Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 26. Змінний струм. Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії електричного струму

Якщо електричне коло під’єднати до джерела змінної ЕРС, то на електрони в провіднику почне діяти змінна сила, яка примусить їх переміщуватися. При цьому рух електронів буде точно повторювати характер змін ЕРС.

Змінний струм — це, по суті, вимушені коливання електричних зарядів у провіднику під дією прикладеної змінної ЕРС.

Змінний струм за характером змін сили струму може бути найрізноманітнішим. Найбільш важливими є струми, сила яких змінюється за гармонічним законом (за законом синуса чи косинуса).

Розглянемо замкнений контур площею S в однорідному магнітному полі, індукція якого В. Контур рівномірно обертається навколо осі ОО' з кутовою швидкістю ω (мал. 2.25).

Мал. 2.25

Магнітний потік, який пронизує контур, визначається за формулою Ф = BS cos α, де α — кут між перпендикуляром n до площини контуру і вектором В.

У процесі рівномірного обертання контуру кут повороту а змінюється із часом за законом α = ωt, а магнітний потік, який пронизує контур, за законом Ф = BS cos α.

Як випливає з формули ЕРС індукції, що виникає в замкненому контурі, який рівномірно обертається в однорідному магнітному полі, змінюється із часом за законом синуса (мал. 2.26).

Мал. 2.26

ЕРС індукції максимальна при sin ωt = 1, тобто при

Величину Emax = ωBS називають амплітудним значенням ЕРС індукції.

Якщо такий контур замкнути на зовнішнє коло, то по колу проходитиме струм, сила і напрямок якого змінюються.

Миттєве значення змінного струму, що проходить активним опором R, визначимо за законом Ома:

де Imax — амплітудне значення сили струму.

Інтервал часу Т, протягом якого змінна ЕРС здійснює одне повне коливання, називають періодом змінного cтрумy.

Кількість повних коливань, які здійснюються за 1 с, називають частотою змінного струму v.

Проходячи в колі електричний струм виявляє теплову, магнітну, механічну та інші дії. У кожному випадку ця дія залежить від сили струму. У разі проходження постійного струму кількість теплоти, що виділяється у провіднику, пропорційна квадрату сили струму. Для змінного струму, абсолютне значення якого змінюється від нуля до амплітудного значення, потрібно знати деякий еквівалент постійного струму, який виявляв би таку саму дію, як і змінний струм. Такий еквівалент встановлюють за тепловою дією. Під час проходження постійного струму в провіднику, опір якого R, за час t виділяється кількість теплоти: Q = I2Rt.

Силу змінного струму, при проходженні якого крізь резистор того самого опору R протягом часу t виділяється така сама кількість теплоти Q, називають діючою або ефективною.

Тобто можна стверджувати, що діюче значення сили змінного струму дорівнює силі постійного струму, що виділяє в провіднику таку саму кількість теплоти, як і змінний струм за той самий час.

Запишемо відповідні співвідношення між ефективним і амплітудним значеннями сили змінного струму.

Величину, що дорівнює квадратному кореню із середнього значення квадрата сили струму, називають діючим значенням сили змінного струму (ефективне):

Величину, що дорівнює квадратному кореню із середнього значення квадрата напруги, називають діючим значенням напруги змінного струму (ефективне):

У колі змінного струму амперметр і вольтметр показують не максимальні (амплітудні) і не миттєві значення сили струму і напруги, а ефективні (діючі). Наприклад, якщо Uеф = 220 В, то U0 = √2 · 220 B = 311 B.

Для одержання миттєвих значень сили змінного струму і напруги користуються осцилографом.

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно збільшується).

Трансформатор — прилад, призначений для перетворення параметрів змінного струму, що складається з виготовленого з м’якого феромагнетика осердя замкненої форми, на якому встановлено дві обмотки — первинну і вторинну.

Уперше трансформатор сконструював у 1878 р. російський учений Павло Яблочков (1847-1894), а на початку XX ст. його вдосконалили професор Семен Усатий (1875-1944) і професор Київського університету Михайло Доліво-Добровольський (1861-1919).

