Генератор и передача электрической энергии

Турбина вращает генератор, а перед отправкой энергии по длинной линии напряжение повышают. Что делает вращение и почему повышение напряжения помогает проводам меньше нагреваться?

Рамка вращается в магнитном поле, поэтому всё время меняется её ориентация. Даже при постоянном B поток через рамку меняется, и возникает периодическая ЭДС. Так работает простая модель генератора — устройства, преобразующего механическую работу в электрическую энергию посредством индукции. Вращаться может и магнит относительно обмоток: важно изменение связанного с ними потока. Само наличие неподвижного сильного магнита непрерывную отдачу энергии не обеспечивает.

За пол-оборота изменение потока меняет характер, и направление индуцированного напряжения меняется. В простой замкнутой цепи с нагрузкой получается переменный ток. Когда генератор отдаёт энергию, индукционное действие противодействует вращению. Поэтому вал надо непрерывно приводить турбиной или другим двигателем. При отключении подвода механической энергии нельзя бесконечно питать нагрузку за счёт одного прежнего вращения.

Для изменения напряжения используют трансформатор. Переменный ток первичной обмотки создаёт меняющийся магнитный поток в общем сердечнике. Он проходит и через вторичную обмотку, вызывая в ней ЭДС. Между двумя обмотками может не быть проводящего контакта: связь магнитная. Поэтому электроны не обязаны переходить из одной катушки в другую, чтобы энергия передавалась подключённой ко второй катушке нагрузке.

Подадим вместо переменного установившийся постоянный ток. При включении поле меняется, и краткий эффект возможен; затем поток становится постоянным. Обычный трансформатор больше не поддерживает вторичное напряжение по этому механизму. Кроме того, неподходящее питание постоянным напряжением может вызвать чрезмерный ток и перегрев первичной обмотки. Поэтому наличие сердечника и двух катушек не заменяет условия изменяющегося потока.

Каждый виток, охваченный одним изменяющимся потоком, даёт свой вклад в напряжение обмотки. В идеальной модели они складываются: U₁/U₂ = N₁/N₂. Напряжения U₁ и U₂ измеряют в В, числа витков N₁ и N₂ безразмерны. При прежнем U₁ удвоение отношения N₂/N₁ удваивает U₂; равные числа витков дают равные напряжения. Модель пренебрегает потерями и падением напряжения в обмотках; она не обещает создания энергии.

Как одним числом описать напряжение, которое непрерывно меняется? В задачах о сети обычно берут действующее значение: постоянное напряжение такой величины вызвало бы ту же среднюю мощность нагрева того же резистора. Это не максимальное мгновенное значение. В отношении напряжений трансформатора надо сравнивать одноимённые величины — например, оба действующих значения. Иначе в отношение незаметно попадут разные способы измерения.

Линия передачи тоже имеет сопротивление Rлинии. При одном и том же токе она выделяет мощность I²Rлинии, не доходящую до потребителя. В простой модели активной нагрузки передаваемая мощность равна UI. Сохраняя мощность и повышая U, можно уменьшить I, а с ним и нагрев проводов. Если же просто повысить напряжение на прежнем неизменном резисторе, ток возрастёт. Выигрыш относится именно к передаче той же мощности.

Уменьшим ток линии в 10 раз, сохранив её сопротивление: (I/10)²R = I²R/100. Потери станут в 100 раз меньше. Трансформатор позволяет согласовать высокий уровень напряжения и меньший ток для той же мощности; сам он энергию не добавляет. У идеального устройства входная и выходная мощности равны, у реального часть энергии теряется. Напряжение нельзя увеличивать безгранично: конструкция и изоляция линии рассчитаны на определённые условия.

Потребителю нужно напряжение, предусмотренное его оборудованием, поэтому ближе к нему напряжение понижают трансформаторами. Получается цепочка преобразований: механическая работа — генератор — изменение напряжения — линия — понижение напряжения — прибор. Рабочее напряжение бытовой сети остаётся опасным для прикосновения. Его понижают для совместимости с оборудованием, а не для того, чтобы разрешить человеку касаться проводников.

У идеального трансформатора N₁ = 100, N₂ = 500, действующее U₁ = 12 В. Найдите действующее U₂.

Во вторичной обмотке 500 витков вместо 100: N₂/N₁ = 5. При общем потоке напряжение этой обмотки будет в пять раз больше.

Из U₁/U₂ = N₁/N₂ получаем U₂ = U₁·N₂/N₁ = 12·5 = 60 В. Оба заданных и искомых напряжения — действующие.

Пятикратное напряжение не означает пятикратной мощности. Для идеального трансформатора энергия выхода обеспечивается входной энергией; доступный при данной мощности ток соответственно меньше.

U₂ = 60 В. Это действующее вторичное напряжение идеального трансформатора с пятикратным отношением витков.

Генератор передаёт нагрузке энергию, полученную механической работой, через изменение магнитного потока.

Трансформатор связывает обмотки меняющимся полем; отношение напряжений определяется отношением витков.

При прежней передаваемой мощности повышение напряжения уменьшает ток и квадратично снижает потери в линии.

Энергия может переноситься и светом. Начнём оптику с источников и видимости предметов.