Номер 8, страница 191 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 5. Электромагнитные явления. Параграф 46. Производство и передача электрической энергии. Вопросы - номер 8, страница 191.

Условие.

8. Для чего нужны трансформаторы?

Решение.

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции.

Основная задача трансформатора — изменять (повышать или понижать) напряжение в цепи переменного тока. Это позволяет решать множество технических и бытовых задач.

Основное назначение в энергетике: передача электроэнергии на большие расстояния

Это самое важное применение трансформаторов. Электроэнергия вырабатывается на электростанциях (АЭС, ГЭС, ТЭЦ) при относительно невысоких напряжениях (например, 10-20 кВ). Передавать электроэнергию на сотни и тысячи километров при таком напряжении крайне неэффективно из-за больших потерь в проводах.

Потери мощности в линии электропередачи (ЛЭП) определяются по закону Джоуля — Ленца: $P_{потерь} = I^2 \cdot R$, где $\text{I}$ — сила тока в проводах, а $\text{R}$ — их сопротивление. Передаваемая же мощность равна $P = U \cdot I$, где $\text{U}$ — напряжение. Отсюда видно, что при передаче одной и той же мощности $\text{P}$, сила тока $\text{I}$ обратно пропорциональна напряжению $\text{U}$.

Чтобы минимизировать потери, необходимо уменьшить силу тока. Для этого перед передачей электроэнергии по ЛЭП её напряжение многократно повышают с помощью повышающих трансформаторов до сотен тысяч вольт (например, 220 кВ, 500 кВ, 750 кВ). При увеличении напряжения в 100 раз сила тока уменьшается в 100 раз, а потери мощности, пропорциональные квадрату тока ($I^2$), уменьшаются в $100^2 = 10000$ раз.

Вблизи потребителей (городов, заводов) высокое напряжение опасно и непригодно для использования. Поэтому с помощью нескольких ступеней понижающих трансформаторов на подстанциях напряжение постепенно снижают до приемлемых значений (например, 6-10 кВ для городских сетей и, наконец, до 220/380 В для конечных потребителей).

Применение в электронике, бытовой и промышленной технике

Трансформаторы широко используются в блоках питания различных устройств (компьютеры, телевизоры, зарядные устройства для телефонов), где они понижают напряжение бытовой сети (220 В) до низких значений (например, 5 В, 12 В, 19 В), необходимых для питания электронных схем.

Другие важные применения включают:

• Гальваническая развязка: Использование трансформаторов для электрической изоляции одной части цепи от другой с целью повышения электробезопасности.
• Сварочные аппараты: Сварочные трансформаторы понижают напряжение до нескольких десятков вольт, но обеспечивают очень большой ток (сотни ампер), необходимый для сварки.
• Измерительные трансформаторы: Трансформаторы тока и напряжения используются в высоковольтных сетях для понижения тока и напряжения до безопасных значений, которые могут быть измерены стандартными приборами (амперметрами, вольтметрами).
• Согласование сопротивлений (импедансов): В радиотехнике и аудиотехнике трансформаторы применяются для согласования сопротивления выхода одного устройства (например, усилителя) со входом другого (например, динамика) для обеспечения максимальной передачи мощности сигнала.

Ответ:

Трансформаторы нужны для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного тока. Их ключевая роль заключается в обеспечении эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния путем повышения напряжения (чтобы снизить потери в проводах) и последующего его понижения до безопасных и пригодных для использования уровней у потребителей. Также они широко применяются в блоках питания электронных устройств, в сварочных аппаратах, измерительной технике и для обеспечения электробезопасности (гальванической развязки).