Трансформатор складається із замкненого осердя з феромагнетика, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток з дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують «навантаження», що споживає енергію, називають вторинною (мал. 2.27).

Мал. 2.27

Робота трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Розглянемо принцип його дії. Нехай на вхід трансформатора подається змінна напруга U1. В осерді трансформатора виникає змінний магнітний потік, який пронизує і первинну, і вторинну обмотки трансформатора. У первинній і вторинній обмотках відповідно виникають ЕРС самоіндукції:

де N1 і N2 — кількість витків первинної і вторинної обмоток. Визначимо напруги на вході і виході трансформатора:

де R1 і R2 — відповідно опори первинної і вторинної обмоток трансформатора; І1 і І2 — сили струмів, які проходять по первинній і вторинній обмотках.

Розглянемо випадок, коли вторинна обмотка розімкнена, тобто І2 = 0 (холостий хід). Технічні трансформатори конструюють так, щоб виконувалась умова I1R1 ≪ E1, тобто обмотки трансформатора мають невеликий активний опір, але велику індуктивність. Поділивши почленно одне на одне рівняння напруг, отримаємо:

Напруга на кінцях первинної обмотки трансформатора так відноситься до напруги на кінцях його вторинної обмотки, як кількість витків первинної обмотки відноситься до кількості витків вторинної обмотки. Це відношення називають коефіцієнтом трансформації:

Якщо k > 1, то трансформатор буде знижувальним, якщо k < 1 — підвищувальним.

Трансформатор перетворює змінний електричний струм так, що відношення сили струму до напруги приблизно однакове в первинній і вторинній обмотках.

За допомогою трансформатора знижують значення сили струму і збільшують напругу під час передавання електричної енергії. Це сприяє зниженню теплових втрат (Q = I2Rt — закон Джоуля-Ленца). Враховуючи, що потужність сили струму визначається добутком напруги і сили струму, таке зменшення сили струму не змінить переданої потужності.

Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють при напругах у кілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють силу струму напругою від 6 до 20 кВ.

Перші генератори було створено в 50-х роках XIX ст., а вже в 70-х роках почалося їхнє промислове виробництво. Тепер рівень виробництва і споживання енергії — найважливіший показник розвитку продуктивних сил суспільства. Головне значення при цьому має електроенергія — найуніверсальніша і найзручніша для використання форма енергії.

Електроенергію в Україні виробляють на теплових (ТЕС і ТЕЦ), гідро- (ГЕС), атомних (АЕС) і вітрових (ВЕС) електростанціях.

Джерелом енергії на ТЕС і ТЕЦ (теплоелектроцентраль) є вугілля, газ, торф, мазут тощо, на ГЕС — потенціальна енергія води, піднятої греблею, на АЕС — ядерне паливо, розміщене в тепловидільних елементах (ТВЕЛ) ядерного реактора, на ВЕС — енергія вітру.

Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори для підвищення напруги до кількох сотень кіловольтів. На місцях споживання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (мал. 2.28).

Мал. 2.28

Сучасна цивілізація не може існувати без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Понад 90 % енергії, яку споживає людство, отримують від спалювання вугілля, нафти, газу. Для цього використовують теплові електростанції, на яких хімічна енергія палива перетворюється в електричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води, перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тиску спрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує їх обертатися. Ротор турбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струму перетворює механічну енергію в енергію електричного струму.

Змінний струм від генератора по провідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється в інші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергія електромагнітних коливань перетворюється в механічну енергію, а в лампах розжарювання, у спіралях електронагрівальних приладів електрична енергія змінного струму перетворюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо.

Сучасна електроенергетика має чимало проблем, зумовлених високою вартістю пального, негативним впливом на екологію тощо. Так, гідроенергетичні технології мають багато переваг, але є й значні недоліки. Приміром, дощові сезони, низькі водні ресурси під час засухи можуть серйозно впливати на кількість виробленої енергії. Це може стати значною проблемою там, де гідроенергія складає значну частину в енергетичному комплексі країни. Будівництво гребель є причиною багатьох проблем: переселення мешканців, пересихання природних русел річок, замулення водосховищ, водних суперечок між сусідніми країнами, значної вартості цих проектів. Будівництво ГЕС на рівнинних річках призводить до затоплення великих територій. Значна частина площі водойм, що утворюються, — мілководдя. У літній час під впливом сонячної радіації в них активно розвивається водяна рослинність, відбувається так зване цвітіння води.

