การผลิตและการส่งจ่ายไฟฟ้า
เคลื่อนย้ายแม่เหล็ก, เคลื่อนย้ายกระแส — เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้น หัวข้อที่ 6 ของ OxfordAQAครอบคลุมทั้งกระบวนการตั้งแต่ปรากฏการณ์การกำเนิดไฟฟ้า ผ่านหม้อแปลงในระบบส่งไฟฟ้าแห่งชาติ ไปจนถึงอุปกรณ์และระบบความปลอดภัยในบ้าน ทุกข้อในหัวข้อนี้อยู่ในกระดาษข้อสอบ2 (P)
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.6 (Version 5.1) — เนื้อหาทั้งหมดเป็น (P)
การผลิตไฟฟ้า (P)
ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดความต่างศักย์ข้ามตัวนำที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก หรืออยู่ที่ในสนามที่เปลี่ยนแปลง การกลับทิศทางการเคลื่อนที่หรือขั้วจะทำให้ความต่างศักย์เหนี่ยวนำเปลี่ยนทิศทาง สนามที่เกิดจากกระแสเหนี่ยวนำเองจะ ต่อต้าน การเปลี่ยนแปลงนั้น ความต่างศักย์เพิ่มขึ้นจากการเคลื่อนที่เร็วขึ้น, สนามที่แรงขึ้น, จำนวนรอบมากขึ้น และพื้นที่คอยล์ใหญ่ขึ้น
generate หมุนขดลวดในสนามเพื่อผลิตกระแสสลับ; ไดนามo ให้กระแสตรง — ต้องรู้กราฟแรงดัน-เวลา โรงไฟฟ้าหมุนกังหันเพื่อหมุนขดลวดระหว่างแม่เหล็ก
การส่งจ่าย หม้อแปลง และบ้าน (P)
จากสถานีไฟฟ้าไปยังเต้ารับ ทุกวัตต์จะไหลผ่านชุดขดลวดและสายเคเบิลเดียวกันทั้งหมด
สำหรับกำลังไฟที่กำหนด แรงดันส่งต่อสูงหมายถึง กระแสต่ำ จึงเกิดความร้อนในสายเคเบิลน้อยมาก เทรนส์ฟอร์เมอร์ มีขดลวดสองชุดอยู่บนแกนเหล็กอ่อน: กระแสสลับในขดลวดแรกสร้างสนามแม่เหล็กแปรผันซึ่งเหนี่ยวนำให้มีความต่างศักย์ในขดลวดที่สอง
เพิ่มแรงดันก่อนส่งต่อ ลดแรงดันหลังถึงผู้ใช้; เทรนส์ฟอร์เมอร์แบบสวิตช์โมด (50–200 kHz) ขนาดเล็กและเบา — เช่น ชาร์จเจอร์โทรศัพท์
แบบฝึกหัดคำนวณ. เทรนส์ฟอร์เมอร์เปลี่ยน 25 kV เป็น 400 kV โดยมี 1000 ขดลวดหลัก: ต้องมี $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ ขดลวดรอง. ที่ 100 MW กระแสในสายคือ $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.
