nella fisica
sul tema “Produzione, trasmissione e utilizzo dell’energia elettrica”
Studenti dell'11° anno A
Istituzione educativa municipale n. 85
Caterina.
Piano astratto.
Introduzione.
1. Produzione di energia elettrica.
1. tipologie di centrali elettriche.
2. fonti energetiche alternative.
2. Trasmissione di energia elettrica.
trasformatori.
3. Utilizzo dell'elettricità.
Introduzione.
La nascita dell'energia avvenne diversi milioni di anni fa, quando le persone impararono a usare il fuoco. Il fuoco dava loro calore e luce, era fonte di ispirazione e ottimismo, un'arma contro nemici e animali selvatici, rimedio, assistente agricolo, conservante alimentare, aiuto tecnologico, ecc.
È apparso il meraviglioso mito di Prometeo, che diede il fuoco alle persone Grecia antica molto più tardi che in molte parti del mondo, furono padroneggiati metodi piuttosto sofisticati per la gestione del fuoco, la sua produzione ed estinzione, la conservazione del fuoco e l'uso razionale del combustibile.
Per molti anni il fuoco è stato mantenuto bruciando fonti energetiche vegetali (legno, arbusti, canne, erba, alghe secche, ecc.), poi si è scoperto che era possibile utilizzare sostanze fossili per mantenere il fuoco: carbone, petrolio, scisto , torba.
Oggi l’energia rimane la componente principale della vita umana. Permette di creare vari materiali ed è uno dei principali fattori nello sviluppo di nuove tecnologie. In poche parole, senza padroneggiare vari tipi di energia, una persona non è in grado di esistere pienamente.
Produzione di energia.
Tipi di centrali elettriche.
Centrale termica (TPP), una centrale elettrica che genera energia elettrica come risultato della conversione dell'energia termica liberata dalla combustione di combustibili fossili. Le prime centrali termoelettriche apparvero alla fine del XIX secolo e si diffusero. A metà degli anni '70 del XX secolo, le centrali termoelettriche erano la principale tipologia di centrali elettriche.
Nelle centrali termoelettriche l’energia chimica del combustibile viene convertita prima in energia meccanica e poi in energia elettrica. Il combustibile per una tale centrale elettrica può essere carbone, torba, gas, scisti bituminosi e olio combustibile.
Le centrali termoelettriche si dividono in condensazione(IES), progettato per generare solo energia elettrica, e centrali termoelettriche combinate(CHP), producendo, oltre all’energia elettrica, energia termica sotto forma di acqua calda e vapore. I grandi CPP di rilevanza regionale sono chiamati centrali elettriche distrettuali statali (SDPP).
Il diagramma schematico più semplice di un CES alimentato a carbone è mostrato nella figura. Il carbone viene immesso nel deposito di carburante 1 e da esso nell'impianto di frantumazione 2, dove si trasforma in polvere. La polvere di carbone entra nel forno di un generatore di vapore (caldaia a vapore) 3, che dispone di un sistema di tubi in cui circola acqua chimicamente purificata, chiamata acqua di alimentazione. Nella caldaia, l'acqua viene riscaldata, evaporata e il vapore saturo risultante viene portato ad una temperatura di 400-650 ° C e, sotto una pressione di 3-24 MPa, entra nella turbina a vapore 4 attraverso una linea di vapore. dipendono dalla potenza delle unità.
Le centrali termoelettriche a condensazione hanno una bassa efficienza (30-40%), poiché la maggior parte dell'energia viene dispersa nei gas di scarico e nell'acqua di raffreddamento del condensatore. È vantaggioso costruire IES in prossimità dei siti di produzione di carburante. In questo caso i consumatori di energia elettrica possono trovarsi a notevole distanza dalla stazione.
Centrale di cogenerazione termica ed elettrica si differenzia da una stazione di condensazione perché su di essa è installata una speciale turbina di riscaldamento con estrazione del vapore. In una centrale termoelettrica, una parte del vapore viene completamente utilizzata nella turbina per generare elettricità nel generatore 5 e poi entra nel condensatore 6, e l'altra, avente temperatura e pressione più elevate, viene prelevata dallo stadio intermedio della turbina e viene utilizzato per la fornitura di calore. La condensa viene pompata dalla pompa 7 attraverso il disaeratore 8 e quindi dalla pompa di alimentazione 9 viene fornita al generatore di vapore. La quantità di vapore prelevato dipende dal fabbisogno di energia termica delle imprese.
Il fattore di efficienza delle centrali termoelettriche raggiunge il 60-70%. Tali stazioni sono solitamente costruite vicino ai consumatori: imprese industriali o aree residenziali. Molto spesso operano con carburante importato.
Stazioni termali con turbina a gas(GTPP), vapore-gas(PHPP) e impianti diesel.
Il gas o il combustibile liquido vengono bruciati nella camera di combustione di una centrale elettrica a turbina a gas; i prodotti della combustione a una temperatura di 750-900 ºС entrano in una turbina a gas che fa ruotare un generatore elettrico. L'efficienza di tali centrali termoelettriche è solitamente del 26-28%, la potenza arriva fino a diverse centinaia di MW . I GTPP vengono solitamente utilizzati per coprire i picchi di carico elettrico. L'efficienza del PGES può raggiungere il 42-43%.
Le più economiche sono le grandi centrali elettriche a turbina a vapore termico (abbreviato TPP). La maggior parte delle centrali termoelettriche nel nostro Paese utilizza la polvere di carbone come combustibile. Per generare 1 kWh di elettricità vengono consumate diverse centinaia di grammi di carbone. In una caldaia a vapore, oltre il 90% dell'energia rilasciata dal combustibile viene trasferita al vapore. Nella turbina l'energia cinetica dei getti di vapore viene trasferita al rotore. L'albero della turbina è rigidamente collegato all'albero del generatore.
Le moderne turbine a vapore per centrali termoelettriche sono macchine molto avanzate, ad alta velocità, altamente economiche con una lunga durata. La loro potenza nella nuova versione raggiunge 1 milione e 200mila kW, e questo non è il limite. Tali macchine sono sempre multistadio, ovvero presentano solitamente diverse dozzine di dischi con lame funzionanti e altrettanti, davanti a ciascun disco, di gruppi di ugelli attraverso i quali scorre un flusso di vapore. La pressione e la temperatura del vapore diminuiscono gradualmente.
È noto da un corso di fisica che l'efficienza dei motori termici aumenta all'aumentare della temperatura iniziale del fluido di lavoro. Pertanto, il vapore che entra nella turbina viene portato a parametri elevati: temperatura - quasi 550 ° C e pressione - fino a 25 MPa. Il fattore di efficienza delle centrali termoelettriche raggiunge il 40%. La maggior parte dell'energia viene persa insieme al vapore caldo di scarico.
Centrale idroelettrica (centrale idroelettrica), complesso di strutture e apparecchiature attraverso le quali l'energia del flusso d'acqua viene convertita in energia elettrica. Una centrale idroelettrica è costituita da un circuito in serie strutture idrauliche, fornendo la necessaria concentrazione del flusso d'acqua e creando pressione, e apparecchiature di potenza che convertono l'energia dell'acqua che si muove sotto pressione in energia di rotazione meccanica, che, a sua volta, viene convertita in energia elettrica.
NaporHES è creato dalla concentrazione della caduta del fiume nell'area utilizzata dalla diga, oppure derivazione, o una diga e una deviazione insieme. L'attrezzatura principale della centrale idroelettrica si trova nell'edificio della centrale idroelettrica: nella sala macchine della centrale - unità idrauliche, apparecchiature ausiliarie, dispositivi automatici di controllo e monitoraggio; nel posto di controllo centrale - console operatore-speditore o operatore automobilistico di una centrale idroelettrica. Crescente sottostazione di trasformazione ubicati sia all'interno dell'edificio della centrale idroelettrica che in edifici separati o aree aperte. Quadri spesso situato in un'area aperta. L'edificio di una centrale idroelettrica può essere suddiviso in sezioni con una o più unità e apparecchiature ausiliarie, separate dalle parti adiacenti dell'edificio. Presso o all'interno dell'edificio di una centrale idroelettrica viene creato un sito di installazione per l'assemblaggio e la riparazione di varie apparecchiature e per operazioni ausiliarie per la manutenzione della centrale idroelettrica.
