Страница 226 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?

1. Потери электроэнергии в линиях электропередачи (ЛЭП) определяются по закону Джоуля-Ленца. Этот закон устанавливает, что количество теплоты $Q$, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока $I$, сопротивлению проводника $R$ и времени прохождения тока $t$.

Математически это выражается формулой: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$.

Мощность потерь $P_{потерь}$, то есть энергия, теряемая в виде тепла в единицу времени, равна:

$P_{потерь} = \frac{Q}{t} = I^2 \cdot R$

Для уменьшения этих потерь, согласно формуле, необходимо уменьшить либо сопротивление проводов $R$, либо силу тока $I$.

Существует два основных способа уменьшения потерь:

Первый способ — уменьшение сопротивления $R$. Сопротивление проводника определяется формулой $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $l$ – длина провода, $S$ – площадь поперечного сечения. Уменьшить $R$ можно, во-первых, использованием материалов с низким удельным сопротивлением ($\rho$), например, меди или алюминия, и, во-вторых, увеличением площади поперечного сечения проводов ($S$). Однако второй путь приводит к значительному увеличению массы и стоимости проводов, а также требует более мощных опор ЛЭП.

Второй и наиболее эффективный способ — уменьшение силы тока $I$. Мощность, передаваемая по ЛЭП, равна $P_{пер} = U \cdot I$, где $U$ – напряжение в линии. Отсюда сила тока $I = \frac{P_{пер}}{U}$. Подставив это выражение в формулу мощности потерь, получим:

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

Из этой формулы видно, что потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения. Следовательно, для передачи одной и той же мощности $P_{пер}$ выгоднее всего максимально увеличивать напряжение $U$. Например, при увеличении напряжения в 10 раз сила тока уменьшается в 10 раз, а тепловые потери уменьшаются в $10^2 = 100$ раз. Именно поэтому электроэнергию на большие расстояния передают при очень высоком напряжении (сотни киловольт).

Ответ: Потери электроэнергии в ЛЭП определяются по закону Джоуля-Ленца. Уменьшить их можно за счёт уменьшения сопротивления проводов (используя материалы с низким удельным сопротивлением и увеличивая их толщину) и, что наиболее эффективно, за счёт уменьшения силы тока путём повышения напряжения в линии электропередачи.

2.(Вопрос неполный. Предположительное окончание: "Для чего используют трансформаторы в сетях передачи электроэнергии?")

Трансформаторы используются для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного тока, что является ключевым элементом в системе передачи электроэнергии с минимальными потерями. Их основное назначение двойное:

1. Повышение напряжения. На электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. Они увеличивают напряжение, генерируемое генераторами (обычно до 10-20 кВ), до очень высоких значений (110, 220, 500, 750 кВ и выше) для передачи по магистральным ЛЭП. Как было показано в ответе на первый вопрос, это позволяет кардинально снизить потери энергии на нагрев проводов.

2. Понижение напряжения. На подстанциях вблизи потребителей устанавливают понижающие трансформаторы. Они в несколько этапов понижают высокое напряжение до уровней, безопасных и пригодных для использования в промышленности (например, 6-10 кВ) и в быту (220/380 В).

Таким образом, использование трансформаторов позволяет эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния с малыми потерями и безопасно распределять её среди конечных потребителей.

Ответ: Трансформаторы используются для повышения напряжения на электростанциях перед передачей электроэнергии на большие расстояния (чтобы снизить потери) и для последующего понижения напряжения на подстанциях перед доставкой потребителям до безопасных и рабочих значений.

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.

3. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.

Устройство трансформатора

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Основными конструктивными элементами трансформатора являются:

• Магнитопровод (сердечник): Он служит для концентрации и направления магнитного потока. Обычно изготавливается из ферромагнитного материала (например, электротехнической стали) для уменьшения магнитного сопротивления. Чтобы уменьшить потери энергии на вихревые токи (токи Фуко), магнитопровод делают не сплошным, а шихтованным, то есть собранным из тонких, изолированных друг от друга пластин.
• Обмотки: На магнитопровод наматываются как минимум две катушки с изолированным проводом.
  • Первичная обмотка: обмотка, к которой подводится электрическая энергия от источника переменного тока.
  • Вторичная обмотка: обмотка, с которой снимается преобразованное напряжение для подключения к нагрузке.

В зависимости от конструкции, трансформаторы могут быть стержневыми (обмотки охватывают стержни магнитопровода) или броневыми (магнитопровод охватывает обмотки). Для охлаждения мощных трансформаторов используется трансформаторное масло.

Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Процесс преобразования энергии происходит следующим образом:

1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения $U_1$ по ней начинает протекать переменный ток $I_1$.
2. Этот переменный ток создает в магнитопроводе переменный магнитный поток $\Phi$.
3. Магнитный поток, замыкаясь по сердечнику, пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток.
4. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, переменный магнитный поток индуцирует в каждой обмотке электродвижущую силу (ЭДС). В первичной обмотке возникает ЭДС самоиндукции $E_1$, которая практически уравновешивает напряжение источника $U_1$. Во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции $E_2$.

Для идеального трансформатора (без потерь) справедливы следующие соотношения. ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна числу витков в ней:

$E_1 = -N_1 \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

$E_2 = -N_2 \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

где $N_1$ и $N_2$ — число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно. Отношение ЭДС равно отношению числа витков. При разомкнутой вторичной обмотке (режим холостого хода) напряжения на зажимах примерно равны ЭДС: $U_1 \approx E_1$ и $U_2 \approx E_2$.

