"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М.
Передача электрической энергии — путь энергии от электростанции к домам, предприятиям и другим потребителям по линиям электропередачи. Провода обладают сопротивлением и нагреваются, поэтому часть энергии теряется. Чтобы уменьшить эти потери, напряжение перед передачей повышают, а силу тока уменьшают. Возле потребителей трансформаторы снова понижают напряжение до нужного значения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Передача электрической энергии — доставка энергии от электростанции к потребителям по линиям электропередачи. Энергию передают на большие расстояния, потому что электростанции часто строят там, где доступны топливо, вода или другие ресурсы, а потребители находятся в городах. Главная задача передачи — доставить энергию с небольшими потерями.
Линия электропередачи — провода и связанные с ними устройства, по которым энергия идёт от источника к потребителю. Провода образуют протяжённый участок электрической цепи, а оборудование помогает безопасно изменять и распределять напряжение. От сопротивления линии зависит нагрев проводов и величина потерь.
Трансформатор — устройство для повышения или понижения напряжения переменного тока. Его первичная и вторичная обмотки принимают и отдают энергию, а общий сердечник усиливает связь между ними с помощью магнитного поля. Число витков обмоток определяет, каким станет напряжение.
Потери энергии в линии — часть энергии, которая из-за сопротивления проводов превращается в теплоту. Чем больше ток и сопротивление, тем сильнее нагревается линия. Поэтому при проектировании передачи стремятся уменьшить ток и сопротивление проводов.
На электростанции генераторы превращают механическую энергию турбин в электрическую. Затем напряжение повышают трансформатором, и энергия поступает в линию электропередачи. По линии она проходит к подстанциям, где напряжение изменяют несколько раз. В конце пути его понижают и распределяют между домами, школами и предприятиями.
Провода линии обладают сопротивлением, поэтому проходящий ток вызывает их нагрев. Согласно закону Джоуля — Ленца, количество теплоты равно Q = I²Rt, где I — сила тока, R — сопротивление, t — время. Значит, за одинаковое время часть переданной энергии неизбежно превращается во внутреннюю энергию проводов. Эти потери называют потерями энергии в линии.
Мощность передачи связана с напряжением и током формулой P = UI. Если нужно передать одну и ту же мощность, то при увеличении U сила тока I должна уменьшиться. Поскольку потери зависят от квадрата тока, даже умеренное уменьшение тока заметно снижает нагрев. Поэтому энергию передают при высоком напряжении.
Перед линией повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток при почти неизменной передаваемой мощности. На подстанции возле потребителей понижающий трансформатор делает обратное: напряжение становится подходящим для оборудования, а ток возрастает. Такое изменение не создаёт дополнительной энергии. Оно позволяет выбрать удобные условия для дальнейшей передачи и использования.
Электрическая энергия удобна тем, что её можно передавать по проводам, распределять и превращать в свет, тепло, движение и другие виды энергии. Переменный ток особенно удобен для сетей, потому что его напряжение легко изменять трансформаторами. Благодаря этому на дальнем участке используют высокое напряжение, а у потребителя получают нужное низкое. Так сочетаются экономичность передачи и безопасность использования.
| Этап | Что происходит | Назначение |
|---|---|---|
| Выработка энергии на электростанции | Генератор производит электрическую энергию | Получить энергию для потребителей |
| Повышение напряжения трансформатором | Напряжение увеличивается, сила тока уменьшается | Снизить потери при передаче |
| Передача по линии электропередачи | Энергия проходит по проводам на расстояние | Доставить её к районам потребления |
| Понижение напряжения у потребителей | Трансформатор уменьшает напряжение | Обеспечить безопасную работу приборов |
Таблицу удобно читать слева направо: сначала определяется этап, затем его физическое содержание и цель. При решении задач особенно полезно вспомнить второй и третий этапы. Именно повышение напряжения перед линией уменьшает ток и потери в проводах.
