Передача электроэнергии сообщение по физике: Производство, передача и использование электроэнергии

Производство, передача и использование электроэнергии

Производство, передача и использование электроэнергии

Подробности

Просмотров: 1269

«Физика — 11 класс»

Производство электроэнергии

Производится электроэнергия на электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов.
Существует два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические.
Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.

На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы.
Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Тепловые паротурбинные электростанции — ТЭС наиболее экономичны.

В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару.

В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору.
Вал турбины жестко соединен с валом генератора.
Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.

КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела (пара, газа).
Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа.
Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Тепловые электростанции — ТЭЦ позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд.
В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%.
В России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией сотни городов.

На гидроэлектростанциях — ГЭС

для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды.

Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами.
Мощность такой станции зависит от создаваемого плотиной напора и массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду.

Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

Атомные электростанции — АЭС в России дают около 10% электроэнергии.

Использование электроэнергии

Главным потребителем электроэнергии является промышленность — 70% производимой электроэнергии.
Крупным потребителем является также транспорт.

Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию, т.к. почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями.

Передача электроэнергии

Электроэнергию не удается консервировать в болыпих масштабах.
Она должна быть потреблена сразу же после получения.
Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

где
R — сопротивление линии,
U — передаваемое напряжение,
Р — мощность источника тока.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной.
Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно, поэтому приходится уменьшать силу тока I.

Так как мощность источника тока Р равна произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи.

Для этого на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.
Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие 16—20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Далее для непосредственного использования электроэнергии потребителем необходимо понижать напряжение.

Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

Понижение напряжения (и соответственно увеличение силы тока) осуществляются поэтапно.

При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии.

Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.

Электрические станции объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители.
Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность распределять нагрузки потребления энергии.
Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям.
Сейчас в нашей стране действует Единая энергетическая система европейской части страны.

Использование электроэнергии

Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту. Удовлетворить эту потребность можно двумя основными способами.

Первый — строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и атомных.
Однако строительство крупной электростанции требует нескольких лет и больших затрат.
Кроме того, тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ.
Одновременно они наносят большой ущерб равновесию на нашей планете.
Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом.

Второй — эффективное использование электроэнергии: современные люминесцентные лампы, экономия освещения.

Большие надежды возлагаются на получение энергии с помощью управляемых термоядерных реакций.

Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования электроэнергии, а не повышению мощности электростанций.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии — Трансформаторы — Производство, передача и использование электрической энергии

Производство, передача и использование электроэнергии реферат по физике

Реферат по физике на тему «Производство, передача и использование электроэнергии» ученицы 11 класса А МОУ школы № 85 Екатерины. Учитель: 2003 г. План реферата. Введение. 1. Производство электроэнергии. 1. типы электростанций. 2. альтернативные источники энергии. 2. Передача электроэнергии.  трансформаторы. 3. Использование электроэнергии. Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе. Значительно меньшее распространение получили тепловые станции с газотурбинными (ГТЭС), парогазовыми (ПГЭС) и дизельными установками. В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с темпера- турой 750—900 ºС поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26—28%, мощность — до нескольких сотен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки. Кпд ПГЭС может достигать 42 — 43%. Наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Современные паровые турбины для ТЭС — весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не является пределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обычно несколько десятков дисков с рабочими лопатками и такое же количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются. Из курса физики известно, что КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром. Гидроэлектрическая станция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию. Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции — гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления — пульт оператора-диспетчера или автооператор гидро- электростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС. По установленной мощности (в МВт) различают ГЭС мощные (св. 250), средние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней верхнего и нижнего бьефа), расхода воды, используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата. По ряду причин (вследствие, например, сезонных изменений уровня воды в водоёмах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход воды непрерывно меняются, а, кроме того, меняется расход при регули- ровании мощности ГЭС. Различают годичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС. По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации — до 1500 м. Подразделение ГЭС по используемому напору имеет приблизительный, условный характер. По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30—40 м. При более высоких напорах оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭС гидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу. Другой вид компоновки приплотинная ГЭС соответствует горным условиям при сравнительно малых расходах реки. В деривационных ГЭС концентрация падения реки создаётся посредством деривации; вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, зна- чительно меньшим, чем средний уклон реки на этом участке и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когда уклон реки велик. Особое место среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности в пиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяет генераторную мощность, требующуюся для покрытия пиковых нагрузок. Способность ГАЭС аккумулировать энергию основана на том, что свободная в энергосистеме в некоторый пе- риод времени электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в ре- жиме насоса, нагнетают воду из водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн. В период пиков нагрузки аккумулированная энергия возвращается в энергосистему (вода из верхнего бассейна поступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режиме генератора тока). ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнергия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным характером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливных электростанций в течение суток или месяцев. Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно- энергетическими ресурсами — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строи- тельства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств. Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе 233U, 235U, 239Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира. Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис. 2. Тепло, выделяемое в активной зоне реактора теплоносителем, вбирается водой 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар, который затем поступает в турбину 4. Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах: 1) водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя; 4) граффито — газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем. Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом на- копленным опытом в реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. д. К реактору и обслуживающим его системам относятся: собственно реактор с биологической защитой, теплообменники, насосы или газодувные установки, осуществляющие циркуляцию теплоносителя, трубопроводы и арматура циркуляции контура, устройства для перезагрузки ядерного горючего, системы специальной вентиляции, аварийного расхолаживания и др. Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружают биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода, Передача электроэнергии. Трансформаторы. Вы приобрели холодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан на напряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходное положение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобрести трансформатор. Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Московского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованные трансформаторы. Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первич- ной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Рис.1 Рис.2 Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2, а принятое для него условное обозначение — на рис. 3. Рис. 3. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой: е = — Δ Ф/ Δ t Если Ф = Ф0 соsωt, то е = ω Ф0 sinωt, или е = E0 sinωt , где E0= ω Ф0 — амплитуда ЭДС в одном витке. В первичной обмотке, имеющей п1 витков, полная ЭДС индукции e1 равна п1е. Во вторичной обмотке полная ЭДС. е2 равна п2е, где п2 — число витков этой обмотки. Отсюда следует, что e1 е2 = п1 п2. (1) Сумма напряжения u1, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке: u1 + e1 = i1 R1, где R1 — активное сопротивление обмотки, а i1 — сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом i1 R1 можно пренебречь. Поэтому u1 ≈ — e1. (2) При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение: u2 ≈ — e2. (3) Так как мгновенные значения ЭДС e1 и e2 изменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующих значений E1 и E2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U1 и U2. U1/U2 = E1/E2 = n1/ n2= k. (4) Величина k называется коэффициентом трансформации. Если k>1, то трансформатор является понижающим, при k<1 — повышающим. При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u2 ≈ — e2 уже не выполняется точно, и соответственно связь между U1 и U2 становится более сложной, чем в уравнении (4). Согласно закону сохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности во вторичной цепи: U1I1 = U2I2, (5) где I1 и I2 — действующие значения силы в первичной и вторичной обмотках. Отсюда следует, что U1/U2 = I1/I2 . (6) Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот). Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) выполняются приближенно. Однако в современных мощных трансформаторах суммарные потери не превышают 2—3%. В житейской практике часто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов, которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборы рассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, — кроме них приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина — это повышающий трансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя. Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот. Для сварочных аппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильные токи, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток. Вы, наверное, обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиков стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном. Дома вы имеете дело с маленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то они представляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмотками помещен в бак, заполненный охлаждающим маслом. Передача электроэнергии Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой Q=I2Rt где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода. Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов. Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики. Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — все шире. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке. антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, например волоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии в процессе передачи сигналов на большие расстояния. Не обошла наука и сферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной и непроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль в повышении их эффективности начинает играть управление. Из своего рода искусства, еще недавно основывавшегося на опыте и интуиции, управление в наши дни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации называется кибернетикой. Этот термин происходит от греческих слов «рулевой», «кормчий». Он встречается в трудах древнегреческих философов. Однако новое рождение его произошло фактически в 1948 году, после выхода книги американского ученого Норберта Винера «Кибернетика». До начала «кибернетической» революции существовала только бумажная Информатика, основным средством восприятия которой оставался человеческий мозг, и которая не использовала электроэнергию. «Кибернетическая» революция породила принципиально иную — машинную информатику, соответствующую гигантски возросшим потокам информации, источником энергии для которой служит электроэнергия. Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления, обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационную структуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления), информационные банки данных, автоматизированные информационные базы, вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфные аппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой и скоростной волокнисто-оптической связи — все это неограниченно расширило сферу использования электроэнергии. Многие ученые считают, что в данном случае речь идет о новой «информационной» цивилизации, приходящей на смену традиционной организации общества индустриального типа. Такая специализация характеризуется следующими важными признаками:  широким распространением информационной технологии в материальном и нематериальном производстве, в области науки, образования, здравоохранения и т.д.;  наличием широкой сети различных банков данных, в том числе общественного пользования;  превращение информации в один из важнейших факторов экономического, национального и личного развития;  свободной циркуляцией информации в обществе. Такой переход от индустриального общества к «информационной цивилизации» стал возможен во многом благодаря развитию энергетики и обеспечению удобным в передаче и применении видом энергии — электрической энергией. Электроэнергия в производстве. Современное общество невозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии в мире осуществлялось в виде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличиться до 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность. Электроэнергия в быту. Электроэнергия в быту неотъемлемый помощник. Каждый день мы имеем с ней дело, и, наверное, уже не представляем свою жизнь без нее. Вспомните, когда последний раз вам отключали свет, то есть в ваш дом не поступала электроэнергия, вспомните, как вы ругались, что ничего не успеваете и вам нужен свет, вам нужен телевизор, чайник и куча других электроприборов. Ведь если нас обесточить навсегда, то мы просто вернемся в те давние времена, когда еду готовили на костре и жили в холодных вигвамах. Значимости электроэнергии в нашей жизни можно посветить целую поэму, настолько она важна в нашей жизни и настолько мы привыкли к ней. Хотя мы уже и не замечаем, что она поступает к нам в дома, но когда ее отключают, становится очень не комфортно. Цените электроэнергию! Список используемой литературы. 1. Учебник С.В.Громова «Физика, 10 класс». Москва: Просвещение. 2. Энциклопедический словарь юного физика. Состав. В.А. Чуянов, Москва: Педагогика. 3. Эллион Л., Уилконс У.. Физика. Москва: Наука. 4. Колтун М. Мир физики. Москва. 5. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. Москва: Наука и техника. 6. Нетрадиционные источники энергии. Москва: Знание. 7. Юдасин Л.С.. Энергетика: проблемы и надежды. Москва: Просвещение. 8. Подгорный А.Н. Водородная энергетика. Москва: Наука.

Производство, передача и использование электроэнергии (Реферат)

Реферат

по физике

на тему «Производство, передача и использование электроэнергии»

ученицы 11 класса А

МОУ школы № 85

Екатерины.

Учитель:

2003 г.

План реферата.

Введение.

1. Производство электроэнергии.

1. типы электростанций.

2. альтернативные источники энергии.

2. Передача электроэнергии.

3. Использование электроэнергии.

Введение.

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

На сегодняшний день энергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать.

Производство электроэнергии.

Типы электростанций.

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатываю­щая электрическую энергию в результате пре­образования тепловой энергии, выделяю­щейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 века и получили преимущественное распространение.

В середине 70-х годов 20 века ТЭС — основной вид элек­трической станций.

На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

Тепловые электрические стан­ции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектро­централи (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электро­станций (ГРЭС).

Простейшая принципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рисунке. Уголь подается в топливный бункер 1, а из него — в дробильную установку 2, где превраща­ется в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющего систему трубок, в которых цир­кулирует химически очищенная вода, называемая питательной.

В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насы­щенный пар доводится до температуры 400—650 °С и под дав­лением 3—24 МПа поступает по паропроводу в паровую турби­ну 4. Параметры пара зависят от мощности агрегатов.

Тепловые конденсацион­ные электростанции име­ют невысокий кпд (30— 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значи­тельном расстоянии от стан­ции.