Potenza installata (pollici) MW) distinguere tra centrali idroelettriche potente(oltre 250), media(fino a 25) e piccolo(fino a 5). La potenza di una centrale idroelettrica dipende dalla pressione (la differenza tra i livelli a monte e a valle ), portata d'acqua utilizzata nelle turbine idrauliche e efficienza dell'unità idraulica. Per una serie di motivi (a causa, ad esempio, di cambiamenti stagionali del livello dell'acqua nei serbatoi, fluttuazioni del carico del sistema di alimentazione, riparazioni di unità idrauliche o strutture idrauliche, ecc.), la pressione e il flusso dell'acqua cambiano continuamente e, inoltre, il flusso cambia quando si regola la potenza di una centrale idroelettrica. Esistono cicli annuali, settimanali e giornalieri di funzionamento della centrale idroelettrica.
In base alla pressione massima utilizzata, le centrali idroelettriche si dividono in alta pressione(più di 60 M), media pressione(da 25 a 60 M) E bassa pressione(dalle 3 alle 25 M). Sui fiumi di pianura le pressioni raramente superano i 100 M, in condizioni di montagna, la diga può creare pressioni fino a 300 M la maggior parte e con l'aiuto della derivazione - fino a 1500 M. La divisione delle centrali idroelettriche in base alla pressione utilizzata è di natura approssimativa e condizionale.
In base all'utilizzo delle risorse idriche e alla concentrazione della pressione, le centrali idroelettriche vengono solitamente suddivise in canale, diga, deviazione con deviazione in pressione e a flusso libero, mista, accumulo con pompaggio E marea.
Nelle centrali idroelettriche ad acqua fluente e in prossimità di dighe, la pressione dell'acqua viene creata da una diga che blocca il fiume e aumenta il livello dell'acqua nella vasca superiore. Allo stesso tempo, alcune inondazioni della valle del fiume sono inevitabili. Le centrali idroelettriche ad acqua fluente e basate su dighe sono costruite sia sui fiumi di pianura che sui fiumi di montagna, in strette valli compresse. Le centrali idroelettriche ad acqua fluente sono caratterizzate da pressioni fino a 30-40 M.
A pressioni più elevate risulta inappropriato trasferire la pressione idrostatica dell'acqua all'edificio della centrale idroelettrica. In questo caso viene utilizzato il tipo diga Una centrale idroelettrica in cui il fronte di pressione è bloccato per tutta la sua lunghezza da una diga, l'edificio della centrale idroelettrica si trova dietro la diga, adiacente a valle.
Un altro tipo di layout arginato La centrale idroelettrica corrisponde a condizioni di montagna con portate fluviali relativamente basse.
IN derivazionale Per derivazione viene realizzata la centrale idroelettrica di concentrazione della cascata del fiume; l'acqua all'inizio del tratto utilizzato del fiume viene deviata dall'alveo tramite una condotta, con pendenza sensibilmente inferiore alla pendenza media del fiume in questo tratto e con raddrizzamento delle anse del canale. La fine della deviazione porta al luogo dell'edificio della centrale idroelettrica. Le acque reflue vengono restituite al fiume o fornite alla successiva centrale idroelettrica di derivazione. La deviazione è utile quando la pendenza del fiume è alta.
Un posto speciale tra le centrali idroelettriche è occupato da centrali elettriche ad accumulazione mediante pompaggio(PSPP) e centrali elettriche mareomotrici(PSE). La costruzione di centrali con sistema di pompaggio è dovuta alla crescente domanda di potenza di punta nei grandi sistemi energetici, che determina la capacità di generazione necessaria per coprire i carichi di punta. La capacità delle centrali ad accumulazione con pompaggio di accumulare energia si basa sul fatto che l'energia elettrica gratuita nel sistema energetico per un certo periodo di tempo viene utilizzata dalle unità delle centrali ad accumulazione con pompaggio che, funzionando in modalità pompa, pompano l'acqua dal serbatoio nel pool di stoccaggio superiore. Durante i periodi di picco di carico, l'energia accumulata viene restituita al sistema di alimentazione (l'acqua dal bacino superiore entra nella tubazione in pressione e fa ruotare le unità idrauliche funzionanti in modalità generatore di corrente).
I PES convertono l'energia delle maree in elettricità. L'elettricità delle centrali idroelettriche mareomotrici, a causa di alcune caratteristiche legate alla natura periodica delle maree, può essere utilizzata nei sistemi energetici solo insieme all'energia delle centrali elettriche di regolazione, che compensano le interruzioni di corrente delle centrali idroelettriche mareomotrici all'interno giorni o mesi.
La caratteristica più importante delle risorse idroelettriche rispetto ai combustibili e alle risorse energetiche è la loro continua rinnovabilità: l'assenza della necessità di combustibile per le centrali idroelettriche determina il basso costo dell'elettricità generata nelle centrali idroelettriche. Pertanto, la costruzione di centrali idroelettriche, nonostante i notevoli investimenti di capitale specifico di 1 kW alla capacità installata e ai lunghi periodi di costruzione veniva e viene data grande importanza, soprattutto quando ciò è associato all'insediamento di industrie ad alta intensità elettrica.
Centrale nucleare (NPP), una centrale elettrica in cui l'energia atomica (nucleare) viene convertita in energia elettrica. Il generatore di energia in una centrale nucleare è un reattore nucleare. Di conseguenza, il calore rilasciato nel reattore reazione a catena fissione dei nuclei di alcuni elementi pesanti, quindi, proprio come nelle centrali termoelettriche convenzionali (TPP), viene convertito in elettricità. A differenza delle centrali termoelettriche che funzionano con combustibili fossili, le centrali nucleari funzionano con combustibili fossili combustibile nucleare(principalmente 233U, 235U, 239Pu). È stato stabilito che le risorse energetiche mondiali di combustibile nucleare (uranio, plutonio, ecc.) superano significativamente le risorse energetiche delle riserve naturali di combustibile organico (petrolio, carbone, gas naturale, ecc.). ). Ciò apre ampie prospettive per soddisfare il fabbisogno di combustibili in rapida crescita ed è necessario tenere conto del volume sempre crescente di consumo di carbone e petrolio per scopi tecnologici nell’industria chimica globale, che sta diventando un serio concorrente dell’energia termica. impianti. Nonostante la scoperta di nuovi giacimenti di combustibile organico e il miglioramento dei metodi per la sua estrazione, nel mondo si registra una tendenza ad un relativo aumento del suo costo. Ciò crea le condizioni più difficili per i paesi con riserve limitate di combustibili fossili. È evidente la necessità di un rapido sviluppo dell’energia nucleare, che già occupa un posto di rilievo nel bilancio energetico di numerosi paesi industriali in tutto il mondo.
Schema schematico di una centrale nucleare con un reattore nucleare raffreddamento ad acqua, mostrato in Fig. 2.Calore generato in nucleo reattore liquido refrigerante, viene assorbita dall'acqua proveniente dal 1° circuito, che viene pompata attraverso il reattore da una pompa di circolazione. L'acqua riscaldata dal reattore entra nello scambiatore di calore (generatore di vapore) 3, dove trasferisce il calore ricevuto nel reattore all'acqua del 2° circuito. L'acqua del 2° circuito evapora nel generatore di vapore e si forma vapore che entra poi nella turbina 4.
Molto spesso, nelle centrali nucleari vengono utilizzati 4 tipi di reattori a neutroni termici:
1) acqua-acqua con acqua ordinaria come moderatore e refrigerante;
2) acqua-grafite con refrigerante ad acqua e moderatore di grafite;
3) acqua pesante con acqua refrigerante e acqua pesante come moderatore;
4) graffito - gas con refrigerante e moderatore di grafite.
La scelta del tipo di reattore prevalentemente utilizzato è determinata principalmente dall'esperienza accumulata nel reattore vettore, nonché dalla disponibilità delle attrezzature industriali necessarie, delle materie prime, ecc.
Il reattore e i suoi sistemi di manutenzione includono: il reattore stesso con protezione biologica , scambiatori di calore, pompe o unità di soffiaggio del gas che fanno circolare il liquido di raffreddamento, tubazioni e raccordi per il circuito di circolazione, dispositivi per la ricarica del combustibile nucleare, sistemi di ventilazione speciali, raffreddamento di emergenza, ecc.
Per proteggere il personale della centrale nucleare dall'esposizione alle radiazioni, il reattore è circondato da protezione biologica, i cui materiali principali sono cemento, acqua e sabbia serpentina. L'attrezzatura del circuito del reattore deve essere completamente sigillata. Viene fornito un sistema per monitorare i luoghi di possibili perdite di refrigerante; vengono adottate misure per garantire che perdite e rotture nel circuito non causino emissioni radioattive e contaminazione dei locali della centrale nucleare e dell'area circostante. L'aria radioattiva e una piccola quantità di vapore refrigerante, causati da perdite dal circuito, vengono rimossi dalle stanze non presidiate della centrale nucleare da uno speciale sistema di ventilazione, in cui sono forniti filtri detergenti e serbatoi di gas per eliminare la possibilità di inquinamento atmosferico . Il rispetto delle norme sulla radioprotezione da parte del personale della centrale nucleare è monitorato dal servizio di controllo della dosimetria.
