3.5.4 Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии

Переменный ток — электрический ток, сила и направление которого периодически изменяются со временем.

На практике особенно важен синусоидальный ток. Его мгновенное значение можно записать так:

где $I_{\max }$ — амплитуда силы тока, $\omega$ — циклическая частота, ${\phi }_0$ — начальная фаза.

В бытовой сети указывают не амплитудные, а действующие значения силы тока и напряжения. Они равны значениям постоянного тока и напряжения, которые за то же время выделили бы в резисторе такое же количество теплоты. Для синусоидального тока:

Производство электрической энергии

На электростанции электрическую энергию получают с помощью генератора переменного тока. Он преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию.

Принцип работы генератора основан на электромагнитной индукции:

1. Ротор генератора вращается.
2. Магнитный поток через обмотку периодически изменяется.
3. В обмотке возникает переменная ЭДС индукции.
4. При замыкании внешней цепи появляется переменный ток.

Источник механической энергии зависит от типа электростанции: на гидроэлектростанции турбину вращает поток воды, на тепловой — пар, полученный при сгорании топлива, на атомной — пар, нагретый за счёт энергии ядерных реакций.

Важно

Генератор не создаёт энергию из ничего, а преобразует энергию другого вида в электрическую.

Трансформатор

Трансформатор — устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Он состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника и двух обмоток: первичной и вторичной.

Переменный ток в первичной обмотке создаёт переменный магнитный поток в сердечнике. Этот поток пронизывает вторичную обмотку и вызывает в ней ЭДС индукции.

Для идеального трансформатора:

где $U_1$ и $U_2$ — напряжения на первичной и вторичной обмотках, $N_1$ и $N_2$ — числа витков.

• Если $N_2>N_1$, трансформатор повышающий: $U_2>U_1$.
• Если $N_2<N_1$, трансформатор понижающий: $U_2<U_1$.

В идеальном трансформаторе мощность сохраняется: при повышении напряжения сила тока во столько же раз уменьшается. Реальный трансформатор имеет небольшие потери энергии на нагревание обмоток и сердечника.

Передача электрической энергии

При передаче энергии провода нагреваются. Мощность потерь определяется той же зависимостью, что и тепловая мощность на сопротивлении:

При заданной передаваемой мощности повышение напряжения позволяет уменьшить силу тока. Тогда потери $I^{2}R$ резко уменьшаются. Поэтому электрическую энергию передают на большие расстояния при высоком напряжении:

1. На электростанции генератор вырабатывает переменный ток.
2. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает силу тока.
3. Электроэнергия передаётся по высоковольтной линии.
4. На подстанциях понижающие трансформаторы последовательно уменьшают напряжение.
5. Потребитель получает напряжение, рассчитанное на его оборудование.

Потребление электрической энергии

У потребителя электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии:

Количество потреблённой электрической энергии при постоянной мощности равно:

В системе СИ энергия измеряется в джоулях. В быту используют также киловатт-час: $1\text{кВт}\cdot \text{ч}=3,6\cdot 10^6\text{Дж}$.

Не путать

• Переменный ток периодически меняет не только значение, но и направление.
• Высокое напряжение в линии нужно для уменьшения силы тока и тепловых потерь, а не для «ускорения электронов до потребителя».
• Трансформатор изменяет напряжение и силу тока, но не является источником энергии.
• Электростанция не создаёт энергию: она преобразует первичную энергию в электрическую.

Коротко

Переменный ток удобно получать в индукционных генераторах и преобразовывать трансформаторами. На электростанции механическая энергия превращается в электрическую, затем напряжение повышают для передачи с малыми потерями, а перед потребителем понижают. У потребителя электрическая энергия превращается во внутреннюю, механическую, световую или химическую.