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Generatore di corrente alternata e trasformatore

Un generatore AC fa ruotare una bobina in un campo magnetico. Il flusso attraverso la bobina cambia di continuo, quindi nasce una fem e = NBAω sin ωt con valore massimo NBAω. Un trasformatore usa la mutua induzione tra due bobine avvolte su uno stesso nucleo di ferro: Vs/Vp = Ns/Np. Un trasformatore elevatore aumenta la tensione e diminuisce la corrente; un abbassatore fa il contrario. La potenza resta quasi uguale (Vp Ip ≈ Vs Is).

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Una bobina sta tra il polo N e il polo S di un magnete, con la faccia rivolta verso il campo. Il flusso è massimo, ma non sta cambiando, quindi fem = 0.
  2. La bobina comincia a girare. Il flusso sale e scende di continuo, quindi la fem sale e scende e cambia segno. La lampadina si illumina di più e di meno. e = NBAω sin ωt.
  3. Fai girare la bobina al doppio della velocità. La fem massima raddoppia e il segno cambia il doppio delle volte.
  4. Un trasformatore: due bobine su un nucleo di ferro. Il secondario ha più spire del primario, quindi la tensione aumenta. È un trasformatore elevatore.
  5. Ora il secondario ha meno spire. La tensione diminuisce e la corrente aumenta. È un trasformatore abbassatore. La potenza resta quasi uguale.
  6. Gioco libero: cambia Np, Ns e Vp e leggi Vs. Passa al generatore e cambia la sua velocità.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Perché la fem è zero quando il flusso è massimo?

La fem dipende da quanto in fretta cambia il flusso, non da quanto flusso c'è. Nella posizione frontale il flusso è al massimo e per un istante smette di cambiare.

Perché la fem cambia segno di continuo?

Mentre la bobina gira, il flusso prima sale e poi scende. Un flusso che sale e uno che scende danno fem di segno opposto, quindi la corrente si inverte a ogni mezzo giro.

Perché girando più in fretta si ottengono più volt?

La stessa variazione di flusso avviene in meno tempo, quindi dΦ/dt ed e₀ = NBAω crescono insieme a ω.

Come fa il secondario a ricevere potenza senza toccare il primario?

Il flusso variabile nel nucleo di ferro comune passa in entrambe le bobine. Il flusso variabile induce una fem nel secondario.

Se la tensione sale, otteniamo energia gratis?

No. La corrente scende dello stesso fattore, quindi Vs Is ≈ Vp Ip. L'energia si conserva.

Perché il nucleo deve essere di ferro?

Il ferro guida quasi tutto il flusso dal primario al secondario, quindi se ne perde pochissimo.

Generatore AC: principio e parti

Un generatore AC (alternatore) trasforma energia meccanica in energia elettrica. Funziona con l'induzione elettromagnetica: se una bobina gira in un campo magnetico, il flusso attraverso di essa cambia e si induce una fem.

Parti principali

Fem di un generatore AC

Sia una bobina (N spire, area A) che ruota con velocità angolare ω. Al tempo t la normale forma con B l'angolo θ = ωt. Flusso: Φ = N B A cos ωt.

Per la legge di Faraday, e = −dΦ/dt = N B A ω sin ωt. La fem massima è e₀ = NBAω.

In un giro completo la fem cambia verso due volte. Frequenza f = ω/2π.

Trasformatore: principio e struttura

Un trasformatore cambia una tensione alternata in una tensione alternata più alta o più bassa. Funziona con la mutua induzione.

Due bobine sono avvolte su uno stesso nucleo di ferro dolce laminato: il primario (Np spire, collegato all'ingresso) e il secondario (Ns spire, collegato al carico). La corrente alternata nel primario crea un flusso variabile nel nucleo. Lo stesso flusso passa nel secondario e vi induce una fem.

Un trasformatore non funziona con la corrente continua costante, perché una corrente continua costante non fa cambiare il flusso.

Rapporto spire: elevatore e abbassatore

Ogni spira di entrambe le bobine riceve la stessa fem, dΦ/dt. Quindi Vs/Vp = Ns/Np.

Per un trasformatore ideale (senza perdite) potenza in ingresso = potenza in uscita: Vp Ip = Vs Is, quindi Is/Ip = Np/Ns.

Un trasformatore non crea energia. Quando alza la tensione, abbassa la corrente dello stesso fattore.

