European Copper Institute Poland

Miedź i elektryczność: wprowadzenie

 

Elektryczność jest wyjątkowo wygodnym w użytkowaniu źródłem energii. Dostarcza nam energię natychmiast, za naciśnięciem wyłącznika; umożliwia nam użytkowanie energii w gęsto zaludnionych obszarach, podczas paliwa kopalne są spalane z dala od nich; a ostatnio umożliwiła nam pozyskiwanie energii z odnawialnych źródeł, jak wiatr i słońce.

Ta wygoda ma jednak swoją cenę. Elektryczność nie jest pierwotnym źródłem energii. Oznacza to, że zanim osiągnie ona miejsce użytkowania, w systemie następują straty. Dalsze straty występują w urządzeniach elektrycznych. Obniżenie tych strat może być źródłem dużych oszczędności dla gospodarki i środowiska.

W tych e-materiałach zobaczymy, w jaki sposób energia elektryczna jest wytwarzana, przesyłana i doprowadzana, oraz poznamy jaka jest rola miedzi w zwiększeniu efektywności energetycznej tych działań.

Moduł Miedź i elektryczność zawiera cztery jednostki:

Wprowadzenie Wysokosprawne silniki elektryczne Generacja Transformatory i sieć
  • Sprawność elektryczna
  • Kable miedziane
  • Elektrony i prąd
  • Prędkość dryfu
  • Rezystancja i ogrzewanie
  •  Pytania
  • Zastosowania silników elektrycznych
  • Jak działa silnik elektryczny?
  • Wysokosprawne silniki elektryczne
  • Pytania
  •  Energia elektryczna z ruchu
  • Co to jest indukcja?
  • Indukcja w cewkach
  • Pytania
  • Transformatory
  • Sieć
  • Pytania
(Dzięki uprzejmości Varilight)

Elektryczność dostarcza nam energię za naciśnięciem wyłącznika

Sprawność elektryczna

Wytwarzanie i dystrybucja energii elektrycznej
Chociaż energia elektryczna jest bardzo wygodna, nie zawsze jesteśmy świadomi strat wiążących się z jej użytkowaniem. Ponad 50% energii elektrycznej Unii Europejskiej pochodzi z paliw kopalnych, głównie węgla, którego udział w wytarzaniu energii elektrycznej w Unii Europejskiej, wynosi około 30%. Spalanie tego rodzaju paliw oddziałuje na środowisko przez emisję do atmosfery dwutlenku węgla (gazu cieplarnianego) i związków siarki. Zasoby paliw kopalnych są wyczerpywalne i każda strata w systemie oznacza, że zużywamy je szybciej niżby chciały tego nasze prawnuki.

Niezależnie od tego, czy energia elektryczna jest wytwarzana z paliw kopalnych, czy z odnawialnych źródeł, jak energia słoneczna lub wiatrowa, sprawność generacji, dystrybucji i efektywność użytkowania mają krytyczne znaczenie.

Zamieszczona poniżej Tabela 1 ukazuje straty energii i oddziaływanie na środowisko wynikające z użytkowania energii elektrycznej. Tona ekwiwalentu ropy (toe) jest jednostką przydatną przy porównywaniu zużycia energii elektrycznej w odniesieniu do paliw. 1 toe równa się 11 634 kilowatogodzin. W Wielkiej Brytanii 1 kWh wytwarza 0,51 kg dwutlenku węgla, uwzględniając różne sposoby wytwarzania energii elektrycznej (15% jest wytwarzane bez emisji dwutlenku węgla).

Straty i marnotrawstwo energii na każdym etapie wytwarzania, dystrybucji i użytkowania energii elektrycznej ukazuje Tabela 1.

