"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Электростанции преобразуют энергию топлива, воды или ядерных процессов в электрическую. Главную роль в этом играет генератор: при вращении в нём возникает индукционный ток. Электричество удобно передавать на большие расстояния, но провода нагреваются, и часть энергии теряется. Чтобы сократить потери, на линиях повышают напряжение и тем самым уменьшают ток, а перед подачей потребителям напряжение понижают.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электростанция — предприятие, где другие виды энергии преобразуют в электрическую. Основной преобразователь на станции — генератор: он превращает механическую энергию вращения в электрическую благодаря электромагнитной индукции. Это позволяет получать ток для передачи потребителям, хотя вращение генератора обеспечивается разными источниками энергии.
Тепловая электростанция, или ТЭС, — станция, где энергия топлива сначала превращается во внутреннюю энергию пара или газа, а затем — в механическую и электрическую. Нагретый пар или газ вращает турбину, связанную с генератором. Такое определение показывает, что топливо не производит электричество напрямую: между ними есть несколько этапов преобразования.
Гидроэлектростанция, или ГЭС, — станция, где энергия движущейся или падающей воды приводит в действие турбину и генератор. Поток воды вращает турбину, а та передаёт вращение генератору. Это понятие помогает отличить станции, использующие энергию водного потока, от тех, где для вращения турбины сначала получают тепло.
Атомная электростанция, или АЭС, — станция, где тепло для получения пара выделяется при делении атомных ядер. Пар вращает турбину, соединённую с генератором. Определение подчёркивает особенность АЭС: её первичный источник тепла — ядерные процессы, хотя дальнейший путь к электрической энергии похож на путь на ТЭС.
Электрическую энергию вырабатывает генератор, в котором происходит электромагнитная индукция. При вращении ротора относительно обмоток меняется магнитный поток, то есть магнитное поле, пронизывающее обмотки. Из-за этого в проводниках возникает индукционный ток. Значит, для работы генератора нужно поддерживать вращение: энергия движения превращается в энергию электрического тока.
На разных электростанциях генератор вращают разные устройства, потому что станции используют разные первичные источники энергии. На ТЭС и АЭС обычно применяют паровую турбину: струя пара вращает её лопатки, а вал турбины соединён с генератором. На ГЭС турбину приводит в движение поток воды. Во всех случаях турбина передаёт генератору механическое вращение, но энергия для этого вращения поступает из разных источников.
Электроэнергию можно передавать на большие расстояния по проводам, однако передача не бывает совершенно без потерь. Провод обладает сопротивлением, поэтому ток нагревает его: электрическая энергия переходит во внутреннюю. Согласно закону Джоуля — Ленца, мощность такого нагрева равна Pпот = I²R, где I — сила тока, а R — сопротивление линии. Следовательно, уменьшить нагрев можно, снизив ток или сопротивление проводов.
Для дальней передачи напряжение повышают с помощью трансформаторов, потому что при той же передаваемой мощности P = UI большему напряжению соответствует меньшая сила тока. Если напряжение увеличить, например, в десять раз, ток при неизменной мощности уменьшится в десять раз. Так как потери пропорциональны квадрату тока, они при этом станут в сто раз меньше при том же сопротивлении линии. Именно поэтому высокое напряжение выгодно для линий электропередачи.
Перед использованием электричества напряжение понижают до значений, подходящих электроприборам и другим потребителям. Это нужно, поскольку высокое напряжение линии не предназначено для непосредственного подключения обычной техники. Электрическая энергия поступает в дома, на предприятия и транспорт, где преобразуется в свет, тепло, движение и другие необходимые формы. Таким образом, система включает производство, передачу и распределение энергии.
| Тип электростанции | Источник энергии | Что приводит в действие генератор | Особенность получения электрической энергии |
|---|---|---|---|
| Тепловая электростанция | Топливо | Паровая или газовая турбина | Энергия топлива сначала превращается во внутреннюю энергию пара или газа |
| Гидроэлектростанция | Движущаяся или падающая вода | Гидравлическая турбина, вращаемая потоком воды | Используется энергия водного потока |
| Атомная электростанция | Энергия деления атомных ядер | Паровая турбина | Тепло, полученное при делении ядер, превращает воду в пар |
Сравнивая станции, сначала проследи путь энергии от первичного источника до генератора. Обрати внимание: ТЭС и АЭС могут использовать паровую турбину, но тепло на них получают по-разному. На ГЭС турбину непосредственно приводит в движение вода.
Задача 1. Электроприбор мощностью 1,5 кВт работает 2 часа. Нужно найти израсходованную энергию. Поскольку мощность показывает, сколько энергии прибор потребляет за единицу времени, используем связь E = Pt. Выберем единицы так, чтобы ответ получить в киловатт-часах.
Ответ: 3 кВт·ч, или 10,8 МДж. Для перевода использовано соотношение 1 кВт·ч = 3,6 МДж.
