Переменное напряжение можно преобразовывать - повышать или понижать.
Устройства, с помощью которых можно преобразовывать напряжение называются трансформаторами. Работа трансформаторов основана наявлении электромагнитной индукции.
Устройство трансформатора
Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, на который надеты две катушки .
Первичной обмоткой называется катушка, подключенная к источнику переменного напряжения U 1 .
Вторичной обмоткой называется катушка, которую можно подключать к приборам, потребляющим электрическую энергию .
Приборы, потребляющие электрическую энергию, выполняют роль нагрузки, и на них создается переменное напряжение U 2 .
Если U 1 > U 2 , то трансформатор называется понижающим, а еслиU 2 > U 1 - то повышающим.
Принцип работы
В первичной обмотке создается переменный ток, следовательно, в ней создается переменный магнитный поток. Этот поток замыкается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает каждый виток обеих обмоток. В каждом из витков обеих обмоток появляется одинаковая ЭДС индукции e i 0
Если n 1 и n 2 - число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно, то
ЭДС индукции в первичной обмотке e i 1 = n 1 * e i 0 ЭДС индукции во вторичной обмотке e i 2 = n 1 * e i 0
где e i 0 - ЭДС индукции, возникающая в одном витке вторичной и первичной катушки .
Передача электроэнергии
П
ередача
электрической энергии от электростанций
до больших городов или промышленных
центров на расстояния тысяч километров
является сложной научно-технической
проблемой.Потери энергии (мощности)
на нагревание проводов можно рассчитать
по формуле
Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется переменный ток частотой 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии
41. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Идеи теории Максвелла
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку законаэлектромагнитной индукции, открытого Фарадеем в 1831 г.:
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле .
Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:
Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые области пространства.
Вывод:
Существует особая форма материи – электромагнитное поле – которое состоит из порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей.
Электромагнитное поле характеризуется двумя векторными величинами – напряженностью Е вихревого электрического поля и индукцией В магнитного поля .
Процесс распространения изменяющихся вихревых электрического и магнитного полей в пространстве называется электромагнитной волной.
Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла)
Типы электростанций Тепловые (ТЭС) - 50 % Тепловые (ТЭС) - 50 % Гидроэлектростанции (ГЭС) % Гидроэлектростанции (ГЭС) % Атомные (АЭС) - 15 % Атомные (АЭС) - 15 % Альтернативные источники Альтернативные источники энергии- 2 – 5 % (солнечная энергия, энергия термоядерного синтеза, приливная энергетика, ветроэнергетика) энергии- 2 – 5 % (солнечная энергия, энергия термоядерного синтеза, приливная энергетика, ветроэнергетика)
Генератор электрического тока Генератор преобразует механическую энергию в электрическую Генератор преобразует механическую энергию в электрическую Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции
Рамка с током – основной элемент генератора Вращающаяся часть называется РОТОРОМ (магнит). Вращающаяся часть называется РОТОРОМ (магнит). Неподвижная часть называется СТАТОРОМ (рамка) Неподвижная часть называется СТАТОРОМ (рамка) При вращении рамки, пронизывающий рамку, магнитный поток изменяется во времени, вследствие чего в рамке возникает индукционный ток
Передача электроэнергии Для передачи электроэнергии потребителям используют линии электропередач (ЛЭП). При передаче электроэнергии на расстояние происходят её потери за счёт нагревания проводов (закон Джоуля - Ленца). Способы уменьшения тепловых потерь: 1) Уменьшение сопротивления проводов, но увеличение их диаметра (тяжелы – трудно подвешивать, и дорогостоящи – медь). 2) Уменьшение силы тока путём повышения напряжения.
Влияние тепловых электростанций на окружающую среду ТЭС – приводят к тепловому загрязнению воздуха продуктами сгорания топлива. ГЭС – приводят к затопления огромных территорий, которые выводятся из землепользования. АЭС - может привести к выбросу радиоактивных веществ.