เซลล์ไฟฟ้าจ่ายกระแสตรง; ไฟบ้านเป็นกระแสสลับที่มีความถี่และแรงดันคงที่ — อ่านค่าคาบและความถี่จากรูปคลื่นบนออสซิลโลสโคป ปลอดภัย: การต่อดิน ช่วยระบายกระแสผิดปกติออกจากโครงโลหะ; ฟิวส์ จะหลอมละลายหรือ เบรกเกอร์วงจร จะตัดการทำงานเมื่อมีกระแสเกิน — เบรกเกอร์ทำงานเร็วกว่าและรีเซ็ตได้; อุปกรณ์ที่มีฉนวนคู่ไม่จำเป็นต้องต่อดิน
ผลของมอเตอร์ (P)
ลวดที่มีกระแสไหลผ่านตั้งขวางสนามแม่เหล็กจะได้รับแรง (เป็นศูนย์หากขนานกับสนาม) แรงเพิ่มขึ้นเมื่อสนามแม่เหล็กแรงขึ้น กระแสมากขึ้น หรือความยาวลวดในสนามมากขึ้น; สลับทิศทางใดอย่างหนึ่งเพื่อกลับทิศทางแรง — กฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง ใช้ทำนายทิศทาง
ขดลวดที่มีกระแสไหลผ่านในสนามแม่เหล็กจะหมุน — นี่คือมอเตอร์ไฟฟ้า
การถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้า (P)
ฉลากอุปกรณ์บอกกำลังไฟ; คำนวณกระแสเพื่อเลือกฟิวส์ และคำนวณพลังงานใน กิโลวัตต์ชั่วโมง เพื่อการเรียกเก็บเงิน (E = Pt; ค่า = kWh × ราคาต่อหน่วย, อ่านจากค่ามิเตอร์)
แบบฝึกหัดคำนวณ. เครื่องทำความร้อน 2.0 kW ใช้งาน 3 ชม. ใช้พลังงาน 6.0 kWh; ในราคา 0.9 ต่อ kWh ค่าใช้จ่ายคือ 5.4. กาน้ำร้อน 230 V, 1.1 kW ดึงกระแส I = 1100/230 ≈ 4.8 A — เลือกฟิวส์ขนาด 5 A หรือ 13 A (ค่าถัดไปข้างต้น)
ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง
- ระบุวิธีการเหนี่ยวนำความต่างศักย์ในตัวนำสองวิธี
- ระบุปัจจัยสามประการที่เพิ่มขนาดความต่างศักย์เหนี่ยวนำ
- วาดกราฟความต่างศักย์–เวลา ของเครื่องกำเนิดกระแสสลับและเครื่องกำเนิดกระแสตรง
- ทำไมระบบส่งต่อไฟฟ้าจึงใช้แรงดันสูง?
- เทรนส์ฟอร์เมอร์มี 200 ขดลวดหลัก และ 3000 ขดลวดรอง บนแหล่งจ่าย 12 V กระแสสลับ จงหาความต่างศักย์ที่ขดลวดรอง
- ระบุสมการอัตราส่วนจำนวนรอบและสมการกำลังสำหรับเทรนส์ฟอร์เมอร์ที่มีประสิทธิภาพ 100 %
- อธิบายว่าการต่อดินและฟิวส์ปกป้องผู้ใช้ร่วมกันได้อย่างไร
- จงระบุกฎมือซ้ายของเฟลมิ่ง
- คำนวณกระแสไฟฟ้าของเครื่องทำความร้อน 230 V, 2.3 kW และเลือกฟิวส์ที่เหมาะสม
- คำนวณพลังงานเป็น kWh ที่ใช้โดยเครื่องทำน้ำร้อนขนาด 1.5 kW ในเวลา 20 นาที
คำตอบ: 1 เคลื่อนตัวตัวนำผ่านสนาม; วางไว้ในสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง; 2 การเคลื่อนที่เร็วขึ้น; สนามแรงขึ้น; จำนวนขดลวดมากขึ้น (หรือพื้นที่ขดลวดใหญ่ขึ้น); 3 generator — คลื่นไซน์รอบศูนย์; dynamo — bumps ทั้งหมดอยู่เหนือ (หรือต่ำกว่า) แกน; 4 สำหรับกำลังเท่ากัน กระแสจะน้อยลง ดังนั้น I²R ความสูญเสียความร้อนในสายเคเบิลจึงต่ำมาก; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ และ $V_p I_p = V_s I_s$; 7 สายดินให้กระแสความผิดปกติมีเส้นทางสู่ดิน และ surge ทำให้ฟิวส์ขาด, ตัดสายไฟLive ออก; 8 นิ้วชี้แรก Field, นิ้วชี้สอง Current, นิ้วโป้ง Motion — ตั้งฉากต่อกัน; 9 I = 2300/230 = 10 A — ใช้ฟิวส์ขนาด 13 A; 10 t = 1/3 h, ดังนั้น E = 1.5 × 1/3 = 0.5 kWh