Номер 5, страница 369 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Почему колебания пластины с разрезами затухают медленнее, чем колебания сплошной пластины?

5. Почему колебания пластины с разрезами затухают медленнее, чем колебания сплошной пластины?

Когда проводящая пластина колеблется в магнитном поле, происходит изменение магнитного потока, пронизывающего ее. Согласно закону электромагнитной индукции, это приводит к возникновению в пластине индукционных токов, которые из-за своей замкнутой вихревой формы называются вихревыми токами или токами Фуко.

В сплошной пластине эти токи могут протекать по большим замкнутым контурам с относительно малым сопротивлением. В соответствии с правилом Ленца, магнитное поле, создаваемое этими токами, противодействует движению пластины. Возникает тормозящая электромагнитная сила (сила Ампера), которая совершает отрицательную работу, превращая механическую энергию колебаний в тепловую энергию (нагрев пластины по закону Джоуля-Ленца). Это приводит к быстрому затуханию колебаний.

В пластине с разрезами ситуация иная. Разрезы служат барьерами, которые не дают вихревым токам образовывать большие контуры. Вместо этого токи вынуждены замыкаться в пределах небольших участков между разрезами. Это эквивалентно значительному увеличению общего электрического сопротивления пластины для вихревых токов. Согласно закону Ома ($I = \mathcal{E} / R$), при той же наводимой ЭДС ($\mathcal{E}$) сила тока ($\text{I}$) будет значительно меньше из-за большого сопротивления ($\text{R}$).

Мощность, рассеиваемая в виде тепла и ответственная за торможение, пропорциональна квадрату силы тока ($P = I^2 R$). Резкое уменьшение силы тока приводит к значительному снижению этой мощности. Как следствие, тормозящая сила становится намного слабее, и механическая энергия пластины расходуется гораздо медленнее. Поэтому колебания пластины с разрезами затухают медленнее.

Ответ: Разрезы в пластине увеличивают её электрическое сопротивление для возникающих при колебаниях в магнитном поле вихревых токов (токов Фуко). Это приводит к уменьшению силы этих токов и, как следствие, к ослаблению тормозящей электромагнитной силы. Поэтому механическая энергия пластины с разрезами медленнее преобразуется в тепловую, и её колебания затухают медленнее.

6. Почему якорь двигателя постоянного тока набирают из тонких стальных пластин?

Якорь (ротор) двигателя постоянного тока вращается в сильном магнитном поле, создаваемом статором. Сердечник якоря изготавливается из ферромагнитного материала (стали) для усиления магнитного поля. Поскольку сердечник является проводником и вращается в магнитном поле, пронизывающий его магнитный поток постоянно изменяется. Это изменение потока индуцирует в массивном сердечнике сильные вихревые токи (токи Фуко).

Эти вихревые токи являются паразитным и вредным явлением по двум основным причинам:
1. Нагрев и потери энергии: Вихревые токи, протекая по сердечнику, нагревают его согласно закону Джоуля-Ленца. Это является бесполезной тратой энергии (снижает КПД двигателя) и может привести к перегреву и повреждению изоляции обмоток якоря.
2. Тормозной момент: Согласно правилу Ленца, магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, всегда противодействует причине, их вызвавшей, то есть вращению якоря. Это создает тормозной момент, который уменьшает полезный вращающий момент и мощность двигателя.

Для борьбы с вихревыми токами сердечник якоря изготавливают не из цельного куска стали, а набирают из набора (пакета) тонких стальных пластин, которые изолированы друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленкой. Эти пластины располагаются параллельно магнитному полю и оси вращения, то есть перпендикулярно направлению, в котором могли бы протекать большие вихревые токи.

Такая слоистая (шихтованная) конструкция резко увеличивает электрическое сопротивление на пути вихревых токов, заставляя их замыкаться лишь в пределах каждой отдельной тонкой пластины. Это приводит к значительному уменьшению величины вихревых токов и, следовательно, к резкому снижению потерь мощности на нагрев ($P = I^2 R$). В результате уменьшается нагрев якоря и ослабляется тормозящий эффект, что существенно повышает эффективность (КПД) и надежность двигателя.

Ответ: Якорь двигателя набирают из тонких, изолированных друг от друга стальных пластин, чтобы уменьшить возникающие при его вращении в магнитном поле вихревые токи (токи Фуко). Такая конструкция значительно увеличивает сопротивление для этих токов, что снижает потери энергии на нагрев и уменьшает тормозящий момент, тем самым повышая КПД двигателя.