Énergie électrique d'un système de charges.

Travail sur le terrain pendant la polarisation diélectrique.

Énergie du champ électrique.

Comme toute matière, un champ électrique possède de l’énergie. L'énergie est fonction de l'état et l'état du champ est donné par la force. Il s'ensuit que l'énergie du champ électrique est une fonction sans ambiguïté de l'intensité. Depuis, il est extrêmement important d’introduire la notion de concentration d’énergie dans le domaine. Une mesure de la concentration d’énergie du champ est sa densité :

Trouvons une expression pour. Pour cela, considérons le champ d'un condensateur plat, en le considérant uniforme partout. Un champ électrique dans tout condensateur apparaît pendant le processus de charge, qui peut être représenté comme le transfert de charges d'une plaque à une autre (voir figure). Le travail élémentaire consacré au transfert de charges est égal à :

où et l'œuvre complète :

ce qui va augmenter l'énergie du champ :

Considérant que (il n’y avait pas de champ électrique), pour l’énergie du champ électrique du condensateur on obtient :

Dans le cas d'un condensateur à plaques parallèles :

puisque, - le volume du condensateur est égal au volume du champ. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, la densité d'énergie du champ électrique est égale à :

Cette formule n'est valable que dans le cas d'un diélectrique isotrope.

La densité énergétique du champ électrique est proportionnelle au carré de l’intensité. Cette formule, bien qu’obtenue pour un champ uniforme, est vraie pour tout champ électrique. En général, l'énergie du champ peut être calculée à l'aide de la formule :

L'expression inclut la constante diélectrique. Cela signifie que dans un diélectrique, la densité d’énergie est plus grande que dans le vide. Cela est dû au fait que lorsqu'un champ est créé dans le diélectrique, un travail supplémentaire est effectué associé à la polarisation du diélectrique. Remplaçons la valeur du vecteur d'induction électrique dans l'expression de la densité d'énergie :

Le premier terme est associé à l’énergie du champ dans le vide, le second au travail consacré à la polarisation d’une unité de volume du diélectrique.

Le travail élémentaire dépensé par le champ pour incrémenter le vecteur polarisation est égal à.

Le travail de polarisation par unité de volume d'un diélectrique est égal à :

puisque c'est ce qu'il fallait prouver.

Considérons un système de deux charges ponctuelles (voir figure) selon le principe de superposition en tout point de l'espace :

Densité d'énergie du champ électrique

Les premier et troisième termes sont associés aux champs électriques de charges et, respectivement, et le deuxième terme reflète l'énergie électrique associée à l'interaction des charges :

L'énergie propre des charges est positive et l'énergie d'interaction peut être positive ou négative.

Contrairement à un vecteur, l’énergie d’un champ électrique n’est pas une quantité additive. L'énergie d'interaction peut être représentée par une relation plus simple. Pour des charges à deux points, l'énergie d'interaction est égale à :

qui peut être représenté par la somme :

où est le potentiel du champ de charge à l'emplacement de la charge, et est le potentiel du champ de charge à l'emplacement de la charge.

En généralisant le résultat obtenu à un système d'un nombre arbitraire de charges, on obtient :

où est la charge du système, est le potentiel créé à l'emplacement de la charge, tous les autres frais du système.

Si les charges sont réparties de manière continue avec une densité volumique, la somme doit être remplacée par l'intégrale volumique :

où est le potentiel créé par toutes les charges du système dans un élément de volume. L'expression résultante correspond à énergie électrique totale systèmes.

En électrostatique, il est impossible de répondre à la question de savoir où est concentrée l’énergie d’un condensateur. Les champs et les charges qui les constituent ne peuvent exister séparément. Ils ne peuvent pas être séparés. Or, des champs alternatifs peuvent exister quelles que soient les charges qui les excitent (rayonnement solaire, ondes radio,...), et ils transfèrent de l'énergie. Ces faits nous obligent à admettre que le vecteur d'énergie est le champ électrostatique .

Lors du déplacement de charges électriques, les forces d'interaction coulombiennes effectuent une certaine quantité de travail d UN. Le travail effectué par le système est déterminé par la diminution de l'énergie d'interaction -d W des charges

.

(5.5.1)

Énergie d'interaction de deux charges ponctuelles q 1 et q 2 situé à distance r 12, est numériquement égal au travail de déplacement de la charge q 1 dans le domaine d'une charge stationnaire q 2 d'un point à potentiel à un point à potentiel :

.

(5.5.2)

Il est pratique d'écrire l'énergie d'interaction de deux charges sous une forme symétrique

.

(5.5.3)

Pour un système de n charges ponctuelles (Fig. 5.14) dues au principe de superposition de potentiel, au point de localisation k-ème charge, on peut écrire :

Ici φ k , je- potentiel je-ème charge au point de localisation k-ème accusation. Au total, le potentiel φ est exclu k , k, c'est à dire. L'effet de la charge sur elle-même, qui est égal à l'infini pour une charge ponctuelle, n'est pas pris en compte.

Alors l'énergie mutuelle du système n les charges sont égales à :

(5.5.4)

Cette formule n'est valable que si la distance entre les charges dépasse largement la taille des charges elles-mêmes.

Calculons l'énergie d'un condensateur chargé. Le condensateur est constitué de deux plaques initialement non chargées. Nous retirerons progressivement la charge d de la plaque inférieure q et transférez-le sur la plaque supérieure (Fig. 5.15).

En conséquence, une différence de potentiel apparaîtra entre les plaques. Lors du transfert de chaque portion de charge, un travail élémentaire est effectué

En utilisant la définition de la capacité, nous obtenons

Travail total dépensé pour augmenter la charge sur les plaques du condensateur de 0 à q, est égal à:

Cette énergie peut également s’écrire

Les sources naturelles d'où l'énergie est extraite pour la préparer sous les formes requises pour divers processus technologiques sont appelées ressources énergétiques. On distingue les types suivants de ressources énergétiques de base : l'énergie chimique du carburant ; b l'énergie nucléaire ; dans l'énergie hydraulique qui est hydraulique ; g l'énergie du rayonnement solaire ; d énergie éolienne. l'énergie du flux et du reflux ; f géothermie. Source principale d'énergie ou ressource énergétique charbon gazole concentré d'uranium hydroélectricité solaire...

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Conférence n°1.

Définitions basiques

Système énergétique (système énergétique)se compose de centrales électriques, de réseaux électriques et de consommateurs d'électricité, interconnectés et connectés par la communauté du mode et la gestion générale de ce mode.

Système d'alimentation électrique (électrique)il s'agit d'un ensemble de parties électriques d'une centrale électrique, de réseaux électriques et de consommateurs d'électricité, c'est-à-dire il fait partie du système énergétique, à l'exception des réseaux de chaleur et des consommateurs de chaleur.

Réseau électriqueil s'agit d'un ensemble d'installations électriques pour la distribution de l'énergie électrique, composé de sous-stations, d'appareillages, de lignes électriques aériennes et câblées.

Sous-stations électriquesest une installation électrique conçue pour convertir l’électricité d’une tension ou d’une fréquence à une autre tension ou fréquence.

Caractéristiques des systèmes électriques

La fréquence en tous points des réseaux électriquement connectés est la même

Égalité de puissance consommée et générée

La tension dans les différents nœuds du réseau n'est pas la même

Avantages de l’interconnexion du réseau

Augmenter la fiabilité de l’alimentation électrique

Augmenter la stabilité des systèmes électriques

Améliorer les indicateurs techniques et économiques des systèmes énergétiques

Qualité d'énergie stable

Réduire la réserve de marche requise

Les conditions de charge des unités sont améliorées en nivelant la courbe de charge et en réduisant la charge maximale du système électrique.

Il devient possible d'utiliser plus pleinement les capacités de production des centrales électriques, en raison de la différence de leur situation géographique en latitude et longitude.

Le contrôle opérationnel des systèmes électriques est effectué par leurs services de répartition qui, sur la base de calculs appropriés, établissent le mode de fonctionnement optimal des centrales électriques et des réseaux de différentes tensions.

Sources d'énergie

Il existe des sources d'énergie renouvelables et non renouvelables.

Les sources naturelles d'où l'énergie est extraite pour la préparer sous les formes requises pour divers processus technologiques sont appelées ressources énergétiques.

On distingue les types de ressources énergétiques de base suivants :

a) l'énergie chimique du carburant ;

b) l'énergie nucléaire ;

c) l'énergie hydraulique (c'est-à-dire hydraulique) ;

d) l'énergie du rayonnement solaire ;

e) l'énergie éolienne.

f) l'énergie marémotrice ;

g) l'énergie géothermique.

