IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ МАСС
Монин В.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Паспорт проекта

1. Учебный предмет: физика

2. Учебные дисциплины, близкие к теме проекта: конструирование, технология, моделирование, программирование, схемотехника.

3. Состав проектной группы:

Учитель физики: Чистякова Ирина Викторовна

Обучающийся 9г класса: Монин Виктор

Научный руководитель проекта: Монин Сергей Викторович

4. Заказчик проекта: Центр технической компетенции «Инностарт»

5. Проблема проекта: недостаток экспериментального оборудования при изучении одного из интереснейших разделов физики - «Электромагнитная индукция», которое бы в полной мере продемонстрировало возможности точной науки.

6. Цель проекта: создание электромагнитного ускорителя масс повышенной эффективности.

7. Задачи проекта:

- изучить тему «Электромагнитная индукция»;

- обосновать актуальность проекта;

- изучить принципы работы электромагнитного ускорителя;

- разработать техническое задание и провести расчеты основных узлов;

- сконструировать и изготовить электромагнитный ускоритель;

- создать перечень и провести на практике демонстрационные опыты с использованием электромагнитного ускорителя масс на уроках физики о ОБЖ.

8. Продукт проекта: электромагнитный ускоритель масс

9. Этапы реализации проекта:

Этап

Результат

Сроки

1 этап.

- Изучение и анализ литературы по теме магнитная индукция.

- Изучение принципа работы электромагнитного ускорителя.

- Анализ литературы и практических работ.

-Разработка технического задания.

Разработка концепции проекта.

Определение основных ресурсов для создания

электромагнитного ускорителя.

Октябрь, ноябрь.

2 этап.

-Расчет основных узлов.

- Конструирование электромагнитного ускорителя.

- Изготовление электромагнитного ускорителя.

Испытание и доработка по результатам испытаний.

Декабрь, Январь.

3 этап.

-Проведение демонстрационных экспериментов на уроках физики для классов.

-Презентация проектной работы по теме «Электромагнитный ускоритель масс».

Представления проекта и электромагнитного ускорителя.

Февраль.

10. Бюджет проекта:10000р

Статьи затрат

Стоимость

Электронные компоненты

9000р

Материалы

500р

Затраты на изготовление

500р

Временные затраты

5 месяцев

Введение

Электромагнитные явления – это один из интереснейших разделов физики, в котором изучаются электрические и магнитные явления и их взаимодействие друг с другом. Впервые французский ученый Андре Ампер продемонстрировал взаимодействие электрического и магнитного полей, именно поэтому его называют творцом нового раздела физики.1 Далее изучать электромагнитные явления продолжили такие известные ученые как Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл. Майкл Фарадей ввел понятие и закон электромагнитной индукции как характеристики электромагнитного поля. Электромагнитная индукция - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в определенной точке и определяющая с какой силой магнитное поле воздействует на заряд2.

Изучив на уроках физики процессы возникновения электромагнитных полей и научившись определять их характеристики, я стал изучать учебники и дополнительную литературу других авторов: учебник по физике 11 класса авторы Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругун, элементарный учебник физики под редакцией Г.С. Ландсберга, том 3, учебное пособие Иродова И.Е. «Основные законы электромагнетизма». Теоретическую часть своего проекта я обосновывал ссылаясь на эти учебники.

Изучив теорию по разделу, я стал интересоваться возможностями ее применения на практике. На различных интернет-порталах (Википедия, Наука и мир, АИР и др.) я изучил виды электромагнитных пушек и принципы их создания и решил создать свой прибор – электрический двигатель, который называется электронный ускоритель масс. Так же я нашел сайт Coil32, с помощью которого можно провести все необходимы расчеты для создания прибора. Впервые такой прибор и принципы его действия рассматривались русским ученым и изобретателем Константином Циолковским. Описание такого прибора было впервые опубликовано в его работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» в 1926 году. Он писал, что электромагнитные пушки, созданные по такому принципу, со временем могут найти применение для массового вывода тел на околоземные орбиты3. Сейчас же во многих источниках электромагнитный ускоритель рассматривается как оружие, которое имеет свои плюсы и минусы.

