"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Глазунов А.Т., Орлов В.А. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Электрическая энергия производится генераторами на электростанциях, передаётся по линиям электропередачи и поступает к потребителям через подстанции. Генератор превращает механическую энергию вращения в электрическую, а трансформатор изменяет напряжение переменного тока. Для передачи на большие расстояния напряжение повышают: при той же мощности сила тока уменьшается, поэтому снижаются потери энергии в проводах. Перед потребителем напряжение снова понижают.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Генератор переменного тока — устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую за счёт электромагнитной индукции. Вращающиеся части генератора создают изменяющийся магнитный поток, поэтому в цепи появляется переменное напряжение. Генератор нужен, чтобы получать электричество из энергии турбины или другого механического двигателя.
Электрическая станция — комплекс оборудования, где энергия топлива, воды, пара или другого источника преобразуется в электрическую энергию. В её состав входят первичный двигатель, генератор, распределительные устройства и системы управления. Такое определение подчёркивает, что станция не создаёт энергию из ничего, а последовательно преобразует её форму.
Трансформатор — устройство для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты. Он состоит из двух обмоток на общем магнитопроводе и позволяет согласовать напряжение с задачами передачи или потребления. Благодаря трансформаторам одну и ту же энергию можно передавать экономичнее, а затем использовать при безопасном напряжении.
Линия электропередачи — система проводов и оборудования для передачи электрической энергии от станции к потребителю. Сопротивление проводов вызывает нагрев и потери, поэтому параметры линии выбирают с учётом расстояния и мощности. Линия соединяет производство электроэнергии с подстанциями и конечными потребителями.
В генераторе ротор вращается внутри магнитного поля статора либо магнитное поле вращается относительно неподвижной обмотки. При этом магнитный поток через витки всё время изменяется, и по закону электромагнитной индукции возникает ЭДС. Направление и величина ЭДС периодически меняются, поэтому генератор выдаёт переменное напряжение, а при замкнутой цепи — переменный ток.
На электростанции генератор вращает первичный двигатель, получающий энергию от природного или искусственного источника. На ГЭС поток воды действует на гидротурбину, на тепловой станции пар вращает паровую турбину, а на ветровой установке лопасти передают вращение валу. Генератор не является источником первичной энергии: он лишь преобразует механическую работу вращения в электрическую энергию.
Трансформатор работает благодаря переменному магнитному потоку в сердечнике. Ток в первичной обмотке создаёт этот поток, а изменяющийся поток индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Для идеального трансформатора U₂⁄U₁ = N₂⁄N₁, где N₁ и N₂ — числа витков; это отношение называют коэффициентом трансформации в зависимости от принятого обозначения.
Передавать энергию выгодно при высоком напряжении, потому что при заданной мощности P = UI ток равен I = P⁄U. Если напряжение увеличить в несколько раз, ток уменьшится во столько же раз. Потери мощности в проводах равны Pпотерь = I²R по закону Джоуля—Ленца, поэтому они уменьшаются гораздо сильнее, чем ток: при уменьшении тока в 10 раз потери сокращаются в 100 раз.
Энергосистема работает как связанная цепь: электростанция вырабатывает ток, повышающий трансформатор увеличивает напряжение, линия передаёт энергию на расстояние, а понижающая подстанция уменьшает напряжение. Затем электричество поступает в дома, школы, предприятия и другие потребляющие устройства. Такое разделение позволяет совместить малые потери при передаче с подходящим напряжением у потребителя.
В таблице путь энергии показан слева направо: от первичного источника до прибора потребителя. Следите отдельно за преобразованием энергии и за изменением напряжения. На разных станциях источник и первичный двигатель различаются, но последовательность передачи обычно сохраняется.
| Участок энергосистемы | Что происходит | Основное устройство | Изменение энергии или напряжения |
|---|---|---|---|
| Источник энергии и электростанция | Энергия воды, топлива, ветра или другого источника приводит в действие первичный двигатель | Турбина и генератор | Первичная энергия превращается сначала в механическую, затем в электрическую |
| Генератор | Вращение ротора создаёт переменную ЭДС и ток | Генератор переменного тока | Механическая энергия преобразуется в электрическую |
| Повышающий трансформатор | Напряжение перед отправкой в линию увеличивается | Трансформатор | Напряжение повышается, частота не изменяется |
| Линия электропередачи | Энергия передаётся на большое расстояние по проводам | Провода, опоры и защитная аппаратура | Напряжение поддерживается высоким, часть энергии теряется в виде теплоты |
| Понижающая подстанция | Напряжение приводится к значению, подходящему для сети потребителя | Понижающий трансформатор | Напряжение уменьшается, частота остаётся прежней |
| Потребитель | Электрическая энергия используется приборами и машинами | Осветительные приборы, двигатели и другие устройства | Электрическая энергия превращается в свет, тепло, механическую и другие формы |
Гидротурбина приводит во вращение генератор, который в течение 1 часа вырабатывает энергию при мощности 50 МВт. Требуется найти количество переданной энергии. Используем связь мощности и энергии: мощность показывает, сколько энергии передаётся за единицу времени.
