Темы докладов, страница 286 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Передача электрической энергии на большие расстояния.

Решение

Передача электрической энергии от электростанций к потребителям на большие расстояния неизбежно связана с потерями энергии. Основная причина потерь — это нагрев проводов линии электропередачи (ЛЭП) при прохождении по ним электрического тока. Этот эффект известен как закон Джоуля—Ленца.

Согласно этому закону, количество теплоты $\text{Q}$, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока $\text{I}$, сопротивлению проводника $\text{R}$ и времени прохождения тока $\text{t}$:

$Q = I^2Rt$

Мощность потерь, то есть энергия, рассеиваемая в виде тепла в единицу времени, соответственно, равна:

$P_{потерь} = I^2R$

Чтобы передавать электроэнергию эффективно, необходимо минимизировать эти потери. Из формулы видно, что для этого нужно уменьшать либо силу тока $\text{I}$ в линии, либо сопротивление $\text{R}$ проводов.

Рассмотрим возможность уменьшения сопротивления $\text{R}$. Сопротивление провода рассчитывается по формуле $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление материала, $\text{l}$ — длина провода, а $\text{S}$ — площадь его поперечного сечения. Длина $\text{l}$ задана расстоянием до потребителя. Для проводов ЛЭП уже используются материалы с очень низким удельным сопротивлением (алюминий, медь). Следовательно, единственный способ значительно уменьшить сопротивление — это увеличить площадь поперечного сечения $\text{S}$, то есть сделать провода толще. Однако это приводит к резкому росту их массы и стоимости. Кроме того, для тяжёлых проводов требуются более прочные и дорогие опоры, что делает этот способ экономически нецелесообразным.

Наиболее эффективным методом снижения потерь является уменьшение силы тока $\text{I}$. Мощность, передаваемая по ЛЭП, определяется произведением напряжения $\text{U}$ и силы тока $\text{I}$:

$P = UI$

Из этой формулы можно выразить силу тока: $I = \frac{P}{U}$. Это означает, что для передачи одной и той же мощности $\text{P}$ можно использовать либо большой ток при низком напряжении, либо малый ток при высоком напряжении.

Теперь подставим выражение для силы тока в формулу мощности потерь:

$P_{потерь} = I^2R = (\frac{P}{U})^2 R = \frac{P^2R}{U^2}$

Из полученной формулы следует ключевой вывод: мощность потерь обратно пропорциональна квадрату напряжения в линии ($P_{потерь} \sim \frac{1}{U^2}$). Таким образом, увеличив напряжение, например, в 10 раз, можно снизить потери энергии в $10^2 = 100$ раз. Именно поэтому передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется при очень высоком напряжении.

На практике это достигается с помощью трансформаторов, которые могут изменять напряжение переменного тока. На электростанции генератор вырабатывает ток под напряжением порядка 10–20 кВ. Затем с помощью повышающего трансформатора напряжение увеличивают до сотен киловольт (110 кВ, 220 кВ, 500 кВ и выше). Далее электроэнергия передается по высоковольтным ЛЭП. Вблизи населенных пунктов и промышленных объектов на понижающих подстанциях напряжение ступенчато снижают до более низких и безопасных для использования значений (например, 6–10 кВ для распределительных сетей и 220/380 В для конечных потребителей).

Ответ:

Для уменьшения потерь при передаче электрической энергии на большие расстояния необходимо максимально повышать напряжение в линиях электропередачи. Потери мощности при передаче пропорциональны квадрату силы тока ($P_{потерь} = I^2R$). Поскольку передаваемая мощность $P = UI$, то сила тока $I = P/U$. Следовательно, мощность потерь $P_{потерь} = \frac{P^2R}{U^2}$ обратно пропорциональна квадрату напряжения. На практике это достигается использованием повышающих трансформаторов на электростанциях, которые увеличивают напряжение до сотен тысяч вольт для передачи, и понижающих трансформаторов у потребителей, которые снижают напряжение до безопасных и рабочих значений.