§20. Производство и передача электроэнергии

Определения и обозначения

Электростанция — предприятие, где энергия топлива, воды, ветра или другого источника превращается в электрическую энергию. Проще говоря, это место, где природный или запасённый ресурс заставляет работать машины, вырабатывающие ток. Знание этого понятия помогает увидеть начало пути электроэнергии.

Генератор переменного тока — устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию. Внутри него движется магнитное поле относительно катушки, поэтому в цепи возникает переменный ток. Генератор нужен для получения электричества на электростанции.

Трансформатор — устройство для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты. Он состоит из обмоток и сердечника, через который передаётся изменяющееся магнитное поле. Трансформаторы позволяют передавать энергию на большие расстояния и затем безопасно подавать её потребителям.

Линия электропередачи — система проводов и оборудования для передачи электроэнергии от электростанции к потребителям. Её сопротивление нельзя считать равным нулю, поэтому при прохождении тока часть энергии превращается в тепло. Понимание этого понятия нужно для объяснения потерь мощности.

Как это устроено

На гидроэлектростанции поток воды вращает турбину, на тепловой станции турбину вращает пар, полученный при нагревании воды топливом, а на атомной станции тепло выделяется при ядерной реакции. Ветряная установка использует энергию движущегося воздуха и передаёт вращение генератору. Значит, электричество не возникает из ничего: сначала энергия источника превращается в механическую энергию вращения.

Работа генератора основана на электромагнитной индукции — возникновении тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля. При вращении магнита или катушки магнитное поле через катушку всё время меняется. Поэтому направление и величина возникающего тока периодически изменяются, и получается переменный ток.

Сначала ток от генератора поступает на повышающий трансформатор, затем идёт по линии электропередачи. На подстанции понижающие трансформаторы уменьшают напряжение, после чего электроэнергия поступает в дома, школы и на предприятия. Такая последовательность нужна потому, что напряжение, удобное для дальней передачи, слишком велико для непосредственного использования.

Мощность связана с напряжением и током формулой P = UI. Если передаваемая мощность остаётся прежней, повышение напряжения уменьшает силу тока. Потери в проводах равны P_потерь = I²R, поэтому уменьшение тока в 4 раза уменьшает потери в 16 раз. Трансформатор изменяет напряжение за счёт электромагнитной индукции: в идеальном случае мощность почти сохраняется, частота не меняется, а сила тока изменяется обратно напряжению.

Этапы производства и передачи электроэнергии

Таблицу удобно читать слева направо: так виден весь путь энергии от генератора до прибора. Столбец об изменении напряжения объясняет, почему в системе нужны два вида трансформаторов. Сопоставляя второй и четвёртый столбцы, можно понять, какую задачу решает каждый участок.

Разбор задач

Задача 1. Электрическая мощность генератора равна 2,2 кВт, а напряжение на его выводах — 220 В. Нужно найти силу тока. Сначала переводим мощность в СИ, потому что напряжение дано в вольтах.

1. 2,2 кВт = 2200 Вт.
2. Используем формулу I = P/U.
3. I = 2200 Вт / 220 В = 10 А.

Ответ: сила тока равна 10 А. Проверка показывает, что Вт/В = А, значит единица результата выбрана верно.

Задача 2. По линии сопротивлением 5 Ом передают ток силой 20 А. Найдём мощность потерь и выясним, что произойдёт при повышении напряжения в 4 раза при той же мощности. Причина изменения потерь связана не с самим напряжением, а с уменьшением тока.

1. P_потерь = I²R = 20² · 5 = 2000 Вт.
2. При постоянной мощности повышение напряжения в 4 раза уменьшает ток в 4 раза: I₂ = 5 А.
3. P₂ = 5² · 5 = 125 Вт.

Ответ: первоначальные потери равны 2000 Вт, после повышения напряжения — 125 Вт. Потери уменьшились в 16 раз, потому что зависят от квадрата силы тока.

Задача 3. Электростанция передаёт мощность 1,1 МВт, напряжение повышают с 11 кВ до 110 кВ, сопротивление линии равно 2 Ом. Сравним ток и потери до и после повышения напряжения. Единицы мощности и напряжения сначала переводим в ватты и вольты.

1. До повышения: I₁ = 1 100 000 / 11 000 = 100 А; P₁ = 100² · 2 = 20 000 Вт.
2. После повышения: I₂ = 1 100 000 / 110 000 = 10 А; P₂ = 10² · 2 = 200 Вт.
3. Ток уменьшился в 10 раз, а потери — в 100 раз.

Ответ: до повышения ток равен 100 А и потери составляют 20 кВт; после повышения — 10 А и 0,2 кВт. Передача при высоком напряжении гораздо экономичнее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что генератор создаёт энергию из ничего. Так думают, потому что на выходе устройства появляется электрический ток. Нужно помнить о входе: генератор получает механическую энергию вращения и только преобразует её.

Ошибка: путать повышение напряжения с увеличением передаваемой мощности. Напряжение может вырасти, а мощность в идеальном трансформаторе почти не меняется, поскольку сила тока уменьшается обратно пропорционально. Проверьте себя формулой P = UI.

Ошибка: вычислять потери по формуле IR или учитывать только один провод. Мощность нагрева определяется формулой P_потерь = I²R, причём R должно быть сопротивлением всей линии. Перед ответом проверьте единицу: результат должен быть в ваттах.

Ошибка: утверждать, что трансформатор работает с постоянным током. Для него нужно изменяющееся магнитное поле, которое создаёт переменный ток. Если ток постоянный, после краткого момента включения передача энергии через трансформатор прекращается.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о работе генератора, электромагнитной индукции, электрической мощности и законе Ома. Также пригодится представление о последовательном соединении проводников, поскольку сопротивление линии влияет на потери.

С переменным током тема связана напрямую: именно переменный ток вырабатывают генераторы электростанций и именно его напряжение удобно изменять трансформаторами. Поэтому передача энергии становится возможной на разных уровнях напряжения.

Дальше эти знания пригодятся при изучении электрических сетей, бытового электроснабжения и энергосбережения. С их помощью можно объяснить, почему линии делают высоковольтными и как рассчитывают потери при передаче энергии.

Что запомнить

• Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.
• Производство электроэнергии основано на явлении электромагнитной индукции.
• Для передачи электроэнергии на большие расстояния используют высокое напряжение.
• При постоянной мощности повышение напряжения уменьшает силу тока.
• Потери мощности в проводах определяются формулой P_потерь = I²R.
• Трансформатор повышает или понижает переменное напряжение.
• Электроэнергия проходит путь от генератора через трансформаторы и линии электропередачи к потребителю.