3.6 · Generating and distributing electricity and household use

ייצור וחלוקת חשמל

הזז מגנט, הזז זרם — מתח מופעל. נושא שישי של OxfordAQA עוקב אחרי המסלול המלא מהאפקט הגנרטורי דרך התרגומים ברשת הארצית ועד להתקנים ולמערכות הבטיחות בבית. כל ההצהרות בנושא זה הן Paper-2 (P).

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, נושא 3.6 (גרסה 5.1) — תוכן מלא (P).

ייצור חשמל (P)

ה-אפקט הגנרטורי מפעיל מתח על מוליך הנע בשדה מגנטי או יושב בשדה משתנה. הפוך את התנועה או הקוטביות והמתח המופעל יתהפך; השדה של הזרם המופעל עצמו מתנגד לשינוי. המתח עולה עם תנועה מהירה יותר, שדה חזק יותר, יותר פיתולים ושטח סליל גדול יותר.

אלטרנטור מסובב סליל בשדה ליצירת זרם AC; דינמו מספק DC — יש לדעת את גרפי המתח-זמן. תחנות כוח מסובבות טורבינות כדי לסובב סלילים בין מגנטים.

העברה, תרגומים ובית (P)

מהתחנה לשקע, כל ואט עובר באותו מסלול של סלילים וכבלים.

עבור הספק נתון, מתח העברת גבוה פירושו זרם נמוך ועל כן חימום כבלים מועט. תרגום הוא שני סלילים על ליבת ברזל רך: זרם AC בראשוני יוצר שדה משתנה המפעיל מתח בשניוני.

העלאת מתח לפני הקווים, הורדת מתח לאחריהם; תרגומי מצב מתג (50–200 kHz) הם קטנים וקלים — מטעני טלפונים.

בדיקה פעילה. תרגום מוריד מתח מ-25 kV לערך מוגדר ב-400 kV עם 1000 פיתולים ראשוניים: $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ פיתולים. ב-100 MW זרם הקו הוא $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.

תאים מספקים DC; חשמל הבית הוא AC עם תדר ומתח קבועים — קרא מחזור ותדר מהגרפים בסגנון אוסצילוסקופ. בטיחות: ארקינג מייצר זרם תקלה ממארזי מתכת; פיוז נמס או מפסק נשלף בזרם עודף — המפסק מהיר יותר וניתן לאיפוס; התקנים בעלי בידוד כפוי אינם זקוקים לארקינג.

אפקט המנוע (P)

חוט נושא זרם בצלע שדה מגנטי מרגיש בכוח (אפס אם מקביל אליו). הכוח עולה עם שדה חזק יותר, זרם גדול יותר וחוט ארוך יותר בשדה; הפוך אחד מהם כדי להפוך את הכוח — חוק היד השמאלית של פלמינג חוזה את הכיוון.

סליל המעביר זרם בשדה מסתובב — מנוע חשמלי.

העברת אנרגיה חשמלית (P)

תוויות מכשירים מציגות הספק; חשבו את הזרם לבחירת פיוז, והאנרגיה בקוט"ש לחישוב חשבון החשמל (E = Pt; עלות = קוט"ש × מחיר ליחידה, נקרא מקריאת מד).

בדיקה מודגמת. חימום בעוצמת 2.0 קוט ל3 שעה צורך 6.0 קוט"ש; במחיר של 0.9 לכל קוט"ש העלות היא 5.4. תנור בעוצמת 230 V ועוצמה 1.1 קוט שואב I = 1100/230 ≈ 4.8 A — מתאים פיוז של 5 A או 13 A (דירוג הבא מעלה).

בדוק את עצמך

1. ציינו שתי דרכים לגירור מתח בחומר מוליך.
2. הניחו שלושה גורמים המגדילים את עוצמת המתח המוגרר.
3. שרטטו גרפי מתח-זמן של אלטרנטור ושל דינמו.
4. מדוע הרשת משדרת במתח גבוה?
5. טרנספורמטור בעל 200 סליל ראשוני ו3000 סליל משני על מתח a.c. של 12 V. חשבו את המתח במשני.
6. ציינו את יחס הסלילים ומשוואות ההספק עבור טרנספורמטור עם יעילות של 100 %.
7. הסבירו כיצד הארקה ופיוז מגנים על המשתמש יחד.
8. ציינו את כלל היד השמאלית של פלמינג.
9. חשבו את הזרם של חימום בעוצמת 230 V ועוצמה 2.3 קוט, ובחרו פיוז סביר.
10. חשב את האנרגיה בקילוואט-שעה שהשתמש קומקום בעל הספק 1.5 kW במשך 20 דקות.

תשובות: 1 הזזת המוליך בתוך השדה; הנחתתו בשדה מגנטי משתנה; 2 תנועה מהירה יותר; שדה חזק יותר; מספר רב יותר של סלילים (גם שטח סליל גדול יותר); 3 אלטרנטור — גל סינוס סביב אפס; דינמו — גלים כולם למעלה (או כולם למטה) מהציר; 4 באותו הספק הזרם קטן יותר, ולכן הפסדי חימום I²R בכבלים נמוכים משמעותית; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ ו$V_p I_p = V_s I_s$; 7 הכבל הארקה מספק לזרם התקלה מסלול לארקה, והפיק נופך את הפיוז ומנתק את הקו החי; 8 אצבע ראשונה שדה, אצבע שנייה זרם, אגודל תנועה — מאונכים זה לזה; 9 I = 2300/230 = 10 A — יש להשתמש בפיוז של 13 A; 10 t = 1/3 שעות, ולכן E = 1.5 × 1/3 = 0.5 קוט"ש.