Icon up Overzicht

Elektromagnetische trein (HAVO12 2000)

Onderwerp: Elektrisch veld en magnetisch veld

Havo Natuurkunde 1,2 Techniek 2000T-I

Lees het onderstaande artikel.

Artikel

Nieuwe elektromagnetische trein rijdt over gewone rails

Ingenieurs van het Sandia National Laboratory hebben Star Wars technologie gebruikt om een nieuw soort magnetische trein te ontwikkelen.

LOS ALAMOS – In de jaren tachtig experimenteerde Sandia met een methode om kogels de ruimte in te schieten met behulp van een zogenaamde ‘coil gun’. De loop van dit geweer bestond uit een buis omgeven door een serie elektromagnetische spoelen. Een elektrische puls door de spoelen veroorzaakte een magnetisch veld, waardoor een kogel met grote snelheid door de buis geduwd werd.
De ‘Seraphim’ trein (Segmented Rail Phased Induction Motor) werkt volgens hetzelfde principe als de ‘coil gun’, maar bij de trein bewegen de elektromagneten en staat het metaal stil.
Het basisontwerp, dat men gaat testen, is relatief eenvoudig. Onder aan een gewone trein worden spoelen aangebracht. Een generator aan boord zorgt voor stroompulsen van enkele milliseconden waardoor in de spoelen een magnetisch veld wordt opgewekt. Die magnetische velden zetten zich af tegen de randen van geïsoleerde, neutrale aluminium platen, die tussen de rails zijn aangebracht. Hierdoor wordt de trein vooruit geduwd. Sensoren schakelen de stroom in zodra een spoel het midden van de aluminium plaat is gepasseerd. De stroom en dus ook het magnetisch veld wordt uitgeschakeld zodra het veld de plaat verlaten heeft.
De Seraphim zal zijn topsnelheid van 300 km/h gemakkelijk kunnen halen. Proberen veel sneller te gaan heeft weinig zin, omdat de luchtweerstand dan te groot wordt. Dit is overigens een probleem waar alle extra snelle treinen mee te kampen hebben.

Naar: Technisch Weekblad, augustus 1995

Opgave

a) Noem één overeenkomst en één verschil tussen het principe van de werking van de '€˜coil gun'€™ en de '€˜Seraphim'€™ trein.

In het artikel wordt de werking van de Seraphim op een wat populaire manier uitgelegd.

In figuur 1 is schematisch getekend hoe de aluminium platen tussen de rails zijn aangebracht.

Figuur 1: Aluminiumplaten bevestigd tussen de rails

De trein rijdt met een constante snelheid naar rechts. Bij het passeren van een aluminium plaat wordt door het magnetisch veld van de spoelen van de trein een inductiestroom in de plaat opgewekt. Op die inductiestroom in de plaat werkt een lorentzkracht.
In figuur 2 is de situatie getekend op het moment dat het magnetisch veld van de spoelen juist is ingeschakeld.
Het magnetisch veld is met kruisjes aangegeven. In de figuur zijn tevens de afmetingen van de plaat aangegeven.
Het magnetisch veld is homogeen en heeft een grootte van 0,50 T. Er loopt een elektrische stroom van 0,18.106 A door de plaat tussen L en K. Voor het voortbewegen van de trein is alleen de lorentzkracht op de stroom tussen L en K van belang.

Figuur 2: Het magnetisch veld van de spoelen

b) Bepaal de grootte van de lorentzkracht op de elektrische stroom tussen L en K.

Volgens het artikel duurt een stroompuls door een spoel enkele milliseconden.
De puls wordt ingeschakeld als de spoelen het midden van de plaat zijn gepasseerd.
Dit is de situatie zoals weergegeven in figuur 2. De puls wordt uitgeschakeld op het moment dat het magnetisch veld de plaat verlaten heeft.
Deze situatie is weergegeven in figuur 3.

Figuur 3: het magnetisch veld van de spoelen heeft de plaat verlaten

c) Bepaal de pulsduur als de trein met topsnelheid rijdt.

Het effectief vermogen van de Seraphim als hij met topsnelheid rijdt, is 2,3.106 W.

d) Bereken de totale wrijvingskracht die de Seraphim dan ondervindt.