Tabela 1: Straty w systemie elektroenergetycznym Wielkiej Brytanii

Roczne straty w Wlk. Brytanii
Składnik Opis Sprawność % Mld kWh Mln TOE Mln tonCO2
A.
Ograniczenia termodynamiczne
Tradycyjne elektrownie, zasilane paliwami kopalnymi, spalają paliwo w celu przetworzenia wody w parę. Para ta napędza turbinę i sprzężony z nią generator. Po przejściu przez turbinę para zostaje schłodzona i skrapla się. W tym systemie nie da się uniknąć nagrzewania otoczenia. Zawsze będzie on nieefektywny. 38 800 68,8 408
B. Generatory W elektrowniach węglowych, zasilanych olejem opałowym lub jądrowych, generatory są napędzane turbinami parowymi. W ruchu obrotowym generatory wytwarzają napięcie, pod wpływem którego płynie prąd elektryczny przekazywany do sieci przesyłowej. 95 39  3,4 19,.9
C. Transformatory generatorów Transformatory służą do podwyższania napięcia w elektrowni i obniżania go w pobliżu końcowego użytkownika. Transformatory na wyjściu generatora są zwykle najnowocześniejszej konstrukcji, o bardzo wysokiej sprawności. 99,5  2,2 0,2 1,1
D. System dystrybucyjny System dystrybucyjny obejmuje transformatory obniżające i kable doprowadzające prąd elektryczny z elektrowni do  użytkownika końcowego. Wszystkie przewody posiadają rezystancję, a zatem nagrzewają się, tracąc część energii w postaci niskotemperaturowego ciepła oddawanego do atmosfery. 92 35 3,0  17,9
E. Zużycie końcowe, np. silnik Energię elektryczną wykorzystujemy do ogrzewania, gotowania, napędu różnych urządzeń (silniki elektryczne) oraz w urządzeniach elektronicznych. wszystkie one mają ograniczoną sprawność – zwykle tracąc energię w postaci niskotemperaturowego ciepła. 88 49 4,2  24,9
Razem (suma elektryczna) Całkowita sprawność jest niska. Zauważ, że przy podobnych stratach procentowych, rzeczywiste straty maleją na późniejszych etapach systemu. Powodem jest to, że na późniejszych etapach przesyłane są mniejsze ilości energii. 28
(74)
 930
(340)
 79,9
(28,9)
474
(171)

Użytkowanie energii elektrycznej
Straty (w postaci ciepła) w systemie dystrybucyjnym wynoszą około 8% energii dostarczonej do systemu, to znaczy że jego sprawność wynosi 92%. System generacji jest mniej sprawny. Sprawność konwencjonalnej elektrowni wynosi około 35% – chociaż nowoczesne elektrociepłownie, wytwarzające energię elektryczną i ciepło w układzie skojarzonym (CHP), mogą osiągać sprawność 60%. Większość strat w elektrowni jest nieodłączną właściwością procesów termodynamicznych, przy czym sprawność samych generatorów wynosi około 92%.

Tak więc, zanim jeszcze zaczniemy używać energię elektryczną, stanowi ona około 33% energii pierwotnej zawartej w paliwie. Dalsze straty występują w urządzeniach, które użytkujemy. Dla standardowego silnika elektrycznego wynoszą one 12%, co powoduje, że sprawność całego sytemu wynosi około 28%.

Jeżeli zdołamy polepszyć sprawność, to tym samym obniżamy koszty, zmniejszamy oddziaływanie na środowisko i tempo w jakim zużywamy cenne rezerwy paliw kopalnych. Sprawność energetyczną można traktować, jako trzecie paliwo – alternatywne dla odnawialnych źródeł energii.

Porównanie strat
Całkowita sprawność wytwarzania i użytkowania energii elektrycznej może się wydawać bardzo niska, ale trzeba ją porównywać z wykorzystaniem innych paliw. W samochodzie osobowym, około 15% energii pierwotnej paliwa jest przekazywanej na koła – nie wliczając strat związanych z transportem benzyny z rafinerii do punktu poboru. Domowy gazowy ogrzewacz wody ma sprawność cieplną około 70% – nie uwzględniając energii potrzebnej do przesyłania gazu – a większość z wytworzonego ciepła ogrzewa puste przestrzenie i elementy konstrukcji budynku, zatem uzyskana energia użyteczna jest znacznie niższa.

