Física, produção, transmissão e uso de energia elétrica. Produção, transmissão e consumo de energia elétrica. Transformador

Vídeo aula 2: Tarefas para corrente alternada

Palestra: Corrente alternada. Produção, transmissão e consumo energia elétrica

Corrente alternada- são oscilações que podem ocorrer no circuito como resultado de conectá-lo a uma fonte de tensão alternada.

É a corrente alternada que nos envolve a todos - está presente em todos os circuitos dos apartamentos, é a corrente alternada que é transmitida pelos fios. No entanto, quase todos os aparelhos elétricos funcionam com eletricidade permanente. É por isso que na saída da tomada a corrente é retificada e na forma de uma constante vai para os eletrodomésticos.

É a corrente alternada que é mais fácil de receber e transmitir a qualquer distância.

No estudo da corrente alternada, usaremos um circuito no qual conectaremos um resistor, uma bobina e um capacitor. Neste circuito, a tensão é determinada de acordo com a lei:

Como sabemos, o seno pode ser negativo e positivo. É por isso que o valor da tensão pode tomar uma direção diferente. Com um sentido positivo do fluxo de corrente (sentido anti-horário), a tensão é maior que zero, com um sentido negativo, é menor que zero.

Resistor no circuito

Então, vamos considerar o caso em que apenas um resistor está conectado ao circuito CA. A resistência do resistor é chamada de ativa. Vamos considerar a corrente que flui no sentido anti-horário no circuito. Nesse caso, tanto a corrente quanto a tensão serão positivas.

Para determinar a intensidade da corrente no circuito, use a seguinte fórmula da lei de Ohm:

Nestas fórmulas EU 0 e você 0 - valores máximos de corrente e tensão. A partir disso, podemos concluir que o valor máximo da corrente é igual à razão tensão máximaà resistência ativa:

Essas duas grandezas mudam na mesma fase, de modo que os gráficos das grandezas têm a mesma forma, mas amplitudes diferentes.

Capacitor no circuito

Lembrar! Impossível obter DC no circuito com o capacitor. É um local para interromper o fluxo de corrente e alterar sua amplitude. Nesse caso, a corrente alternada flui perfeitamente por esse circuito, alterando a polaridade do capacitor.

Ao considerar tal circuito, vamos supor que ele contém apenas um capacitor. A corrente flui no sentido anti-horário, ou seja, é positiva.

Como já sabemos, a tensão em um capacitor está relacionada à sua capacidade de armazenar carga, ou seja, seu tamanho e capacidade.

Como a corrente é a primeira derivada da carga, é possível determinar por qual fórmula ela pode ser calculada encontrando a derivada da última fórmula:

Como você pode ver, em este caso a intensidade da corrente é descrita pela lei do cosseno, enquanto o valor da tensão e da carga pode ser descrito pela lei do seno. Isso significa que as funções estão na fase oposta e têm uma aparência semelhante no gráfico.

Todos nós sabemos que as funções cosseno e seno do mesmo argumento diferem em 90 graus uma da outra, então podemos obter as seguintes expressões:

A partir daqui, o valor máximo da força atual pode ser determinado pela fórmula:

O valor no denominador é a resistência através do capacitor. Essa resistência é chamada capacitiva. Ele está localizado e marcado da seguinte forma:

Com um aumento na capacitância, o valor da amplitude da corrente cai.

Observe que neste circuito, o uso da lei de Ohm é apropriado apenas quando é necessário determinar o valor máximo da corrente; é impossível determinar a corrente a qualquer momento de acordo com esta lei devido à diferença de fase entre a tensão e força atual.

Bobina em uma corrente

Considere um circuito no qual existe uma bobina. Imagine que não tenha resistência ativa. Neste caso, parece que nada deve impedir o movimento da corrente. No entanto, não é. O fato é que quando a corrente passa pela bobina, um campo de vórtice começa a surgir, o que impede a passagem de corrente como resultado da formação de uma corrente de auto-indução.

A força atual assume o seguinte valor:

Novamente, você pode ver que a corrente muda de acordo com a lei dos cossenos, então o deslocamento de fase é válido para este circuito, o que também pode ser visto no gráfico:

Daí o valor máximo da corrente:

No denominador podemos ver a fórmula pela qual a reatância indutiva do circuito é determinada.

Quanto maior a reatância indutiva, menos importante é a amplitude da corrente.

Bobina, resistência e capacitor em um circuito.

Se todos os tipos de resistência estiverem presentes simultaneamente no circuito, o valor da corrente pode ser determinado da seguinte forma, convertendo lei de Ohm:

O denominador é chamado de impedância. Consiste na soma dos quadrados de ativo (R) e reatância, consistindo de capacitivo e indutivo. A resistência total é chamada de "impedância".

