Страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Какой электрический ток называют переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?

1. Переменным электрическим током называют электрический ток, который периодически изменяется со временем по величине и направлению. В отличие от постоянного тока, который течет в одном направлении с постоянной силой, переменный ток меняет свое направление и величину с определенной частотой. Наиболее распространенной формой переменного тока является синусоидальный ток, который описывается формулой:

$I(t) = I_{max} \sin(\omega t + \phi_0)$

где $I(t)$ — мгновенное значение силы тока, $I_{max}$ — амплитудное (максимальное) значение силы тока, $\omega$ — угловая частота ($ \omega = 2\pi f $, где $f$ — частота тока), $t$ — время, а $\phi_0$ — начальная фаза.

Получить переменный ток можно с помощью простого опыта, основанного на явлении электромагнитной индукции. Для этого потребуется:

• Проволочная рамка (катушка), подключенная к гальванометру.
• Постоянный магнит (например, подковообразный).

Ход опыта:

1. Разместить проволочную рамку между полюсами магнита, где создано магнитное поле.

2. Начать равномерно вращать рамку вокруг оси, перпендикулярной линиям магнитной индукции.

Наблюдение:

При вращении рамки стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну, то в другую сторону от нулевого положения. Это свидетельствует о возникновении в цепи электрического тока, который постоянно меняет свое направление.

Объяснение:

При вращении рамки в магнитном поле изменяется магнитный поток $\Phi$, пронизывающий ее площадь. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, изменение магнитного потока приводит к возникновению в рамке электродвижущей силы (ЭДС) индукции: $\mathcal{E}(t) = -\frac{d\Phi}{dt}$. Магнитный поток при вращении рамки с угловой скоростью $\omega$ изменяется по закону $\Phi(t) = B S \cos(\omega t)$, где $B$ — индукция магнитного поля, $S$ — площадь рамки. Тогда индуцируемая ЭДС будет $\mathcal{E}(t) = \omega B S \sin(\omega t)$. Эта синусоидальная ЭДС и создает в замкнутой цепи переменный синусоидальный ток. Когда одна сторона рамки движется вверх, а другая — вниз, ток течет в одном направлении. После поворота на 180 градусов направление движения сторон рамки относительно поля меняется на противоположное, и ток начинает течь в обратном направлении.

Ответ: Переменный ток — это электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению. Его можно получить в опыте по вращению проводящей рамки в постоянном магнитном поле, что демонстрирует явление электромагнитной индукции.

2. Переменный ток нашел широчайшее применение в современной технике и быту благодаря своей способности легко трансформироваться (изменять напряжение с помощью трансформаторов), что делает его передачу на большие расстояния экономически выгодной. Основные области использования:

• Производство и передача электроэнергии. На электростанциях генераторы вырабатывают переменный ток. С помощью трансформаторов напряжение повышают для передачи по линиям электропередачи (ЛЭП) с минимальными потерями, а затем понижают до бытовых (например, 220 В) или промышленных стандартов перед подачей потребителям.
• Электродвигатели. Асинхронные и синхронные двигатели переменного тока являются основой большинства промышленных установок (станки, конвейеры, насосы) и бытовой техники (холодильники, стиральные машины, кондиционеры, пылесосы).
• Освещение. Лампы накаливания, люминесцентные лампы и современные светодиодные (LED) светильники в большинстве своем работают от сети переменного тока.
• Нагревательные приборы. Электрические плиты, обогреватели, бойлеры, утюги используют тепловое действие переменного тока для нагрева.
• Питание электроники. Хотя сами электронные схемы (в компьютерах, телевизорах, смартфонах) работают на постоянном токе, их блоки питания подключаются к сети переменного тока и преобразуют его в постоянный ток нужных напряжений.

Ответ: Переменный ток используется для производства и передачи электроэнергии на большие расстояния, в работе электродвигателей, в системах освещения, в нагревательных приборах, а также для питания бытовой и промышленной электроники через блоки питания.

2. Где используют переменный электрический ток?

1. Переменный электрический ток — это электрический ток, который периодически изменяет свое направление и величину с течением времени. Наиболее распространенной формой переменного тока является синусоидальный ток, при котором величина тока или напряжения изменяется по закону синуса или косинуса. Графически это выглядит как синусоида.

