Номер 2, страница 226 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

Вопросы после параграфа. § 62. Передача электрической энергии. Глава 3. Электромагнитные явления - номер 2, страница 226.

2. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?

1. Каковы основные причины потерь электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?

Решение

Основной причиной потерь электроэнергии при её передаче по линиям электропередачи (ЛЭП) является нагрев проводов протекающим по ним электрическим током. Этот процесс описывается законом Джоуля-Ленца. Мощность, которая теряется в виде тепла, вычисляется по формуле:

$P_{потерь} = I^2 \cdot R$

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

Существуют и другие, менее значительные виды потерь, например, потери на коронный разряд (утечка тока в атмосферу при очень высоких напряжениях), но тепловые потери являются доминирующими.

Исходя из формулы, уменьшить потери можно двумя способами:

1. Уменьшение сопротивления $R$. Сопротивление провода зависит от его материала, длины и площади поперечного сечения: $R = \rho \frac{L}{S}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $L$ – длина провода, $S$ – площадь поперечного сечения.

• Использование материалов с низким удельным сопротивлением ($\rho$). Для ЛЭП обычно используют алюминий (из-за лёгкости и дешевизны) или медь (имеет меньшее сопротивление, но тяжелее и дороже).
• Увеличение площади поперечного сечения провода ($S$). Это эффективно снижает сопротивление, но ведёт к значительному увеличению массы и стоимости проводов, а также требует более мощных и дорогих опор.

2. Уменьшение силы тока $I$. Этот способ является наиболее эффективным, так как потери мощности пропорциональны квадрату силы тока. Например, уменьшение тока в 2 раза приведёт к уменьшению потерь в 4 раза. Как именно это достигается, раскрывается в следующем вопросе.

Ответ: Основная причина потерь электроэнергии в ЛЭП — это нагрев проводов током (тепловые потери). Уменьшить их можно за счёт снижения сопротивления проводов (используя материалы с низким удельным сопротивлением и увеличивая их толщину) и, что наиболее эффективно, за счёт снижения силы тока в линии.

2. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?

Решение

Цель системы электроснабжения — передать потребителю определённую мощность $P$. Мощность электрического тока связана с напряжением $U$ и силой тока $I$ соотношением:

$P = U \cdot I$

Из этой формулы видно, что одну и ту же мощность можно передать либо при низком напряжении и большом токе, либо при высоком напряжении и малом токе. Выразим силу тока: $I = \frac{P}{U}$.

Как мы выяснили в предыдущем вопросе, потери мощности в линии определяются формулой $P_{потерь} = I^2 \cdot R$. Подставим в неё выражение для силы тока:

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

Эта формула наглядно демонстрирует, что при передаче постоянной мощности $P$ по линии с сопротивлением $R$ потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения $U$.

Таким образом, повышая напряжение перед подачей в ЛЭП в $n$ раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока, необходимую для передачи той же мощности. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению тепловых потерь в линии в $n^2$ раз. Именно поэтому для передачи электроэнергии на большие расстояния используют очень высокие напряжения (сотни тысяч вольт).

Ответ: Напряжение повышают для того, чтобы уменьшить силу тока при передаче той же электрической мощности. Так как тепловые потери в проводах пропорциональны квадрату силы тока, уменьшение тока позволяет многократно снизить потери энергии на нагрев проводов ЛЭП.

3. Расскажите об устройстве, принципе действия трансформатора.

Решение

Устройство трансформатора

Трансформатор — это электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Он состоит из следующих основных частей:

• Сердечник (магнитопровод): собран из тонких пластин электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Он создаёт замкнутый путь для магнитного потока.
• Обмотки: две (или более) катушки с изолированным проводом, намотанные на сердечник.
  • Первичная обмотка: подключается к источнику переменного напряжения. Имеет $N_1$ витков.
  • Вторичная обмотка: к ней подключается нагрузка. Имеет $N_2$ витков.
  Обмотки электрически не связаны, но индуктивно связаны общим магнитным потоком.

Принцип действия

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

1. На первичную обмотку подаётся переменное напряжение $U_1$. По ней начинает течь переменный ток $I_1$.
2. Этот переменный ток создаёт в сердечнике переменный магнитный поток $\Phi$.
3. Магнитный поток, пронизывая витки как первичной, так и вторичной обмоток, постоянно изменяется по величине и направлению.
4. Согласно закону Фарадея, в каждом витке обеих обмоток индуцируется ЭДС. Так как все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, ЭДС в каждом витке одинакова. Суммарная ЭДС в каждой обмотке пропорциональна числу витков в ней.

В идеальном трансформаторе (без потерь) напряжения на обмотках пропорциональны числу витков:

$\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} = k$

где $k$ – коэффициент трансформации.

• Если $k > 1$ ($N_2 > N_1$), трансформатор называется повышающим.
• Если $k < 1$ ($N_2 < N_1$), трансформатор называется понижающим.

Мощность в идеальном трансформаторе сохраняется ($P_1 = P_2$), поэтому $U_1 \cdot I_1 = U_2 \cdot I_2$. Отсюда следует соотношение для токов:

$\frac{I_2}{I_1} = \frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = \frac{1}{k}$

Это означает, что во сколько раз трансформатор повышает напряжение, во столько же раз он понижает силу тока, и наоборот.

Ответ: Трансформатор состоит из стального сердечника и как минимум двух обмоток (первичной и вторичной). Его работа основана на явлении электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который, в свою очередь, индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Соотношение напряжений на обмотках равно соотношению чисел витков в них, что позволяет повышать или понижать напряжение переменного тока.