Физика › 8 класс › Электромагнитные явления

Тема 61Передача электрической энергии

★★★

Термины темы — найди их в тексте:Трансформаторлиниям электропередачисопротивлениесилу токав квадратеповысить напряжениепервичнойвторичнуюповышающийпонижающийПовышающаяпонижающие

Электростанции обычно далеко от городов и заводов. Энергию к потребителям передают по линиям электропередачи (ЛЭП).

Карта крупных электростанций и линий электропередачи России Иллюстрация: light-fizika.ru

Потери в проводах

Провода ЛЭП нагреваются током, и часть энергии теряется:

Q=I^2Rt

Уменьшить потери можно двумя способами:

уменьшить сопротивление проводов — их и так делают из меди и алюминия, а сделать толще дорого;
уменьшить силу тока. Это намного выгоднее: ток в формуле в квадрате.

Чтобы при меньшем токе передать ту же мощность $P=UI$ , нужно во столько же раз повысить напряжение. Ток уменьшился в 10 раз — потери уменьшились в 100 раз.

Высоковольтная линия электропередачи Иллюстрация: light-fizika.ru

Трансформатор

Определение

Трансформатор — устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Состоит из стального сердечника и двух обмоток с разным числом витков.

Устройство трансформатора: первичная и вторичная обмотки на общем сердечнике Иллюстрация: light-fizika.ru

Переменный ток в первичной обмотке создаёт в сердечнике переменный магнитный поток. Он пронизывает вторичную обмотку, и в ней по закону электромагнитной индукции возникает переменное напряжение.

Закон

\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}

Если $N_2>N_1$ — трансформатор повышающий, если $N_2<N_1$ — понижающий.

Повышающий и понижающий трансформаторы Иллюстрация: light-fizika.ru

Путь энергии от электростанции до розетки

Генератор даёт напряжение до 25 кВ. Повышающая подстанция поднимает его до сотен киловольт (обычно до 750 кВ), и по ЛЭП энергия идёт на большие расстояния. Затем понижающие подстанции снижают напряжение ступенями — до 380 В для предприятий и 220 В для квартир.

Электростанция → повышающий трансформатор → ЛЭП → понижающие трансформаторы → потребитель Иллюстрация: light-fizika.ru

Запомни

Трансформатор работает только на переменном токе: постоянный ток не создаёт меняющегося магнитного потока, и индукции во вторичной обмотке нет.

Образ для запоминания

Энергию по проводам выгодно «везти» высоким напряжением и маленьким током: потери $\sim I^2$ . Повысили напряжение в 10 раз — потери упали в 100 раз. У города трансформатор снова «разменивает» высокое напряжение на безопасные 220 В.

⚗ Мини-опыт

Передайте потребителю 100 кВт по линии сопротивлением 10 Ом. Меняйте напряжение передачи и следите за потерями в проводах. Какая доля энергии теряется при 1 кВ, а какая при 100 кВ?

▶ Симуляция PhET

На вкладке «Трансформатор» подайте переменный ток на первую катушку и поднесите к ней вторую. Меняйте число витков второй катушки — как меняется яркость лампы?

Электромагнитная лаборатория ФарадеяОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Почему электроэнергию передают по ЛЭП при высоком напряжении?

Q=I^2Rt

, а

I=P/U

2Как изменятся потери в проводах, если напряжение передачи повысить в 10 раз при той же мощности?

Ток уменьшится в 10 раз, а потери пропорциональны квадрату тока.

3Во вторичной обмотке трансформатора витков меньше, чем в первичной. Какой это трансформатор?

U_2<U_1

, если

N_2<N_1

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

Почему ток передают по ЛЭП при высоком напряжении?
Ответ
Ток меньше — меньше потери энергии на нагрев проводов.
Как получилось?
Напряжение передачи повысили в 10 раз при той же мощности. Во сколько раз уменьшились потери?
Ответ
В 100 раз.
Как получилось?
В первичной обмотке 100 витков, во вторичной 1000, первичное напряжение 220 В. Найдите вторичное напряжение.
Ответ
$U_2=220\cdot\dfrac{1000}{100}=2200$ В — повышающий трансформатор.
Как получилось?
В первичной обмотке 2000 витков, во вторичной 100, первичное напряжение 220 В. Найдите вторичное напряжение.
Ответ
$U_2=220\cdot\dfrac{100}{2000}=11$ В.
Как получилось?
Какой трансформатор стоит на подстанции у жилых домов?
Ответ
Понижающий.
Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

По ЛЭП сопротивлением 5 Ом передают 100 кВт при напряжении 10 кВ. Найдите потери мощности в проводах. Каковы они при напряжении 1 кВ?
Ответ
При 10 кВ: $I=10$ А, $P_{\text{пот}}=I^2R=500$ Вт. При 1 кВ: $I=100$ А, $P_{\text{пот}}=50\,000$ Вт — половина передаваемой мощности!
Как получилось?
Трансформатор понижает напряжение с 6 кВ до 220 В. Во вторичной обмотке 110 витков. Сколько витков в первичной?
Ответ
$N_1=N_2\cdot\dfrac{U_1}{U_2}=110\cdot\dfrac{6000}{220}=3000$ .
Как получилось?
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
Ответ
Постоянный ток создаёт постоянный магнитный поток, а индукционный ток возникает только при изменении потока.
Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Трансформатор

\dfrac{U_1}{U_2}=\dfrac{N_1}{N_2}

; работает только на переменном токе.

Потери в ЛЭП

Q=I^2Rt

— уменьшают, снижая ток и повышая напряжение.

Напряжения в цепочке передачи

Генератор до 25 кВ → ЛЭП сотни кВ → потребитель 380/220 В.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.