Теплоэлектроцентраль отли­чается от конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление, отбирается от промежуточной ступени турбины и исполь­зуется для теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэра­тор 8 и далее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприя­тий в тепловой энергии.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей — про­мышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

Значительно меньшее распространение полу­чили тепловые станции с газотурбинными (ГТЭС), парогазовыми (ПГЭС) и дизельными установками.

В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с темпера­турой 750—900 ºС поступают в газо­вую турбину, вращающую электрогене­ратор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26—28%, мощность — до нескольких со­тен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки. Кпд ПГЭС может достигать 42 — 43%.

Наиболее экономичными яв­ляются крупные тепловые паро­турбинные электростанции (сокра­щенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в ка­честве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот грам­мов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кине­тическая энергия струй пара пере­дается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.

Современные паровые турбины для ТЭС — весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не является пределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обыч­но несколько десятков дисков с рабочими лопат­ками и такое же количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются.

Из курса физики из­вестно, что КПД тепловых двига­телей увеличивается с ростом на­чальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффи­циент полезного действия ТЭС дости­гает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отрабо­танным паром.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гид­ротехнических сооружений, обеспечи­вающих необходимую концентрацию по­тока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и дери­вацией совместно. Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции — гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления — пульт оператора-диспетчера или автооператор гидро­электростанции. Повышающая транс­форматорная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зда­ниях или на открытых площадках. Рас­пределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтаж­ная площадка для сборки и ремонта раз­личного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.

По установленной мощности (в МВт) различают ГЭС мощные (св. 250), сред­ние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней верхнего и нижнего бьефа), расхода воды, используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата. По ряду причин (вследствие, например, сезонных изменений уровня воды в во­доёмах, непостоянства нагрузки энерго­системы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход воды непрерывно меняются, а, кроме того, меняется расход при регули­ровании мощности ГЭС. Различают го­дичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС.

По максимально используемому напо­ру ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко пре­вышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью дерива­ции — до 1500 м. Подразделение ГЭС по используемому напору имеет при­близительный, условный характер.

По схеме использования водных ре­сурсов и концентрации напоров ГЭС обыч­но подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и без­напорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, пе­регораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30—40 м.

При более высоких напорах оказывает­ся нецелесообразным передавать на зда­ние ГЭС гидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за пло­тиной, примыкает к нижнему бьефу.

Другой вид компоновки приплотинная ГЭС соответствует горным усло­виям при сравнительно малых рас­ходах реки.

В деривационных ГЭС кон­центрация падения реки создаётся по­средством деривации; вода в начале ис­пользуемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, зна­чительно меньшим, чем средний уклон реки на этом участке и со спрямлением изги­бов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвраща­ется в реку, либо подводится к следующей де­ривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когда уклон реки велик.

Особое место среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности в пиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяет генераторную мощность, тре­бующуюся для покрытия пиковых на­грузок. Способность ГАЭС аккумулиро­вать энергию основана на том, что сво­бодная в энергосистеме в некоторый пе­риод времени электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в ре­жиме насоса, нагнетают воду из водохра­нилища в верхний аккумулирующий бас­сейн. В период пиков нагрузки аккуму­лированная энергия возвращается в энергосистему (вода из верхнего бассей­на поступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режиме генератора тока).

ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнер­гия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным ха­рактером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют про­валы мощности приливных электростан­ций в течение суток или месяцев.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низ­кую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооруже­нию ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установлен­ной мощности и продолжительные сроки строи­тельства, придавалось и придаётся боль­шое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядер­ная) энергия преобразуется в элект­рическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделя­ется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обыч­ных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отли­чие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горю­чем (в основе ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворе­ния быстро растущих потребностей в топ­ливе. Кроме того, необходимо учиты­вать всё увеличивающийся объём потреб­ления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепло­вых электростанций. Несмотря на откры­тие новых месторождений органического топ­лива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис. 2. Тепло, выделяемое в активной зоне реактора теплоносителем, вбирается водой 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар, который затем поступает в турбину 4.

Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:

1) водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;

2) графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;

3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;

4) граффито — газовые с газовым теплоноси­телем и графитовым замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом на­копленным опытом в реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. д.

К реактору и обслуживающим его си­стемам относятся: собственно реактор с биологической защитой, теплообменни­ки, насосы или газодувные установки, осуществляющие циркуляцию теплоноси­теля, трубопроводы и арматура циркуляции контура, устройства для перезагруз­ки ядерного горючего, системы специальной вентиляции, аварийного расхолаживания и др.

Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружают биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода, серпантиновый песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью герме­тичным. Предусматривается система конт­роля мест возможной утечки теплоноси­теля, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контура не приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружаю­щей местности. Радиоактивный воздух и не­большое количество паров теплоносителя, обусловленное наличием протечек из контура, удаляют из необслуживаемых помещений АЭС специальной системой вентиляции, в которой для исключения возможно­сти загрязнения атмосферы предусмот­рены очистные фильтры и газгольдеры выдержки. За выполнением правил ра­диационной безопасности персоналом АЭС сле­дит служба дозиметрического контроля.

Наличие биологической защиты, систем специальной вентиляции и аварийного расхо­лаживания и службы дозиметрического контро­ля позволяет полностью обезопасить обслуживающий персонал АЭС от вред­ных воздействий радиоактивного облу­чения.

АЭС, являющиеся наиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде. Новые энергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однако коэффициент использования установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.

Значительных недостатков АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однако нельзя не заметить опасность АЭС при возможных форс-мажорных обстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. — здесь старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-за неконтролируемого перегрева реактора.

«Прозводство, передача и использование электрической энергии». 11-й класс

Конспект урока объяснения нового материала, 11 класс.

Цели урока:

• Ознакомить учащихся с преимуществами электрической энергии перед другими видами энергии, физическими основами передачи электрической энергии на большие расстояния.
• Показать взаимосвязь теории и практики в решении научно-технических задач.
• Рассмотреть прикладные вопросы энергетики и достижения нашей страны в развитии этой отрасли.
• Продолжить формирование умений самостоятельно работать с учебником и дополнительной литературой; развивать интерес к предмету.

Оборудование:

• Тесты для проверки Д/З по теме: «Трансформаторы»;
• Таблицы;
• Географическая карта.

План урока.

Этапы урока.	Время, мин.	Приёмы и методы.
II. Постановка целей и задач урока.	2-3	Проверка подготовленности к уроку. Сообщение учителя. В форме теста и беседы
II. Повторение изученного материала.	7
III. Изучение нового материала: преимущества электроэнергии перед другими видами энергии; производство электроэнергии на различных электростанциях; перспективные виды электростанций; физические основы передачи электроэнергии на большие расстояния; ЛЭП; использование электроэнергии в народном хозяйстве.	24-26	Сообщения учащихся. Беседа. Заполнение таблицы в тетрадях. Рассказ учителя. Коллективное обсуждение. Самостоятельная работа.
IV. омашнее задание.	1	Запись на доске.
V. Итог урока.	4-5	Беседа по вопросам (с использованием схемы и таблицы).

Ход урока

I. Постановка целей и задач урока:

— Организация учебной деятельности.

— Сообщение темы урока. Постановка целей и задач урока. Знакомство с планом изучения материала.

План изучения материала: (запись на доске)

1. Первоначальные источники энергии на электростанциях.
2. Преобразования энергии при работе разных систем энергоблоков.
3. Мощность и КПД электростанций различных типов. Их размещение по территории нашей страны.
4. Преимущества и недостатки различных типов электростанций в экологическом отношении.
5. Перспективы использования экологически чистых электростанций (ветряные, солнечные, приливные, термальные).
6. Передача электроэнергии.
7. Использование электроэнергии.

II. Повторение изученного материала. (в форме теста)

III. Изучение нового материала.

1. Первоначальные источники энергии на электростанциях. Преобразования энергии при работе разных систем энергоблоков. Мощность и КПД электростанций различных типов. Их размещение по территории нашей страны. Преимущества и недостатки различных типов электростанций в экологическом отношении. Перспективы использования экологически чистых электростанций (ветряные, солнечные, приливные, термальные).

Конспект составим в форме таблицы (таблица из 9 колонок на 2 страницы).

Таблицу заполнить в процессе выступления учащихся с сообщениями.

Виды электростанций	Первичные источники энергии	Размещение	Превращения энергии	КПД	% вырабатываемой энергии	Мощность	Преимущества	Недостатки
1	2	3	4	5	6	7	8	9

Заслушиваются сообщения:

1. О действующих электростанциях (ГЭС, ТЭС, АЭС) и ТЭЦ.
2. О перспективных источниках энергии (ветра, воды, солнца, Земли и др.).

Заполняется таблица и на географической карте отмечаются флажками места

расположения электростанций.

2. Передача электроэнергии.

Потребители электроэнергии находятся повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топлива и гидроресурсов. Её невозможно законсервировать, поэтому необходимо сразу же потреблять после получения.

Поэтому возникает необходимость в передаче энергии на большие расстояния. Для этого строят линии электропередач (ЛЭП).

Как вам известно, согласно закону Джоуля – Ленца: , т.е. передача энергии связана с её потерями. Потери мощности можно определить следующим образом: , (т.е. ). Значит, потеря мощности зависит от силы тока и сопротивления.

Сопротивление , т.е. чтобы уменьшить сопротивление, надо увеличить толщину проводов, а это очень неэкономично, поэтому сопротивление уменьшить нельзя. Остаётся только уменьшить силу тока. Мы знаем, что P=IU поэтому, при постоянной мощности, уменьшая силу тока в несколько раз, надо увеличить напряжение во столько же раз.

Для увеличения напряжения используют повышающие трансформаторы. (Рассмотреть повышение и понижение напряжения <рисунок 1> или по рис. учебника).

Увеличить напряжение на генераторе невозможно, т.к. при этом необходима сложная реконструкция генератора. Максимальное напряжение, получаемое на генераторе, не превышает 16 – 20 кВ.

При очень высоком напряжении между проводами начинается коронный разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие коронного разряда были незначительными.

Привести пример, где используются понижающие трансформаторы в данном населённом пункте.

3. Беседа с учащимися о ЕЭС.

4. Использование электроэнергии.

Рассмотреть вопросы, связанные с потреблением электроэнергии.

— Назвать потребителей и % потребляемой ими электроэнергии (сообщение).

— Привести примеры использования электроэнергии и количества потребляемой энергии в данном населённом пункте (в быту, на различных предприятиях, в школе и т.д.) за один день или неделю, или более длительный промежуток.

IV. Д/З.

V. Итог урока.

Подведение итога урока проводится в форме схемы

(заготовку схемы сделать заранее, заполнив верхнюю часть – первый блок)

Литература.

1. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы: М.: Просвещение, 1988
2. Справочник школьника. Физика/ Сост. Т.Фещенко, В.Вожегова. – М.: Филологическое общество «Слово», компания «Ключ-С», АСТ, 1996
3. Статьи из журналов «Физика в школе», «Наука и жизнь» (начиная с 1989г.)
4. Учебник географии – 9 класс.
5. Учебник физики – 11 класс, под ред. Мякишева и Буховцева.
6. Учебник физики – 11 класс, под ред. Шахмаева.
7. Физика и НТП: Кн. для учителя: Под ред. А.Т.Глазунова и др. – М.: Просвещение, 1988

Производство передача и использование электропередачи. Реферат по физике на тему «Производство, передача и использование электроэнергии

Электрическая энергия производится на различных масштабах электрических станциях, в основном, с помощью индукционных электромеханических генераторов.

Производство электроэнергии

Существует два основных типа электростанций:

1. Тепловые.

2. Гидравлические.

Это деление вызвано типом двигателя, который вращает ротор генератора. В тепловых электростанциях в качестве источника энергии используется топливо: уголь, газ, нефть, горючие сланцы, мазут. Ротор приводится во вращение паровыми газовыми турбинами.

Самыми экономичными являются тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС). Их максимальный КПД достигает 70%. Это с учетом того, что отработанный пар используется на промышленных предприятиях.

