"Физика", Андрюшечкин С.М.
Электроэнергию получают с помощью генераторов, а затем передают от электростанций к потребителям. Для передачи на большие расстояния напряжение переменного тока повышают: при той же мощности это уменьшает силу тока и потери энергии в проводах. Рядом с домами и предприятиями напряжение понижают до нужного уровня. В этой цепочке работают электромагнитная индукция и трансформаторы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический генератор — устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую за счёт электромагнитной индукции. Иными словами, движение в генераторе помогает получить электрический ток. Генераторы нужны, чтобы вырабатывать электрическую энергию на электростанциях.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока с помощью электромагнитной индукции. Он передаёт энергию между двумя обмотками, не соединёнными непосредственно друг с другом. Трансформаторы позволяют менять напряжение на разных этапах передачи электричества.
Повышающий трансформатор — трансформатор, у которого напряжение во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Вторичная обмотка — та, от которой получают изменённое напряжение. Такое устройство используют, когда перед передачей энергии нужно увеличить напряжение.
Понижающий трансформатор — трансформатор, у которого напряжение во вторичной обмотке меньше, чем в первичной. Он нужен, чтобы после передачи электричества получить напряжение, подходящее для потребителей. Название трансформатора определяют по сравнению напряжений обмоток, а не по месту его установки.
В генераторе магнит движется относительно катушки или катушка движется относительно магнита. Из-за этого меняется магнитный поток — мера того, насколько магнитное поле пронизывает катушку. Изменение магнитного потока вызывает электромагнитную индукцию, то есть появление электрического тока в проводнике. Так механическая работа, затраченная на движение, превращается в электрическую энергию.
Электроэнергию на большие расстояния передают переменным током, потому что его напряжение удобно менять с помощью трансформатора. Переменный ток создаёт в первичной обмотке изменяющееся магнитное поле. Это поле проходит через вторичную обмотку и вызывает в ней напряжение. При постоянном токе поле после включения становится почти постоянным, поэтому обычный трансформатор не обеспечивает нужного действия.
Мощность электрического тока можно выразить формулой P = UI, где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока. Если передаваемая мощность задана, увеличение напряжения позволяет уменьшить силу тока. Поэтому для транспортировки энергии по линии выбирают высокое напряжение. Оно помогает сократить нагрев проводов, хотя само по себе не меняет их сопротивление.
У проводов есть сопротивление, поэтому при прохождении тока они нагреваются и часть электрической энергии превращается в тепло. Мощность этих потерь вычисляют по формуле Pпотерь = I²R, где R — сопротивление линии. Квадрат силы тока в формуле означает, что даже небольшое увеличение тока сильно повышает потери. Если при той же мощности уменьшить ток, потери в проводах станут меньше.
На электростанции генератор вырабатывает электрический ток, а повышающий трансформатор увеличивает напряжение перед линией электропередачи. Это снижает ток при передаче заданной мощности и уменьшает потери на нагрев. Возле городов и предприятий понижающий трансформатор снижает напряжение до подходящего уровня. Так электричество можно передать далеко, а затем использовать в электросетях потребителей.
| Устройство или этап | Назначение | Как работает | Что происходит с энергией или напряжением |
|---|---|---|---|
| Электрический генератор | Вырабатывать электрический ток | Изменение магнитного потока вызывает индукцию | Механическая энергия превращается в электрическую |
| Повышающий трансформатор | Подготовить ток к передаче по линии | Переменное поле первичной обмотки вызывает напряжение во вторичной | Напряжение повышается, сила тока при той же мощности уменьшается |
| Линия электропередачи | Передать электроэнергию на расстояние | Ток проходит по проводам, имеющим сопротивление | Часть энергии превращается в тепло; высокое напряжение уменьшает потери |
| Понижающий трансформатор | Подать электричество потребителям при подходящем напряжении | Электромагнитная индукция передаёт энергию между обмотками | Напряжение снижается до нужного уровня |
Читайте строки таблицы как этапы пути электричества от электростанции до потребителя. В столбце о напряжении видно, зачем линия начинается с повышающего, а заканчивается понижающим трансформатором. Сравните, что меняется на каждом этапе, а что происходит с видом энергии в генераторе и линии.
Условие: магнит перемещают относительно катушки. Нужно объяснить появление тока и назвать превращение энергии. Чтобы ответить, проследим, что меняется в катушке при движении магнита, а затем свяжем причину с видом энергии.