La principale source d'énergie ou ressource énergétique (charbon, gaz, pétrole, concentré d'uranium, énergie hydraulique, énergie solaire, etc.) entre dans l'un ou l'autre convertisseur d'énergie dont la production est soit de l'énergie électrique, soit de l'énergie électrique et thermique. Si l'énergie thermique n'est pas générée, il est alors nécessaire d'utiliser un convertisseur d'énergie supplémentaire de l'électrique au thermique (lignes pointillées sur la Fig. 1.1).

La plus grande partie de l'énergie électrique consommée dans notre pays est obtenue par la combustion de combustibles extraits des entrailles de la terre : charbon, gaz, fioul (produit du raffinage du pétrole). Lorsqu’ils sont brûlés, l’énergie chimique du combustible est convertie en énergie thermique.

Les centrales électriques qui convertissent l'énergie thermique obtenue en brûlant du combustible en énergie mécanique, et cette dernière en énergie électrique, sont appelées centrales thermiques (TES).

Les centrales électriques qui fonctionnent à la charge la plus élevée possible pendant une partie importante de l’année sont appelées centrales électriques de base, tandis que les centrales électriques qui ne sont utilisées que pendant une partie de l’année pour couvrir la charge « de pointe » sont appelées centrales électriques de pointe.

Classement ES :

1. TPP (KPP, CHPP, GTS, PGPP)
2. Centrales nucléaires (1 circuit, 2 circuits, 3 circuits)
3. Centrales hydroélectriques (barrage, dérivation)

Partie électrique de l'ES

Les centrales électriques (ES) sont des complexes technologiques complexes comportant un nombre total d'équipements principaux et auxiliaires. L'équipement principal est utilisé pour la production, la conversion, le transport et la distribution d'électricité, auxiliaire pour réaliser des fonctions auxiliaires (mesure, signalisation, contrôle, protection et automatisation, etc.). Nous montrerons la connexion mutuelle de divers équipements sur un schéma de circuit simplifié d'un système électrique avec des jeux de barres de tension de générateur (voir Fig. 1).

Riz. 1

L'électricité générée par le générateur est fournie aux jeux de barres principaux puis distribuée entre les besoins auxiliaires MT, la charge de tension du générateur GN et le système électrique. Éléments individuels de la Fig. 1 sont destinés :

1. Commutateurs Q pour allumer et éteindre le circuit en modes normal et d'urgence.

2. Sectionneurs QS pour soulager la tension des parties hors tension d'une installation électrique et pour créer une coupure de circuit visible nécessaire aux travaux de réparation. En règle générale, les sectionneurs sont des éléments de réparation plutôt que des éléments opérationnels.

3. Jeux de barres préfabriqués pour recevoir l'électricité des sources et la distribuer entre les consommateurs.

4. Dispositifs de protection à relais pour détecter le fait et l'emplacement des dommages dans une installation électrique et pour émettre l'ordre de déconnecter l'élément endommagé.

5. Dispositifs d'automatisation A pour allumer ou commuter automatiquement des circuits et des appareils, ainsi que pour réguler automatiquement les modes de fonctionnement des éléments d'installation électrique.

6. Instruments de mesure IP pour surveiller le fonctionnement des principaux équipements de la centrale électrique et la qualité de l'énergie, ainsi que pour comptabiliser l'électricité produite et fournie.

7. Transformateurs de courant TA et tension TV.

Questions de contrôle :

1. Donnez une définition du système énergétique et de tous les éléments qui le composent.
2. Paramètres de base de l'électricité.
3. Quelles sources d’énergie sont des sources naturelles ?
4. Quelles centrales électriques sont dites thermiques ?
5. Quelles méthodes de production d’électricité sont traditionnelles ?
6. Quelles méthodes de production d’électricité sont considérées comme non traditionnelles ?
7. Énumérez les types de sources d’énergie renouvelables ?
8. Énumérez les types de sources d’énergie non renouvelables ?
9. Quels types de centrales électriques sont classés comme centrales thermiques ?
10. Nommer les avantages techniques et économiques de l’interconnexion des systèmes énergétiques.
11. Quelles centrales électriques sont dites de base et lesquelles sont en pointe ?
12. Quelles sont les exigences pour les systèmes énergétiques ?
13. Énumérez les principales fonctions des dispositifs d'automatisation, des transformateurs de courant et de tension et des interrupteurs.
14. Énumérez les principales fonctions des sectionneurs, des dispositifs de protection à relais et des jeux de barres. A quoi sert un réacteur limiteur de courant ?

