XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание электромагнитного ускорителя масс. Пушка Гаусса
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В данном проекте я собираюсь на практике применить все свои знания физики за 8-10 класс и сделать венец электромагнитного оружия – Пушку Гаусса, пускай, и в её упрощённом виде. Всё делать буду сам, кроме сложных частей, о которых ещё расскажу.
Актуальность
Я решил создать ЭМУМ (электромагнитный ускоритель масс), потому что для меня из нескольких вариантов этот оказался наиболее интересным и сложным. Придётся использовать знания из разных сфер и разные аспекты прикладной физики, в итоге я постараюсь сделать модель данного орудия.
Проблема
Многие люди считают физику и электротехнику чем-то сложным и пугающим, так как сейчас не каждый готов тратить много времени на изучение этого предмета, а тем более на изучение сложных тем для её использования в жизни. В наше время и даже в нашей школе нет факультативов или уроков электротехники, поэтому приходится изучать весь материал самостоятельно, несмотря на то, что физика и электротехника, это те сферы деятельности, которые будут актуальны всегда.
Цель
Целью проекта является создание одной из установок Гаусса из доступных материалов.
Для достижения этой цели ставятся основные задачи
Изучить основные свойства и явления, происходящие с телами, в эм (электромагнитном) поле;
изучить и проанализировать литературу по магнитной индукции;
изучить принцип работы электромагнитного ускорителя;
проанализировать литературу и практические работы;
научиться умело пользоваться паяльником;
найти схему установки, которую буду воссоздавать;
рассчитать основные параметры ускорителя;
спроектировать электромагнитный ускоритель;
по схеме собрать ускоритель;
провести эксперименты;
сделать презентацию проекта по теме «Электромагнитный ускоритель масс».
Гипотеза
Возможно создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в бытовых условиях.
Идея создания и назначение проекта
Как оказалось, в окружении своих друзей я единственный увлекаюсь физикой и электроникой настолько сильно, что воспринимаю это как хобби. Мы все любим игры и играем в игры, в которых не редко используется футуристическое оружие и технологии, которые кажутся невозможными, одним из таких видов оружия является пушка Гаусса. Я давно хотел сделать что-то подобное, но никогда не решался, так как у меня не хватало ни времени, ни знаний. В итоге школьный проект стал отличной возможностью попрактиковаться в электротехнике и освежить знания физики за прошлые школьные годы.
ТЕОРИЯ
Пушка Гаусса - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Нам следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, как моя, так как не является достаточно эффективным для практической реализации на поле боя.
Разновидности и историческая справка
Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ или ЭМУМ) - общее название установки для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил.
ЭМУ принято подразделять на три вида:
Рельсотрон
Катушка Томпсона
Пушка Гаусса
Рельсотрон – электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы Ампера.
Термин «рельсотрон» был предложен в конце 1950-х годов советским академиком Львом Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы». Причиной разработки подобных устройств, являющихся перспективным оружием, стало то, что, по оценкам экспертов, использование порохов для стрельб достигло своего предела — скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек.
В 1970-х годах рельсотрон был спроектирован и построен Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета.
Принцип его действия
Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых рельсами, подключённых к источнику мощного постоянного тока. Разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение вследствие силы Ампера, действующей на замкнутый проводник с током в его собственном магнитном поле. Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.
Катушка Томпсона (рис.2) – индукционный ускоритель масс.
В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо, в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.
Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.