Достоинства ускорителя.

Электромагнитный ускоритель масс обладает некоторыми преимуществами перед обычными видами стрелкового оружия. Это отсутствие гильз, возможность выбирать начальную скорость и энергию боеприпаса. Также электромагнитный ускоритель масс стреляет бесшумно и имеет малую отдачу из-за отсутствия пороховых газов. Ускоритель может работать в любых условиях, в том числе и космосе. Электромагнитный ускоритель может, имеет высокую скорострельность, так как система позволяет досылать снаряд сразу после первого.

Недостатки ускорителя:

Основным недостатком электромагнитных ускорителей является низкий КПД. В большинстве случае описанные в литературе ускорители имеют одну разгонную ступень. Эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую тем выше, чем выше скорость снаряда. В однозвенных ускорителях значительную часть времени снаряд имеет малую скорость, что требует огромного запаса электрической энергии для достижения требуемых скоростей.

Таким образом, заинтересовавшись этим прибором, я решил самостоятельно его сконструировать, рассчитав все необходимые характеристики для его успешной работы. Я считаю, что воплощение в жизнь этого проекта будет для меня интересно с нескольких точек зрения. Во-первых, это позволит мне воплотить полученные на уроках физики теоретические знания в реальный прибор, иллюстрирующий природу электромагнитных явлений. Во-вторых, процесс разработки такого устройства является крайне увлекательным и позволяет попробовать себя в роли инженера-разработчика радиоэлектронных устройств. С реализацией проекта мне помогал папа, который является инженером по радиоэлектронным системам и устройствам. С помощью этого прибора можно показывать демонстрационные опыты при изучении одного из интереснейших разделов физики - «Электромагнитная индукция».

Целью моей работы является создание электромагнитного ускорителя масс повышенной эффективности.

Для реализации цели мной были поставлены следующие задачи:

- изучить тему «Электромагнитная индукция»;

- обосновать актуальность проекта;

- изучить принципы работы электромагнитного ускорителя;

- разработать техническое задание и провести расчеты основных узлов;

- сконструировать и изготовить электромагнитный ускоритель;

- создать перечень и провести на практике демонстрационные опыты с использованием электромагнитного ускорителя масс.

Прежде чем приступать непосредственно к сборке прибора, мы изучили принцип его работы и рассчитали основные характеристики его узлов. Затем подобрали все необходимые для сборки материалы. И изготовили электронный ускоритель масс своими руками. Затем мы провели тестирование прибора и исследовали принцип его работы.

Глава 1

Теоретическое обоснование проекта

1.1 Что такое электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году приписывается известному ученому Майклу Фарадею. Он задался целью преобразовать магнитные поля в электрическую энергию. Уже на тот момент было известно, что существует два вида полей – магнитные и электрические. Если носители заряда перемещаются, то регистрируется поле магнитной природы, а если неподвижны, то электростатическое. Многие тогда предполагали, что поля должны быть как-то взаимосвязаны, но подтверждающий это практический опыт и его обоснование сделал именно Фарадей. В результате проведенных им опытов с двумя катушками, он сделал выводы, что при подключении одной из них к измерительному прибору по виткам другой протекает постоянный ток. Таким образом, если обладающие зарядом частицы направленно перемещаются, то вокруг них появляется магнитное поле4.

1.2 Описания принципа действия электромагнитного ускорителя масс.

Конструкция простейшего ускорителя выглядит следующим образом: на трубку из диэлектрика надет соленоид, который подключен к заряженному конденсатору через коммутатор. В один конец трубки вставляется снаряд из ферромагнетика. При замыкании коммутатора через катушку начинает протекать ток, создающий магнитное поле. Магнитное поле создает силу, которая втягивает снаряд в соленоид. Сила втягивания будет пропорциональна квадрату магнитной индукции в соленоиде. Конденсатор должен разрядиться в катушку полностью к моменту, когда снаряд будет находиться в центре соленоида.

