"Физика", Б.Кронгарт, Ш.Насохова, С.Туякбаев, В.Кем, В.Загайнова
Электрическую энергию на электростанциях получают с помощью генераторов, преобразующих механическую энергию вращения в электрическую. Для передачи энергии на большие расстояния напряжение повышают: тогда при той же мощности по проводам идёт меньший ток, а провода нагреваются слабее. У потребителей напряжение снова понижают трансформаторами. В основе этой системы — электромагнитная индукция: изменение магнитного потока создаёт ЭДС, а переменный ток позволяет легко менять напряжение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Переменный ток — ток, сила и направление которого периодически изменяются. Его удобно получать генератором, а напряжение такого тока можно менять трансформатором. Это позволяет передавать энергию при высоком напряжении, а затем понижать его для потребителей.
Генератор переменного тока — устройство, которое преобразует механическую энергию вращения в электрическую за счёт электромагнитной индукции. Вращение меняет магнитный поток через обмотку, поэтому в ней возникает ЭДС. Генераторы превращают энергию, полученную от турбин, в электрическую энергию сети.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока посредством электромагнитной индукции. Он передаёт энергию между двумя обмотками через изменяющееся магнитное поле. Благодаря трансформаторам можно выбрать напряжение, подходящее для передачи или использования электричества.
Коэффициент трансформации связывает напряжения на обмотках с числом их витков. Для идеального трансформатора U₂/U₁ = N₂/N₁, где U₁ и U₂ — напряжения первичной и вторичной обмоток, а N₁ и N₂ — числа витков. Это отношение помогает рассчитать новое напряжение и определить, повышает трансформатор его или понижает.
В генераторе турбина вращает ротор — движущуюся часть устройства, связанную с магнитной системой. При вращении взаимное положение магнита и обмотки меняется, поэтому меняется магнитный поток через витки. По закону электромагнитной индукции изменение потока вызывает ЭДС; при периодическом вращении она тоже периодически меняется, то есть становится переменной.
Турбина сама по себе не создаёт энергию, а получает её от первичного источника и передаёт генератору как механическое вращение. На тепловых электростанциях турбину вращает пар, полученный при нагревании воды; на гидроэлектростанциях — поток воды. Ветер может непосредственно вращать лопасти ветроустановки. Разные источники приводят в движение генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую.
При передаче электричества часть энергии нагревает провода, потому что они обладают сопротивлением. Если передаваемая мощность P постоянна, из формулы P = UI следует: чем выше напряжение U, тем меньше сила тока I. Потери на нагрев равны Pпотерь = I²R, где R — сопротивление линии. Поэтому уменьшение тока снижает потери особенно заметно: они зависят от квадрата тока, а не только от его величины.
Трансформатор имеет первичную обмотку, подключённую к источнику, и вторичную, с которой получают изменённое напряжение. Переменный ток в первичной обмотке создаёт изменяющееся магнитное поле в общем сердечнике — магнитопроводе. Это поле меняет магнитный поток через витки вторичной обмотки, и в ней возникает ЭДС. Если магнитный поток не меняется, индукции во вторичной обмотке в установившемся режиме нет.
На электростанции повышающий трансформатор увеличивает напряжение перед линией электропередачи, чтобы уменьшить ток и потери. На пути к городам и предприятиям напряжение постепенно понижают; рядом с потребителями устанавливают понижающие трансформаторы. Так высокое напряжение используется для эффективной дальней передачи, а конечное выбирают с учётом приборов и требований безопасности. Трансформатор не производит энергию, а передаёт её, изменяя напряжение и силу тока.
| Этап или устройство | Преобразование или назначение | Ключевая особенность |
|---|---|---|
| Генератор | Преобразует механическую энергию вращения в электрическую | Переменная ЭДС возникает при изменении магнитного потока |
| Повышающий трансформатор | Увеличивает напряжение перед передачей | Во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной |
| Линия электропередачи | Передаёт электрическую энергию на расстояние | Сопротивление проводов вызывает нагрев и потери |
| Понижающий трансформатор | Уменьшает напряжение перед использованием | Во вторичной обмотке меньше витков, чем в первичной |
| Потери энергии при передаче | Энергия рассеивается в виде тепла в проводах | Pпотерь = I²R, поэтому потери зависят от квадрата тока |
Читайте таблицу как последовательность: генератор вырабатывает электрическую энергию, трансформаторы подготавливают напряжение, а линия доставляет его потребителям. Сопоставляйте назначение каждого устройства с ключевой особенностью. Так видно, почему для передачи напряжение повышают, а перед использованием понижают.
Условие. В генераторе при вращении ротора магнитный поток через обмотку изменяется. Нужно объяснить, почему возникает переменная ЭДС. Изменение потока происходит периодически, поскольку ротор вращается.
Магнитный поток через обмотку зависит от положения ротора. При вращении это положение непрерывно меняется, поэтому меняется и поток.
Изменение магнитного потока через витки вызывает ЭДС индукции. Поскольку ротор повторяет движение, поток и вызванная им ЭДС периодически изменяются.
