Научно – исследовательская работа «Электромагнитный ускоритель массы»

Научно – исследовательская работа

«Электромагнитный ускоритель массы»

учитель математики и физики Закиров А.Р.

Республика Татарстан, село Верхний Услон.

2020

Электромагнитный ускоритель массы

Зеленодольский район, п. Дубровка ,лицей-интернат для одаренных детей

с углубленным изучением химии филиала ФГБОУ ВО «КНИТУ», 7а.

Аннотация

Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.

Цель данной работы изучение схемы работы электромагнитного ускорителя массы и реализация проекта пушки Гаусса. В ходе работы были собраны несколько моделей пушки Гаусса отличающиеся видом и количеством конденсаторов.

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика.

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

Создав разные практические модели, я убедился в возможности устройства сообщать ферромагнитному телу ускорение и обнаружил такой недостаток, как низкий КПД.

Причинами этого является то, что магнитное поле образуется не только внутри соленоида(катушки), но и снаружи. Также соленоид и снаряд разделяет контур и небольшая воздушная прослойка, что снижает КПД и лишь небольшая часть энергии передается снаряду.

Выявлено что с увеличение напряжения не так важно для дальности полета, а более важным параметром является емкость конденсатора.

Созданные модели электромагнитного ускорителя массы можно использовать на уроках физики с целью демонстрации действия электромагнитного поля на тела;

Увеличить полезный эффект от использования пушки Гаусса можно путём совершенствования её конструкции, поэтому в ближайшее время работа над Пушкой Гаусса будет мною продолжена.

Электромагнитный ускоритель массы

Зеленодольский район, п. Дубровка ,лицей-интернат для одаренных детей

с углубленным изучением химии филиала ФГБОУ ВО «КНИТУ», 7а.

План исследований

Цель моей работы: создать опытный действующий образец электромагнитного ускорителя массы – Пушки Гаусса и провести ряд экспериментов для исследования действия этого устройства.

Задачи: -изучить существующую информацию о способах ускорения масс электромагнитным полем и устройствах, осуществляющих этот способ; выбрать необходимые материалы для создания опытного образца модели; - провести комплекс испытаний с целью экспериментальной проверки дальности полета, кинетической энергии снаряда; исследовать эффективность модели, вычислить КПД установки.

Объект и предмет исследования: Объектом исследования является электромагнитный ускоритель масс - установка для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил.

Предметом исследования является возможность широкого использования данной установки.

Гипотеза исследования: Электромагнитные явления были исследованы давно, и на их основе было изобретено очень много вещей, которыми люди пользуются, и будут пользоваться в течение всей жизни. Но также есть такие изобретения, которые не так широко используются, но стоят внимания. Среди них электромагнитные ускорители масс.

Методы исследования:

1. Изучение информации по данной теме

2.Испытание работоспособности модели электромагнитного ускорителя массы.

3.Интерпретация результатов.

Научная новизна: Преимущества электромагнитной орудия Гаусса по сравнению с иными разновидностями орудия – вероятность эластично варьировать начальную темп и энергию снаряда, а кроме того бесшумность выстрела. Ускоритель способен функционировать в различных обстоятельствах.

Электромагнитный ускоритель массы способен обладать значительную скорострельность, таким образом равно как концепция дает возможность посылать инструмент мгновенно уже после первого выстрела. Но концепция способен приобрести другую жизнедеятельность, если изобрести малогабаритные новейшие сверхмощные ключи тока.

Практическая значимость: Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту, так как при стационарном использовании есть возможность иметь большой источник энергии.

Основное применение – любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки

Библиография.

1. Расчет магнитного ускорителя масс: [Электронный ресурс] // URL:

http://www.crashplanet.ru/content/view/20/41/

2. Свободная энциклопедия Википедия. Пушка Гаусса: [Электронный ресурс] //

URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса .

3. Легендарная Гаусс-пушка своими руками [Электронный ресурс] // URL:http://www.sciencedebate2008.com/handmade-gauss-cannon.

Электромагнитный ускоритель массы

Зеленодольский район, п. Дубровка ,лицей-интернат для одаренных детей

с углубленным изучением химии филиала ФГБОУ ВО «КНИТУ», 7а.

Статья (описание работы)

Введение.

Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.

Считается, что первыми выдвинули идею электромагнитной пушки французские инженеры Фашон и Виллепле еще в 1916 году. Их действующая модель индукционной пушки разогнала снаряд массой 50 грамм до скорости 200 метров в секунду. По сравнению с пороховыми артиллерийскими установками результат, конечно, получился достаточно скромный, однако показавший принципиальную возможность создания оружия, в котором снаряд разгоняется без помощи пороховых газов.

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, большая надежность и теоретически износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

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

Первая и основная 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).

Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.

Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно теоретически увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно повлияет на область применения установки.

