1.电磁感应中的力和运动

例题1.(2008年天津理综25题)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MN长为l,平行于y轴,宽为d的NP边平行于x轴,如图1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Ox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,MN、PQ边所在位置的磁感应强度随时间的变化可以忽略,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(v<v0)。

(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MN、PQ边应处于磁场中的什么位置及λ与d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。

[解析]

(1)由于列车速度与磁场平移速度方向相同,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,该电流受到安培力即为驱动力。

(2)为使列车获得最大驱动力,MM、PQ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,导致线框中电流最强,也会使得金属框长边中电流收到的安培力最大,因此,d应为的奇数倍,即

①

(3)由于满足(2)问条件,则MM、PQ边所在处的磁感应强度大小均为B0且方向总相反,经短暂的时间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v0>v,所以在Δt时间内MN边扫过磁场的面积

S=(v0-v)lΔt

在此Δt时间内,MN边左侧穿过S的磁通量移进金属框而引起框内磁通量变化

ΔΦMN  = B0l(v0-v)Δt②

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

ΔΦPQ = B0l(v0-v)Δt③

故在Δt内金属框所围面积的磁通量变化

ΔΦ = ΔΦMN  +ΔΦPQ④

根据法拉第电磁感应定律,金属框中的感应电动势大小

⑤

根据闭合电路欧姆定律有

⑥

根据安培力公式,MN边所受的安培力

FMN  = B0Il

PQ边所受的安培力

FPQ  = B0Il

根据左手定则,MM、PQ边所受的安培力方向相同,此时列车驱动力的大小

F = FMN  + FPQ = 2 B0Il⑦

联立解得

⑧.

点拔:本题是联系实际的问题,能很好考查电磁感应和力学结合的试题,有一定的难度,复习时要注意各知识的灵活运用.

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