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).
|
Рис. 1 Gauss gun |
Рис. 2 Катушка Томпсона |
Рис. 3 Рельсовая пушка |
В итоге, современные технологии позволяют применять свойства электромагнитов в абсолютно разных сферах, начиная от строительства и заканчивая ветеринарией. Оружие также входит в этот список, существует, как минимум 3 типа ускорителей масс: электромагнитные ускорители масс (Gauss gun (рис.1)), индукционные ускорители масс (например, катушка Томпсона (рис.2)), рельсовые ускорители масс (Rail gun – рельсовая пушка (рис.3))
Мне кажется, посмотрев на третье изображение, можно понять, что мы собираемся делать вовсе не это, а скорее что-то напоминающее ЭМУ на первом изображении. Рассматривать строение и принцип работы каждого из них мы не станем, поэтому займёмся изучением только того с которым будем работать. В планах сделать для начала работающий прототип, который будет соответствовать произведённым расчётам и сможет выдавать для меня устраивающую скорость снаряда, только после успешного испытания и замеров всего, что меня интересует, я возьмусь за вторую версию данного устройства и поработаю над её внешним видом.
Другие сферы применения
Применить электромагнитный ускоритель масс можно не только в качестве оружия. Также его можно применить в строительстве.
В настоящий момент в строительной отрасли используются несколько видов инструментов пистолетного типа.
Электромагнитный ускоритель масс можно применять в строительстве в качестве альтернативы строительно-монтажных пороховых пистолетов. В чем же преимущество такой замены?
Во-первых, это простота и надежность электромагнитного ускорителя. Если строительный пистолет требует особого ухода, смазки, смены ствола и определенных деталей, то электромагнитный ускоритель масс ни в чем этом не нуждается.
Во-вторых, при работе со строительным пистолетом используются противошумные наушники, электромагнитный ускоритель масс производит абсолютно бесшумный выстрел.
В-третьих, в электромагнитном ускорителе масс можно использовать любой гвоздь, который свободно помещается в стволе, а в строительном пистолете только определенный вид гвоздей.
И наконец, в современных условиях наиболее экологической и дешёвой является электрическая энергия.
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)
Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики.
Также электромагнитный ускоритель масс можно использовать в качестве начального толчка для запуска спутников или космических кораблей на орбиту, но для этого понадобится дополнительное экранирование всей электроники в космическом корабле, а ещё защитить экипаж от моментальных перегрузок.
И как мы уже рассматривали, его можно использовать как оружие, в разработку электромагнитного оружия министерство обороны США в 2009 году вложило 36 млн. долларов, а к концу первой фазы программы - в 2011 году – затратило еще 136,7 млн. долларов. К сожалению, в Российской Федерации подобной программы пока нет. Какими бы преимуществами ни обладало электромагнитное оружие, и какие бы перспективы не внушало его использование, в настоящее время достаточно трудно судить о том, будет ли оно когда-нибудь содержаться на постоянном вооружении. На данном этапе развития науки подобный тип оружия развит довольно слабо и для большинства людей остается просто красивой сказкой.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Почему для проекта выбрана пушка Гаусса
Выбор пал на неё не случайно, как описывалось выше, во многих играх и фильмах используется вооружение именно такого вида, это был первый фактор, что подталкивал меня к выбору именно этой разновидности ускорителя. Но также можно выделить и более существенные, например, если рассматривать проект с точки зрения сложности, то пушка Гаусса - это золотая середина между чем-то чересчур простым и невообразимо сложным. Катушку Томпсона, даже если не особо утруждаться, можно сделать быстро, так как самое сложное во всём процессе – намотка соленоида вокруг сердечного штыка. Но нас совсем не интересует настолько легкий результат. Рельсотрон (тот же Rail gun) конечно можно сделать и в меньших масштабах, и с меньшей мощностью, но при любом исходе это будет куда дороже и дольше, так как для разгона даже небольшого снаряда до 30 м/с необходимо очень много толстой медной обмотки в несколько слоёв, покрытой качественным диэлектриком. ЭМУМ того типа, что было принято создавать, можно собрать из недорогих компонентов, а их можно приобрести в ближайшем магазине радиотехники, но преобразователь напряжения придётся заказывать в интернете.
Поиск схемы
Рис. 4 Усложненная схема
Изначально мне казалось, что придётся самостоятельно разрабатывать и проектировать схему сборки, но как оказалось в интернете их огромное множество разной сложности, дабы не изобретать велосипед, мы остановимся на предложенном варианте (рис.4), упростив её и исключив из него, то, что никак не повлияет на работу. Так схема будет более понятной (рис.5) для восприятия.
Рис. 5 Упрощённая схема
Далее остановимся и рассмотрим за что отвечает каждая деталь и как нам стоит производить расчёты для работы всей установки.
Принцип работы
Пушка Гаусса состоит из медной катушки, внутри которой находится диэлектрический ствол. В один конец ствола вставляется снаряд. При протекании тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, втягивая его внутрь катушки. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. Для лучшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и очень мощным. Для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким напряжением.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индуктивность магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. В этом случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.
Если усложнить конструкцию и использовать для разгона сразу несколько соленоидов, то можно добиться намного большей эффективности оружия (мы не станем этим заниматься). Для расчета точных параметров катушки, вольтажа и массы снаряда будем использовать специальную программу femm42, которая была создана для таких расчетов.
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости снаряда, энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела, в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача, большая надежность и 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 %. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки.
Вторая трудность — чрезвычайно большой расход энергии (из-за низкого КПД), который не позволяет использовать весь потенциал магнитного поля.
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности. Если рассматривать гигантские ускорители, то они могут выдавать очень большие скорости, невероятную подавляющую мощь и просто нагонять ужас одним видом, но суть в том, что они неподвижны. Их размеры не позволяют перемещать конструкцию, так как ей нужна постоянная запитка от высокого напряжения, а в наше время мало кто носит в своих карманах атомную электростанцию.
Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею, пример которой был описан чуть выше), 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 влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.
Пятая трудность — с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.
Формулы необходимые для промежуточных вычислений:
Энергия на конденсаторе:
Кинетическая энергия снаряда:
Время разряда конденсатора:
Стоит сразу оговорить, так как все эти формулы использует программа femm42, нам не придётся делать по ним сложных точных расчётов, только приблизительные.
О программе femm42
Даная программа создана для того, чтоб решать подобные задачи, связанные с магнетизмом. Рассказать о ней что-то большее трудно, так как она больше не для чего и не нужна. Углубляться в настройки мне кажется лишним, а описать то, как производятся расчеты, будет полезно для понимания всего процесса, происходящего внутри установки
В программу встроен скрипт, который позволяет по ранее заданным параметрам строить физическую модель того, что мы желаем получить. Во время построения модели программа просчитывает интересные для нас параметры, в моём случае это КПД и конечная скорость. Симуляция выстрела происходит так, как показано на рисунках (рис. 6, рис. 7):
|
Рис. 6 Начало симуляции |
Рис. 7 Конец симуляции |
Кстати, проецирования физической модели и расчёты процессов в ней могут занимать совершенно разное время, в зависимости от сложности.
|
Например, изображение данной симуляции занимало от 15 до 40 минут. Благодаря программе можно получить приблизительные значения скорости и КПД, если установка будет сделана без отступлений в расчетах (рис. 8). |
|
|
Рис. 8 Расчёты |
КПД в полтора процента это довольно неплохой показатель для таких ускорителей!
Описание основных элементов для сборки
Как правило, основой для начала работы над ускорителем являются конденсаторы, параметры которых и определяют параметры будущего магнитного устройства. Любой конденсатор характеризуется электроемкостью и максимальным напряжением, до которого его можно заряжать. Кроме того, конденсаторы бывают полярные и неполярные – практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Очень важно правильное его подключение – положительный заряд подаем к выводу с плюсом, а отрицательный к минусу.
Примерную скорость снаряда уже знаем. Так как длина его известна, то можно найти примерную длину обмотки соленоида. Она равна длине снаряда. Теперь рассчитаем параметры обмотки. Обмотка должны быть такой, чтобы при выстреле к моменту подлета гвоздя к её середине ток в ней уже был бы минимален, и магнитное поле не мешало бы гвоздю вылетать с другого конца обмотки (для этого используем всё те же данные из femm42).