Получить переменный ток можно с помощью простого опыта, основанного на явлении электромагнитной индукции. Для этого необходимы:

• Постоянный магнит (или электромагнит), создающий магнитное поле.
• Проволочная рамка (контур), способная вращаться в этом поле.
• Гальванометр или другой прибор для регистрации тока.

Процесс получения тока следующий:

1. Проволочная рамка помещается между полюсами магнита.
2. Рамку начинают равномерно вращать вокруг оси, перпендикулярной линиям магнитной индукции.
3. При вращении рамки изменяется магнитный поток $ \Phi $, пронизывающий ее площадь. Магнитный поток определяется формулой $ \Phi = BS \cos \alpha $, где $ B $ — индукция магнитного поля, $ S $ — площадь рамки, а $ \alpha $ — угол между нормалью к плоскости рамки и вектором магнитной индукции.
4. Согласно закону Фарадея для электромагнитной индукции, изменение магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции в рамке: $ E = -\frac{d\Phi}{dt} $.
5. Так как рамка вращается с постоянной угловой скоростью $ \omega $, угол $ \alpha $ изменяется со временем по закону $ \alpha = \omega t $. Тогда ЭДС индукции будет равна: $ E = - \frac{d(BS \cos(\omega t))}{dt} = BS\omega \sin(\omega t) $.
6. Эта ЭДС является синусоидальной, то есть она периодически изменяет свое значение и знак. Если цепь замкнута, в ней потечет переменный синусоидальный ток, который можно зафиксировать гальванометром.

Ответ: Переменный ток – это ток, периодически меняющий направление и величину. Его можно получить в опыте по вращению проводящей рамки в постоянном магнитном поле, что приводит к возникновению синусоидальной ЭДС индукции из-за периодического изменения магнитного потока через рамку.

2. Переменный электрический ток нашел широчайшее применение в современной технике и быту благодаря двум ключевым преимуществам: простоте его генерации и возможности легкого изменения (трансформации) напряжения.

Основные области использования переменного тока:

• Энергетика: Это основная сфера применения. Вся мировая система производства, передачи и распределения электроэнергии построена на использовании переменного тока. С помощью трансформаторов напряжение повышают для передачи на большие расстояния с минимальными потерями, а затем понижают до бытовых значений (например, 220 В или 110 В) для конечных потребителей.
• Промышленность: Большинство промышленных электродвигателей (особенно асинхронные двигатели) работают на переменном токе. Они имеют простую и надежную конструкцию. Переменный ток используется для мощных нагревательных установок (индукционные печи), сварочных аппаратов и другого промышленного оборудования.
• Бытовое использование: Подавляющее большинство бытовых приборов — холодильники, стиральные машины, кондиционеры, пылесосы, системы освещения — работают непосредственно от сети переменного тока. Электронные устройства, такие как компьютеры или телефоны, также подключаются к сети переменного тока, но внутри имеют блоки питания, которые преобразуют переменный ток в постоянный для питания электронных схем.
• Связь и вещание: Высокочастотные переменные токи используются для генерации электромагнитных волн, которые являются основой радио, телевидения и мобильной связи. Информация кодируется путем модуляции параметров этого переменного сигнала (амплитуды, частоты или фазы).

Ответ: Переменный ток используется повсеместно: в системах производства и передачи электроэнергии, для питания промышленных станков и электродвигателей, в бытовых приборах и системах освещения, а также в качестве несущей волны в радиосвязи и телевещании.

3. Промышленный генератор переменного тока — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции.

Принцип действия: Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. Если изменять магнитный поток, проходящий через замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток. В промышленных генераторах это достигается вращением мощного магнита (ротора) внутри неподвижных катушек с проводом (статора). Вращающееся магнитное поле пересекает витки катушек статора и наводит в них переменную ЭДС.

Устройство: Современный промышленный генератор (синхронная машина) состоит из двух основных частей:

• Статор — неподвижная часть генератора. В его пазах уложены обмотки (называемые обмоткой якоря), в которых и индуцируется переменный ток. Статор представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Именно со статора снимается вырабатываемая электроэнергия.
• Ротор — вращающаяся часть генератора, расположенная внутри статора. Ротор является электромагнитом. На нем расположены обмотки возбуждения, на которые подается постоянный ток от внешнего источника (возбудителя). Этот ток создает сильное магнитное поле. Ротор приводится во вращение внешним механическим источником энергии, таким как паровая, газовая или гидравлическая турбина.

