Проектная работа : "Магнитная пушка"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

"Средняя общеобразовательная школа № 70

с углубленным изучением отдельных предметов"

Кировского района г. Казани

Проектная работа по физике:

«МАГНИТНАЯ ПУШКА»

Выполнил: ученик 9В класса

Шишкин Макар Александрович

Руководитель проекта:

Светчикова Ирина Владимировна

г.Казань

2022 г

Оглавление

Введение………………………………………………………………………...3

Основанная часть……………………………………………………………….4

Заключение…………………………………………………………………….11

Список литературы……………………………………………………………13

1. Введение

Когда мы слышим слово пушка, то скорей всего мы представляем себе пушки на пиратских кораблях с железными снарядами. К моменту появления огнестрельного оружия техника литья не только мелких, но и «крупногабаритных» изделий была уже хорошо развита. Технология медного литья, хорошо освоенная мастерами Средневековья на изготовлении всевозможных бытовых изделий, «развязала руки» тогдашним оружейным мастерам - пушки стали делать по той же технологии, что и колокола, хотя состав литейной бронзы для пушек пришлось поменять. Эта технология получила название «медленной формовки» и использовалась довольно долго. Также ещё нужно было изготовить лафет (так называли опору пушки).
По итогу, чтобы изготовить одну такую пушку, мастера средневековья тратили огромное время на это.

Суть в том, что такую пушку в домашних условиях не сделаешь, а вот магнитную пушку вполне можно сделать. Тогда что это такое - магнитная пушка? Она стреляет магнитами? Или же она сделана из магнитов? Непонятно… В этом проекте будет подробно изложено, что такое магнитная пушка и как она работает.

Актуальность исследования: Эта тему мы проходили в 8 классе и меня она заинтересовала. Я решил разобраться в ней и исследовать ее.

Объект исследования: Магнитные поля.

Продукт: Магнитная пушка.

Цель работы: Разобрать строение магнитной пушки и сделать макет этой пушки самостоятельно. Разобраться, как можно увеличить КПД у магнитной пушки.

Задача исследования:
Изучить свойства магнитной пушки.

Гипотеза исследования: При увеличении КПД магнитной пушки, её можно будет использовать как оружие.

Методы исследования: Анализ научной литературы и практическое применение на проекте.

1. Основная Часть

Давайте начнём с самых простых вещей в магнитной пушке, а точнее с магнита. Постоянный магнит принимает самую главную роль в магнитной пушке.

Постоянный магнит

Постоянный магнит — изделие из магнитотвердого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени. Постоянные магниты изготавливаются различной формы и применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Производство

Для производства постоянных магнитов обычно используются следующие материалы:

• Ферритовые магниты

Получают путём прессования и (или) спекания порошка оксидов железа с оксидами других металлов и представляет собой керамику.

бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты

Имеют состав Ba/SrO·6 Fe₂O₃ и характеризуются высокой устойчивостью к размагничиванию в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью. Несмотря на низкие по сравнению с другими классами магнитные параметры и высокую хрупкость, благодаря низкой стоимости магнитотвердые ферриты наиболее широко применяются в промышленности.

• Редкоземельные магниты

неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Редкоземельные магниты, изготавливаемые прессованием или литьем из интерметаллида Nd₂Fe₁₄B. Преимуществами неодимовых магнитов являются высокие магнитные свойства (B_r, H_c и (BH)_max), а также невысокая стоимость. В связи со слабой коррозионной устойчивостью обычно покрываются медью, никелем или цинком.

самариевые магниты SmCo (самарий-кобальт)

Изготавливаются методом порошковой металлургии из композиционного сплава SmCo₅/Sm₂Co₁₇ и характеризуются высокими магнитными свойствами, отличной коррозионной устойчивостью и хорошей стабильностью параметров при температурах до 350 °C, что обеспечивает им преимущества на высоких температурах перед магнитами NdFeB. По магнитной составляющей мощнее ферритовых, но слабее неодимовых магнитов. В состав некоторых марок Самарцевых магнитов кроме основных элементов — самария и кобальта могут входить и другие добавки: железо, медь, эрбий, гадолиний, цирконий, цериевый мишметалл.

• Полимерные постоянные магниты (магнитопласты)

Изготавливаются из смеси магнитного порошка и связующей полимерной компоненты (например: резины, винила). Достоинством магнит пластов является возможность получения сложных форм изделий с высокой точностью размеров, низкая хрупкость, а также высокая коррозионная устойчивость в сочетании с большой величиной удельного сопротивления и малым весом.

Применение постоянных магнитов

Широкое применение постоянные магниты находят в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы.

Постоянные магниты на уроках физики обычно демонстрируются в виде подковы, полюса которой окрашены в синий и красный цвет.

Отдельные шарики и цилиндры с сильными магнитными свойствами используются в качестве хай-тек украшений/игрушек — они без дополнительных креплений собираются в цепочки, которые можно носить как браслет. Также в продаже есть конструкторы, состоящие из набора цилиндрических магнитных палочек и стальных шариков. Из них можно собирать множество конструкций, в основном фермового типа.