Основные этапы производства, передачи и потребления электроэнергии 1.Механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов на электростанциях. 1.Механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов на электростанциях. 2. Электрическое напряжение повышают для передачи электроэнергии на большие расстояния. 2. Электрическое напряжение повышают для передачи электроэнергии на большие расстояния. 3. Электроэнергию передают под высоким напряжением по высоковольтным линиям электропередач. 3. Электроэнергию передают под высоким напряжением по высоковольтным линиям электропередач. 4. При распределении электроэнергии потребителям электрическое напряжение понижают. 4. При распределении электроэнергии потребителям электрическое напряжение понижают. 5. При потреблении электроэнергии её преобразуют в другие виды энергии – механическую, световую или внутреннюю. 5. При потреблении электроэнергии её преобразуют в другие виды энергии – механическую, световую или внутреннюю.
по физике
на тему«Производство, передача и использование электроэнергии»
ученицы 11класса А
МОУ школы № 85
Екатерины.
План реферата.
Введение.
1. Производствоэлектроэнергии.
1. типыэлектростанций.
2. альтернативныеисточники энергии.
2. Передачаэлектроэнергии.
трансформаторы.
3. Использованиеэлектроэнергии.
Введение.
Рождение энергетикипроизошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использоватьогонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма,оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником вземледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.
Прекрасный миф о Прометее,даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, какво многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения согнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованиемтоплива.
На протяжении многихлет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины,кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаруженавозможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменныйуголь, нефть, сланцы, торф.
На сегодняшний деньэнергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможностьсоздавать различные материалы, является одним из главных факторов приразработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видовэнергии человек не способен полноценно существовать.
Производствоэлектроэнергии.
Типыэлектростанций.
Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическуюэнергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся присжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 века и получилипреимущественное распространение. В середине 70-х годов 20 века ТЭС - основнойвид электрической станций.
На тепловыхэлектростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала вмеханическую, а затем в электрическую. Топливомдля такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.
Тепловыеэлектрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС),предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды ипара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районныхэлектростанций (ГРЭС).
Простейшаяпринципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рисунке. Угольподается в топливный бункер 1, а из него - в дробильную установку 2, гдепревращается в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (паровогокотла) 3, имеющего систему трубок, в которых циркулирует химически очищеннаявода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, аобразовавшийся насыщенный пар доводится до температуры 400-650 °С и под давлением3-24 МПа поступает по паропроводу в паровую турбину 4. Параметры пара зависятот мощности агрегатов.
Тепловые конденсационныеэлектростанции имеют невысокий кпд (30- 40%), так как большая часть энергиитеряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. СооружатьКЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этомпотребители электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии отстанции.
Теплоэлектроцентраль отличается от конденсационной станции установленной на ней специальнойтеплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затемпоступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление,отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения.Конденсат насосом 7 через деаэратор 8 и далее питательным насосом 9 подается впарогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприятийв тепловой энергии.
Коэффициент полезногодействия ТЭЦ достигает 60-70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей- промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают напривозном топливе.
Значительно меньшеераспространение получили тепловые станции с газотурбинными (ГТЭС), парогазовыми (ПГЭС) и дизельными установками.
Вкамере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания стемпературой 750-900 ºС поступают в газовую турбину, вращающуюэлектрогенератор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - донескольких сотен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиковэлектрической нагрузки. Кпд ПГЭС может достигать 42 - 43%.
Наиболее экономичными являютсякрупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно ТЭС). БольшинствоТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котлесвыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическаяэнергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валомгенератора.
Современные паровые турбины для ТЭС - весьма совершенные,быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность водновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не являетсяпределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обычнонесколько десятков дисков с рабочими лопатками и такое же количество, передкаждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление итемпература пара постепенно снижаются.
Из курса физики известно,что КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температурырабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров:температуру - почти до 550 °С и давление - до 25 МПа. Коэффициент полезногодействия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячимотработанным паром.