La presenza di protezione biologica, speciali sistemi di ventilazione e raffreddamento di emergenza e un servizio di monitoraggio delle radiazioni consente di proteggere completamente il personale operativo della centrale nucleare dagli effetti dannosi delle radiazioni radioattive.
Centrali nucleari, che sono le più aspetto moderno le centrali elettriche presentano una serie di vantaggi significativi rispetto ad altri tipi di centrali elettriche: quando condizioni normali funzionamento non inquinano affatto ambiente, non richiedono il collegamento a una fonte di materie prime e, di conseguenza, possono essere posizionati quasi ovunque. Le nuove unità di potenza hanno una capacità quasi uguale alla capacità di una centrale idroelettrica media, tuttavia, il fattore di utilizzo della capacità installata in una centrale nucleare (80%) supera significativamente questa cifra per una centrale idroelettrica o una centrale termica.
Le centrali nucleari praticamente non presentano svantaggi significativi in condizioni operative normali, tuttavia non si può fare a meno di notare il pericolo delle centrali nucleari in possibili circostanze di forza maggiore: terremoti, uragani, ecc. - qui i vecchi modelli di centrali rappresentano potenziale pericolo contaminazione da radiazioni dei territori a causa del surriscaldamento incontrollato del reattore.
Risorse di energia alternativa.
Energia del sole.
Recentemente, l'interesse per il problema dell'utilizzo dell'energia solare è aumentato notevolmente, poiché il potenziale energetico basato sullo sfruttamento della radiazione solare diretta è estremamente elevato.
Il collettore di radiazione solare più semplice è una lamiera di metallo annerito (solitamente alluminio), all'interno della quale sono presenti tubi in cui circola del liquido. Riscaldato dall'energia solare assorbita dal collettore, il liquido viene fornito per l'utilizzo diretto.
L’energia solare è uno dei tipi di produzione di energia a maggior consumo di materiali. L'uso su larga scala dell'energia solare comporta un gigantesco aumento della necessità di materiali e, di conseguenza, delle risorse di lavoro per l'estrazione delle materie prime, il loro arricchimento, l'ottenimento di materiali, la produzione di eliostati, collettori, altre attrezzature e il loro trasporto.
Finora l'energia elettrica generata dai raggi del sole è molto più costosa di quella ottenuta con i metodi tradizionali. Gli scienziati sperano che gli esperimenti che condurranno nelle installazioni e nelle stazioni pilota aiuteranno a risolvere non solo problemi tecnici, ma anche economici.
Energia eolica.
L'energia delle masse d'aria in movimento è enorme. Le riserve di energia eolica sono più di cento volte maggiori delle riserve idroelettriche di tutti i fiumi del pianeta. I venti soffiano costantemente e ovunque sulla terra. Le condizioni climatiche consentono lo sviluppo dell'energia eolica su un vasto territorio.
Oggigiorno i motori eolici coprono solo un millesimo del fabbisogno energetico mondiale. Pertanto, nella progettazione della ruota eolica, il cuore di ogni impianto eolico, vengono coinvolti specialisti nella costruzione di aeromobili che sanno selezionare il profilo della pala più appropriato e studiarlo in una galleria del vento. Grazie agli sforzi di scienziati e ingegneri, è stata creata un'ampia varietà di progetti di moderne turbine eoliche.
Energia della Terra.
Sin dai tempi antichi, le persone conoscevano le manifestazioni spontanee di un’energia gigantesca nascosta nella superficie terrestre. La memoria dell'umanità conserva leggende su catastrofiche eruzioni vulcaniche che causarono milioni di vite umane e cambiarono l'aspetto di molti luoghi sulla Terra oltre il riconoscimento. La potenza dell'eruzione anche di un vulcano relativamente piccolo è colossale; è molte volte maggiore della potenza delle più grandi centrali elettriche create dalle mani dell'uomo. È vero, non è necessario parlare dell'uso diretto dell'energia delle eruzioni vulcaniche, le persone non hanno ancora la capacità di frenare questo elemento ribelle.
L'energia della Terra è adatta non solo per riscaldare gli ambienti, come nel caso dell'Islanda, ma anche per generare elettricità: le centrali elettriche che utilizzano sorgenti calde sotterranee sono in funzione da molto tempo. La prima centrale elettrica di questo tipo, ancora a bassissima potenza, fu costruita nel 1904 nella piccola città italiana di Larderello. A poco a poco, la potenza della centrale è cresciuta, sono state messe in funzione sempre più nuove unità, sono state utilizzate nuove fonti di acqua calda e oggi la potenza della centrale ha già raggiunto l'impressionante valore di 360mila kilowatt.
Trasmissione di energia elettrica.
Trasformatori.
Hai acquistato un frigorifero ZIL. Il venditore ti ha avvertito che il frigorifero è progettato per una tensione di rete di 220 V. E a casa tua la tensione di rete è di 127 V. Una situazione senza speranza? Affatto. Devi solo fare una spesa aggiuntiva e acquistare un trasformatore.
Trasformatore- un dispositivo molto semplice che permette sia di aumentare che di diminuire la tensione. La conversione della corrente alternata viene effettuata utilizzando trasformatori. I trasformatori furono usati per la prima volta nel 1878 dal martire russo P. N. Yablochkov per alimentare le “candele elettriche” da lui inventate, una nuova fonte di luce per l’epoca. L'idea di P. N. Yablochkov è stata sviluppata dal dipendente dell'Università di Mosca I. F. Usagin, che ha progettato trasformatori migliorati.
Il trasformatore è costituito da un nucleo di ferro chiuso, sul quale sono posizionate due (a volte più) bobine con avvolgimenti di filo (Fig. 1). Uno degli avvolgimenti, chiamato avvolgimento primario, è collegato ad una sorgente di tensione alternata. Il secondo avvolgimento, a cui è collegato il “carico”, ovvero strumenti e dispositivi che consumano energia elettrica, è detto secondario.
Fig.1 Fig.2
Lo schema di un trasformatore con due avvolgimenti è mostrato in Figura 2, e la designazione non convenzionale adottata per esso è mostrata in Figura. 3.
L'azione del trasformatore si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Quando una corrente alternata passa attraverso l'avvolgimento primario, nel nucleo di ferro appare un flusso magnetico alternato che eccita la fem indotta in ciascun avvolgimento.Inoltre, il valore istantaneo della fem indotta eV qualsiasi giro dell'avvolgimento primario o secondario secondo la legge di Faraday è determinato dalla formula:
e = -Δ F/Δ T
Se F= Ф0соsωt, quindi
e = ω Ф0peccatoω T, O
e =Epeccatoω T,
Dove E=ω Ф0 è l'ampiezza della FEM in un giro.
Nell'avvolgimento primario, che ha n1 giri, fem totale indotta e1 uguale a p1e.
C'è un EMF totale nell'avvolgimento secondario. e2 uguale a p2e, Dove n2- il numero di giri di questo avvolgimento.
Ne consegue che
e1 e2 = n1n2. (1)
Quantità di tensione tu1 , applicato all'avvolgimento primario e EMF e1 dovrebbe essere uguale alla caduta di tensione nell'avvolgimento primario:
tu1 + e1 = io1 R1 , Dove R1 - resistenza attiva dell'avvolgimento e io1 - forza attuale in esso. Questa equazione segue direttamente dall'equazione generale. Tipicamente, la resistenza attiva dell'avvolgimento è piccola e io1 R1 può essere trascurato. Ecco perché
tu1 ≈ -e1 . (2)
Quando l'avvolgimento secondario del trasformatore è aperto non circola corrente e vale la seguente relazione:
tu2 ≈ - e2 . (3)
Poiché i valori istantanei della fem e1 E e2 cambiamento di fase, il loro rapporto nella formula (1) può essere sostituito dal rapporto dei valori effettivi E1 EE2 di questi campi elettromagnetici o, tenendo conto delle uguaglianze (2) e (3), il rapporto tra i valori di tensione efficaci U 1 e tu 2 .
U 1 /U 2 = E1 / E2 = N1 / N2 = K. (4)
Grandezza K chiamato rapporto di trasformazione. Se K>1, allora il trasformatore è abbassato, quando K<1 - crescente
Quando il circuito dell'avvolgimento secondario è chiuso, al suo interno scorre corrente. Poi il rapporto tu2 ≈ - e2 non è più esattamente soddisfatta, e di conseguenza il collegamento tra U 1 e tu 2 diventa più complessa rispetto all'equazione (4).
