试题与答案

磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具,它的驱动系统简化为如下模型,固定在列车下

题型:问答题

题目:

磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具,它的驱动系统简化为如下模型,固定在列车下端的动力绕组可视为一个矩形纯电阻金属框,电阻为R,金属框置于xOy平面内,长边MNl平行于y轴,宽为dNP边平行于x轴,如图l所示。列车轨道沿Ox方向,轨道区域内存在垂直于金属框平面的磁场,磁感应强度B沿O x方向按正弦规律分布,其空间周期为λ,最大值为B0,如图2所示,金属框同一长边上各处的磁感应强度相同,整个磁场以速度v0沿Ox方向匀速平移。设在短暂时间内,MNPQ边所在位置的磁感应强度随时问的变化可以忽略,并忽略一切阻力。列车在驱动系统作用下沿Ox方向加速行驶,某时刻速度为v

vv0

(1)简要叙述列车运行中获得驱动力的原理;

(2)为使列车获得最大驱动力,写出MNPQ边应处于磁场中的什么位置及λd之间应满足的关系式;

(3)计算在满足第(2)问的条件下列车速度为v时驱动力的大小。

答案:

(1)由于列车速度与磁场平移速度不同,导致穿过金属框的磁通量发生变化,由于电磁感应,金属框中会产生感应电流,该电流受到的安培力即为驱动力。  (2 d=(2k+1)λ= (kN)    (3) F      

(l)由于列车速度与磁场平移速度不同,导致穿过金属框的磁通量发生变化,由于电磁感应,金属框中会产生感应电流,该电流受到的安培力即为驱动力。

(2)为使列车得最大驱动力,MNPQ应位于磁场中磁感应强度同为最大值且反向的地方,这会使得金属框所围面积的磁通量变化率最大,导致框中电流最强,也会使得金属框长边中电流受到的安培力最大。因此,d应为的奇数倍,即

       d=(2k+1)λ= (kN)           ①

(3)由于满足第(2)问条件,则MNPQ边所在处的磁感就强度大小均为B0且方向总相反,经短暂时间Δt,磁场沿Ox方向平移的距离为v0Δt,同时,金属框沿Ox方向移动的距离为vΔt

 因为v0v,所以在Δt时间内MN边扫过的磁场面积

       S=(v0v)lΔt

 在此Δt时间内,MN边左侧穿过S的磁通移进金属框而引起框内磁通量变化

       B0l(v0vt                 ②

 同理,该Δt时间内,PQ边左侧移出金属框的磁通引起框内磁通量变化

       B0l(v0vt                 ③

 故在内金属框所围面积的磁通量变化

                       ④

 根据法拉第电磁感应定律,金属框中的感应电动势大小

       E                      ⑤

 

 根据闭合电路欧姆定律有

       I                       ⑥

根据安培力公式,MN边所受的安培力

    FMNB0Il

PQ边所受的安培力

     FPQB0Il

根据左手定则,MNPQ边所受的安培力方向相同,此时列车驱动力的大小

    FFMNFPQ=2 B0Il                 ⑦

联立解得

    F                 ⑧

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