Perdite di energia e rendimento

Rendimento η = potenza in uscita / potenza in ingresso × 100%. I trasformatori reali arrivano al 95–99%. Le perdite:

Perché si trasmette ad alta tensione?

A parità di potenza P = VI, una V alta significa una I piccola. La perdita sulla linea I²R diventa molto più piccola. Per questo l'energia viaggia a 220 kV o 400 kV e viene abbassata vicino alle case.

Prova tu: un'esperienza pratica

Prova tu: nel 3D tieni Vp = 220 V e Np = 5. Prevedi Vs per Ns = 10, poi per Ns = 2. Controlla le risposte nella lettura (440 V e 88 V). Per il generatore, metti in pausa e trascina il cursore "Angolo della bobina" da 0° a 90°. Nota dove e vale 0 e dove è massima. A casa: guarda l'etichetta di un caricabatterie del telefono. C'è scritto ingresso 100–240 V AC e uscita 5 V: è un abbassatore.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Una bobina di 100 spire e area 0.05 m² ruota a 50 giri/s in un campo di 0.2 T. Trova la fem massima.

ω = 2π × 50 = 314 rad/s. e₀ = NBAω = 100 × 0.2 × 0.05 × 314 = 314 V.

2. Per il generatore sopra, trova la fem quando il piano della bobina ha ruotato di 30° dalla posizione in cui la sua faccia è ⟂ al campo.

e = e₀ sin 30° = 314 × 0.5 = 157 V.

3. Un generatore dà una fem massima di 200 V a 25 giri/s. Qual è la fem massima a 50 giri/s?

e₀ ∝ ω. Raddoppiando la velocità raddoppia anche e₀: e₀ = 400 V. Anche la frequenza raddoppia, a 50 Hz.

4. Un trasformatore ha 200 spire al primario e 1000 al secondario. L'ingresso è 230 V. Trova la tensione in uscita. È elevatore o abbassatore?

Vs = Vp × Ns/Np = 230 × 1000/200 = 1150 V. Elevatore (Ns > Np).

5. Un trasformatore abbassatore porta 220 V a 11 V. Il primario ha 2000 spire. Trova le spire del secondario e il rapporto tra le correnti.

Ns = Np × Vs/Vp = 2000 × 11/220 = 100 spire. Is/Ip = Np/Ns = 20, quindi la corrente nel secondario è 20 volte quella nel primario.

6. Un trasformatore ideale dà 11 V, 4 A a un carico partendo da una rete a 220 V. Trova la corrente nel primario.

Vp Ip = Vs Is ⇒ Ip = 11 × 4 / 220 = 0.2 A.

7. Un trasformatore assorbe 5 A a 220 V e dà 2 A a 500 V. Trova il suo rendimento.

Ingresso = 220 × 5 = 1100 W. Uscita = 500 × 2 = 1000 W. η = 1000/1100 × 100 ≈ 90.9%.

8. Si trasmettono 100 kW su linee di resistenza 5 Ω. Trova la perdita di linea se la trasmissione avviene a (a) 1000 V, (b) 20000 V.

(a) I = 100000/1000 = 100 A, perdita = 100² × 5 = 50 kW (metà della potenza!). (b) I = 5 A, perdita = 25 × 5 = 125 W. L'alta tensione riduce la perdita di 400 volte.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. Un generatore AC funziona grazie a:
2. La fem massima di un generatore AC è:
3. Un trasformatore funziona grazie a:
4. In un trasformatore elevatore:
5. Il nucleo del trasformatore è laminato per ridurre:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Qual è il principio di un generatore AC?

L'induzione elettromagnetica: una bobina che gira in un campo magnetico ha un flusso variabile, quindi in essa si induce una fem.

Qual è la formula del trasformatore?

Vs/Vp = Ns/Np, e per un trasformatore ideale Is/Ip = Np/Ns.

Perché un trasformatore non funziona in corrente continua?

La corrente continua costante crea un flusso costante. Senza variazione di flusso, nel secondario non si induce nessuna fem.

Dove si studia

RomaniaClasa a X-aProducing and using alternating current
CBSE (India)Class 12Electromagnetic Induction and Alternating Currents
Japan高校(専門学科)1〜3年Electrical Machines
China高二Selective 2 Ch.3 Alternating current

Da studiare prima

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