Задача 1. Сила тока в линии равна 5 А, сопротивление линии — 2 Ом. Найдём мощность тепловых потерь. Здесь не требуется время, потому что спрашивается мощность, а не количество выделившейся теплоты.
Ответ: мощность тепловых потерь равна 50 Вт.
Задача 2. Прибор потребляет мощность 1,2 кВт при напряжении 240 В. Сначала определим ток у прибора, затем сравним его с током при напряжении 24 кВ. Мощность в обоих случаях считаем одинаковой.
Ответ: при 240 В ток равен 5 А, а при 24 кВ — 0,05 А; при той же мощности он уменьшается в 100 раз.
Задача 3. Электростанция передаёт 2 МВт по линии сопротивлением 4 Ом. Сравним потери при 10 кВ и 100 кВ. Сначала найдём ток, потому что именно он входит в формулу потерь во второй степени.
Ответ: при 10 кВ потери равны 160 кВт, при 100 кВ — 1,6 кВт. Повышение напряжения в 10 раз уменьшило потери в 100 раз.
Ошибка — считать, что повышенное напряжение само по себе увеличивает передаваемую мощность. При сравнении нужно проверить, постоянна ли мощность, и использовать P = UI. Если мощность задана неизменной, рост напряжения сопровождается уменьшением тока.
Ошибка — вычислять потери по формулам I·R или I·R². В законе Джоуля — Ленца сила тока возводится в квадрат: Pпотерь = I²R. Проверка проста: при увеличении тока в два раза потери должны вырасти в четыре раза.
Ошибка — считать, что трансформатор увеличивает энергию. Он меняет напряжение и силу тока, а не создаёт энергию, поэтому повышение одного параметра связано с уменьшением другого. Проверить рассуждение можно сравнением мощности до и после трансформатора с учётом потерь.
Ошибка — применять обычный трансформатор к постоянному току. Его работа основана на изменяющемся магнитном потоке, который создаёт переменный ток. Если ток постоянный, такого изменения нет, поэтому трансформатор не выполняет обычное преобразование напряжения.
До изучения передачи энергии нужны понятия силы тока, напряжения, сопротивления и электрической мощности. Они позволяют описать состояние цепи и сравнить разные режимы передачи. Без них невозможно правильно выбрать формулу.
Закон Ома помогает находить ток и сопротивление, а закон Джоуля — Ленца объясняет нагрев проводов. Вместе эти законы показывают, от чего зависят потери энергии. Поэтому тема опирается на изучение электрических цепей.
Тема связана с электромагнитной индукцией и устройством трансформатора. Дальше эти знания применяются при изучении электроснабжения и способов использования электрической энергии. Так отдельные свойства тока связываются с работой всей энергосистемы.
Почему электрическую энергию передают при высоком напряжении?
При одной и той же мощности высокое напряжение означает меньшую силу тока: P = UI. Чем меньше ток, тем слабее нагреваются провода и тем меньше потери энергии.
Почему при повышении напряжения уменьшаются потери в проводах?
Потери мощности определяются формулой Pпотерь = I²R. При постоянной передаваемой мощности повышение напряжения уменьшает ток, а квадрат тока уменьшается ещё заметнее.
Как трансформатор меняет напряжение?
Переменный ток в первичной обмотке создаёт изменяющееся магнитное поле в сердечнике. Оно вызывает напряжение во вторичной обмотке, а его значение зависит от соотношения числа витков обмоток.
Почему напряжение нужно понижать перед подачей в дома?
Высокое напряжение удобно для передачи, но опасно для людей и бытовых приборов. Поэтому рядом с потребителями трансформаторы понижают его до безопасного и подходящего для сети уровня.
Можно ли передавать электрическую энергию с помощью трансформатора постоянного тока?
Обычный трансформатор работает с переменным током, потому что ему нужен изменяющийся магнитный поток. Постоянный ток сам по себе такого изменения не создаёт.
§ 38. Передача электрической энергии
