Номер 1, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. III. Практические приложения физических знаний - номер 1, страница 297.

Условие.

Производство, передача и использование электрической энергии.

Решение.

Производство электрической энергии

Производство электрической энергии — это процесс преобразования различных видов энергии (тепловой, механической, химической, ядерной, солнечной) в электрическую. Этот процесс осуществляется на электростанциях.

Основным устройством для выработки электроэнергии в промышленных масштабах является электрический генератор, работа которого основана на явлении электромагнитной индукции. В генераторе механическая энергия вращения преобразуется в электрическую. Для вращения ротора генератора используется турбина (паровая, газовая или гидравлическая).

Существуют различные типы электростанций в зависимости от используемого первичного источника энергии:

• Тепловые электростанции (ТЭС): используют энергию, выделяющуюся при сжигании органического топлива (уголь, газ, мазут). Тепловая энергия нагревает воду, превращая ее в пар высокого давления, который вращает паровую турбину, соединенную с генератором.
• Гидроэлектростанции (ГЭС): используют потенциальную энергию воды. Потоки воды, падающие с высоты плотины, вращают гидравлическую турбину, которая приводит в действие генератор.
• Атомные электростанции (АЭС): используют тепловую энергию, выделяющуюся в ядерном реакторе в результате управляемой цепной реакции деления ядер урана или плутония. Эта энергия, как и на ТЭС, используется для получения пара, вращающего турбину.
• Возобновляемые источники энергии (ВИЭ):
  • Ветровые электростанции (ВЭС): преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения лопастей, а затем в электрическую с помощью генератора.
  • Солнечные электростанции (СЭС): преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую либо напрямую с помощью фотоэлектрических элементов (солнечных панелей), либо путем концентрации солнечных лучей для нагрева теплоносителя и последующего использования в тепловой машине (подобно ТЭС).

Ответ: Производство электрической энергии заключается в преобразовании других видов энергии (тепловой, кинетической, ядерной) в электрическую на электростанциях различных типов (ТЭС, ГЭС, АЭС, ВИЭ) с помощью электромеханических генераторов, работающих на принципе электромагнитной индукции.

Передача электрической энергии

После производства электроэнергию необходимо доставить потребителям, которые могут находиться на значительном расстоянии от электростанций. Этот процесс называется передачей электрической энергии и осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП).

Основной проблемой при передаче электроэнергии на большие расстояния являются потери мощности из-за нагрева проводов. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяемое в проводнике, пропорционально квадрату силы тока. Мощность потерь $P_{потерь}$ в линии определяется формулой:

$P_{потерь} = I^2 \cdot R$

где $\text{I}$ — сила тока в линии, а $\text{R}$ — её сопротивление. Чтобы минимизировать потери, необходимо уменьшить либо сопротивление проводов (что экономически невыгодно, так как требует использования более толстых проводов), либо силу тока.

Передаваемая по линии мощность $\text{P}$ связана с напряжением $\text{U}$ и силой тока $\text{I}$ соотношением:

$P = U \cdot I$

Из этой формулы следует, что для передачи той же мощности $\text{P}$ при меньшей силе тока $\text{I}$ необходимо увеличить напряжение $\text{U}$. Поскольку потери пропорциональны квадрату тока ($I^2$), повышение напряжения в 10 раз уменьшает силу тока в 10 раз, а потери мощности — в 100 раз.

Для изменения напряжения используется переменный ток и трансформаторы:

1. На электростанции с помощью повышающего трансформатора напряжение, вырабатываемое генератором (обычно 10–20 кВ), повышается до очень высоких значений (сотни киловольт: 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ и выше).
2. Электроэнергия под высоким напряжением передается по высоковольтным ЛЭП.
3. Вблизи мест потребления на понижающих подстанциях напряжение последовательно снижается до более низких значений (например, до 10 кВ для городских сетей, а затем до 380/220 В для конечных потребителей).

Ответ: Передача электрической энергии на большие расстояния осуществляется по линиям электропередачи при очень высоком напряжении и, соответственно, малой силе тока. Это позволяет значительно снизить потери энергии на нагрев проводов. Для повышения и понижения напряжения используются трансформаторы.

Использование электрической энергии

Использование электрической энергии — это конечный этап, на котором она преобразуется в другие, необходимые потребителю виды энергии: световую, тепловую, механическую и т.д. Электроэнергия является наиболее универсальной и удобной формой энергии для конечного потребления.

Основные потребители и направления использования:

• Промышленность: Электродвигатели приводят в движение станки и конвейеры, электропечи используются для плавки металлов, электролиз — для получения веществ (например, алюминия), также широко используется электрическое освещение и нагрев.
• Транспорт: Электрическая тяга используется в поездах, метро, трамваях, троллейбусах. Активно развивается направление электромобилей, которые используют энергию, запасенную в аккумуляторах.
• Сельское хозяйство: Электроэнергия применяется для работы насосов, освещения и обогрева теплиц, привода различных механизмов.
• Бытовое и коммунальное потребление: Это освещение жилых и общественных зданий, работа бытовых приборов (холодильников, стиральных машин, компьютеров, телевизоров), отопление, кондиционирование и приготовление пищи.

В устройствах-потребителях происходят следующие преобразования энергии:

• в световую (лампы накаливания, светодиодные и люминесцентные лампы);
• в тепловую (нагревательные приборы, электроплиты, бойлеры);
• в механическую (электродвигатели в бытовой технике, инструментах, на транспорте);
• в звуковую (динамики, наушники);
• в химическую (при зарядке аккумуляторов).

Ответ: Использование электрической энергии заключается в её потреблении в промышленности, на транспорте и в быту, где она с помощью различных устройств и приборов преобразуется в полезные виды энергии: световую, тепловую, механическую и другие.