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьезно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе на сверхкороткое время с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия и вряд ли перспективы появятся в будущем так как она не может составить конкуренцию установкам, работающим на других принципах. Теоретически перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К). Однако, установка подобная пушке Гаусса может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок подобных пушке Гаусса на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей) или объектов на земной поверхности.

На сегодняшний день основное применение пушки Гаусса — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков.

Актуальность: Актуальность моей 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, техники.

Цель работы: исследование принципа работы электромагнитного ускорителя масс на основе пушки Гаусса и возможности его применения в физике и электротехнике для изучения, сравнения с другими оружиями.

Методы исследования:

1.Экспериментальный.

2.Моделирование.

3.Описательный.

4.Частично-поисковый.

5.Использование справочной и учебной литературы, Интернет-ресурсов.

Теоретическое описание.

Пушка Гаусса 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 электромагнитное 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. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит, так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому, что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).

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. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.

Практическая часть.

Рисунок 1. Элементы конструкции

1. Стеклянная трубка (100мм в длину и внутренним диаметром 4 мм).

2. 6 снарядов из стали обладающие ферромагнетизмом диаметром- 3 мм и длиной - 20мм.

3. Проволока для катушки (медная проволока сечение провода 1 мм).

4. Микросхема с преобразователем.

5. Тиристор 70TPS12А служит для управления мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключения устройств.

5. Конденсаторы электролитические 10000 мкФ 35В, 2200 мкФ 50В, 1000 мкФ 450В.

Конденсатор передает импульс через микросхему или тиристор на соленоид, тем самым, создавая на соленоиде постоянное кратковременное магнитное поле. При этом снаряд движется вслед за магнитным полем. После разрядки конденсаторов магнитное поле исчезает, а снаряд движется дальше по инерции. В качестве питания мы используем аккумулятор powerbank Qumo подключаемый через micro usb.

Рисунок 2- Схема пушки Гаусса

В данной работе было собранно несколько моделей пушки Гаусса отличающиеся видом и количеством конденсаторов.

1. С конденсатором 10000 мкФ 35В

Рисунок 3. 1модель

1. С конденсатором 2200 мкФ 50В

Рисунок 4. 2модель

1. Два конденсатора 10000 мкФ 35В соединённые параллельно

Рисунок 5. 3модель

Мы оценили КПД, собранных устройств, применив формулы:

Энергия, запасаемая в конденсаторе:

где U— напряжение конденсатора, В;

C — ёмкость конденсатора, Ф.

При параллельном соединении конденсаторов общая ёмкость определяется выражением: C=C₁+C₂

С=10000*10^-6*2=20000 мкФ=0,02 Ф

Тогда энергия конденсатора будет рассчитываться по формуле:

1. Е_конд=(0,01*1225)/2=6,125 Дж

2. Е_конд=(0,0022*2500)/2=5,5 Дж

3. Е_конд=(0,02*1225)/2=12,25 Дж

Кинетическая энергия снаряда

где m— масса снаряда, кг;

v— скорость снаряда, м/с.

Чтобы найти начальную скорость снаряда мы использовали формулу дальности полета тела брошенного под углом к горизонту. Дальность измерялась с помощью рулетки.

где v₀- начальная скорость снаряда;

α- угол под которым брошено тело(для удобства мы взяли угол 45°)

g=9,8 м/с² ускорение свободного падения

Рисунок 6. Установка для измерения дальности полета угол 45°

Тогда начальную скорость можно найти по формуле

Для каждой модели было проведено десять измерений дальности полета для расчетов мы использовали среднее значение.

Вторая модель оказалась неудачной энергии электромагнитного поля не хватило для запуска тела. Поэтому дальность полета равна нулю.

Вывод.

Создав разные практические модели, я убедился в возможности устройства сообщать ферромагнитному телу ускорение и обнаружил такой недостаток, как низкий КПД.

Причинами этого является то, что магнитное поле образуется не только внутри соленоида(катушки), но и снаружи. Также соленоид и снаряд разделяет контур и небольшая воздушная прослойка, что снижает КПД и лишь небольшая часть энергии передается снаряду.

Выявлено что с увеличение напряжения не так важно для дальности полета, а более важным параметром является емкость конденсатора.

Созданные модели электромагнитного ускорителя массы можно использовать на уроках физики с целью демонстрации действия электромагнитного поля на тела;

Увеличить полезный эффект от использования пушки Гаусса можно путём совершенствования её конструкции, поэтому в ближайшее время работа над Пушкой Гаусса будет мною продолжена.

Список литературы

1. Расчет магнитного ускорителя масс: [Электронный ресурс] // URL:

http://www.crashplanet.ru/content/view/20/41/

2. Свободная энциклопедия Википедия. Пушка Гаусса: [Электронный ресурс] //

URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса .

3. Легендарная Гаусс-пушка своими руками [Электронный ресурс] // URL:http://www.sciencedebate2008.com/handmade-gauss-cannon.