С середины 20 века электромагнитные ускорители масс - ЭУМ, которые осуществляют перемещение тел в пространстве электромагнитным способом, рассматриваются людьми, как полезные приборы для различного рода применения. С наибольшей полезностью. несомненно, усовершенствованные ЭУМ, будут применяться в промышленности, науке, быту и военном деле. В настоящее время большой интерес вызывают новые виды электромагнитного оружия, имеющие целый ряд преимуществ перед известными видами стрелкового вооружения. В основе таких видов оружия лежат физические принципы электромагнетизма. Эти современные устройства представляют собой электромагнитные ускорители масс.
- Сбор, изучение и анализ существующей информации по выбранной теме.
- Теоретическая часть проекта.
Описание электромагнитных способов перемещения масс и устройств, ЭМУ - электромагнитных ускорителей масс.
- Практическая часть.
Создание установки, выполнение эксперимента.
- Анализ полученных результатов. Выводы.
Рис. 1 Гигантская электромагнитная пушка для вывода спутников на орбиту
Теоретическая часть
Глава 1. Изученность вопроса о электромагнитном способе перемещения масс.
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.
Одним из механизмов, в основе действия которого лежит электромагнитная индукция, является электромагнитный ускоритель масс. Электромагнитный ускоритель масс (ЭУМ) состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы большой ёмкости и с высоким рабочим напряжением. Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
Рис. 2 Модель Пушки Гаусса
Глава 2. Характеристики ЭУМ -электромагнитных ускорителей масс; пушки Гаусса, катушки Томсона, Рельсотрона.
Виды ЭМУ принято подразделять на три вида:
- Рельсотрон;
- Катушка Томпсона;
- Пушка Гаусса.
Рельсотрон – электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы Ампера.
Термин «Рельсотрон» был предложен в конце 1950-х годов советским академиком Львом Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы». Причиной разработки подобных устройств, являющихся перспективным оружием, стало то, что, по оценкам экспертов, использование порохов для стрельб достигло своего предела — скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек.
В 1970-х годах Рельсотрон был спроектирован и построен Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета. (см. приложение№1).
Принцип действия:
Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых рельсами, подключённых к источнику мощного постоянного тока. Разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение вследствие силы Ампера, действующей на замкнутый проводник с током в его собственном магнитном поле. Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.
Рис. 3 Рельсотрон
Рельсовый ЭУМ применяется для строительства железнодорожного полотна под высокоскоростные поезда. Здесь передвигается не снаряд (рельсы), а сама установка (поезд). Данный метод перемещения поездов очень эффективен, т.к. рельсы и колёса поездов не изнашиваются, из-за отсутствия силы трения достигается большая скорость, отсутствует шумовой фон. Но этот метод имеет ряд недостатков, такие как: дороговизна постройки, слабость современных электромагнитов и несовершенство материалов и приборов на данный момент. Следующие виды ЭУМ используют для разгона самого снаряда, а не установки.
Рис. 4 Поезда с рельсовым ЭУМ
Катушка Томпсона – индукционный ускоритель масс
В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо, в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке мощнее вылетает кольцо.
Рис. 5 Катушка Томсона – индукционный ускоритель масс
Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.
Рис. 6 Пушка Гаусса
Снарядный ЭУМ (в быту-Пушка Гаусса) разгоняет снаряд из ферромагнетика посредством передачи ему импульса воздействием электромагнитного поля. Снарядные ЭУМ в свою очередь делятся на два типа: использующие в качестве снаряда диск и использующие в качестве снаряда пулю или другой ферромагнетик. Дисковые ЭУМ обладают гораздо большей дальностью полёта снаряда и его скоростью, но в полёте диск сминается, и при разгоне диска до сверхвысоких скоростей, он плавится из-за небольшой толщины. ЭУМ с использованием снарядов гораздо надёжнее и форма снарядов позволяет получить скорость свыше 10 км/с.
Модификации
Для увеличения КПД снарядного ЭУМ и скорости вылета снаряда возможны следующий модификации:
1. Применение снарядов овальной формы либо в форме пули. Снаряды такой формы испытывают меньшее трение воздуха из-за обтекаемой формы, следовательно, увеличивается дальность полёта и скорость пули.
2. Изменение диаметра проволоки, используемой в соленоиде. Наиболее высокий КПД имеет соленоид, намотанный тонким проводом во много витков, с большим диаметром и большой массой сердечника (или снаряда). При таком способе изготовления ЭУМ снаряд обладает большой массой и низкой скоростью полета, несмотря на существенную кинетическую энергию.
3. Другой вариант - обмотка малого диаметра из толстого провода в несколько витков и сердечник размером с обрезок иголки. КПД такой установки чрезвычайно низок, зато иголка при выстреле приобретает огромную скорость.
