"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Электрическую энергию получают генераторы, передают по линиям электропередачи и используют потребители. При передаче часть энергии теряется на нагрев проводов, поэтому напряжение повышают, а силу тока уменьшают. Трансформатор изменяет напряжение переменного тока благодаря электромагнитной индукции. Число витков обмоток определяет, будет он повышающим или понижающим, а в идеальном случае мощность на входе и выходе одинакова.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрическая энергия — работа электрического тока: W = Pt, где P — мощность, а t — время. Её измеряют в джоулях и киловатт-часах, причём 1 кВт·ч = 3,6 МДж. Эта связь позволяет найти расход энергии прибора по его мощности и времени работы.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока за счёт электромагнитной индукции. Он передаёт энергию от одной электрической цепи к другой через магнитное поле. Это нужно, чтобы удобно повышать напряжение при передаче энергии и понижать его перед подачей потребителям.
Коэффициент трансформации — отношение напряжения вторичной обмотки к напряжению первичной: k = U₂/U₁. Для идеального трансформатора оно равно отношению числа витков: k = N₂/N₁. По этому коэффициенту можно определить новое напряжение и понять, во сколько раз изменится ток.
Повышающий и понижающий трансформаторы различаются соотношением напряжений и числа витков. У повышающего U₂ > U₁ и N₂ > N₁, а у понижающего U₂ < U₁ и N₂ < N₁. В идеальном трансформаторе повышение напряжения сопровождается уменьшением силы тока.
На электростанциях электрическую энергию получают преобразованием энергии топлива, воды, ветра или другого источника. Генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую благодаря электромагнитной индукции: изменяющееся магнитное поле создаёт ЭДС в обмотках. Поэтому генераторы электростанций вырабатывают переменный ток, удобный для последующего преобразования напряжения.
При прохождении тока по проводам они нагреваются из-за сопротивления. Мощность такого нагрева равна Pпотерь = I²R, поэтому потери зависят не только от сопротивления линии, но и от квадрата силы тока. Часть переданной энергии превращается во внутреннюю энергию проводов и уже не поступает потребителю.
Для передачи одной и той же мощности действует соотношение P = UI. Если увеличить напряжение, необходимая сила тока уменьшится, а сопротивление линии останется прежним. Так как потери пропорциональны I², даже небольшое уменьшение тока заметно снижает нагрев и повышает эффективность передачи.
Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток, намотанных на него. Переменный ток в первичной обмотке создаёт изменяющийся магнитный поток в сердечнике, а этот поток проходит через вторичную обмотку. По закону электромагнитной индукции в ней возникает переменное напряжение.
Напряжение зависит от числа витков обмотки, поэтому изменение их соотношения меняет напряжение. При N₂ > N₁ вторичное напряжение больше первичного, а при N₂ < N₁ — меньше. В идеальном трансформаторе энергия не теряется: увеличение напряжения компенсируется уменьшением силы тока, так что U₁I₁ = U₂I₂.
| Свойство | Повышающий | Понижающий |
|---|---|---|
| Напряжение вторичной обмотки относительно первичной | Больше: U₂ > U₁ | Меньше: U₂ < U₁ |
| Число витков вторичной обмотки относительно первичной | Больше: N₂ > N₁ | Меньше: N₂ < N₁ |
| Сила тока во вторичной обмотке относительно первичной | Меньше: I₂ < I₁ | Больше: I₂ > I₁ |
| Типичное применение | Начало линии электропередачи | Подстанции и электроприборы |
Сначала определите, какая обмотка подключена к источнику: она является первичной. Затем сравните число витков или напряжения, чтобы установить тип трансформатора. Для идеального устройства изменение напряжения всегда сопровождается обратным изменением силы тока.
Электроприбор мощностью 1,2 кВт работает 30 минут. Нужно найти потреблённую энергию в киловатт-часах и джоулях. Используем W = Pt, но время сначала переведём в подходящие единицы.
Ответ: потреблённая энергия равна 0,6 кВт·ч, или 2,16 МДж.
Энергию передают с мощностью 6 МВт при напряжении 10 кВ, сопротивление проводов равно 2 Ом. Сначала найдём ток из формулы мощности, затем вычислим потери на нагрев линии.
Ответ: сила тока в линии равна 600 А, мощность потерь — 720 кВт. Большое значение потерь показывает, почему при передаче используют более высокое напряжение.
В первичной обмотке 500 витков, она подключена к напряжению 220 В, а во вторичной обмотке 50 витков. Нужно найти вторичное напряжение и ток при первичном токе 0,4 А, считая трансформатор идеальным.
Ответ: вторичное напряжение равно 22 В, сила тока во вторичной обмотке — 4 А. Так как витков во вторичной обмотке меньше, трансформатор является понижающим.
Ошибка: считать, что высокое напряжение само по себе увеличивает передаваемую мощность. При заданной мощности напряжение лишь позволяет уменьшить ток, а мощность остаётся P = UI. Проверьте себя: сравните токи при одинаковой мощности и разных напряжениях.
Ошибка: использовать для потерь формулу IR вместо I²R. Нагрев проводов определяется квадратом силы тока, поэтому пропуск степени даёт существенное искажение результата. Проверьте размерность и отдельно возведите ток в квадрат.
Ошибка: перепутать первичную и вторичную обмотки или изменить отношение витков наоборот. Первичной называют обмотку, подключённую к источнику, а вторичной — соединённую с нагрузкой. После этого проверьте результат: большее число витков должно соответствовать большему напряжению.
Ошибка: применять трансформатор к постоянному току. Без изменения магнитного потока во вторичной обмотке не возникает постоянного индуцированного напряжения. Проверьте вид тока в условии: трансформатор работает именно с переменным током.
Для понимания темы нужны формулы работы и мощности электрического тока, закон Ома и представление об электромагнитной индукции. Эти знания объясняют расчёт энергии, потерь и возникновение напряжения во вторичной обмотке.
Тема связана с изучением переменного тока и электрических сетей. Она помогает понять устройство подстанций, работу бытовых электроприборов и причины использования высокого напряжения в энергосистеме.
Почему электричество передают на большие расстояния при высоком напряжении?
При заданной мощности повышение напряжения позволяет уменьшить силу тока: P = UI. Потери на нагрев проводов равны I²R, поэтому при меньшем токе они резко сокращаются.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
Для появления напряжения во вторичной обмотке нужен изменяющийся магнитный поток. Постоянный ток после включения создаёт постоянное магнитное поле, поэтому индукция во вторичной обмотке прекращается.
Как определить, является ли трансформатор повышающим?
Сравните напряжения вторичной и первичной обмоток. Если U₂ > U₁, трансформатор повышающий; обычно при этом N₂ > N₁.
Почему при увеличении напряжения сила тока в трансформаторе уменьшается?
В идеальном трансформаторе сохраняется мощность: U₁I₁ = U₂I₂. Поэтому при увеличении напряжения ток уменьшается примерно во столько же раз.
Куда исчезает энергия, теряемая при передаче по проводам?
Она превращается во внутреннюю энергию проводов и окружающей среды, то есть выделяется в виде тепла. Это следствие прохождения тока через сопротивление проводов.
§ 47. Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор
