Номер 17.33, страница 110 - гдз по физике 8-11 класс учебник, задачник Гельфгат, Генденштейн

Задачи. Электричество и магнетизм. 17. Электромагнитные колебания и волны. Переменный ток - номер 17.33, страница 110.

Условие.

17.33. Почему для реостата замыкание одного-двух витков не опасно, а трансформатор может выйти из строя, если хотя бы один виток обмотки замкнется накоротко?

Решение.

Решение 2.

Основное различие в последствиях короткого замыкания витков для реостата и трансформатора заключается в принципах их работы. Реостат — это пассивный элемент, работающий на основе закона Ома, а трансформатор — индуктивный элемент, работающий на основе явления электромагнитной индукции.

В случае реостата, который используется для изменения сопротивления в цепи, замыкание одного или двух витков приводит лишь к незначительному уменьшению его общего сопротивления. Например, если у реостата 100 витков, замыкание одного из них уменьшит его сопротивление всего на 1%. Согласно закону Ома $I = U/R$, это вызовет лишь небольшое, как правило, безопасное увеличение тока в цепи.

В случае трансформатора ситуация кардинально иная. Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в каждом витке обмоток. Если хотя бы один виток замыкается накоротко, он образует замкнутый контур с очень малым сопротивлением ($R_{витка} \approx 0$). В этом витке индуцируется ЭДС, что, согласно закону Ома для этого контура, приводит к возникновению огромного тока короткого замыкания: $I_{кз} = \mathcal{E}_{витка} / R_{витка}$. Этот ток создает свой мощный магнитный поток, который противодействует основному потоку. Для компенсации этого эффекта первичная обмотка начинает потреблять из сети ток, многократно превышающий номинальный. Возникающие сверхтоки вызывают интенсивный нагрев (по закону Джоуля-Ленца $Q = I^2Rt$), который разрушает изоляцию и выводит трансформатор из строя.

Ответ: Замыкание витков реостата не опасно, так как это приводит лишь к незначительному уменьшению его общего сопротивления и небольшому увеличению тока в цепи. В трансформаторе же короткозамкнутый виток из-за явления электромагнитной индукции превращается, по сути, во вторичную обмотку, работающую в режиме короткого замыкания. Это вызывает появление огромных токов как в самом витке, так и в первичной обмотке, что приводит к катастрофическому перегреву и выходу трансформатора из строя.