Ответьте на вопросы, страница 42 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему потери энергии в ЛЭП не понижают, увеличивая толщину провода?

Потери энергии в линиях электропередачи (ЛЭП) происходят в основном из-за нагрева проводов при прохождении по ним электрического тока. Мощность этих тепловых потерь $P_{потерь}$ определяется законом Джоуля-Ленца:

$P_{потерь} = I^2 R$

где $\text{I}$ – сила тока, а $\text{R}$ – сопротивление провода.

Сопротивление провода, в свою очередь, зависит от его размеров и материала:

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

где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $\text{L}$ – длина провода, а $\text{S}$ – площадь поперечного сечения (которая определяет его толщину). Из этой формулы следует, что увеличение толщины провода (увеличение $\text{S}$) действительно приводит к уменьшению его сопротивления $\text{R}$ и, как следствие, к снижению потерь энергии.

Однако этот способ не является основным для снижения потерь по следующим экономическим и техническим причинам:

1. Стоимость. Протяженность ЛЭП составляет сотни и тысячи километров. Увеличение толщины провода означает прямо пропорциональное увеличение расхода дорогостоящего металла (алюминия, меди), что делает проект экономически нецелесообразным.

2. Вес и нагрузка. Более толстые провода значительно тяжелее. Это требует установки более мощных, высоких и дорогих опор, а также сокращения расстояния между ними для компенсации провисания. Суммарные затраты на строительство и обслуживание такой линии резко возрастают.

3. Механическая прочность. Увеличение веса провода повышает механическую нагрузку на опоры и изоляторы. Кроме того, более толстые провода обладают большей парусностью и сильнее подвержены обледенению, что увеличивает риск их обрыва в плохих погодных условиях.

Гораздо более эффективным методом является снижение силы тока $\text{I}$, так как потери зависят от ее квадрата. Для передачи той же мощности $P = U I$ при меньшей силе тока необходимо повышать напряжение $\text{U}$. Потери мощности можно выразить через напряжение:

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

Эта формула показывает, что потери обратно пропорциональны квадрату напряжения. Например, увеличение напряжения в 10 раз снижает потери в 100 раз. Именно поэтому электроэнергию передают на большие расстояния при очень высоком напряжении (110, 220, 500 кВ и выше), используя повышающие и понижающие трансформаторы.

Ответ: Увеличение толщины провода для снижения потерь энергии в ЛЭП экономически невыгодно и технически сложно из-за резкого роста стоимости материалов, увеличения веса проводов и нагрузки на опоры. Гораздо эффективнее снижать потери путем передачи электроэнергии при очень высоком напряжении, что позволяет значительно уменьшить силу тока и, следовательно, тепловые потери, которые пропорциональны квадрату силы тока.