Question

磁懸浮列車是一種高速低耗的新型交通工具。它的驅(qū)動系統(tǒng)簡化為如下模型，固定在列車下端的動力繞組可視為一個矩形純電阻金屬框，電阻為，金屬框置于xOy平面內(nèi)，長邊MN長為平行于y軸，寬為的NP邊平行于x軸，如圖5-1所示。列車軌道沿Ox方向，軌道區(qū)域內(nèi)存在垂直于金屬框平面的磁場，磁感應(yīng)強度沿Ox方向按正弦規(guī)律分布，其空間周期為，最大值為，如圖5-2所示，金屬框同一長邊上各處的磁感應(yīng)強度相同，整個磁場以速度沿Ox方向勻速平移。設(shè)在短暫時間內(nèi)，MN、PQ邊所在位置的磁感應(yīng)強度隨時間的變化可以忽略，并忽略一切阻力。列車在驅(qū)動系統(tǒng)作用下沿Ox方向加速行駛，某時刻速度為()。

（1）簡要敘述列車運行中獲得驅(qū)動力的原理；

（2）為使列車獲得最大驅(qū)動力，寫出MN、PQ邊應(yīng)處于磁場中的什么位置及與d之間應(yīng)滿足的關(guān)系式；

（3）計算在滿足第(2)問的條件下列車速度為時驅(qū)動力的大小。

Answer 1

（1）由于列車速度與磁場平移速度不同，導(dǎo)致穿過金屬框的磁通量發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)，金屬框中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流受到的安培力即為驅(qū)動力。

（2）或

（3）

解析:

（1）由于列車速度與磁場平移速度不同，導(dǎo)致穿過金屬框的磁通量發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)，金屬框中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流受到的安培力即為驅(qū)動力。

（2）為使列車獲得最大驅(qū)動力，MN、PQ應(yīng)位于磁場中磁感應(yīng)強度同為最大值且反向的地方，這會使得金屬框所圍面積的磁通量變化率最大，導(dǎo)致框中電流最強，也會使得金屬框長邊中電流受到的安培力最大，因此，應(yīng)為的奇數(shù)倍，即:或

（3）由于滿足第(2)問條件，則MN、PQ邊所在處的磁感應(yīng)強度大小均為且方向總相反，經(jīng)短暫時間，磁場沒Ox方向平移的距離為,，同時，金屬框沿Ox方向移動的距離為．因為，所以在時間內(nèi)MN邊掃過磁場的面積：

在此時間內(nèi)，MN邊左側(cè)穿過S的磁通量移進金屬框而引起框內(nèi)磁通量變化：

同理，在時間內(nèi)，PQ邊左側(cè)移出金屬框的磁通量引起框內(nèi)磁通量變化：

故在時間內(nèi)金屬框所圍面積的磁通量變化：

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,金屬框中的感應(yīng)電動勢大�。�

根據(jù)閉合電路歐姆定律有：

根據(jù)安培力公式，MN邊所受的安培力：

PQ邊所受的安培力：

根據(jù)左手定則，MN、PQ邊所受的安培力方向相同，此時列車驅(qū)動力的大�。�

聯(lián)立解得：