Номер 5, страница 63, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

5. Почему использование переменного тока высокого напряжения при передаче электрической энергии экономически выгоднее? Какие меры принимаются для минимизации потери электрической энергии при передаче на дальние расстояния?

Почему использование переменного тока высокого напряжения при передаче электрической энергии экономически выгоднее?

Экономическая выгода от использования высокого напряжения при передаче электроэнергии напрямую связана с необходимостью минимизировать потери мощности. При прохождении тока по проводам часть энергии неизбежно теряется, превращаясь в тепло. Эта потеря мощности ($P_{потерь}$) описывается законом Джоуля-Ленца: $P_{потерь} = I^2 \cdot R$, где $I$ — сила тока, а $R$ — сопротивление линии электропередачи. Чтобы уменьшить потери, нужно уменьшить либо ток $I$, либо сопротивление $R$. Снижение сопротивления за счет утолщения проводов ($R = \rho \frac{L}{S}$) является крайне затратным из-за резкого увеличения массы и стоимости проводов и опор.

Гораздо более эффективный путь — это снижение силы тока. Мощность, передаваемая по линии потребителю ($P_{потр}$), связана с напряжением $U$ и силой тока $I$ соотношением: $P_{потр} = U \cdot I$. Отсюда следует, что для передачи одной и той же мощности силу тока можно уменьшить, во столько же раз увеличив напряжение, так как $I = \frac{P_{потр}}{U}$.

Если подставить это выражение для тока в формулу потерь, получим зависимость потерь от напряжения: $P_{потерь} = (\frac{P_{потр}}{U})^2 \cdot R = \frac{P_{потр}^2 \cdot R}{U^2}$

Из этой формулы видно, что потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения ($P_{потерь} \propto \frac{1}{U^2}$). Таким образом, повышение напряжения, например, в 10 раз снижает потери энергии в линии в $10^2 = 100$ раз. Это и обеспечивает огромную экономическую выгоду, так как уменьшается количество энергии, которая "теряется" по пути к потребителю.

Использование именно переменного тока является ключевым фактором, так как его напряжение можно очень легко и с высоким КПД (до 99.8%) изменять (трансформировать) с помощью трансформаторов. На электростанциях напряжение повышают с помощью повышающих трансформаторов до сотен тысяч вольт для передачи, а у потребителя — понижают с помощью понижающих трансформаторов до безопасных рабочих значений (например, 220 В). Преобразование напряжения постоянного тока технически гораздо сложнее и дороже.

Ответ: Использование высокого напряжения экономически выгодно, так как оно позволяет значительно снизить силу тока в линии и, следовательно, кардинально уменьшить потери энергии на нагрев проводов (потери обратно пропорциональны квадрату напряжения). Переменный ток используется потому, что его напряжение легко и эффективно преобразуется трансформаторами, что необходимо для повышения напряжения перед передачей и понижения перед потреблением.

Какие меры принимаются для минимизации потери электрической энергии при передаче на дальние расстояния?

Для минимизации потерь электрической энергии при передаче на дальние расстояния принимается следующий комплекс мер:

1. Повышение напряжения передачи. Это основная и наиболее эффективная мера. С помощью трансформаторов на электростанциях напряжение повышается до очень высоких значений (стандартные классы напряжения: 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ, 500 кВ, 750 кВ), что многократно сокращает потери мощности в линии.

2. Использование проводов с низким удельным сопротивлением. Провода для ЛЭП изготавливают из материалов с высокой электропроводностью. В основном используется алюминий, так как он значительно легче и дешевле меди. Для придания необходимой механической прочности часто применяют сталеалюминиевые провода, в которых стальной сердечник несет механическую нагрузку, а внешние алюминиевые проводники — электрический ток.

3. Увеличение площади поперечного сечения проводов. Хотя чрезмерное утолщение проводов экономически невыгодно, их сечение выбирается в результате технико-экономических расчетов как компромисс между стоимостью линии и допустимой величиной потерь.

4. Применение систем передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Для сверхдальних линий (обычно более 600-800 км для воздушных линий) может быть выгоднее использовать постоянный ток. В таких системах отсутствуют потери на реактивную мощность, характерные для переменного тока. Однако они требуют дорогих преобразовательных подстанций для перехода от переменного тока (на генерации) к постоянному (на линии) и обратно (у потребителя).

5. Снижение потерь на коронный разряд. При очень высоких напряжениях вокруг провода происходит ионизация воздуха (коронный разряд), что также является источником потерь энергии. Для борьбы с этим эффектом применяют «расщепление фазы»: вместо одного толстого провода используют два, три или более тонких проводника, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Это увеличивает эффективный радиус фазного провода и снижает напряженность электрического поля на его поверхности.

Ответ: Основными мерами для минимизации потерь электроэнергии являются: повышение напряжения передачи с помощью трансформаторов, использование проводов из материалов с низким сопротивлением (например, сталеалюминиевых), оптимизация сечения проводов, а для сверхдальних линий — применение систем передачи постоянного тока (HVDC) и конструктивные меры для борьбы с коронным разрядом.