Глава 2

Расчет характеристик прибора.

2.1 Техническое задание.

Разработать электромагнитный ускоритель масс со следующими техническими параметрами:

1) Дальность полета снаряда 30м с отклонением от горизонтальной оси 0,2м.

2) КПД электромагнитного ускорителя 10%.

3) Источник первичного электропитания (аккумулятор 12В).

2.2 Расчет основных характеристик.

Рассчитаем, какая скорость полета снаряда должна быть, чтобы отклонение его от горизонтальной оси не превышало 0,2м при дальности 30м. На снаряд всегда действует сила тяжести и поэтому, зная отклонение снаряда от горизонтальной оси, можно рассчитать время полета. Все формулы для расчета характеристик были взяты из учебника по элементарной физики под редакцией Ландсберга Г.С.5 и электронного ресурса Coil326 . Время полета рассчитывается по формуле:

Подставив значения в формулу, получим время равное 0.202с. Зная время можно найти скорость, которая должна быть при вылете из электромагнитного ускорителя масс по формуле:

Подставив значения, получим скорость при вылете 148.5 м/c.

Рассчитав скорость, можно узнать какой кинетической энергией должен обладать снаряд при вылете из ускорителя.

Параметры снаряда:

D (диаметр снаряда) =0.003м

L (длинна снаряда) = 0.02м

ρ (плотность стали) =7800кг/м3

Масса снаряда равна:

m=1.1 гр.

Зная массу и скорость, можно найти кинетическую энергию, которой обладает снаряд:

Кинетическая энергия снаряда при выходе из ускорителя равна 12.07 Дж.

2.3 Расчет основных узлов

Низкая эффективность электромагнитных ускорителей, представленных в литературе, обусловлена тем, что разгон осуществляется одной ступенью от нулевой скорости. Известно, что передача энергии магнитного поля снаряду, тем эффективней, чем выше скорость снаряда. Мой замысел состоит в том, чтобы не тратить большое количество энергии в момент, когда скорость снаряда невысока.

Для реализации этой идеи необходимо иметь несколько разгонных ступеней. Зададимся количеством разгонных ступеней равным шести. Пусть увеличение скорости после каждой ступени будет происходить по линейному закону вида V.

Таким образом, скорости после каждой ступени должны быть следующие:

1-я ступень - 24м/с

2-я ступень - 48 м/с

3-я ступень - 72 м/с

4-я ступень - 96 м/с5-я ступень - 120 м/с

6-я ступень - 144 м/с

Зная скорость после каждой ступени можно рассчитать прирост кинетической энергии после разгонных соленоидов.

где,

Vn+1 - скорость после следующей ступени, Vn -скорость после текущей ступени, m – масса снаряда.

∆Q1= 0.28Дж; ∆Q2= 0.86Дж; ∆Q3= 1.44Дж; ∆Q4= 2.02Дж; ∆Q5= 2.6Дж;

∆Q6= 3.17Дж.

По рассчитанным изменениям кинетической энергии после каждого соленоида можно оценить, сколько нужно затратить электрической энергии в каждом соленоиде. Ниже приведен расчет индуктивности соленоида для 1-ой ступени в программе Mathcad.

 

- н а ч а л ь н а я с к о р о с т ь с н а р я д а ;

- д л и н а п у т и р а з г о н а с н а р я д а в с о л е н о и д е ;

- м а с с а с н а р я д а .

- в р е м я р а з г о н а с н а р я д а в с о л е н о и д е о ц е н и в а е м к а к д л и н у п у т и д е л е н н у ю н а с р е д н е е а р и ф м е т и ч е с к о е н а ч а л ь н о й и к о н е ч н о й с к о р о с т е й .

- н а п р я ж е н и е н а е м к о с т н о м н а к о п и т е л е .

