Схема передачи электроэнергии потребителю

Обычно генераторы переменного тока вырабатывают на электростанциях напряжение не более 20кВ, так как при более высоких напряжениях резко возрастает возможность электрического пробоя изоляции обмоток катушек и других частях генераторов.

Для сохранения передаваемой мощности (снижения потерь) на электростанциях ставят мощные повышающие трансформаторы.

Напряжение в ЛЭП ограничено: при больших напряжениях возникают разряды между проводами, приводящие к потерям энергии.

Для использования электроэнергии на промышленных предприятиях осуществляется снижение напряжения понижающими трансформаторами.

Дальнейшее снижение напряжения до порядка 4кВ необходимо для энергораспределения по местным сетям.

Менее мощные трансформаторы снижают напряжение до бытового уровня 380В, 220В используемое индивидуальными потребителями.

В России и странах ЕС используется переменное напряжение с частотой 50Гц. Такая частота выбрана с учетом инерционности человеческого зрения и достаточна для того, чтобы человеческий глаз не замечал изменения интенсивности излучения ламп накаливания.

В США, Японии и других странах принята частота 60Гц.

ИДЕИ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА

ДОБАВИТЬ

Изменяющееся магнитное поле, согласно гипотезе Максвелла, является наряду с движущимися свободными зарядами источником магнитного поля.

Магнитоэлектрическая индукция – явление возникновения магнитного поля в переменном электрическом поле.

Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического поля в переменном магнитном поле.

Между электрическим и магнитным полями существует взаимосвязь и прослеживается симметрия: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (электромагнитная индукция), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). Эти поля образуют единое электромагнитное поле.

Максвелл подробно разработал математическую теорию электромагнитной волны и вывел формулы ее распространения.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

С современной точки зрения в природе су­ществует совокупность двух полей — электрического и магнитного — это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т.е. су­ществует объективно, независимо от нашего созна­ния.

Любое изменение магнитного потока в контуре вызывает появление в нем индукционного тока. Его появление объясняется возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля.

Вихревое электрическое поде обладает тем же свойством, что и обыкновенное – порождать магнитное поле. Таким образом, однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей непрерывно продолжается.

Электрическое и магнитные поля, составляющие электромагнитные волны, могут существовать и в вакууме, в отличие от других волновых процессов.

Магнитное поле всегда порождается перемен­ным электрическим, и, наоборот, переменное элек­трическое поле всегда порождает переменное магнит­ное поле.

Электрическое поле, вообще говоря, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носи­телями его являются частицы — электроны и прото­ны. Магнитное поле без электрического не существу­ет, так как носителей магнитного поля нет.

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существо­вании в природе особых волн, способных распростра­няться в вакууме.

Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.

Электромагнитная волна – переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве.

По представлениям Макс­велла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и элек­трического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окру­жающем пространстве.

Процесс взаимопо­рождения электрических и магнитных полей проис­ходит во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порож­дает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут суще­ствовать не только в веществе, но и в вакууме. По­этому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Экспериментально электромагнитные волны были получены в 1887 г. в Берлинском университете Г.Герцем. Источником возмущения электромагнитного поля являлись колебания в высоковольтном искровом разряднике - вибраторе Герца, представляющим из себя прямолинейный проводник в воздушным промежутком посередине, обладающий свойствами колебательного контура. Вибратор можно рассматривать, как открытый колебательный контур.

Высокое напряжение, подаваемое на вибратор, вызывало возникновение в нем искрового разряда. Спустя мгновение искровой разряд возникал в воздушном промежутке аналогичного вибратора (резонатора), замкнутого накоротко и расположенного на расстоянии в несколько метров от вибратора.

Объяснение результатов опытов Герца оказалось возможным с помощью теории Максвелла.

Герц опытным путем определил также ско­рость электромагнитных волн. Она совпала с теоре­тическим определением скорости волн Максвеллом.

Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совер­шают синхронные гармонические колебания.

Электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения.

При прохождении границы раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются. От поверхности диэлектрика не отражаются, от металлов отражаются практически полностью.

При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиня­ются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть вели­чина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломле­ния второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т.е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие.

Электромагнит­ные волны способны к интерференции.

Интерферен­ция — это способность когерентных волн к наложе­нию, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят.

(Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.)

Электромагнитные волны обладают дисперсией, т.е. когда показатель прелом­ления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты.

Электромагнитные волны обладают свойствами интерференции (опыт Герца), дифракции (алюминиевая пластинка), поляризации (сетка).

Опыты с пропусканием электромагнит­ных волн через систему из двух решеток показы­вают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной вол­ны векторы напряженности Е и магнитной индук­ции В перпендикулярны направлению распростра­нения волны и взаимно перпендикулярны между со­бой.

Возникающая и распространяющаяся в пространстве электромагнитная волна является поперечной: направление векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

С помощью радиоволн осуществляется переда­ча на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета.

Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет ра­диолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.

Из опытов с интерференцией была установлена скорость распространения электромагнитных волн, составившая приблизительно 3*10⁸ м/с.

Так как сила тока пропорциональна скорости движения заряженных частиц, то электромагнитная волна возникает, если скорость движения заряженных частиц зависит от времени.

Излучение электромагнитных волн возникает при укоренном движении электрических зарядов.

Электрическое поле действует на частицу. Частица получает ускорение a ~ E. Рассматривая процесс в обратном направлении, можно утверждать, что напряженность электрического поля в излучаемой электромагнитной волне пропорционально ускорению излучающей заряженной частицы:

E ~ a

Выясним, как энергия излучения зависит от ее ускорения.

Ускорение заряженной частицы под действием поля определяется из второго закона Ньютона:

a = =

где q – заряд частицы, m – масса частицы

Объемная плотность энергии в электромагнитной волне складывается из объемных энергий электрического и магнитного полей, равных друг другу в любой момент времени:

ω_эм = ω_э + ω_м = 2ω_э

Учитывая, что для электрического поля ω_э =:

ω_эм = εε₀E², в вакууме ω_эм = ε₀E²

Энергия излучаемой электромагнитной волны пропорциональна квадрату ускорения излучающей частицы:

E ~ a; ω_э ~ E² Þ ω_э ~ a²

Плотность энергии электрической и магнитной компоненты равны между собой:

= Þ E² – v²B² = 0

ДОБАВИТЬ ПРО ЭНЕРГИЮ ВОЛНЫ

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Радиоволны - от 10^-6 до 5*10⁴ м.

Длины от 10^-6 м до 780 нм – инфракрасные волны.

Видимый свет – от 780 нм до 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение – от 400 до 10 нм.

Рентгеновское излучение - от 10 нм до 10 пм.

Меньшим длинам волны соответствует гамма-излучение.

Чем меньше длина волны (следовательно, выше частота) тем меньше волны поглощаются средой.

Радиоволны впервые открыты Герцем в 1886 г.

Источником радиоволн, так же как и волн звуковых частот, является переменный ток.

Большая частота радиоволн по сравнению с волнами звуковых частот приводит к заметному излучению радиоволн в окружающую среду. Это позволяет использовать их для передачи информации на значительное расстояние (радиовещание, телевидение, радиолокация)

Сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, или микроволновое излучение – 10⁹-3*10¹¹Гц, λ = 1 мм – 0.3 м

Источник СВЧ-излучения – изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества.

Учитывая «прозрачность» атмосферы в этом диапазоне, СВЧ-излучение используют для космической связи. Используется в микроволновых печах.

Инфракрасное (ИК) излучение – 3*10¹¹-3.85*10¹⁴Гц, λ = 780 нм – 1 мм

ИК-излучение было открыто в 1800 г. английским астрономом Уильямом Гершелем.

Он обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, назвали «инфракрасным»

Источником ИК-излучения являются колебание и вращение молекул вещества, поэтому ИК-волны излучают нагретые тела, молекулы которых движутся особенно интенсивно.

Часто ИК-излучение называют тепловым.

Видимый свет – λ = 380-780 нм, 3.85*10¹⁴-7.89*10¹⁴ Гц (достаточно узкий диапазон)

Источников видимого света являются валентные электроны в атомах и молекулах, изменяющие свое положение в пространстве, а также свободные заряды, движущиеся ускоренно.

Излучения разной длины волны (частоты) оказывают различное физиологическое воздействие на глаз, вызывая психологическое ощущение цвета.

Цвет – не свойство электромагнитной световой волны, а проявление ее электрохимического действия на физиологическую систему человека.

Видимый свет может влиять на протекание химических процессов в растениях (фотосинтез) и организмах животных и человека.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение – 8*10¹⁴-3*10¹⁶Гц, λ = 10-380 нм

УФ-излучение открыто в 1801 г. немецким ученым Иоганном Риттером.

Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, он обнаружил, что серебро чернеет сильнее в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение было названо ультрафиолетовым.

Источник ультрафиолетового излучения – валентные электроны атомов и молекул, а также ускоренно движущиеся свободные заряды.

В малых дозах УФ-излучение активизирует синтез в организме человека витамина D и вызывает загар.

Большие дозы могут вызвать ожоги и раковые заболевания, ослабляет иммунную систему, способствует развитию некоторых заболеваний.

УФ-излучение с λ < 300 нм деполимеризует нуклеиновые кислоты и разрушает протеины, нарушая жизненные процессы в организме. В малых дозах оно обладает бактерицидным действием.

Озоновый слой Земли сильно поглощает УФ-излучение с λ < 320 нм, а кислород воздуха – коротковолновое УФ-излучение с λ < 185 нм.

Оконное стекло, содержащее оксид железа, практически полностью поглощает УФ-излучение

Человек не видит УФ-излучение, так как роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают его.

Рентгеновское излучение – 3*10¹⁶-3*10²⁰, λ = 10^-12-10^-8 м

Открыто в 1895 г. немецким физиком В.Рентгеном. Изучая ускоренное движение заряженных частиц в закрытой черным картоном трубке, Рентген обнаружил свечение экрана, покрытого солью бария, находящегося на некотором расстоянии от трубки.

Излучение высокой проникающей способности, испускаемое частицами в трубке, проходящее в отличие от ИК и УФ-излучения через картон, Рентген назвал X-лучами.

Источником рентгеновского излучения является изменение состояния электронов внутриатомных оболочек атомов и молекул, а также ускоренное движущиеся свободные электроны.

Благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение широко примеряется в диагностической технике.

Большая доза рентгеновского облучения приводит к ожогам и изменению структуры крови человека.

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

См.выше «Электромагнитные волны»

ДОПОЛНИТЬ ИЗ ДРУГОГО ИСТОЧНИКА

ОПЫТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТИ

В бегущей гармонической электромагнитной волне напряженность электрического поля и индукция магнитного поля изменяются по гармоническому закону:

E = E₀ sin (wt) B = B₀ sin (wt)

Рассмотрим, как распространяется в пространстве вдоль оси Х напряженность электрического поля. Будем считать, что скорость распространения возмущения равна v.

Начальное возмущение (t = 0, E = 0) через время τ распространяется со скоростью v на расстояние v τ.

Расстояние в пространстве между точками волны, колеблющимися в одинаковой фазе, оказывается равным vT и характеризует длину электромагнитной волны.

Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний ее источника.

При постоянной скорости распространения волны за период она проходит расстояние:

λ = vT =

В произвольной точке с координатой х напряженность электрического поля в момент t та же, что и в точке х₀ в более ранний момент времени (t – x/v) Время x/v для распространения волны между этими точками.

Уравнение бегущей гармонической волны напряженности электрического поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v (учитывая, что E = E₀ sin (wt), B = B₀ sin (wt)):

E = E₀ sin [ w(t -) ]

Индукция магнитного поля в электромагнитной волне изменяется во времени и пространстве синхронно с напряженностью электрического поля.

Уравнение бегущей гармонической волны индукции магнитного поля поля, распространяющейся в положительном направлении оси Х со скоростью v:

B = B₀ sin [ w(t -) ]

В общем случае скорость электромагнитной волны в произвольной среде вычисляется по формуле:

v = УТОЧНИТЬ ФОРМУЛУ

СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ВОЛН

См.выше «Электромагнитные волны»

Поляризация волны

Фронт волны

В поляризованной электромагнитной волне колебания вектора напряженности электрического поля упорядочены.

Плоскополяризованная (или линейно-поляризованная) электромагнитная волна – волна, в которой вектор , и следовательно, колеблются только в одном направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Плоскость поляризации электромагнитной волны – плоскость, проходящая через направление колебаний вектора напряженности электрического поля и направление распространения волны.

Напряженность электрического поля и индукция магнитного принимают определенные значения в момент времени t в точках с координатой х, для которых фаза φ синуса в выражениях E = E₀ sin [ w(t -) ] и B = B₀ sin [ w(t -) ] постоянна:

φ = w(t -) = const

Геометрическим местом точек, имеющих определенную координату х, является плоскость, проходящая через эту точку параллельно плоскости YZ.

В этой плоскости, называемой фронтом волны, напряженность электрического поля и индукция магнитного поля принимают определенное значение, т.е. имеют одинаковую фазу.

Фронт электромагнитной волны – поверхность постоянной фазы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

Если фронтом волны является плоскость, то волна – плоская.

Направление распространения фронта волны характеризует луч.

Луч – линия, вектор касательной к которой, перпендикулярен фронту волны и направлен в сторону переноса энергии волны в данной точке.

На большом расстоянии от источника излучения фронт произвольной электромагнитной волны становится плоским.

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ

Перенос энергии электромагнитной волной

Поток энергии

Плотность потока энергии

Интенсивность волны

Зависимость энергии электромагнитной волны от расстояния до источника и его интенсивности

Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля.

Скорость переноса энергии через площадь S в момент времени t характеризует поток энергии электромагнитной волны.

Поток энергии электромагнитной волны – энергия электромагнитного излучения, проходящего в единицу времени сквозь поверхность площадью S:

Φ_W = P_эм =

Плотность потока энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны:

= =

Объем параллелепипеда DV = ScDt.

Энергия электромагнитного поля внутри него равна произведению плотности энергии на объем:

DW = w_эм DV = w_эм ScDt

Тогда плотность потока излучения (учитывая, что w_эм = ε₀E²):

= w_эм c = ε₀E²c

Учитывая, что напряженность электрического поля в электромагнитной волне зависит от времени (например, по гармоническому закону) перенос мощности характеризует величина, усредненная по времени – интенсивность волны.

Интенсивность электромагнитной волны – среднее значение плотности потока энергии электромагнитной волны:

I = = w_эм c = cε₀

Единица измерения – Вт/м²

Для гармонических электромагнитных колебаний с амплитудой E₀, так же как и для действующего значения переменного тока: =

I = cε₀ = cε₀E₀²

Интенсивность гармонической электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля.

Найдем зависимость интенсивности излучения точечного источника от расстояния до него. Будем считать, что такой источник излучает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. В вакууме мощность волны не поглощается.

С течением времени волна проходит через все большие концентрические сферические поверхности.

Средняя энергия, переносимая в перпендикулярном направлении сквозь единицу площади в единицу времени (интенсивность волны) уменьшается по мере удаления от источника.

Средняя мощность электромагнитного излучения со сферической поверхности источника радиусом r_и:

P_и = I_и 4π r_и²

где I_и – интенсивность излучения с поверхности источника площадью S₀ = 4π r_и²

В результате распространения излучения источника в пространстве сквозь сферическую поверхность радиуса r проходит та же средняя мощность электромагнитной волны:

P_эм = I 4π r_и²

где I – интенсивность излучения источника на расстоянии r от него

Поскольку мощности равны:

I = I_и или I ~

Интенсивность излучения точечного источник убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

I = cε₀ = cε₀E₀²; I ~ Þ E₀ ~

В отличие от напряженности электрического поля точечного заряда, резко убывающей с расстоянием по закону обратных квадратов, напряженность электрического поля в электромагнитной волне, созданной точечным зарядом, убывает с расстоянием более медленно (обратно пропорционально) Благодаря этому электромагнитные волны передаются в вакууме на большие расстояния, обеспечивая возможность радиосвязи.

Выясним, как интенсивность гармонической электромагнитной волны зависит от частоты.

Излучение электромагнитной волны возникает при ускоренном движении электрических зарядов. Средняя энергия излучаемой электромагнитной волны (и соответственно ее интенсивность) прямо пропорциональна среднему квадрату ускорения излучающей заряженной частицы:

I ~

Гармоническая электромагнитная волна частотой υ возникает при гармонических колебаниях заряженной частицы с этой частотой. Координата заряженной частицы по сои Y при таких колебаниях изменяется по гармоническому закону:

y = A cos(2πυt)

По гармоническому закону изменяется и ускорение частицы:

a = y’’(производная второго порядка) = - A(2πυ)² cos(2πυt)

Соответственно: ~ υ⁴

I ~ ~ υ⁴

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени ее частоты.

Резкая зависимость интенсивности излучения от частоты означает, что для получения интенсивных электромагнитных волн частота электромагнитных колебаний источника должна быть достаточно высокой.

ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ

Принципы радиосвязи.

Общее устройство передатчика и приемник

Виды радиосвязи

Амплитудная модуляция

Частотная модуляция

Фазовая модуляция

Широтно-импульсная модуляция

Радиоприемник. Демодуляция

Антенна ДОПОЛНИТЬ

Дата добавления: 2015-11-14