Il trasformatore
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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. 310 A7_U1.indd 310 20/05/13 09:29 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. 311 A7_U1.indd 311 20/05/13 09:29 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. 312 A7_U1.indd 312 06/05/13 10:02 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. 313 A7_U1.indd 313 06/05/13 10:02
