Номер 6, страница 369 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

6. Почему якорь двигателя постоянного тока набирают из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга, а не отливают в виде сплошной болванки, что было бы проще?

6. Решение:

Якорь двигателя постоянного тока собирают из тонких, изолированных друг от друга стальных пластин, а не отливают в виде сплошной болванки, для борьбы с явлением, известным как вихревые токи или токи Фуко.

1. Возникновение вихревых токов. Когда якорь двигателя вращается, его стальной сердечник, будучи проводником, пересекает магнитные силовые линии статора. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в любом проводнике, в котором изменяется пронизывающий его магнитный поток, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Если бы якорь был сплошной металлической болванкой, эта ЭДС создавала бы внутри него замкнутые вихревые электрические токи.

2. Негативные последствия вихревых токов. Эти токи не только бесполезны, но и вредны по нескольким причинам.

Во-первых, это нагрев сердечника. В соответствии с законом Джоуля-Ленца, протекание тока через проводник с сопротивлением приводит к выделению тепла. Мощность тепловых потерь определяется формулой $P = I^2 \cdot R$. В сплошном сердечнике сопротивление для вихревых токов очень мало, что позволяет им достигать большой величины. Это приводит к сильному нагреву якоря, что снижает КПД двигателя (электрическая энергия тратится на нагрев, а не на полезную механическую работу) и может повредить изоляцию обмоток, вызвав короткое замыкание и выход двигателя из строя.

Во-вторых, это снижение мощности двигателя. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, всегда направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, которое их вызвало. Это означает, что поле вихревых токов ослабляет основное магнитное поле двигателя, что приводит к уменьшению вращающего момента и, как следствие, к снижению мощности и эффективности работы двигателя.

3. Метод борьбы с вихревыми токами. Чтобы уменьшить вихревые токи, сердечник якоря делают не сплошным, а шихтованным, то есть набирают из тонких листов электротехнической стали (обычно толщиной 0.35-0.5 мм). Каждый лист покрыт тонким слоем изоляционного лака или оксидной плёнкой. Пластины собираются в пакет так, чтобы их плоскости были параллельны направлению магнитного потока, но перпендикулярны направлению, в котором могли бы протекать вихревые токи.

Такая конструкция значительно увеличивает общее электрическое сопротивление на пути вихревых токов, так как они не могут свободно перетекать от одной пластины к другой. Это разбивает один большой возможный контур для вихревого тока на множество маленьких контуров, ограниченных толщиной одной пластины. Мощность потерь на вихревые токи пропорциональна квадрату толщины пластин, поэтому использование тонких пластин кардинально снижает их величину и связанные с ними тепловые потери.

Таким образом, изготовление якоря из изолированных пластин, хоть и является более сложным и дорогим в производстве, является необходимой мерой для обеспечения высокого КПД, надежности и долговечности электродвигателя.

Ответ: Якорь двигателя набирают из тонких изолированных стальных пластин, чтобы уменьшить вихревые токи (токи Фуко), которые возникают во вращающемся в магнитном поле металлическом сердечнике. Использование сплошного сердечника приводило бы к большим потерям энергии на его нагрев, что снижает КПД и мощность двигателя, а также создает риск его повреждения из-за перегрева. Разделение сердечника на изолированные друг от друга пластины значительно увеличивает сопротивление на пути вихревых токов, тем самым резко их ослабляя.