4. Увеличения количества степеней разгона. С применением большего числа степеней разгона снаряда, скорость вылета снаряда увеличивается во много раз. Так, например, две степени разгона передают снаряду в два раза больше энергии, чем одна, а третья степень разгона сообщает в два раза больше энергии снаряду, чем две, и так далее, в зависимости от мощности степеней.
Применение ЭУМ
Подобные ускорители давно используют в промышленности и транспортной сфере. В более узком понимании это устройство известно, как соленоид и линейный двигатель. Такие двигатели широко применяются в высокоскоростных поездах. Примером служит поезд на магнитной подушке Maglev. Еще более распространенная сфера применения линейных двигателей – высокоточные манипуляторы в станках, современных автоматических дверях и других схожих устройствах. В целом – везде, где есть необходимость преобразования электроэнергии в прямолинейное движение определенных объектов. В 2005 году ВМС США запустили программу по разработке рельсовых орудий под названием Velocitas Eradico, которые должных использоваться в будущем, как мощное оружие, применяемое на море.
По данным первого зампреда комитета Совета Федерации по обороне и безопасности Франца Клинцевича, работа по созданию электромагнитной пушки (Рельсотрона) активно ведётся и в России. Предполагается его использование в Воздушно-космических силах, а также в космонавтике для вывода на орбиту полезных грузов.
Рис. 7 Рельсовое орудие под названием Velocitas Eradico
Преимущества ЭУМ
Способность разгонять снаряд малых масс, вследствие чего пуля приобретает огромную разрушительную силу (особенно у Рельсотрона);
Простое строение и простота в использовании (у пушки Гаусса и катушки Томпсона);
Сравнительная безопасность использования (у пушки Гаусса и катушки Томпсона);
Бесшумность выстрела (у пушки Гаусса).
Недостатки ЭМУМ:
- Очень высокое потребление электроэнергии (у Рельсотрона);
- Очень маленький КПД (особенно у рельсотрона). Дульная энергия снаряда равна 10 МДж, при том, что сама установка питается энергией в 100МДж, из чего следует, что КПД рельсотрона составляет примерно 10%;
- Большие по габаритам размеры установки (у рельсотрона);
- Большая опасность электрического тока (в рельсотроне используется сила тока, которая примерно в 10 раз больше, чем у молнии).
Практическая часть
Глава 3. Экспериментальная часть
Приборы и материалы:
– 2 конденсатора ёмкостью 3300мкФ и 4 конденсатора ёмкостью 500мкФ;
– диод (1N4007);
– Тиристор (70TPS12);
– лампа накаливания и патрон к ней;
– батарейки, общее напряжение которых 6В;
– пусковая кнопка;
– эмалированный провод длинной 115 м и толщиной 0,5 мм.
– Корпус из фанеры толщиной 2 см.
Рис. 8 Схема устройства для проведения эксперимента
Рис. 9 Экспериментальная установка
Формулы для расчёта:
-
Энергия электрического поля конденсатора: Wc = CU2/2
U - напряжение на обкладках конденсатора (в Вольтах)
С - ёмкость конденсатора (в Фарадах).
- Кинетическая энергия снаряда: E = mv2/ 2
где скорость наряда вычислялась по формуле:
v = l √g/2h
l - дальность полета тела (координата x),
h - высота, с которой падает тело (координата y), получившее горизонтальную скорость
m- масса снаряда (в килограммах)
v - его скорость по оси ОХ (в м/с ).
- Для расчета КПД установки применялась формула: КПД=Е/Wc*100%
- Время полета снаряда;
t = √ 2h/g
Где h – высота вылета снаряда над горизонтом.
- Начальная скорость снаряда V 0 = l /t
Характеристики модели и расчеты
Выводы и заключение
Проведя эту исследовательскую работу, я подробно изучил электромагнитные ускорители масс, выяснил, где применяются ЭМУ, а также, преимущества и недостатки. Самостоятельно сделал действующую модель пушки Гаусса, на которой провел серию экспериментов Основным преимуществом пушки Гаусса, считаю - бесшумность выстрела, а его недостатком - сравнительно большой размер и маленькое значение КПД. Перспективы использования пушки Гаусса, в будущем, очевидны. Компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300)К и усовершенствованные ЭУМ, будут широко применяться в промышленности, науке, быту и военном деле.
Список источников:
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаргун В.М. Физика 11, «Просвещение», М., 2010Г., 339 С
- Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма, «Стереотип», М., 1991 г., 288 с.
- Легендарная Гаусс-пушка своими руками http://www.sciencedebate2008.com/handmade-gauss-cannon/
- Лунариум: Электромагнитный ускоритель масс http://planetarium-moscow.ru/about/news/detail.php?ID=7569
- Магнитный ускоритель масс http://www.gauss2k.narod.ru/theory.htm
- Пушка Гаусса https://ru.wikipedia.org/wiki/. https://www.techcult.ru/technics/1831-elektromagnitnaya-pushka
- Электромагнитная пушка: оружие будущего.