Eletricidade

Não pode ser imaginado vida moderna sem uso aparelhos elétricos, que funcionam devido à energia que ocorre eletricidade. Inteira progresso técnico baseado em eletricidade.

Obter energia da corrente elétrica tem um grande número de vantagens:

1. A eletricidade é relativamente fácil de produzir, pois existem bilhões de usinas, geradores e outros dispositivos para gerar eletricidade em todo o mundo.

2. A eletricidade pode ser transmitida a longas distâncias tempo curto e sem perdas significativas.

3. É possível converter energia elétrica em formas mecânicas, leves, internas e outras.

A transmissão de energia elétrica é um processo que consiste no fornecimento de energia elétrica aos consumidores. A eletricidade é produzida em fontes remotas de produção (usinas de energia) por grandes geradores usando carvão, gás natural, água, decaimento atômico ou vento.

A corrente é transmitida através de transformadores, que aumentam sua tensão. Exatamente alta voltagem custo-benefício ao transmitir energia em longas distâncias. Linhas de alta tensão linhas de energia se estendem por todo o país. Através deles, a corrente elétrica chega às subestações em grandes cidades, onde sua tensão é reduzida e enviada para pequenas linhas de energia (de distribuição). A corrente elétrica percorre as linhas de distribuição em todos os bairros da cidade e entra nas caixas dos transformadores. Os transformadores reduzem a tensão a um determinado valor padrão que é seguro e necessário para a operação. eletrodomésticos. A corrente entra na casa por fios e passa por um medidor que mostra a quantidade de energia consumida.

Um transformador é um dispositivo estático que converte a corrente alternada de uma tensão em corrente alternada de outra tensão sem alterar sua frequência. Ele só pode funcionar em AC.

As principais partes estruturais do transformador

O dispositivo consiste em três partes principais:

1. enrolamento primário do transformador. O número de voltas N 1.
2. O núcleo da forma fechada de material magneticamente macio (por exemplo, aço).
3. enrolamento secundário. Número de voltas N 2 .

Nos diagramas, o transformador é representado da seguinte forma:

Princípio da Operação

Trabalhar transformador baseado na lei Indução eletromagnética Faraday.

Entre dois enrolamentos separados (primário e secundário), que são conectados por um fluxo magnético comum, aparece a indução mútua. A indução mútua é o processo pelo qual um enrolamento primário induz uma tensão em um enrolamento secundário localizado em sua vizinhança imediata.

O enrolamento primário recebe uma corrente alternada, que produz um fluxo magnético quando conectado a uma fonte de alimentação. fluxo magnético passa pelo núcleo e, uma vez que muda ao longo do tempo, excita EMF de indução no enrolamento secundário. A tensão no segundo enrolamento pode ser menor que no primeiro, então o transformador é chamado de abaixador. O transformador elevador tem uma tensão mais alta no enrolamento secundário. A frequência atual permanece inalterada. A tensão efetiva de redução ou aumento não pode aumentar energia elétrica, portanto, na saída do transformador, a intensidade da corrente aumenta ou diminui proporcionalmente, respectivamente.

Para os valores de amplitude da tensão nos enrolamentos, a seguinte expressão pode ser escrita:

k - razão de transformação.

Para transformador elevador k>1 e para abaixador - k<1.

Durante a operação de um dispositivo real, sempre há perdas de energia:

• enrolamentos são aquecidos.
• o trabalho é gasto na magnetização do núcleo;
• As correntes de Foucault surgem no núcleo (elas têm um efeito térmico no núcleo maciço).

Para reduzir as perdas durante o aquecimento, os núcleos do transformador são feitos não de uma única peça de metal, mas de placas finas, entre as quais um dielétrico está localizado.

Atualmente, o nível de produção e consumo de energia é um dos indicadores-chave desenvolvimento das forças produtivas da sociedade. O papel principal nisso é desempenhado pela eletricidade - a forma mais versátil e conveniente de energia para uso. Se o consumo de energia no mundo dobrar em cerca de 25 anos, um aumento no consumo de eletricidade em 2 vezes ocorrerá em média em 10 anos. Isso significa que cada vez mais processos que consomem energia estão sendo convertidos em eletricidade.

Geração de energia. A eletricidade é produzida em grandes e pequenas centrais elétricas principalmente com a ajuda de geradores de indução eletromecânicos. Existem dois tipos principais de usinas: termelétricas e hidrelétricas. Essas usinas diferem em motores que giram os rotores dos geradores.