Отношение напряжений на обмотках называется коэффициентом трансформации $k$:

$k = \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{E_2}{E_1} = \frac{N_2}{N_1}$

• Если $N_2 > N_1$, то $k > 1$, и трансформатор является повышающим ($U_2 > U_1$).
• Если $N_2 < N_1$, то $k < 1$, и трансформатор является понижающим ($U_2 < U_1$).

В идеальном трансформаторе мощность, потребляемая из сети, равна мощности, отдаваемой в нагрузку: $P_1 = P_2$. Так как $P = UI$, то $U_1 I_1 = U_2 I_2$. Отсюда следует соотношение для токов:

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

Это означает, что повышая напряжение, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот), что является ключевым свойством для передачи электроэнергии.

Применение трансформатора

Трансформаторы являются неотъемлемой частью современной электротехники и энергетики. Основные области их применения:

• Передача и распределение электроэнергии: На электростанциях напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно 6–24 кВ), повышается с помощью мощных трансформаторов до сотен киловольт (110, 220, 500 кВ и выше) для передачи по линиям электропередачи (ЛЭП). Это позволяет значительно снизить силу тока и, следовательно, тепловые потери в проводах ($P_{потерь} = I^2 R$). В местах потребления (городах, на заводах) напряжение понижается с помощью серии понижающих трансформаторов до стандартных значений (например, 220/380 В).
• Бытовая и промышленная электроника: В блоках питания различных устройств (компьютеров, телевизоров, зарядных устройств для телефонов) используются маломощные понижающие трансформаторы для преобразования сетевого напряжения 220 В в низкие напряжения (например, 5, 12, 24 В), необходимые для работы электронных схем.
• Сварочная техника: Сварочные аппараты представляют собой мощные понижающие трансформаторы, которые создают низкое напряжение (несколько десятков вольт), но очень большой ток (сотни ампер), необходимый для зажигания и поддержания сварочной дуги.
• Измерительная техника: В высоковольтных цепях для безопасного измерения больших токов и напряжений применяются измерительные трансформаторы: трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Они понижают ток и напряжение до безопасных значений, которые могут быть измерены стандартными приборами.
• Радиотехника и аудиотехника: Трансформаторы используются для согласования сопротивлений (импедансов) между различными каскадами усилителей или между выходом усилителя и акустической системой для обеспечения максимальной передачи мощности.

Ответ:

Трансформатор — это электромагнитное устройство, состоящее из магнитопровода и как минимум двух обмоток (первичной и вторичной). Его действие основано 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 определяется соотношением числа витков в них. Основное применение трансформаторов — повышение напряжения для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния и последующее его понижение для конечных потребителей, а также использование в блоках питания, сварочных аппаратах и измерительной технике.

4. Как осуществляется передача электроэнергии от электростанции к потребителю?

4. Передача электроэнергии от электростанции к потребителю — это сложный многоступенчатый процесс, главной задачей которого является минимизация потерь энергии при транспортировке на большие расстояния.

Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях (ТЭС, ГЭС, АЭС) генераторами, имеет относительно невысокое напряжение (обычно 6–24 кВ). Передавать энергию при таком напряжении на большие расстояния неэффективно из-за значительных потерь. Потери мощности в линиях электропередачи (ЛЭП) происходят в основном за счет нагрева проводов электрическим током и определяются законом Джоуля-Ленца. Мощность потерь $P_{потерь}$ вычисляется по формуле:

$P_{потерь} = I^2 R$

где $I$ — сила тока в линии, а $R$ — сопротивление проводов. Сопротивление $R$ зависит от материала, длины и сечения проводов, и уменьшить его технически сложно и экономически невыгодно. Следовательно, для минимизации потерь необходимо уменьшать силу тока $I$.

Мощность, передаваемая по линии, равна $P = U I$, где $U$ — напряжение в линии. Чтобы при передаче той же мощности $P$ уменьшить силу тока $I$, необходимо во столько же раз увеличить напряжение $U$. Сила тока выражается как $I = \frac{P}{U}$. Подставив это выражение в формулу потерь, получим:

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

Из этой формулы видно, что потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения. Таким образом, увеличив напряжение в 10 раз, мы уменьшим потери в 100 раз. Именно поэтому для передачи электроэнергии на дальние расстояния используют очень высокое напряжение.

Для изменения напряжения переменного тока используются трансформаторы. Процесс передачи электроэнергии выглядит следующим образом:

1. Повышение напряжения. На электростанции с помощью повышающего трансформатора напряжение, вырабатываемое генератором, повышается до сотен киловольт (например, 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ, 750 кВ).
2. Передача по высоковольтным линиям. Электроэнергия под высоким напряжением передается по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния к местам потребления.
3. Понижение напряжения. Вблизи городов и промышленных предприятий на крупных понижающих подстанциях высокое напряжение ступенчато понижается. Сначала до десятков киловольт (например, 35–110 кВ) для распределения по районам города или крупным заводам.
4. Распределение и конечное понижение. Далее, на местных распределительных подстанциях, напряжение понижается до 6–10 кВ. Наконец, с помощью трансформаторов, установленных непосредственно у потребителей (в трансформаторных будках), напряжение понижается до бытового уровня (например, 220 В для однофазной сети или 380 В для трехфазной сети).

Эта система, основанная на использовании трансформаторов, позволяет эффективно и с минимальными потерями доставлять электроэнергию от мест ее производства до конечных потребителей.

Ответ: Передача электроэнергии от электростанции к потребителю осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП) при очень высоком напряжении (сотни киловольт), которое создается повышающими трансформаторами на электростанции. Это позволяет уменьшить силу тока в проводах и, как следствие, минимизировать потери энергии на их нагрев. По мере приближения к потребителям напряжение многократно понижается с помощью понижающих трансформаторов на подстанциях до бытовых значений (220/380 В).