"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Электроэнергия проходит путь от электростанции до розетки: источник энергии вращает турбину, турбина — генератор, а затем ток передаётся по линиям к потребителям. Трансформаторы повышают напряжение для дальней передачи и понижают его перед подачей в дома. Высокое напряжение позволяет передать ту же мощность при меньшем токе, поэтому провода нагреваются слабее и теряется меньше энергии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Генератор переменного тока — устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую благодаря электромагнитной индукции. При вращении катушки или магнита магнитный поток через контур меняется, поэтому в нём возникает переменная ЭДС. Генератор нужен, чтобы получать электрическую энергию на электростанциях.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока. Его основные части — сердечник и две обмотки из провода: первичная и вторичная. Сердечник проводит магнитный поток между обмотками, а их устройство позволяет согласовать напряжение с задачей передачи или потребления энергии.
Коэффициент трансформации показывает, во сколько раз изменяется напряжение в трансформаторе. Для идеального трансформатора U₁/U₂ = N₁/N₂, где U₁ и U₂ — напряжения, а N₁ и N₂ — числа витков первичной и вторичной обмоток. Это соотношение помогает определить, какое напряжение получится при заданном числе витков.
Линия электропередачи — система проводов и оборудования, по которой электроэнергия передаётся от электростанций к потребителям. Провода имеют сопротивление, поэтому при прохождении тока часть энергии превращается в тепло. Знание этого свойства помогает понять, почему напряжение для дальней передачи повышают.
На электростанции первичный источник энергии приводит в движение турбину. Источником может быть, например, энергия топлива, падающей воды или ветра: она сначала превращается в механическое движение. Турбина вращает ротор генератора, поэтому энергия вращения становится электрической. Такая цепочка нужна потому, что генератор вырабатывает ток именно при относительном движении магнитного поля и обмотки.
В генераторе вращается катушка в магнитном поле или магнит относительно катушки. Из-за вращения угол между контуром и магнитным полем постоянно меняется, а вместе с ним меняется магнитный поток через контур. По закону электромагнитной индукции изменение потока вызывает ЭДС; поскольку поток меняется периодически, ЭДС тоже переменная. Если цепь замкнута, под действием этой ЭДС течёт переменный ток.
Трансформатор изменяет напряжение благодаря переменному магнитному потоку в сердечнике. Переменный ток первичной обмотки создаёт этот поток, а он индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Если во вторичной обмотке больше витков, её напряжение выше; если меньше — ниже. Для идеального трансформатора U₂/U₁ = N₂/N₁, поэтому число витков позволяет заранее рассчитать изменение напряжения.
При передаче заданной мощности P = UI: чем выше напряжение U, тем меньше необходимая сила тока I. Провода имеют сопротивление R и нагреваются, поскольку электрический ток совершает работу по их нагреванию; мощность этих потерь равна Pпотерь = I²R. Поэтому уменьшение тока заметно сокращает потери. Повышение напряжения не создаёт дополнительную мощность само по себе — оно помогает передать заданную мощность с меньшими потерями.
Сначала генератор вырабатывает электроэнергию, а повышающий трансформатор на электростанции увеличивает напряжение для дальней передачи. По линиям электропередачи энергия поступает к подстанциям, где напряжение понижают, а затем распределяют по сети. На следующих подстанциях его могут понижать ещё раз — до уровня, подходящего бытовым потребителям. Такая последовательность совмещает экономичную передачу на большие расстояния и безопасное использование электроэнергии.
| Этап | Что происходит с напряжением | Зачем это нужно |
|---|---|---|
| Выработка электроэнергии генератором | Генератор вырабатывает переменное напряжение | Преобразовать механическую энергию в электрическую |
| Повышение напряжения на электростанции | Напряжение повышается трансформатором | Уменьшить ток и потери при передаче |
| Передача по линиям электропередачи | Поддерживается высокое напряжение | Доставить энергию на большие расстояния |
| Понижение напряжения на подстанциях | Напряжение понижается ступенями | Подготовить энергию к распределению и потреблению |
| Подача электроэнергии потребителю | Напряжение соответствует потребностям приборов | Обеспечить работу бытовых и других устройств |
Читайте таблицу сверху вниз: она показывает последовательность этапов от генератора до потребителя. Сопоставляйте изменение напряжения с его назначением: высокое нужно для передачи, а пониженное — для безопасного использования. Строки о подстанциях показывают, что снижение напряжения может происходить в несколько этапов.