Процесс работы выглядит следующим образом:

1. Турбина вращает ротор генератора.
2. На обмотку возбуждения ротора через систему контактных колец и щеток подается постоянный ток, который создает постоянное магнитное поле.
3. Вращаясь вместе с ротором, это магнитное поле пересекает витки неподвижной обмотки статора.
4. В обмотке статора индуцируется переменная ЭДС. Поскольку обмотка статора обычно состоит из трех частей, сдвинутых в пространстве на 120°, в ней возникает трехфазный переменный ток, который является стандартом в современных энергосистемах.

Такая конструкция (вращающийся электромагнит и неподвижная силовая обмотка) используется в мощных генераторах, так как позволяет снимать ток большой силы и высокого напряжения с неподвижных клемм, что технически проще и надежнее, чем снимать его с вращающихся частей.

Ответ: Генератор переменного тока состоит из неподвижного статора с силовыми обмотками и вращающегося внутри него ротора-электромагнита. Принцип его действия основан на электромагнитной индукции: ротор, вращаемый турбиной, создает переменное магнитное поле, которое наводит в обмотках статора переменную ЭДС, генерируя таким образом электрический ток.

3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.4. Почему в гидрогенераторах

3. Расскажите об устройстве и принципе действия промышленного генератора.

Промышленный генератор переменного тока (также называемый синхронным генератором или альтернатором) — это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию трехфазного переменного тока. Он является основным источником электроэнергии на электростанциях.

Устройство промышленного генератора:

• Статор — неподвижная часть генератора. Он состоит из корпуса и сердечника, набранного из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах сердечника уложена трехфазная обмотка, в которой и индуцируется электрический ток. Витки трех фаз сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 120°.
• Ротор — вращающаяся часть генератора, представляющая собой мощный электромагнит. На роторе расположена обмотка возбуждения, на которую подается постоянный ток. Этот ток создает сильное магнитное поле. Ротор механически соединен с валом турбины (паровой, газовой или гидравлической).
• Система возбуждения — устройство, которое питает обмотку ротора постоянным током. В современных мощных генераторах часто применяются бесщеточные системы возбуждения, где на одном валу с основным ротором находится ротор вспомогательного генератора (возбудителя). Переменный ток с возбудителя выпрямляется и подается в обмотку основного ротора, что исключает необходимость в скользящих контактах (щетках и контактных кольцах).
• Система охлаждения — из-за больших потерь мощности на нагрев (в обмотках и магнитопроводе) промышленные генераторы требуют эффективного охлаждения. В качестве охладителей могут использоваться воздух, водород или вода. Водородное и водяное охлаждение являются наиболее эффективными.

Принцип действия:

Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции. В соответствии с законом Фарадея, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС).

1. Первичный двигатель (турбина) вращает ротор генератора.
2. Постоянный ток в обмотке возбуждения ротора создает постоянное магнитное поле. При вращении ротора это поле также вращается.
3. Вращающееся магнитное поле пересекает витки неподвижной обмотки статора.
4. Из-за этого в каждой из трех фазных обмоток статора индуцируется переменная синусоидальная ЭДС.
5. Так как обмотки статора сдвинуты в пространстве на 120°, индуцируемые в них ЭДС также сдвинуты по фазе на 120° друг относительно друга. В результате на выходе генератора получается система трехфазного переменного тока.

Частота вырабатываемого переменного тока $f$ строго зависит от скорости вращения ротора $n$ (в оборотах в минуту) и числа пар магнитных полюсов ротора $p$:

$f = \frac{p \cdot n}{60}$

Для поддержания стандартной частоты в сети (50 Гц в России и Европе) скорость вращения генератора должна быть строго синхронизирована.

Ответ: Промышленный генератор состоит из неподвижного статора с трехфазной обмоткой и вращающегося ротора-электромагнита. Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле ротора пересекает обмотки статора, индуцируя в них трехфазную ЭДС. Частота тока определяется скоростью вращения ротора и числом пар его полюсов.

4. Почему в гидрогенераторах ротор имеет большое число пар полюсов?

