Номер 3, страница 112 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

3. Как осуществляется передача электроэнергии на большие расстояния?

Передача электроэнергии на большие расстояния сопряжена с проблемой потерь энергии. Основная часть потерь происходит из-за нагрева проводов линий электропередачи (ЛЭП) при прохождении по ним электрического тока. Мощность этих потерь ($P_{пот}$) описывается законом Джоуля-Ленца:

$P_{пот} = I^2 \cdot R$

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

Чтобы передача энергии была экономически выгодной, эти потери необходимо минимизировать. Из формулы видно, что для этого есть два пути: уменьшить сопротивление проводов $R$ или уменьшить силу тока $I$.

Снижение сопротивления R

Сопротивление провода зависит от его длины $L$, площади поперечного сечения $S$ и удельного сопротивления материала $\rho$:

$R = \rho \frac{L}{S}$

Длину $L$ изменить нельзя, так как она определяется расстоянием между электростанцией и потребителем. Можно использовать материалы с низким удельным сопротивлением, такие как медь или алюминий (что и делается на практике). Однако второй способ снижения сопротивления — увеличение площади сечения $S$ (толщины провода) — имеет серьезные ограничения. Слишком толстые провода будут чрезмерно тяжелыми и дорогими, что потребует более мощных и дорогостоящих опор ЛЭП. Поэтому этот метод не является основным для кардинального снижения потерь.

Уменьшение силы тока I

Это основной и наиболее эффективный способ снижения потерь при передаче электроэнергии. Мощность $P$, которую необходимо передать потребителю, связана с напряжением $U$ и силой тока $I$ в линии соотношением:

$P = U \cdot I$

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

$P_{пот} = (\frac{P}{U})^2 \cdot R = \frac{P^2 R}{U^2}$

Из этой формулы видно, что при передаче постоянной мощности $P$ потери энергии $P_{пот}$ обратно пропорциональны квадрату напряжения $U$. Это означает, что увеличив напряжение в 10 раз, мы уменьшим потери в $10^2 = 100$ раз. Поэтому для передачи электроэнергии на большие расстояния используют очень высокое напряжение.

Реализация на практике

Для эффективного изменения напряжения используют переменный ток и устройства, называемые трансформаторами.

1. На электростанции генератор вырабатывает переменный ток с относительно невысоким напряжением (например, 10–20 тысяч вольт).

2. С помощью повышающего трансформатора это напряжение увеличивают до сотен тысяч вольт (например, 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ, 750 кВ). При этом сила тока во столько же раз уменьшается.

3. Электроэнергия по высоковольтным линиям электропередачи передается к местам потребления.

4. Вблизи потребителей на понижающих подстанциях напряжение с помощью серии понижающих трансформаторов ступенчато снижается до безопасных и пригодных для использования значений (например, до 220 В для бытовых нужд).

Таким образом, использование переменного тока и трансформаторов позволяет эффективно управлять напряжением, минимизируя потери при передаче энергии на большие расстояния.

Ответ: Передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется путем значительного повышения напряжения переменного тока с помощью трансформаторов на электростанциях. Это позволяет уменьшить силу тока в линиях электропередачи и, следовательно, кардинально снизить потери мощности на нагрев проводов, так как эти потери обратно пропорциональны квадрату напряжения. Перед доставкой потребителю напряжение понижают до стандартных значений с помощью понижающих трансформаторов.