Qual è lo scopo di un trasformatore?

La maggior parte delle persone probabilmente ha sentito parlare di trasformatori e sono consapevoli che fanno parte di ciò che è sempre evidente ma ancora misteriosa rete elettrica che fornisce elettricità a case, aziende e ogni altro luogo dove c'è "succo" necessario. Ma la persona tipica esita nell'apprendere i punti più fini della fornitura di energia elettrica, forse perché l'intero processo sembra ammantato di pericolo. I bambini imparano fin da piccoli che l'elettricità può essere molto pericolosa e tutti si rendono conto che qualsiasi i cavi della compagnia elettrica sono tenuti in alto fuori portata (o talvolta sepolti nel terreno) per una buona ragione.

Ma la rete elettrica è in realtà un trionfo dell'ingegneria umana, senza la quale la civiltà sarebbe irriconoscibile da quella che abiti oggi. Il trasformatore è un elemento chiave nel controllo e nell'erogazione dell'energia elettrica dal punto in cui è viene prodotto nelle centrali elettriche fino a poco prima di entrare in una casa, in un edificio per uffici o in un altro luogo destinazione.

Pensa a una diga che trattiene milioni di litri d'acqua per formare un lago artificiale. Perché il fiume che alimenta questo lago non porta sempre la stessa quantità d'acqua nella zona, con le sue acque che tendono a salire nel primavera, dopo lo scioglimento della neve in molte zone e il riflusso in estate nei periodi più secchi, qualsiasi diga efficace e sicura deve essere dotata di dispositivi che consentono un controllo più preciso dell'acqua rispetto al semplice arresto del flusso fino a quando il livello non sale così tanto che l'acqua semplicemente si rovescia sopra. Le dighe includono quindi tutti i tipi di saracinesche e altri meccanismi che determinano la quantità d'acqua necessaria passare al lato a valle della diga, indipendentemente dalla quantità di pressione dell'acqua a monte lato.

Questo è all'incirca come funziona un trasformatore, tranne per il fatto che il materiale che scorre non è acqua ma corrente elettrica. I trasformatori servono a manipolare il livello di tensione che scorre attraverso qualsiasi punto di una rete elettrica (descritto in dettaglio di seguito) in modo da bilanciare l'efficienza della trasmissione con la sicurezza di base. Chiaramente, è finanziariamente e praticamente vantaggioso sia per i consumatori che per i proprietari della centrale e rete elettrica per evitare perdite di potenza tra l'elettricità che lascia la centrale e quella che raggiunge le case o altro destinazioni. D'altra parte, se la quantità di tensione che scorre attraverso un tipico cavo di alimentazione ad alta tensione non fosse diminuita prima di entrare in casa, ne risulterebbe il caos e il disastro.

La tensione è una misura della differenza di potenziale elettrico. La nomenclatura può creare confusione perché molti studenti hanno sentito il termine "energia potenziale", rendendo facile confondere la tensione con l'energia. Infatti, la tensione è l'energia potenziale elettrica per unità di carica, o joule per coulomb (J/C). Il coulomb è l'unità standard della carica elettrica in fisica. Viene assegnato un singolo elettrone -1.609 × 10^-19 coulomb, mentre un protone porta una carica uguale in grandezza ma opposta in direzione (cioè una carica positiva).

La parola chiave qui, in realtà, è "differenza". Il motivo per cui gli elettroni fluiscono da un luogo all'altro è la differenza di tensione tra i due punti di riferimento. La tensione rappresenta la quantità di lavoro che sarebbe richiesta per unità di carica spostare la carica contro un campo elettrico dal primo punto al secondo. Per ottenere un senso di scala, sappi che i cavi di trasmissione a lunga distanza in genere portano da 155.000 a 765.000 volt, mentre la tensione che entra in una casa è solitamente di 240 volt.