Кроме того, существуют гибкие плоские магниты на полимерной основе с магнитными добавками, которые используются, например, для изготовления декоративных магнитов на холодильники, оформительских и прочих работ. Выпускаются в виде лент и листов, обычно с нанесённым клеевым слоем и плёнкой, его защищающей. Магнитное поле у такого плоского магнита полосатое — с шагом около двух миллиметров по всей поверхности чередуются северные и южные полюса. Полимерная магнитная лента находится также внутри резинового уплотнителя дверок бытовых холодильников, тем самым одновременно равномерно уплотняя и удерживая дверки в закрытом положений.

Также их применяют для опытов в школах, колледжах, институтах т.д.

Магнитная Пушка

Магнитной пушкой называют магнитный ускоритель масс, разгоняющий снаряд с помощью постоянного магнита, который расположен перпендикулярно относительно притягивающемся объектам.

То есть выстрел происходит с помощью постоянных магнитов и 3 или более шариков, которые на прямую контактируют с магнитом для передачи энергии.

Строение магнитной пушки

С начало стоит почеркнуть, что есть 2 вида магнитных пушек:

1. Пистолет;

2. Ёлочка.

Начнём с магнитной пушки, которая представлена в данном проекте – пистолет. Её так прозвали из-за схожего механизма работы с пистолетом. У пистолета есть так называемый курок, который приводит в действие ударник, а в тоже время ударник активирует сам патрон, вследствие чего происходит выстрел.

На небольшой металлический уголок был помещён магнит, один шарик с одной стороны и два с другой, но те два были притянуты к магниту в отличие от другого. В магнитной пушке в качестве курка выступает одиночный шарик с одной из сторон, где нет больше шариков. Он притягивается к магниту с большой силой, тем самым передавая импульс другим шариками через магнит. В качестве же ударника выступают сами магниты, которые передают импульс шарикам, располагающимся с противоположной стороны от одиночного шарика. И самое главное, чтобы передать импульс шарикам с другой стороны их должно быть не менее двух или более (в зависимости от силы магнита). Шарики с противоположной стороны от одиночного, который передаёт импульс, выступают в виде патрона, который вылетает с большой силой.

Ёлочкой называют магнитную пушку, у которой нет прямого контакта с магнитами, т.е. снаряд двигается с помощью магнитных полей.

Её строение довольно примитивно, однако сложно. Для того чтобы это установка заработала, надо под определенным углом поставить магниты, которые будут расположены на пластине и зафиксированы там же. Если же один из магнитов поставить градусом больше или меньше, то снаряд просто остановиться и притянется к этому магниту.

Как говорилось выше, есть несколько видов постоянных магнитов, но используют в основном неодимовые, т.к. они сильные и доступные. Также могут использовать ферритовые, но они довольно слабы на фоне неодимовых.

На каких законах основана магнитная пушка?

Магнитная пушка основана на одном законе: это закон сохранения импульса.

Закон сохранения импульса -

Векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой внутри системы.

То есть когда шарик притягивается к магниту, он передаёт инерцию в магнит, а магнит в тоже время передаёт её шарику, стоящему с противоположной стороны. А как же происходит сам выстрел и передача энергии?

Сначала вспомним, что такое энергия: энергия – это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Также стоить сказать, огромное количество разных видов энергии, но нас интересуют лишь две - кинетическая и потенциальная энергии.

Давайте вспомним строение магнитной пушки, и как она работает. Есть шарик с одной стороны и два с другой стороны. В центре же находится сильный магнит, причём два шарика уже притянуты к магниту в отличие от другого шарика, который находиться с другой стороны. Работает же она так: одиночный шарик мы толкаем так, чтобы он еле катился. Затем он резко притягивается к магниту, тем самым передавая импульс двум другим шарикам, и вследствие чего происходит выстрел.

Когда мы толкнули шарик к магниту, он имел всё время кинетическую энергию, пока не столкнулся с магнитом. Когда шарик приближался к магниту он начал притягиваться, но мы это не заметили, т.к. это произошло очень быстро. Когда же шарик полностью притянулся, он полностью передал свою энергию шарику, стоящему с противоположной стороны. Тут и кроется весь смысл этих двух шариков: если бы стоял один, то ничего бы не произошло, т.к. их сила притяжения к магниту равны, а второй шарик заметнее притянут хуже, т.к. находится дальше от магнита и, следовательно, импульса хватает, чтобы шарик мог отсоединиться. И в момент отсоединения у шарика есть лишь потенциальная энергия.

Так происходит выстрел в магнитной пушке.

Как увеличить КПД у магнитной пушки и можно ли использовать её как оружие?

Стоит сразу сказать, что у магнитной пушки ничтожный КПД – В районе 2% и даже при его увеличении мало что изменится, но всё же мы попробуем.

Увеличить КПД можно 2-мя способами: это увеличить магнитную силу магнитов и увеличить массу шариков. То есть первым, мы поставим более сильный магнит – это будут магниты из неодима, а вторым увеличим шары и сам магнит, для лучшей пробивной силы.