Nas usinas termelétricas, a fonte de energia é o combustível: carvão, gás, petróleo, óleo combustível, xisto betuminoso. Os rotores dos geradores elétricos são acionados por turbinas a vapor e a gás ou motores. combustão interna. As mais econômicas são as grandes usinas termelétricas a vapor (abreviadas como TPPs). A maioria das usinas termelétricas em nosso país usa pó de carvão como combustível. Para gerar 1 kW. horas de eletricidade consumiam várias centenas de gramas de carvão. NO Caldeira a vapor mais de 90% da energia liberada pelo combustível é transferida para o vapor. Na turbina, a energia cinética dos jatos de vapor é transferida para o rotor. O eixo da turbina é rigidamente conectado ao eixo do gerador. Os geradores de turbina a vapor são muito rápidos: o número de rotações do rotor é de vários milhares por minuto.

Do curso de física do 10º ano, sabe-se que a eficiência dos motores térmicos aumenta com o aumento da temperatura do aquecedor e, consequentemente, da temperatura inicial do fluido de trabalho (vapor, gás). Portanto, o vapor que entra na turbina é levado a parâmetros altos: a temperatura é quase de até 550 ° C e a pressão é de até 25 MPa. Coeficiente ação útil TPP atinge 40%. A maior parte da energia é perdida junto com o vapor de exaustão quente.

As centrais térmicas - as chamadas centrais combinadas de calor e energia (CHP) - permitem que uma parte significativa da energia do vapor de escape seja utilizada para empresas industriais e para as necessidades domésticas (para aquecimento e abastecimento de água quente). Como resultado, a eficiência CHP atinge 60-70%. Atualmente, os CHPPs fornecem cerca de 40% de toda a eletricidade na Rússia e abastecem centenas de cidades com eletricidade e calor.

Nas usinas hidrelétricas (UHE) para a rotação dos rotores dos geradores é utilizado energia potencial agua. Os rotores dos geradores elétricos são acionados por turbinas hidráulicas. A potência de tal estação depende da diferença de níveis de água criada pela barragem (pressão) e da massa de água que passa pela turbina a cada segundo (vazão de água).

As usinas nucleares (NPPs) desempenham um papel significativo no setor de energia. Atualmente, as usinas nucleares na Rússia fornecem cerca de 10% da eletricidade.

Principais tipos de usinas

As usinas termelétricas são construídas de forma rápida e barata, mas há muitas emissões nocivas em meio Ambiente e os recursos naturais de energia são limitados.

As usinas hidrelétricas são construídas por mais tempo, mais caras; o custo da eletricidade é mínimo, mas as terras férteis são inundadas e a construção só é possível em alguns lugares.

As usinas nucleares são construídas por muito tempo, são caras, mas a eletricidade é mais barata do que nas usinas termelétricas, o impacto prejudicial ao meio ambiente não é significativo (com operação adequada), mas requer o descarte de resíduos radioativos.

Uso de eletricidade

O principal consumidor de eletricidade é a indústria, que responde por cerca de 70% da eletricidade produzida. O transporte também é um grande consumidor. Um número crescente de linhas ferroviárias está sendo convertido em tração elétrica. Quase todas as vilas e vilas recebem eletricidade de usinas de energia para necessidades industriais e domésticas. Todo mundo sabe sobre o uso da eletricidade para iluminar casas e eletrodomésticos.

A maior parte da eletricidade utilizada é agora convertida em energia mecânica. Quase todos os mecanismos na indústria são acionados por motores elétricos. São convenientes, compactos, permitem a possibilidade de automação da produção.

Cerca de um terço da eletricidade consumida pela indústria é utilizada para fins tecnológicos (solda elétrica, aquecimento elétrico e fusão de metais, eletrólise, etc.).

A civilização moderna é impensável sem o uso generalizado da eletricidade. Uma interrupção no fornecimento de eletricidade para uma grande cidade e até mesmo para pequenas aldeias durante um acidente paralisa suas vidas.

Transmissão de eletricidade

Os consumidores de eletricidade estão em toda parte. É produzido em relativamente poucos lugares perto de fontes de combustível e recursos hídricos. A eletricidade não pode ser conservada em grande escala. Deve ser consumido imediatamente após o recebimento. Portanto, há a necessidade de transmitir eletricidade por longas distâncias.

A transmissão de eletricidade está associada a perdas perceptíveis, pois a corrente elétrica aquece os fios das linhas de energia. De acordo com a lei de Joule-Lenz, a energia gasta no aquecimento dos fios da linha é determinada pela fórmula Q \u003d I2Rt onde R é a resistência da linha.

Com linhas muito longas, a transmissão de energia pode se tornar antieconômica. É praticamente muito difícil reduzir significativamente a resistência da linha R. Temos que reduzir a corrente.