Гидроэлектрическаястанция (ГЭС), комплекссооружений и оборудования, посредством которых энергия потока водыпреобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехническихсооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и созданиенапора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся поднапором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь,преобразуется в электрическую энергию.
НапорГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либодеривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Основноеэнергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном залеэлектростанции - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления- пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри зданияГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительныеустройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС можетбыть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательнымоборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутринего создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различногооборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.
Поустановленной мощности (в МВт) различают ГЭС мощные (св. 250), средние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровнейверхнего и нижнего бьефа), расхода воды, используемого в гидротурбинах,и кпд гидроагрегата. По ряду причин (вследствие, например, сезонных измененийуровня воды в водоёмах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонтагидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход водынепрерывно меняются, а, кроме того, меняется расход при регулировании мощностиГЭС. Различают годичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС.
Помаксимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, вгорных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м иболее, а с помощью деривации - до 1500 м. Подразделение ГЭС поиспользуемому напору имеет приблизительный, условный характер.
Посхеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычноподразделяют на русловые , приплотинные , деривационные снапорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные .
Врусловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающейреку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некотороезатопление долины реки. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинныхмноговодных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах. Для русловых ГЭСхарактерны напоры до 30-40 м.
Приболее высоких напорах оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭСгидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, аздание ГЭС располагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу.
Другойвид компоновки приплотинная ГЭС соответствует горным условиям присравнительно малых расходах реки.
Вдеривационных ГЭС концентрация падения реки создаётся посредствомдеривации; вода в начале используемого участка реки отводится из речного руславодоводом, с уклоном, значительно меньшим, чем средний уклон реки на этомучастке и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят кместу расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку,либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когдауклон реки велик.
Особоеместо среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливныеэлектростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности впиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяетгенераторную мощность, требующуюся для покрытия пиковых нагрузок. СпособностьГАЭС аккумулировать энергию основана на том, что свободная вэнергосистеме в некоторый период времени электрическая энергияиспользуется агрегатами ГАЭС, которые, работая в режиме насоса, нагнетают водуиз водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн. В период пиков нагрузкиаккумулированная энергия возвращается в энергосистему (вода из верхнего бассейнапоступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режимегенератора тока).
ПЭСпреобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнергия приливныхГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным характером приливови отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливныхэлектростанций в течение суток или месяцев.
Важнейшаяособенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению стопливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость.Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимостьвырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря назначительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощностии продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большоезначение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.
Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется вэлектрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло,которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядернекоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловыхэлектростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС,работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (воснове 233U, 235U, 239Pu).Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран,плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасоворганического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открываетширокие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе.Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля инефти для технологических целей мировой химической промышленности, котораястановится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытиеновых месторождений органического топлива и совершенствование способов егодобычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению егостоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченныезапасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшегоразвития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место вэнергетическом балансе ряда промышленных стран мира.
Принципиальнаясхема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис. 2.Тепло, выделяемое в активной зоне реактора теплоносителем, вбираетсяводой 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционнымнасосом.Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник(парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-гоконтура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар,который затем поступает в турбину 4.
Наиболеечасто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:
1)водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;
2)графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;
3)тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;
4)граффито - газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.
Выборпреимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом накопленнымопытом в реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования,сырьевых запасов и т. д.
Креактору и обслуживающим его системам относятся: собственно реактор сбиологическойзащитой, теплообменники, насосы или газодувныеустановки, осуществляющие циркуляцию теплоносителя, трубопроводы и арматурациркуляции контура, устройства для перезагрузки ядерного горючего, системыспециальной вентиляции, аварийного расхолаживания и др.
Дляпредохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружаютбиологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода,серпантиновый песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностьюгерметичным. Предусматривается система контроля мест возможной утечкитеплоносителя, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контуране приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружающейместности. Радиоактивный воздух и небольшое количество паров теплоносителя,обусловленное наличием протечек из контура, удаляют из необслуживаемыхпомещений АЭС специальной системой вентиляции, в которой для исключениявозможности загрязнения атмосферы предусмотрены очистные фильтры игазгольдеры выдержки. За выполнением правил радиационной безопасностиперсоналом АЭС следит служба дозиметрического контроля.
Наличие биологической защиты, систем специальной вентиляции и аварийного расхолаживанияи службы дозиметрического контроля позволяет полностью обезопаситьобслуживающий персонал АЭС от вредных воздействий радиоактивного облучения.
АЭС, являющиесянаиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществперед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционированияони абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источникусырья и соответственно могут быть размещены практически везде. Новыеэнергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однакокоэффициент использования установленной мощности на АЭС (80%) значительнопревышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.
Значительныхнедостатков АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют.Однако нельзя не заметить опасность АЭС при возможных форс-мажорныхобстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь старые моделиэнергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражениятерриторий из-за неконтролируемого перегрева реактора.
Альтернативныеисточники энергии.
Энергия солнца.
В последнее времяинтерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, ведь потенциальныевозможности энергетики, основанной на использование непосредственногосолнечного излучения, чрезвычайно велики.
Простейшийколлектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический(как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы сциркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования.
Солнечнаяэнергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсахдля добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовлениягелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.
Покаеще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, чтоэксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогутрешить не только технические, но и экономические проблемы.
Ветроваяэнергия.
Огромнаэнергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто разпревышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земледуют ветры. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику наогромной территории.
Нов наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячнуюмировых потребностей в энергии. Потому к созданию конструкцийветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаютсяспециалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профильлопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеровсозданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Энергия Земли.
Издавналюди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрахземного шара. Память человечества хранит предания о катастрофическихизвержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемоизменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительнонебольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самыхкрупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить неприходится, нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию.
Энергия Земли пригодна не только для отопленияпомещений, как это происходит в Исландии, но и для получения электроэнергии.Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 годув небольшом итальянском городке Лардерелло. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовалисьновые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла ужевнушительной величины-360 тысяч киловатт.
Передачаэлектроэнергии.
Трансформаторы.
Вы приобрелихолодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан нанапряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходноеположение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобреститрансформатор.
Трансформатор - очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижатьнапряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощьютрансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русскимученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей» -нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развитасотрудником Московского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшимусовершенствованные трансформаторы.
Трансформатор состоитиз замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более)катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной,подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которойприсоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющиеэлектроэнергию, называется вторичной.
Рис.1 Рис.2
Схема устройстватрансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2, а принятое для негоусловное обозначение - на рис. 3.
Действиетрансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождениипеременного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляетсяпеременный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке.Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадеяопределяется формулой:
е = - Δ Ф/ Δ t
ЕслиФ = Ф0соsωt,то
е = ω Ф0 sin ω t , или
е = E sin ω t ,
гдеE =ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.
В первичной обмотке,имеющей п1 витков, полная ЭДС индукции e 1 равна п1е.
Во вторичной обмоткеполная ЭДС. е2 равна п2е, где п2 - число витков этой обмотки.
Отсюда следует, что
e 1 е2 = п1п2 . (1)
Сумманапряжения u 1 , приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e 1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:
u 1 + e 1 = i 1 R 1 , где R 1 - активное сопротивление обмотки, а i 1 - сила тока в ней. Данное уравнение непосредственновытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало ичленом i 1 R 1 можно пренебречь. Поэтому
u 1 ≈ -e 1 . (2)
При разомкнутойвторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:
u 2 ≈ - e 2 . (3)
Таккак мгновенные значения ЭДС e 1 иe 2 изменяютсясинфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующихзначений E 1 и E 2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значенийнапряжений U1 и U2 .
U1 /U2 = E 1 / E 2 = n 1 / n 2 = k . (4)
Величинаk называется коэффициентом трансформации. Если k >1, то трансформатор является понижающим, при k <1 - повышающим.
