Номер 3, страница 71 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Как осуществляется передача электроэнергии на большое расстояние?

Передача электроэнергии на большие расстояния сопряжена с проблемой потерь энергии в проводах линий электропередачи (ЛЭП). Эти потери происходят из-за нагрева проводников при прохождении по ним электрического тока. Согласно закону Джоуля — Ленца, мощность, теряемая в виде тепла, определяется формулой:

$P_{потерь} = I^2 R$

где $I$ — сила тока в линии, а $R$ — сопротивление проводов.

Сопротивление проводов $R$ зависит от их длины, материала и площади поперечного сечения. Поскольку при передаче на большие расстояния длина проводов очень велика, их сопротивление также значительно. Уменьшить сопротивление можно за счет увеличения толщины проводов, но это экономически невыгодно из-за огромного расхода дорогостоящего металла и усложнения конструкции опор ЛЭП.

Более эффективным способом снижения потерь является уменьшение силы тока $I$. Из формулы видно, что потери мощности пропорциональны квадрату силы тока, поэтому даже небольшое уменьшение тока приводит к существенному сокращению потерь.

Мощность, передаваемая по линии, равна $P = U I$, где $U$ — напряжение в линии. Отсюда силу тока можно выразить как $I = \frac{P}{U}$. Подставив это выражение в формулу потерь, получим:

$P_{потерь} = \left(\frac{P}{U}\right)^2 R = \frac{P^2 R}{U^2}$

Из этой формулы следует, что при передаче одной и той же мощности $P$ потери обратно пропорциональны квадрату напряжения $U$. Это означает, что для минимизации потерь электроэнергию необходимо передавать при максимально высоком напряжении.

На практике это реализуется следующим образом:

1. На электростанциях генераторы вырабатывают электроэнергию при относительно невысоком напряжении (например, 10–20 кВ).
2. С помощью повышающих трансформаторов, расположенных рядом с электростанцией, напряжение увеличивают до очень высоких значений (110 кВ, 220 кВ, 500 кВ, 750 кВ и выше). При этом, согласно законам трансформации, сила тока во столько же раз уменьшается.
3. Электроэнергия под высоким напряжением передается по высоковольтным линиям электропередачи.
4. Вблизи потребителей (городов, промышленных предприятий) на понижающих подстанциях напряжение с помощью трансформаторов ступенчато понижается до необходимых значений (сначала до 35-110 кВ, затем до 6-10 кВ для местных сетей и, наконец, до 220/380 В для конечных потребителей).

Таким образом, использование переменного тока и трансформаторов позволяет эффективно передавать электроэнергию на тысячи километров с минимальными потерями.

Ответ: Передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется путем значительного повышения напряжения (до сотен киловольт) с помощью повышающих трансформаторов на электростанциях и, соответственно, уменьшения силы тока. Это позволяет кардинально снизить потери мощности на нагрев проводов, так как эти потери пропорциональны квадрату силы тока. Перед подачей потребителям напряжение понижают до безопасных и используемых значений с помощью понижающих трансформаторов на подстанциях.