Электромагнитные ускорители масс. Пушка Гаусса.

Департамент образования

мэрии города Новосибирска

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение                                                                       города Новосибирска  «Лицей №185»

Октябрьский район                                                                                                                                                                                                              

     Электромагнитные  ускорители масс.  Пушка Гаусса.

                    Работу выполнил

                    ученик 10 М класса

                    Гаврилкин Тимофей Сергеевич

                 Руководитель

                                                     Тимченко Ирина Александровна,

                                                     учитель физики

                                                     высшей квалификационной категории

Новосибирск, 2016

Содержание

        Введение

2.1. Теоретическая часть. Электромагнитный ускоритель масс.

2.2. Практическая часть. Создание функционирующей модели ускорителя масс в домашних условиях.

        Заключение

        Литература

Введение

          В настоящее время существует множество видов электромагнитных ускорителей масс.  Наиболее известные – «Рельсотрон» и  «Пушка Гаусса».

        Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

        Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

        Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%.

        Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

           Для своей работы я выбрал пушку Гаусса, потому что  простая схема сборки установки  и доступность её элементов.

        Цель моей работы: научиться использовать электромагнитные силы;  экспериментально показать их существование, собрав простейший ускоритель масс - пушку Гаусса.

        Задачи, которые я поставил перед собой:

1.  Рассмотреть устройство пушки Гаусса по чертежам и макетам.

2.  Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

3.  Создать действующую модель.

        Актуальность работы заключается в том, что    принцип электромагнитного ускорения масс можно использовать на практике, например, при создании строительных инструментов. Электромагнитное ускорение является перспективным направлением в развитии науки.

        Сейчас такие ускорители существуют в основном как новейшие виды вооружения (хотя практически не применяются) и как установки, используемые учеными для практического испытания различных материалов, таких как прочные сплавы для изготовления космических  аппаратов, элементов танковой брони и атомной энергетики.

Теоретическая часть

        Пушка названа по имени немецкого ученого Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Его   именем названа система единиц – Гауссова система единиц.  Однако сам Гаусс имеет малое  отношение непосредственно к ускорителю.

         Идеи подобных ускорителей масс были представлены  Ю.В.Кондратюком  для выведения с поверхности Земли различных космических контейнеров и аппаратов. В основном такие ускорители рассматривались как «Оружие будущего» или «Сверхмощные виды транспорта». Однако работающих прототипов еще не существует, либо их разработки держатся в особом секрете.

     Строение пушки Гаусса.

1. Основные элементы:

• Мощный и достаточно энергоемкий накопитель электрического потенциала, способный в кратчайшее время его разрядить (конденсатор).
• Катушка (цилиндрическая обмотка), служащая непосредственно ускорителем.

 2. Принцип действия.

         В цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через неё электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида снаряд из ферромагнетика, который от этого начинает разгоняться. Если в момент, когда снаряд окажется в середине обмотки, ток в этой обмотке отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки.

          Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается – тем быстрее вылетает снаряд. Но одноступенчатые системы (т.е. состоящие из одной катушки) обладают достаточно низким КПД. Это объясняется рядом факторов:

• Инерционность самого соленоида, самоиндукция которого вначале препятствует втягиванию снаряда, а затем после выключения тока, тормозит его движение.
• Инерционностью снаряда, обладающего значительной массой.
• Силой трения, которая вначале, при разгоне снаряда весьма велика.

         Для достижения ощутимых результатов требуется делать обмотки соленоидов с чрезвычайно большой удельной мощностью, что весьма нежелательно, ибо приводит в лучшем случае к перегреву, а в худшем к их перегоранию.

           Разработка и создание многоступенчатых систем поможет решить все эти проблемы. Благодаря постепенному, а не импульсному ускорению снаряда удельную мощность обмоток можно снизить и, следовательно, уменьшить их нагрев и продлить срок службы.

          В многоступенчатых системах достигается более высокий КПД, что связано с постепенным снижением трения и с более высоким коэффициентом передачи энергии на последующих ступенях. Это означает, что чем больше начальная скорость снаряда, тем большее количество энергии он может взять от соленоида. Иными словами, если в первой ступени снаряду передается 1 – 3 % энергии магнитного поля, то в последней практически вся энергия поля переходит в кинетическую энергию ускоряемого снаряда.

           КПД простейших многоступенчатых систем больше, чем одноступенчатых и может достигать 50 %. Но и это не предел! Многоступенчатые системы позволяют добиться более полного использования энергии импульсных источников тока, что даёт возможность в перспективе увеличить КПД системы до 90% и более.