При замыкании цепивторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u 2 ≈ - e 2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и U2 становитсяболее сложной, чем в уравнении (4).
Согласно законусохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности вовторичной цепи:
U1 I 1 = U2 I 2, (5)
где I 1 иI 2 -действующие значения силы в первичной и вторичной обмотках.
Отсюда следует, что
U1 /U2 = I 1 / I 2 . (6)
Этоозначает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мыво столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
Вследствие неизбежныхпотерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения(5) и (6) выполняются приближенно. Однако в современных мощных трансформаторахсуммарные потери не превышают 2-3%.
В житейской практикечасто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов,которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборырассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, - кромених приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина - это повышающийтрансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокоенапряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительнопревратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя.Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагреваниетрансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.
Для сварочныхаппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильныетоки, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.
Вы, наверное,обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиковстали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразованиинапряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем всплошном.
Дома вы имеете дело смаленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то онипредставляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмоткамипомещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.
Передачаэлектроэнергии
Потребителиэлектроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногихместах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимостьпередачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.
Но передачаэлектроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том,что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с закономДжоуля - Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяетсяформулой
где R - сопротивление линии. При большой длине линии передачаэнергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерьможно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления Rлинии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но дляуменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода такжев 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящегоцветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов навысоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем:уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшаетколичество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тотже эффект, что и от стократного утяжеления провода.
Так как мощность токапропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохраненияпередаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чемдлиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение.Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС - Москваиспользуют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят нанапряжения, не превышающие 16-20 кв., так как более высокое напряжениепотребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток идругих частей генераторов.
Поэтому на крупныхэлектростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличиваетнапряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потеримощности при этом невелики.
Для непосредственногоиспользования электроэнергии в двигателях электропривода станков, восветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужнопонизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычнопонижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит внесколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, атерритория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Схема передачи ираспределения электроэнергии приведена на рисунке.
Электрические станцииряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общуюэлектросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называетсяэнергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергиипотребителям не зависимо от их месторасположения.
Использованиеэлектроэнергии.
Использованиеэлектроэнергетики в различных областях науки.
ХХ век стал веком,когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику,культуру, образование и т.д. Естественно, что наука непосредственно влияет наразвитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны наукаспособствует расширению сферы применения электрической энергии и тем самымувеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченноеиспользование невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность длябудущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработкиэнергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.
Рассмотрим этивопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего валовогопродукта) развитых стран достигается за счет технических инноваций, основнаячасть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое впромышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новымразработкам в различных отраслях науки.
Большая часть научныхразработок начинается с теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчетыпроизводились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-техническойреволюции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и дажелингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ(электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии,наиболее удобной для передачи ее на расстояние и использования. Но еслипервоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из наукикомпьютеры пришли в жизнь.
Сейчас онииспользуются во всех сферах деятельности человека: для записи и храненияинформации, создания архивов, подготовки и редактирования текстов, выполнениячертежных и графических работ, автоматизации производства и сельскогохозяйства. Электронизация и автоматизация производства - важнейшие последствия«второй промышленной» или «микроэлектронной» революции вэкономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитиекомплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался послеизобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логическогоустройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой.
Микропроцессорыускорили рост робототехники. Большинство применяемых ныне роботов относится ктак называемому первому поколению, и применяются при сварке, резании,прессовке, нанесении покрытий и т.д. Приходящие им на смену роботы второгопоколения оборудованы устройствами для распознавания окружающей среды. Ароботы-«интеллектуалы» третьего поколения будут «видеть»,«чувствовать», «слышать». Ученые и инженеры среди наиболееприоритетных сфер применения роботов называют атомную энергетику, освоениекосмического пространства, транспорта, торговлю, складское хозяйство,медицинское обслуживание, переработку отходов, освоение богатств океаническогодна. Основная часть роботов работают на электрической энергии, но увеличениепотребления электроэнергии роботами компенсируется снижением энергозатрат вомногих энергоемких производственных процессах за счет внедрения болеерациональных методов и новых энергосберегающих технологических процессов.