На гидроэлектростанциях для вращения ротора используется потенциальная энергия воды. С помощью гидравлических турбин приводится во вращение ротор. Мощность станции будет зависеть от напора и массы воды, проходящей через турбину.

Использование электроэнергии

Электрическая энергия используется почти повсеместно. Конечно, большая часть производимой электроэнергии приходится на промышленность. Помимо этого, крупным потребителем будет являться транспорт.

Многие железнодорожные линии уже давно перешли на электрическую тягу. Освещение жилищ, улиц городов, производственные и бытовые нужды сел и деревень — все это тоже является крупным потребителем электроэнергии.

Огромная часть получаемой электроэнергии превращается в механическую энергию. Все механизмы, используемые в промышленности, приводятся в движение за счет электродвигателей. Потребителей электроэнергии достаточно, и находятся они повсюду.

А производится электроэнергия лишь в немногих местах. Возникает вопрос о передаче электроэнергии, причем на большие расстояния. При передаче на большие расстояния, происходит много потерь электроэнергии. Главным образом, это потери на нагрев электропроводов.

По закону Джоуля-Ленца энергия, расходуемая на нагрев, вычисляется по формуле:

Так как снизить сопротивление до приемлемого уровня практически невозможно, то приходится уменьшать силу тока. Для этого повышают напряжение. Обычно на станциях стоят повышающие генераторы, а в конце линий передач стоят понижающие трансформаторы. И уже с них энергия расходится по потребителям.

Потребность в электрической энергии постоянно увеличивается. Для того чтобы соответствовать запросам на увеличение потребления есть два пути:

1. Строительство новых электростанций

2. Использование передовых технологий.

Эффективное использование электроэнергии

Первый способ требует затрат большого числа строительных и денежных ресурсов. На строительство одной электростанции тратится несколько лет. К тому же, например, тепловые электростанции потребляют много невозобновляемых природных ресурсов, и наносят вред окружающей природной среде.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Переменный ток- это электрический ток, сила которого каким-либо образом меняется со временем.

Трансформатор- это устройство для повышения или понижения переменного напряжения.

1. Производство:

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

2. Передача:

Трансформатор -устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке.

3. Потребление:

Электронизация и автоматизация производства — важнейшие последствия «второй промышленной» или «микроэлектронной» революции в экономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитие комплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался после изобретения в 1971 году микропроцессора — микроэлектронного логического устройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой. Очень бурно развивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту — спутниковые антенны не редкость и в городе.

Проблемы электросбережения. Россия имеет огромные перспективы по энергосбережению и одновременно является одной из самых расточительных в мире стран. Энергосбережение напрямую зависит от рационального использования существующих энергоресурсов. Огромные потери энергии характерны жилищно-коммунальному хозяйству. По подсчётам экспертов, около 70% теплопотерь происходит из-за халатного отношения потребителей. Часто в квартирах установлены батареи без регулировки мощности, вследствие чего они работают на всю и жильцам приходится открывать окна для снижения температуры в помещении. Для реализации потенциала энергосбережения в ЖКХ предполагается ввести повсеместное внедрение приборов учета, перейти к обязательным стандартам энергоэффективности для новых и реконструируемых зданий, модернизировать системы теплоснабжения зданий и сооружений, внедрить энергосберегающие системы освещения, внедрение энергосберегающих приборов и технологий на котельных, очистных сооружениях, предприятиях водоканала, предоставление бюджетным организациям прав распоряжения средствами, сэкономленными в результате реализации проектов по энергосбережению на срок до 5 лет и другое.

Техника безопасности в обращении с электрическим током. Опасным для человека считается ток от 25 В. В данной ситуации нужно четко отличать напряжение и силу тока. Убивает именно последняя. Для примера: голубые искорки статических разрядов имеют напряжение 7000 В, но ничтожную силу, тогда как напряжение розетки в 220 В, но с силой тока 10-16 А может стать причиной смерти. Более того, прохождение тока с силой 30-50 мА через сердечную мышцу уже может вызвать фибрилляцию (трепетание) сердечной мышцы и рефлекторную остановку сердца. Чем это закончится, вполне понятно. Если ток не заденет сердце (а пути электричества в человеческом организме весьма причудливы), то его воздействие может вызвать паралич дыхательных мышц, что тоже ничего хорошего не сулит.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электромагнитная волна — процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.

Скорость электромагнитных волн. Длина волны есть частное от деления скорости на частоту.

Принципы радиосвязи. Принципы радиосвязи заключаются в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

К атегория: Электромонтажные работы

Производство электрической энергии

Электрическая энергия (электроэнергия) является наиболее совершенным видом энергии и используется во всех сферах и отраслях материального производства. К ее преимуществам относят — возможность передачи на большие расстояния и преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др).

Электрическая энергия вырабатывается на специальных предприятиях — электрических станциях, преобразующих в электрическую другие виды энергии: химическую, топлива, энергию воды, ветра, солнца, атомную.

Возможность передачи электроэнергии на большие расстояния позволяет строить электростанции вблизи мест нахождения топлива или на многоводных реках, что является более экономичным, чем подвоз в больших количествах топлива к электростанциям, расположенным вблизи потребителей электроэнергии.

В зависимости от вида используемой энергии различают электростанции тепловые, гидравлические, атомные. Электростанции, использующие энергию ветра и теплоту солнечных лучей, представляют собой пока маломощные источники электроэнергии, не имеющие промышленного значения.

На тепловых электростанциях используется тепловая энергия, получаемая при сжигании в топках котлов твердого топлива (уголь, торф, горючие сланцы), жидкого (мазут) и газообразного (природный газ, а на металлургических заводах — доменный и коксовый газ).

Тепловая энергия превращается в механическую энергию вращением турбины, которая в генераторе, соединенном с турбиной, преобразуется в электрическую. Генератор становится источником электроэнергии. Тепловые электростанции различают по виду первичного двигателя: паровая турбина, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, локомобиль, газовая турбина. Кроме того, паротурбинные электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные. Конденсационные станции снабжают потребителей только электрической энергией. Отработанный пар проходит цикл охлаждения и, превращаясь в конденсат, вновь подается в котел.

Снабжение потребителей тепловой и электрической энергией осуществляется теплофикационными станциями, называемыми теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На этих станциях тепловая энергия только частично преобразуется в электрическую, а в основном расходуется на снабжение промышленных предприятий и других потребителей, расположенных в непосредственной близости от электростанций, паром и горячей водой.

Гидроэлектростанции (ГЭС) сооружают на реках, являющихся неиссякаемым источником энергии для электростанций. Они текут с возвышенностей в низины и, следовательно, способны совершать механическую работу. На горных реках сооружают ГЭС, используя естественный напор воды. На равнинных реках напор создается искусственно сооружением плотин, вследствие разности уровней воды по обеим сторонам плотины. Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, в которых энергия потока воды преобразуется в механическую энергию.

Вода вращает рабочее колесо гидротурбины и генератор, при этом механическая энергия гидротурбины преобразуется в электрическую, вырабатываемую генератором. Сооружение ГЭС решает кроме задачи выработки электроэнергии также комплекс других задач народнохозяйственного значения — улучшение судоходства рек, орошение и обводнение засушливых земель, улучшение водоснабжения городов и промышленных предприятий.

Атомные электростанции (АЭС) относят к тепловым паротурбинным станциям, работающим не на органическом топливе, а использующим в качестве источника энергии теплоту, получаемую в процессе деления ядер атомов ядерного топлива (горючего), — урана или плутония. На АЭС роль котельных агрегатов выполняют атомные реакторы и парогенераторы.

Электроснабжение потребителей осуществляется преимущественно от электрических сетей, объединяющих ряд электростанций. Параллельная работа электрических станций на общую электрическую сеть обеспечивает рациональное распределение нагрузки между электростанциями, наиболее экономичную выработку электроэнергии, лучшее использование установленной мощности станций, повышение надежности электроснабжения потребителей и отпуска им электроэнергии с нормальными качественными показателями по частоте и напряжению.

Необходимость объединения вызвана неодинаковой нагрузкой электростанций. Спрос потребителей на электроэнергию резко изменяется не только в течение суток, но и в разные времена года. Зимой потребление электроэнергии на освещение возрастает. В сельском хозяйстве электроэнергия в больших количествах нужна летом на полевые работы и орошение.

Разница в степени загрузки станций особо ощутима при значительном отдалении районов потребления электроэнергии друг от друга в направлении с востока на запад, что объясняется разновременностью наступления часов утренних и вечерних максимумов нагрузки. Чтобы обеспечить надежность электроснабжения потребителей и полнее использовать мощность электростанций, работающих в разных режимах, их объединяют в энергетические или электрические системы с помощью электрических сетей высокого напряжения.

Совокупность электростанций, линий электропередачи и тепловых сетей, а также приемников электро- и тепло-энергии, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и потребления электрической и тепловой энергии, называют энергетической системой (энергосистемой). Электрическая система, состоящая из подстанций и линий электропередачи различных напряжений, — часть энергосистемы.

Энергосистемы отдельных районов в свою очередь соединены между собой для параллельной работы и образуют крупные системы, например единая энергетическая система (ЕЭС) европейской части СССР, объединенные системы Сибири, Казахстана, Средней Азии и др.

Теплоэлектроцентрали и заводские электростанции обычно связаны с электросетью ближайшей энергосистемы по линиям генераторного напряжения 6 и 10 кВ или линиям более высокого напряжения (35 кВ и выше) через трансформаторные подстанции. Передача энергии, выработанной мощными районными электростанциями, в электросеть для снабжения потребителей осуществляется по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше).

— Производство электрической энергии

Хохлова Кристина

Презентация на тему «Производство, передача и использование электрической энергии»

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Презентация Производство, передача и использование электрической энергии Хохлова Кристина, 11 класс, МОУ-СОШ № 64

План презентации Произвотство электроэнергии Типы электростанций Альтернативные источники энергии Передача электроэнергии Использование электроэнергии

Подразделяют несколько видов электростанций: Типы электростанций ТЭС ГЭС АЭС

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. ТЭС

ТЭС ТЭС подразделяются на: Конденсационные (КЭС) Они предназначенные для выработки только электрической энергии. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС). теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию. Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. ГЭС

Мощность ГЭС Так же ГЭС подразделяют на: Мощность ГЭС зависит от напора, расхода воды, используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата. По ряду причин (вследствие, например, сезонных изменений уровня воды в водоёмах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход воды непрерывно меняются, а, кроме того, меняется расход при регулировании мощности ГЭС. высоконапорные (более 60 м) средненапорные (от 25 до 60 м) низконапорные (от 3 до 25 м) Средние (до 25 МВт) Мощные (свыше 25 МВт) Малые (до 5 МВт)

Особое место среди ГЭС занимают: Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) Способность ГАЭС аккумулировать энергию основана на том, что свободная в энергосистеме в некоторый период времени электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в режиме насоса, нагнетают воду из водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн. В период пиков нагрузки аккумулированная энергия возвращается в энергосистему Приливные электростанции (ПЭС) ПЭС преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнергия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным характером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливных электростанций в течение суток или месяцев.

Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе 233U, 235U, 239Pu) . Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. АЭС

АЭС Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах: графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя граффито — газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом накопленным опытом в реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. д. К реактору и обслуживающим его системам относятся: собственно реактор с биологической защитой, теплообменники, насосы или газодувные установки, осуществляющие циркуляцию теплоносителя, трубопроводы и арматура циркуляции контура, устройства для перезагрузки ядерного горючего, системы специальной вентиляции, аварийного расхолаживания и др. Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружают биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода, серпантиновый песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью герметичным. АЭС

Альтернативные источники энергии. Энергия солнца Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Ветровая энергия Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок. Энергия земли Энергия Земли пригодна не только для отопления помещений, как это происходит в Исландии, но и для получения электроэнергии. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт.

