica che circola in un’apposita resistenza la riscalda
producendo calore. Questa caratteristica viene
sfruttata nel funzionamento di stufe, forni elettrici, ferri da stiro, asciugacapelli, tostapane.
L'effetto luminoso: gli apparecchi di illuminazione
Gli apparecchi di illuminazione sono dei sistemi elettrici progettati per
trasformare l’energia elettrica in energia luminosa. Il principio generale,
secondo Joule, si basa sulla versatilità che ha la corrente di essere trasformata facilmente in calore e luce quando si trova in presenza di una resistenza che diventa incandescente.
Le lampade a incandescenza
Le lampade a incandescenza sono formate da un’ampolla di vetro al cui interno è stata
tolta l’aria. Internamente si trova un sottile filamento di tungsteno, sorretto da due elettrodi, il quale, al passaggio della corrente elettrica diventa incandescente determinando l’emissione di luce.
Poiché solo il 10% dell’energia viene convertita in effetto luminoso, la Comunità Europea
ha decretato che dal 2012, a causa del loro eccessivo consumo di energia, queste lampadine non possano più essere utilizzate per l’illuminazione.
Sono disponibili lampade alogene alimentate
direttamente a 230 volt, in genere di potenza,
fino a 1000 watt. Altri modelli molto piccoli
(i faretti), alimentati a 12 volt per mezzo
di un trasformatore, sono adatti a
illuminazioni localizzate e di arredo.
Le lampade alogene
Le lampade alogene sono delle particolari lampade a incandescenza.
Sono formate da un bulbo di vetro generalmente di quarzo, con all’interno un filamento di tungsteno e un gas inerte, che limita l’evaporazione
del metallo e determina una maggiore efficienza luminosa. Anche per
queste lampadine buona parte dell’energia viene trasformata in calore.
Raggiungono temperature di 250 °C, per cui durante il funzionamento
occorre assolutamente evitare il contatto per non incorrere in pericolose
scottature. La loro durata è maggiore rispetto a quella delle lampade a
incandescenza, emettono una luce più bianca e il rendimento arriva al 20%. Sono utilizzate nell’illuminazione
domestica e dei negozi, nei fari di automobili, camion e
motociclette, ma trovano impiego anche per l’illuminazione di grandi ambienti.
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Corrente elettrica
Poiché contengono
mercurio, una sostanza
tossica per l’uomo, le
lampade fluorescenti vanno
depositate negli appositi
contenitori e smaltite con
sistemi specializzati.
UNITÀ 1
Le lampade a fluorescenza
Le lampade a fluorescenza sono costituite da un tubo di vetro la cui parte interna è rivestita con materiale fluorescente. L’aria presente all’interno viene tolta e viene inserito un gas
nobile a bassa pressione come il neon o l’argon, con l’aggiunta di una piccola quantità di
mercurio. La corrente che viene fatta passare tra i due elettrodi eccita gli atomi di mercurio
favorendo l’emissione di radiazioni ultraviolette che colpiscono il materiale fluorescente,
il quale emette a sua volta luce visibile. Cambiando la composizione chimica del materiale fluorescente si può ottenere una luce più calda, tendente al giallo, o più bianca, oppure
una luce colorata come avviene per le insegne luminose.
Per poter essere accese le lampade fluorescenti lineari necessitano di un reattore, che porta
la normale tensione di rete da 230 volt a circa 400 volt, e uno starter (accenditore) esterno
alla lampada. Sono utilizzate prevalentemente negli uffici e nei negozi.
Le lampade fluorescenti circolari e quelle compatte sono usate principalmente in ambito
domestico; nell’attacco a vite è presente un circuito elettronico che ne permette l’accensione e l’alimentazione.
Le lampade LED
L’invenzione del LED risale a circa mezzo secolo fa, quando era usato come sorgente puntiforme per segnalare l’accensione dei dispositivi elettronici. Da allora si sono perfezionate le tecniche di produzione e oggi viene impiegato anche come sistema illuminante per
piccoli e grandi ambienti.
I singoli LED, il cui funzionamento si basa sul fenomeno dell’elettroluminescenza dovuto
ai fotoni, non emetteno molta luce perciò è necessario raggrupparli e assemblarli all’interno della lampadina per formare un sistema unico.
Sotto il profilo del consumo, le lampade LED consentono di risparmiare
l’80% di energia elettrica. Hanno un costo ancora piuttosto elevato, ma
grazie al risparmio che si ottiene in termini di consumo domineranno il
mercato già dai prossimi anni.
PUNTI DI DOMANDA
1. Xxxxx?
2. Xxxxxxx
xxxxxxx?
3. Xxxxxxx
xxxxxx?
Confronto tra i consumi di energia dei diversi
tipi di lampada: paragonate a quelle a
incandescenza, le altre lampade consentono
un risparmio energetico.
L'emissione luminosa
A parità di energia consumata, i diversi tipi di lampada differiscono per la
quantità di luce emessa. Sulle confezioni delle lampade inizia ad apparire
il rendimento luminoso in lumen, che sostituisce quello in watt. Si può
quindi confrontare immediatamente la quantità di luce emessa dalle lampadine. Per avere l’equivalente di luce di una lampadina a incandescenza
da 100 W bisogna sceglierne una da 1300-1400 lumen. 75 W corrispondono a 920-970 lumen, 60 W a 700-750, 40 W a 410-430, 25 W a 220-230
lumen.
100%
90%
100%
consumo
risparmio
energetico
80%
70-80%
consumo
70%
60%
INNOVARE
risparmio
energetico
50-60%
consumo
50%
Nel prossimo futuro
risparmio
energetico
risparmio
energetico
40%
30%
20-30%
consumo
20%
<20%
consumo
10%
0%
Lampade a
incandescenza
Alogene
classe C
Alogene
classe B
Fluorescenti
compatte
LED
OLED è l’acronimo di Organic Light Emitting Diode ovvero diodo organico a emissione di luce. Si tratta di una
tecnologia che permette di realizzare display simili a
quelli utilizzati per lo schermo delle televisioni, con la
capacità di emettere luce propria. Grandi pannelli illuminanti per esterni e interni potrebbero rendere le pareti
delle abitazioni delle grandi fonti di luce. La tecnologia
OLED ha grandi vantaggi in termini di efficienza energetica, ma attualmente ha costi ancora elevati e una durata
operativa limitata.
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