Зміна рівня води, яка подекуди доходить до повного висушування, призводить до загибелі рослинності. Греблі перешкоджають міграції риб. Багатокаскадні ГЕС уже зараз перетворили річки на низку озер, де виникають болота. У цих річках гине риба, а навколо них змінюється мікроклімат, ще більше руйнуючи природні екосистеми.

Щодо шкідливості ТЕС, то під час згоряння палива в теплових двигунах виділяються шкідливі речовини: закис вуглецю, сполуки азоту, сполуки свинцю, а також виділяється в атмосферу значна кількість теплоти. Крім того, застосування парових турбін на ТЕС потребує відведення великих площ під ставки, у яких охолоджується відпрацьована пара. Щорічно у світі спалюється 5 млрд тонн вугілля і 3,2 млрд тонн нафти, це супроводжується викидом в атмосферу 2 · 1010 Дж теплоти. В атмосферу щорічно викидається 20-30 млрд тонн оксиду Карбону. За таких темпів до середини століття середня температура на Землі підвищиться на кілька градусів, що призведе до непередбачених глобальних кліматичних змін.

Реальний радіаційний вплив АЕС на природне середовище є набагато (у 10 і більше разів) меншим від припустимого. Якщо врахувати екологічну дію різноманітних енергоджерел на здоров’я людей, то серед невідновлюваних джерел енергії ризик від працюючих АЕС мінімальний як для працівників, діяльність яких пов’язана з різними етапами ядерного паливного циклу, так і для населення. Глобальний радіаційний внесок атомної енергетики на всіх етапах ядерного паливного циклу нині становить близько 0,1 % природного фону і не перевищить 1 % навіть при найінтенсивнішому її розвитку в майбутньому.

Серйозним недоліком атомної енергетики є радіоактивність використовуваного палива і продуктів його поділу. Це вимагає створення захисту від різного типу радіоактивного випромінювання, що значно підвищує вартість енергії, яку виробляють АЕС. Крім того, ще одним недоліком АЕС є теплове забруднення води, тобто її нагрівання.

Новітні дослідження спрямовані переважно на вироблення електричної енергії за рахунок енергії вітру. Споруджуються ВЕС переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить у рух динамо-машину — генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно з’єднані акумулятори.

Біомаса — це відходи сільськогосподарського виробництва (тваринництва, переробної промисловості). Основною сировиною для виробництва біогазу є гній, який доставляють на біогазові станції. Головним продуктом біогазової станції є суміш горючих газів (90 % суміші — метан). Цю суміш постачають на установки для вироблення теплоти, на електростанції.

Тепловий потік сонячного випромінювання, який сягає Землі, дуже великий. Він більш як у 5000 разів перевищує сумарне використання всіх видів паливно-енергетичних ресурсів у світі.

Серед переваг сонячної енергії — її вічність і виняткова екологічна чистота. Сонячна енергія надходить на всю поверхню Землі, лише полярні райони планети страждають від її нестачі. Тобто практично на всій земній кулі лише хмари та ніч заважають користуватися нею постійно. Така загальнодоступність робить цей вид енергії неможливим для монополізації на відміну від нафти і газу.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що таке змінний струм? Якими законами він описується?
  • 2. Що таке амплітудне значення ЕРС індукції?
  • 3. Який принцип роботи генераторів змінного струму?
  • 4. Як визначається ЕРС індукції, що виникає в генераторі?
  • 5. Із чого складається трансформатор і яке його призначення?
  • 6. На якому фізичному явищі ґрунтується робота трансформатора?
  • 7. Як визначити коефіцієнт трансформації?
  • 8. Де використовують трансформатори?
  • 9. Де виробляється електроенергія і як вона передається до споживача?
  • 10. Які проблеми сучасної енергетики?