Энергия Солнца Энергия воздуха Энеригя земли

Передача электроэнергии Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой: Q= I 2 Rt где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно увеличить прощадь поперечьного сечения проводов. Но при уменьшении R в 100 раз массу надо увеличить тоже в 100 раз. Такой расход цветного метала нельзя допускать. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода. Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потери мощности при этом невелики. Электрические станции ряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.

Использование электроэнергии в различных областях науки Наука непосредственно влияет на развитие энергетики и сферу применения электроэнергии. Около 80% прироста ВВП развитых стран достигается за счет технических инноваций, основная часть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новым разработкам в различных отраслях науки. Большая часть научных разработок начинается с теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчеты производились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-технической революции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и даже лингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ (электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии, наиболее удобной для передачи ее на растояние и использования. Но если первоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из науки компьютеры пришли в жизнь. Электронизация и автоматизация производства — важнейшие последствия «второй промышленной» или «микроэлектронной« революции в экономике развитых стран. Очень бурно развивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту — спутниковые антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, например волоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии в процессе передачи сигналов на большие расстояния. Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления, обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационную структуру.

Использование электроэнергии в произвотстве Современное общество невозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии в мире осуществлялось в виде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличиться до 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность.

Использование электроэнергии в быту Электроэнергия в быту неотъемлемый помощник. Каждый день мы имеем с ней дело, и, наверное, уже не представляем свою жизнь без нее. Вспомните, когда последний раз вам отключали свет, то есть в ваш дом не поступала электроэнергия, вспомните, как вы ругались, что ничего не успеваете и вам нужен свет, вам нужен телевизор, чайник и куча других электроприборов. Ведь если нас обесточить навсегда, то мы просто вернемся в те давние времена, когда еду готовили на костре и жи ли в холодных вигвамах. Значимости электроэнергии в нашей жизни можно посветить целую поэму, настолько она важна в нашей жизни и настолько мы привыкли к ней. Хотя мы уже и не замечаем, что она поступает к нам в дома, но когда ее отключают, становится очень не комфортно.

Спасибо за внимание

Переменное напряжение можно преобразовывать — повышать или понижать.

Устройства, с помощью которых можно преобразовывать напряжение называются трансформаторами. Работа трансформаторов основана наявлении электромагнитной индукции.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, на который надеты две катушки .

Первичной обмоткой называется катушка, подключенная к источнику переменного напряжения U 1 .

Вторичной обмоткой называется катушка, которую можно подключать к приборам, потребляющим электрическую энергию .

Приборы, потребляющие электрическую энергию, выполняют роль нагрузки, и на них создается переменное напряжение U 2 .

Если U 1 > U 2 , то трансформатор называется понижающим, а еслиU 2 > U 1 — то повышающим.

Принцип работы

В первичной обмотке создается переменный ток, следовательно, в ней создается переменный магнитный поток. Этот поток замыкается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает каждый виток обеих обмоток. В каждом из витков обеих обмоток появляется одинаковая ЭДС индукции e i 0 

Если n 1 и n 2 — число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно, то

ЭДС индукции в первичной обмотке e i 1 = n 1 * e i 0  ЭДС индукции во вторичной обмотке e i 2 = n 1 * e i 0 

где e i 0  — ЭДС индукции, возникающая в одном витке вторичной и первичной катушки .

1. Передача электроэнергии

П
ередача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.Потери энергии (мощности) на нагревание проводов можно рассчитать по формуле

Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется переменный ток частотой 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии

41. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Идеи теории Максвелла

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку законаэлектромагнитной индукции, открытого Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле .

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые области пространства.

Вывод:

Существует особая форма материи – электромагнитное поле – которое состоит из порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей.

Электромагнитное поле характеризуется двумя векторными величинами – напряженностью Е вихревого электрического поля и индукцией В магнитного поля .

Процесс распространения изменяющихся вихревых электрического и магнитного полей в пространстве называется электромагнитной волной.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла)

Новости : Отдел по связям с общественностью : АлтГТУ

10 октября на IV Фестивале науки АлтГТУ преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий Игорь Владимирович Белицын проведет презентацию «Передача электроэнергии по одному проводу».

Все знают, как выглядит обычная домашняя розетка: она состоит из короба и двух отверстий. Наличие именно двух отверстий говорит о том, что сегодня, как и 100 лет назад, электроэнергия передается по двум проводам.

Первой в истории полноценной линией электропередачи считается 170-километровая линия с мощностью 220 кВт между немецкими городами Лауфен и Франкфурт, открытая в 1891 году. С тех пор по всей планете зарыты в землю и подвешены на столбах и опорах миллионы тонн дорогостоящих цветных металлов – меди и алюминия. Эта масса в тоннах и в денежном эквиваленте продолжает непрерывно расти за счёт развития энергосетей и их модификации, без каких-либо принципиальных изменений с того самого 1891 года, поскольку ничего нового в проводной передаче энергии от источника к потребителю учёные до сих пор придумать не сумели. Впрочем, почему не сумели? Сумели. Вот только мало кто об этом знает.

В 1892 году передачу электроэнергии по одному проводу демонстрировал знаменитый изобретатель Никола Тесла. Для нас остается загадкой, как он это делал: часть его записей до сих пор не расшифровали, другая часть сгорела. Сенсационность опытов Теслы очевидна любому электрику: ведь, чтобы ток шел по проводам, они должны составлять замкнутый контур. А тут вдруг — один незаземленный провод! Русский инженер Станислав Авраменко занимается этим вопросом вот уже 15 лет.

Но почему мы так мало знаем об этой сенсационной технологии, и почему она не применяется в современной энергетике? Ведь эта технология позволит сократить затраты и уменьшить количество проводов, опоясывающих планету, минимум в два раза. 

Получить ответы на эти вопросы и узнать суть процессов, позволяющих передавать электроэнергию по одному проводу, можно будет на презентации Игоря Владимировича Белицына, которая состоится в рамках IV Фестиваля науки АлтГТУ «Наследники Ползунова сегодня» 10 октября в ауд. 408 нового корпуса. Начало мероприятия в 11.30.

Фестиваль технического университета проходит под эгидой V Всероссийского Фестиваля науки. АлтГТУ приглашает всех желающих посетить увлекательные мероприятия нашего Фестиваля 9−10 октября. 

В эти дни можно будет посетить и другие презентации и лекции, например: 

• «Будущие политехники. Начало успешной карьеры»
• «Искусственный интеллект. Нейронные сети»
• «Как увидеть атомы?»
• «Актуальные проблемы современной физики»
• «Естественно-языковой интерфейс для систем управления сложными техническими объектами».

Презентация по физике на тему использование электроэнергии. Производство, использование и передача электроэнергии

Мощность, передаваемая по линии трехфазного тока P ф = U ф I ф cosφ ф Мощность трех фаз при равномерной нагрузке: P = 3P ф = 3U ф I ф cosφ ф Когда нагрузки соединены звездой, то: U ф = U л /3; I ф = I л P = (3U л I л /3) cosφ ф = 3IUcosφ. При соединении треугольником: I ф = U л /3; U ф = U л Мощность трехфазной системы: P = 3*IUcosφ

Коэффициентом мощности или cos φ электрической сети называется отношение активной мощности к полной мощности нагрузки расчетного участка. cos φ = P/S Только в том случае, когда нагрузка имеет исключительно активный характер, cos φ равен единице. В основном же, активная мощность меньше полной и поэтому коэффициент мощности меньше единицы. Низкий коэффициент мощности потребителя приводит: 1. к необходимости увеличения полной мощности трансформаторов и электрических станций; 2. к понижению КПД вырабатывающих и трансформирующих элементов цепи; 3. к увеличению потерь мощности и напряжения в проводах. Необходимо, чтобы как можно большую часть в полной мощности составляла именно активная мощность, в этом случае коэффициент мощности будет ближе к единице. Для увеличения коэффициента мощности можно: изменить мощность и тип устанавливаемых электродвигателей; увеличить загрузку электродвигателей в процессе работы; уменьшить время работы в холостом режиме оборудования потребляющего индуктивную мощность.

Электрическая подстанция Электрическая подстанция электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств.

Повышающие и понижающие подстанции Повышающая подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока. Необходимость в повышении передаваемого напряжения возникает в целях экономии металла, используемого в проводах ЛЭП. Уменьшение силы проходящего тока влечёт за собой уменьшение потери энергии, которая находится в прямой квадратичной зависимости от значения силы тока. Основная причина повышения напряжения состоит в том, что чем выше напряжение, тем большую мощность и на большее расстояние можно передать по линии электропередачи.

Передача электроэнергии постоянным током Наиболее перспективный способ использование постоянного тока. ЛЭП постоянного тока позволяют передать большую энергию по тем же проводам, кроме того, исчезают затруднения, связанные с индуктивным сопротивлением и емкостью линий. Переменное напряжение повышение переменного напряжения (трансформатор) постоянное напряжение переменное напряжение (выпрямитель) (инвертор) понижение до нужного значения. (трансформатор)

Энергосистемы Энергосистемы электрические станции ряда районов страны, объединенные высоковольтными линиями передач, образующие общую электрическую сеть, к которой присоединены потребители. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся Россия обеспечивается электроэнергией объединенными энергетическими системами.

Объединённая энергосистема Объединенная энергетическая система (ОЭС) совокупность нескольких энергетических систем, объединенных общим режимом работы, имеющая общее диспетчерское управление как высшую ступень управления по отношению к диспетчерским управлениям входящих в нее энергосистем. В составе Единой энергетической системы России выделяют шесть ОЭС, седьмая — ОЭС Востока — работает изолированно от Единой энергетической системы. ОЭС Центра (Астраханскую, Белгородскую, Брянскую, Владимирскую, Волгоградскую, Вологодскую, Воронежскую, Нижегородскую, Ивановскую, Тверскую, Калужскую, Костромскую, Курскую, Липецкую, Московскую, Орловскую, Рязанскую, Смоленскую, Тамбовскую, Тульскую и Ярославскую энергосистемы). ОЭС Юга (ранее — ОЭС Северного Кавказа), включающая в себя Дагестанскую, Калмыцкую, Карачаево-Черкесскую, Кабардино-Балкарскую, Кубанскую, Ростовскую, Северо-Осетинскую, Ставропольскую, Чеченскую и Ингушскую энергосистемы.

ОЭС Северо-запада, включающая в себя Архангельскую, Карельскую, Кольскую, Коми, Ленинградскую, Новгородскую, Псковскую и Калининградскую энергосистемы. ОЭС Средней Волги, включающая в себя Марийскую, Мордовскую, Пензенскую, Самарскую, Саратовскую, Татарскую, Ульяновскую и Чувашскую энергосистемы. ОЭС Урала, включающая в себя Башкирскую, Кировскую, Курганскую, Оренбургскую, Пермскую, Свердловскую, Тюменскую, Удмуртскую и Челябинскую энергосистемы. ОЭС Сибири, включающая в себя Алтайскую, Бурятскую, Иркутскую, Красноярскую, Кузбасскую, Новосибирскую, Омскую, Томскую, Хакасскую и Читинскую энергосистемы. ОЭС Востока, включающая в себя Амурскую, Дальневосточную и Хабаровскую энергосистемы.

Презентация по слайдам

Текст слайда: Производство, передача и использование электрической энергии. Разработал: Н.В.Грузинцева. г. Красноярск

Текст слайда: Цель проекта: Понимание производства, передачи и использования электрической энергии. Задачи проекта, рассмотреть: Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. Производство и использование электрической энергии. Передача электроэнергии. Эффективное использование электроэнергии.

Текст слайда: Вступление: Электрический ток вырабатывается в генераторах-устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся: Гальванические элементы. Электростатические батареи. Термобатареи. Солнечные батареи. и т. п.

Текст слайда: Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершить работу, то говорят, что они обладают энергией. Энергия – физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (или несколько тел). Энергию выражают в системе СИ в тех же единицах, что и работу, т.е. в джоулях.

Текст слайда: Преобладают электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Механическая энергия Электрическая энергия Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему состоящую из: Статор; Генератор; Кольца; Турбина; Корпус; Ротор; Щётки; Возбудитель.

