2.Як доцільно передавати електричну енергію на відстань?

У багатьох випадках розв'язування фізичних задач може бути джерелом нових теоретичних чи практичних висновків. Іноді навіть кажуть що розвиток фізичної науки є послідовним розв'язуванням задач, що постають. Розглянемо одну з таких задач, яка є у будь-якому серйозному збірнику задач з фізики.

Задача. Електроенергію від електростанції потужністю 62 кВт передають за допомогою лінії з опором 5 Ом. Визначити втрату напруги і потужності в лінійних проводах та коефіцієнт корисної дії передачі енергії у разі, коли передача здійснюється за напруги на електростанції: 1)  620 В; 2)  6200 В.

Порівняння одержаних результатів дає змогу дійти таких висновків: 1) підвищення напруги в лінії у 10 разів у стільки ж разів зменшує втрати напруги; 2) підвищення напруги в лінії у 10 разів зменшує втрати потужності (й енергії) у 100 разів.

Напрошуються два висновки чи два завдання:

1) передавати електричну енергію за якомога вищих напруг;

2) створити пристрої, які б давали змогу за потреби підвищувати напругу (у разі подачі енергії від генераторів до лінії передачі) і знижувати її (у разі подачі від лінії передачі до споживачів).

Такі пристрої були створені, їх назвали трансформаторами.

 ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ

1. У коливальному контурі (С = 0,25 мкФ) визначте період, частоту і циклічну частоту коливань, якщо вони відбуваються протягом 0,01 с; визначте індуктивність котушки контура.

2. Коливальний контур складається з конденсатора ємністю 10 пФ і котушки індуктивністю 3 мГн. Знайдіть частоту електромагнітних коливань у контурі.

3. В коливальному контурі максимальний електричний заряд конденсатора 10^-6 Кл, а максимальна сила струму — 0,03 А. Який період електромагнітних коливань у контурі?

4. Конденсатор ємністю 50 пФ спочатку з'єднали з джерелом постійного струму з електрорушійною силою З В, а потім з котушкою індуктивністю 5 мкГн. Яка частота коливань, що відбуваються в контурі? Яка максимальна сила струму в контурі?      

      5. Електричний заряд на пластинах конденсатора коливального контура змінюється з часом згідно з рівнянням q = 10^-6cos10⁵πt. Запишіть рівняння залежності сили струму від часу. Знайдіть  період і частоту коливань у контурі, амплітуду коливань заряду і сили струму.

6. Конденсатор ємністю 20 мкФ зарядили до напруги 400 В і приєднали до котушки з певною індуктивністю. В контурі виникли затухаючі коливання. Яка кількість теплоти виділиться в контурі за час, коли амплітуда коливань напруги зменшиться у 4 рази?

7. Маємо послідовно з'єднані резистор з опором 3,9 кОм і конденсатор ємністю 0,25 мкФ. До такої ділянки кола прикладено напругу промислової частоти (50 Гц). Визначте: 1) ємнісний опір ділянки кола; 2) повний опір ділянки кола; 3) коефіцієнт потужності; 4) зсув фаз сили струму і напруги на ділянці кола; 5) котушку якої індуктивності треба з'єднати послідовно з резистором і конденсатором, щоб спостерігався резонанс?

8. У коло змінного струму увімкнемо конденсатор ємністю 1 мкФ і — дросель (котушку) індуктивністю 0,1 Гн.  Знайдіть відношення індуктивного опору до ємнісного за частоти 50 Гц і 5 кГц. За якої частоти струму ці опори будуть однаковими? Яке явище при цьому спостерігається?

9. Первинна обмотка силового трансформатора радіоприймача має 2200 витків. Скільки витків повинна мати вторинна обмотка, що використовується для живлення споживача за напруги 5 В і сили струму 2 А? Опір вторинної обмотки 0,1 Ом. Напруга в мережі 220 В. Яка сила струму у первинній обмотці трансформатора?

10. На замкнуте залізне осердя надіто дві обмотки. Як визначити число витків у кожній з обмоток, якщо в розпорядженні є джерело змінного струму, провідники довільної довжини і вольтметри на будь-які значення напруг?

ЗАПИТАННЯ

1. Які функції електричного трансформатора?

2. З яких основних частин складається трансформатор?

3. З яких речовин виготовляються осердя трансформаторів?

4. Які обмотки трансформаторів вважають первинними і які вторинними?

5. Що таке коефіцієнт трансформації?

6. Що таке холостий і робочий хід трансформатора?

7. Який коефіцієнт корисної дії мають сучасні трансформатори?

8. Як змінюються втрати напруги в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?

9. Як змінюються втрати потужності в лінії електропередачі в разі підвищення напруги в ній?

10. Що таке коефіцієнт корисної дії лінії електропередачі?

11. Для чого потрібні трансформатори?

УЗАГАЛЬНЕННЯ ТА СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ЗНАНЬ З ТЕМИ "ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ"

• В коливальному контурі можуть відбуватися вільні електромагнітні коливання, які завжди є затухаючими внаслідок втрат енергії на нагрівання провідників, осердь, випромінювання в простір.

• Якби в контурах були відсутні втрати енергії, то коливання в них відбувалися б нескінченно довго. Такі коливання називаються власними, а контури — ідеальними.

• В електричних колах можна одержати і використати змінний струм — вимушені електромагнітні коливання.

• Найпростішими способами одержання змінних струмів є: обертання рамки з певної кількості провідників у магнітному полі або обертання електромагніта (магніту) біля певних чином розташованих провідників.

• У колах змінного струму розрізняють активні й реактивні навантаження. Реактивні навантаження бувають ємнісними та індуктивними.

• В колах змінного струму напруга і сила струму можуть бути зсунуті по фазі.     

• Повний опір у колах змінного струму визначаються за формулою:

де R — активний опір; RL, Re — відповідно індуктивний і ємнісний опори.

• Сила струму в колах змінного струму може мати максимальне значення тоді, коли індуктивний опір дорівнює ємнісному. Таке явище називають резонансом. У послідовних колах» спостерігається резонанс напруг, а в паралельних — резонанс струмів.

• Високочастотні струми одержують за допомогою автоколивальних систем, якими є генератори електромагнітних коливань. Для добування незатухаючих електромагнітних коливань потрібні: коливальний контур, джерело постійного струму, вимикач (ключ) і пристрій, що керує роботою вимикача (ключа).

• Електроенергію бажано передавати за високої напруги для зменшення втрат у лініях електропередачі, а використовувати електроенергію доводиться за порівняно невисоких напруг. Для підвищення і зниження напруги використовують трансформатори.