Il trasformatore è la macchina elettrica che innalza o abbassa la tensione alternata mantenendo (idealmente) costante la potenza. Non ha parti in movimento: è semplicemente una coppia di avvolgimenti accoppiati da un nucleo ferromagnetico. Eppure è il dispositivo che rende possibile l’intero sistema elettrico moderno: permette di trasmettere energia ad altissima tensione (e bassa corrente) sulle lunghe distanze, riducendo drasticamente le perdite, per poi riportarla a tensioni sicure all’utenza.
Il principio fondante è l’induzione elettromagnetica: un flusso magnetico variabile nel tempo induce una tensione in una spira. Il trasformatore mette due avvolgimenti su uno stesso percorso magnetico, così che la corrente alternata in uno generi un flusso variabile che induce tensione nell’altro. Funziona solo in corrente alternata, perché serve un flusso che cambi nel tempo.
Legge di Faraday
Il fondamento è la legge dell’induzione di Faraday: la tensione indotta in un avvolgimento è proporzionale alla variazione nel tempo del flusso magnetico concatenato e al numero di spire:
dove N è il numero di spire e \Phi il flusso magnetico nel nucleo. In corrente continua \Phi è costante, la derivata è nulla, nessuna tensione si induce: ecco perché il trasformatore funziona solo in alternata. In corrente alternata il flusso oscilla e induce tensioni alternate in entrambi gli avvolgimenti.
Mutua induzione e nucleo
Il trasformatore ha due avvolgimenti, primario (collegato alla sorgente) e secondario (collegato al carico), avvolti su un nucleo di materiale ferromagnetico. Il nucleo serve a convogliare quasi tutto il flusso generato dal primario verso il secondario, garantendo un accoppiamento magnetico stretto.
La corrente alternata nel primario genera un flusso alternato nel nucleo; lo stesso flusso attraversa il secondario e vi induce tensione. È la mutua induzione: i due circuiti, elettricamente separati, sono accoppiati solo dal magnetismo. Questa separazione galvanica è anche una caratteristica di sicurezza importante.
Rapporto di trasformazione
Poiché lo stesso flusso \Phi attraversa entrambi gli avvolgimenti, le tensioni indotte stanno tra loro come i numeri di spire:
Questo è il cuore del trasformatore: il rapporto di trasformazione è fissato dal rapporto tra le spire. Più spire al secondario → tensione più alta (trasformatore elevatore); meno spire → tensione più bassa (riduttore).
In un trasformatore ideale la potenza si conserva, quindi la corrente varia in modo inverso alla tensione:
Innalzare la tensione abbassa la corrente nella stessa proporzione. È esattamente ciò che serve per la trasmissione: alta tensione e bassa corrente.
Perché la trasmissione usa l’alta tensione
Le perdite per effetto Joule in una linea di resistenza R dipendono dal quadrato della corrente:
A parità di potenza trasmessa P = VI, innalzare la tensione V permette di abbassare la corrente I, e poiché le perdite vanno con I^2, ridurre la corrente le abbatte enormemente. Trasportare energia a centinaia di migliaia di volt, anziché a poche centinaia, riduce le perdite di ordini di grandezza.
Il trasformatore è ciò che rende praticabile questa strategia: eleva la tensione all’uscita delle centrali per il trasporto, poi la riduce in cascata fino ai 230 V domestici. Senza trasformatori, la trasmissione efficiente a lunga distanza sarebbe impossibile, ed è la ragione storica per cui la rete è in corrente alternata.
Funzionamento a vuoto e sotto carico
A vuoto (secondario aperto) il primario assorbe solo una piccola corrente di magnetizzazione, necessaria a stabilire il flusso nel nucleo. La potenza assorbita serve quasi solo a coprire le perdite nel ferro.
Sotto carico, la corrente nel secondario crea un proprio flusso che tenderebbe a opporsi a quello principale (legge di Lenz); il primario reagisce assorbendo più corrente per mantenere il flusso e bilanciare la richiesta. Così la potenza richiesta dal carico viene “riflessa” automaticamente al primario: il trasformatore trasferisce esattamente la potenza domandata, momento per momento.
Perdite reali
Il trasformatore ideale conserva la potenza; quello reale ha rendimenti molto alti (oltre il 99% nelle grandi unità) ma non perfetti. Le perdite sono di due famiglie:
| Perdita | Causa | Dipendenza |
|---|---|---|
| Nel rame | resistenza degli avvolgimenti, effetto Joule | cresce col carico (I^2 R) |
| Nel ferro (isteresi) | riorientamento dei domini magnetici nel nucleo | ~costante, dipende dal flusso e dalla frequenza |
| Nel ferro (correnti parassite) | correnti indotte nel nucleo conduttore | ridotte con nucleo laminato |
Le correnti parassite (di Foucault) sono ridotte costruendo il nucleo a lamierini sottili isolati tra loro, anziché massiccio: si spezza il percorso delle correnti indotte. L’isteresi si riduce usando materiali magnetici dolci (lamierino al silicio a grani orientati). Una piccola dispersione di flusso (flusso che non si concatena con entrambi gli avvolgimenti) introduce inoltre una reattanza di dispersione che limita la corrente di corto circuito.
Limiti reali
Pur essendo robusto ed efficiente, il trasformatore ha vincoli precisi:
- funziona solo in corrente alternata: serve un flusso variabile;
- il nucleo può saturare se il flusso supera un limite, distorcendo la corrente e surriscaldando;
- le perdite nel ferro e nel rame producono calore: i grandi trasformatori richiedono raffreddamento (olio, ventilazione);
- la frequenza influisce: a frequenza più alta, a parità di tensione, serve meno sezione di nucleo (per questo i trasformatori d’alimentazione switching sono piccoli);
- dispersione di flusso e resistenze causano una caduta di tensione tra vuoto e pieno carico;
- rumore (ronzio da magnetostrizione) e ingombro/peso del nucleo nelle grandi taglie.
Il dimensionamento bilancia sezione del nucleo, numero di spire, sezione dei conduttori, materiale magnetico e raffreddamento per la potenza e la frequenza di esercizio.
Sintesi operativa
Il trasformatore innalza o abbassa la tensione alternata per induzione elettromagnetica: la corrente alternata nel primario genera nel nucleo un flusso variabile che, per la legge di Faraday, induce nel secondario una tensione proporzionale al rapporto delle spire, V_1/V_2 = N_1/N_2.
Conservando (idealmente) la potenza, innalzare la tensione abbassa la corrente nella stessa proporzione, ed è questo a rendere efficiente la trasmissione: poiché le perdite di linea vanno con I^2, trasportare a tensione altissima e corrente bassa le abbatte. Il trasformatore è quindi l’organo che permette di portare energia su grandi distanze con poche perdite e di riportarla a tensioni sicure all’utenza. Senza parti mobili, con rendimenti oltre il 99%, resta una delle macchine più efficienti mai costruite — vincolata però alla corrente alternata, perché tutto dipende da un flusso che cambia nel tempo.