Загадка от энергетика: в зарядном устройстве телефона их пять, в настенной розетке —220, а по линиям электропередач несутся тысячи. Правильный ответ: вольты. Именно в этих единицах измеряется напряжение, с которым связана вся наша бытовая жизнь, а регулируют его трансформаторы. Что это за устройства и какую роль они играют в энергетике, разбиралась «Энергия+».
Электростанцию и жилые дома связывают между собой линии электропередач (ЛЭП) длиной в сотни и тысячи километров. По ним путешествует энергия, но часть ее при этом «улетучивается», нагревая провода. Каждое удвоение напряжения на ЛЭП снижает такие потери в четыре раза, поэтому его стараются увеличить как можно больше. Это отражает формула Q ~ I2, где Q – тепло, I – сила тока, при этом передаваемая мощность (P) рассчитывается как произведение силы тока на напряжение (P=U∙I). Вот почему линии электропередач называют высоковольтными.
Мощность типичного генератора тепловой электростанции составляет 100 мегаватт (миллионов ватт), напряжение — десятки киловольт. Если передавать энергию, понизив напряжение до 220 вольт, как в розетке, сила тока составит примерно 455 тысяч ампер. Такой ток может сжечь железнодорожный рельс меньше чем за секунду. В ЛЭП под напряжением 750 тысяч вольт ток составляет 133 ампера — всего в пятнадцать раз больше, чем в проводах, соединяющих чайник с розеткой. Через толстые провода ЛЭП при таких параметрах теряется всего несколько процентов передаваемой мощности, а сами провода нагреваются незначительно.
Прибывая в город, электричество постепенно спускается с ЛЭП на землю. Однако если подать в наши квартиры напряжение в тысячи вольт, оно испепелит всю бытовую технику. Чтобы этого не случилось, на районных подстанциях напряжение снижают до десятков киловольт, а гудящие будки во дворах со значками молнии превращают их в знакомые 220 В. Устройства, совершающие такие метаморфозы, называют понижающими трансформаторами, поэтому и будки вслед за ними именуют трансформаторными.
Трансформатор — это элемент электротехники, использующий связь электричества и магнетизма (явление электромагнитной индукции). Обычно трансформатор состоит из трех частей: сердечника, в котором «живет» магнитное поле, и двух обмоток, которые с этим полем взаимодействуют. Первая обмотка создает поле из поступающего по проводам электричества, а вторая понижает или повышает напряжение.
Сила магнитного поля (напряженность B) зависит от числа витков первой обмотки (n) и силы тока (I), протекающего через нее: B ~ n∙I. Это значит, что увеличить магнитное поле в трансформаторе можно, наматывая витки обмотки гуще и усиливая протекающий по ней ток. Если ток в обмотке переменный (то есть он быстро меняет свои направление и силу в цепи), то и поле получается переменным.
Чтобы создать магнитное поле, как у Земли (около 50 микротесла), нужно намотать один виток на миллиметр и пропустить ток 0,04 ампера (на два порядка меньше, чем у слабой зарядки телефона).
Во второй обмотке трансформатора переменное магнитное поле превращается обратно в электричество. Каждый виток провода создает электродвижущую силу, которая увеличивается с ростом числа витков. Если витков на второй обмотке больше, чем на первой, трансформатор повышающий — напряжение на выходе больше, чем на входе. Такие используют на электростанции, чтобы увеличить напряжение передаваемого тока. В противоположном случае трансформатор понижающий. Например, зарядное устройство вашего мобильника принимает из розетки 220 вольт, но в телефон передает нужные ему пять.
Почему именно 220 вольт
Когда Томас Эдисон внедрял лампы накаливания на угольной нити, напряжение в сотню вольт постоянного тока для них было оптимальным. В результате генераторы и трансформаторы стали делать на 110 вольт, чтобы учесть потери на нагрев ЛЭП. При повсеместном переходе на переменный ток напряжение в сети либо сохранили на том же уровне, либо увеличивали кратно.
В начале XX века на 220 вольт перешли энергетики Берлина, удвоив таким образом радиус охвата потребителей от трансформаторной будки. В два раза меньшая сила тока позволила вдвое увеличить предельную длину проводов и увеличить площадь охвата вчетверо. Уменьшилось и сечение проводов: они стали легче и для их производства требовалось меньше металла. Стандарт быстро распространился на многие страны мира.