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· Le potentiel du champ électrique est une valeur égale au rapport de l'énergie potentielle d'une charge positive ponctuelle placée en un point donné du champ à cette charge.

soit le potentiel du champ électrique est une valeur égale au rapport du travail effectué par les forces du champ pour déplacer une charge ponctuelle positive d'un point donné du champ vers l'infini jusqu'à cette charge :

Le potentiel du champ électrique à l’infini est classiquement supposé nul.

Notez que lorsqu'une charge se déplace dans un champ électrique, le travail Un contre les forces externes sont égales en ampleur au travail Un s.p. intensité de champ et signe opposé :

A vs.s = – A s.p.

· Potentiel de champ électrique créé par une charge ponctuelle Qà distance r de charge,

· Potentiel de champ électrique créé par un métal porteur d'une charge Q sphère avec rayon R., à distance r du centre de la sphère :

à l'intérieur de la sphère ( r<R) ;

à la surface de la sphère ( r=R) ;

en dehors de la sphère (r>R) .

Dans toutes les formules données pour le potentiel d'une sphère chargée, e est la constante diélectrique d'un diélectrique infini homogène entourant la sphère.

· Potentiel de champ électrique créé par le système P. les charges ponctuelles, en un point donné, conformément au principe de superposition des champs électriques, sont égales à la somme algébrique des potentiels j 1, j 2, ... , Jn, créé par des frais ponctuels individuels Question 1, Question 2, ..., Qn:

· Énergie W interaction d'un système de frais ponctuels Question 1, Question 2, ..., Qn est déterminé par le travail que ce système de charges peut faire en les déplaçant les unes par rapport aux autres à l'infini, et s'exprime par la formule

où est le potentiel du champ créé par tous P- 1 charges (sauf je e) au point où se situe la charge Qi.

· Le potentiel est lié à l'intensité du champ électrique par la relation

Dans le cas d'un champ électrique à symétrie sphérique, cette relation s'exprime par la formule

ou sous forme scalaire

et dans le cas d'un champ homogène, c'est-à-dire un champ dont l'intensité en chaque point est la même en ampleur et en direction

Où j 1 Et j 2- les potentiels des points de deux surfaces équipotentielles ; d - la distance entre ces surfaces le long de la ligne de champ électrique.

· Travail effectué par un champ électrique lors du déplacement d'une charge ponctuelle Q d'un point du champ ayant un potentiel j 1, à un autre avec du potentiel j 2

UN=Q∙(j1 – j2), ou

Où E l - projection du vecteur tension sur la direction du mouvement ; dl- mouvement.

Dans le cas d'un corps homogène, la dernière formule prend la forme

A=Q∙E∙l∙cosa,

Où je- mouvement; un- l'angle entre les directions du vecteur et du déplacement.

Un dipôle est un système de charges électriques ponctuelles de taille égale et de signe opposé, la distance je entre lesquels il y a beaucoup moins de distance r du centre du dipôle jusqu'aux points d'observation.

Le vecteur tiré de la charge négative du dipôle jusqu’à sa charge positive est appelé le bras dipolaire.

Produit payant | Q| Le dipôle sur son bras est appelé le moment électrique du dipôle :

Intensité du champ dipolaire

Où R.- moment dipolaire électrique ; r- module du rayon vecteur tiré du centre du dipôle jusqu'au point où le champ nous intéresse ; α est l'angle entre le rayon vecteur et le bras dipolaire.

Potentiel de champ dipolaire

Moment mécanique agissant sur un dipôle avec un moment électrique placé dans un champ électrique uniforme d'intensité

ou M=p∙E∙ péché,

où α est l'angle entre les directions des vecteurs et .

Dans un champ électrique non uniforme, en plus du moment mécanique (une paire de forces), une certaine force agit également sur le dipôle. Dans le cas d'un champ symétrique par rapport à l'axe X, la force est exprimée par le rapport

où est la dérivée partielle de l'intensité du champ, caractérisant le degré d'inhomogénéité du champ dans la direction de l'axe X.

Avec force F x est positif. Cela signifie que sous son influence, le dipôle est attiré dans la région d'un champ fort.

Énergie potentielle d'un dipôle dans un champ électrique

Le domaine de l'économie qui couvre les ressources, l'extraction, la transformation et l'utilisation de divers types d'énergie.