Secondo la legge di conservazione dell'energia, la potenza nel circuito primario deve essere uguale alla potenza nel circuito secondario:
U 1 IO1 = U 2 IO2, (5)
Dove IO1 E IO2 - valori effettivi di forza negli avvolgimenti primari e secondari.
Ne consegue che
U 1 /U 2 = IO1 / IO2 . (6)
Ciò significa che aumentando più volte la tensione con l'aiuto di un trasformatore, riduciamo la corrente lo stesso numero di volte (e viceversa).
A causa delle inevitabili perdite di energia dovute al rilascio di calore negli avvolgimenti e nel nucleo di ferro, le equazioni (5) e (6) sono approssimativamente soddisfatte. Tuttavia, nei moderni trasformatori potenti, le perdite totali non superano il 2-3%.
Nella pratica quotidiana abbiamo spesso a che fare con i trasformatori. Oltre a quei trasformatori che usiamo, volenti o nolenti, perché i dispositivi industriali sono progettati per una tensione e la rete cittadina ne utilizza un'altra, dobbiamo occuparci anche delle bobine delle automobili. La bobina è un trasformatore step-up. Per creare una scintilla che accenda la miscela di lavoro è necessaria un'alta tensione, che otteniamo dalla batteria dell'auto, dopo aver prima convertito la corrente continua della batteria in corrente alternata mediante un interruttore. Non è difficile capire che, fino alla perdita di energia utilizzata per riscaldare il trasformatore, all'aumentare della tensione diminuisce l'intensità della corrente e viceversa.
Le saldatrici necessitano di trasformatori step-down. La saldatura richiede correnti molto elevate e il trasformatore della saldatrice ha solo una spira in uscita.
Probabilmente hai notato che il nucleo del trasformatore è costituito da sottili fogli di acciaio. Questo viene fatto per non perdere energia durante la conversione della tensione. Nel materiale in fogli, le correnti parassite avranno un ruolo minore rispetto al materiale solido.
A casa hai a che fare con piccoli trasformatori. Per quanto riguarda i trasformatori potenti, si tratta di strutture enormi. In questi casi il nucleo con gli avvolgimenti viene posto in un serbatoio pieno di olio refrigerante.
Trasmissione dell'elettricità
I consumatori di elettricità sono ovunque. Viene prodotto in relativamente pochi luoghi vicini a fonti di carburante e risorse idriche. Pertanto, è necessario trasmettere elettricità su distanze che talvolta raggiungono centinaia di chilometri.
Ma la trasmissione di elettricità su lunghe distanze è associata a perdite notevoli. Il fatto è che quando la corrente scorre attraverso le linee elettriche, le riscalda. Secondo la legge Joule-Lenz, l'energia spesa per il riscaldamento dei fili della linea è determinata dalla formula
dove R è la resistenza di linea. Con una grande lunghezza della linea, la trasmissione di energia può diventare generalmente non redditizia. Per ridurre le perdite si può ovviamente seguire il percorso di riduzione della resistenza R della linea aumentando la sezione trasversale dei fili. Ma per ridurre R, ad esempio, di 100 volte, è necessario aumentare la massa del filo di 100 volte. È chiaro che un consumo così elevato di costosi metalli non ferrosi non può essere consentito, per non parlare delle difficoltà di fissaggio di cavi pesanti su pali alti, ecc. Pertanto, le perdite di energia nella linea vengono ridotte in un altro modo: riducendo la corrente nella linea. Ad esempio, riducendo la corrente di 10 volte si riduce la quantità di calore rilasciata nei conduttori di 100 volte, cioè si ottiene lo stesso effetto che si ottiene rendendo il filo cento volte più pesante.
Poiché la potenza attuale è proporzionale al prodotto tra corrente e tensione, per mantenere la potenza trasmessa è necessario aumentare la tensione nella linea di trasmissione. Inoltre, quanto più lunga è la linea di trasmissione, tanto più vantaggioso è l'utilizzo di una tensione più elevata: ad esempio, nella linea di trasmissione ad alta tensione Volzhskaya HPP - Mosca viene utilizzata una tensione di 500 kV. Nel frattempo, i generatori di corrente alternata sono costruiti a tensioni non superiori a 16-20 kV, poiché tensioni più elevate richiederebbero misure speciali più complesse da adottare per isolare gli avvolgimenti e altre parti dei generatori.
Ecco perché nelle grandi centrali elettriche vengono installati trasformatori elevatori. Il trasformatore aumenta la tensione nella linea della stessa quantità di cui riduce la corrente. La perdita di potenza è piccola.
Per l'uso diretto dell'elettricità nei motori elettrici di macchine utensili, reti di illuminazione e per altri scopi, la tensione alle estremità della linea deve essere ridotta. Ciò si ottiene utilizzando trasformatori step-down. Inoltre, di solito una diminuzione della tensione e, di conseguenza, un aumento della corrente avviene in più fasi. Ad ogni fase la tensione diminuisce sempre di più, il territorio coperto dalla rete elettrica si allarga. Lo schema di trasmissione e distribuzione della potenza è mostrato in figura.
Le centrali elettriche in diverse regioni del paese sono collegate da linee di trasmissione ad alta tensione, formando una rete elettrica comune alla quale sono collegati i consumatori. Tale associazione è chiamata sistema energetico. Il sistema di alimentazione garantisce una fornitura ininterrotta di energia ai consumatori indipendentemente dalla loro ubicazione.
Utilizzo dell'energia elettrica.
Utilizzo dell'energia elettrica in vari campi della scienza.
Il XX secolo è diventato il secolo in cui la scienza invade tutte le sfere della società: economia, politica, cultura, istruzione, ecc. Naturalmente la scienza influenza direttamente lo sviluppo dell'energia e il campo di applicazione dell'elettricità. Da un lato, la scienza contribuisce ad ampliare il campo di applicazione dell’energia elettrica e quindi ad aumentarne il consumo, ma dall’altro, in un’epoca in cui l’uso illimitato di risorse energetiche non rinnovabili rappresenta un pericolo per le generazioni future, l’urgente necessità I compiti della scienza sono lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico e la loro implementazione nella vita.
Esaminiamo queste domande utilizzando esempi specifici. Circa l’80% della crescita del PIL (prodotto interno lordo) paesi sviluppati raggiunto attraverso l’innovazione tecnica, la maggior parte della quale è legata all’uso dell’elettricità. Tutto ciò che è nuovo nell'industria, nell'agricoltura e nella vita di tutti i giorni ci arriva grazie ai nuovi sviluppi in vari rami della scienza.
La maggior parte degli sviluppi scientifici iniziano con calcoli teorici. Ma se nel XIX secolo questi calcoli venivano effettuati utilizzando carta e penna, nell'era della STR (rivoluzione scientifica e tecnologica) tutti i calcoli teorici, la selezione e l'analisi dei dati scientifici e persino l'analisi linguistica delle opere letterarie vengono eseguiti utilizzando i computer. (calcolatori elettronici), che funzionano con l'energia elettrica, più conveniente per trasmetterla a distanza e utilizzarla. Ma se inizialmente i computer venivano utilizzati per calcoli scientifici, ora i computer hanno preso vita dalla scienza.
Ora vengono utilizzati in tutti gli ambiti dell'attività umana: per registrare e archiviare informazioni, creare archivi, preparare e modificare testi, eseguire disegni e lavori grafici, automatizzare la produzione e l'agricoltura. L’elettronizzazione e l’automazione della produzione sono le conseguenze più importanti della “seconda rivoluzione industriale” o “microelettronica” nelle economie dei paesi sviluppati. Lo sviluppo dell'automazione complessa è direttamente correlato alla microelettronica, dal punto di vista qualitativo nuova fase che iniziò con l'invenzione nel 1971 del microprocessore, un dispositivo logico microelettronico integrato in vari dispositivi per controllarne il funzionamento.
I microprocessori hanno accelerato la crescita della robotica. La maggior parte dei robot attualmente in uso appartengono alla cosiddetta prima generazione e vengono utilizzati per operazioni di saldatura, taglio, pressatura, rivestimento, ecc. I robot di seconda generazione che li sostituiscono sono dotati di dispositivi per il riconoscimento dell'ambiente. Gli “intellettuali” robotici della terza generazione “vedranno”, “sentiranno”, “sentiranno”. Scienziati e ingegneri annoverano l'energia nucleare, l'esplorazione spaziale, i trasporti, il commercio, lo stoccaggio, l'assistenza medica, il trattamento dei rifiuti e lo sviluppo delle risorse oceaniche tra le aree di applicazione più prioritarie dei robot. La maggior parte dei robot funziona con energia elettrica, ma l’aumento del consumo di elettricità da parte dei robot è compensato da una riduzione del consumo di energia in molti processi produttivi ad alta intensità energetica grazie all’introduzione di metodi più razionali e di nuovi processi tecnologici a risparmio energetico.