Это связано с низкой скоростью вращения гидравлических турбин, которые приводят в движение роторы гидрогенераторов, и необходимостью поддерживать стандартную промышленную частоту переменного тока (50 Гц в России).

Частота переменного тока $f$, вырабатываемого генератором, связана со скоростью вращения его ротора $n$ (об/мин) и числом пар полюсов $p$ следующей формулой:

$f = \frac{p \cdot n}{60}$

Из этой формулы видно, что для получения постоянной частоты $f = 50$ Гц при разной скорости вращения $n$ необходимо изменять число пар полюсов $p$.

• Турбогенераторы на тепловых и атомных электростанциях приводятся в движение быстроходными паровыми турбинами, скорость вращения которых составляет, как правило, $n = 3000$ об/мин. Для них число пар полюсов:

  $p = \frac{60 \cdot f}{n} = \frac{60 \cdot 50}{3000} = 1$ пара полюсов (т.е. 2 полюса).

• Гидрогенераторы на гидроэлектростанциях приводятся в движение гидравлическими турбинами. Скорость их вращения зависит от напора воды и обычно значительно ниже — от 60 до 750 об/мин. Чтобы при такой низкой скорости получить ток с частотой 50 Гц, необходимо использовать ротор с большим числом полюсов. Например, при скорости вращения $n = 120$ об/мин:

  $p = \frac{60 \cdot f}{n} = \frac{60 \cdot 50}{120} = 25$ пар полюсов (т.е. 50 полюсов).

Таким образом, большое число пар полюсов у гидрогенераторов является конструктивной необходимостью, позволяющей компенсировать низкую скорость вращения гидротурбины и вырабатывать ток стандартной частоты.

Ответ: Гидрогенераторы приводятся в движение низкооборотными гидравлическими турбинами. Чтобы при низкой скорости вращения ротора вырабатывать переменный ток стандартной промышленной частоты (например, 50 Гц), необходимо, согласно формуле $f = (p \cdot n)/60$, увеличивать число пар полюсов $p$.

4. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?

4. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?

Гидрогенераторы, используемые на гидроэлектростанциях (ГЭС), приводятся в движение гидравлическими турбинами. Особенностью таких турбин является их относительно низкая скорость вращения, которая обычно составляет от 50 до 300 оборотов в минуту. Это связано с огромной массой движущихся частей и спецификой работы с большими объемами воды.

В то же время, электрический ток в промышленных сетях должен иметь строго стандартную частоту. В России и большинстве стран Европы эта частота составляет 50 Гц. Частота переменного тока ($f$), вырабатываемого генератором, напрямую связана со скоростью вращения его ротора ($n$) и числом пар магнитных полюсов ($p$) на роторе. Эта зависимость описывается формулой:

$f = \frac{p \cdot n}{60}$

где $f$ — частота тока в Герцах (Гц), $n$ — скорость вращения ротора в оборотах в минуту (об/мин), а $p$ — число пар полюсов.

Чтобы получить ток стандартной частоты при низкой скорости вращения, необходимо увеличить другой параметр в формуле — число пар полюсов. Для наглядности проведем расчет.

Дано:

Стандартная частота переменного тока: $f = 50$ Гц.

Типичная скорость вращения ротора гидрогенератора: $n = 120$ об/мин.

Данные приведены в общепринятых для этой формулы единицах, перевод в СИ (для скорости вращения в рад/с) не требуется для данного расчета.

Найти:

Число пар полюсов ротора $p$.

Решение:

Выразим число пар полюсов $p$ из основной формулы:

$p = \frac{f \cdot 60}{n}$

Подставим известные значения:

$p = \frac{50 \cdot 60}{120} = \frac{3000}{120} = 25$

Таким образом, ротор должен иметь 25 пар полюсов, или $2 \cdot 25 = 50$ полюсов. Такой ротор называется многополюсным. Для сравнения, турбогенераторы на тепловых и атомных электростанциях вращаются с высокой скоростью (например, 3000 об/мин) и для получения частоты 50 Гц им достаточно всего одной пары полюсов ($p=1$).

Использование многополюсных роторов позволяет компенсировать низкую скорость вращения гидротурбины и обеспечить выработку электроэнергии со стандартной промышленной частотой.

