Alternatore, corrente alternata e trasformatore

I generatori elettrici

Per corrente continua si intendono cariche che si muovono in maniera unidirezionale, continua e costante con la tensione che resta stabile nel tempo; mentre la corrente alternata presenta un andamento che oscilla da picchi positivi ad altri negativi.

I generatori hanno la funzione di trasformare il lavoro meccanico in energia elettrica e si distinguono in dinamo (per la corrente continua) e alternatori (per l'alternata, come quella che arriva nelle nostre case).

L'alternatore

L'alternatore si costituisce di una parte mobile, il rotore, e una fissa, lo statore.

Nello statore vi sono degli avvolgimenti, dette fasi, mentre il rotore è formato da un magnete e da un albero che viene fatto ruotare da un dispositivo meccanico permettendo anche al magnete di girare provocando così variazioni di flusso nelle fasi.

Le fasi che si trovano nello statore possono essere una, nel caso dell'alternatore monofase, oppure tre disposte a $120°$ , come nel caso dell'alternatore trifase.

Se l'alternatore è trifase si formano tre tensioni indotte sfasate di un terzo di periodo in quanto $120°$ in radianti vale $\dfrac{2}{3}\pi$ :

$V_1(t)=V_m\cdot\text{sen}(\omega\cdot t)\\V_2(t)=V_m\cdot\text{sen}(\omega\cdot t+\dfrac{2}{3}\pi)\\V_3(t)=V_m\cdot\text{sen}(\omega\cdot t+\dfrac{4}{3}\pi)$

in cui $\omega$ è la velocità angolare con la quale gira il rotore e $V_m$ la tensione massima.

Corrente alternata trifase

In un generatore trifase le tre fasi circolano in cavi separati, ma sono raggruppate in un unico cavo centrale, detto cavo neutro. Il nome si deve al fatto che in questo cavo, in un qualsiasi istante, la somma delle tensioni delle tre fasi è pari a $0$ .

È tipica di impianti industriali e ha una tensione di $400\ V$ e una frequenza di $50\ Hz$ .

Corrente alternata monofase

Come nel caso delle prese di correnti domestiche, è sufficiente il cavo di una sola fase e il cavo neutro.
Ha la tensione standard di $230\ V$ e una frequenza di $50\ Hz$ .

Il trasformatore

Il trasformatore è un dispositivo che permette di trasferire, reversibilmente, energia elettrica da un circuito elettrico in entrata (primario) ad uno in uscita (secondario) aventi tensione diversa.

Il rapporto di trasformazione

Si prenda una bobina, rappresentante il circuito primario, formata da $N_P$ spire e una, che è il circuito secondario, costituita da $N_S$ spire. Essendo $V_P$ la tensione del primo e $V_S$ quella del secondo, il quale deve essere aperto affinché non circoli corrente, si ha che:

$\dfrac{V_S}{V_P}=\dfrac{N_S}{N_P}$

Da questo rapporto di trasformazione si deduce che se $N_S>N_P$ , allora $V_S>V_P$ .
In questo caso il trasformatore viene detto elevatore di tensione, mentre in caso opposto riduttore.

Il rendimento

Nel caso di un circuito secondario chiuso, ossia un trasformatore ideale senza dispersioni di energia, la potenza media fornita al primario è la stessa di quella sul secondario, quindi:

$P_P=P_S$ quindi $V_P\cdot i_P=V_S\cdot i_S$

Essendo inversamente proporzionali, se il trasformatore aumenta la tensione di una certa quantità, allora la corrente diminuirà della stessa quantità.

Nel caso di un trasformatore reale, invece, la potenza sul circuito secondario è sempre minore del primario quindi si può ricavare il rendimento del trasformatore:

$r=\dfrac{P_S}{P_P}$

Il trasporto della corrente a distanza

Un utilizzo pratico dei trasformatori è quello del trasporto dell'energia elettrica prodotta da una centrale fino a dove viene utilizzata (ad esempio alle case).
In un primo momento i trasformatori aumentano notevolmente la tensione della corrente prodotta che verrà trasportata da linee ad alta tensione, tali per cui possano essere evitate perdite di tensione; infine, vicino al luogo in cui verrà utilizzata, interverranno uno dopo l'altro due riduttori che abbasseranno la corrente rispettivamente ai valori iniziali e poi a quelli di consumo.