 

 

- к о н е ч н а я с к о р о с т ь с н а р я д а (н а в ы х о д е и з с о л е н о и д а );

 

 

- п р и р о с т к и н е т и ч е с к о й э н е р г и и ;

 

 

- К П Д п р е о б р а з о в а н и я э л е к т р и ч е с к о й э н е р г и и в к и н е т и ч е с к у ю ;

 

 

- п о с т о я н н а я в р е м е н и н а р а с т а н и я т о к а ч е р е з с о л е н о и д ;

 

 

- и н д у к т и в н о с т ь с о л е н о и д а . П о д б и р а е т с я т а к и м о б р а з о м ,

ч т о б ы WL б ы л а р а в н а Wэ л .

 

 

- с о п р о т и в л е н и е к а т у ш к и и с х о д я и з п о с т о я н н о й в р е м е н и и и н д у к т и в н о с т и ;

 

 

- м а к с и м а л ь н ы й т о к ч е р е з с о л е н о и д ;

 

 

- ф у н к ц и я н а р а с т а н и я т о к а ч е р е з с о л е н о и д ;

 

 

Р и с . 1 . Г р а ф и к н а р а с т а н и я т о к а ч е р е з с о л е н о и д п е р в о й с т у п е н и .

 

 

- м а г н и т н а я э н е р г и я в с о л е н о и д е .

 

L1=3мГн; R1=8.6 Ом

Для остальных ступеней расчет индуктивностей производится аналогично. Ниже приведены значения индуктивностей и сопротивлений соленоидов.

L2 =0.23мГн; R2 =2Ом;

L3 =70мкГн; R3 =1Ом;

L4 =35мкГн; R4 =0.7Ом;

L5 =17мкГн; R5 =0.4Ом;

L6 =9мкГн; R6 =0.28Ом;

Расчет количества витков в соленоидах будем вести по эмпирической формуле Вилера с использование онлайн калькулятора7:

 

  • L - индуктивность (мкГн)

  • N - число витков катушки

  • R - средний радиус намотки (мм)

  • l - длина намотки (мм)

  • c - толщина намотки (мм)

 

Результаты расчета катушек соленоидов приведены в таблице.

№ Катушки

Число витков

Число слоев

Толщина провода, мм

Длина провода, м

Сопротивление катушки, Ом

1

614

18

0,5

37,39

3,33

2

180

9

0,7

9,83

0,45

3

92

7

1,2

5,56

0,1

4

65

6

1,5

3,83

0,04

5

45

5

1,8

2,7

0,02

6

33

4

2

1,9

0,01

2.4 Расчет емкости накопительного конденсатора.

Поскольку энергия, запасаемая в конденсаторе, пропорциональна квадрату напряжения на нем, то эффективней заряжать накопительный конденсатор до более высокого напряжения. Зададимся напряжением на накопительном конденсаторе 400В. Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

, где

Q –кинетическая энергия снаряда, 0.1- КПД ускорителя, U – напряжение на накопительном конденсаторе.

Подставив значения, получим емкость конденсатора равную 1508 мкФ. Такую емкость можно набрать, соединив параллельно несколько электролитических конденсаторов (например, 5шт К50-68-450В-330мкФ).

2.4 Конструирование электромагнитного ускорителя

В соответствии со структурной схемой (Приложение 1) ускоритель представляет собой трубку диаметром 5мм из диэлектрика, на которую одеты шесть катушек соленоидов. Каждый соленоид подключен через ключ к накопителю электрической энергии. Коммутация ключей осуществляется по сигналам от схемы управления, построенной на микроконтроллере (МК) Atmega8. Моменты времени, в которые происходит коммутация ключевых элементов, определяются по импульсам с фотодатчиков. Фотодатчики устанавливаются перед входом в каждый соленоид, что позволяет определять местоположение снаряда в разгонной трубе и формировать магнитные поля в соленоидах в нужные моменты времени.

