遠距離輸電、直流融冰演示實驗裝置

潘永祥

高中物理“電能的輸送”（人教版選修3-2第五章第五節(jié)）部分，只有原理而沒有安排實驗，內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不易掌握。現(xiàn)經(jīng)過探索，筆者制作了教具“遠距離輸電、直流融冰演示實驗裝置”。該裝置可形象直觀地演示近距離可直接進行輸電;遠距離直接輸電電能損耗大，采用先升壓后降壓方式輸電電能損耗小;電能的損耗主要轉(zhuǎn)化為熱能等現(xiàn)象。同時還可以向?qū)W生介紹高壓線路直流融冰等方面知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實驗原理

電路原理如圖1所示。

其中T1為220V/12V變壓器，作為模擬發(fā)電廠使用，從模擬發(fā)電廠出來的是12V交流電，T2、T3也是220 V/12 V變壓器，作為模擬升壓變電站和模擬降壓變電站使用，近端用戶用3只12V8 W的小燈泡代替，遠端用戶用3只12 V8 W的小燈泡代替，遠距離輸電線路用6Ω的電阻絲架設(shè)在模擬電桿上代替，數(shù)字溫度表主要用來測量輸電導(dǎo)線的實際溫度。

制作過程

制作該教具需要的器材：180 W220 V/12V變壓器3只、雙刀雙擲開關(guān)2只、單刀開關(guān)6只、小燈座及燈泡各6只、數(shù)字溫度表1只、電爐絲2m（大約6Ω）、模擬電桿9根、1mx 0.3m木工板2張、角鐵6片、木螺釘若干、導(dǎo)線若干。

用角鐵和木螺釘把2塊木工板固定成“⊥”形狀，在立板上按電路圖要求規(guī)劃好位置，把相應(yīng)的器材安裝上。在底板上安裝模擬電桿和架設(shè)輸電線路，連接好整體線路，同時把數(shù)字溫度表的溫度傳感器緊靠在輸電線上。實物圖如圖2所示。

實驗教學(xué)過程

課程引入

大家都知道發(fā)電廠通過導(dǎo)線把電能輸送給用戶，但具體的電能輸送過程是怎樣的呢？把該演示裝置接入220V照明電路中，閉合總電源開關(guān)，模擬發(fā)電廠發(fā)電，此時模擬發(fā)電廠輸出12V交流電。依次閉合開關(guān)S1、S2、S3，發(fā)現(xiàn)近端用戶小燈泡L1、L2、L3都能正常發(fā)光;接著把雙刀雙擲開關(guān)K1、K2都接入“直接供電”位置（同時把模擬線路接到低壓遠距離輸電電路），模擬遠距離輸電，再依次閉合開關(guān)S4、S5、S6，發(fā)現(xiàn)遠端用戶小燈泡L4、L5、L6隨著接入小燈泡個數(shù)的增加發(fā)光越來越暗淡。從實驗可以看出，近距離輸電可以采用低壓方式進行，但遠距離輸電如果仍然采用低壓方式就不可行了。

近距離輸電時，由于輸電線路短，電路電阻小，損耗自然也小，絕大部分電能可以有效地輸送給用戶。而遠距離輸電時，隨著線路距離的增加，輸電導(dǎo)線的電阻增加（該實驗裝置模擬輸電電路的電阻為6Ω），電能在輸電線上的損耗變大，因此燈泡發(fā)光變暗，甚至熄滅。

演示遠距離高壓輸電過程

遠距離輸電若采用高壓方式進行，情況會怎樣呢？由于變壓器次級電壓與初級電壓的比值大約等于初級電流與次級電流之比，即U2/U1=I1/I2，如果T2的輸入電流I1為燈泡的額定電流0.67 A，則T2的輸出電流12=12/220×0.67A=0.037A，輸電線上的壓降為U線=6Ω×0.037 A=0.22V。可以看出經(jīng)T2升壓后，輸出電壓在輸電線上的壓降大為減小，線路損耗也應(yīng)隨之減小，小燈泡應(yīng)該能正常發(fā)光。實際情況是不是這樣呢？