Ответ: В гидрогенераторах используют многополюсные роторы, потому что они работают при низких скоростях вращения, обусловленных особенностями гидравлических турбин. Чтобы при такой низкой скорости вращения получить переменный ток стандартной промышленной частоты (50 Гц), необходимо иметь большое число пар магнитных полюсов на роторе, согласно формуле $f = (p \cdot n) / 60$.

5. По какому физическому закону...

(Предполагаемое полное окончание вопроса: "...основан принцип действия генератора электрического тока?")

Принцип действия любого электромеханического генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году.

Суть явления заключается в том, что в любом замкнутом проводящем контуре возникает электрический ток (индукционный ток) при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Величина возникающей электродвижущей силы (ЭДС) индукции, согласно закону Фарадея, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

$\mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}$

В конструкции промышленного генератора имеются две основные части: неподвижный статор, в пазах которого уложены обмотки, где и наводится ЭДС, и вращающийся ротор, который представляет собой электромагнит, создающий сильное магнитное поле. Вал ротора приводится во вращение внешним источником механической энергии (например, турбиной). При вращении ротора его магнитное поле также вращается и пересекает витки обмотки статора. В результате этого магнитный поток, пронизывающий обмотку статора, непрерывно изменяется по величине и направлению. Это изменение магнитного потока, в соответствии с явлением электромагнитной индукции, приводит к возникновению в обмотке статора переменной ЭДС и, как следствие, переменного электрического тока. Таким образом, механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию.

Ответ: Принцип действия генератора электрического тока основан на явлении (законе) электромагнитной индукции.

5. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?

5. Потери электроэнергии в линиях электропередачи (ЛЭП) в основном происходят из-за нагрева проводов при прохождении по ним электрического тока. Этот процесс описывается законом Джоуля-Ленца.

Согласно этому закону, количество теплоты $Q$, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока $I$, сопротивлению проводника $R$ и времени прохождения тока $t$: $Q = I^2 \cdot R \cdot t$

Мощность потерь $P_{потерь}$, то есть энергия, теряемая в единицу времени, соответственно, равна: $P_{потерь} = I^2 \cdot R$

Из этой формулы видно, что уменьшить потери электроэнергии можно двумя способами:

1. Уменьшение сопротивления $R$ проводов. Сопротивление проводника определяется формулой $R = \rho \frac{L}{A}$, где $\rho$ – удельное сопротивление материала, $L$ – длина, $A$ – площадь поперечного сечения. Следовательно, для уменьшения сопротивления можно:
   • Использовать материалы с низким удельным сопротивлением, например, медь или алюминий.
   • Увеличивать площадь поперечного сечения проводов (делать их толще). Однако это приводит к значительному увеличению массы и стоимости ЛЭП.
2. Уменьшение силы тока $I$. Это наиболее эффективный способ, так как мощность потерь зависит от силы тока в квадрате ($I^2$). Например, уменьшение силы тока в 2 раза приведет к уменьшению потерь в 4 раза. Чтобы передать ту же самую мощность $P_{передаваемая} = U \cdot I$ при меньшей силе тока, необходимо увеличить напряжение $U$. Для этого на электростанциях используют повышающие трансформаторы, которые увеличивают напряжение до сотен тысяч вольт перед передачей по ЛЭП. У конечного потребителя напряжение понижают до бытовых значений (например, 220 В) с помощью понижающих трансформаторов.

Ответ: Потери электроэнергии в ЛЭП определяются по закону Джоуля-Ленца ($P_{потерь} = I^2 \cdot R$). Уменьшить их можно за счет снижения сопротивления проводов (используя материалы с низким удельным сопротивлением и увеличивая их толщину) и, что наиболее эффективно, за счет уменьшения силы тока путем повышения напряжения передачи с помощью трансформаторов.

6. (Вопрос на изображении неполный. Предположим, что полный вопрос звучит так: «Для чего при уменьшении силы тока при передаче электроэнергии необходимо увеличивать напряжение?»)

Это необходимо для того, чтобы сохранить величину передаваемой мощности. Мощность электрического тока $P$, которую генератор отдает в линию электропередачи, определяется как произведение напряжения $U$ на силу тока $I$: $P = U \cdot I$

Задача состоит в том, чтобы доставить потребителю определенную мощность $P$. Как было показано в ответе на предыдущий вопрос, для снижения потерь необходимо уменьшать силу тока $I$. Однако, если просто уменьшить силу тока, то, согласно формуле, уменьшится и передаваемая мощность.