Ma torniamo alla scienza: tutti i nuovi sviluppi teorici, dopo i calcoli al computer, vengono testati sperimentalmente. E, di norma, in questa fase, la ricerca viene effettuata utilizzando misurazioni fisiche, analisi chimiche, ecc. Qui gli strumenti della ricerca scientifica sono diversi: numerosi strumenti di misura, acceleratori, microscopi elettronici, scanner per risonanza magnetica, ecc. La maggior parte di questi strumenti della scienza sperimentale funziona con l'energia elettrica.
La scienza nel campo delle comunicazioni e delle comunicazioni si sta sviluppando molto rapidamente. Le comunicazioni satellitari non vengono più utilizzate solo come mezzo di comunicazione internazionale, ma anche nella vita di tutti i giorni - parabole non raro nella nostra città. Nuovi mezzi di comunicazione, come la tecnologia delle fibre, possono ridurre significativamente le perdite di energia nel processo di trasmissione dei segnali su lunghe distanze.
La scienza non ha aggirato la sfera della gestione. Con lo sviluppo del progresso scientifico e tecnologico e l'espansione delle sfere produttive e non produttive dell'attività umana, la gestione inizia a svolgere un ruolo sempre più importante nell'aumentare la loro efficienza. Da un'arte, che fino a poco tempo fa si basava sull'esperienza e sull'intuizione, la gestione si è recentemente trasformata in una scienza. La scienza della gestione, le leggi generali sulla ricezione, archiviazione, trasmissione ed elaborazione delle informazioni si chiama cibernetica. Questo termine deriva dalle parole greche "timoniere", "timoniere" e si trova nelle opere degli antichi filosofi greci. La sua rinascita, però, avvenne effettivamente nel 1948, dopo la pubblicazione del libro “Cibernetica” dello scienziato americano Norbert Wiener.
Prima dell’inizio della rivoluzione “cibernetica”, esisteva solo l’informatica cartacea, il cui principale mezzo di percezione era il cervello umano, e che non utilizzava l’elettricità. La rivoluzione "cibernetica" ha dato vita a una rivoluzione fondamentalmente diversa: l'informatica delle macchine, corrispondente ai flussi di informazioni enormemente aumentati, la cui fonte di energia è l'elettricità. Insieme sono stati creati mezzi completamente nuovi per ottenere informazioni, la loro accumulazione, elaborazione e trasmissione formare una struttura informativa complessa. Comprende sistemi di controllo automatizzato (sistemi di controllo automatizzato), banche dati di informazioni, database di informazioni automatizzate, centri di calcolo, terminali video, fotocopiatrici e fototelegrafi, sistemi di informazione nazionali, sistemi di comunicazione satellitare e in fibra ottica ad alta velocità: tutto ciò si è espanso illimitatamente la portata dell’uso dell’energia elettrica.
Molti scienziati ritengono che in questo caso stiamo parlando di una nuova civiltà “dell’informazione”, che sostituisce l’organizzazione tradizionale di una società di tipo industriale. Questa specializzazione è caratterizzata dalle seguenti importanti caratteristiche:
· uso diffuso dell'informatica nella produzione materiale e immateriale, nel campo della scienza, dell'istruzione, della sanità, ecc.;
· la presenza di un'ampia rete di diverse banche dati, anche pubbliche;
· trasformare l'informazione in uno dei fattori più importanti dello sviluppo economico, nazionale e personale;
· libera circolazione dell'informazione nella società.
Tale transizione dalla società industriale alla "civiltà dell'informazione" è diventata possibile in gran parte grazie allo sviluppo dell'energia e alla fornitura di un tipo di energia conveniente per la trasmissione e l'uso: l'energia elettrica.
Elettricità in produzione.
Non è possibile immaginare la società moderna senza l’elettrificazione delle attività produttive. Già alla fine degli anni 80 più di 1/3 del consumo energetico mondiale veniva effettuato sotto forma di energia elettrica. Entro l’inizio del prossimo secolo, questa quota potrebbe aumentare fino alla metà. Questo aumento del consumo di elettricità è principalmente associato ad un aumento del consumo nell’industria. Parte principale imprese industriali funziona con energia elettrica. L’elevato consumo di elettricità è tipico delle industrie ad alta intensità energetica come la metallurgia, l’alluminio e l’ingegneria meccanica.
Elettricità in casa.
L'elettricità è un assistente integrale nella vita di tutti i giorni. Abbiamo a che fare con lei ogni giorno e probabilmente non potremmo immaginare la nostra vita senza di lei. Ricorda l'ultima volta che le tue luci sono state spente, cioè non arrivava elettricità a casa tua, ricorda come hai giurato che non avevi tempo per fare nulla e avevi bisogno di luce, avevi bisogno di una TV, di bollitori e di un mucchio di cose di altri apparecchi elettrici. Dopotutto, se dovessimo perdere il potere per sempre, torneremmo a quei tempi antichi in cui il cibo veniva cotto sul fuoco e vivevamo in freddi Wigwam.
Si potrebbe dedicare un'intera poesia all'importanza dell'elettricità nella nostra vita, è così importante nella nostra vita e ci siamo così abituati. Anche se non ci accorgiamo più che entra nelle nostre case, quando è spento diventa molto scomodo.
Apprezza l'elettricità!
Bibliografia.
1. Libro di testo di S.V. Gromov "Fisica, grado 10". Mosca: Illuminismo.
2. Dizionario enciclopedico di un giovane fisico. Composto. V.A. Chuyanov, Mosca: Pedagogia.
3. Ellion L., Wilkons U... Fisica. Mosca: scienza.
4. Koltun M. Mondo della fisica. Mosca.
5. Fonti di energia. Fatti, problemi, soluzioni. Mosca: scienza e tecnologia.
6. Fonti energetiche non tradizionali. Mosca: Conoscenza.
7. Yudasin L.S... Energia: problemi e speranze. Mosca: Illuminismo.
8. Podgorny A.N. Energia dell'idrogeno. Mosca: scienza.
UTILIZZO DELL'ELETTRICITÀ IN VARI CAMPI DELLA SCIENZA
E L'INFLUENZA DELLA SCIENZA SULL'USO DELL'ELETTRICITÀ NELLA VITA
Il XX secolo è diventato il secolo in cui la scienza invade tutte le sfere della vita sociale: economia, politica, cultura, istruzione, ecc. Naturalmente la scienza influenza direttamente lo sviluppo dell'energia e il campo di applicazione dell'elettricità. Da un lato, la scienza contribuisce ad ampliare il campo di applicazione dell’energia elettrica e quindi ad aumentarne il consumo, ma dall’altro, in un’epoca in cui l’uso illimitato di risorse energetiche non rinnovabili rappresenta un pericolo per le generazioni future, l’urgente necessità I compiti della scienza sono lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico e la loro implementazione nella vita.
Esaminiamo queste domande utilizzando esempi specifici. Circa l’80% della crescita del PIL (prodotto interno lordo) dei paesi sviluppati è ottenuta attraverso l’innovazione tecnica, la maggior parte della quale è legata all’uso dell’elettricità. Tutto ciò che è nuovo nell'industria, nell'agricoltura e nella vita di tutti i giorni ci arriva grazie ai nuovi sviluppi in vari rami della scienza.
La maggior parte degli sviluppi scientifici iniziano con calcoli teorici. Ma se nel XIX secolo questi calcoli venivano effettuati utilizzando carta e penna, nell'era della STR (rivoluzione scientifica e tecnologica) tutti i calcoli teorici, la selezione e l'analisi dei dati scientifici e persino l'analisi linguistica delle opere letterarie vengono eseguiti utilizzando i computer. (calcolatori elettronici), che funzionano con l'energia elettrica, che è più conveniente per trasmetterla a distanza e utilizzarla. Ma se inizialmente i computer venivano utilizzati per calcoli scientifici, ora i computer sono passati dalla scienza alla vita.
Ora vengono utilizzati in tutti gli ambiti dell'attività umana: per registrare e archiviare informazioni, creare archivi, preparare e modificare testi, eseguire disegni e lavori grafici, automatizzare la produzione e l'agricoltura. L’elettronica e l’automazione della produzione sono le conseguenze più importanti della “seconda rivoluzione industriale” o “microelettronica” nelle economie dei paesi sviluppati. Lo sviluppo dell'automazione complessa è direttamente correlato alla microelettronica, una fase qualitativamente nuova è iniziata dopo l'invenzione nel 1971 del microprocessore, un dispositivo logico microelettronico integrato in vari dispositivi per controllarne il funzionamento.