把雙刀雙擲開關(guān)K1接入“升壓”位置，K2接入“降壓”位置，從模擬發(fā)電廠出來的12 V交流電，經(jīng)過T2升壓、模擬遠距離輸電線路、再經(jīng)過T3降壓，最后輸送給用戶;依次閉合開關(guān)S4、S5、S6，發(fā)現(xiàn)遠端用戶小燈泡L4、L5、L6都能正常發(fā)光，從實驗可以看出，遠距離輸電采用高壓的方式進行是可行的，與理論推導(dǎo)吻合。

演示電能的損耗

遠距離輸電如果采用低壓方式進行，電能的損耗比較大，那么電能損耗到哪兒去了呢？把雙刀雙擲開關(guān)K1、K2都接入“直接供電”位置，采用低壓遠距離的輸電方式給遠端用戶供電，然后將電子溫度表的溫度傳感器緊靠在輸電線上，依次閉合開關(guān)S4、S5、S6，觀察到在1分鐘內(nèi)溫度表示數(shù)上升了12℃，2分鐘后上升了23℃，可以看出低壓遠距離輸電時電能主要轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉了。

對比電能的損耗

把雙刀雙擲開關(guān)K1接入“升壓”位置，K2接入“降壓”位置，采用高壓的方式進行輸電，然后將電子溫度表的溫度傳感器靠近輸電線路，依次閉合開關(guān)S4、S5、S6，經(jīng)過較長時間的觀察，小燈泡L4、L5、L6正常發(fā)光，溫度表的示數(shù)沒有發(fā)生明顯的變化，可以看出遠距離輸電時采用高壓方式進行，電能損耗比較小。

可變定性研究為定量研究

在進行上2個實驗時，如果在線路相應(yīng)位置接入電流表、電壓表則可以算出電能在線路上的功率損耗、小燈泡的實際功率，可變定性研究為定量研究。

演示直流融冰

直流融冰技術(shù)是直接將結(jié)冰線路與主網(wǎng)斷開，在線路末端用導(dǎo)線短接，通過在線路的首端輸入直流電流，形成一條回路，通過較大電流時可使導(dǎo)線產(chǎn)生較大的熱量.從而使導(dǎo)線上面覆蓋的冰層融化脫落。當(dāng)冰完全融化后，再移除直流電源，恢復(fù)到正常狀態(tài)，輸電線路即可恢復(fù)正常運行。

把演示裝置模擬線路末端進行短接，用導(dǎo)線把經(jīng)過變壓器T1變壓并整流后得到的12V直流電接入模擬線路的首端，2分鐘后觀察到溫度表的示數(shù)上升了23℃，隨著加熱時間的增加，粘在輸電線路上的小蠟塊也掉了下來（接入24V直流電升溫將更加明顯）。假如是實際線路結(jié)冰，當(dāng)我們給線路通上較大電流時會使導(dǎo)線產(chǎn)生熱量，從而使冰層融化脫落，達到除冰目的。

創(chuàng)新點

所有元件集成在一塊板上，結(jié)構(gòu)簡單，線路簡潔，操作方便，演示過程中只需要撥動開關(guān)，幾分鐘內(nèi)就能把課本上復(fù)雜的過程演示清楚。

用數(shù)字溫度表及溫度傳感器測量輸電導(dǎo)線的實際溫度，靈敏度和能見度都比較高。

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在輸電線上粘上蠟塊，給輸電線通上12V直流電，輸電線發(fā)熱使蠟塊熔化掉下來，能夠比較形象直觀地模擬直流融冰技術(shù)。

小結(jié)

實驗效果明顯，能模擬近距離、遠距離電能的輸送，還能通過溫度表間接觀察到電能的損失轉(zhuǎn)化為熱能，同時還可以向?qū)W生介紹高壓線路直流融冰等方面知識，幫助學(xué)生突破難點、掌握重點，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，非常值得推廣。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

該項目原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理，作品實用性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望該項目在工藝方面作出改進和提升。