Az ún. „zuhanó tornyok” a vidámparkok kedvelt szórakoztatóeszközei. Egy ilyen tornyon egy biztonságos üléssor zuhan közel szabadeséssel nagy magasságból, majd amikor a földhöz közeledik, időben lefékeződik. Így az utasok biztonságosan élvezhetik a szabadesés „örömeit”. A fékezésről az üléssorba épített mágnesek és a torony alsó részét csőszerűen körülölelő réz lemezek gondoskodnak. A mágnesek a réz lemezekhez nagyon közel mozognak.
a) Miért ébred erő a mágnesek és a réz lemezek között? Ismertesse a fékezőerő létrejöttének mechanizmusát! Milyen törvény határozza meg az erő irányát?
Amikor a mágnesek közel kerülnek a rézlemezekhez, a rézben a változó mágneses tér miatt áram indukálódik. Az áramjárta vezető mágneses teret gerjeszt. A zuhanó üléssorba beépített mágnesekre ez a mágneses mező fejti ki a szükséges fékezőerőt. A Lenz‑törvény értelmében az erő akadályozza az indukált áramokat eredményező mozgást, azaz ellentétes a mozgás irányával.
a) A mágnesek és a rézlemezek között ébredő erő mechanizmusának ismertetése:
9 pont
(bontható)
Amikor a mágnesek közel kerülnek a rézlemezekhez, a rézben a változó mágneses tér (2 pont) miatt áram indukálódik (2 pont). Az áramjárta vezető mágneses teret gerjeszt (2 pont). A zuhanó üléssorba beépített mágnesekre ez a mágneses mező fejti ki a szükséges fékezőerőt (2 pont). A Lenz‑törvény (1 pont) értelmében az erő akadályozza az indukált áramokat eredményező mozgást, azaz ellentétes a mozgás irányával.
b) Miért nem tudják a mágnesek a teljes leállásig lefékezni az üléssort?
Ha a mozgás leállna, a fékezőerő is megszűnne, mert nem lenne fluxusváltozás, ezért az üléssor szabadesésbe kezdene. A mágnesek csak addig képesek lassítani az üléssort, ameddig az indukált áramokra ható fékezőerő egyenlővé nem válik az üléssorra ható nehézségi erővel. Amikor ez bekövetkezik, az üléssor sebessége állandóvá válik, de nem lesz nulla.
b)
6 pont
(bontható)
Ha a mozgás leállna, a fékezőerő is megszűnne (1 pont), mert nem lenne fluxusváltozás (1 pont), ezért az üléssor szabadesésbe kezdene (1 pont). A mágnesek csak addig képesek lassítani az üléssort, ameddig az indukált áramokra ható fékezőerő egyenlővé nem válik az üléssorra ható nehézségi erővel (1 pont). Amikor ez bekövetkezik, az üléssor sebessége állandóvá válik (1 pont), de nem lesz nulla (1 pont).
c) A zuhanó tömeg mozgási energiája lecsökken. Hová tűnik ez az energia?
A zuhanó test mozgási energiája a rézvezetőkben indukálódott áramok révén az ellenálláson felszabaduló Joule‑hővé alakul.
c) Az energia átalakulásának elemzése:
2 pont
(bontható)
A zuhanó test mozgási energiája a rézvezetőkben indukálódott áramok révén az ellenálláson felszabaduló Joule‑hővé alakul (1 + 1 pont).
d) Miért jobbak a fékezés céljára a réz lemezek, mint az alumínium lemezek?
Mivel az alumínium fajlagos ellenállása nagyobb, mint a rézé, alumínium lemezek esetén kisebb erősségű áram folyik, így a fékezőerő is kisebb lesz.
d) Az alumínium lemezek alkalmazhatóságának elemzése:
3 pont
(bontható)
Mivel az alumínium fajlagos ellenállása nagyobb (1 pont), mint a rézé, alumínium lemezek esetén kisebb erősségű áram folyik (1 pont), így a fékezőerő is kisebb lesz (1 pont).
Összesen: 20 pont