2. Производство, передача и потребление электроэнергии

Определения и обозначения

Электростанция — установка, где энергия первичного источника преобразуется в электрическую. Генератор выполняет главное конечное преобразование: с помощью механического вращения создаёт электрический ток. Поэтому источник энергии станции и электрический выход генератора — не одно и то же.

Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока. Он состоит из обмоток и магнитного сердечника, передающего изменяющееся магнитное поле от одной обмотки к другой. Трансформатор нужен, чтобы удобно повышать напряжение при передаче и понижать его перед потреблением.

Линия электропередачи — система проводов и оборудования, которая доставляет электроэнергию от электростанции к потребителям. В неё входят провода, опоры, изоляторы и другие элементы электрической сети. Её сопротивление определяет, какая часть энергии превратится в тепло.

Коэффициент полезного действия — отношение полезно использованной энергии к затраченной: η = Eпол/Eзат. При передаче и преобразовании он меньше единицы, поскольку часть энергии расходуется на нагрев проводов, обмоток и сердечника. В процентах КПД находят умножением этого отношения на 100%.

Как это устроено

Электрический генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую благодаря электромагнитной индукции. Его ротор вращает турбина, а турбину приводит в движение поток пара, воды или газа. Так электростанция связывает первичный источник энергии с электрической сетью: сначала получают механическое движение, затем электрический ток.

На тепловой станции химическая энергия топлива превращается в тепло, нагревает воду и образует пар, который вращает турбину. На гидроэлектростанции используется энергия воды, поднятой на высоту, поэтому турбину вращает поток, падающий через плотину. На атомной станции тепло выделяется в результате ядерных реакций, но далее также образуется пар и работает турбина. Во всех трёх случаях конечное преобразование механической энергии в электрическую выполняет генератор.

При прохождении тока по проводам линия имеет сопротивление, поэтому часть электрической энергии превращается в тепло. Мощность потерь выражается формулой Pпот = I²R, где I — сила тока, а R — сопротивление линии. Потери растут пропорционально квадрату тока: если ток увеличить в два раза, нагрев увеличится в четыре раза.

Для передачи заданной мощности действует связь P = UI, где U — напряжение. Если повысить напряжение, то при той же мощности сила тока уменьшится: I = P/U. Именно поэтому на выходе электростанции повышающий трансформатор увеличивает напряжение до очень большого значения, а ток становится меньше и потери в линии сокращаются.

Возле городов и предприятий напряжение понижают последовательностью трансформаторов. Сначала электроэнергия поступает по высоковольтной линии, затем через районные подстанции проходит к местным сетям и бытовым потребителям. Понижающий трансформатор делает напряжение подходящим для оборудования, сохраняя сам принцип передачи энергии, хотя часть её теряется в каждом звене.

Электростанции: источники энергии и особенности

Второй и третий столбцы помогают проследить цепочку превращений энергии: от первичного источника к вращению генератора. Последний столбец показывает главное отличие станций, но у всех них электрический ток вырабатывает генератор.

Разбор задач

Задача 1

Условие: электроприбор мощностью 1,2 кВт работает 3 часа. Найти потреблённую электроэнергию в киловатт-часах.

1. Используем формулу энергии: E = Pt, потому что мощность показывает расход энергии за единицу времени.
2. Подставляем значения в одинаковых единицах: E = 1,2 кВт · 3 ч = 3,6 кВт·ч.
3. Единица кВт·ч уже является удобной единицей бытового потребления электроэнергии.

Ответ: E = 3,6 кВт·ч.

Задача 2

Условие: по линии сопротивлением 2 Ом передают мощность 100 кВт при напряжении 10 кВ. Найти силу тока и мощность потерь.

1. Переводим мощность в ватты: 100 кВт = 100 000 Вт, а напряжение — в вольты: 10 кВ = 10 000 В.
2. Находим ток из P = UI: I = P/U = 100 000/10 000 = 10 А.
3. Потери на нагрев линии вычисляем по формуле Pпот = I²R: Pпот = 10² · 2 = 200 Вт.

Ответ: сила тока равна 10 А, мощность потерь — 200 Вт.

Задача 3

Условие: напряжение повышают с 10 кВ до 200 кВ, мощность равна 1 МВт, сопротивление линии — 5 Ом. Сравнить потери, считая трансформатор идеальным.

1. При 10 кВ ток равен I₁ = P/U₁ = 1 000 000/10 000 = 100 А.
2. Потери до повышения напряжения: Pпот1 = I₁²R = 100² · 5 = 50 000 Вт = 50 кВт.
3. При 200 кВ ток равен I₂ = 1 000 000/200 000 = 5 А, поэтому Pпот2 = 5² · 5 = 125 Вт.
4. Отношение потерь составляет 50 000/125 = 400, то есть после повышения напряжения они уменьшаются в 400 раз.

Ответ: потери составляют 50 кВт при 10 кВ и 125 Вт при 200 кВ; передача при высоком напряжении намного экономичнее.

Типичные ошибки

Трансформатор создаёт энергию. Так думают, потому что после него меняется напряжение, но устройство лишь перераспределяет ток и напряжение. Проверка: в идеальном случае мощность почти сохраняется, а в реальном немного уменьшается.

Повышение напряжения само увеличивает передаваемую мощность. На самом деле при неизменной мощности оно уменьшает ток. Проверка: используйте P = UI и сначала уточните, какая величина задана постоянной.

Потери считают как I·R. Это не мощность нагрева, а произведение, связанное с напряжением на участке. Проверка: для тепловых потерь применяйте именно Pпот = I²R.

Первичный источник путают с выходом генератора. Топливо, вода или ядерное топливо не являются электричеством на выходе станции. Проверка: восстановите цепочку преобразований от источника через турбину к генератору.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны работа электрического тока, мощность и энергия, закон Ома, а также закон Джоуля — Ленца. Они объясняют формулы E = Pt, P = UI и Pпот = I²R. Без них трудно оценить расход энергии и нагрев проводов.

Тема связана с переменным током, электромагнитной индукцией и устройством трансформатора. Эти знания помогают понять, почему напряжение изменяют именно в электрических сетях. Практическое продолжение — расчёт бытового потребления и безопасное использование электроприборов.

Что запомнить

• Электростанция преобразует энергию источника в электрическую.
• Генератор производит электрическую энергию за счёт механической работы.
• Потери мощности в проводах определяются формулой Pпот = I²R.
• При передаче одной и той же мощности повышение напряжения уменьшает силу тока.
• Трансформатор изменяет напряжение переменного тока.
• Перед потреблением напряжение понижают до нужного уровня.
• В каждом преобразовании и при передаче часть энергии теряется.