远距离输电、直流融冰演示实验装置

潘永祥

高中物理“电能的输送”（人教版选修3-2第五章第五节）部分，只有原理而没有安排实验，内容比较抽象，学生不易掌握。现经过探索，笔者制作了教具“远距离输电、直流融冰演示实验装置”。该装置可形象直观地演示近距离可直接进行输电;远距离直接输电电能损耗大，采用先升压后降压方式输电电能损耗小;电能的损耗主要转化为热能等现象。同时还可以向学生介绍高压线路直流融冰等方面知识，激发学生的学习兴趣。

实验原理

电路原理如图1所示。

其中T1为220V/12V变压器，作为模拟发电厂使用，从模拟发电厂出来的是12V交流电，T2、T3也是220 V/12 V变压器，作为模拟升压变电站和模拟降压变电站使用，近端用户用3只12V8 W的小灯泡代替，远端用户用3只12 V8 W的小灯泡代替，远距离输电线路用6Ω的电阻丝架设在模拟电杆上代替，数字温度表主要用来测量输电导线的实际温度。

制作过程

制作该教具需要的器材：180 W220 V/12V变压器3只、双刀双掷开关2只、单刀开关6只、小灯座及灯泡各6只、数字温度表1只、电炉丝2m（大约6Ω）、模拟电杆9根、1mx 0.3m木工板2张、角铁6片、木螺钉若干、导线若干。

用角铁和木螺钉把2块木工板固定成“⊥”形状，在立板上按电路图要求规划好位置，把相应的器材安装上。在底板上安装模拟电杆和架设输电线路，连接好整体线路，同时把数字温度表的温度传感器紧靠在输电线上。实物图如图2所示。

实验教学过程

课程引入

大家都知道发电厂通过导线把电能输送给用户，但具体的电能输送过程是怎样的呢？把该演示装置接入220V照明电路中，闭合总电源开关，模拟发电厂发电，此时模拟发电厂输出12V交流电。依次闭合开关S1、S2、S3，发现近端用户小灯泡L1、L2、L3都能正常发光;接着把双刀双掷开关K1、K2都接入“直接供电”位置（同时把模拟线路接到低压远距离输电电路），模拟远距离输电，再依次闭合开关S4、S5、S6，发现远端用户小灯泡L4、L5、L6随着接入小灯泡个数的增加发光越来越暗淡。从实验可以看出，近距离输电可以采用低压方式进行，但远距离输电如果仍然采用低压方式就不可行了。

近距离输电时，由于输电线路短，电路电阻小，损耗自然也小，绝大部分电能可以有效地输送给用户。而远距离输电时，随着线路距离的增加，输电导线的电阻增加（该实验装置模拟输电电路的电阻为6Ω），电能在输电线上的损耗变大，因此灯泡发光变暗，甚至熄灭。

演示远距离高压输电过程

远距离输电若采用高压方式进行，情况会怎样呢？由于变压器次级电压与初级电压的比值大约等于初级电流与次级电流之比，即U2/U1=I1/I2，如果T2的输入电流I1为灯泡的额定电流0.67 A，则T2的输出电流12=12/220×0.67A=0.037A，输电线上的压降为U线=6Ω×0.037 A=0.22V。可以看出经T2升压后，输出电压在输电线上的压降大为减小，线路损耗也应随之减小，小灯泡应该能正常发光。实际情况是不是这样呢？

把双刀双掷开关K1接入“升压”位置，K2接入“降压”位置，从模拟发电厂出来的12 V交流电，经过T2升压、模拟远距离输电线路、再经过T3降压，最后输送给用户;依次闭合开关S4、S5、S6，发现远端用户小灯泡L4、L5、L6都能正常发光，从实验可以看出，远距离输电采用高压的方式进行是可行的，与理论推导吻合。

演示电能的损耗

远距离输电如果采用低压方式进行，电能的损耗比较大，那么电能损耗到哪儿去了呢？把双刀双掷开关K1、K2都接入“直接供电”位置，采用低压远距离的输电方式给远端用户供电，然后将电子温度表的温度传感器紧靠在输电线上，依次闭合开关S4、S5、S6，观察到在1分钟内温度表示数上升了12℃，2分钟后上升了23℃，可以看出低压远距离输电时电能主要转化为热能损耗掉了。

对比电能的损耗

把双刀双掷开关K1接入“升压”位置，K2接入“降压”位置，采用高压的方式进行输电，然后将电子温度表的温度传感器靠近输电线路，依次闭合开关S4、S5、S6，经过较长时间的观察，小灯泡L4、L5、L6正常发光，温度表的示数没有发生明显的变化，可以看出远距离输电时采用高压方式进行，电能损耗比较小。

可变定性研究为定量研究

在进行上2个实验时，如果在线路相应位置接入电流表、电压表则可以算出电能在线路上的功率损耗、小灯泡的实际功率，可变定性研究为定量研究。

演示直流融冰

直流融冰技术是直接将结冰线路与主网断开，在线路末端用导线短接，通过在线路的首端输入直流电流，形成一条回路，通过较大电流时可使导线产生较大的热量.从而使导线上面覆盖的冰层融化脱落。当冰完全融化后，再移除直流电源，恢复到正常状态，输电线路即可恢复正常运行。

把演示装置模拟线路末端进行短接，用导线把经过变压器T1变压并整流后得到的12V直流电接入模拟线路的首端，2分钟后观察到温度表的示数上升了23℃，随着加热时间的增加，粘在输电线路上的小蜡块也掉了下来（接入24V直流电升温将更加明显）。假如是实际线路结冰，当我们给线路通上较大电流时会使导线产生热量，从而使冰层融化脱落，达到除冰目的。

创新点

所有元件集成在一塊板上，结构简单，线路简洁，操作方便，演示过程中只需要拨动开关，几分钟内就能把课本上复杂的过程演示清楚。

用数字温度表及温度传感器测量输电导线的实际温度，灵敏度和能见度都比较高。

可在适当的位置接入交流电压表和电流表，从定性研究上升到定量研究。

在输电线上粘上蜡块，给输电线通上12V直流电，输电线发热使蜡块熔化掉下来，能够比较形象直观地模拟直流融冰技术。

小结

实验效果明显，能模拟近距离、远距离电能的输送，还能通过温度表间接观察到电能的损失转化为热能，同时还可以向学生介绍高压线路直流融冰等方面知识，帮助学生突破难点、掌握重点，激发学生学习兴趣，非常值得推广。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

该项目原理科学、概念清晰、构思巧妙、设计合理，作品实用性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。希望该项目在工艺方面作出改进和提升。