Номер 1, страница 64, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 8. Электромагнитные колебания и волны. Параграф 78. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 1, страница 64.

Условие.

• Переменный электрический ток: плюсы и минусы.

Решение.

Переменный электрический ток (AC) – это электрический ток, который с течением времени периодически изменяет свою величину и направление. Его повсеместное использование в современных системах производства, передачи и распределения электроэнергии обусловлено рядом ключевых преимуществ перед постоянным током (DC), однако он также обладает и существенными недостатками.

Плюсы

• Эффективная передача на большие расстояния. Главное преимущество переменного тока заключается в возможности легко изменять напряжение с помощью трансформаторов. Для передачи энергии на большие расстояния напряжение повышают до сотен тысяч вольт. Поскольку передаваемая мощность $\text{P}$ остается постоянной ($P = U \cdot I$), повышение напряжения $\text{U}$ позволяет пропорционально снизить силу тока $\text{I}$. Это кардинально уменьшает тепловые потери в проводах, которые пропорциональны квадрату силы тока ($P_{потерь} = I^2 \cdot R$). На месте потребления напряжение с помощью понижающих трансформаторов снова приводят к безопасным и удобным для использования значениям (например, 230 В).

• Простота и надежность двигателей и генераторов. Генераторы переменного тока (альтернаторы) и наиболее распространенные асинхронные электродвигатели имеют конструкцию, которая проще, дешевле в производстве и надежнее, чем у машин постоянного тока. В них отсутствуют сложные и быстро изнашивающиеся коллекторно-щеточные узлы, необходимые для коммутации тока в машинах DC.

• Легкость прерывания цепи. Переменный ток синусоидальной формы периодически проходит через нулевое значение (например, 100 раз в секунду при стандартной частоте 50 Гц). Это свойство значительно облегчает гашение электрической дуги, возникающей при размыкании контактов в выключателях, предохранителях и другой коммутационной аппаратуре. В результате устройства защиты для сетей переменного тока получаются проще и надежнее.

Ответ: Основными преимуществами переменного тока являются возможность его экономичной и эффективной передачи на большие расстояния за счет простой трансформации напряжения, а также конструктивная простота, дешевизна и высокая надежность генераторов и электродвигателей переменного тока.

Минусы

• Большая опасность для человека. При одинаковом действующем (эффективном) значении напряжения, амплитудное (пиковое) значение у переменного тока выше в $\sqrt{2}$ раз. Например, для бытовой сети с действующим напряжением $U_{действ} = 230$ В, пиковое значение напряжения достигает $U_{пик} = U_{действ} \cdot \sqrt{2} \approx 325$ В. Это требует более надежной изоляции и делает переменный ток физиологически более опасным при поражении, чем постоянный ток с напряжением 230 В.

• Наличие реактивной мощности. В цепях, содержащих индуктивные (электродвигатели, трансформаторы) и емкостные элементы, возникает сдвиг фаз между током и напряжением. Это приводит к генерации реактивной мощности, которая не совершает полезной работы, но циркулирует между источником и нагрузкой, создавая дополнительный ток в линиях электропередач и увеличивая тепловые потери.

• Скин-эффект (поверхностный эффект). На промышленных частотах, и особенно на высоких частотах, переменный ток имеет свойство вытесняться к поверхности проводника, а не распределяться равномерно по всему его сечению. Это уменьшает эффективную площадь сечения провода, увеличивает его активное сопротивление и ведет к дополнительным потерям энергии на нагрев.

• Невозможность прямого накопления. Переменный ток нельзя напрямую накапливать в химических источниках, таких как аккумуляторы. Для зарядки аккумуляторов его необходимо предварительно преобразовать (выпрямить) в постоянный ток.

• Необходимость синхронизации. Все генераторы, работающие параллельно в единой энергосистеме, должны быть строго синхронизированы по частоте, напряжению и фазе. Поддержание синхронизации – сложная техническая задача, а ее нарушение может привести к крупным системным авариям.

Ответ: Ключевыми недостатками переменного тока являются его повышенная опасность для живых организмов, возникновение реактивной мощности, приводящей к дополнительным потерям, невозможность его прямого накопления в аккумуляторах, а также техническая сложность синхронизации генераторов в единой энергосистеме.