Номер 700, страница 107 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Получение и передача переменного тока. Трансформатор - номер 700, страница 107.

Условие.

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

Решение.

Решение

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, протекающий по первичной обмотке, создает в стальном сердечнике переменный магнитный поток. Этот переменный магнитный поток индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) не только во вторичной обмотке, но и в самом сердечнике, так как он является проводником.

Под действием этой индуцированной ЭДС в сердечнике возникают замкнутые электрические токи, называемые вихревыми токами или токами Фуко. Согласно закону Джоуля-Ленца, прохождение этих токов через материал сердечника, обладающий сопротивлением, приводит к выделению тепла ($Q = I^2Rt$). Этот нагрев является нежелательной потерей энергии, так как энергия, затраченная на нагрев сердечника, не передается во вторичную цепь. Эти потери снижают коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора.

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, необходимо увеличить электрическое сопротивление сердечника в плоскости, перпендикулярной магнитному потоку. Для этого сердечник изготавливают не из цельного куска стали, а набирают из тонких листов, изолированных друг от друга тонкими прослойками диэлектрика (например, лака или оксидной пленки).

Такая конструкция (называемая шихтованной) разделяет сплошной проводящий объем сердечника на множество тонких слоев. Изолирующие прослойки препятствуют протеканию тока от одного листа к другому. В результате вихревые токи вынуждены замыкаться в пределах каждого отдельного тонкого листа. Это значительно увеличивает сопротивление на пути вихревых токов. Согласно закону Ома ($I = U/R$), при той же наведенной ЭДС ($U$) увеличение сопротивления ($R$) приводит к существенному уменьшению силы вихревых токов ($I$). Поскольку мощность тепловых потерь пропорциональна квадрату силы тока ($P = I^2R$), уменьшение токов приводит к значительному снижению потерь энергии на нагрев.

Таким образом, сборка сердечника из изолированных стальных листов является эффективным способом борьбы с вихревыми токами, что уменьшает энергетические потери и повышает КПД трансформатора.

Ответ: Сердечники трансформаторов собирают из тонких листов стали, изолированных друг от друга, чтобы уменьшить вихревые токи (токи Фуко). Эти токи возникают в сплошном проводящем сердечнике под действием переменного магнитного поля и вызывают его нагрев, что является потерей энергии. Разделение сердечника на изолированные листы резко увеличивает его электрическое сопротивление для вихревых токов, что приводит к их значительному уменьшению. Снижение потерь энергии на нагрев сердечника повышает КПД трансформатора.