Musimy zatem nie tylko rozwijać nowe źródła energii, szczególnie odnawialne, ale musimy poprawiać efektywność wykorzystania istniejących zasobów. Miedź będzie więc odgrywać kluczową rolę w poprawie sprawności energetycznej urządzeń elektrycznych i dystrybucji energii elektrycznej.

Ograniczanie strat
Projektując nowe systemy,  inżynierowie elektrycy muszą uwzględniać sprawność energetyczną. Przy przepływie prądu elektrycznego oraz przy zmianach pola magnetycznego występują energii – elementy urządzeń nagrzewają się, chociaż tego nie chcemy. Straty te są wymierne w pieniądzach i zwiększają szkody wyrządzane w środowisku.

60% całej miedzi produkowanej w świecie jest zużywane w urządzeniach elektrycznych. Miedź jest stosowana w silnikach i generatorach elektrycznych, transformatorach, przewodach i kablach, płytach obwodów drukowanych i mikroukładach scalonych.

Kable miedziane

Miedź i efektywność energetyczna
Miedź jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności. To oznacza, że rezystancja miedzianego kabla o danej długości jest relatywnie mała. Kabel aluminiowy miałby blisko dwukrotną rezystancję kabla miedzianego o tych samych wymiarach. Zatem straty energii w kablu aluminiowym będą większe niż w miedzianym. Kabel miedziany jest bardziej energooszczędny.

Aby straty w kablu aluminiowym były takie same jak w miedzianym, kabel aluminiowy musi mieć większą średnicę od miedzianego. Większe pole przekroju zmniejsza jego rezystancję i obniża straty energii do tego samego poziomu co w kablu miedzianym o mniejszej średnicy.

Kable wykonywane są z miedzi i aluminium. Kabel aluminiowy ma blisko dwukrotnie większe pole przekroju od kabla miedzianego, aby uzyskać taką samą rezystancję jak kabel miedziany. Widoczne są wielodrutowe żyły i pancerz kabla.

Dwa kable na powyższej fotografii mają podobną obciążalność prądową. Obydwa są zaprojektowane do przewodzenia prądu 500 A bez nagrzewania żył powyżej 90⁰C; mogą przewodzić taki prąd  w sposób ciągły, ale nie mogą być obciążane większym prądem.

Miedziany kabel (z lewej) ma mniejszą średnicę niż aluminiowy, ponieważ miedź jest lepszym przewodnikiem. Jego pole przekroju wynosi 300 mm2, wobec 500 mm2 kabla aluminiowego.

W kablu są cztery żyły składające się z drutów, a każda żyła jest izolowana polietylenem usieciowanym (XLPE). Całość jest wzmocniona pancerzem z drutu stalowego.

Jakie są zalety miedzi?
Kabel miedziany ma szereg zalet w porównaniu z aluminiowym. Ponieważ ma mniejszą średnicę może być układany w mniejszych kanałach kablowych. Może być zginany z mniejszym promieniem gięcia. Miedź daje się też łatwiej łączyć.

Miedź ma trzykrotnie większą gęstość w porównaniu z aluminium. Kabel aluminiowy waży połowę tego co kabel miedziany o tych samych parametrach, zatem kable aluminiowe (wzmocnione stalą) są często preferowane w liniach napowietrznych zawieszanych na słupach.

W pełnym porównaniu energooszczędności, powinniśmy także uwzględnić energię zużytą do wydobycia rud, rafinacji i transportu tych metali.

Co to jest bezpieczny prąd roboczy
Obciążalność prądowa kabla jest to prąd, który kabel może przewodzić bez nadmiernego nagrzewania się. Głównym problemem jest to, że temperatura żyły nie powinna przekraczać 90⁰C, ponieważ powoduje to degradację izolacji i w końcowym wyniku, jej przebicie. Kabel powinien być zawsze chroniony przez urządzenie zabezpieczające – bezpiecznik lub wyłącznik – dostosowany do obciążalności prądowej kabla. Kable przesyłowe na powyższej ilustracji są połączone szeregowo z urządzeniem zabezpieczającym 500 A, które rozłączy obwód zanim prąd osiągnie wartość powodującą przegrzanie kabla.

Obciążalność prądowa kabla jest określona przez temperaturę, do której kabel się nagrzewa. Wpływ na to ma kilka zmiennych:

  • rezystancja kabla – kabel o wyższej rezystancji będzie przy danym prądzie się bardziej nagrzewał
  • izolacja kabla – zatrzymuje ciepło kabla
  • otoczenie kabla – jeżeli kabel jest ułożony w kanale lub rurze kablowej (zwłaszcza bez przepływu powietrza) będzie miał tendencję do silniejszego nagrzewania się.

Miedź ma wpływ na polepszenie obciążalności kabli, ponieważ jest tak dobrym przewodnikiem elektryczności.

Elektrony i prąd

W jaki sposób płynie prąd
Miedź jest dobrym przewodnikiem ponieważ, podobnie jak inne metale, posiada wolne elektrony. Wolne elektrony są nazywane elektronami przewodnictwa. Każdy atom miedzi dostarcza jeden wolny elektron, zatem wolnych elektronów jest tyle samo co atomów (patrz rysunek 1).

Koncentracja wolnych elektronów w miedzi n = 8,5 × 1028 na m3

Jeżeli do dwóch końców przewodnika z miedzi przyłożymy napięcie, oddziałuje ono na wolne elektrony, powodując ich ruch, który jest prądem elektrycznym (patrz rysunek 2).

Więcej na temat prądu
Elektrony zaczynają płynąć gdy wyłącznik zostanie zamknięty. Komunikat wywołujący ruch jest natychmiastowy (w istocie biegnie z szybkością bliską szybkości światła). Elektrony jednak poruszają się znacznie wolniej. Zatem, w jaki sposób prąd pojawia się wszędzie z chwilą zamknięcia wyłącznika?

Dzieje się tak, ponieważ wolne elektrony są już rozprzestrzenione w całym przewodzie. Gdy tylko wyłącznik zostanie zamknięty, na wszystkie elektrony oddziałuje siła, która powoduje ich ruch. To nieco przypomina łańcuch rowerowy. Gdy tylko naciśniesz na pedały, tylne koło zaczyna się obracać. Siła na tylne koło zostaje przyłożona natychmiast, nawet jeżeli poszczególne ogniwa poruszają się z widoczną prędkością. Jednak ponieważ ogniwa łańcucha tworzą “zamknięty obwód”, to wszystkie zaczynają się poruszać jednocześnie.

Rysunek 1: Przewód miedziany jest utworzony z sieci jonów miedzi. Znajdują się w nim wolne elektrony, które mogą poruszać się poprzez tę sieć jak gaz. Zauważ, że jony miedzi drgają.

Rysunek 2: Zamknięcie wyłącznika w obwodzie (u góry) powoduje przepływ elektronów z lewej do prawej, w kierunku przeciwnym do kierunku prądu.

Prędkości elektronów
Nawet jeżeli przez miedziany przewodnik nie płynie prąd, to wolne elektrony poruszają się szybko w różnych kierunkach (p. rysunek 1). Ich szybkość wynosi około 106 m s-1, czyli z szybkością 3000-krotnie większą od szybkości dźwięku w powietrzu! Ponieważ jednak poruszają się one przypadkowo we wszystkich kierunkach, nie wywołują uporządkowanego przepływu elektronów w żadnym konkretnym kierunku, zatem prąd elektryczny nie płynie.

Po przyłożeniu napięcia elektrony uzyskują dodatkową prędkość, powstaję więc wypadkowy przepływ wzdłuż przewodnika. Tę dodatkową prędkość nazywamy prędkością dryfu elektronów.

Można to zobrazować następująco: wyobraźmy sobie rój pszczół. Kłębią się one wokół ula. Każda pszczoła porusza się, ale rój pozostaje nieruchomy. Nagle jedna oddala się od ula i reszta podąża za nią. Rój nadal jest kłębiąca się masą, lecz jako całość oddala się od ula.

Wolne elektrony w metalu zachowują się podobnie jak pszczoły – przyłożenie napięcia powoduje, że elektrony poruszają się w przewodzie w określonym, wypadkowym kierunku.

Kierunek prądu
Elektrony mają ładunek ujemny, w obwodzie poruszają się od ujemnego bieguna napięcia w stronę dodatniego.

Umownie przyjęty kierunek prądu jest przeciwny – od dodatniego do ujemnego.

Prędkość dryfu

Prędkość dryfu i prąd
Jak szybko muszą poruszać się wolne elektrony aby wytworzyć zauważalny prąd?

“Prąd” oznacza tempo w jakim ładunek elektryczny przepływa względem punktu w obwodzie. Wyobraźmy sobie, że stoimy w punkcie X ze stoperem i mierzymy czas, w jakim ładunek przepływa przez walec o objętości V (musimy przyjąć, że wszystkie elektrony poruszają się z tą samą szybkością v). Zobaczmy co dzieje się z pojedynczym elektronem.

Objętość walca = A × L, gdzie A jest polem powierzchni przekroju przewodnika

Jeżeli koncentracja elektronów w metalu jest równa n na metr sześcienny, to:
Liczba elektronów w objętości walca = n × A × L

Jeżeli każdy elektron przenosi ładunek Q, to:
Ładunek przenoszony przez elektrony w walcu = n × A × L × Q

Ponieważ długość walca wynosi v * t, gdzie v jest prędkością dryfu, a t jest zmierzonym czasem,
Ładunek przenoszony przez elektrony w walcu w czasie t = n × A × v × t × Q

Jest to ilość ładunku przechodząca przez punkt A w czasie t. Aby znaleźć odpowiadającą temu wartość prądu, należy wyznaczyć szybkość z jaką ten ładunek przepływał. Dzieląc przez czas t, otrzymujemy:
Prąd = ładunek / czas = n × A × v × t × Q / t = n A v Q

Zatem prąd elektryczny I płynący w przewodzie jest określony zależnością
I = n A v Q

gdzie:
n jest liczbą elektronów na metr  sześcienny
A jest polem przekroju poprzecznego przewodnika
v jest prędkością dryfu elektronów
Q jest ładunkiem elektronu.

Rezystywność i gęstość ładunku
Materiał o dużej ilości wolnych elektronów (dużej wartości n) może łatwiej przewodzić prąd niż materiał o mniejszej gęstości ładunku. Aby przewodzić dany prąd, elektrony nie muszą poruszać się bardzo szybko, ponieważ jest ich bardzo dużo mogą przenosić duży ładunek. Oznacza to, że elektrony rzadko zderzają się z atomami lub domieszkami metalu, materiał jest więc dobrym przewodnikiem.

Półprzewodniki to materiały, które zawierają niewiele wolnych elektronów – około jedną milionową koncentracji elektronów w miedzi. Zatem do przewodzenia takiego samego prądu w półprzewodniku, potrzebna jest znacznie wyższa prędkość dryfu elektronów. Ta prędkość pozwala im zrekompensować mniejszą ilość przenoszonego ładunku. Zatem zderzają się z atomami znacznie częściej. Rezystywność półprzewodnika jest zwykle milion razy większa niż rezystywność miedzi.

