Номер 703, страница 107 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Получение и передача переменного тока. Трансформатор - номер 703, страница 107.

Условие.

703. Почему для передачи электроэнергии на расстояние применяются провода из меди или алюминия, а для телеграфных и телефонных линий оказывается возможным использовать более прочные и дешёвые стальные провода?

Решение.

Различие в выборе материалов для проводов обусловлено принципиально разными задачами, которые решают линии электропередачи и линии связи, а именно — величиной передаваемой мощности и силы тока.

При передаче электроэнергии на большие расстояния по линиям электропередачи (ЛЭП) протекают токи очень большой силы ($I$). Потери мощности на нагрев проводов определяются по закону Джоуля-Ленца: $P_{потерь} = I^2 \cdot R$, где $R$ — сопротивление линии. Поскольку сила тока $I$ в этой формуле стоит в квадрате, даже небольшое сопротивление провода может привести к колоссальным потерям энергии. Чтобы минимизировать эти потери, необходимо использовать провода с как можно меньшим электрическим сопротивлением. Сопротивление проводника рассчитывается по формуле $R = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление материала. Медь и алюминий обладают одним из самых низких значений удельного сопротивления среди доступных металлов, что делает их оптимальным выбором для силовых линий, несмотря на более высокую стоимость по сравнению со сталью. Экономия на потерях электроэнергии многократно окупает затраты на более дорогие материалы.

В телеграфных и телефонных линиях передаются не большие мощности, а информационные сигналы. Сила тока в таких линиях очень мала (обычно в диапазоне микро- или миллиампер). При таких малых токах потери мощности $P_{потерь} = I^2 \cdot R$ будут ничтожно малы даже при использовании проводов с относительно высоким сопротивлением. Поэтому для линий связи минимизация сопротивления не является первостепенной задачей. На первый план выходят другие характеристики: механическая прочность и стоимость. Стальные провода значительно прочнее и дешевле медных или алюминиевых. Высокая прочность позволяет увеличивать расстояние между опорами, что дополнительно снижает стоимость строительства линии. Таким образом, для линий связи использование стали экономически и технически оправдано.

Ответ: Для передачи электроэнергии, где протекают большие токи, критически важно минимизировать потери мощности ($P=I^2R$), поэтому используются материалы с низким удельным сопротивлением — медь и алюминий. В линиях связи токи очень малы, поэтому потери мощности незначительны, и на первый план выходят механическая прочность и низкая стоимость, которыми обладают стальные провода.