Номер 4, страница 92 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 27. Передача электроэнергии на расстояние. Глава 3. Электромагнетизм - номер 4, страница 92.

4. Зачем при передаче электроэнергии на расстояние используют понижающие трансформаторы?

При передаче электроэнергии на большие расстояния от электростанции до потребителя возникают неизбежные потери энергии. Основная причина потерь — это нагрев проводов линии электропередачи (ЛЭП), по которым течет ток.

Решение

Количество теплоты, выделяемое в проводах, и, соответственно, мощность потерь ($P_{потерь}$) определяются законом Джоуля-Ленца:

$P_{потерь} = I^2 \cdot R$

где $I$ — сила тока в линии, а $R$ — сопротивление проводов.

Из этой формулы видно, что для уменьшения потерь энергии необходимо либо уменьшать сопротивление проводов $R$, либо уменьшать силу тока $I$. Уменьшение сопротивления $R$ требует использования проводов большего сечения, что ведет к значительному удорожанию и утяжелению ЛЭП, и поэтому экономически нецелесообразно.

Гораздо эффективнее уменьшить силу тока $I$. Мощность, передаваемая по линии ($P_{передачи}$), связана с напряжением $U$ и силой тока $I$ соотношением:

$P_{передачи} = U \cdot I$

Отсюда можно выразить силу тока: $I = \frac{P_{передачи}}{U}$. Подставив это выражение в формулу потерь, получим:

$P_{потерь} = \left(\frac{P_{передачи}}{U}\right)^2 \cdot R = \frac{P_{передачи}^2 \cdot R}{U^2}$

Эта зависимость показывает, что при передаче одной и той же мощности ($P_{передачи}$) потери энергии обратно пропорциональны квадрату напряжения ($U^2$). Следовательно, чтобы минимизировать потери, необходимо максимально увеличить напряжение в линии электропередачи. Для этого на электростанциях используют повышающие трансформаторы, которые увеличивают напряжение до сотен тысяч вольт, одновременно уменьшая силу тока.

Однако такое высокое напряжение является чрезвычайно опасным и непригодным для использования в бытовых и промышленных приборах. Именно здесь и вступают в действие понижающие трансформаторы. Их устанавливают на подстанциях вблизи потребителей (городов, заводов, жилых районов).

Зачем нужны понижающие трансформаторы?

Задача понижающих трансформаторов — преобразовать высокое напряжение, при котором энергия эффективно передавалась по ЛЭП, в низкое и безопасное напряжение, пригодное для конечного потребителя. Этот процесс происходит в несколько этапов: сначала напряжение понижается на районных подстанциях до нескольких тысяч вольт, а затем, непосредственно перед подачей в дома, — до стандартных 220 В.

Таким образом, вся система передачи электроэнергии построена на трансформации напряжения: сначала его повышают для минимизации потерь при транспортировке, а затем понижают для безопасного и удобного потребления.

Ответ: Понижающие трансформаторы используются для преобразования очень высокого напряжения, необходимого для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния, в более низкое, безопасное и стандартное напряжение (например, 220 В), которое используется в бытовых и промышленных электроприборах у конечного потребителя.