Главная >> Колебания и волны. Физика 11 класс. Мякишев

Глава 3. Производство, передача, распределение и использование электрической энергии

§ 3.1. Генерирование электрической энергии

Важнейшей энергией, используемой в производстве и на транспорте, является механическая энергия (работа станков, движение поездов, кораблей, автомашин и т. л.). Внутренняя энергия используется непосредственно в химико-технологических процессах, при выплавке металлов; электрическая — при электролизе, электросварке, в электронно-вычислительных машинах, всевозможных способах связи и т. д.

Однако механическую энергию очень трудно передавать от источника (например, падающей воды) к потребителю. Внутреннюю энергию не легко преобразовывать в другие виды энергии, большие затраты необходимы для транспортировки топлива.

Неоспоримыми преимуществами обладает электрическая энергия. Во-первых, ее можно по проводам передавать на огромные расстояния с относительно малыми потерями (транспортабельность). Во-вторых, электрическую энергию удобно распределять между потребителями самой разнообразной мощности (дробимостъ). В-третьих, с помощью достаточно простых устройств ее легко превратить в другие формы энергии: механическую, внутреннюю (нагревание тел), химическую, энергию света и т. д. (превращаемость). Существенным достоинством электрической энергии является то, что это единственный вид энергии, который используется в радиотехнике, телевидении, связи, электронно-вычислительной технике, автоматике.

Преимущества переменного тока

Электрическая энергия в настоящее время производится и используется преимущественно в виде энергии переменного тока. Это объясняется в первую очередь возможностью трансформировать переменный ток, т. е. преобразовывать в широких пределах напряжение и силу тока почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно важна трансформация напряжения и силы тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Постоянный ток, необходимый в промышленности (электрохимия), транспорте (электротяга), связи, в настоящее время получается путем выпрямления переменного тока.

Генерирование электрической энергии

Устройства, преобразующие энергию того или иного вида в электрическую, называются генераторами. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи*, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Например, разработаны так называемые топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую.

* Термобатарея — несколько последовательно соединенных между собой термопар.

Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но в течение не очень длительного промежутка времени.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах происходит превращение механической энергии в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Первоначально Фарадей обнаружил лишь едва заметный ток в катушке при движении вблизи нее магнита. «Какая от этого польза?» — спросили его. Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорожденного?» Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р. Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

Электромеханические индукционные генераторы переменного тока имеют сравнительно простое устройство, надежны в работе и могут обладать большой мощностью. В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.