Z jaką prędkością dryfują elektrony?
Aby uzmysłowić sobie, jak duża jest prędkość dryfu weźmy typowe wartości prądu i wymiarów przewodnika. Przyjmijmy, że prąd o natężeniu 5 A płynie w przewodzie o przekroju of 0,5 mm2 (= 0,5 * 10-6 m2):

Dla miedzi, n = 8,5 × 1028 na m3
Ładunek elektronu, Q = 1,6 × 10-19 C, stąd:
I = n A v Q
5 = 8,5 × 1028 × 0,5 × 10-6 × v × 1,6 × 10-19
5 = 27 200 v
v = 7,35 × 10-4 m s-1

Zatem dla tej wartości prądu, prędkość dryfu elektronów wynosi około milimetra na sekundę – dosyć wolno!

Rezystancja i nagrzewanie

Zrozumienie pojęcia rezystancji

Jak zmienia się rezystancja Objaśnienie
Rezystancja maleje gdy miedź (lub inny dowolny metal) ochładza się. Drgania atomów są mniejsze, zatem mniej utrudniają przepływ elektronów.
Czysta miedź ma mniejszą rezystancję niż miedź zawierająca domieszki. Atomy domieszek są innej wielkości niż atomy miedzi, stanowią zatem przeszkodę dla poruszających się elektronów.

Przenoszenie energii
Gdy przyłożymy napięcie do przewodu, elektrony przewodnictwa dryfują w nim tworząc prąd. Skoncentrujmy się teraz na kilku elektronach. Za każdym razem gdy elektron zderza się z jonem, traci energię. Energia ta jest przekazywana do jonu (który teraz intensywniej drga); w końcu energia miliardów zderzeń rozdziela się pomiędzy wszystkie atomy i materiał nagrzewa się.

Efekt ten jest nazywany ciepłem Joule’a, które inżynierowie elektrycy starają się ograniczać, chyba że konstruują grzejnik!

Drgając, jony utrudniają przepływ elektronów. Dzieje się tak dlatego, że elektrony są rozpraszane przez drgające jony. W miarę jak przewód nagrzewa się, drgania jonów są bardziej intensywne. To jeszcze bardziej utrudnia przepływ elektronów w przewodniku. Zatem zwiększa się rezystancja.

Jaka jest szybkość przenoszenia energii?
Szybkość przenoszenia energii, to moc. Moc mierzymy w watach, a jeden wat jest równoważny jednemu dżulowi na sekundę. Moc rozpraszana w odcinku przewodu będzie związana z napięciem na jego końcach i z przepływającym prądem.

Stąd:
Moc elektryczna = napięcie x prąd
P = U I

Szybkie sprawdzenie za pomocą jednostek
Często może być pomocne sprawdzenie poprawności równania przez podstawienie jednostek. Jeżeli po prawej stronie równania wstawimy jednostki napięcia i prądu, to powinniśmy otrzymać jednostkę mocy.

Napięcie jest różnicą potencjałów, tzn. różnicą energii potencjalnej podzieloną przez jednostkowy ładunek. Mówi nam jaka ilość energii jest przekazywana na kulomb przepływającego ładunku. Im większe napięcie, tym większa energia jest przekazywana na każdy kulomb ładunku. Zatem moc będzie wzrastać z napięciem.

Dobrym sposobem zapamiętania tej zależności jest wyrażenie jednostki napięcia w jednostkach podstawowych. Jeden wolt jest równoważny jednemu dżulowi na kulomb.

[napięcie] = V = J/C
[kulomb jest jednostką ładunku]

Natężenie prądu mówi nam o szybkości z jaką przepływa ładunek. Im większy prąd tym więcej ładunku przepływa przez przewód w danym czasie i więcej energii może on przenosić.