Задача 1. Генератор передаёт потребителю мощность 2,0 кВт при напряжении 220 В. Найдём силу тока в линии, считая потери несущественными.
Ответ: сила тока в линии примерно 9,1 А. Деление мощности на напряжение даёт ток, необходимый для передачи указанной мощности.
Задача 2. Напряжение первичной обмотки равно 220 В, в ней 1000 витков, а во вторичной — 50. Найдём напряжение на вторичной обмотке идеального трансформатора.
Ответ: на вторичной обмотке будет 11 В. В ней в 20 раз меньше витков, чем в первичной, поэтому напряжение также в 20 раз меньше.
Задача 3. Электростанция передаёт мощность 1,0 МВт по линии сопротивлением 2,0 Ом. Сравним потери при напряжениях 10 кВ и 100 кВ, считая мощность постоянной.
Ответ: при 10 кВ потери составляют 20 кВт, а при 100 кВ — 0,20 кВт; во втором случае они в 100 раз меньше.
Трансформатор иногда считают устройством, которое изменяет и постоянное напряжение. Ошибка возникает из-за того, что его представляют как обычный преобразователь напряжения, забывая о принципе индукции. Для устойчивой работы нужен меняющийся магнитный поток, поэтому трансформатор применяют с переменным током. Проверьте себя: в условии задачи должен быть указан переменный ток или переменное напряжение.
Повышение напряжения не означает, что передаваемая мощность сама собой возрастает. При неизменной мощности повышение напряжения уменьшает ток согласно P = UI, а это снижает потери. Путаница появляется, когда изменение одного параметра принимают за увеличение всех остальных. Сначала определите, какая величина в условии постоянна, и только затем сравнивайте ток и мощность.
Потери в линии нельзя находить как произведение сопротивления на ток: I·R — это падение напряжения на участке, а не мощность. Мощность тепловых потерь равна I²R, потому что ток нужно учитывать дважды. Ошибка часто связана со смешением формул для напряжения и мощности. Самопроверка: результат для мощности должен измеряться в ваттах, а выражение I²R имеет именно эту размерность.
В отношении витков иногда меняют местами первичную и вторичную обмотки. Из-за этого получают, например, рост напряжения там, где во вторичной обмотке витков меньше. Для идеального трансформатора напряжение пропорционально числу витков: U₂/U₁ = N₂/N₁. Перед расчётом подпишите индексы и сравните: больше витков во вторичной обмотке — выше вторичное напряжение.
Чтобы разбирать передачу электроэнергии, нужны знакомые понятия силы тока, напряжения, сопротивления проводника и мощности электрического тока: они связываются формулой P = UI. Работа генератора продолжает тему электромагнитной индукции: изменение магнитного потока создаёт ЭДС, а периодическое изменение объясняет переменный ток. Трансформаторы и линии электропередачи помогают понять устройство электрических сетей и принцип действия устройств переменного тока. Эти знания связывают физические законы с повседневным использованием электричества.
Почему электроэнергию передают при высоком напряжении?
При одной и той же мощности повышение напряжения уменьшает силу тока, поскольку P = UI. Потери на нагрев проводов равны I²R, поэтому меньший ток снижает потери энергии.
Почему трансформатор не работает с постоянным током?
Трансформатор создаёт напряжение во вторичной обмотке благодаря изменяющемуся магнитному потоку. Постоянный ток после включения не создаёт непрерывного изменения потока, поэтому напряжение во вторичной обмотке не поддерживается.
Как трансформатор повышает или понижает напряжение?
Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменный магнитный поток в сердечнике, который индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Если в ней больше витков, напряжение повышается; если меньше — понижается.
Где в системе электроснабжения возникают потери энергии?
Основные потери возникают в проводах линий электропередачи: часть электрической энергии превращается в тепло при прохождении тока через их сопротивление. Потери также есть в оборудовании, например в трансформаторах, но передача при высоком напряжении уменьшает потери в проводах.
Почему напряжение перед подачей в дома нужно понижать?
Для передачи на большие расстояния используют очень высокое напряжение, но оно не подходит для бытовых приборов и опасно для людей. На подстанциях напряжение последовательно понижают до значений, необходимых потребителям.
4. Производство, передача и потребление электроэнергии