I microprocessori hanno accelerato la crescita della robotica. La maggior parte dei robot utilizzati oggi appartengono alla cosiddetta prima generazione e vengono utilizzati nella saldatura, nel taglio, nella pressatura, nel rivestimento, ecc. I robot di seconda generazione che li sostituiscono sono dotati di dispositivi per il riconoscimento dell'ambiente. E i robot “intelligenti” di terza generazione “vedranno”, “sentiranno” e “ascolteranno”. Scienziati e ingegneri annoverano l’energia nucleare, l’esplorazione spaziale, i trasporti, il commercio, lo stoccaggio, l’assistenza medica, il trattamento dei rifiuti e lo sviluppo delle ricchezze dei fondali oceanici tra le aree con la massima priorità per l’utilizzo dei robot. La maggior parte dei robot funziona con energia elettrica, ma l’aumento del consumo di elettricità da parte dei robot è compensato da una diminuzione dei costi energetici in molti processi produttivi ad alta intensità energetica grazie all’introduzione di metodi più razionali e di nuovi processi tecnologici a risparmio energetico.
Ma torniamo alla scienza. Tutti i nuovi sviluppi teorici dopo i calcoli al computer vengono testati sperimentalmente. E, di norma, in questa fase, la ricerca viene effettuata utilizzando misurazioni fisiche, analisi chimiche, ecc. Qui gli strumenti di ricerca scientifica sono diversi: numerosi strumenti di misura, acceleratori, microscopi elettronici, scanner per risonanza magnetica, ecc. La maggior parte di questi strumenti di scienza sperimentale sono alimentati da energia elettrica.
Ma la scienza non utilizza l'elettricità solo nei suoi campi teorici e sperimentali, le idee scientifiche nascono costantemente nel campo tradizionale della fisica associato alla ricezione e alla trasmissione dell'elettricità. Gli scienziati, ad esempio, stanno cercando di creare generatori elettrici senza parti rotanti. Nei motori elettrici convenzionali, affinché si crei una “forza magnetica” è necessario fornire corrente continua al rotore. A un elettromagnete “che funziona come un rotore” (la sua velocità di rotazione raggiunge i tremila giri al minuto) elettricità deve essere alimentato tramite spazzole e anelli di carbone conduttivo, che sfregano tra loro e si usurano facilmente. I fisici hanno avuto l'idea di sostituire il rotore con un getto di gas caldi, un getto di plasma, in cui sono presenti molti elettroni e ioni liberi. Se passi un tale getto tra i poli di un forte magnete, allora secondo la legge induzione elettromagnetica Al suo interno si verificherà una corrente elettrica: dopo tutto, il getto si sta muovendo. Gli elettrodi, con l'aiuto dei quali deve essere rimossa la corrente dal getto caldo, possono essere fissi, a differenza delle spazzole di carbone degli impianti elettrici convenzionali. Un nuovo tipo di macchina elettrica è chiamato generatore magnetoidrodinamico.
A metà del XX secolo, gli scienziati crearono un originale generatore elettrochimico, chiamato cella a combustibile. Alle piastre degli elettrodi della cella a combustibile vengono forniti due gas: idrogeno e ossigeno. Sugli elettrodi di platino, i gas cedono elettroni a un circuito elettrico esterno, diventano ioni e, una volta combinati, si trasformano in acqua. Sia l'elettricità che l'acqua sono ottenute dal gas combustibile. Una fonte di energia comoda, silenziosa e pulita per i viaggi a lunga distanza, come nello spazio, dove entrambi i prodotti a celle a combustibile sono particolarmente necessari.
Un altro modo originale di generare elettricità, che si è diffuso di recente, è convertire l'energia solare in energia elettrica “direttamente” - utilizzando impianti fotovoltaici (batterie solari). Ad essi è associata l’emergere di “case solari”, “serre solari”, “fattorie solari”. Tali pannelli solari vengono utilizzati anche nello spazio per fornire elettricità ad astronavi e stazioni.
La scienza nel campo delle comunicazioni e delle comunicazioni si sta sviluppando molto rapidamente. Le comunicazioni satellitari non vengono più utilizzate solo come mezzo di comunicazione internazionale, ma anche nella vita di tutti i giorni: le antenne paraboliche non sono rare nella nostra città. Nuovi mezzi di comunicazione, come la tecnologia delle fibre, possono ridurre significativamente le perdite di energia nel processo di trasmissione dei segnali su lunghe distanze.
La scienza non ha aggirato la sfera della gestione. Con lo sviluppo del progresso scientifico e tecnologico e l'espansione delle sfere produttive e non produttive dell'attività umana, la gestione inizia a svolgere un ruolo sempre più importante nell'aumentare la loro efficienza. Da un'arte, che fino a poco tempo fa si basava sull'esperienza e sull'intuizione, oggi il management si è trasformato in una scienza. La scienza della gestione, le leggi generali sulla ricezione, archiviazione, trasmissione ed elaborazione delle informazioni si chiama cibernetica. Questo termine deriva dalle parole greche “timoniere”, “timoniere”. Si trova nelle opere degli antichi filosofi greci. La sua rinascita, però, avvenne effettivamente nel 1948, dopo la pubblicazione del libro “Cibernetica” dello scienziato americano Norbert Wiener.
Prima dell’inizio della rivoluzione “cibernetica”, esisteva solo l’informatica cartacea, il cui principale mezzo di percezione era il cervello umano, e che non utilizzava l’elettricità. La rivoluzione "cibernetica" ha dato vita a una rivoluzione fondamentalmente diversa: l'informatica delle macchine, corrispondente ai flussi di informazioni enormemente aumentati, la cui fonte di energia è l'elettricità. Sono stati creati mezzi completamente nuovi per ottenere informazioni, accumularle, elaborarle e trasmetterle, che insieme formano una complessa struttura informativa. Comprende sistemi di controllo automatizzato (sistemi di controllo automatizzato), banche dati di informazioni, database di informazioni automatizzate, centri di calcolo, terminali video, fotocopiatrici e fototelegrafi, sistemi di informazione nazionali, sistemi di comunicazione satellitare e in fibra ottica ad alta velocità: tutto ciò si è espanso illimitatamente la portata dell’uso dell’energia elettrica.
Molti scienziati ritengono che in questo caso stiamo parlando di una nuova civiltà “dell’informazione”, che sostituisce l’organizzazione tradizionale di una società di tipo industriale. Questa specializzazione è caratterizzata dalle seguenti importanti caratteristiche:
· uso diffuso dell'informatica nella produzione materiale e immateriale, nel campo della scienza, dell'istruzione, della sanità, ecc.;
· la presenza di un'ampia rete di diverse banche dati, anche pubbliche;
· trasformare l'informazione in uno dei fattori più importanti per lo sviluppo economico, nazionale e personale;
· libera circolazione dell'informazione nella società.
Tale transizione dalla società industriale alla "civiltà dell'informazione" è diventata possibile in gran parte grazie allo sviluppo dell'energia e alla fornitura di un tipo di energia conveniente per la trasmissione e l'uso: l'energia elettrica.
ELETTRICITÀ IN PRODUZIONE
Non è possibile immaginare la società moderna senza l’elettrificazione delle attività produttive. Già alla fine degli anni 80 più di 1/3 del consumo energetico mondiale veniva effettuato sotto forma di energia elettrica. Entro l’inizio del prossimo secolo, questa quota potrebbe aumentare fino alla metà. Questo aumento del consumo di elettricità è principalmente associato ad un aumento del consumo nell’industria. La maggior parte delle imprese industriali opera con l'energia elettrica. L’elevato consumo di elettricità è tipico delle industrie ad alta intensità energetica come la metallurgia, l’alluminio e l’ingegneria meccanica.
Ciò solleva il problema dell’uso efficiente di questa energia. Quando si trasmette elettricità su lunghe distanze, dal produttore al consumatore, le perdite di calore lungo la linea di trasmissione aumentano in proporzione al quadrato della corrente, cioè se la corrente raddoppia, le perdite di calore aumentano di 4 volte. Pertanto, è auspicabile che la corrente nelle linee sia piccola. Per fare ciò, la tensione sulla linea di trasmissione viene aumentata. L'elettricità viene trasmessa attraverso linee dove la tensione raggiunge centinaia di migliaia di volt. Vicino alle città che ricevono energia dalle linee di trasmissione, questa tensione viene aumentata a diverse migliaia di volt utilizzando un trasformatore riduttore. Nella città stessa, nelle sottostazioni la tensione scende a 220 volt.
Il nostro Paese occupa un vasto territorio, quasi 12 fusi orari. Ciò significa che mentre in alcune regioni il consumo di energia elettrica è al massimo, in altre la giornata lavorativa è già terminata e i consumi stanno diminuendo. Per uso razionale dell'elettricità generata dalle centrali elettriche, sono unite nei sistemi elettrici delle singole regioni: la parte europea, la Siberia, gli Urali, l'Estremo Oriente, ecc. Questa unificazione consente un uso più efficiente dell'elettricità coordinando il funzionamento delle singole centrali elettriche . Ora vari sistemi energetici sono uniti in un unico sistema energetico della Russia.