Ответ: W = 1,8 · 10¹¹ Дж, или 180 ГДж. В киловатт-часах это 50 000 кВт·ч.
В первичной обмотке трансформатора 500 витков, во вторичной — 5000, а к первичной обмотке приложено напряжение 600 В. Нужно определить вторичное напряжение и назначение устройства. Связываем напряжения с числом витков, потому что обе обмотки пронизывает один и тот же изменяющийся магнитный поток.
Ответ: U₂ = 6000 В. Это повышающий трансформатор, который используют, например, перед дальней передачей энергии по линии.
Мощность 10 МВт передаётся по линии сопротивлением 4 Ом. Сравним потери при напряжении 10 кВ и 100 кВ. Для каждого случая сначала найдём ток из формулы мощности, а затем применим закон Джоуля—Ленца.
Ответ: потери составляют 4 МВт при 10 кВ и 0,04 МВт при 100 кВ. Передача при высоком напряжении намного экономичнее.
Генератор иногда называют источником первичной энергии. Ошибка появляется потому, что именно с генератора начинается электрическая цепь, но он только преобразует механическую энергию в электрическую. Проверьте себя: назовите, что вращает генератор на данной станции.
Нельзя считать, что трансформатор одинаково работает с постоянным и переменным током. Для вторичной обмотки нужен изменяющийся магнитный поток, а постоянный ток после включения создаёт почти неизменное поле. Проверьте, есть ли в условии изменение тока или магнитного потока.
Формулу Pпотерь = I²R нельзя применять, не найдя ток в линии. Его определяют из передаваемой мощности: I = P⁄U. Если в задаче даны мощность и напряжение, сначала выполните этот шаг и только потом вычисляйте потери.
Повышение напряжения не увеличивает потери при неизменной передаваемой мощности. Оно уменьшает ток, а потери зависят от квадрата тока. Самопроверка проста: сравните токи при двух напряжениях и возведите их отношение в квадрат.
Для понимания работы генератора нужны электромагнитная индукция и переменный ток. Формулы мощности электрического тока и закон Джоуля—Ленца объясняют выбор высокого напряжения для линий.
Тема продолжает изучение трансформаторов и электрических сетей, а также подводит к вопросам энергетики и рационального использования ресурсов. Она помогает оценивать не только получение энергии, но и эффективность её передачи.
Связь с механикой и термодинамикой видна в работе турбин и тепловых двигателей. В них энергия движения воды, воздуха, пара или топлива превращается в механическую работу, необходимую генератору.
Почему электрическую энергию нельзя передавать сразу при небольшом напряжении?
При заданной мощности уменьшение напряжения приводит к увеличению силы тока: I = P⁄U. Потери в проводах равны I²R, поэтому большой ток вызывает сильный нагрев проводов и заметные потери энергии.
Откуда берётся механическая энергия для вращения генератора на разных электростанциях?
На гидроэлектростанциях генератор вращает турбина, которую приводит в движение поток воды. На тепловых и атомных станциях турбину вращает пар, полученный за счёт энергии топлива или ядерного топлива; на ветровых станциях используется энергия движущегося воздуха.
Почему трансформатор не работает с постоянным током?
Напряжение во вторичной обмотке возникает только при изменении магнитного потока. Постоянный ток после включения создаёт почти постоянное магнитное поле, поэтому устойчивого напряжения во вторичной обмотке не возникает.
Что именно теряется при передаче электрической энергии по проводам?
Часть электрической энергии превращается во внутреннюю энергию проводов и рассеивается в окружающей среде в виде теплоты. Мощность этих потерь определяется формулой Pпотерь = I²R.
Почему напряжение после линии электропередачи снова понижают?
Высокое напряжение удобно для передачи, но опасно и непригодно для большинства бытовых и промышленных приборов. На подстанциях его понижают до значений, соответствующих требованиям сети и безопасности потребителей.
§ 15. Производство и использование электрической энергии
