Номер 4, страница 381 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Опишите токи Фуко: особенности возникновения, следствия существования, способы борьбы с ними.

Токи Фуко (также известные как вихревые токи) – это замкнутые электрические токи, индуцируемые в массивных проводниках, которые либо движутся в магнитном поле, либо находятся в переменном магнитном поле. Они были открыты французским физиком Леоном Фуко в 1851 году.

Особенности возникновения
Возникновение токов Фуко является прямым следствием закона электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону, любое изменение магнитного потока $ \Phi_B $ через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, приводит к возникновению в этом контуре электродвижущей силы (ЭДС) индукции $ \mathcal{E} $:
$ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} $
В массивном проводнике можно мысленно выделить множество таких замкнутых контуров. Когда проводник помещается в переменное магнитное поле или движется в постоянном магнитном поле, магнитный поток, пронизывающий эти контуры, изменяется. Это индуцирует ЭДС и, как следствие, вихревые электрические токи, текущие непосредственно в толще проводника.
Направление токов Фуко определяется правилом Ленца: индуцированный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток. Эти токи образуют замкнутые траектории, напоминающие вихри, откуда и пошло их второе название – вихревые токи. Величина токов Фуко зависит от скорости изменения магнитного потока, удельного сопротивления материала проводника и его размеров.

Ответ: Токи Фуко возникают в массивных проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Направление этих токов подчиняется правилу Ленца и противодействует причине их возникновения.

Следствия существования
Протекание токов Фуко по проводнику, обладающему электрическим сопротивлением, приводит к ряду последствий, которые могут быть как вредными, так и полезными.
Вредные следствия:
1. Нагрев проводника. Согласно закону Джоуля-Ленца, при протекании тока выделяется теплота ($ P = I^2R $). В сердечниках трансформаторов, генераторов и электродвигателей токи Фуко приводят к нежелательному нагреву и потерям энергии, снижая их КПД.
2. Тормозящее действие. Взаимодействие магнитного поля, создаваемого токами Фуко, с внешним магнитным полем порождает силу, которая, согласно правилу Ленца, всегда тормозит движение, вызвавшее эти токи. Это явление снижает производительность электродвигателей.
Полезные применения:
1. Индукционный нагрев. Целенаправленное создание мощных токов Фуко используется для плавки металлов в индукционных печах, для поверхностной закалки деталей, а также в бытовых индукционных плитах.
2. Электромагнитные тормоза. Тормозящий эффект используется в системах безфрикционного торможения в поездах, аттракционах и электроинструментах. Такие тормоза обеспечивают плавное торможение и не подвержены износу.
3. Металлодетекторы. Принцип действия основан на регистрации изменения магнитного поля катушки прибора, вызванного вихревыми токами, наведенными в металлическом предмете.
4. Демпфирование (успокоение). В измерительных приборах (например, гальванометрах) тормозящее действие токов Фуко используется для быстрого гашения колебаний подвижной части прибора.

Ответ: Следствиями существования токов Фуко являются нагрев проводника (потери энергии) и создание тормозящей силы, что вредно в трансформаторах и двигателях, но полезно в индукционных печах, электромагнитных тормозах и металлодетекторах.

Способы борьбы с ними
В тех устройствах, где токи Фуко являются нежелательным явлением (в первую очередь, в трансформаторах, электродвигателях, генераторах), применяются специальные меры для их уменьшения. Основная идея заключается в увеличении электрического сопротивления на пути протекания вихревых токов.
1. Использование шихтованных (ламинированных) сердечников. Вместо сплошного массивного сердечника используют сердечник, собранный из тонких металлических пластин, изолированных друг от друга слоем лака, оксидной пленки или бумаги. Пластины располагаются параллельно линиям магнитной индукции. Такая конструкция резко увеличивает сопротивление для токов Фуко, поскольку они не могут пересекать изолирующие слои и вынуждены замыкаться в пределах каждой тонкой пластины. Это значительно уменьшает их величину и, следовательно, потери энергии на нагрев. Мощность потерь пропорциональна квадрату толщины пластин.
2. Применение материалов с высоким удельным сопротивлением. Для изготовления сердечников, особенно для высокочастотных устройств, используют специальные материалы — ферриты. Ферриты являются ферромагнитными полупроводниками или диэлектриками. Они обладают очень высоким удельным сопротивлением, что практически полностью подавляет вихревые токи.
3. Создание прорезей в проводнике. В некоторых случаях, например, в сплошных роторах асинхронных двигателей или в демонстрационных маятниках, для уменьшения вихревых токов в проводнике делают прорези. Эти прорези прерывают возможные пути для больших вихревых токов, заставляя их течь по более длинным и узким путям, что увеличивает сопротивление и ослабляет ток.

Ответ: Основные способы борьбы с токами Фуко направлены на увеличение электрического сопротивления в теле проводника: сборка сердечников из изолированных друг от друга тонких пластин (шихтовка) и использование магнитных материалов с высоким удельным сопротивлением (ферритов).