Текст слайда: Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов. Устройство трансформатора: Замкнутый стальной сердечник, собранный из пластин; Две (иногда более) катушки с проволочными обмотками. первичная, вторичная, применяемая к источнику к ней присоединяют переменного напряжения. нагрузку, т.е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию.

Текст слайда: Источник энергии на ТЭС: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы, угольная пыль. Дают 40% электроэнергии. Внутренняя Энергия проводов ТЭС ПОТРЕБИТЕЛЬ

Текст слайда: На ГЭС для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды. Дают 20% электроэнергии. ГЭС ПОТРЕБИТЕЛЬ Внутренняя энергия проводов

Текст слайда: промышленность транспорт производственные и бытовые нужды механическая энергия ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

Слайд №10

Текст слайда: Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями электропередачи, образующие общую электрическую цепь, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Передача электроэнергии. заметные потери Потребитель трансформатор напряжение понижается; трансформатор напряжение увеличивается; сила тока уменьшается.

Использование электроэнергии на транспорте Выполнили работу: ученицы 11 «а» кл КСОШ №1 Кряжева Кристина Перфилова Даша ТуликЮля
Затолокина Маша
Руководитель: Аршакян Р.Ш.

Цели и задачи:

Показать необходимость использования
новых видов двигателей –
Электромобилей

Актуальность темы:

Экологические
проблемы связанные с
транспортом:
-Загрязнение
воздушного бассейна.
-Загрязнение водоёмов.
-Загрязнение почв.
-Шумовое загрязнение.

К чему может привести

использование тепловых
двигателей:
-Парниковому эффекту.
-Повышению температуры на планете.
-Тепловому загрязнению водоёмов.
-Загрязнению воздуха.

Пути решения:

Развитие общественного транспорта.
Другие виды топлива.
Очистные фильтры.
Развитие передвижения на велосипеде
или пешком.
Создание «зелёных коридоров».
Электромобили.

Томас Эдисон осматривает электромобиль Detroit Electric. Электромобиль массово производился с 1907 по 1927 годы, было

произведено более 20000 экземпляров. Максимальная скорость
составляла 32км/ч, дальность пробега на одном заряде
аккумуляторной батареи 130км.

La Jamais Contente (фр. Всегда недовольный) 1899г — электромобиль с легкосплавным обтекаемым кузовом — первый автомобиль,

La Jamais Contente (фр. Всегда недовольный) 1899г электромобиль с легкосплавным обтекаемым кузовом первый автомобиль, разогнавшийся свыше 100км/ч

Электромобиль Reva Classe индийского производства — один из самых успешных современных серийных электромобилей.

Компания Lightning представила на лондонской выставке British Motor Show спортивный электромобиль Lightning GT, от которого

невозможно отвести
взгляд.
Спортивный Lightning GT обладает мощностью свыше 700 л.с. и разгоняется до
100 км/ч за 4 секунды. Максимальная скорость — около 210 км/ч. Автомобиль
получил рейтинг экологичности благодаря отсутствию выбросов в атмосферу

Автомобиль приводится в движение двигателями, установленными в колесах, благодаря чему удается лучше передать крутящий момент и

упразднить трансмиссию, сцепление и тормозную систему. Во время
торможения двигатели работают как генераторы, заряжая
аккумуляторы, при этом создается сопротивление, за счет которого и
происходит торможение.

Весом в 300 кг (вместе с водителем), Xof1 оснащен 96 вольтовым электродвигателем и работает от литиево-ионного аккумулятора 3.8

кВт. Он способен разогнаться от 0-60 миль в час за 6 секунд,
максимальная скорость – 75 миль в час, полного заряда
аккумулятора хватает, чтобы проехать 125 миль.

ВЫВОД:

Мы с уверенностью смотрим в будущее электротранспорта:
цены на нефть и газ растут, и переход на массовое
использование альтернативных видов транспорта не за
горами.
Индикатором может служить отношение европейских стран
к этой проблеме:
все больше производится различных моделей серийных
электромобилей,
вводится законодательная поддержка владельцев чистого
транспорта,
растет экологическое самосознание населения.
Энтузиасты электромобилей уже сейчас имеют широкие
возможности для реализации своей мечты — все
необходимое для конверсии автомобиля в электромобиль
можно достаточно легко купить за относительно небольшие
деньги

История электричества Впервые электрический заряд обнаружил Фалес Милетский еще 600 лет до н. э. Он заметил, что янтарь, потёртый о кусочек шерсти, приобретает удивительные свойства притягивать легкие не электризованные предмета(пушинки и куски бумаги). Термин «электричество» впервые ввел английский ученый Тюдор Гилберт, в своей книге «О магнитных свойствах, магнитных телах и о большом магните Земле». В своей книге он доказал, что свойством наэлектризовываться обладает не только янтарь, но и другие вещества. А в середине 17 века всем известный ученый Отто фон Герике создал электростатическую машину, в которой обнаружил свойство заряженных предметов отталкиваться друг от друга. Так начали проявляться основные понятия в разделе электричество. Об истории электричества. Уже в 1729 г. Французский физик Шарль Дюфе установил существование двух типов зарядов. Он назвал такие заряды «стеклянным» и «смоляным», но вскоре, немецкий ученый Георг Лихтенберг, ввел в обиход понятие отрицательно и положительно заряженных зарядов. А в 1745 году был изготовлен первый в истории электрический конденсатор так называемая Лейденская банка. Но возможность сформулировать основные понятия и открытия в науке об электричестве удалось лишь только тогда, когда появились количественные исследования. Тогда началось время открытия основных законов электричества. Закон взаимодействия электронных зарядов был открыт в 1785 г. Французским ученым Шарлем Кулоном с помощью созданной им системы крутильных весов.

Томас Эдисон осматривает электромобиль Detroit Electric. Электромобиль массово производился с 1907 по 1927 годы, было произведено более экземпляров. Максимальная скорость составляла 32 км/ч, дальность пробега на одном заряде аккумуляторной батареи 130 км.

Компания Lightning представила на лондонской выставке British Motor Show спортивный электромобиль Lightning GT, от которого невозможно отвести взгляд. Спортивный Lightning GT обладает мощностью свыше 700 л.с. и разгоняется до 100 км/ч за 4 секунды. Максимальная скорость — около 210 км/ч. Автомобиль получил рейтинг экологичности благодаря отсутствию выбросов в атмосферу

Автомобиль приводится в движение двигателями, установленными в колесах, благодаря чему удается лучше передать крутящий момент и упразднить трансмиссию, сцепление и тормозную систему. Во время торможения двигатели работают как генераторы, заряжая аккумуляторы, при этом создается сопротивление, за счет которого и происходит торможение.

Весом в 300 кг (вместе с водителем), Xof1 оснащен 96 вольтовым электродвигателем и работает от литиево-ионного аккумулятора 3.8 к Вт. Он способен разогнаться от 0-60 миль в час за 6 секунд, максимальная скорость – 75 миль в час, полного заряда аккумулятора хватает, чтобы проехать 125 миль.

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителям. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратит в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света. Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителям. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратит в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света.

Преимущество электрической энергии Можно передавать по проводам Можно передавать по проводам Можно трансформировать Можно трансформировать Легко превращается в другие виды энергии Легко превращается в другие виды энергии Легко получается из других видов энергии Легко получается из других видов энергии

Генератор — Устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию. Устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи

Эксплуатация генератора Генерировать энергию можно либо вращая виток в поле постоянного магнита, либо виток поместить в изменяющееся магнитное поле (вращать магнит, оставляя виток неподвижным). Генерировать энергию можно либо вращая виток в поле постоянного магнита, либо виток поместить в изменяющееся магнитное поле (вращать магнит, оставляя виток неподвижным).

Значение генератора в производстве электрической энергии Важнейшие детали генератора изготавливаются очень точно. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично Важнейшие детали генератора изготавливаются очень точно. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично

Как устроен трансформатор? Он состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две катушки с проволочными обмотками. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения. К вторичной обмотке присоединяют нагрузку.

АЭС производят 17% мировой выработки. Начало ХХI века эксплуатируется 250 АЭС, работают 440 энергоблоков. Больше всего США, Франции, Японии, ФРГ, России, Канаде. Урановый концентрат (U3O8) сосредоточен в следующих странах: Канаде, Австралии, Намибии, США, России. Атомные электростанции

Сравнение типов электростанции Типы электростанц ий Выбросвредных веществ в атмосфе ры, кг Занимае мая площадьга Потребле ние чистой воды м 3 Сбро с грязн ой воды, м 3 Затрат ы наохрану приро ды % ТЭЦ: уголь 251,5600,530 ТЭЦ: мазут 150,8350,210 ГЭС АЭС—900,550 ВЭС10—1 СЭС-2— БЭС10-200,210

3.1: Введение в линии передачи

Линия передачи — это конструкция, предназначенная для передачи электромагнитных сигналов или энергии.

Элементарная линия передачи — это просто пара проводов, один из которых служит точкой отсчета (т. Е. Эталоном; например, «земля»), а другой провод несет электрический потенциал, который определяется относительно этой точки отсчета. Линии передачи со случайной геометрией, такие как измерительные провода, показанные на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), полезны только на очень низких частотах и ​​когда потери, реактивное сопротивление и устойчивость к электромагнитным помехам (EMI) не являются проблемой.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Эти выводы, используемые для подключения испытательного оборудования к цепям в лаборатории, представляют собой очень примитивную форму линии передачи, подходящую только для очень низких частот. (Общественное достояние; Дмитрий Г)

Однако многие цепи и системы работают на частотах, где длина или размеры поперечного сечения линии передачи могут составлять значительную часть длины волны. В этом случае линия передачи перестает быть «прозрачной» для цепей на обоих концах.Более того, потери, реактивное сопротивление и EMI являются значительными проблемами во многих приложениях. Эти опасения мотивируют использование определенных типов линий передачи и заставляют понимать, как правильно подключить линию передачи к остальной системе.

В электромагнетизме термин «линия передачи» относится к конструкции, которая предназначена для поддержки направленной волны . Направленная волна — это электромагнитная волна, которая содержится внутри линии или привязана к ней и не излучается за пределы линии.Это условие обычно выполняется, если длина и размеры поперечного сечения линии передачи малы по сравнению с длиной волны — скажем, \ (\ lambda / 100 \) (т.е. 1% длины волны). Например, два случайно расположенных провода могут достаточно хорошо служить для передачи сигнала на частоте \ (f = 10 \) МГц на длину \ (l = 3 \) см, поскольку \ (l \) составляет всего 0,1% длины волны. \ (\ lambda = c / f = 30 \) м. Однако, если \ (l \) увеличивается до \ (3 \) m, или , если \ (f \) увеличивается до 1 ГГц, то \ (l \) теперь составляет 10% длины волны.В этом случае следует рассмотреть возможность использования линии передачи, которая формирует правильную направленную волну.

Предотвращение непреднамеренного излучения — не единственная проблема. После того, как мы установили направленную волну в линии передачи, важно, чтобы мощность, подаваемая на линию передачи, подавалась в схему или устройство на другом конце, а не отражалась обратно в источник. Для приведенного выше примера случайного провода \ (f = 10 \) МГц, \ (l = 3 \) см нет причин для беспокойства, поскольку мы ожидаем фазовый сдвиг примерно на \ (0.{\ circ} \). В этом случае отраженный сигнал, распространяющийся в противоположном направлении, будет складываться для создания общего электрического потенциала, который изменяется как по величине, так и по фазе в зависимости от положения вдоль линии. Таким образом, импеданс при взгляде на пункт назначения через линию передачи будет отличаться от полного сопротивления при взгляде непосредственно на пункт назначения (подробности приведены в разделе 3.15). Модифицированный импеданс будет зависеть от геометрии поперечного сечения, материалов и длины линии.

Геометрия поперечного сечения и материалы также определяют устойчивость линии передачи к потерям и электромагнитным помехам.

Обобщение:

Линии передачи

предназначены для поддержки волноводных волн с контролируемым импедансом, низкими потерями и степенью защиты от электромагнитных помех.

