Виробництво, передання й використання енергії електричного струму

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Електромагнітне поле

УРОК 9/21

Тема. Виробництво, передання й використання енергії електричного струму

Мета уроку: ознайомити учнів з одним з основних напрямків науково-технічного прогресу – розвитком енергетики.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Основні етапи виробництва, передання й споживання електроенергії

1) Механічну енергію перетворюють в електричну за допомогою генераторів на

2) електричну напругу підвищують для передання електроенергії на більші відстані;

3) електроенергію передають під високою напругою по високовольтних лініях електропередач;

4) під час розподілу електроенергії споживачам електричну напругу знижують;

5) під час споживання електроенергії її перетворюють в інші види енергії – механічну, світлову або внутрішню.

2. Виробництво електроенергії

Електроенергію виробляють в основному на електростанціях трьох типів:

1) теплових електростанціях (більше 50 %);

2) гідроелектростанціях (20-25 %);

3) атомних електростанціях (15 %).

O На електростанціях механічну енергію перетворюють в електричну за допомогою індукційних генераторів, у яких використовують явище електромагнітної індукції.

Механічною енергією на гідроелектростанціях є кінетична енергія води, що падає. Механічну енергію одержують із внутрішньої енергії за допомогою теплових двигунів (зазвичай парових турбін). На теплових електростанціях внутрішня енергія виділяється під час спалювання нафти, вугілля або газу, а на атомних – у результаті поділу атомних ядер радіоактивних речовин (переважно урану).

3. Передання електроенергії

На електростанціях електрична енергія виробляється під напругою в десятки тисяч вольт. Потім для зменшення втрат під час передання на більші відстані напругу підвищують у десятки разів – до сотень тисяч вольт. Розподіляючи електроенергію по споживачах, напругу задля безпеки знижують у тисячі разів (до 220 В у житлових приміщеннях). Для підвищення й зниження напруги використовують трансформатори, дію яких засновано на явищі електромагнітної індукції.

O Головна причина втрат під час передання енергії – це нагрівання проводів, тобто перетворення електричної енергії у внутрішню: через те що опір проводів не дорівнює нулю, що йде уздовж проводів, енергія електричних і магнітних полів частково “утікає” у проводи, спричиняючи їх нагрівання.

Як зменшити ці втрати?

Закон Джоуля-Ленца стверджує, що в провіднику під час проходження струму виділяється кількість теплоти Q, прямо пропорційна квадрату сили струму І, опору провідника R й часу проходження струму t: Q = I2Rt. Тому для того, аби зменшити нагрівання проводів даного опору, треба зменшити силу струму в проводах.

Однак для збереження тієї ж переданої потужності зменшення сили струму в декілька разів повинне супроводжуватися збільшенням напруги в таку саму кількість разів, тому що потужність, передана споживачеві, дорівнює добутку UI, де U – напруга, під якою передана електроенергія. У високовольтних лініях електропередач напруга становить сотні тисяч вольт – у тисячі разів більше, ніж у проводах, що розміщено усередині квартир (серединно-квартирна проводка зазвичай має напругу 220 В).

Хоча висока напруга й має описані вище більші переваги, але в неї є й величезний недолік: вона небезпечна для життя. Тому, перш ніж передати її споживачеві, напругу в кілька етапів знижують у тисячі разів – до сотень вольтів.

Однак і після цього зниження напруги в домашній проводці, що дорівнює зазвичай 220 В, все-таки є небезпечним: ураження електричним струмом може спричинити навіть напруга в 30 В. Струм усередині тіла людини йде переважно нервовими сітками, порушуючи їхню роботу, а також керовану ними роботу серця й дихання. Струм силою 0,025 А спричиняє нетривалий параліч (це приблизно струм у настільній лампі), а струм силою 0,1 А є смертельним.

4. Трансформатори

Електричний струм ніколи не здобув би такого широкого застосування, якби його не можна було перетворити майже без втрат енергії. Перетворення змінного струму, за якого напруга збільшується або зменшується в кілька разів практично без втрати потужності, здійснюється за допомогою трансформаторів.

O Трансформатор – пристрій, що застосовують для підвищення або зниження напруги змінного струму.

Найпростіший трансформатор являє собою дві котушки, намотані на загальний сталевий сердечник. Одна котушка підключається до джерела змінної напруги (ця котушка називається первинною обмоткою), а з іншої котушки (вторинної обмотки) знімають змінну напругу для подальшого її передання.

Змінний струм у первинній обмотці створює змінне магнітне поле. Завдяки сталевому сердечнику вторинну обмотку, намотану на той самий сердечник, пронизує практично таке саме змінне магнітне поле, що й первинну.

Оскільки всі витки пронизує той самий змінний магнітний потік, в кожному витку внаслідок явища електромагнітної індукції генерується та сама напруга. Тому відношення напруг U1 і U2 на первинній і вторинній обмотках дорівнює відношенню кількості в них витків:

Зміну напруги трансформатором характеризує коефіцієнт трансформації.

O Коефіцієнт трансформації – величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

Підвищувальний трансформатор – трансформатор, що збільшує напругу (U2 > U1). У підвищувального трансформатора кількість витків N2 у вторинній обмотці має бути більшою за кількість витків N1 у первинній обмотці, тобто k < 1.

Понижувальний трансформатор – трансформатор, що зменшує напругу (U2 < U1). У понижувального трансформатора кількість витків у вторинній обмотці має бути меншою за кількість витків у первинній обмотці, тобто k > 1.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Яке явище використовують під час виробництва електроенергії на електростанціях?

2. Чому електричну енергію на значні відстані передають під високою напругою?

3. Чому, перш ніж подати споживачам електричну напругу, її знижують?

4. На якому принципі базується робота трансформатора?

Другий рівень

1. Які властивості електричної енергії визначають її значення в сучасній техніці?

2. Яка енергія перетворюється в електричну?

3. Чи можна трансформувати постійний струм?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. У якій з обмоток понижувального трансформатора (первинній або вторинній) діаметр проводів повинен бути більше? Відповідь поясніть.

2. Для чого сердечник трансформатора набирають із тонких сталевих пластин, ізольованих одна від одної?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. У первинній обмотці 200 витків, а у вторинній – 25 витків. Підвищує чи знижує напругу цей трансформатор? У скільки разів?

2. Трансформатор підвищує напругу від 10 В до 200 В. Скільки витків у вторинній обмотці трансформатора, якщо первинна обмотка містить 600 витків?

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Трансформатор – пристрій, що застосовують для підвищення або зниження напруги змінного струму.

– Коефіцієнт трансформації – величина, що дорівнює відношенню напруг у первинній і вторинній обмотках трансформатора:

Домашнє завдання

1. Підр.: § 18.

2. 3б.:

Рів1 № 9.9; 9.10; 9.22; 9.23.

Рів2 № 9.50; 9.51; 9.52, 9.53.

Рів3 № 9.62, 9.63.

3. Д: розв’язати вдома самостійну роботу № 7.