La prossima opportunità per un utilizzo efficace è ridurre il consumo energetico utilizzando tecnologie di risparmio energetico e apparecchiature moderne che consumano una quantità minima di elettricità. Un esempio di ciò potrebbe essere la produzione di acciaio. Se negli anni '60 il metodo principale di fusione dell'acciaio era il metodo a focolare aperto (72% di tutte le fusioni), negli anni '90 questa tecnologia di fusione è stata sostituita da metodi più efficienti: produzione dell'acciaio con convertitore di ossigeno e forno elettrico.
LETTERATURA:
1. Koltun M. World of Physics: letteratura scientifica e artistica. - M.: Det. lett., 1984.- 271 p.
2. Maksakovsky V.P. Immagine geografica del mondo. Parte 1. Caratteristiche generali del mondo. - Yaroslavl: Verkh.-Volzh. libro casa editrice, 1995.- 320 p.
3. Ellion L., Wilkons U. Fisica. - M.: Nauka, 1967.- 808 p.
4. Dizionario enciclopedico di un giovane fisico / Comp. V.A. Chuyanov. - M.: Pedagogia, 1984.- 352 p.
La tensione alternata può essere convertita: aumentata o diminuita.
Dispositivi che possono essere utilizzati per convertire la tensionesono chiamati trasformatori. Il funzionamento dei trasformatori si basa su il fenomeno dell’induzione elettromagnetica.
Dispositivo trasformatore
Il trasformatore è composto da nucleo ferromagnetico sul quale sono disposte due bobine.
L'avvolgimento primario si chiama bobina collegata ad una sorgente di tensione alternata U 1 .
L'avvolgimento secondario si chiama una bobina che può essere collegata a dispositivi che consumano energia elettrica.
Dispositivi che consumano energia elettrica agiscono come un carico e ai loro capi viene creata una tensione alternata U 2 .
Se U 1 >U 2 , Quello il trasformatore è chiamato trasformatore step-down e se U 2 >U 1 - quindi in aumento.
Principio di funzionamento
Nell'avvolgimento primario viene creata una corrente alternata, pertanto al suo interno viene creato un flusso magnetico alternato. Questo flusso è chiuso nel nucleo ferromagnetico e penetra in ogni spira di entrambi gli avvolgimenti. In ciascuna delle spire di entrambi gli avvolgimenti appare la stessa fem indottae io 0
Se n 1 e n 2 sono rispettivamente il numero di spire negli avvolgimenti primario e secondario
EMF di induzione nell'avvolgimento primario e io 1 = N 1 * e io 0 EMF di induzione nell'avvolgimento secondario e io 2 = N 1 * e io 0
Dovee io 0 - EMF di induzione che si verifica in un giro della bobina secondaria e primaria .
Trasmissione dell'elettricità
P 
La trasmissione dell'energia elettrica dalle centrali elettriche alle grandi città o ai centri industriali su distanze di migliaia di chilometri è un problema scientifico e tecnico complesso. Le perdite di energia (potenza) per i cavi di riscaldamento possono essere calcolate utilizzando la formula
Per ridurre le perdite dovute al riscaldamento dei fili è necessario aumentare la tensione. In genere, le linee elettriche sono costruite per una tensione di 400–500 kV, mentre nelle linee viene utilizzata corrente alternata con una frequenza di 50 Hz La figura mostra uno schema della linea di trasmissione dell'elettricità dalla centrale elettrica al consumatore. Il diagramma dà un'idea dell'uso dei trasformatori nella trasmissione di potenza
41. Campo elettromagnetico e onde elettromagnetiche. Velocità delle onde elettromagnetiche. Proprietà delle onde elettromagnetiche. Idee della teoria di Maxwell
L'esistenza delle onde elettromagnetiche fu prevista teoricamente dal grande fisico inglese J. Maxwell nel 1864. Maxwell ha introdotto il concetto in fisica campo elettrico a vortice e ha proposto una nuova interpretazione della legge induzione elettromagnetica, scoperto da Faraday nel 1831:
Qualsiasi cambiamento nel campo magnetico genera un campo elettrico a vortice nello spazio circostante .
Maxwell ipotizzò l’esistenza del processo inverso:
Un campo elettrico variabile nel tempo genera un campo magnetico nello spazio circostante.
Una volta iniziato, il processo di mutua generazione di campi magnetici ed elettrici dovrà poi proseguire continuamente e conquistare sempre più nuove aree di spazio.
Conclusione:
Esiste una forma speciale della materia – campo elettromagnetico – che consiste in vortici di campi elettrici e magnetici che si generano a vicenda.
Il campo elettromagnetico è caratterizzato due quantità vettoriali: tensioneE Campo elettrico e induzione del vorticeIN campo magnetico.
Viene chiamato il processo di propagazione dei campi elettrici e magnetici vorticosi nello spazioOnda elettromagnetica.
L'ipotesi di Maxwell era solo un presupposto teorico che non aveva conferma sperimentale, ma sulla base Maxwell riuscì a scrivere un sistema coerente di equazioni che descrivono le trasformazioni reciproche dei campi elettrici e magnetici, cioè un sistema di equazioni campo elettromagnetico (Equazioni di Maxwell)
ELETTRODINAMICA
Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica consiste nel verificarsi di corrente elettrica in un circuito chiuso quando qualsiasi variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo contorno.
Corrente alternata-è una corrente elettrica la cui intensità cambia in qualche modo nel tempo.
Trasformatore- Questo è un dispositivo per aumentare o diminuire la tensione alternata.
1. Produzione:
Centrale termoelettrica (TPP), una centrale elettrica che genera energia elettrica come risultato della conversione dell'energia termica rilasciata durante la combustione di combustibili fossili.
Nelle centrali termoelettriche l’energia chimica del combustibile viene convertita prima in energia meccanica e poi in energia elettrica. Il combustibile per una tale centrale elettrica può essere carbone, torba, gas, scisti bituminosi e olio combustibile.
2. Trasferimento:
Un trasformatore è un dispositivo che consente sia di aumentare che di diminuire la tensione. La conversione della corrente alternata viene effettuata utilizzando trasformatori. Il trasformatore è costituito da un nucleo di ferro chiuso, sul quale sono posizionate due (a volte più) bobine con avvolgimenti di filo. Uno degli avvolgimenti, chiamato avvolgimento primario, è collegato ad una sorgente di tensione alternata. Il secondo avvolgimento, a cui è collegato il “carico”, cioè strumenti e dispositivi che consumano energia elettrica, è chiamato secondario. Il funzionamento di un trasformatore si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Quando la corrente alternata passa attraverso l'avvolgimento primario, nel nucleo di ferro appare un flusso magnetico alternato, che eccita una fem indotta in ciascun avvolgimento.
3. Consumo:
L’elettronizzazione e l’automazione della produzione sono le conseguenze più importanti della “seconda rivoluzione industriale” o “microelettronica” nelle economie dei paesi sviluppati. Lo sviluppo dell'automazione complessa è direttamente correlato alla microelettronica, una fase qualitativamente nuova è iniziata dopo l'invenzione nel 1971 del microprocessore, un dispositivo logico microelettronico integrato in vari dispositivi per controllarne il funzionamento. La scienza nel campo delle comunicazioni e delle comunicazioni si sta sviluppando molto rapidamente. Le comunicazioni satellitari non vengono più utilizzate solo come mezzo di comunicazione internazionale, ma anche nella vita di tutti i giorni: in città non sono rare le antenne paraboliche.
Problemi di risparmio energetico. La Russia ha enormi prospettive di risparmio energetico e allo stesso tempo è uno dei paesi più dispendiosi al mondo. Il risparmio energetico dipende direttamente dall’uso razionale delle risorse energetiche esistenti. Enormi perdite di energia sono tipiche delle abitazioni e dei servizi comunali. Secondo gli esperti, circa il 70% delle perdite di calore è dovuta alla negligenza dei consumatori. Spesso negli appartamenti le batterie sono installate senza regolazione della potenza, per cui funzionano a piena capacità e i residenti devono aprire le finestre per abbassare la temperatura nella stanza. Per realizzare il potenziale di risparmio energetico nelle abitazioni e nei servizi comunali, si prevede di introdurre un'introduzione diffusa di dispositivi di misurazione, passare a standard obbligatori di efficienza energetica per gli edifici nuovi e ricostruiti, modernizzare i sistemi di fornitura di calore per edifici e strutture, introdurre illuminazione a risparmio energetico sistemi, introdurre dispositivi e tecnologie per il risparmio energetico nelle caldaie, negli impianti di trattamento delle acque reflue, nelle società di servizi idrici, concedendo alle organizzazioni di bilancio il diritto di disporre dei fondi risparmiati a seguito dell'attuazione di progetti di risparmio energetico per un periodo fino a 5 anni e altro ancora .
