Задание 2, страница 182 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 2

По рисунку 208 объясните принцип действия системы, приводящей поезда на магнитной подушке в движение, и левитации. Используя материалы сети Интернет, сравните технологии магнитных подвесов первых поездов, построенных в Берлине, Бирмингеме, Шанхае и Японии.

Рис. 208. Система для подвеса (левитации) поезда на магнитной подушке

Принцип действия системы, приводящей поезда на магнитной подушке в движение, и левитации

Принцип действия системы, показанной на рисунке, основан на фундаментальных свойствах магнетизма: взаимодействии полюсов магнитов и создании движущегося магнитного поля.

Левитация (подвес):

На левой части рисунка показан принцип левитации. Она достигается за счет силы отталкивания между одноименными полюсами магнитов. На поезде установлены мощные сверхпроводящие магниты (например, с северным полюсом N, направленным вниз). В полотне дороги под ними расположены электромагниты, которые создают магнитное поле с таким же полюсом, направленным вверх (N). Согласно законам магнетизма, одноименные полюсы отталкиваются ($F \sim \frac{p_1 p_2}{r^2}$, где $p_1$ и $p_2$ – магнитные заряды полюсов, а $r$ – расстояние между ними). Эта сила отталкивания, действующая по всей длине поезда, уравновешивает силу тяжести и поднимает состав над полотном, создавая "магнитную подушку". То же самое происходит и с южными полюсами (S-S). Такая система называется электродинамической суспензией (EDS).

Движение (тяга):

На правой части рисунка показан принцип движения. Движение поезда обеспечивается системой, которая функционирует как линейный электродвигатель. Вдоль путевого полотна расположены электромагниты, подключенные к источнику питания. Этот источник последовательно и с высокой скоростью изменяет полярность электромагнитов на пути, создавая "бегущее" магнитное поле. Магниты, расположенные на самом поезде, взаимодействуют с этим полем. Магнит на поезде притягивается к разноименному полюсу электромагнита пути, находящемуся впереди, и одновременно отталкивается от одноименного полюса, находящегося сзади. За счет непрерывного смещения этого "магнитного ковра" поезд плавно и без трения движется вперед. Регулируя частоту и мощность тока в путевых электромагнитах, можно управлять скоростью и ускорением поезда.

Ответ: Левитация поезда осуществляется за счет силы отталкивания между одноименными полюсами сверхпроводящих магнитов на поезде и электромагнитов на путевом полотне. Движение создается "бегущим" магнитным полем, генерируемым путевыми электромагнитами, которое тянет и толкает магниты поезда, заставляя его двигаться вдоль пути.

Сравнение технологий магнитных подвесов первых поездов

Технологии магнитной левитации (маглев) в основном делятся на два типа: электромагнитная суспензия (EMS), основанная на притяжении, и электродинамическая суспензия (EDS), основанная на отталкивании. Первые проекты в разных странах использовали разные подходы.

Берлин (M-Bahn)

Первый общественный маглев M-Bahn, действовавший в Западном Берлине с 1989 по 1991 год, использовал технологию электромагнитной суспензии (EMS). Однако его особенностью было то, что основные магниты были не на поезде, а в самом пути — это были постоянные магниты. Поезд имел стальные опорные элементы, которые притягивались к этим магнитам, обеспечивая левитацию. Движущую силу создавал длинностаторный синхронный линейный двигатель, кабели которого были проложены вдоль пути. Система была низкоскоростной и предназначалась для городского транспорта.

Бирмингем (Birmingham Maglev)

Первый в мире коммерческий автоматизированный маглев, запущенный в 1984 году в аэропорту Бирмингема, также использовал технологию электромагнитной суспензии (EMS). Электромагниты, расположенные на поезде, притягивались снизу к стальным рельсам путевого полотна. Система управления постоянно корректировала ток в магнитах, чтобы поддерживать зазор около 15 мм. Это была низкоскоростная система, соединявшая терминал аэропорта с железнодорожной станцией. Она была заменена в 1995 году из-за устаревания электроники.

Шанхай (Shanghai Transrapid)

Шанхайский маглев, открытый в 2004 году, является первым коммерческим высокоскоростным маглевом в мире. Он использует немецкую технологию Transrapid, которая основана на электромагнитной суспензии (EMS). Мощные электромагниты на поезде расположены на "крыльях", охватывающих путевую балку, и притягиваются к ней снизу. Зазор между поездом и путем очень мал (около 10 мм) и требует сложной электронной системы для постоянного контроля и поддержания. Эта технология позволяет левитировать даже при нулевой скорости, но требует высокой точности изготовления путей.

Япония (SCMaglev)

Япония является пионером в разработке технологии электродинамической суспензии (EDS), которая и показана на рисунке в задании. Первые тестовые линии были построены еще в 1970-х годах. В этой системе на поезде установлены сверхпроводящие магниты. Когда поезд набирает скорость (с помощью колес), его магнитное поле наводит вихревые токи в специальных катушках, расположенных в путевом полотне. Эти индуцированные токи создают собственное магнитное поле, которое отталкивает магниты поезда, заставляя его левитировать. Левитация начинается после достижения скорости около 100-150 км/ч. Зазор при этом значительно больше, чем у EMS-систем (около 100 мм), что делает систему более устойчивой к сейсмической активности и неровностям пути.

Ответ: Поезда в Берлине, Бирмингеме и Шанхае использовали (или используют) технологию электромагнитной суспензии (EMS), основанную на силе притяжения электромагнитов к стальному или ферромагнитному пути. Эта технология отличается малым зазором и возможностью левитации при нулевой скорости. Японские разработки (SCMaglev) сосредоточены на технологии электродинамической суспензии (EDS), основанной на силе отталкивания, возникающей при движении поезда. Эта система имеет большой левитационный зазор, но требует набора начальной скорости на колесах для начала левитации.