Чтобы передаваемая мощность $P$ осталась неизменной при уменьшении силы тока $I$, необходимо во столько же раз увеличить напряжение $U$. Например, если уменьшить силу тока в 10 раз, то для сохранения мощности нужно увеличить напряжение в 10 раз. Именно эту функцию выполняют повышающие трансформаторы на электростанциях перед ЛЭП.

Ответ: При передаче электроэнергии напряжение увеличивают для того, чтобы сохранить передаваемую мощность ($P = U \cdot I$) при одновременном уменьшении силы тока, что, в свою очередь, необходимо для минимизации потерь энергии на нагрев проводов.

6. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?

При передаче электрической энергии по проводам линий электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния возникают неизбежные потери энергии. Эти потери в основном связаны с нагревом проводов, по которым течет электрический ток. Количество теплоты, выделяемое в проводах, и, соответственно, мощность потерь ($P_{потерь}$) описывается законом Джоуля-Ленца:

$P_{потерь} = I^2 \cdot R$

где $I$ — это сила тока, протекающего по проводам, а $R$ — электрическое сопротивление этих проводов. Из данной формулы видно, что мощность потерь зависит от силы тока в квадратичной степени. Это значит, что для эффективного уменьшения потерь необходимо в первую очередь снижать силу тока в ЛЭП.

С другой стороны, мощность, которую необходимо передать потребителю ($P_{передаваемая}$), связана с силой тока и напряжением $U$ в линии следующим соотношением:

$P_{передаваемая} = U \cdot I$

Чтобы передать потребителю требуемую мощность при низкой силе тока $I$, необходимо увеличить напряжение $U$. Выразим силу тока из этой формулы: $I = \frac{P_{передаваемая}}{U}$.

Теперь подставим это выражение в формулу для мощности потерь:

$P_{потерь} = \left(\frac{P_{передаваемая}}{U}\right)^2 \cdot R = \frac{P_{передаваемая}^2 \cdot R}{U^2}$

Эта формула наглядно демонстрирует, что при передаче постоянной мощности ($P_{передаваемая} = \text{const}$) по линии с постоянным сопротивлением ($R = \text{const}$), потери мощности обратно пропорциональны квадрату напряжения ($P_{потерь} \propto \frac{1}{U^2}$).

Таким образом, если увеличить напряжение в $n$ раз, то для передачи той же мощности силу тока можно уменьшить в $n$ раз. Это приведет к уменьшению потерь энергии на нагрев проводов в $n^2$ раз. Именно по этой причине на электростанциях с помощью повышающих трансформаторов напряжение увеличивают до очень высоких значений (сотни тысяч вольт) перед подачей в магистральные ЛЭП. У конечных потребителей напряжение снова понижают до стандартных значений (например, 220 В) с помощью понижающих трансформаторов.

Ответ:

При передаче электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП) напряжение повышают для того, чтобы минимизировать потери мощности. Потери мощности в проводах из-за их нагрева пропорциональны квадрату силы тока ($P_{потерь} \propto I^2$). Согласно формуле мощности $P = U \cdot I$, для передачи постоянной мощности $P$, увеличение напряжения $U$ в $n$ раз позволяет уменьшить силу тока $I$ в $n$ раз. В результате этого мощность потерь снижается в $n^2$ раз, что делает передачу электроэнергии на большие расстояния экономически выгодной и эффективной.

7. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.

Устройство трансформатора

Трансформатор — это статическое (не имеющее движущихся частей) электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении его частоты. Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

1. Магнитопровод (сердечник). Это замкнутая магнитная цепь, которая изготавливается из мягкого ферромагнитного материала, например, из специальной электротехнической стали. Сердечник служит для концентрации и усиления магнитного потока, создаваемого обмотками. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают сердечник, его делают не сплошным, а шихтованным — собранным из тонких, изолированных друг от друга лаком или оксидной пленкой пластин.

2. Обмотки. На сердечник наматываются как минимум две изолированные друг от друга и от сердечника катушки из медного или алюминиевого провода:

• Первичная обмотка — обмотка, которая подключается к источнику переменного тока.
• Вторичная обмотка — обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии).

