Электродинамика

В современном мире трудно представить себе даже несколько минут без электричества. Многие жизненно важные приборы, а также бытовая техника потребляют электроэнергию. Проблема передачи электроэнергии на различные расстояния: от маленьких деревень до многомиллионных городов до сих пор остается актуальной. Как это осуществить с минимальными потерями и наиболее эффективно?

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал решения не только задач производства энергии, но также задачи передачи энергии на расстояние. С давних пор известно два способа передачи топлива для двигателей: транспортный и более экономичный – трубопроводный, применяемые до сих пор. Но самый эффективный способ – по проводам. Французский физик М. Депре построил первую линию электропередачи в 1880 г. Однако, и этот способ не позволяет избежать потерь, связанных с нагревом подводящих проводов.

При простейшем способе передачи, когда источник электроэнергии (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой, приведенной на Рис. 1

Рис.1

Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через Wн, а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов через Wп, получим для них выражения:

W_н = I²R_н

W_п = I²R_п

Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений.

Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из алюминия или меди и достаточно толстыми.

Уменьшить потери энергии в проводах по сравнению с энергией, которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, текущий в проводах, по сравнению с током, который течет в приборах потребителя. Сделать это позволяет трансформатор, принцип действия которого основан на взаимопреобразовании электрического и магнитного полей. Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Самый простой трансформатор — это сердечник из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали) и две намотанных на него обмотки (рис. 2). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I₁ в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I₂ = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

U₁ / U₂ ≈ N₁ / N_2, где

N₁ и N₂ — число витков в обмотках.

Отношение U₁ / U₂ называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U₁ < U₂, трансформатор называют повышающим, при U₁ > U₂ — понижающим (рис 2). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы. Поскольку КПД трансформатора близок к 100%, мощность в цепи первичной обмотки приблизительно равна мощности в цепи вторичной обмотки:

U₁I₁=U₂I₂

Следовательно, ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в цепи потребителя. Так как потери на нагрев проводов в линии электропередачи пропорциональны , уменьшение тока в проводах линии электропередачи позволяет уменьшить потери энергии.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим.

Рис 2. Повышающий трансформатор (k < 1)

Рис 3. Понижающий трансформатор (k > 1)

При U₂>>U₁, U₂>>U₃ и, соответственно, I₂<<I₁, I₂<<I₃ потери электроэнергии на нагрев проводов значительно уменьшаются.

Но и трансформаторы не идеальные устройства. Реальные трансформаторы, работающие в системе передачи электроэнергии достаточно сложны и внутри их помимо полезного, возникают и вредные токи, снижающие эффективность передачи.

Поэтому не прекращаются поиски усовершенствования выработки и передачи электроэнергии.

Рис.4 Устройство трансформатора

Рис.5. Сверхпроводники

Выводы:

• Передача энергии на расстояние в виде электроэнергии является в настоящее время наиболее удобным и дешевым способом передачи энергии.
• Использование трансформаторов и увеличение напряжения в проводах линий электропередачи, позволяет существенно снизить потери энергии при передаче электроэнергии.
• Ученые постоянно работают над проблемой сбережения энергии при ее передаче, например, использование сверхпроводников. Но многие проекты находятся еще на стадии разработки.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1: Подчеркните правильные ответы: «Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно __________. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из ________ или ее сплавов и достаточно_________».

Варианты ответов: больше, меньше, стали, меди, толстыми, тонкими.

Правильный вариант: Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из меди или ее сплавов и достаточно толстыми.

Задание 2: Решите кроссворд.

По горизонтали
2. статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты, называют....

3. обмотка, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока.

По вертикали
1.обмотка, которая служит источником питания для потребителя.

Правильный вариант: