Trasformatore Leybold mod. 562 21 A / 562 17 per osservare la funzione dell`arco scaricatore. Prima parte.
Le ricerche negli inventari non sono state ancora svolte, ma il numero di inventario lo data agli inizi degli anni Settanta. In questa parte abbiamo riportato, oltre a due foto del trasformatore, il ciclo di isteresi del nucleo e la sua forma che permette di assemblare varie situazioni con le numerose bobine a disposizione del Laboratorio di Fisica.
Si ringrazia l’ing. Lindo Nepi per l’inserimento nella scheda del video realizzato dall’ing. Claudio Profumieri.
Il primario reca la scritta: “LEYBOLD 562 21 A MADE IN GERMANY n = 500 2,5 Ω max 2,5 A”.
Il secondario reca la seguente scritta: “LEYBOLD 562 17 MADE IN GERMANY n = 23.000 max. 10.000 V 0,02 A”.
Il trasformatore consente di convertire tensione e corrente in ingresso, variabili nel tempo, in quelle in uscita, pur mantenendo costante la quantità di potenza elettrica a meno delle perdite per effetto dell`isteresi, delle correnti parassite, delle dispersioni magnetiche, delle perdite ohmiche (per effetto Joule), ecc. .
L`equazione a vuoto del trasformatore è:
E1/E2 =N1/N2,
dove E1 è la tensione al primario, E2 quella al secondario, N1 è il numero di spire del primario e N2 quello del secondario.
Dunque E2 = E1·(N2/N1).
Nel nostro caso il trasformatore si dice “in salita” in quanto la tensione in uscita è molto maggiore di quella all`ingresso poiché il rapporto N2 / N1 = 46; perciò si avrebbe E2 = 46 × 220 = 10.120 a vuoto.
Come al solito il funzionamento sotto carico è molto più complesso e se ne consiglia la lettura sui testi idonei come quello indicato in bibliografia.
Caratteristiche della bobina del primario: N1 = 500 spire Type 562 21 A. Corrente continua massima: 2,5 A. Resistenza in C.C. : 2,5 Ω circa. Induttanza senza nucleo di ferro 9 mH. Diametro del filo 1,0 mm. Questa bobina è costituita da un corpo centrale in materiale isolante pressato, con un`apertura quadrata per l`inserzione sul braccio del nucleo ad U. Attorno al corpo centrale è avvolto un filo di rame isolato di spessore 0,1 mm per un totale di 500 spire. L`avvolgimento è diviso in due parti. L`inizio e la fine dell`avvolgimento sono collegati a due boccole sulle quali vanno inseriti i fili di alimentazione.
Caratteristiche della bobina del secondario: N2 = 23.000 spire, Type 562 17. Alim. 230 V. Uscita a vuoto: 10580 V. Corrente continua massima al secondario: 0,02 A. Resistenza in C.C. : 11.000 Ω circa. Induttanza senza nucleo di ferro = 20 H. Questa bobina è costituita da un corpo centrale in materiale isolante pressato, con un`apertura quadrata per l`inserzione sul braccio del nucleo ad U. Attorno al corpo centrale è avvolto un filo di rame isolato di spessore 0,1 mm per un totale di 23.000 spire. L`avvolgimento è diviso in due parti.
L`inizio e la fine dell`avvolgimento sono collegati a due boccole nelle quali sono inseriti gli elettrodi “a corna”. Il nucleo di ferro laminato è a forma di U di sezione 4 cm × 4 cm di larghezza 15 cm con giogo per la chiusura; la sua altezza senza giogo è di 13 cm per un totale assemblato di 17 cm.
La permeabilità relativa massima all`inizio della curva di prima magnetizzazione è di 2200 per un H = 120 A/m. Sulla base c`è un foro nel quale si inserisce il dispositivo di fissaggio del giogo al nucleo.
Questo dispositivo ha nella parte superiore una vite che assicura il giogo sul nucleo. In tal modo, dopo aver inserito le due bobine si realizza la chiusura del circuito magnetico; se è utilizzato con le due bobine primaria e secondaria, diventa un trasformatore didattico per numerose esperienze. Il trasformatore consente di convertire tensione e corrente in ingresso, variabili nel tempo, in quelle in uscita, pur mantenendo costante la quantità di potenza elettrica a meno delle perdite per effetto dell`isteresi, delle correnti parassite nel nucleo e di perdite ohmiche nei circuiti primario e secondario (per effetto Joule) ecc. . Le perdite per isteresi sono proporzionali all`area del ciclo.
Nel nostro caso trasforma la tensione di rete di 220 V in una tensione talmente elevata da innescare una scarica elettrica; la forma dei due conduttori “a corna” simula gli effetti di un classico scaricatore di linea.
Infatti alla base dei due rami dello scaricatore, in presenza di sovratensione, la scarica innesca un`arco elettrico che in virtù dell`alto calore sprigionato sale verso l`alto. Arrivato in cima, in conseguenza della elevata distanza tra gli elettrodi, l`arco si spegne per poi subito innescarsi nuovamente alla base dello scaricatore.
L`aria normalmente è un ottimo isolante (occorrono circa 32 kV/cm per renderla conduttrice in condizioni standard di umidità, pressione e temperatura e con una particolare forma dello spinterometro), ma a 5000 K la sua conducibilità aumenta di un fattore di 1013, mantenendo la corrente durante l`apertura. Questo avviene anche se la corrente è alternata poiché il calore all`interno dell`arco ha una sua inerzia e al riaumentare della corrente l`arco si può riaccendere.
Per dare un`idea più precisa, con spinterometri di forma sferica di 2 cm di diametro, per ottenere la prima scintilla in aria secca occorrono circa 31.500 V/cm di cresta per correnti alternate a frequenza industriale e questa tensione massima si riferisce a condizioni ambientali standard.
Gli scaricatori vengono montati direttamente sulle apparecchiature da proteggere come ad esempio i trasformatori e le linee ad alta tensione dalle sovratensioni, come le scariche atmosferiche.
Nei trasformatori ad alta tensione è previsto in alcuni casi un “soffiatore” elettromagnetico, cioè un dispositivo che crea un forte campo magnetico diretto perpendicolarmente all`arco e di verso tale a contribuire fortemente a spazzare via l`arco.
La formazione della scarica che poi si trasforma in arco è un fenomeno molto complesso che già differisce se si è in regime di corrente continua o alternata.
L`Ing. Profumieri ha realizzato un video durante il funzionamento; chi legge può comunque cercare su youtube molti filmati simili.
Bibliografia.
Da LD Didactic GmbH: Instruction sheet 56211, sono state tratte le figure.
W. Rieder, Gli interruttori, rivista Le Scienze N° 32, aprile 1971.
La letteratura riguardante questi argomenti è vastissima; comunque per gli spinterometri, le tensioni di innesco della scarica disruptiva e il fenomeno della scarica si consigliano: L. Olivieri e E. Ravelli, Elettrotecnica Misure Elettriche, Vol. III, CEDAM, Padova 1962, da pag. 163 a pag. 169.
P. Andrenelli, Costruzioni elettromeccaniche, Vol. II, Del Bianco Editore, 1968.
Per i trasformatori monofase si consiglia: L. Olivieri e E. Ravelli, Elettrotecnica Macchine Elettriche, Vol. II, CEDAM, Padova 1960, almeno da pag. 383 a pag. 389.
Per consultare la seconda parte scrivere: “562” su Cerca.
Foto di Claudio Profumieri, elaborazioni e testo di Fabio Panfili.
Per ingrandire le immagini cliccare su di esse col tasto destro del mouse e scegliere tra le opzioni.
