При передаче электроэнергии на большие расстояния потери энергии тем меньше, чем выше напряжение (ОБЪЯСНИТЕ ПОЧЕМУ!).

Задачи для повторения (довольно трудные):

1.На какое расстояние l можно передавать электроэнергию от источника тока с напряжением 5,0 кВ так, чтобы на нагрузке с сопротивлением R = 1,6 кОм выделялась мощность N = 10 кВт? Удельное сопротивление провода r = 0,017 мкОм×м, его сечение S = 1,0 мм².
2. От источника с напряжением U0 = 100 кВ требуется передать на расстояние l = 5,0 км мощность Р = 5000 кВт. Допустимая потеря напряжения в проводах n = 1 %. Рассчитать минимальное сечение медного провода, пригодного для этой цели. Удельное сопротивление меди r = 1,7´10^–8 Ом×м.
3. При передаче электроэнергии на большое расстояние используется трансформатор, повышающий напряжение до 6 кВ и загруженный до номинальной мощности 1000 кВт. При этом разность показаний счетчиков электроэнергии, установленных на трансформаторной подстанции и в приемном пункте, увеличивается ежесуточно на 216 кВт×ч. Во сколько раз необходимо повысить напряжение, чтобы при передаче потери электроэнергии не превышали 0,1%?
4. Под каким напряжением нужно передавать электрическую энергию постоянного тока на расстояние l = 5,0 км, чтобы при плотности тока j = 2,5´10⁵ А/м² в медных проводах двухпроводной линии электропередачи потери в линии составляли 1% от передаваемой мощности? Удельное сопротивление меди  r = 1,7´10^–8 Ом×м.

с.261

В то же время использовать электроэнергию, например, для питания бытовых приборов под высоким напряжением небезопасно. Поэтому все бытовые приборы рассчитаны на напряжение 220 В, а высоковольтные линии электропередач находятся под напряжением в десятки и сотни киловольт. В связи с этим возникает проблема: как повышать или понижать напряжение в зависимости от ситуации?
Техническое устройство, позволяющее повышать или понижать напряжение, называется трансформатором.

Достаточно легко поддается преобразованию (т.е. повышению или понижению) практически без потерь энергии переменное напряжение. Преобразовывать постоянное напряжение очень трудно. По этой причине в промышленности, в быту используется главным образом переменный ток.

Схема устройства трансформатора:
 

Трансформатор имеет железный сердечник, на который надеты две катушки (обмотки).

Концы одной из обмоток подключаются к источнику переменного напряжения. Эта обмотка называется первичной.

Концы второй обмотки подключается к нагрузке. Эта обмотка называется вторичной.
Количество витков в первичной и вторичной обмотках разное.

Например, на рис. выше число витков в первичной обмотке меньше, чем во вторичной. Поэтому напряжение U2 на вторичной обмотке отличается от напряжения U1 в первичной обмотке, и справедливо соотношение:

U1/U2 » N1/N2

где N1 – число витков в первичной обмотке, а N2 – число витков в вторичной обмотке. Величина

K = N1/N2

называется коэффициентом трансформации. Если K > 1, то трансформатор называется понижающим, если K < 1, то повышающим.


Когда трансформатор подключают к источнику переменного тока, то проходящий по первичной обмотке переменный ток создает переменное магнитное поле (одна из линий которого показана на рис. выше пунктиром). Так как обмотки надеты на общий железный сердечник, то почти все линии этого поля проходят через обе обмотки. Иначе можно сказать, что обе обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком.
При изменении этого потока в каждом витке обмоток, как первичной, так и вторичной, индуцируется одна и та же ЭДС ℮. Полная же ЭДС индукции ℰ, возникающая в каждой обмотке, равна сумме ЭДС ℮, возникающих в каждом витке обмоток - та как витки катушки "соеденены" последовательно, если каждый виток катушки считать источником ЭДС.
Если первичная обмотка имеет N1 витков, а вторичная N2 витков, то индуцированные в них ЭДС равны соответственно ℰ1 = ℮N1 и ℰ2 = ℮N2, т.е.

ℰ1/ℰ2 = N1/N2

Когда цепь вторичной обмотки разомкнута - такое состояние трансформатора называется режимом холостого хода. Тогда во второй обмотке U2 = ℰ2.

Как определить число обмоток трансформатора, имея вольтметр и проволоку?

Пример 1. Трансформатор, повышающий напряжение с U1 = 100 В до U2 = 3300 В, имеет замкнутый сердечник в виде кольца. Через кольцо пропущен провод, концы которого присоединены к вольтметру (рис.).

Вольтметр показывает U = 0,5 В. Сколько витков имеют обмотки трансформатора? Все значения считать точными.

Дано: U = 0,5 В; U1 = 100 В; U2 = 3300 В.

Найти:   N1 = ? N2 = ?

Решение. Рассмотрим вольтметр как вторичную обмотку, имеющую один виток: N = 1. Тогда согласно формуле  U1/U2 » N1/N2

N1 = 200.

Теперь запишем то же соотношение для первичной и вторичной обмоток:  U1/U2 » N1/N2  ® N2=N1(U2/U1) = 200 ×(3300В/100В)=6600.

Ответ: N1 = 200, N2 = 6600.
 

Задача 1.  Сила тока в первичной обмотке трансформатора 0,50 А, напряжение на ее концах 220 В. Сила тока во вторичной обмотке 11 А, напряжение на ее концах 9,5 В. Определить КПД трансформатора.

Задача 2. Будет ли работать трансформатор в схемах, приведенных на рис.?

Задача 3. Сколько витков должна иметь вторичная обмотка трансформатора, чтобы повысить напряжение с 220 В до 11000 В, если в первичной обмотке 20 витков? Каков коэффициент трансформации?
Задача 4. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если во вторичной обмотке 3500 витков и напряжение на ее концах 105 В?
Задача 5. Изменяется ли мощность тока при преобразовании его в трансформаторе?
Задача 6. Электрический звонок включен в осветительную сеть через трансформатор. Потребляется ли электроэнергия, когда кнопка, включенная последовательно со звонком, не нажата?
Задача 7. Первичная катушка трансформатора присоединена к источнику тока, вторичная же разомкнута. Потребляется ли трансформатором электроэнергия?

с.337