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

МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПУШКИ
Гуторин В.Д.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитные явления широко используются в различных областях техники. Многие современные приборы, в том числе и оружие, работают с применением этих явлений. В последний год в СМИ появились сообщения о создании электромагнитной пушки. Испытания сверхсовременного оружия прошли в США и в России [1, 2]. Идея создания такого оружия не нова, принцип действия известен давно и достаточно прост. Оказывается, что прототип электромагнитной пушки можно создать в домашних условиях. Современное оружие, как и мирные технические устройства всё чаще имею электронную начинку для управления и наиболее эффективного использование.

В проекте используется возможность управления реальным объектом при помощи микроконтроллера, что показывает взаимосвязь инженерно-технических дисциплин на примере физики и информатики.

Постановка проблемы

Изучение электромагнитных явлений в школьной программе недостаточно охватывает техническое применения. В школьном учебнике приводятся устаревшие техническое устройства: электромагнит, электромагнитное реле и т.п. [3]. Все эти устройства известны с конца XIX века. Между тем, достижения науки широко используются в современных устройствах. Примером может служить электромагнитная пушка.

Электромагнитные пушки – это общее название установок, предназначенных для ускорения предметов (объектов) с помощью электромагнитных сил. Такие устройства называются электромагнитными ускорителями масс [4].

В основном все материалы, касающиеся возможных моделей электромагнитной пушки, предлагаются в сети интернет, при этом, как показал анализ источников [4, 5], чаще всего пользователями даются либо описания своих моделей, либо предлагаются видеоролики с рассказом о создании модели. Предложенные схемы изобилуют неточностями и, как показал личный опыт и опыт пользователей в сети интернет, часто не подлежат воспроизведению.

Поэтому в данной работе разработана собственная схема реализации модели электромагнитной пушки.

На наш взгляд, демонстрация возможностей технического применения достижений различных отраслей знания (физика, программирование), позволяет повысить интерес учащихся не только к учебному процессу, но и к творческому мышлению, созданию различных моделей устройств.

Автор работы, интересуюсь, современными разработками, в том числе и вооружений, делает попытку реализации собственных идей, в том числе и на примере использования в качестве управления сложными устройствами с помощью микроконтроллеров.

Цели и задачи

Цель работы: создание модели электромагнитной пушки с элементами управления с использованием микроконтроллера.

Задачи:

1. Проанализировать имеющиеся модели электромагнитной пушки, описанные в различных источниках.

2. Изучить теоретический материал из курса физики и информатики, необходимый для проектирования модели.

3. Создать действую модель электромагнитной пушки.

4. Изучить основы языка программирования, используемого для работы выбранного типа микроконтроллера.

5. Провести испытания электромагнитной пушки.

Определение доступных ресурсов

Для реализации проекта необходимо изучить учебный материал по теме «электромагнитные явления»; приобрести материалы, из которых будет изготовлена пушка.

Имеется опыт работы с аппаратно-программным средством для построения простых систем автоматики и робототехники Arduino.

Необходимы консультации с учителями физики и информатики.

Конструирование модели не требует специальных навыков.

Определение критериев результативности

Основным критерием результативности является действующая модель электромагнитной пушки.

Дополнительные критерии:

- воспроизводимость модели (возможность создания любым учеником в домашних или школьных условиях);

- востребованность модели для демонстрации электромагнитных явлений на уроках физики.

Теоретический раздел Краткий обзор теоретических сведений, необходимых для реализации проекта

Все вещества — твердые, жидкие и газообразные в зависимости от магнитных свойств делят на три группы: ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные.

К ферромагнитным относят материалы, способные сильно намагничиваться в магнитном поле. Например, железо, кобальт, никель и их сплавы.

Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам в тысячи раз слабее, чем ферромагнитные материалы. К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др.

Диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр.

Вокруг проводника стоком существует магнитное поле. Для получения однородного магнитного поля используют соленоид (катушку, у которой длина во много раз больше диаметра). Если внутрь соленоида ввести длинный железный сердечник и начнем пропускать ток по обмотке, то сердечник втянется внутрь катушки. При этом, если увеличить ток, то сердечник будет втягиваться с большей скоростью и даже появится с противоположной стороны соленоида, но вновь будет втянут внутрь соленоида.

Виды электромагнитных пушек

Электромагнитные пушки разделяют на следующие виды:

Рельсотрон – это устройство представляет собой электродный импульсный ускоритель масс. Работа этого прибора заключается в передвижении снаряда между двух электродов – рельс - по которым течет ток. Благодаря этому электромагнитные пушки такого типа и получили свое название – рельсотрон. В таких приборах источники тока подключаются к основанию рельс, в результате ток течет «вдогонку» движущемуся объекту. Магнитное поле создается вокруг проводников, по которым протекает ток, оно сосредоточено за движущимся снарядом. В результате объект, по сути, является проводником, который помещен в перпендикулярное магнитное поле, создаваемое рельсами. Согласно законам физики, на снаряд воздействует сила Лоренца, которая направлена в противоположную сторону от места подключения рельс и ускоряет объект.

Электромагнитные пушки Томпсона – это индукционные ускорители масс. В основу работы индукционных пушек заложены принципы электромагнитной индукции. В катушке устройства возникает быстро нарастающий ток, он вызывает в пространстве магнитное поле переменного характера. Обмотка намотана вокруг ферритового сердечника, на конце которого находится токопроводящее кольцо. Благодаря воздействию магнитного потока, который пронизывает кольцо, возникает переменный ток. Он создает магнитное поле, имеющее противоположную, полю обмотки направленность. Проводящее кольцо своим полем отталкивается от противоположного поля обмотки и, ускоряясь, слетает с ферритового стержня. Скорость и мощность вылета кольца напрямую зависят от силы импульса тока.