Давайте подробней о неодиме: Неодим - это редкоземельный металл, который придает сплаву отличные магнитные свойства. Итак, самыми сильными, самыми мощными, из доступных на сегодняшний день в продаже постоянных магнитов, являются неодимовые магниты. Они имеют химическую формулу Nd₂Fe₁₄В. Также стоить понимать, если мы увеличиваем массу шаров, то это будет похоже на танк чем на пистолет или штурмовую винтовку. По итогу наш КПД повысится на пару десятых, т.е. 2,2%-2,4%.

Следуя из всего перечисленного, причинить вред человеку невозможно, однако есть более сильный и мощный собрат магнитной пушки – это Пушка Гаусса (электромагнитная пушка).

Пушка Гаусса

Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель

Принцип действия пушки Гаусса

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.

Применение пушки Гаусса

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 (простота и относительная безопасность)

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 надёжность и, в теории, износостойкость. 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, главное из которых: большие затраты энергии.

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 %. В основном в любительских установках энергия, запасённая в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе 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 она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах.

1. Заключение

Создание именно этого проекта оказалось очень трудным, но в тоже время интересным! Цель проекта была успешно выполнена, однако было трудно находить информацию о магнитной пушке: потому, что в интернете этой информации практически нет. С чем это связано я сказать не могу. Чтобы найти те же виды магнитных пушек пришлось перерыть весь интернет. Или же, чтоб найти принципы работы магнитной пушки, нужно смотреть видео ролик по 10 раз, для того, чтобы понять принцип работы. Зато найти информацию о Гаусс-пушке и постоянных магнитах не составило труда. Возможно, информации нет, так как это установка некому не интересна из-за своего малого КПД и строения, но об этом позже. Как мне кажется, про Гаусс-пушку можно рассказать намного больше, чем про магнитную пушку, но из-за простоты продукта мне показалось, что будет проще.

В целом этот проект мне дался нелегко, даже с помощью друзей, но создание продукта меня увлекло.

Продукт был сделан в кротчайшие сроки и в те же сроки несколько раз переделан, из-за своей неудобности. И всё же продукт готов в лучшем своём виде.

Задачи исследования были выполнены успешно. Магнитные свойства пушки были основаны на всем известных законах и к тому же мы проходили их в 8 классе, так что можно даже догадается о её свойствах.

Для того чтобы повысить КПД, я находил более сильные магниты, ставил их по одной или более штук и смотрел что будет. Можно сказать, я проводил опыты с разными материалами.

Гипотеза исследования была опровергнута. Магнитную пушку нельзя использовать как оружие по ряду причин:

1.Долгая перезарядка, т.е. вовремя боя вставлять шарики по очереди является долгим способом;

2.Ужасный каркас изделия, вернее, его нет. Есть стенд, где показывается сам принцип работы магнитной пушки

3.Способ работы довольно примитивен учитывая, что есть такие же механизмы, но с более удобным способом;

4.Ничтожный КПД. Из-за того, что ещё нет настолько сильных магнитов, которые могли бы выталкивать шар с огромной скоростью, магнитная пушка по-прежнему может оставаться лишь опытом на уроках физики.

Таким образом, у магнитной пушки нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах.

В целом этот проект оказался очень интересным в создании, несмотря на то, что основную гипотезу не получилось доказать. Можно смело сказать что, продукт полностью оправдал мои ожидания. Конечно же, у магнитной пушки есть огромные проблемы в её устройстве, однако изначально она создавалась, как и Гаусс пушка, не как оружие, а лишь как физический опыт, доказывающий в одном из случаев передачи инерции через постоянный магнит, а в другом случае - передачу снаряда через электромагнитные поля.

Также стоить отметить, что этот проект не самый актуальный, однако из-за интереса к этой теме мне захотелось углубиться в неё и исследовать вдоль и поперёк. Всё же, прогресс не стоит на месте и рано или поздно смогут изобрести сильные магниты для увеличения КПД магнитной пушки.

1. Список литературы

Галилео. Эксперимент. Магнитная пушка. - https://www.youtube.com/watch?v=5seBGVAVagU

Закон сохранения импульса. Реактивное движение. - https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/zakony-sohranenija-v-mehanike/zakon-sohranenija-impulsa/

Закон сохранения энергии - https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/zakony-sokhraneniia-v-mekhanike-90005/zakon-sokhraneniia-impulsa-vidy-vzaimodeistvii-105698/re-915e7d06-7cf4-4882-b2a8-577ab707c330

Кинетическая и потенциальная энергии - https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/zakony-sohranenija-v-mehanike/kineticheskaja-i-potentsialnaja-energii/

Магнитная пушка за 2 минуты - https://mirmagnitov.ru/blog/primenenie-magnitov/magnitnaya-pushka-oruzhie-massovogo-porazheniya/

Магнитная пушка и законы механики - https://www.youtube.com/watch?v=Y6ANFGuhIyo

Постоянный магниты. Справочник. - https://ukrms.com.ua/wp-content/uploads/2020/05/postoyannye-magnity_spravochnik_pyatin.pdf

Постоянный магнит - https://ru.wikipedia.org/wiki/Постоянный_магнит

Пушка Гаусса - https://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса

9