Nel 1880, i fornitori di servizi elettrici utilizzavano la corrente continua (DC). Ciò era irto di responsabilità, incluso il fatto che la corrente continua non poteva essere utilizzata per l'illuminazione ed era molto pericolosa, poiché richiedeva spessi strati di isolamento. Durante questo periodo, un inventore di nome William Stanley ha prodotto la bobina di induzione, un dispositivo in grado di creare corrente alternata (AC). All'epoca in cui Stanley inventò questa invenzione, i fisici conoscevano il fenomeno dell'AC e i vantaggi che ne derivava avrebbe in termini di alimentazione, ma nessuno era stato in grado di trovare un mezzo per fornire AC su un grande scala. La bobina di induzione di Stanley servirebbe da modello per tutte le future varianti del dispositivo.

Stanley è quasi diventato un avvocato prima di decidere di lavorare come elettricista. Ha iniziato a New York prima di trasferirsi a Pittsburgh, dove ha iniziato a lavorare sul suo trasformatore. Ha costruito il primo sistema di alimentazione CA municipale nel 1886 nella città di Great Barrington, nel Massachusetts. Dopo la fine del secolo, la sua compagnia elettrica fu acquistata dalla General Electric.

Un trasformatore può aumentare (aumentare) o diminuire (ridurre) la tensione che viaggia attraverso i cavi di alimentazione. Questo è vagamente analogo al modo in cui il sistema circolatorio può aumentare o diminuire l'apporto di sangue a determinate parti del corpo a seconda della domanda. Dopo che il sangue ("potere") lascia il cuore (la "centrale energetica"), per raggiungere una serie di punti di diramazione, può finire per viaggiare verso il parte inferiore del corpo invece della parte superiore del corpo, e poi alla gamba destra invece della sinistra, e poi al polpaccio invece della coscia, eccetera. Questo è governato dalla dilatazione o costrizione dei vasi sanguigni negli organi e nei tessuti bersaglio. Quando l'elettricità viene generata in una centrale elettrica, i trasformatori aumentano la tensione da poche migliaia a centinaia di migliaia per scopi di trasmissione a lunga distanza. Quando questi cavi raggiungono punti chiamati sottostazioni elettriche, i trasformatori riducono la tensione a meno di 10.000 volt. Probabilmente hai visto queste sottostazioni e i loro trasformatori di livello intermedio nei tuoi viaggi; i trasformatori sono solitamente alloggiati in scatole e assomigliano un po' a frigoriferi piantati a bordo strada.

Quando l'elettricità lascia queste stazioni, cosa che di solito può fare in diverse direzioni, incontra altri trasformatori più vicini al suo punto finale in suddivisioni, quartieri e individui le case. Questi trasformatori riducono la tensione da meno di 10.000 volt a circa 240 volt, oltre 1.000 volte in meno rispetto ai livelli massimi tipici osservati nei cavi dell'alta tensione a lunga distanza.

I trasformatori sono, ovviamente, solo un componente della cosiddetta rete elettrica, il nome per il sistema di fili, interruttori e altri dispositivi che producono, inviano e controllano l'elettricità da dove viene generata a dove si trova utilizzato alla fine.

Il primo passo per creare energia elettrica è far girare l'albero di un generatore. A partire dal 2018, il più delle volte ciò viene fatto utilizzando il vapore rilasciato nella combustione di un combustibile fossile, come carbone, petrolio o gas naturale. Anche le centrali nucleari e altri generatori di energia "pulita" come le centrali idroelettriche e i mulini a vento possono sfruttare o produrre l'energia necessaria per azionare il generatore. In ogni caso, l'elettricità che viene generata in questi impianti è chiamata potenza trifase. Questo perché questi generatori CA creano elettricità che oscilla tra un minimo e un massimo impostati livello di tensione e ciascuna delle tre fasi è sfalsata di 120 gradi rispetto a quelle davanti e dietro in tempo. (Immagina di camminare avanti e indietro per una strada di 12 metri mentre altre due persone fanno lo stesso, facendo un giro di 24 metri andata e ritorno, tranne che una delle altre due persone è sempre 8 metri davanti a te e l'altra è 8 metri dietro voi. A volte, due di voi cammineranno in una direzione, mentre altre volte due di voi cammineranno nell'altra direzione, variando la somma dei vostri movimenti, ma in modo prevedibile. Questo è vagamente come funziona l'alimentazione CA trifase.)

