Номер 834, страница 133 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитные явления. Способы получения и передачи электроэнергии. Трансформатор - номер 834, страница 133.

Условие.

834. Сердечники трансформаторов собирают из тонких листов стали, отделённых друг от друга тонкими прослойками изоляции. Почему это повышает КПД трансформатора?

Решение.

Решение

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создает в стальном сердечнике переменный магнитный поток. Этот переменный магнитный поток пронизывает витки вторичной обмотки и индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС).

Однако, поскольку сам сердечник является проводником, переменный магнитный поток индуцирует ЭДС и в самом теле сердечника. Под действием этой ЭДС в сердечнике возникают замкнутые электрические токи, которые называются вихревыми токами или токами Фуко. Эти токи циркулируют в плоскости, перпендикулярной магнитному потоку.

Согласно закону Джоуля-Ленца, протекание вихревых токов через материал сердечника, обладающий электрическим сопротивлением, вызывает его нагрев. Мощность тепловых потерь пропорциональна квадрату силы тока ($P \sim I^2$). Этот нагрев является нежелательным, так как представляет собой потерю энергии: часть энергии, получаемой от первичной обмотки, бесполезно преобразуется в тепло, а не передается во вторичную обмотку. Эти потери снижают коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора.

Для борьбы с этим явлением сердечник изготавливают не из цельного куска стали, а собирают из множества тонких листов (пластин), изолированных друг от друга тонким слоем лака, оксидной пленки или другого диэлектрика. Пластины располагают параллельно линиям магнитного поля. Такая конструкция называется шихтованным сердечником.

Изоляционные прослойки имеют очень высокое электрическое сопротивление. Они разбивают сплошной объём сердечника на отдельные тонкие слои, что препятствует протеканию больших вихревых токов через всё поперечное сечение сердечника. Вместо этого в каждой отдельной пластине могут возникать лишь очень небольшие, ограниченные её толщиной вихревые токи. Значительное увеличение сопротивления на пути вихревых токов резко уменьшает их величину.

Так как мощность тепловых потерь пропорциональна квадрату силы тока, даже небольшое уменьшение тока приводит к существенному снижению потерь энергии на нагрев сердечника. В результате большая часть энергии передается от первичной цепи ко вторичной, что и повышает КПД трансформатора.

Ответ: Сборка сердечника из тонких, изолированных друг от друга листов стали прерывает пути для протекания больших вихревых токов (токов Фуко), которые возникают в сердечнике из-за переменного магнитного поля. Это приводит к значительному уменьшению этих токов и, как следствие, к снижению потерь энергии на нагрев сердечника, что повышает КПД трансформатора.