Precauzioni di sicurezza quando si maneggia la corrente elettrica. Per l'uomo è considerata pericolosa una corrente pari o superiore a 25 V. In questa situazione è necessario distinguere chiaramente tra tensione e corrente. E' l'ultimo che uccide. Ad esempio: le scintille blu delle scariche statiche hanno una tensione di 7000 V, ma hanno una potenza trascurabile, mentre una presa di tensione di 220 V, ma con una corrente di 10-16 A può causare la morte. Inoltre, il passaggio di una corrente con una forza di 30-50 mA attraverso il muscolo cardiaco può già causare fibrillazione (sfarfallamento) del muscolo cardiaco e arresto cardiaco riflesso. Come andrà a finire è abbastanza chiaro. Se la corrente non tocca il cuore (e le vie dell'elettricità dentro corpo umano sono piuttosto bizzarri), il suo effetto può causare la paralisi dei muscoli respiratori, il che non fa ben sperare.
Campo elettromagnetico e onde elettromagnetiche.Campo elettromagnetico- una forma speciale di materia attraverso la quale avviene l'interazione tra particelle caricate elettricamente.
Onda elettromagnetica- il processo di propagazione di un campo elettromagnetico nello spazio.
Velocità delle onde elettromagnetiche. La lunghezza d'onda è il quoziente della velocità diviso per la frequenza.
Principi di comunicazione radio. I principi della comunicazione radio sono i seguenti. La corrente elettrica alternata ad alta frequenza creata nell'antenna trasmittente provoca un campo elettromagnetico in rapido cambiamento nello spazio circostante, che si propaga sotto forma di un'onda elettromagnetica. Raggiungendo l'antenna ricevente, l'onda elettromagnetica induce in essa una corrente alternata alla stessa frequenza alla quale opera il trasmettitore.
Categoria K: Lavori di installazione elettrica
Produzione di energia elettrica
L'energia elettrica (elettricità) è il tipo di energia più avanzato e viene utilizzata in tutte le aree e rami della produzione materiale. I suoi vantaggi includono la possibilità di trasmissione su lunghe distanze e la conversione in altri tipi di energia (meccanica, termica, chimica, luminosa, ecc.).
L'energia elettrica viene generata in imprese speciali: centrali elettriche che convertono altri tipi di energia in energia elettrica: chimica, carburante, acqua, eolica, solare, nucleare.
La capacità di trasmettere elettricità su lunghe distanze rende possibile costruire centrali elettriche vicino a siti di rifornimento di carburante o su fiumi con acque alte, il che è più economico rispetto al trasporto di grandi quantità di carburante verso centrali elettriche situate vicino ai consumatori di elettricità.
A seconda del tipo di energia utilizzata, le centrali elettriche si dividono in termiche, idrauliche e nucleari. Le centrali elettriche che utilizzano l’energia eolica e il calore solare sono ancora fonti di elettricità a basso consumo che non hanno alcun significato industriale.
Utilizzato nelle centrali termoelettriche energia termica ottenuto dalla combustione di combustibili solidi (carbone, torba, scisti bituminosi), liquidi (olio combustibile) e gassosi (gas naturale, e impianti metallurgici- gas di altoforno e di cokeria).
L'energia termica viene convertita in energia meccanica dalla rotazione della turbina, che viene convertita in energia elettrica in un generatore collegato alla turbina. Il generatore diventa una fonte di elettricità. Le centrali termoelettriche si distinguono per la tipologia del motore primario: turbina a vapore, motore a vapore, motore a combustione interna, locomobile, turbina a gas. Inoltre, le centrali elettriche con turbine a vapore sono suddivise in impianti di condensazione e impianti di riscaldamento. Le stazioni di condensazione forniscono ai consumatori solo energia elettrica. Il vapore di scarico attraversa un ciclo di raffreddamento e, trasformandosi in condensa, viene nuovamente fornito alla caldaia.
La fornitura di calore ed elettricità ai consumatori viene effettuata da centrali termiche chiamate centrali di cogenerazione (CHP). In queste stazioni, l'energia termica viene convertita solo parzialmente in energia elettrica e viene spesa principalmente per fornire vapore e acqua calda alle imprese industriali e ad altri consumatori situati nelle immediate vicinanze delle centrali elettriche.
Le centrali idroelettriche (HPP) sono costruite sui fiumi, che rappresentano una fonte inesauribile di energia per le centrali elettriche. Scorrono dagli altopiani alle pianure e sono quindi capaci di lavoro meccanico. Le centrali idroelettriche vengono costruite sui fiumi di montagna sfruttando la pressione naturale dell'acqua. Sui fiumi di pianura, la pressione viene creata artificialmente mediante la costruzione di dighe, a causa della differenza di livello dell'acqua su entrambi i lati della diga. I motori primari delle centrali idroelettriche sono le turbine idrauliche, nelle quali l'energia del flusso d'acqua viene convertita in energia meccanica.
L'acqua fa ruotare la girante della turbina idraulica e del generatore, mentre l'energia meccanica della turbina idraulica viene convertita in energia elettrica generata dal generatore. La costruzione di una centrale idroelettrica risolve, oltre al problema della generazione di elettricità, anche una serie di altri problemi di importanza economica nazionale: miglioramento della navigazione dei fiumi, irrigazione e irrigazione delle terre aride, miglioramento dell'approvvigionamento idrico alle città e alle imprese industriali .
Le centrali nucleari (NPP) sono classificate come centrali termiche a turbina a vapore che non funzionano con combustibile organico, ma utilizzano come fonte di energia il calore ottenuto durante la fissione dei nuclei degli atomi di combustibile nucleare (combustibile) - uranio o plutonio. Nelle centrali nucleari, il ruolo delle caldaie è svolto da reattori nucleari e generatori di vapore.
La fornitura di elettricità ai consumatori viene effettuata principalmente da reti elettriche che collegano una serie di centrali elettriche. Il funzionamento parallelo delle centrali elettriche su una rete elettrica comune garantisce una distribuzione razionale del carico tra le centrali elettriche, la produzione di elettricità più economica, un migliore utilizzo della capacità installata delle stazioni, una maggiore affidabilità dell'alimentazione elettrica ai consumatori e la fornitura di elettricità ai con normali indicatori di qualità in frequenza e tensione.
La necessità di unificazione è causata dal carico disuguale delle centrali elettriche. La domanda di elettricità da parte dei consumatori cambia drasticamente non solo durante il giorno, ma anche durante tempi differenti dell'anno. In inverno aumenta il consumo di energia elettrica per l’illuminazione. IN agricoltura In estate è necessaria elettricità in grandi quantità per il lavoro nei campi e l'irrigazione.
La differenza nel grado di carico delle stazioni è particolarmente evidente quando le aree di consumo di elettricità sono significativamente distanti l'una dall'altra nella direzione da est a ovest, il che si spiega con la diversa tempistica delle ore di carico massimo mattutino e serale. Garantire un’alimentazione elettrica affidabile ai consumatori e sfruttare al massimo la potenza delle centrali elettriche in funzione diverse modalità, vengono combinati in sistemi energetici o elettrici utilizzando reti elettriche ad alta tensione.
L'insieme delle centrali elettriche, delle linee di trasmissione dell'energia e delle reti di riscaldamento, nonché dei ricevitori di energia elettrica e termica, collegati tra loro dalla comunanza del regime e dalla continuità del processo di produzione e consumo di energia elettrica e termica, è chiamato un sistema energetico (sistema energetico). Sistema elettrico, costituito da sottostazioni e linee elettriche di varie tensioni, fa parte del sistema energetico.
I sistemi energetici delle singole regioni, a loro volta, sono interconnessi per il funzionamento parallelo e formano grandi sistemi, ad esempio il Sistema energetico unificato (UES) della parte europea dell'URSS, i sistemi integrati di Siberia, Kazakistan, Asia centrale e così via.
Le centrali termoelettriche combinate e le centrali elettriche di fabbrica sono generalmente collegate alla rete elettrica del sistema energetico più vicino tramite linee di tensione del generatore di 6 e 10 kV o linee di tensione superiore (35 kV e oltre) attraverso sottostazioni di trasformazione. L'energia generata dalle potenti centrali elettriche regionali viene trasferita alla rete elettrica per fornire i consumatori tramite linee ad alta tensione (110 kV e oltre).
- Produzione di energia elettrica