Но вернемся к науке.Все новые теоретические разработки после расчетов на ЭВМ проверяютсяэкспериментально. И, как правило, на этом этапе исследования проводятся спомощью физических измерений, химических анализов и т.д. Здесь инструментынаучных исследований многообразны - многочисленные измерительные приборы,ускорители, электронные микроскопы, магниторезонансные томографы и т.д.Основная часть этих инструментов экспериментальной науки работают наэлектрической энергии.
Очень бурноразвивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связьиспользуется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, напримерволоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии впроцессе передачи сигналов на большие расстояния.
Не обошла наука исферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной инепроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль вповышении их эффективности начинает играть управление. Из своего родаискусства, еще недавно основывавшегося на опыте и интуиции, управление в нашидни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах получения,хранения, передачи и переработки информации называется кибернетикой. Этоттермин происходит от греческих слов «рулевой», «кормчий».Он встречается в трудах древнегреческих философов. Однако новое рождение егопроизошло фактически в 1948 году, после выхода книги американского ученогоНорберта Винера «Кибернетика».
До начала«кибернетической» революции существовала только бумажная Информатика,основным средством восприятия которой оставался человеческий мозг, и которая неиспользовала электроэнергию. «Кибернетическая» революция породилапринципиально иную - машинную информатику, соответствующую гигантски возросшимпотокам информации, источником энергии для которой служит электроэнергия.Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления,обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационнуюструктуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления),информационные банки данных, автоматизированные информационные базы,вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфныеаппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой искоростной волокнисто-оптической связи - все это неограниченно расширило сферуиспользования электроэнергии.
Многие ученыесчитают, что в данном случае речь идет о новой «информационной»цивилизации, приходящей на смену традиционной организации обществаиндустриального типа. Такая специализация характеризуется следующими важными признаками:
· широкимраспространением информационной технологии в материальном и нематериальномпроизводстве, в области науки, образования, здравоохранения и т.д.;
· наличиемширокой сети различных банков данных, в том числе общественного пользования;
· превращениеинформации в один из важнейших факторов экономического, национального и личногоразвития;
· свободнойциркуляцией информации в обществе.
Такой переход отиндустриального общества к «информационной цивилизации» стал возможенво многом благодаря развитию энергетики и обеспечению удобным в передаче иприменении видом энергии - электрической энергией.
Электроэнергияв производстве.
Современное обществоневозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже вконце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии в мире осуществлялось ввиде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличитьсядо 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом еепотребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работаетна электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно длятаких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительнаяпромышленность.
Электроэнергияв быту.
Электроэнергия в бытунеотъемлемый помощник. Каждый день мы имеем с ней дело, и, наверное, уже непредставляем свою жизнь без нее. Вспомните, когда последний раз вам отключалисвет, то есть в ваш дом не поступала электроэнергия, вспомните, как выругались, что ничего не успеваете и вам нужен свет, вам нужен телевизор, чайники куча других электроприборов. Ведь если нас обесточить навсегда, то мы простовернемся в те давние времена, когда еду готовили на костре и жили в холодныхвигвамах.
Значимостиэлектроэнергии в нашей жизни можно посветить целую поэму, настолько она важна внашей жизни и настолько мы привыкли к ней. Хотя мы уже и не замечаем, что онапоступает к нам в дома, но когда ее отключают, становится очень не комфортно.
Ценитеэлектроэнергию!
Списокиспользуемой литературы.
1. УчебникС.В.Громова «Физика, 10 класс». Москва: Просвещение.
2. Энциклопедическийсловарь юного физика. Состав. В.А. Чуянов, Москва: Педагогика.
3. ЭллионЛ., Уилконс У… Физика. Москва: Наука.
4. КолтунМ. Мир физики. Москва.