Практическая часть

        Для сборки  пушки я изготовил самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков 350 (5 слоев по 70 витков каждый). Использовал конденсатор емкостью 1000 мкФ, тиристор Т-122-25-10, и батарейку 3В. Для зарядки конденсатора дополнительно собрал цепь, питающуюся от сети, состоящую из лампы накаливания 60 Вт и выпрямительного диода.

 Собрал модель по следующей схеме:

        Технические характеристики пушки.

1.  Снаряды: гвоздь 3г, игла 1г.

2.  Катушка индуктивности: 350 витков, 7 слоев по 50 в каждом;

3.  Ёмкость конденсатора: 1000 мкФ.

Внешний вид модели  представлен на фотографиях:

Эксперимент

             Цель эксперимента: рассчитать приблизительную скорость вылета пуль разного типа и КПД установки.

         Оборудование и материалы:

Пушка Гаусса;  2 пули массами 1г и 3г, изготовленные из иглы и гвоздя;

2 тела – губка массой 3г и скотч массой 60г; линейка; цифровая видеокамера.

        Ход работы:

1. Установить тело на расстоянии 3-5 см от конца ствола.

2. Совместить отметку 0 на линейке с гранью тела.

3.  Выстрелить снарядом в тело.

4. Зафиксировать выстрел и движение видеокамерой.

5. Измерить расстояние, пройденное телом.

6. Проделать опыт с каждым снарядом и телом.

7. При помощи компьютера и видеокамеры определить время движения.

8. Занести результаты в таблицу.

9. Вычислить КПД установки.

          Схема опыта:

              Пушка Гаусса                                         Пуля, mп                       Тело, mт 

Вычисления:

1. Согласно формуле   S=t(V+Vоб)/ 2   можно вычислить скорость тела.

Так как начальная скорость тела V =0, то данная формула преобразуется в формулу, имеющую вид    Vоб=2S/t

2. По закону сохранения импульса:  mп* vп + mт * vт =(mп + mт)vоб

 Отсюда   Vп=(vоб * mоб)/mп  , где mоб= mп + mт

Таблица измерений и результатов:

           Вывод: заметная разница в скоростях одного снаряда объясняется присутствием силы трения (скольжения для губки, и силы трения качения – для скотча), погрешностью в вычислениях, неточностью измерений и иными факторами сопротивления.   Скорость пули зависит от её размера, массы и материала.

                                                   Расчёт КПД установки

        КПД=( Ап / Аз) *100%

          Полезная работа установки – разгон пули. Можно вычислить кинетическую энергию пули, приобретаемую в результате работы пушки по формуле:   Ап =Ек=(mv2)/2

          В качестве затраченной работы можно использовать запасаемую конденсатором энергию, которая тратится на работу пушки:

         Аз = Е=(С*U2)/2

С – ёмкость конденсатора 1000 мКФ

U – напряжение  250 В

m – масса пули  (будем считать гвоздь)  0,003 кг

 v – скорость пули   (будем считать 22м/с)

КПД= (0,003*222)/(0,001*2502)*100%

КПД = 5%

Вывод: КПД ускорителя тем выше, чем лучше согласованы параметры соленоида с параметрами конденсатора и параметрами пули, т.е. при выстреле к моменту подлета пули к середине обмотки ток в катушке уже близко к нулю и магнитное поле отсутствует, не препятствуя снаряду вылетать из соленоида. Однако на практике получить такое удается редко – малейшее отклонение от теоретического идеала резко снижает КПД. Остальная энергия конденсатора теряется на активном сопротивлении проводов.

Заключение

        Мой первый образец пушки Гаусса - простейший одноступенчатый ускоритель, служащий, скорее наглядной моделью для понимания принципа работы настоящего ускорителя.

        В будущем планирую собрать более мощный  многоступенчатый ускоритель, улучшив характеристики и добавив возможность заряжать его от аккумулятора.  Так же более подробно изучить строение и принцип работы «Рельсотрона», после чего попытаться собрать и его.

Список литературы

1.  Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др.; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 2009.

2.  Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др.; под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. – М.: Просвещение, 2010.

3. С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и углубленный уровень). – М.: Мнемозина, 2010.

4.  С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый и углубленный уровень). – М.: Мнемозина, 2009.

5.  Основные виды ЭМО. -электронный ресурс: http://www. gauss2k. narod. ru/index. Htm

6. Пушка Гаусса.- электронный ресурс: http://ru. wikipedia. org