Jeden amper jest równoważny jednemu kulombowi na sekundę

[prąd] = A = C/s

Wstawiając te jednostki do równania na moc otrzymujemy:

[moc] = [napięcie] x [prąd] = J/C × C/s = J/s = W

Jest to jednostka mocy. A więc równanie jest prawidłowe!

Inne równanie na moc
W systemach przesyłowych często znamy natężenie prądu przewodzonego przez kabel oraz rezystancję kabla. Chociaż możemy znać napięcie źródła, to możemy nie znać spadku napięcia na kablu. W takim przypadku możemy użyć inną wersję równania na moc:

P = I2 R

[Możesz otrzymać to równanie podstawiając U=IR do pierwszego równania na moc].

Efektywność energetyczna kabli

Dobór kabla
Obiekty przemysłowe, takie jak fabryki, oraz biura i centra handlowe są zasilane w energię elektryczną za pośrednictwem kabli o dużych przekrojach. Kable te mogą nagrzewać się pod wpływem obciążenia prądami o natężeniu setek amperów.

Jak dobrać optymalny kabel? Należy rozważyć:

  • koszty instalacji
  • koszty eksploatacji.

Podsumowując, instalacja kabla o większym przekroju kosztuje więcej, ale koszty eksploatacji są niższe.

Instalacja: Większość kosztów instalowania kabla pochłania osprzęt, kopanie rowów, instalowanie korytek kablowych i robocizna. Koszt samego kabla może stanowić 10 do 15% kosztów instalacji. Tak więc, nawet podwojenie kosztu kabla ma niewielki wpływ na całkowity koszt. Kable o większym przekroju umożliwiają także zaspokojenie zwiększonego zapotrzebowania energii w przyszłości.

Koszty eksploatacji: Kable o większym przekroju mają mniejszą rezystancję. Znaczy to, że straty energii w nich są mniejsze.

Wyobraźmy sobie fabrykę, która do zasilania swoich maszyn pobiera z sieci krajowej prąd 200 amperów. Prąd ten będzie nagrzewał kable zasilające fabrykę. Ilość energii traconej na ciepło Joule’a jest dana wyrażeniem:

P = I2 R

Aby moc strat była jak najmniejsza, rezystancja kabla powinna również być jak najmniejsza, zatem im większy przekrój, tym lepiej. To umożliwi także zwiększenie poboru mocy w przyszłości.

Ponadto, kabel o mniejszym przekroju bardziej się nagrzewa. Dla odprowadzenia tego ciepła może być konieczne zastosowanie wentylatorów lub klimatyzacji, co zwiększa koszty eksploatacyjne.

Czy wiedziałeś, że
Miedź jest najlepszym przewodnikiem ciepła i elektryczności spośród metali nieszlachetnych. Jedynie srebro jest nieznacznie lepszym przewodnikiem, ale jako metal szlachetny nie może szeroko stosowane do celów przewodzenia.

Pytania

1. Przy swojej sprawności 99,5%, transformatory są najbardziej energetycznie efektywnym elementem sieci dystrybucyjnej. Niemniej jednak, nadal przynoszą straty równoważne 100 000 ton ekwiwalentu ropy rocznie. Wyobraźmy sobie, że zwiększyliśmy ich sprawność do 99,7%. Jak dużą oszczędność to przyniesie, wyrażoną w tonach ekwiwalentu ropy?

2. Spadek napięcia na 1 km miedzianego kabla wynosi 30 V przy 500 A. Oblicz rezystancję.

3. W kawałku metalu, gdy nie płynie prąd, elektrony przewodnictwa poruszają się przypadkowo we wszystkich kierunkach. Jaka jest ich średnia prędkość?

4. Umowny kierunek prądu elektrycznego jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów, które go przenoszą? Jak sądzisz, dla czego tak jest?

5. Oblicz prędkość dryfu elektronów w miedzianym przewodzie o powierzchni przekroju 1 mm2, kiedy przepływa w nim prąd o natężeniu 2,5 A.