Portanto, transformadores elevadores são instalados em grandes usinas de energia. O transformador aumenta a tensão na linha tantas vezes quanto reduz a corrente.

Quanto maior a linha de transmissão, mais vantajoso é usar uma tensão mais alta. Assim, na linha de transmissão de alta tensão da UHE Volga - Moscou e algumas outras, é usada uma tensão de 500 kV. Enquanto isso, os geradores de corrente alternada são ajustados para tensões não superiores a 16-20 kV. Uma tensão mais alta exigiria medidas especiais complexas para isolar os enrolamentos e outras partes dos geradores.

Para o uso direto de eletricidade nos motores do acionamento elétrico de máquinas-ferramentas, na rede de iluminação e para outros fins, a tensão nas extremidades da linha deve ser reduzida. Isto é conseguido usando transformadores abaixadores. O esquema geral de transmissão e distribuição de energia é mostrado na figura.

Normalmente, uma diminuição na tensão e, consequentemente, um aumento na força da corrente são realizadas em várias etapas. A cada estágio, a tensão está diminuindo e a área coberta pela rede elétrica está ficando mais ampla.

Com uma tensão muito alta entre os fios, uma descarga pode começar, levando a perdas de energia. A amplitude admissível da tensão alternada deve ser tal que, para uma determinada área da seção transversal do fio, a perda de energia devido à descarga seja insignificante.

Centrais elétricas em várias regiões do país são conectadas por linhas de alta tensão, formando uma rede elétrica comum à qual os consumidores estão conectados. Essa combinação, chamada de rede elétrica, permite suavizar as cargas de pico de consumo de energia nas horas da manhã e da noite. O sistema de energia garante o fornecimento ininterrupto de energia aos consumidores, independentemente de sua localização. Agora, quase todo o território do nosso país é fornecido com eletricidade pelos sistemas integrados de energia. O Sistema Unificado de Energia da parte européia do país está em operação.

A energia elétrica é produzida em diversas escalas de usinas, principalmente com o auxílio de geradores eletromecânicos de indução.

Geração de energia

Existem dois tipos principais de usinas:

1. Térmica.

2. Hidráulica.

Essa divisão é causada pelo tipo de motor que gira o rotor do gerador. NO térmico usinas de energia usam combustível como fonte de energia: carvão, gás, petróleo, xisto betuminoso, óleo combustível. O rotor é acionado por turbinas a gás a vapor.

As mais econômicas são as usinas termelétricas a vapor (TPPs). Sua eficiência máxima atinge 70%. Isso leva em consideração o fato de que o vapor de exaustão é usado em empresas industriais.

No usinas hidrelétricas a energia potencial da água é usada para girar o rotor. O rotor é acionado por turbinas hidráulicas. A potência da estação dependerá da pressão e da massa de água que passa pela turbina.

Uso de eletricidade

A energia elétrica é usada em quase todos os lugares. É claro que a maior parte da eletricidade produzida vem da indústria. Além disso, o transporte será um grande consumidor.

Muitas linhas ferroviárias há muito mudaram para a tração elétrica. Iluminação de residências, ruas da cidade, necessidades industriais e domésticas de vilas e vilas - tudo isso também é um grande consumidor de eletricidade.

Grande parte da eletricidade recebida é convertida em energia mecânica. Todos os mecanismos utilizados na indústria são acionados por motores elétricos. Há consumidores suficientes de eletricidade, e eles estão em toda parte.

E a eletricidade é produzida em apenas alguns lugares. Surge a questão sobre a transmissão de eletricidade, e em longas distâncias. Ao transmitir em longas distâncias, há muita perda de energia. Principalmente, são perdas devido ao aquecimento de fios elétricos.

De acordo com a lei de Joule-Lenz, a energia gasta no aquecimento é calculada pela fórmula:

Como é quase impossível reduzir a resistência a um nível aceitável, é necessário reduzir a força da corrente. Para fazer isso, aumente a tensão. Normalmente existem geradores elevadores nas estações e transformadores redutores no final das linhas de transmissão. E já a partir deles a energia se dispersa para os consumidores.

A necessidade de energia elétrica está aumentando constantemente. Há duas maneiras de atender à demanda por aumento de consumo:

1. Construção de novas usinas

2. Uso de tecnologia avançada.

Uso eficiente de eletricidade

O primeiro método requer o dispêndio de um grande número de construção e recursos financeiros. Leva vários anos para construir uma usina. Além disso, por exemplo, usinas térmicas consomem muitos recursos naturais não renováveis ​​e prejudicam o meio ambiente.