Номер 10, страница 85, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*10. Почему сердечник трансформатора изготавливают из изолированных пластин?

Сердечник трансформатора изготавливают из изолированных друг от друга пластин для уменьшения потерь энергии, вызываемых вихревыми токами, также известными как токи Фуко.

Решение

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создает в сердечнике переменный магнитный поток. Этот переменный магнитный поток пронизывает витки как первичной, так и вторичной обмоток, индуцируя в них электродвижущую силу (ЭДС).

Поскольку сердечник изготавливается из ферромагнитного материала (например, электротехнической стали), который является проводником, переменный магнитный поток индуцирует ЭДС и в самом теле сердечника. Эта ЭДС приводит к возникновению замкнутых электрических токов, циркулирующих внутри сердечника. Эти токи называются вихревыми токами или токами Фуко.

Согласно закону Джоуля-Ленца, протекание этих токов через материал сердечника, обладающий электрическим сопротивлением, приводит к выделению тепла ($Q = I^2 \cdot R \cdot t$). Этот нагрев является нежелательным по двум причинам:

1. Энергетические потери: Часть энергии, передаваемой от первичной обмотки ко вторичной, бесполезно рассеивается в виде тепла, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора.
2. Перегрев: В мощных трансформаторах выделение тепла может быть настолько значительным, что приводит к перегреву и разрушению изоляции обмоток и самого сердечника.

Для борьбы с вихревыми токами и уменьшения потерь сердечник делают не цельным (монолитным), а шихтованным — собранным из множества тонких пластин. Каждая пластина покрыта тонким слоем изолятора (например, лака, оксидной пленки или фосфата). Пластины собираются в пакет так, чтобы их плоскости были параллельны направлению магнитного потока.

Такая конструкция резко увеличивает электрическое сопротивление в направлении, перпендикулярном магнитному потоку, то есть как раз в той плоскости, где стремятся замкнуться вихревые токи. Изолирующие прослойки не дают токам переходить от одной пластины к другой, тем самым разбивая один большой вихревой контур на множество маленьких, ограниченных толщиной одной пластины. Мощность потерь на вихревые токи пропорциональна квадрату толщины пластины, поэтому использование тонких пластин (обычно 0.3-0.5 мм) кардинально снижает эти потери.

Таким образом, изготовление сердечника из изолированных пластин является ключевым инженерным решением для создания эффективных и надежных трансформаторов.

Ответ: Сердечник трансформатора изготавливают из набора тонких, изолированных друг от друга пластин для того, чтобы ограничить пути для вихревых токов (токов Фуко), возникающих в сердечнике под действием переменного магнитного поля. Это значительно увеличивает электрическое сопротивление для этих токов, что приводит к уменьшению их величины и, как следствие, к снижению потерь энергии на нагрев сердечника и повышению КПД трансформатора.