Номер 1, страница 191 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 5. Электромагнитные явления. Параграф 46. Производство и передача электрической энергии. Темы докладов - номер 1, страница 191.

Условие.

1. Переменный электрический ток. Плюсы и минусы.

Решение.

Переменный электрический ток (AC – Alternating Current) — это электрический ток, который с течением времени периодически изменяется по величине и направлению. В отличие от постоянного тока (DC), который течет строго в одном направлении, в цепи переменного тока заряженные частицы совершают колебательные движения. Наиболее распространена синусоидальная форма переменного тока, мгновенное значение которого описывается уравнением:

$i(t) = I_{m} \sin(\omega t + \varphi_0)$

где $i(t)$ – мгновенное значение силы тока в момент времени $\text{t}$, $I_{m}$ – амплитудное (максимальное) значение силы тока, $\omega$ – угловая частота ($\omega = 2\pi f$, где $\text{f}$ - частота тока), а $\varphi_0$ – начальная фаза колебаний. В бытовых и промышленных сетях России и большинства стран Европы стандартной является частота 50 Гц.

Плюсы

– Простота трансформации. Напряжение переменного тока можно очень легко и с высоким коэффициентом полезного действия (до 99% и выше) повышать или понижать с помощью трансформаторов. Это является фундаментальным преимуществом.

– Эффективная передача энергии на большие расстояния. Благодаря возможности повышать напряжение до сотен тысяч вольт, можно значительно уменьшить силу тока при передаче той же мощности ($P = U \cdot I$). Это кардинально снижает потери мощности на нагрев проводов, так как они пропорциональны квадрату силы тока ($P_{потерь} = I^2 R$). Именно это свойство позволило создать централизованные энергосистемы.

– Простота и надежность электрических машин. Асинхронные двигатели переменного тока имеют простую конструкцию (особенно с короткозамкнутым ротором), они надежны, дешевы в производстве и обслуживании, так как не имеют быстроизнашивающегося щеточно-коллекторного узла, необходимого для многих двигателей постоянного тока. Генераторы переменного тока (альтернаторы) также конструктивно проще и эффективнее генераторов постоянного тока (динамо-машин).

– Легкость коммутации. Поскольку напряжение и ток в сети переменного тока периодически проходят через ноль (100 раз в секунду при частоте 50 Гц), электрическую дугу, возникающую при размыкании высоковольтных цепей, погасить значительно легче. Это упрощает конструкцию выключателей и другой коммутационной аппаратуры.

Минусы

– Наличие реактивной мощности. В цепях, содержащих индуктивные (обмотки двигателей, трансформаторов) и емкостные (конденсаторы, длинные ЛЭП) элементы, возникает сдвиг фаз между током и напряжением. Это приводит к появлению реактивной мощности, которая не совершает полезной работы, но циркулирует между источником и нагрузкой, дополнительно нагружая провода и генераторы и вызывая дополнительные потери.

– Поверхностный эффект (скин-эффект). На высоких частотах переменный ток вытесняется к поверхности проводника, что уменьшает эффективную площадь сечения и увеличивает активное сопротивление провода, приводя к дополнительным потерям энергии.

– Повышенные требования к изоляции. Изоляция проводов и оборудования должна быть рассчитана на амплитудное (пиковое) значение напряжения, которое для синусоидального тока в $\sqrt{2} \approx 1.414$ раза выше действующего (RMS) значения. Например, в бытовой сети с действующим напряжением 230 В амплитудное значение достигает $230 \cdot \sqrt{2} \approx 325$ В.

– Повышенная опасность для живых организмов. Переменный ток промышленной частоты (50–60 Гц) считается более опасным, чем постоянный ток при одинаковом действующем напряжении, так как он с большей вероятностью может вызвать фибрилляцию желудочков сердца – хаотичные сокращения сердечной мышцы, приводящие к остановке кровообращения.

– Невозможность прямого хранения. Электроэнергию в виде переменного тока нельзя напрямую запасать в аккумуляторах или гальванических элементах. Для зарядки аккумуляторов переменный ток необходимо предварительно преобразовать в постоянный с помощью выпрямителей.

– Непригодность для электрохимических процессов. Такие важные промышленные процессы, как электролиз (например, производство алюминия), гальваностегия (нанесение металлических покрытий) и электрофорез, требуют использования исключительно постоянного тока.

Ответ:

Переменный ток характеризуется периодическим изменением величины и направления. Его ключевые преимущества — легкость трансформации напряжения, что обеспечивает эффективную передачу электроэнергии на дальние расстояния, и простота конструкции электрических машин. К основным недостаткам относятся наличие реактивной мощности, повышенные требования к изоляции, большая физиологическая опасность и невозможность прямого использования в электрохимии и для накопления в аккумуляторах. Несмотря на минусы, преимущества переменного тока сделали его мировым стандартом для генерации, передачи и распределения электроэнергии.