В трансформаторе может быть и больше двух обмоток. Все обмотки индуктивно связаны между собой через общий магнитный поток в сердечнике.

Ответ: Трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, на который намотаны как минимум две индуктивно связанные, но электрически изолированные обмотки: первичная (для подключения к источнику) и вторичная (для подключения нагрузки).

Принцип действия трансформатора

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Процесс преобразования напряжения происходит следующим образом:

1. При подключении первичной обмотки с числом витков $N_1$ к источнику переменного напряжения $U_1$ в ней возникает переменный ток $I_1$.

2. Этот переменный ток создает в сердечнике переменный во времени магнитный поток $\Phi$.

3. Сердечник концентрирует этот магнитный поток так, что он пронизывает все витки как первичной, так и вторичной обмотки.

4. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, переменный магнитный поток индуцирует в каждой обмотке электродвижущую силу (ЭДС). Величина ЭДС, индуцируемой в обмотке, прямо пропорциональна числу витков в ней и скорости изменения магнитного потока.

Для идеального трансформатора (без потерь энергии) можно считать, что напряжения на обмотках равны индуцируемым в них ЭДС ($U \approx E$). Отношение напряжений на вторичной и первичной обмотках равно отношению чисел витков в этих обмотках: $$ \frac{U_2}{U_1} \approx \frac{E_2}{E_1} = \frac{N_2}{N_1} = k $$ Эта величина $k$ называется коэффициентом трансформации.

• Если число витков вторичной обмотки больше, чем первичной ($N_2 > N_1$), то напряжение на ней будет выше ($U_2 > U_1$). Такой трансформатор называется повышающим.
• Если число витков вторичной обмотки меньше, чем первичной ($N_2 < N_1$), то напряжение на ней будет ниже ($U_2 < U_1$). Такой трансформатор называется понижающим.

Мощность в идеальном трансформаторе сохраняется: $P_1 = P_2$, или $U_1 I_1 = U_2 I_2$. Из этого следует, что во сколько раз трансформатор повышает напряжение, во столько же раз он понижает силу тока, и наоборот.

Ответ: Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который индуцирует ЭДС во вторичной обмотке, изменяя напряжение пропорционально соотношению числа витков.

Применение трансформатора

Трансформаторы являются одним из важнейших элементов в системах производства, передачи и потребления электроэнергии, а также в электронике.

• Передача и распределение электроэнергии. Это основное применение. На электростанциях напряжение повышают до сотен тысяч вольт с помощью мощных повышающих трансформаторов. Передача энергии при высоком напряжении позволяет значительно уменьшить силу тока ($P=UI$) и, как следствие, снизить тепловые потери в проводах ($P_{потерь} = I^2R$). Перед подачей потребителям напряжение многократно понижается на подстанциях с помощью понижающих трансформаторов до стандартных бытовых (220/230 В) или промышленных (380 В) значений.
• Электроника и бытовая техника. Компактные понижающие трансформаторы являются неотъемлемой частью блоков питания практически всех электронных устройств (компьютеров, телевизоров, зарядных устройств), где они понижают сетевое напряжение до низких значений (например, 5 В, 12 В, 19 В), необходимых для работы электронных схем.
• Сварочные аппараты. Для электродуговой сварки используются специальные понижающие трансформаторы, которые преобразуют сетевое напряжение в очень низкое (десятки вольт), но обеспечивают при этом очень большой ток (сотни ампер), способный расплавить металл.
• Измерительная техника. Измерительные трансформаторы тока и напряжения служат для безопасного подключения измерительных приборов (амперметров, вольтметров) и устройств релейной защиты к высоковольтным цепям, понижая ток и напряжение до безопасных стандартных величин.
• Гальваническая развязка. Трансформаторы с коэффициентом трансформации $k=1$ ($N_1=N_2$) используются для электрической изоляции (гальванической развязки) оборудования от питающей сети с целью повышения электробезопасности, не изменяя при этом величину напряжения.

Ответ: Трансформаторы применяются для повышения/понижения напряжения при передаче электроэнергии, в блоках питания, в сварочной технике, для измерительных целей и для обеспечения электробезопасности путем гальванической развязки цепей.