"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Электрическую энергию передают от электростанций к потребителям по линиям электропередачи. При прохождении тока провода нагреваются, поэтому часть энергии теряется. Чтобы уменьшить эти потери, напряжение повышают, а силу тока при той же мощности снижают. Трансформатор изменяет переменное напряжение благодаря электромагнитной индукции: повышающий аппарат устанавливают перед линией, а понижающий — перед потребителями.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Передача электрической энергии — это доставка энергии от электростанции к потребителям по линиям электропередачи. Провода имеют сопротивление, поэтому при токе часть энергии превращается в тепло. Оценка этих потерь нужна, чтобы выбрать выгодные напряжение и силу тока.
Трансформатор — устройство для преобразования переменного напряжения при неизменной частоте. Его основные части — замкнутый ферромагнитный сердечник и две обмотки: первичная и вторичная. Он нужен, чтобы повышать или понижать напряжение на разных участках энергосистемы.
Повышающий и понижающий трансформаторы соответственно увеличивают и уменьшают напряжение. Повышающий имеет больше витков во вторичной обмотке, а понижающий — меньше. По соотношению витков можно заранее определить, как изменится напряжение.
Коэффициент трансформации связывает напряжения и числа витков обмоток: U₁/U₂ = N₁/N₂ для идеального трансформатора. Здесь U₁ и U₂ — напряжения первичной и вторичной обмоток, а N₁ и N₂ — их числа витков. Это соотношение позволяет находить неизвестное напряжение или число витков.
При прохождении тока по проводам линия нагревается, потому что носители заряда передают часть энергии атомам проводника. Мощность такого нагрева определяется формулой Pпот = I²R, где R — сопротивление линии. Поэтому длинные линии и большой ток могут привести к значительным потерям энергии.
Для передачи заданной мощности действует связь P = UI. Если увеличить напряжение, необходимая сила тока уменьшится: I = P/U. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, даже заметное уменьшение I приводит к гораздо меньшему нагреву проводов.
Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника и двух изолированных обмоток, намотанных на него. Замкнутый сердечник нужен для усиления и направления магнитного потока, а обмотки служат для передачи энергии между электрической цепью и магнитным полем. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения.
Переменный ток в первичной обмотке создаёт магнитное поле, постоянно меняющееся по величине и направлению. Сердечник проводит магнитный поток через область второй обмотки, поэтому поток через её витки также изменяется. Именно изменение магнитного потока, а не само наличие магнитного поля, необходимо для электромагнитной индукции.
По закону электромагнитной индукции меняющийся магнитный поток создаёт ЭДС во вторичной обмотке. Если к её выводам подключить потребитель, в цепи появится переменный ток и энергия будет передаваться нагрузке. Частота напряжения остаётся такой же, как у источника, потому что магнитный поток изменяется с частотой первичного тока.
Напряжение каждой обмотки зависит от числа её витков, поэтому U₁/U₂ = N₁/N₂. При большем числе витков во вторичной обмотке напряжение на ней выше, а при меньшем — ниже. Повышающий трансформатор ставят перед линией, а понижающий — перед потребителями, чтобы доставлять энергию с малыми потерями и затем сделать напряжение безопасным и подходящим для приборов.
| Характеристика | Повышающий трансформатор | Понижающий трансформатор |
|---|---|---|
| Соотношение напряжений первичной и вторичной обмоток | U₂ > U₁ | U₂ < U₁ |
| Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток | N₂ > N₁ | N₂ < N₁ |
| Назначение | Увеличение напряжения и уменьшение тока | Уменьшение напряжения до нужного значения |
| Применение в системе передачи электроэнергии | Перед линией электропередачи | Перед потребителями |
Сначала сравните напряжения, а затем проверьте, совпадает ли вывод с отношением чисел витков. Таблица помогает определить назначение устройства и его место в энергосистеме. В идеальном трансформаторе увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока.
Задача 1. Сопротивление линии равно R, а сила тока — I. Требуется найти мощность, теряемую на нагрев проводов. Численных значений нет, поэтому ответ выражается формулой.
Ответ: Pпот = I²R. Формула показывает, почему уменьшение тока особенно эффективно снижает нагрев линии.
Задача 2. В первичной обмотке 500 витков, во вторичной — 2500, а U₁ = 120 В. Нужно найти вторичное напряжение и определить тип трансформатора. Используем соотношение напряжений и числа витков соответствующих обмоток.
Ответ: U₂ = 600 В; трансформатор повышающий. Напряжение увеличилось в пять раз, как и число витков вторичной обмотки.
Задача 3. Напряжение повышают с 10 кВ до 200 кВ, сопротивление линии R = 4 Ом, мощность P = 2 МВт. Сравним ток и потери при обоих напряжениях. Все величины перед вычислением переводим в вольты и ватты.
Ответ: ток уменьшается с 200 до 10 А, то есть в 20 раз. Потери уменьшаются с 160 кВт до 400 Вт, или в 400 раз. Поэтому передачу выгодно вести при высоком напряжении.
Повышение напряжения увеличивает потери. Так считают, забывая, что при постоянной мощности ток уменьшается. Проверьте себя формулами I = P/U и Pпот = I²R: меньший ток означает меньший нагрев.
Число витков и напряжение меняют местами. Ошибка возникает, если не указывать, к какой обмотке относится каждая величина. Записывайте U₁/U₂ = N₁/N₂ и ставьте рядом параметры одной и той же обмотки.
Трансформатор работает на постоянном токе. Постоянный ток создаёт постоянный магнитный поток после переходного процесса, поэтому во вторичной обмотке не поддерживается ЭДС. Для проверки спросите себя, меняется ли магнитный поток.
Трансформатор создаёт дополнительную мощность. Он преобразует напряжение и ток, но не является источником энергии. В идеале P₁ = P₂, а в реальном устройстве вторичная мощность немного меньше из-за потерь.
Для понимания трансформатора нужны закон электромагнитной индукции, понятия магнитного потока и переменного тока. Закон Ома и формулы мощности позволяют рассчитывать ток и нагрев проводов. Эти знания применяются при изучении электроснабжения, цепей переменного тока и бытовой техники, где напряжение часто требуется преобразовать.
Почему электрическую энергию передают при высоком напряжении?
При той же мощности повышение напряжения уменьшает силу тока: I = P/U. Потери на нагрев проводов равны I²R, поэтому при меньшем токе они резко сокращаются.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
Для появления ЭДС во вторичной обмотке нужен меняющийся магнитный поток. Постоянный ток после включения создаёт постоянное магнитное поле, поэтому устойчивого напряжения во вторичной обмотке не возникает.
Как определить, является трансформатор повышающим или понижающим?
Сравните напряжения на обмотках или числа их витков. Если во вторичной обмотке напряжение и число витков больше, трансформатор повышающий; если меньше — понижающий.
Как связаны напряжения и числа витков обмоток?
Для идеального трансформатора U₁/U₂ = N₁/N₂. Значит, напряжение относится к числу витков соответствующей обмотки так же, как напряжение первичной обмотки к напряжению вторичной.
Уменьшает ли трансформатор мощность электрической энергии?
Идеальный трансформатор не изменяет передаваемую мощность: P₁ = P₂. В реальном устройстве мощность вторичной обмотки немного меньше из-за нагрева проводов и других потерь.
19. Передача электрической энергии. Трансформатор