Задача 2. Электростанция передаёт по линии мощность 12 МВт при напряжении 240 кВ. Требуется найти силу тока в линии. Связь мощности, напряжения и силы тока задаётся формулой P = UI. Перед подстановкой удобно привести величины к единицам СИ, чтобы получить ток в амперах.
Ответ: сила тока в линии равна 50 А.
Задача 3. Одна и та же мощность передаётся при напряжениях 20 кВ и 200 кВ; сопротивление проводов неизменно. Нужно сравнить потери мощности. При постоянной передаваемой мощности десятикратный рост напряжения означает десятикратное уменьшение тока, а нагрев зависит от квадрата тока. Поэтому сравним сначала токи, а затем потери.
Ответ: при напряжении 20 кВ потери в 100 раз больше, чем при 200 кВ; при повышении напряжения до 200 кВ они уменьшаются в 100 раз.
Ошибка — считать, что электростанция создаёт энергию из ничего. Так иногда говорят, потому что на выходе станции появляется электрический ток, а преобразования источника не видны потребителю. На деле соблюдается закон сохранения энергии: станция преобразует энергию топлива, воды или ядерных процессов. Проверка проста: назови исходный источник энергии и проследи, во что он превращается.
Ошибка — думать, что повышение напряжения само по себе увеличивает передаваемую мощность. Путают напряжение с мощностью, хотя мощность зависит и от напряжения, и от тока: P = UI. Если мощность передачи должна остаться прежней, при росте U величина I уменьшается. Проверяй рассуждение, подставляя известную мощность в формулу и сравнивая токи.
Ошибка — считать, что потери в проводах пропорциональны силе тока. Такое предположение кажется правдоподобным, потому что ток вызывает нагрев, но при неизменном сопротивлении закон Джоуля — Ленца даёт Pпот = I²R. Поэтому, например, двукратное уменьшение тока сокращает потери в четыре раза, а не в два. Для самопроверки выпиши зависимость и возведи изменение тока в квадрат.
Ошибка — путать тепловую и атомную электростанции, считая их одинаковыми из-за паровой турбины. На обеих действительно может быть пар, вращающий турбину, однако источник тепла различается: на ТЭС сжигают топливо, а на АЭС тепло выделяется при делении ядер. Чтобы различить станции, сравнивай не только турбину, но и первый этап преобразования энергии.
Для понимания генератора нужны знания об электромагнитной индукции и принципе действия генератора переменного тока. Из этих тем следует, почему изменение магнитного потока вызывает ток и почему генератор должен вращаться. Без этой связи трудно объяснить, как механическое движение превращается в электрическую энергию.
Расчёты передачи опираются на формулы мощности и работы электрического тока, а также на закон Джоуля — Ленца. Они позволяют находить силу тока по напряжению и мощности, расход энергии по мощности и времени, а нагрев проводов — по току и сопротивлению. Эти формулы связывают производство электричества с оценкой эффективности его передачи.
Тема пригодится при изучении трансформаторов и линий электропередачи, поскольку объясняет, зачем меняют напряжение между станцией и потребителем. Она также помогает рассчитывать потребление электроэнергии бытовыми приборами и сравнивать их работу по мощности и времени. Так физические формулы применяются и к энергосистеме, и к повседневным задачам.
Почему электричество нельзя передавать на большие расстояния без потерь?
У проводов есть электрическое сопротивление, поэтому проходящий по ним ток нагревает провода. Электрическая энергия при этом превращается во внутреннюю энергию проводов. Чем больше ток и сопротивление линии, тем заметнее потери.
Зачем повышают напряжение перед передачей электроэнергии?
При передаче той же мощности повышение напряжения уменьшает силу тока, поскольку P = UI. Потери в проводах пропорциональны I²R, поэтому меньший ток существенно сокращает нагрев. У потребителей напряжение затем понижают.
Почему на атомной электростанции тоже используют турбину?
При делении ядер выделяется тепло, которое нагревает воду и образует пар. Пар под давлением вращает турбину, а она приводит в движение генератор. Так энергия ядерных процессов через тепловую и механическую превращается в электрическую.
Чем гидроэлектростанция отличается от тепловой?
На гидроэлектростанции генератор вращает турбина, приводимая в действие движущейся или падающей водой. На тепловой станции сначала сжигают топливо и получают горячий пар или газ, который приводит в действие турбину. Значит, различаются прежде всего исходный источник энергии и способ его преобразования.
Как уменьшить потери энергии в проводах?
Для передачи той же мощности нужно повысить напряжение: тогда сила тока станет меньше. Потери мощности в проводах равны I²R, поэтому они уменьшаются пропорционально квадрату снижения тока. Также можно уменьшать сопротивление линии, например используя проводники с подходящими характеристиками.
§ 39. Производство и использование электрической энергии
