Вопросы, страница 117 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Как производится электроэнергия на тепловой электростанции?

2. Как производится электроэнергия на гидравлической электростанции?

3. Зачем строятся плотины для работы ГЭС?

4. Почему многие виды энергии не используются непосредственно, а сначала преобразуются в электрическую энергию?

5. Почему передача электроэнергии по проводам на большие расстояния осуществляется с помощью линий электропередачи под напряжением в сотни тысяч вольт?

6. Как работает трансформатор?

1. Как производится электроэнергия на тепловой электростанции?

На тепловой электростанции (ТЭС) происходит цепь преобразований энергии. Вначале в котле сжигается органическое топливо, такое как уголь, природный газ или мазут. Тепловая энергия, выделившаяся при сгорании, используется для нагрева воды и превращения её в пар под высоким давлением. Этот перегретый пар направляется на лопатки паровой турбины и заставляет её ротор вращаться с большой скоростью. Турбина, в свою очередь, механически соединена с валом электрического генератора. Вращение ротора генератора в магнитном поле статора приводит к возникновению электромагнитной индукции, в результате чего в обмотках генератора вырабатывается электрический ток. Таким образом, происходит преобразование: химическая энергия топлива → тепловая энергия пара → механическая энергия вращения турбины и генератора → электрическая энергия.

Ответ: Электроэнергия на ТЭС производится путем преобразования тепловой энергии, полученной от сжигания топлива, в механическую энергию вращения паровой турбины, которая приводит в движение электрогенератор.

2. Как производится электроэнергия на гидравлической электростанции?

На гидравлической электростанции (ГЭС) используется энергия движущейся воды. С помощью плотины создается разность уровней воды (напор). Вода из верхнего уровня (водохранилища) под действием силы тяжести устремляется вниз по специальным водоводам (трубопроводам). Этот мощный поток воды попадает на лопасти гидравлической турбины, заставляя её вращаться. Турбина, как и на ТЭС, соединена с ротором электрогенератора. Вращающаяся турбина передает свою механическую энергию генератору, который преобразует её в электрическую энергию. В данном случае происходит преобразование потенциальной энергии воды, запасенной на высоте, в кинетическую энергию движущегося потока, затем в механическую энергию вращения турбины и, наконец, в электрическую энергию.

Ответ: Электроэнергия на ГЭС производится за счет преобразования потенциальной энергии воды, поднятой на высоту плотиной, в механическую энергию вращения гидравлической турбины, которая вращает электрогенератор.

3. Зачем строятся плотины для работы ГЭС?

Плотины строятся для выполнения двух ключевых задач, необходимых для эффективной работы гидравлической электростанции:

1. Создание напора воды. Основная функция плотины — поднять уровень воды в реке, создав искусственный перепад высот между верхним и нижним бьефом (участками реки до и после плотины). Энергия, которую можно получить от потока воды, прямо пропорциональна этому перепаду высот (напору). Чем выше плотина, тем больше потенциальная энергия у каждого кубометра воды и, следовательно, тем больше электроэнергии можно выработать.

2. Создание водохранилища. Плотина образует водохранилище, которое накапливает большие объемы воды. Это позволяет регулировать сток реки, обеспечивая стабильную работу ГЭС независимо от сезонных колебаний уровня воды (паводков, засухи). Водохранилище служит гарантированным запасом "топлива" для электростанции.

Ответ: Плотины строятся для того, чтобы создать необходимый для работы турбин напор (перепад высот) воды и образовать водохранилище для накопления воды и обеспечения стабильной работы станции в течение всего года.

4. Почему многие виды энергии не используются непосредственно, а сначала преобразуются в электрическую энергию?

Преобразование различных видов энергии (тепловой, ядерной, кинетической энергии воды и ветра) в электрическую целесообразно по нескольким причинам:

1. Удобство передачи на большие расстояния. Электрическую энергию можно с высокой эффективностью передавать по проводам на сотни и тысячи километров от места производства (электростанции) к месту потребления (города, заводы). Передавать на такие же расстояния, например, пар, горячую воду или механическое вращение практически невозможно или крайне неэффективно.

2. Универсальность и простота преобразования. Электрическая энергия очень легко преобразуется в другие, необходимые потребителю виды энергии: в световую (лампы), в тепловую (нагреватели), в механическую (электродвигатели), в звуковую (динамики), в химическую (при зарядке аккумуляторов).

3. Централизация производства. Эффективнее и экологичнее строить крупные мощные электростанции, где процесс производства энергии можно строго контролировать, чем иметь множество мелких и менее эффективных источников энергии у каждого потребителя.

Ответ: Электрическую энергию проще всего передавать на большие расстояния и преобразовывать в любые другие виды энергии (свет, тепло, движение), необходимые конечному потребителю.

5. Почему передача электроэнергии по проводам на большие расстояния осуществляется с помощью линий электропередачи под напряжением в сотни тысяч вольт?

При передаче электроэнергии по проводам неизбежны потери мощности, которые уходят на нагрев проводов. Согласно закону Джоуля-Ленца, теряемая на нагрев мощность $P_{потерь}$ пропорциональна квадрату силы тока $\text{I}$ и сопротивлению провода $\text{R}$:

$P_{потерь} = I^2 \cdot R$

Мощность, передаваемая потребителю, равна произведению напряжения $\text{U}$ на силу тока $\text{I}$:

$P = U \cdot I$

Отсюда можно выразить силу тока: $I = P/U$.

Подставив это выражение в формулу потерь, получим:

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

Из этой формулы видно, что при передаче одной и той же мощности $\text{P}$ потери энергии $P_{потерь}$ обратно пропорциональны квадрату напряжения $\text{U}$. Это означает, что если увеличить напряжение в 10 раз, то потери мощности уменьшатся в $10^2 = 100$ раз. Поэтому для минимизации потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния напряжение с помощью повышающих трансформаторов увеличивают до сотен тысяч вольт. На подстанциях у потребителей напряжение, наоборот, понижают до безопасных и стандартных значений (например, 220 В).

Ответ: Для уменьшения потерь энергии на нагрев проводов. Потери мощности в линии электропередачи обратно пропорциональны квадрату напряжения, поэтому при высоком напряжении значительно снижается сила тока и, как следствие, тепловые потери.

6. Как работает трансформатор?

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который намотаны две (или более) катушки (обмотки) с разным числом витков — первичная и вторичная.

Принцип действия следующий:

1. К первичной обмотке подключается источник переменного напряжения. Протекающий по ней переменный ток создает в железном сердечнике переменное магнитное поле (переменный магнитный поток).

2. Железный сердечник концентрирует и направляет этот магнитный поток так, что он пронизывает витки вторичной обмотки.

3. Согласно закону Фарадея, переменный магнитный поток, проходящий через вторичную обмотку, индуцирует в ней переменную электродвижущую силу (ЭДС), то есть на её концах возникает переменное напряжение.

Соотношение напряжений на первичной ($U_1$) и вторичной ($U_2$) обмотках в идеальном трансформаторе приблизительно равно соотношению числа витков в них ($N_1$ и $N_2$):

$U_1/U_2 \approx N_1/N_2$

Если число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной ($N_2 > N_1$), то напряжение повышается (повышающий трансформатор). Если меньше ($N_2 < N_1$), то напряжение понижается (понижающий трансформатор). Трансформатор работает только с переменным током, так как для возникновения ЭДС индукции необходимо именно изменяющееся во времени магнитное поле.

Ответ: Трансформатор работает на принципе электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле, которое в свою очередь индуцирует переменное напряжение во вторичной обмотке. Соотношение напряжений зависит от соотношения числа витков в обмотках.