Ответ: ток возникает из-за изменения магнитного потока, а механическая энергия преобразуется в электрическую.
Условие: в первичной обмотке N₁ = 200 витков, во вторичной N₂ = 1000 витков, напряжение первичной обмотки U₁ = 12 В. Требуется найти U₂. Поскольку известны числа витков обеих обмоток, используем отношение напряжений трансформатора.
Ответ: U₂ = 60 В; трансформатор повышающий.
Условие: мощность передачи P = 6 МВт, напряжение U = 30 кВ, сопротивление линии R = 2 Ом. Считаем передачу идеальной по мощности, поэтому сначала по P = UI найдём ток, а затем вычислим мощность потерь. Приведём величины к единицам СИ: 6 МВт = 6 000 000 Вт, 30 кВ = 30 000 В.
Ответ: сила тока равна 200 А, мощность потерь — 80 кВт.
Ошибка: считать, что трансформатор увеличивает мощность. Так думают, потому что при повышении напряжения кажется, будто устройство добавляет энергию. В идеальном трансформаторе напряжение и сила тока изменяются в противоположных направлениях, а входная и выходная мощности примерно равны. Проверьте себя по формуле P = UI: рост U сопровождается уменьшением I.
Ошибка: определять тип трансформатора только по числу витков, не выяснив, какая обмотка первичная. Число витков сравнивают именно у первичной и вторичной обмоток, потому что от этого сравнения зависит отношение напряжений. Сначала подпишите N₁ и N₂, затем сопоставьте U₁ и U₂. Если U₂ больше U₁, трансформатор повышающий.
Ошибка: полагать, что при повышении напряжения уменьшается сопротивление проводов. Это неверно: сопротивление линии определяется свойствами проводов и их устройством, а не выбранным напряжением. Ошибку помогает заметить формула потерь Pпотерь = I²R: при той же передаваемой мощности высокое напряжение уменьшает ток, а значит, снижает потери. Сопротивление R при этом остаётся прежним.
Ошибка: ожидать, что обычный трансформатор будет работать с постоянным током. Его действие основано на изменении магнитного поля, поэтому постоянный ток после включения не создаёт необходимого непрерывного изменения. Не путайте наличие тока в первичной обмотке с условием работы трансформатора. Для проверки спросите себя, меняется ли магнитный поток через вторичную обмотку.
Чтобы разобраться в работе генератора и трансформатора, нужно знать электромагнитную индукцию: изменение магнитного потока вызывает ток или напряжение. Связь мощности с напряжением и силой тока описывает формула P = UI. Закон Джоуля — Ленца помогает понять нагрев проводов и потери энергии в линии. Вместе эти знания объясняют, почему напряжение меняют перед передачей электричества.
Эта тема пригодится при изучении электромагнитных колебаний и переменного тока, ведь работа трансформатора зависит от изменяющегося тока и магнитного поля. Она также помогает понять устройство электростанций и электросетей. Зная последовательность преобразований, легче проследить путь электрической энергии от генератора до потребителя.
Почему электроэнергию передают на большие расстояния при высоком напряжении?
При заданной мощности P = UI рост напряжения означает уменьшение силы тока. Потери в проводах равны I²R, поэтому меньший ток заметно снижает нагрев линии. Сопротивление проводов при этом не меняется.
Как генератор превращает механическую энергию в электрическую?
В генераторе магнит движется относительно катушки или катушка относительно магнита. Из-за этого меняется магнитный поток через катушку и возникает индукционный ток. Механическая энергия движения превращается в электрическую.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
Трансформатор действует благодаря изменяющемуся магнитному полю, которое возникает при переменном токе в первичной обмотке. Постоянный ток после включения создаёт почти неизменное поле, поэтому во вторичной обмотке не возникает устойчивого индукционного напряжения.
Как определить, является ли трансформатор повышающим или понижающим?
Сравните напряжение во вторичной обмотке с напряжением в первичной. Если U₂ больше U₁, трансформатор повышающий; если U₂ меньше U₁, он понижающий. Для идеального трансформатора отношение напряжений равно отношению числа витков: U₂/U₁ = N₂/N₁.
Почему при уменьшении силы тока снижаются потери в проводах?
Провода имеют сопротивление, поэтому ток нагревает их и часть энергии рассеивается как тепло. Мощность таких потерь равна I²R и зависит от квадрата силы тока. Если ток уменьшить вдвое, потери при том же сопротивлении станут в четыре раза меньше.
§ 26. Преобразование и передача электроэнергии
