Trasformatore e corrente continua

Programmi: GCSE, Sek I/II

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Obiettivo

Verificare se un trasformatore funziona in corrente continua, e vedere che nell'avvolgimento secondario compare una tensione solo quando la corrente nel primario varia.

Il montaggio

Un generatore di tensione continua da 6 V è collegato tramite un interruttore e un amperometro all'avvolgimento primario del trasformatore (2000 spire, resistenza 40 Ω). All'avvolgimento secondario (1400 spire) sono collegati una lampadina da 3,5 V / 0,5 W e un voltmetro in modalità DC. L'interruttore è aperto.

Procedimento

1. Chiudere l'interruttore. Osservare la lampadina e l'amperometro.
2. Attendere qualche secondo. Annotare le letture dell'amperometro e del voltmetro.
3. Aprire l'interruttore. Osservare la lampadina.
4. Ripetere l'esperimento con una velocità di simulazione più bassa per vedere meglio i lampi.

Risultato atteso

Alla chiusura dell'interruttore la corrente nell'avvolgimento primario sale gradualmente, in una frazione di secondo, e si stabilizza a circa 0,15 A: è limitata dalla resistenza dell'avvolgimento. Il flusso varia lentamente, la tensione indotta è piccola, e la lampadina si accende appena — il filamento diventa a malapena rosso, cosa che si nota solo al buio. Finché la corrente è costante, il voltmetro sull'avvolgimento secondario indica 0 e la lampadina è spenta. All'apertura dell'interruttore la corrente si interrompe bruscamente e la lampadina dà un lampo intenso — due volte più luminoso che al valore nominale — e si spegne entro un quarto di secondo: la corrente indotta è di circa 0,2 A, 1,4 volte la corrente nominale della lampadina. Una tensione nell'avvolgimento secondario è indotta solo da un flusso magnetico variabile, quindi un trasformatore non funziona in corrente continua.

La corrente nell'avvolgimento primario non è limitata per caso. Il nucleo di un trasformatore reale può saturarsi in corrente continua, e una corrente forte all'apertura passerebbe nel circuito secondario nella stessa proporzione delle spire e brucerebbe la lampadina.

Domande

1. Perché all'apertura dell'interruttore la lampadina dà un lampo più intenso che alla chiusura?
2. Perché la corrente nell'avvolgimento primario non sale subito dopo la chiusura?
3. Perché i trasformatori si usano solo nei circuiti in corrente alternata?

Risposte

1. Alla chiusura dell'interruttore la corrente e il flusso magnetico crescono gradualmente, e una variazione lenta del flusso induce solo una piccola tensione. All'apertura la corrente primaria di 0,15 A si interrompe quasi subito, e l'energia immagazzinata nel campo magnetico del nucleo passa nel circuito secondario: il flusso mantiene nella lampadina una corrente di circa 0,15 A · 2000 / 1400 ≈ 0,2 A, 1,4 volte la sua corrente nominale.
2. L'avvolgimento ha 2000 spire su un nucleo d'acciaio e quindi una grande induttanza. La corrente che cresce crea un flusso magnetico crescente, e questo flusso induce nell'avvolgimento una tensione che si oppone all'aumento della corrente (autoinduzione), quindi la corrente si avvicina gradualmente a 6 V / 40 Ω ≈ 0,15 A.
3. Un trasformatore trasferisce energia solo attraverso un flusso magnetico variabile; una corrente continua crea un flusso costante, e l'avvolgimento secondario non dà alcuna tensione. In corrente continua, inoltre, la corrente primaria è limitata solo dalla resistenza dell'avvolgimento: con il primario predefinito da 500 spire (2,5 Ω) il generatore da 6 V vi farebbe passare circa 1,9 A, e un avvolgimento reale si surriscalderebbe.