Конструктивно ускоритель будет состоять из трех основных узлов, собранных каждый на своей печатной плате.

Первый узел – плата схемы управления на МК с преобразователем напряжения 12В в 400В.

Второй узел – плата накопителя электроэнергии с шестью ключами.

Третий узел – плата с установленными на нее фотодатчиками.

Все три узла имеют между собой электрические связи в соответствии со схемой электрической. Электрические принципиальные схемы и перечни элементов приведены в приложении 2.

В соответствии со структурной схемой были разработаны принципиальные электрические схемы всех трех узлов и разведены печатные платы. Схемы электрические и перечни элементов приведены в приложении.

2.5 Изготовление электромагнитного ускорителя масс.

По электрическим принципиальным схемам были разработаны топологии печатных плат в программе PCAD 2006 (Приложение 3). Затем платы были изготовлены методом фрезерования фольгированного стеклотекстолита. В приложении 4 приведены фотографии собранных печатных плат в регулировке.

Соленоиды мотались на предварительно выточенных деревянных каркасах с помощью дрели.

Для управления ускорителем была разработана программа для МК Atmega8. Текст программы на ассемблере, представлен в приложении 5.

Платы соединяются между собой с помощью кабелей.

Отладка устройства осуществлялась по отдельным узлам, которые затем стыковались друг с другом.

Глава 3

Применение прибора на практике.

3.1 Программа испытаний электромагнитного ускорителя масс.

Демонстрационные опыты с использование электромагнитного ускорителя масс на уроках физики в 9 и 11 классах:

1. Измерение КПД электромагнитного ускорителя масс путем измерения скорости снаряда.

2. Измерение КПД электромагнитного ускорителя масс путем измерения отклонения подвешенного тяжелого тела при попадании в него снаряда из ускорителя.

Электромагнитный ускоритель масс можно использовать на уроках ОЮЖ в 10 классах при изучении темы «Безопасность и защита человека в опасных и чрезвычайных ситуациях», как пример одного из видов оружия.

3.2 Методика испытаний

1. Для измерения КПД ускорителя необходимо замерить напряжение на конденсаторе до и после выстрела. Зная напряжения до и после разгона, можно рассчитать затраченную энергию по формуле:

Для определения энергии снаряда необходимо замерить его скорость. Скорость можно определить, если измерить время между импульсами с двух выходных фотодатчиков, тогда скорость будет равна расстоянию, между датчиками деленному на время между импульсами. Таким образом, кинетическая энергия снаряда равна:

, где

m – масса снаряда, V – скорость снаряда.

КПД ускорителя рассчитаем по формуле:

2. Для измерения КПД электромагнитного ускорителя масс возьмём груз массой 6кг подвешенной на нерастяжимой нити. При попадании снаряда в груз вся кинетическая энергия снаряда затрачивается на его подъем. Если измерить на какую высоту поднялся груз, можно рассчитать какой энергией обладал снаряд по формуле потенциальной энергии:

Для того чтобы измерить КПД электромагнитного ускорителя надо также знать затраченную электрическую энергии при выстреле из ускорителя.

Рассчитаем затраченную электрическую энергии и КПД таким же образом, как и в первом опыте.

Заключение.

Исходя из поставленной в проекте цели в процессе создания электронного ускорителя масс мной были реализованы следующие задачи:

- получены новые знания по теме «Электромагнитная индукция» с использование, как учебной литературы, так и интернет-порталов;

- в работе дано обоснование на актуальность проблемы проекта;

- я изучил принципы работы электромагнитного ускорителя;

- разработал техническое задание и провел все необходимые расчеты основных узлов для создания прибора;

- сконструировал и изготовил электромагнитный ускоритель масс с повышенным КПД, проведены его испытания;

- разработан перечень и апробированы на уроках физике в 9 классах демонстрационные опыты с использованием электромагнитного ускорителя масс. Так же мы расширили область применения демонстрационного прибора в рамках метапридметного использования. На уроках ОБЖ в 10 классах была продемонстрирована работа электронного ускорителя масс как одного из видов оружия при изучении раздела «Безопасность и защита человека в опасных и чрезвычайных ситуациях» по темам о различных типах оружия и их возможных угроз.