5. Источникиэнергии. Факты, проблемы, решения. Москва: Наука и техника.
6. Нетрадиционныеисточники энергии. Москва: Знание.
7. ЮдасинЛ.С… Энергетика: проблемы и надежды. Москва: Просвещение.
8. ПодгорныйА.Н. Водородная энергетика. Москва: Наука.
Видеоурок 2:
Задачи на переменный ток
Лекция: Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии
Переменный токПеременный ток - это колебания, которые могут происходить в цепи в результате подключения её к источнику переменного напряжения.
Всех нас окружает именно переменный ток - он имеется во всех цепях в квартирах, передача по проводам происходит именно тока переменного напряжения. Однако, практически все электроприборы работают от постоянно электричества. Именно поэтому на выходе из розетки ток выпрямляется и в виде постоянного переходит к бытовой технике.
Именно переменный ток проще всего получить и передать на любое расстояние.
При изучении переменного тока мы воспользуемся цепью, в которую будем подключать резистор, катушку и конденсатор. В данной цепи напряжение определяется по закону :
Как мы знаем, синус может быть отрицательным и положительным. Именно поэтому значение напряжения может принимать различное направление. При положительном направлении течения тока (против часовой стрелки) напряжение больше нуля, при отрицательном направлении - меньше нуля.
Резистор в цепи
Итак, давайте рассмотрим случай, когда в цепь с переменным током подключен только резистор. Сопротивление резистора называется активным. Будем рассматривать ток, который течет по цепи против часовой стрелки. В таком случае и ток, и напряжение будут иметь положительное значение.
Для определения силы тока в цепи используют следующую формулу из закона Ома :
В этих формулах I 0 и U 0 - максимальные значения тока и напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что максимальное значение тока равно отношению максимального напряжения к активному сопротивлению:
Эти две величины изменяются в одинаковой фазе, поэтому графики величин имеют одинаковый вид, но разные амплитуды.
Конденсатор в цепи
Запомните! Невозможно получить постоянный ток в той цепи, где есть конденсатор. Он является местом для разрыва протекания тока и изменение его амплитуды. При этом переменный ток отлично течет по такой цепи, изменяя полярность конденсатора.
При рассматривании такой цепи будем предполагать, что в ней имеется исключительно конденсатор. Ток течет против часовой стрелки, то есть является положительным.
Как нам уже известно, напряжение на конденсаторе связано с его возможностью накопления заряда, то есть его величиной и ёмкостью.
Так как ток является первой производной от заряда, то можно определить, по какой формуле его можно вычислить, найдя производную с последней формулы:
Как можно заметить, в данном случае сила тока описывается законом косинуса в то время, как значение напряжения и заряда можно описать законом синуса. Это значит, что функции находятся в противоположной фазе и имеют аналогичный вид на графике.
Все мы знаем, что функции косинуса и синуса одинакового аргумента отличаются на 90 градусов друг от друга, поэтому можно получить следующие выражения:
Отсюда максимальное значение силы тока можно определить по формуле:
Величина в знаменателе - это и есть сопротивление на конденсаторе. Данное сопротивление называется емкостным. Находится и обозначается оно следующим образом:
При увеличении емкостного сопротивления, амплитудное значение тока падает.
Обратите внимание, в данной цепи использование закона Ома уместно только в том случае, когда необходимо определить максимальное значение тока, определить ток в любой момент времени по данному закону нельзя из-за разности фаз напряжения и силы тока.
Катушка в цепи
Рассмотрим цепь, в которой имеется катушка. Представим, что она не имеет активного сопротивления. В таком случае, казалось бы, ничего не должно препятствовать движению тока. Однако это не так. Все дело в том, что при прохождении тока через катушку начинает возникать вихревое поле, которое препятствует прохождению тока в результате образования тока самоиндукции.
Сила тока принимает следующее значение:
Снова можно заметить, что ток изменяется по закону косинуса, поэтому для данной цепи справедлив сдвиг фаз, который можно заметить и на графике:
Отсюда максимальное значение тока:
В знаменателе можем увидеть формулу, по которой определяется индуктивное сопротивление цепи.