Авторы и авторство

Физика: Электрический разум | Природа

Патрик МакКрей дает оценку биографии Николы Теслы, сербского волшебника переменного тока.

Тесла: изобретатель электрического века

Princeton University Press: 2013.520 стр. 19,95 £, 29,95 $ 9780691057767 | ISBN: 978-0-6910-5776-7

Когда предприниматель Илон Маск назвал свою компанию по производству электромобилей Tesla Motors, он воздал должное выдающемуся человеку. Сербский изобретатель и инженер-электрик Никола Тесла (1856–1943) создал настоящий зоопарк электрических изобретений, от двигателей, использующих переменный ток (AC) до радиоуправляемых лодок, и предложенной системы беспроводной передачи электроэнергии с одного континента на другой. .

Превосходная биография Бернарда Карлсона следует за Теслой с его лет в Хорватии, Австрии и Венгрии, где он изучал физику, инженерию и математику, до его прибытия в Нью-Йорк в 1884 году, а затем до впечатляющих успехов и неудач в области электрических инноваций.Карлсон воплощает в жизнь экстравагантную саморекламу Теслы, а также его эксцентричность и врожденные таланты, раскрывая его как знаменитого изобретателя «второй промышленной революции», соперника Томаса Альвы Эдисона.

Искусственно созданные молнии вокруг лаборатории Николы Теслы в Колорадо. Предоставлено: BETTMANN / CORBIS

Тесла некоторое время работал на Эдисона в Соединенных Штатах, но бросил его с отвращением, когда Эдисон отказался использовать свою систему дуговой подсветки. Финансово ограниченный, Tesla окунулась в технологическую экосистему Нью-Йорка с его растущим спросом на электроэнергию для энергетики и связи.Как рассказывает Карлсон, эти технологические рубежи в то время были в значительной степени нерешенными: изобретатели, предприниматели и финансисты боролись за конкурентное преимущество. Ключевой вопрос заключался в том, станет ли подход Эдисона постоянным током или вариант переменного тока, одобренный Теслой, доминировать в передаче электроэнергии.

Успешным достижением Теслы стала реализация его двигателя переменного тока в конце 1880-х годов. Это было основано на серии изобретений и патентов на использование двух источников переменного тока, не совпадающих по фазе друг с другом.Тесла увидел, что они создают вращающееся магнитное поле, из которого может получиться двигатель. Его многофазные энергосистемы были поддержаны деньгами американского предпринимателя Джорджа Вестингауза и в конечном итоге позволили коммунальным предприятиям передавать электроэнергию на более длинные расстояния, чем раньше.

Первая биография Теслы появилась в 1894 году, когда он был на вершине после создания «колеблющегося передатчика» (резонансный трансформатор, также называемого катушкой Тесла) и увидел, как его многофазные двигатели переменного тока использовались для выработки электроэнергии на Ниагарском водопаде.Затем последовали публичные лекции в США и Европе. У Теслы была непревзойденная способность впечатлять аудиторию и потенциальных спонсоров потрясающими электрическими дисплеями. Например, на лекции 1891 года были представлены два больших цинковых листа, подвешенных к потолку аудитории и подключенных к источнику питания. При тусклом освещении Тесла шагал между плитами, держа в каждой руке по газонаполненной трубке. Электростатическое поле заставляло трубки светиться, пока Тесла рассказывал восхищенной толпе, как можно перемещать электрический свет, не будучи привязанным к проводам.

Тесла продолжил изучение возможности беспроводной передачи энергии в 1899 году, находясь в творческом отпуске в Колорадо-Спрингс. (Здесь была сделана хорошо известная фотография с двойной экспозицией , изображающая , на которой он, кажется, беспечно сидит среди сильных электрических разрядов.) Летние штормы в этом регионе заставили его предположить, что молнии инициировали электромагнитные волны в земной коре, создавая стационарные волны. Он считал, что этот процесс позволит передавать энергию «в неограниченном количестве, на любое земное расстояние и без потерь».

Многие писатели называют Теслу «ницшеанским сверхчеловеком», как выразился Карлсон. Но Карлсон критически относится к более диким заявлениям Теслы — таким, как его предложенное оружие с пучками частиц, которое так и не было реализовано, несмотря на то, что накануне Второй мировой войны вызвало интерес среди советских, британских и американских официальных лиц. Карлсон также откровенно говорит о непонимании Теслой научных открытий. Например, в 1887 году немецкий физик Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны, предсказанные шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом.Тесла решил, что свечение в вакуумированных стеклянных газоразрядных трубках вызвано «электростатическими толчками». Ошибка не помешала ему попытаться превратить основное открытие Герца в устройства в лаборатории. Технологические инновации, а не научные открытия оставались главной целью этого дальновидного инженера.

Карлсон контекстуализирует подход Теслы, исследуя природу и психологию изобретений, исследуя такие теории, как модель «творческого разрушения» экономиста Джозефа Шумпетера и недавняя идея профессора бизнеса Клейтона Кристенсена о «разрушительных инновациях».Обе эти теории основаны на идее, что предприниматели и изобретатели, производящие радикальные технологии, могут вызвать широкомасштабные социальные и экономические потрясения. По словам Карлсона, изобретательский стиль Теслы заключался в «противоречии между идеалом и иллюзией»: он сначала формировал изобретения в своем уме, а не использовал эмпирический подход Эдисона. Тесла считал, что его многофазная система основана на прекрасном принципе, к которому, как он ожидал, будут адаптироваться бизнесмены и клиенты. Однако, ставя идеалы дизайна выше практических соображений — в отличие от покойного генерального директора Apple Стива Джобса, отмечает Карлсон, — иногда означало, что Tesla упускала коммерческие возможности.

Примерно в 1900 году Тесла начал концептуализировать большую систему, которая позволила бы беспроводную передачу энергии и связи «от Пика Пика» в Скалистых горах Колорадо «в Париж». Заручившись поддержкой волшебника с Уолл-стрит Джона Пирпонта Моргана, он руководил строительством Варденклиффа, внушительной башни-лаборатории-передатчика на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк. Однако ошибочные результаты исследования подорвали план, и, обеспокоенный саморекламой Tesla и с подозрением относящийся к растущему спекулятивному пузырю в области беспроводной связи, Морган отказался.Гигантская линия передачи так и не была завершена, и Тесла начал бороться за наличные. (Несмотря на это, деятельность Теслы, вероятно, побудила физика и изобретателя Гульельмо Маркони ускорить его собственную работу по беспроводной связи.)

Неудачи, которые преследовали схему передачи Теслы, глубоко повлияли на его представления о том, как работает мир электричества. Земля не вела себя так, как если бы она была заполнена несжимаемой жидкостью, как считал Тесла. По словам Карлсона, когда эксперимент Уорденклиффа провалился, Тесла столкнулся с «серьезной дилеммой»… Либо он был неправ, либо природа ошибалась ». Идеи столкнулись с реальностью, и Тесла, разгневанный и подавленный, в 1905 году пережил нервный срыв.

Последние три десятилетия Тесла провел в Нью-Йорке в относительной безвестности. Он никогда не отказывался от мечты о беспроводной передаче энергии и продолжал изобретать, опасно живя за счет скромного потока гонораров. Он давал ежегодные пресс-конференции, на которых размышлял о будущем технологий. Его жизнь, как заметил один обозреватель, приняла более «спекулятивный, философский и отчасти рекламный характер».

В начале 1970-х, через много лет после его смерти, загадочное поведение Теслы (например, его страсть к кормлению голубей) и давняя репутация выдающегося наэлектризованного иллюзиониста помогли укрепить его привлекательность среди претендентов на бесплатную энергию — которые верят, что в нашем мире есть электричество. окружающая среда ждет, чтобы ее подобрали с помощью правильных технологий, — и контркультуралисты, ищущие тайны в рациональном и материальном мире. За последние несколько лет общественный интерес снова резко возрос. В 2012 году онлайн-кампания собрала около миллиона долларов в неделю для музея Тесла.В недавнем видео на YouTube Тесла сражается с Эдисоном в рэп-битве, а в фильме Кристофера Нолана «« Престиж »2006 года Дэвид Боуи играет Теслу. Смелые прогнозы Теслы и гламур аутсайдера по-прежнему действуют своим волшебством.

Tesla показывает, что глубокий творческий импульс, управляемый огромной интуицией, может до определенной степени помочь изобретателям. Инновации могут быть субъективным процессом, но карьера Теслы показывает, что ее также можно подорвать, полагая, что иллюзия имеет субстанцию.

Информация об авторе

Принадлежность

1. В. Патрик МакКрей — профессор кафедры истории Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Его последняя книга — «Провидцы: как группа элитных ученых преследовала космические колонии, нанотехнологии и безграничное будущее».

   W. Patrick McCray

Автор, ответственный за переписку

Переписка на В. Патрик МакКрей.

Ссылки по теме

Ссылки по теме

Ссылки по теме в Nature Research

Инновация: будь к черту пределы

Об этой статье

Цитируйте эту статью

McCray, W.Физика: разум электрический. Природа 497, 562–563 (2013). https://doi.org/10.1038/497562a

Скачать цитату

Поделиться этой статьей

Все, с кем вы поделитесь следующей ссылкой, смогут прочитать это содержание:

Получить ссылку для совместного использования

К сожалению, в настоящее время ссылка для совместного использования отсутствует доступно для этой статьи.

Предоставлено инициативой по обмену контентом Springer Nature SharedIt

Дополнительная литература

• Технология: революция в радио

  Природа (2016)

• Новое в мягкой обложке

  Природа (2015)

