Opgave 6 Elektromagnetische trein (havo – na1,2

Opgave 6 Elektromagnetische trein (havo – na1,2 – 2000 – tijdvak 2)
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
2p
21 
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
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 8 is schematisch getekend hoe de aluminium platen tussen de rails zijn aangebracht.
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.
3p
22 
In figuur 9 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.
Bepaal de grootte van de lorentzkracht op de elektrische stroom tussen L en K.
Opgave 5 Draadrecorder (havo – na1,2 – 2003 – tijdvak 1)
In 1930 kwam de voorloper van de huidige
cassetterecorder, de zogenoemde
magnetofoon, op de markt.
In tegenstelling tot de cassetteband van nu,
werd in de magnetofoon een stalen draad
gemagnetiseerd. Daarom wordt het
apparaat ook wel draadrecorder genoemd.
Zie figuur 13.
In figuur 14 zie je een schematische tekening van de draadrecorder.
In figuur 15 is de opname/weergavekop vergroot en schematisch weergegeven.
De staaldraad beweegt langs de kop. Tijdens de opname ontstaan dan in de draad gemagnetiseerde
gebiedjes. In figuur 16 is een klein stuk van de staaldraad sterk vergroot getekend. De pijltjes geven de
magnetisatierichting van de gebiedjes aan.
1p
19 
Leg uit waarom geluid niet kan worden opgenomen met een koperdraad en wel met een staaldraad.
2p
20 
Leg met behulp van figuur 15 uit hoe bij de opnamekop de gemagnetiseerde gebiedjes zijn ontstaan.
3p
21 
Bij het afspelen van de staaldraad werkt de opnamekop als weergavekop.
Door de schakelaar op ‘weergave’ te zetten wordt de luidspreker in plaats van de microfoon
aangesloten. Bovendien wordt dan de wiskop van de draad af gehaald.
Leg met behulp van de figuren 14 en 15 uit waarom het opgenomen geluid wordt gereproduceerd als
de staaldraad de weergavekop passeert.
Opgave 3 Magneettrein (havo – na1,2 – 2005 – tijdvak 1)
In Lathen in Duitsland bevindt zich de testbaan van de zo genoemde Transrapid. Dat is een
magneettrein die zich over een speciale baan voortbeweegt. Zie figuur 4.
Onder tegen de baan bevinden zich stukken weekijzer. In het deel van de trein dat zich onder de baan
bevindt, zorgen elektromagneten ervoor dat de trein gaat zweven. Zie figuur 5.
De Transrapid heeft inclusief passagiers een massa van 1,8·105 kg.
Het magnetisch veld van de elektromagneten zorgt tevens voor de voortstuwing van de trein. Daarvoor
is onder tegen de baan een kabel aangebracht die zich tussen de stukken weekijzer door slingert. Zie
de foto van figuur 6.
In figuur 7 is zo’n stuk kabel en een aantal elektromagneten schematisch weergegeven.
In deze figuur zijn de stukken weekijzer weggelaten.
2p
3p
2p
10 
11 
12 
In de situatie die door figuur 7 wordt weergegeven, bevindt elektromagneet 1 zich recht onder het stuk
kabel tussen de punten P en Q. Het stuk heeft een lengte van 0,26 m en bevindt zich geheel in het
magnetische veld van de elektromagneet eronder.
De magnetische inductie B ter hoogte van PQ bedraagt gemiddeld 7,3 T.
Door de kabel loopt een stroom van 1,210³ A.
Bereken de grootte van de lorentzkracht op dit stuk kabel.
In figuur 7 is ook te zien dat elektromagneet 2 zich recht onder het stuk kabel tussen de punten R en S
bevindt. Zoals is aangegeven, heeft de lorentzkracht op stuk RS dezelfde richting als de lorentzkracht
op stuk PQ.
In figuur 7 is de richting van de stroom in elektromagneet 1 aangegeven.
Leg uit of de stroom in elektromagneet 2 in dezelfde richting loopt als in elektromagneet 1 of in
tegengestelde richting.
De elektromagneten in de trein veroorzaken een lorentzkracht op de kabel in de baan.
In figuur 7 is met FL de richting van de lorentzkracht aangegeven.
Leg uit waarom de trein naar rechts beweegt. Gebruik bij je uitleg een natuurkundige wet.
Als de trein beweegt, moet de stroom door de kabel in de baan steeds op het goede moment van
richting worden veranderd. Vergelijk de figuren 7 en 8. De stroom in de kabel verandert van richting
als een elektromagneet een afstand gelijk aan QR heeft afgelegd.
4p
13 
De afstand QR is 0,26 m.
Op een bepaald moment heeft de trein een snelheid van 400 km/h.
Bereken de frequentie van de wisselstroom in de kabel in deze situatie.