Чем больше индуктивное сопротивление, тем меньшее значение имеет амплитуда тока.
Катушка, сопротивление и конденсатор в цепи.
Если в цепи одновременно присутствуют все виды сопротивлений, то определить значение величины тока можно следующим образом, преобразив закон Ома :
Знаменатель называется полным сопротивлением. Он состоит из суммы квадратов активного (R) и реактивного сопротивления, состоящего из емкостного и индуктивного. Полное сопротивление носит название "Импеданс".
Электроэнергия
Нельзя представить современную жизнь без использования электрических приборов, которые работают за счет энергии, которую происходит электрический ток. Весь технический прогресс основывается на электричестве.
Получение энергии из электрического тока имеет огромный ряд преимуществ:
1. Электрический ток достаточно просто производится, поскольку во всем мире существуют миллиарды электростанций, генераторов и прочих приспособлений для образования электроэнергии.
2. Передать электроэнергию можно на огромные расстояния за короткие сроки и без значительных потерь.
3. Имеется возможность преобразовывать электрическую энергию в механическую, световую, внутреннюю и другие виды.
| | |
В наше время уровень производства и потребления энергии — один из важнейших показателей развития производственных сил общества. Ведущую роль при этом играет электроэнергия — самая универсальная и удобная для использования форма энергии. Если потребление энергии в мире увеличивается в 2 раза примерно за 25 лет, то увеличение потребления электроэнергии в 2 раза происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что все больше и больше процессов, связанных с расходованием энергоресурсов, переводится на электроэнергию.
Производство электроэнергии. Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существует два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические. Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.
На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Наиболее экономичны крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно: ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны использует в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт. ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.
Из курса физики 10 класса известно, что КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением температуры нагревателя и соответственно начальной температуры рабочего тела (пара, газа). Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40% . Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.
Тепловые электростанции — так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) — позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд (для отопления и горячего водоснабжения). В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%. В настоящее время в России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией и теплом сотни городов.
На гидроэлектростанциях (ГЭС) для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность такой станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напор) и от массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду (расход воды).
Значительную роль в энергетике играют атомные электростанции (АЭС). В настоящее время АЭС в России дают около 10% электроэнергии.
Основные типы электростанций
Тепловые электростанции строятся быстро, дёшево, но много вредных выбросов в окружающую среду и природные запасы энергоресурсов ограничены.
Гидроэлектростанции строятся дольше, дороже; себестоимость электроэнергии минимальна, но происходит затопление плодородных земель и строительство возможно только в определённых местах.
Атомные электростанции строятся долго, дорого, но электроэнергия дешевле чем на ТЭС, вредное воздействие на окружающую среду не значительное (при правильной эксплуатации), но требует захоронения радиоактивных отходов.
Использование электроэнергии
Главным потребителем электроэнергии является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводится на электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от электростанций для производственных и бытовых нужд. О применении электроэнергии для освещения жилищ и в бытовых электроприборах знает каждый.
Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию. Почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями. Они удобны, компактны, допускают возможность автоматизации производства.
Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.).
Современная цивилизация немыслима без широкого использования электроэнергии. Нарушение снабжения электроэнергией большого города и даже маленьких сёл при аварии парализует их жизнь.
Передача электроэнергии
Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.
Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой Q= I2Rt где R — сопротивление линии.
При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно. Приходится уменьшать силу тока.
Поэтому на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.
Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва и некоторых других используют напряжение 500 кВ. Между тем генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие 16—20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.
Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Общая схема передачи энергии и ее распределения показана на рисунке.
Обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока осуществляются в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — все шире.
При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.
Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность сгладить пиковые нагрузки потребления энергии в утренние и вечерние часы. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся территория нашей страны обеспечивается электроэнергией объединенными энергетическими системами. Действует Единая энергетическая система европейской части страны.