Номер 9, страница 52 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*9. Почему сердечник трансформатора изготавливают из изолированных пластин?

*9. Почему сердечник трансформатора изготавливают из изолированных пластин?

Решение

Сердечник трансформатора изготавливают из тонких, изолированных друг от друга пластин для уменьшения потерь энергии, вызванных так называемыми вихревыми токами, или токами Фуко.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создает в сердечнике переменный магнитный поток. Этот переменный магнитный поток, в свою очередь, индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке.

Однако этот же переменный магнитный поток пронизывает и сам ферромагнитный сердечник, который является проводником электрического тока. В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея, в объеме сердечника возникают индукционные токи. Эти токи замыкаются в контуры, расположенные в плоскости, перпендикулярной магнитному потоку, и по своей форме напоминают вихри, из-за чего их и называют вихревыми токами (или токами Фуко).

Протекание вихревых токов в сердечнике приводит к его нагреву согласно закону Джоуля-Ленца. Количество выделяемой теплоты $\text{Q}$ определяется как $Q = I^2 R t$. Этот нагрев представляет собой бесполезную потерю энергии, которая отбирается от источника питания, но не передается потребителю. Это приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД) трансформатора. Мощность потерь на вихревые токи тем больше, чем больше частота переменного тока и чем массивнее проводник.

Чтобы бороться с этим явлением и уменьшить потери, необходимо максимально увеличить электрическое сопротивление сердечника на пути вихревых токов. Для этого сердечник не делают сплошным (монолитным), а набирают из множества тонких пластин из электротехнической стали. Каждая пластина покрыта тонким слоем изоляционного материала, например, лака или оксидной плёнки.

Пластины собираются в пакет (такая конструкция называется шихтованным сердечником) так, чтобы их плоскости были параллельны направлению магнитного потока. Изоляционные слои между пластинами имеют очень высокое сопротивление и препятствуют протеканию тока от одной пластины к другой. Таким образом, большие контуры для вихревых токов "разрезаются" на множество мелких. Вихревые токи могут замыкаться только в пределах каждой отдельной тонкой пластины. Поскольку путь для тока ограничен толщиной пластины, его величина становится очень малой, а общее сопротивление для вихревых токов в сердечнике — очень большим.

В результате такого конструктивного решения удается значительно ослабить вихревые токи и, следовательно, минимизировать потери энергии на нагрев сердечника, что существенно повышает общую эффективность трансформатора.

Ответ: Сердечник трансформатора изготавливают из набора тонких, изолированных друг от друга пластин для того, чтобы уменьшить вихревые токи (токи Фуко), возникающие в сердечнике под действием переменного магнитного поля. Такая конструкция увеличивает электрическое сопротивление на пути вихревых токов, что приводит к уменьшению их силы и, как следствие, к сокращению потерь энергии на нагрев сердечника, повышая КПД трансформатора.