Prima che l'elettricità lasci la centrale, incontra per la prima volta un trasformatore. Questo è l'unico punto in cui i trasformatori in una rete elettrica aumentano notevolmente la tensione anziché ridurla. Questo passaggio è necessario perché l'elettricità entra quindi in grandi linee di trasmissione in gruppi di tre, uno per ogni fase di potenza, e parte di essa potrebbe dover viaggiare fino a 300 miglia circa.

Ad un certo punto l'elettricità incontra una sottostazione elettrica, dove i trasformatori riducono la tensione a a livello adatto per le linee elettriche più sobrie che vedi nei quartieri o che corrono lungo le zone rurali autostrade. È qui che si verifica la fase di distribuzione (al contrario della trasmissione) dell'erogazione dell'elettricità, poiché le linee di solito lasciano il potere sottostazioni in un certo numero di direzioni, proprio come un numero di arterie che si diramano da un grande vaso sanguigno più o meno allo stesso giunzione.

Dalla cabina elettrica l'energia elettrica passa nei quartieri ed esce dalle linee elettriche locali (che di solito sono su "pali telefonici") per entrare nelle singole abitazioni. Trasformatori più piccoli (molti dei quali sembrano piccoli bidoni della spazzatura di metallo) riducono la tensione a circa 240 volt in modo che possa entrare nelle case senza un grande rischio di causare un incendio o qualche altro grave incidente.

I trasformatori non devono solo svolgere il compito di manipolare la tensione, ma devono anche essere resistenti ai danni, sia che si tratti di atti di natura come tempeste di vento o attacchi intenzionali dell'ingegneria umana. Non è possibile mantenere la rete elettrica fuori dalla portata degli elementi o dei miscredenti umani, ma lo stesso, la rete elettrica è assolutamente vitale per la vita moderna. Questa combinazione di vulnerabilità e necessità ha portato il Dipartimento per la sicurezza interna degli Stati Uniti a prendere un interesse per i più grandi trasformatori della rete elettrica americana, chiamati grandi trasformatori di potenza, o LPT. La funzione di questi enormi trasformatori, che si trovano all'interno di centrali elettriche e possono pesare da 100 a 400 tonnellate e costare milioni di dollari, è essenziale per il mantenimento della vita quotidiana, poiché il guasto di uno solo può portare a interruzioni di corrente su un'ampia la zona. Questi sono i trasformatori che aumentano drasticamente la tensione prima che l'elettricità entri nei cavi dell'alta tensione a lunga distanza.

A partire dal 2012, l'età media di un TPL negli Stati Uniti era di circa 40 anni. Alcuni dei trasformatori ad altissima tensione (EHV) di fascia alta di oggi sono classificati a 345.000 volt e la domanda di trasformatori è in aumento sia nel negli Stati Uniti e nel mondo, costringendo il governo degli Stati Uniti a cercare modi per sostituire i TPL esistenti secondo necessità e svilupparne di nuovi a un livello relativamente basso costo.

Un trasformatore è fondamentalmente un grande magnete quadrato con un foro nel mezzo. L'elettricità entra da un lato tramite fili avvolti più volte attorno al trasformatore ed esce dal lato opposto tramite fili avvolti un numero diverso di volte attorno al trasformatore. L'elettricità in ingresso induce un campo magnetico nel trasformatore, che a sua volta induce un campo elettrico negli altri fili, che quindi portano via l'energia dal trasformatore.

A livello di fisica, un trasformatore funziona sfruttando la legge di Faraday, la quale afferma che il rapporto di tensione di due bobine è uguale al rapporto tra il numero di spire nelle rispettive bobine. Pertanto, se è richiesta una tensione ridotta in un trasformatore, la seconda bobina (in uscita) contiene meno spire della bobina primaria (in entrata).