Следовательно, в обмотке появляется переменная ЭДС. Если цепь замкнута, под действием этой ЭДС течёт переменный ток.
Ответ: переменная ЭДС возникает вследствие периодического изменения магнитного потока через обмотку.
Условие. В первичной обмотке 1200 витков, во вторичной — 60; первичное напряжение равно 240 В. Требуется найти вторичное напряжение и определить тип трансформатора. Считаем трансформатор идеальным.
Для идеального трансформатора отношение напряжений равно отношению чисел витков: U₂/U₁ = N₂/N₁. Отсюда U₂ = U₁ · N₂/N₁.
Подставляем данные: U₂ = 240 · 60/1200 = 240 · 0,05 = 12 В. Вторичное напряжение меньше первичного.
Проверяем число витков: во вторичной обмотке 60 витков, а в первичной 1200. Меньшее число витков соответствует понижению напряжения.
Ответ: U₂ = 12 В, трансформатор понижающий.
Условие. Мощность 1,2 МВт передают при напряжении 12 кВ, затем рассматривают ту же передачу при 120 кВ. Нужно найти токи и сравнить потери, считая сопротивление линии неизменным. Используем P = UI и Pпотерь = I²R.
Выражаем силу тока: I = P/U. В первом случае I₁ = 1,2 · 10⁶/12 · 10³ = 100 А.
Во втором случае I₂ = 1,2 · 10⁶/120 · 10³ = 10 А. Напряжение увеличили в 10 раз, поэтому при той же мощности ток уменьшился в 10 раз.
При неизменном R отношение потерь равно I₁²/I₂² = 100²/10² = 100. Значит, при 120 кВ потери в линии в 100 раз меньше, чем при 12 кВ.
Ответ: токи равны 100 А и 10 А; при напряжении 120 кВ потери уменьшаются в 100 раз.
Ошибка: считать, что генератор создаёт энергию из ничего. Это заблуждение возникает, если учитывать только электрический выход генератора и не замечать вращающую турбину. Источнику вращения нужна энергия первичного источника, а генератор лишь преобразует механическую энергию в электрическую. Проверьте себя: спросите, что вращает ротор и откуда поступает энергия.
Ошибка: полагать, что трансформатор работает с постоянным током в установившемся режиме. После включения постоянного тока магнитное поле перестаёт изменяться, поэтому постоянной индукции ЭДС во вторичной обмотке нет. Ошибку допускают, смешивая наличие магнитного поля с его изменением. Проверка проста: для индукции в формулах и рассуждениях должно присутствовать изменение магнитного потока.
Ошибка: путать повышающий и понижающий трансформаторы. Иногда тип определяют по тому, где находится источник, или только по внешнему виду устройства. Сравните числа витков первичной и вторичной обмоток: во вторичной больше — трансформатор повышающий, меньше — понижающий. Затем проверьте вывод по напряжениям, используя U₂/U₁ = N₂/N₁.
Ошибка: считать, что потери уменьшаются пропорционально силе тока. Так рассуждают, когда учитывают сам факт уменьшения тока, но забывают квадрат в формуле Pпотерь = I²R. При постоянном сопротивлении уменьшение тока в два раза сокращает потери в четыре раза. Проверяйте себя подстановкой тока в квадрат, прежде чем сравнивать потери.
Для понимания работы генератора и трансформатора нужны закон электромагнитной индукции и представление о магнитном потоке: именно его изменение вызывает ЭДС. При расчёте режима линии пригодятся закон Ома, формула мощности P = UI и зависимость тепловых потерь от тока Pпотерь = I²R. Эти знания помогают разбираться в электроснабжении и энергетике. Они также используются при изучении бытовых и промышленных устройств, преобразующих электрическую энергию.
Почему электрическую энергию нельзя передавать по проводам без потерь?
У проводов есть электрическое сопротивление, поэтому ток нагревает их и часть энергии превращается в тепло. Мощность таких потерь равна Pпотерь = I²R и не становится нулевой, пока по проводу течёт ток.
Зачем на электростанциях повышают напряжение перед передачей энергии?
При заданной мощности P = UI повышение напряжения позволяет уменьшить силу тока. Поскольку потери на нагрев пропорциональны I², меньший ток резко сокращает нагрев проводов.
Почему трансформатор не работает с постоянным током?
Для возникновения ЭДС во вторичной обмотке нужен изменяющийся магнитный поток. Постоянный ток после включения создаёт почти неизменное магнитное поле, поэтому в установившемся режиме ЭДС не индуцируется.
Как определить, является трансформатор повышающим или понижающим?
Сравните числа витков первичной и вторичной обмоток: в идеальном трансформаторе напряжения относятся так же, как числа витков. Если во вторичной обмотке витков больше, трансформатор повышающий; если меньше — понижающий.
Почему напряжение вблизи потребителей снова понижают?
Высокое напряжение удобно для передачи, но для бытовых приборов и многих установок оно не подходит и опасно. Понижающие трансформаторы рядом с потребителями обеспечивают напряжение, необходимое для безопасной работы оборудования.
§ 2.11. Производство и передача электрической энергии