L'énergie peut être représentée par les blocs interconnectés suivants :

1. Ressources énergétiques naturelles et entreprises minières ;

2. Usines de traitement et transport du combustible fini ;

3. Production et transmission d'énergie électrique et thermique ;

4. Consommateurs d'énergie, de matières premières et de produits.

Bref contenu des blocs :

1) Les ressources naturelles sont divisées en :

renouvelables (soleil, biomasse, ressources hydroélectriques) ;

non renouvelables (charbon, pétrole) ;

2) Entreprises extractives (mines, mines, plates-formes gazières) ;

3) Entreprises de transformation de combustibles (enrichissement, distillation, purification de combustibles) ;

4) Transport de carburant (chemin de fer, pétroliers) ;

5) Production d'énergie électrique et thermique (CHP, centrale nucléaire, centrale hydroélectrique) ;

6) Transport d'énergie électrique et thermique (réseaux électriques, canalisations) ;

7) Consommateurs d'énergie et de chaleur (électricité et procédés industriels, chauffage).

Partie du secteur de l'énergie qui s'occupe des problèmes d'obtention de grandes quantités d'électricité, de sa transmission à distance et de sa distribution entre les consommateurs, son développement se fait au détriment des systèmes électriques.

Il s'agit d'un ensemble de centrales électriques, de systèmes électriques et thermiques interconnectés, ainsi que de consommateurs d'énergie électrique et thermique, unis par l'unité du processus de production, de transport et de consommation d'électricité.

Système d'énergie électrique : CHPP - centrale de production combinée de chaleur et d'électricité, NPP - centrale nucléaire, IES - centrale à condensation, 1-6 - consommateurs d'électricité CHPP

Schéma d'une centrale thermique à condensation

Système électrique (système électrique, ES)- la partie électrique du système d'alimentation électrique.

Le diagramme est représenté sous la forme d'un diagramme unifilaire, c'est-à-dire que par une ligne, nous entendons trois phases.

Processus technologique dans le système énergétique

Un processus technologique est le processus de conversion d'une ressource énergétique primaire (combustible fossile, hydroélectricité, combustible nucléaire) en produits finaux (énergie électrique, énergie thermique). Les paramètres et indicateurs du processus technologique déterminent l'efficacité de la production.

Le processus technologique est représenté schématiquement sur la figure, à partir de laquelle on peut voir qu'il existe plusieurs étapes de conversion d'énergie.

Schéma du processus technologique dans le système électrique : K - chaudière, T - turbine, G - générateur, T - transformateur, ligne électrique - lignes électriques

Dans la chaudière K, l'énergie de combustion du combustible est transformée en chaleur. Une chaudière est un générateur de vapeur. Dans une turbine, l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique. Dans un générateur, l'énergie mécanique est convertie en énergie électrique. La tension de l'énergie électrique est transformée lors de son transport le long des lignes électriques depuis la station jusqu'au consommateur, ce qui garantit un transport économique.

L'efficacité du processus technologique dépend de tous ces liens. Il existe donc un ensemble de tâches opérationnelles liées au fonctionnement des chaudières, des turbines des centrales thermiques, des turbines des centrales hydroélectriques, des réacteurs nucléaires, des équipements électriques (générateurs, transformateurs, lignes électriques, etc.). Il est nécessaire de choisir la composition du matériel d'exploitation, son mode de chargement et d'utilisation, et de respecter toutes les restrictions.

Installation électrique- installation dans laquelle l'électricité est produite, générée ou consommée, distribuée. Peut être : ouvert ou fermé (à l'intérieur).

Poste électrique- un complexe technologique complexe dans lequel l'énergie d'une source naturelle est convertie en énergie de courant électrique ou de chaleur.

Il convient de noter que les centrales électriques (notamment thermiques fonctionnant au charbon) sont les principales sources de pollution énergétique.

Poste électrique- une installation électrique destinée à convertir l'électricité d'une tension à une autre à la même fréquence.

Transmission de puissance (lignes électriques)- la structure est constituée de sous-stations de lignes de transport d'électricité surélevées et de sous-stations abaisseurs (un système de fils, câbles, supports) conçues pour transmettre l'électricité de la source au consommateur.

Électricité du net- un ensemble de lignes électriques et de sous-stations, c'est-à-dire appareils connectant l’alimentation au .