Список литературы

  1. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL Издательский дом «Додэка_XXI», М., 2008 г., 554 с.

  2. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма, «Стереотип», М., 1991 г., 288 с.

  3. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, том 1. «Физматлит», М., 1964 г., 544 стр. с илл.

  4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаргун В.М. Физика 11, «Просвещение», м., 2010Г., 339 С.

  5. Андре Мари Ампер[Электронный ресурс]//Наука мира: каталог статей. URL:http://www.naukamira.ru/publ/istorija/uchenye_fiziki/andre_mari_amper/5-1-0-40

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

  7. Перспективы использования электромагнитного ускорителя масс на практике [Электронный ресурс]// PANDIA URL: http://pandia.ru/text/78/185/100390.php

  8. Плюсы и минусы электромагнитного оружия [Электронный ресурс]// АИР, публикации. URL:http://www.innoros.ru/publications/analytics/15/plyusy-i-minusy-elektromagnitnogo-oruzhiya

  9. Расчет многослойной катушки [Электронный ресурс]// Программа расчета индуктивности катушек Coil32: информ.-справочный портал. URL:http://coil32.ru/calc/multi-layer.html

  10. Циолковский К.Э Исследование мировых пространств реактивными приборами [Электронный ресурс]// RARUS'S GALLERY URL: http://www.raruss.ru/russian-thought/601-tsiolkovsky.html

  11. Что такое электромагнитная индукция? [Электронный ресурс]// FB.ru URL: http://fb.ru/article/50764/chto-takoe-elektromagnitnaya-induktsiya

  12. Электромагнитная индукция [Электронный ресурс]//Википедия. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F

 

Приложение 1. Структурная схема ускорителя.

 

 

Приложение 2. Электрические принципиальные схемы электромагнитного ускорителя масс. Плата управления.

 

 

Плата накопителя энергии.

 

 

Приложение 3. Топологии печатных плат. Плата управления.

 

 

Приложение 3. Топологии печатных плат. Плата накопителя с ключами.

 

 

Плата фотодатчиков.

 

 

Приложение 4. Собранные печатные платы в регулировке. Плата управления.

 

 

Плата накопителя с ключами и плата фотодатчиков в сборе. На фотографии виден соленоид первой ступени ускорителя.

 

 

Соленоид первой ступени ускорителя.

 

Приложение 5. Применение электромагнитного ускорителя масс. Демонстрация работы прибора на уроках физики.

Приложение 5. Применение электромагнитного ускорителя масс. Урок ОБЖ.

1 Андре Мари Ампер[Электронный ресурс]//Наука мира: каталог статей. URL:http://www.naukamira.ru/publ/istorija/uchenye_fiziki/andre_mari_amper/5-1-0-40

2 Электромагнитная индукция [Электронный ресурс]//Википедия. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F

3 Циолковский К.Э Исследование мировых пространств реактивными приборами [Электронный ресурс]// RARUS'S GALLERY URL: http://www.raruss.ru/russian-thought/601-tsiolkovsky.html

4 Что такое электромагнитная индукция? [Электронный ресурс]// FB.ru URL: http://fb.ru/article/50764/chto-takoe-elektromagnitnaya-induktsiya

5 Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, том 1. «Физматлит», М., 1964 г., 544 стр. с илл.

6 Расчет многослойной катушки [Электронный ресурс]// Программа расчета индуктивности катушек Coil32: информ.-справочный портал. URL:http://coil32.ru/calc/multi-layer.html

7 Расчет многослойной катушки [Электронный ресурс]// Программа расчета индуктивности катушек Coil32: информ.-справочный портал. URL:http://coil32.ru/calc/multi-layer.html