§ 62. Передача электрической энергии

Электростанции часто находятся далеко от городов и предприятий, поэтому электрическую энергию передают по линиям электропередачи. Провода имеют сопротивление и нагреваются при прохождении тока. Потери энергии за время t определяются законом Джоуля—Ленца: Q = I²Rt. Их можно уменьшить снижением сопротивления или силы тока. Для проводов выбирают хорошо проводящие материалы и подходящее сечение, но чрезмерное увеличение толщины повышает массу, расход металла и стоимость всей линии.

Более эффективный способ уменьшить потери связан с повышением напряжения. В простой модели передаваемая мощность P = UI, поэтому для той же мощности большее напряжение позволяет уменьшить ток. Если напряжение повысить в десять раз, ток уменьшится в десять раз, а потери I²R при неизменном сопротивлении — в сто раз. Высокое напряжение здесь используется не ради увеличения расхода энергии, а ради уменьшения тока, необходимого для передачи заданной мощности на расстояние.

Для изменения переменного напряжения применяют трансформатор. Он содержит две обмотки на общем магнитном сердечнике. Переменный ток в первичной обмотке создаёт меняющийся поток, который вызывает напряжение во вторичной. В идеализированном случае отношение напряжений соответствует отношению чисел витков: U₂/U₁ = N₂/N₁. Если во вторичной обмотке витков больше, трансформатор повышает напряжение; если меньше — понижает. Постоянный неизменный ток не обеспечивает такого непрерывного преобразования, поскольку для индукции нужно изменение магнитного потока.

Перед линией напряжение повышают, а возле потребителей последовательно понижают до значений, предусмотренных для оборудования. Трансформатор не увеличивает доступную энергию: при повышении напряжения допустимый ток соответствующим образом уменьшается, а в реальном устройстве существуют потери. Высоковольтные линии, подстанции и трансформаторы требуют специальной изоляции и профессиональной защиты, поэтому приближаться к опасным частям нельзя. Общую схему передачи удобно пересказать цепочкой: генератор, повышающий трансформатор, линия, понижающие подстанции, потребитель. Так объединяются законы индукции, работы тока и его теплового действия.