Хронология электроснабжения | Джонсборо Сити Уотер энд Лайт

Фалес, грек, обнаружил, что когда янтарь натирают шелком, он становится электрически заряженным и притягивает предметы.Первоначально он открыл статическое электричество. Верх 1600: Уильям Гилберт (Англия) впервые ввел термин «электричество» от греческого слова «электрон», обозначающего янтарь. Гилберт писал об электризации многих веществ. Он также был первым, кто использовал термины электрическая сила, магнитный полюс и электрическое притяжение. 1660: Отто фон Герике (Германия) описал и продемонстрировал вакуум, а затем изобрел машину, производящую статическое электричество. 1675: Стивен Грей (Англия) различал проводники и непроводники электрических зарядов. Верх Бен Франклин (США) привязал ключ к веревке воздушного змея во время грозы и доказал, что статическое электричество и молния — это одно и то же. Верх Алессандро Вольта (Италия) изобрел первую электрическую батарею. Параметр «вольт» назван в его честь. Верх 1820: Отдельные эксперименты Ганса Христиана Эрстеда (Дания), Андре-Мари Ампера (Франция) и Франсуа Араго подтвердили связь между электричеством и магнетизмом. 1821: Майкл Фарадей (Англия) открыл принцип электромагнитного вращения, который позже станет ключом к разработке электродвигателя. 1826: Георг Ом (Германия) определил взаимосвязь между мощностью, напряжением, током и сопротивлением в Законе Ома. Верх 1831: Используя свое изобретение индукционного кольца, Майкл Фарадей (Англия) доказал, что электричество может быть индуцировано (произведено) изменениями в электромагнитном поле. Эксперименты Фарадея о том, как работает электрический ток, привели к пониманию электрических трансформаторов и двигателей. Джозеф Генри (США) отдельно открыл принцип электромагнитной индукции, но не опубликовал свою работу. Он также описал электродвигатель. 1835: Джозеф Генри (США) изобрел электрическое реле, которое могло передавать электрические токи на большие расстояния. 1837: Томас Дэвенпорт (США) изобрел электродвигатель, изобретение, которое сегодня используется в большинстве электроприборов. Верх 1841: Джеймс Прескотт Джоул (Англия) показал, что энергия сохраняется в электрических цепях, включая протекание тока, термический нагрев и химические превращения.В его честь была названа единица тепловой энергии Джоуль. 1844: Сэмюэл Морс (США) изобрел электрический телеграф, устройство, которое могло отправлять сообщения на большие расстояния по проводам. Верх 1860s: Опубликована математическая теория электромагнитных полей. Максвелл (Шотландия) создал новую эру физики, объединив магнетизм, электричество и свет. Четыре закона Максвелла электродинамики («уравнения Максвелла») в конечном итоге привели к появлению электроэнергии, радио и телевидения. Верх 1878: Джозеф Свон (Англия) изобрел первую лампу накаливания (также называемую «электрической лампой»). Его лампочка быстро перегорела. Томас Эдисон (США) основал Edison Electric Light Co. (США) в Нью-Йорке. Он приобрел ряд патентов на электрическое освещение и начал эксперименты по разработке практичной долговечной лампочки. 1879: После многих экспериментов Томас Эдисон (U.С.) изобрел лампочку накаливания, которая могла работать около 40 часов, не перегорая. К 1880 году его лампы можно было использовать в течение 1200 часов. Электрические фонари (дуговые лампы Brush) были впервые использованы для уличного освещения в Кливленде, штат Огайо. California Electric Light Company, Inc. в Сан-Франциско была первой электроэнергетической компанией, которая продавала электроэнергию потребителям. Компания использовала два небольших генератора Brush для питания 21 дуговых ламп Brush. Верх 1881: Электрический трамвай изобрел Э.W. v. Siemens 1882: Томас Эдисон (США) открыл электростанцию ​​на Перл-стрит в Нью-Йорке. Станция Перл-Стрит была одной из первых центральных электростанций в мире и могла питать 5000 ламп. Станция Перл-Стрит была системой постоянного тока (DC), в отличие от энергосистем, которые мы используем сегодня, которые используют переменный ток (AC). Первая гидроэлектростанция открылась в Висконсине. Эдвард Джонсон впервые зажег елку электрическими лампочками. 1883: Никола Тесла (иммигрант из США из Австрийской империи) изобрел «катушку Тесла» — трансформатор, который переводил электричество с низкого напряжения на высокое, облегчая транспортировку на большие расстояния. 1884: Никола Тесла (иммигрант из США из Австрийской империи) изобрел электрический генератор переменного тока для производства переменного тока (AC). До этого времени электричество вырабатывалось с использованием постоянного тока (DC) от батарей. Сэр Чарльз Алджернон Парсонс (Англия) изобрел паротурбинный генератор, способный вырабатывать огромное количество электроэнергии. 1886: Уильям Стэнли младший (США) разработал трансформатор с индукционной катушкой и электрическую систему переменного тока. 1888: Никола Тесла (иммигрант из США из Австрийской империи) продемонстрировал первую многофазную электрическую систему переменного тока. Его система переменного тока включала в себя все необходимое для производства и использования электроэнергии: генератор, трансформаторы, систему передачи, двигатель (используемый в бытовой технике) и фонари. Джордж Вестингауз, глава Westinghouse Electric Company, купил патентные права на систему переменного тока.Чарльз Браш (США) первым использовал большую ветряную мельницу для выработки электроэнергии. Он использовал ветряную мельницу для зарядки аккумуляторов в подвале своего дома в Кливленде, штат Огайо. Верх 1893: Компания Westinghouse Electric использовала систему переменного тока для освещения Всемирной выставки в Чикаго. Была открыта линия электропередачи переменного тока длиной 22 мили, по которой электричество отправлялось из электростанции Folsom Powerhouse в Калифорнии в Сакраменто. 1895-1896: Открытие гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде.Первоначально он обеспечивал электричеством прилегающую территорию. Год спустя, когда была открыта новая линия электропередачи переменного тока (AC), электроэнергия из Ниагарского водопада была отправлена ​​потребителям более чем в 20 милях от города Буффало, штат Нью-Йорк. 1897: Джозеф Джон Томсон (Англия) открыл электрон. Верх 1911: W. Carrier (США) изобрел электрический кондиционер. 1913: А.Госс изобрел электрический холодильник. 1943 — 1946: Построен первый электронный цифровой компьютер общего назначения, ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер). 1950: Джон Хоппс (Канада) обнаружил: если сердце перестает биться из-за охлаждения, его можно снова запустить с помощью искусственной стимуляции с использованием механических или электрических средств. Это привело к его изобретению первого в мире кардиостимулятора. 1953: IBM 701 EDPM был первым коммерчески успешным компьютером общего назначения. 1961: Первыми настольными электронными калькуляторами были Anita Mk VII и Mk 8, в которых использовалась технология электронных ламп. 1962: Стив Рассел (США) изобрел космическую войну! Первая игра, предназначенная для использования на компьютере. 1972: Аркадная игра Pong была создана Ноланом Бушнеллом. 1993: Первые КПК или персональные цифровые помощники выпущены корпорацией Apple (США). 1998: Эрикссон, IBM, Intel и Nokia совместно разработали технологию Bluetooth, которая обеспечивает беспроводную связь между мобильными телефонами, ноутбуками, ПК, принтерами, цифровыми камерами и игровыми консолями. Верх 2001: Портативный медиаплеер iPOD был выпущен корпорацией Apple. 2004: Благодаря полному цветовому диапазону мощных светоизлучающих диодов (СИД) были разработаны более совершенные архитектурные проекты, а также сценическое и студийное освещение. Цветные светодиоды снижают энергопотребление. Верх

Как человеческое тело использует электричество

Автор Amber Plante

Электричество есть везде, даже в человеческом теле.Наши клетки предназначены для проведения электрических токов. Электричество требуется нервной системе, чтобы посылать сигналы по всему телу и в мозг, позволяя нам двигаться, думать и чувствовать.

Итак, как клетки контролируют электрические токи?

Элементы нашего тела, такие как натрий, калий, кальций и магний, обладают определенным электрическим зарядом. Почти все наши клетки могут использовать эти заряженные элементы, называемые ионами, для выработки электричества.

Содержимое клетки защищено от внешней среды клеточной мембраной.Эта клеточная мембрана состоит из липидов, которые создают барьер, через который только определенные вещества могут проникнуть внутрь клетки. Мало того, что клеточная мембрана действует как барьер для молекул, она также действует как способ для клетки генерировать электрические токи. Покоящиеся клетки заряжены отрицательно внутри, тогда как внешняя среда заряжена более положительно. Это происходит из-за небольшого дисбаланса между положительными и отрицательными ионами внутри и снаружи клетки. Клетки могут достичь разделения зарядов, позволяя заряженным ионам входить и выходить через мембрану.Поток зарядов через клеточную мембрану — это то, что генерирует электрические токи.

Клетки контролируют поток определенных заряженных элементов через мембрану с помощью белков, которые находятся на поверхности клетки и создают отверстие для прохождения определенных ионов. Эти белки называются ионными каналами. Когда клетка стимулируется, это позволяет положительным зарядам проникать в клетку через открытые ионные каналы. Затем внутренняя часть клетки становится более положительно заряженной, что вызывает дополнительные электрические токи, которые могут превращаться в электрические импульсы, называемые потенциалами действия.Наше тело использует определенные модели потенциалов действия, чтобы инициировать правильные движения, мысли и поведение.

Нарушение электрического тока может привести к болезни. Например, чтобы сердце могло перекачивать кровь, клетки должны генерировать электрические токи, которые позволяют сердечной мышце сокращаться в нужное время. Врачи могут даже наблюдать эти электрические импульсы в сердце с помощью аппарата, называемого электрокардиограммой или ЭКГ. Нерегулярные электрические токи могут помешать правильному сокращению сердечных мышц, что приведет к сердечному приступу.Это всего лишь один пример, показывающий важную роль электричества в здоровье и болезнях.

Ссылки
CrashCourse. «Нервная система, часть 2 — Действие! Потенциал! Ускоренный курс A&P №9 ». Видео на YouTube, 11:43. 2 марта 2015 г. https://www.youtube.com/watch?v=OZG8M_ldA1M.
Основы анатомии и физиологии. «Каналы с ограничением по напряжению и потенциал действия». McGraw-Hill Co., Видео. 2016. http://highered.mheducation.com/sites/0072943696/student_view0/chapter8/animation__voltage-gated_channels_and_the_action_potential__quiz_1_.html.
Нельсон, Дэвид Л. и Майкл М. Кокс. 2013. Принципы биохимии Ленингера, 6-е изд. Книга. 6-е изд. Нью-Йорк: W.H. Фриман и Ко. Doi: 10.1016 / j.jse.2011.03.016.

Объекты передачи и передачи электроэнергии

Объекты передачи и передачи электроэнергии Передача электроэнергии — это процесс транспортировки электроэнергии к потребителям на большие расстояния.Для некоторых новых солнечных электростанций могут потребоваться новые объекты передачи электроэнергии. Электротрансмиссия Передача электроэнергии — это процесс, с помощью которого большие объемы электроэнергии, произведенной на электростанциях, таких как промышленные солнечные установки, транспортируются на большие расстояния для последующего использования потребителями. В Северной Америке электроэнергия отправляется с электростанций в сеть электропередач Северной Америки , обширную сеть линий электропередач и связанные с ними объекты в Соединенных Штатах, Канаде и Мексике.Из-за большого количества потребляемой мощности и свойств электричества передача обычно происходит при высоком напряжении (69 кВ или выше). Электроэнергия обычно поставляется на подстанцию ​​ вблизи населенного пункта. На подстанции электричество высокого напряжения преобразуется в более низкое напряжение, подходящее для использования потребителями, а затем доставляется конечным пользователям через (относительно) низковольтные распределительные линии. Для недавно построенных солнечных электростанций , если бы не было подходящих объектов передачи, потребовались бы новые линии передачи и связанные с ними объекты.Строительство, эксплуатация и вывод из эксплуатации высоковольтных линий электропередачи и связанных с ними объектов создадут ряд воздействий на окружающую среду. Тип и величина воздействий, связанных со строительством, эксплуатацией и выводом из эксплуатации линии электропередачи, будут варьироваться в зависимости от типа и размера линии, а также от длины линии электропередачи и множества других факторов, специфичных для площадки. К основным узлам высоковольтных линий электропередачи и сопутствующим объектам относятся: Передаточные башни Башни передачи являются наиболее заметным компонентом системы передачи энергии.Их функция состоит в том, чтобы изолировать проводники высокого напряжения (линии электропередач) от окружающей среды и друг от друга. Существуют различные конструкции башен, которые обычно используют открытую решетку или монополь, но обычно они очень высокие (башня на 500 кв может иметь высоту 150 футов с поперечинами шириной до 100 футов), металлические конструкции. Передаточные башни Увеличить нажмите Проводники (линии электропередачи) Проводники — это линии электропередач , по которым электроэнергия подается в сеть и через нее к потребителям.Как правило, на опору для каждой электрической цепи натянуто несколько проводов. Проводники состоят в основном из скрученных металлических жил, но более новые проводники могут включать керамические волокна в матрицу из алюминия для дополнительной прочности при меньшем весе. Подстанции Очень высокие напряжения, используемые для передачи электроэнергии, преобразуются в более низкие напряжения для использования потребителями на подстанциях . Подстанции различаются по размеру и конфигурации, но могут занимать несколько акров; они очищены от растительности и обычно засыпаны гравием.Обычно они огорожены, и к ним ведет постоянная подъездная дорога. В общем, подстанции включают в себя множество конструкций, проводов, ограждений, освещения и других элементов, которые создают «промышленный» вид. Подстанция Увеличить Щелкните фото ниже, чтобы просмотреть интерактивную панораму. Подстанция на фотоэлектрическом объекте — интерактивная панорама. Источник: Аргоннская национальная лаборатория Право проезда (полосы отвода) Полоса отчуждения для коридора электропередачи включает земель, зарезервированных для линии электропередачи и связанных с ней объектов, необходимых для облегчения технического обслуживания и предотвращения риска пожаров и других аварий.Он обеспечивает запас прочности между высоковольтными линиями и окружающими конструкциями и растительностью. Некоторая расчистка растительности может потребоваться по соображениям безопасности и / или доступа. Полоса отвода обычно состоит из местной растительности или растений, выбранных по благоприятным моделям роста (медленный рост и низкая зрелая высота). Однако в некоторых случаях подъездные дороги составляют часть полосы отвода и обеспечивают более удобный доступ для автомобилей для ремонта и инспекции. Ширина полосы отвода изменяется в зависимости от номинального напряжения линии от 50 футов.примерно до 175 футов или более для линий 500 кВ. Передача ROW Увеличить Подъездные пути Подъездные пути к сооружениям линий электропередачи как для строительства, так и для обслуживания линий обычно требуются и могут быть мощеными или гравийными. Для строительства подъездной дороги может потребоваться очистка от растительности и / или реконструкция земли. Дополнительные временные дороги также могут потребоваться на этапах строительства и вывода из эксплуатации проекта линии электропередачи. Для получения дополнительной информации Более подробная информация об электрической передаче и подробные описания компонентов передающего устройства представлены в следующем техническом отчете.