В данном проекте моделируется пушка по схеме близкой к схеме Томсона, только в качестве снаряда используется не кольцо, а стержень их ферромагнитного материала.

Практический раздел

Как было сказано выше при разборе теоретического материала, при достаточном значении силы тока в катушке сердечник будет втягиваться с большей скоростью и даже появится с противоположной стороны соленоида, но вновь будет втянут внутрь соленоида.

Для того чтобы стержень из ферромагнитного материала вылетел из соленоида, необходимо вовремя отключить ток в цепи. Использование обычного выключателя затруднено временем реакции человека. Схемы, в которых в качестве источника питания используется заряженный конденсатор, требуют дополнительных элементов (триоды, терристоры и т.п.), что не только усложняет схему, но и усложняет восприятие иллюстрируемого физического явления, поэтому в выбранной схеме реализуется возможность управления пушки с помощью микроконтроллера.

Создание концепции проекта

Принцип работы электронной пушки: на катушку подается напряжение, создается магнитное поле, которое толкает снаряд вперед.

В качестве проекта выбрана простейшая модель:

- ствол - тонкостенная трубка, изготовленная из немагнитного материала, на которую наматывается катушка из медного провода;

- источник постоянного тока – школьный прибор источник постоянного и переменного напряжения В-24;

- в качестве «снаряда» используется обрезок гвоздя;

- качестве управляющего элемента используется реле и микроконтроллера на платформе Arduino.

В дальнейшем возможна модернизация проекта: добавление в схему питания конденсатора и переход на питание от аккумулятора.

Программа управления микроконтроллером

Программа написана с использованием языка программирования C++, адаптированного для платформы Arduino.

void setup() {

// put your setup code here, to run once:

ledPin = 8;

pinMode(ledPin, OUTPUT);

}

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

digitalWrite(ledPin, HIGH);

delay(33);

digitalWrite(ledPin, LOW);

delay(33);

digitalWrite(ledPin, HIGH);

delay(777);

digitalWrite(ledPin, LOW);

delay(777);

}

Реализация плана, корректировка

Основные этапы проекта были реализованы в выбранные сроки с незначительной корректировкой.

При написании программы на микроконтроллер возникла не предусмотренная ранее проблема. Для передачи сигнала использовалась кнопка, при нажатии она замыкала схему. То есть при нажатии на кнопку сигнал подаётся на реле, после чего оно срабатывает. В моей программе использовались так называемые "временные задержки"(временные задержки - это задержка одного из состояний цифрового выхода, это либо HIGH, либо LOW). В результате использования "временных задержек" происходили колебания кнопки (при замыкании на кнопку микроконтроллер неправильно считывает её состояние).

Для устранения проблемы возникла необходимость корректировки программы с помощью задержки при считывании сигнала. И если раньше микроконтроллер быстро считывал информацию, которая была не точной, так как при нажатии или отключении кнопка вибрировала. Теперь же микроконтроллер считывает информацию не моментально, а в течении 30 милисекунд - это позволяло правильно считать информацию о состоянии кнопки.

Заключение

При реализации проекта использованы знания и технологии, выходящие за рамки школьного курса (в том числе и в ой части, что изучается на уроках физики на момент реализации проекта), что уже является личностным достижением.

Модель электронной пушки является ярким примером для демонстрации использования теоретических сведений на практике.

Оценка эффективности и результативности

Проект был выполнен по начальному плану. При его реализации пришлось внести лишь незначительные коррективы в программу микроконтроллера и дополнить схему реле, которое не предусматривалось первоначальным вариантом.

Демонстрация во время работы над проектом, на секционном и пленарном заседании школьной научно-практической конференции вызвала неподдельный интерес со стороны педагогов и учащихся.

В дальнейшем модель будет использоваться на уроках физики для демонстрации использования электромагнитных явлений в 8 и 11 классе.

В дальнейшем проект будет имеет продолжение: увеличится число катушек до 4-х, что позволит разгонять «снаряд» до больших скоростей. Эта работа потребует принципиального изменения не только конструкции, но и схемы управления.

Список использованных источников и литературы

1. Сычёв В. Разгон болванки до сверхзвуковой скорости. Что такое рельсотрон и когда он появится на вооружении. [Электронный ресурс] // Информационный сайт «Медуза». 5 июня 2016 года. URL: https://meduza.io/feature/2016/06/05/razgon-bolvanki-do-sverhzvukovoy-skorosti (дата обращения: 12.11.2016)

2. Российские ученые впервые испытали электромагнитную пушку-рельсотрон. [Электронный ресурс] // РИА НОВОСТИ, 12 июля 2016 года. URL: https://ria.ru/science/20160712/1464554120.html (дата обращения: 18.11.2016)

3. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2013.

4. Южная К. Электромагнитные пушки: описание, виды. [Электронный ресурс] // FB.ru. December 30, 2013. URL: http://fb.ru/article/122232/elektromagnitnyie-pushki-opisanie-vidyi (дата обращения: 11.01.2017)

5. Электромагнитная пушка. [Электронный ресурс] // Сделай сам. 31.01.2010. URL: http://www.rukikryki.ru/electo/29-yelektromagnitnaya-pushka.html (дата обращения: 11.01.2017)

Приложение. Фотографии электромагнитной пушки