Выход за рамки антилазерной защиты может обеспечить беспроводную передачу энергии на большие расстояния

Электрические дуги, генерируемые катушкой Тесла. Предоставлено: Airarcs / CC BY-SA 3.0.

С тех пор, как в 1891 году Никола Тесла извергал электричество во всех направлениях своей катушкой, ученые придумывали способы передачи электроэнергии по воздуху.Мечтаете зарядить свой телефон или ноутбук, а может быть, даже медицинское устройство, такое как кардиостимулятор, без использования проводов и вилок. Сложность состоит в том, чтобы заставить электричество найти свою намеченную цель и заставить эту цель поглощать электричество, а не просто отражать его обратно в воздух — и все это желательно, чтобы никому не подвергать опасности на своем пути.

В наши дни вы можете заряжать смартфон по беспроводной сети, поместив его в пределах дюйма от зарядной станции.Но доступная беспроводная передача энергии на большие расстояния, из одной стороны комнаты в другую или даже через здание, все еще находится в стадии разработки. Большинство методов, которые в настоящее время разрабатываются, включают фокусировку узких лучей энергии и наведение их на намеченную цель. Эти методы имели некоторый успех, но пока они не очень эффективны. А сфокусированные электромагнитные лучи, летящие по воздуху, тревожат.

Теперь группа исследователей из Университета Мэриленда (UMD) в сотрудничестве с коллегой из Уэслианского университета в Коннектикуте разработали усовершенствованный метод беспроводной передачи энергии, который может обеспечить передачу энергии на большие расстояния без узконаправленных и целенаправленных действий. энергетические лучи.Их результаты, расширяющие применимость предыдущих методов, были опубликованы 17 ноября 2020 года в журнале Nature Communications .

Команда обобщила концепцию, известную как «антилазер». В лазере один фотон запускает каскад из множества фотонов одного цвета, вылетающих когерентным лучом. В анти-лазере происходит обратное. Вместо увеличения количества фотонов антилазер когерентно и идеально поглощает пучок множества точно настроенных фотонов. Это как лазер, бегущий назад во времени.

Новая работа, проведенная профессором физики UMD Стивеном Анлаге из Центра квантовых материалов (QMC), демонстрирует, что можно разработать когерентный идеальный поглотитель вне исходной структуры обращенного во времени лазера — ослабление некоторых ключевых ограничений. в более ранней работе. Вместо того чтобы предположить, что направленные лучи движутся по прямым линиям в поглощающую мишень, они выбрали геометрию, которая была беспорядочной и не допускала движения назад во времени.

«Мы хотели увидеть этот эффект в совершенно общей среде, где нет ограничений», — говорит Анлаге.«Мы хотели создать своего рода случайную, произвольную, сложную среду, и мы хотели, чтобы происходило идеальное поглощение в этих действительно сложных обстоятельствах. Это было мотивацией для этого, и мы это сделали».

Анлаге и его коллеги хотели создать устройство, которое могло бы получать энергию от более рассеянного источника, то есть меньше луча и больше ванны. Прежде чем приступить к решению проблемы беспроводной связи, они создали свой универсальный антилазер в виде лабиринта проводов, по которым проходят электромагнитные волны.В частности, они использовали микроволны, которые часто используются для передачи энергии. Лабиринт состоял из связки проводов и ящиков, соединенных намеренно беспорядочно. Микроволны, проходящие через этот лабиринт, запутались бы настолько, что даже если бы можно было повернуть время вспять, это все равно не распутало бы их.

Посреди этого лабиринта был похоронен поглотитель, цель, к которой нужно было передавать энергию.Команда отправила в лабиринт микроволны разной частоты, амплитуды и фазы и измерила, как они трансформируются. Основываясь на этих измерениях, они смогли рассчитать точные свойства входных микроволн, которые обеспечили бы идеальную передачу энергии на поглотитель. Они обнаружили, что для правильно выбранных входных микроволн лабиринт поглощает беспрецедентные 99,999% энергии, которую они в него направляют. Это явно показало, что когерентное идеальное поглощение может быть достигнуто даже без обратного движения лазера во времени.

Затем команда сделала шаг в сторону беспроводной передачи энергии. Они повторили эксперимент в полости — латунной пластине на несколько футов в каждом направлении с отверстием странной формы посередине. Форма отверстия была разработана таким образом, чтобы микроволны отражались от него непредсказуемым и хаотичным образом. Они поместили поглотитель энергии внутри полости и послали микроволны, которые отражались в открытом пространстве внутри. Им удалось найти правильные входные микроволновые условия для когерентного идеального поглощения с 99.КПД 996%.

Недавняя работа, проведенная группой из Франции и Австрии, также продемонстрировала когерентное совершенное поглощение в их собственном неупорядоченном микроволновом лабиринте. Однако их эксперимент был не таким общим, как новая работа Анлаге и его коллег. В предыдущей работе микроволны, входящие в лабиринт, все еще были бы распутаны гипотетическим обращением времени. Это может показаться тонким различием, но авторы говорят, что показ того, что когерентное совершенное поглощение не требует какого-либо порядка в окружающей среде, обещает применимость практически везде.

Обобщение предыдущих методов таким образом предлагает идеи, которые звучат как научная фантастика, например, возможность беспроводной и удаленной зарядки любого объекта в сложной среде, такой как офисное здание, с почти идеальной эффективностью. Такие схемы потребуют, чтобы частота, амплитуда и фаза электроэнергии настраивались индивидуально для конкретных целей. Но не нужно было бы фокусировать мощный луч и направлять его на ноутбук или телефон — сами электрические волны были бы разработаны, чтобы найти выбранную цель.

«Если у нас есть объект, к которому мы хотим подавать электроэнергию, мы сначала будем использовать наше оборудование для измерения некоторых свойств системы», — говорит Лей Чен, аспирант по электротехнике и компьютерной инженерии в UMD и ведущий автор бумага. «Основываясь на этих свойствах, мы можем получить уникальные микроволновые сигналы для такого типа систем. И они будут идеально поглощаться объектом. Для каждого уникального объекта сигналы будут разными и специально разработаны».

Хотя этот метод является многообещающим, еще многое предстоит сделать до появления беспроводных офисов и офисов без подключаемых модулей.Идеальный поглотитель решающим образом зависит от мощности, настроенной именно для поглотителя. Небольшое изменение окружающей среды — например, перемещение целевого портативного компьютера или поднятие жалюзи в комнате — потребует немедленной перенастройки всех параметров. Таким образом, должен быть способ быстро и эффективно найти правильные условия для идеального поглощения на лету, без использования слишком большой мощности или полосы пропускания. Кроме того, необходимо провести дополнительную работу, чтобы определить эффективность и безопасность этого метода в реальных условиях.

Даже если еще не время выбрасывать все шнуры питания, когерентное идеальное поглощение может пригодиться во многих отношениях. Он не только универсален для любых целей, но также не ограничивается оптикой или микроволнами. «Это не связано с какой-то одной конкретной технологией, — говорит Анлаге. — Это очень общее волновое явление. И тот факт, что это делается в микроволновых печах, объясняется тем, что в моей лаборатории сильные стороны именно в этом. Но вы могли бы сделать все это с помощью акустика, вы могли бы сделать это с волнами материи, вы могли бы сделать это с холодными атомами.Вы можете сделать это в самых разных контекстах ».

Помимо Чена и Анлаге, соавтором статьи был Цампикос Коттос, профессор Уэслианского университета.

---

---

Дополнительная информация: Lei Chen et al. Идеальное поглощение в сложных рассеивающих системах со скрытой симметрией или без нее, Nature Communications (2020).DOI: 10.1038 / s41467-020-19645-5 Предоставлено Мэрилендский университет

Ссылка : Выход за рамки антилазерной защиты может обеспечить беспроводную передачу энергии на большие расстояния (2020, 19 ноября) получено 31 октября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2020-11-anti-laser-enable-long-range-wireless-power.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Физика — Электродвижущая сила — Бирмингемский университет

Электродвижущая сила (ЭДС) равна разности потенциалов на клеммах при отсутствии тока.ЭДС и разность потенциалов на клеммах ( В, ) измеряются в вольтах, но это не одно и то же. ЭДС ( ϵ ) — это количество энергии ( E ), обеспечиваемое батареей на каждый кулон заряда ( Q ), проходящий через нее.

Как рассчитать ЭДС?

ЭДС можно записать через внутреннее сопротивление батареи ( r ) где: ϵ = I (r + R )

Что из закона Ома, мы можем затем изменить это с точки зрения оконечного сопротивления: ϵ = В + Ir

ЭДС ячейки может быть определена путем измерения напряжения на ячейке с помощью вольтметра и тока в цепи с помощью амперметра для различных сопротивлений.Затем мы можем настроить схему для определения ЭДС, как показано ниже.

ЭДС и внутреннее сопротивление электрических элементов и батарей

Исследование ЭМП

Как закон Фарадея соотносится с ЭМП?

Закон Фарадея гласит, что любое изменение магнитного поля катушки будет индуцировать в катушке ЭДС (а следовательно, и ток). Он пропорционален минус скорости изменения магнитного потока ( ϕ ) (примечание N — количество витков в катушке).

Используя закон Фарадея, общество извлекло выгоду из таких важных технологий, как трансформаторы, которые используются для передачи электроэнергии в национальной энергосистеме Великобритании, которая теперь является необходимостью в наших домах. Также он используется в электрических генераторах и двигателях, таких как плотины гидроэлектростанций, которые производят электричество, которое сейчас является неотъемлемой частью наших современных технологических потребностей. Текущий исследовательский проект MAG-DRIVE в Бирмингеме направлен на поиск способов разработки и улучшения материалов с постоянными магнитами, которые могут быть использованы в электромобилях следующего поколения.ЭМП также генерируется солнечными батареями, поэтому они важны для исследований в области возобновляемых источников энергии.

Лабораторные признания

В подкасте «Лаборатория исповеди» исследователи рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. Эпизоды, которые касаются надлежащего использования цифровых инструментов (простое гармоническое движение), правильного построения принципиальных схем (удельное сопротивление в проводе) и использования источников питания постоянного тока (конденсаторов), имеют отношение к эксперименту по ЭДС, ниже вы можете услышать удельное сопротивление. в проводном подкасте.

Как мы интерпретируем наши данные?

По мере увеличения сопротивления переменного резистора величина тока будет уменьшаться. График зависимости напряжения от тока должен давать линейную зависимость, где градиент линии дает отрицательное внутреннее сопротивление ячейки ( -r ), а точка пересечения дает ЭДС (напряжение, при котором ток равен 0).

Выполнение нескольких измерений при разных значениях сопротивления даст больше точек на графике V-I, что сделает подбор более надежным.Также рекомендуется повторить измерения, так как ячейка будет постепенно стекать, что повлияет на показания. Во избежание разряда элемента / батареи ее следует отключать между измерениями. В качестве альтернативы в схему можно включить выключатель. Также не рекомендуется использовать аккумуляторные батареи, так как они имеют низкое внутреннее сопротивление.

Несмотря на то, что этот эксперимент довольно прост, он поможет вам отличить конечную разницу от ЭДС, что может быть сложной концепцией для понимания учащимися.Поскольку люди становятся все более зависимыми от электричества, исследования, связанные с ЭМП, важны для развития и технического прогресса электричества.

Следующие шаги

Эти ссылки предоставлены только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок.Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

.