Также важно хорошо понимать необходимое входное напряжение, и его источник. В конкретно нашем случае, будем использовать 2 кроны по 9 вольт каждая, вместо одной 18-ти вольтовой, так как у меня уже были два отсека для крон, и купить для них по источнику выходило немного дешевле.
Остальные компоненты и их характеристики не играют особой роли, небольшие отклонения от значений не способны сильно повлиять на конечный результат.
Ход работы
Начнем работу с поиска и покупки конденсатора, в интернете или радиомагазинах не сложно найти конденсаторы любой ёмкости, мы будем использовать комплект из двух штук за 700 рублей (рис. 9). Ёмкость у каждого 1000 мкФ, максимальное напряжение 400 В (этого должно быть достаточно).
|
Рис. 9 Конденсаторы |
Рис. 10 Преобразователь |
Далее, нам пригодится преобразователь напряжения. Делать его своими руками небезопасно и трудозатратно, а себестоимость будет даже больше, чем у готового из магазина, поэтому было решено купить его в собранном виде, после чего просто подкрутить преобразовывающую катушку до нужного напряжения в 390-400 В (рис. 10). Регулятор на преобразователе выглядит таким образом (рис. 11)
|
Рис. 11 Регулятор |
Рис. 12 Источник питания |
Также нужно последовательно (с одной полярностью!) соединить два отсека для крон, чтобы превратить две кроны по 9 вольт, в один источник на 18 вольт (рис. 12).
Один из самых главных компонентов, а именно соленоид, было решено намотать самостоятельно, все 27 метров провода, вышло не очень аккуратно, но так как каждый слой лучше промазывать эпоксидной смолой, переделывать что-либо уже было не вариантом. Основой для катушки послужила пластиковая трубка, которую можно напечатать на 3D принтере, как это сделал я ещё в прошлом году. Можно заметить, что один из концов катушки более плотный, я решил сделать его таким для того, чтоб к моменту выхода снаряда из ствола, он мог продолжать создавать ускоряющее магнитное поле для снаряда (рис. 13).
|
Рис. 13 Соленоид |
Рис. 14 Работающий преобразователь |
Все оставшиеся компоненты являются рядовыми, поэтому рассказывать о них мне кажется излишне. В список таких деталей входят: тиристор (для переключения сигналов), резистор (необходимое сопротивление), трёх-контактный переключатель, обычная кнопка, и диод (нужен, чтоб конденсатор не выбило в момент быстрой разрядки).
Осталось лишь собрать всё воедино согласно схеме и проверить работоспособность. То, что будет являться источником высокого напряжения, от которого конденсатор и будет заряжаться, в собранном виде (рис. 14).
Далее нам нужно подсоединить конденсатор, всё просто, минус диода к плюсу конденсатора, и провода к преобразователю (рис. 15). На этом этапе важно проверить работу преобразовывающего элемента.
|
Рис. 15 Конденсатор с диодом |
Рис. 16 Тиристор |
Для этого достаточно зарядить конденсатор и разрядить его, например, отверткой. Должен прозвучать характерный хлопок, достаточно громкий, он будет означать, что заряд на конденсаторе накапливается.
После этого нам можно подсоединить кнопку для подачи сигнала на тиристор. На этом этапе у меня случилась большая проблема, тиристор, который я купил, оказался бракованным. Из-за этого с преобразователем случились неполадки, он перестал принимать напряжение (я не смог разобраться с чем это связано), впоследствии чего перестал заряжаться конденсатор, а это значит только одно: придётся менять тиристор и преобразователь. Времени на это уже не было, так как новый тиристор ждать около двух недель (в нашем городе я не нашёл подходящего, только на складе в другом регионе), а преобразователь ещё дольше. Из-за внезапных неудобств завершить продукт мне не удалось. Далее будет изображение тиристора (до происшествия (рис. 16)).
Так как ускоритель не удастся завершить к намеченному сроку, целесообразно будет признать, что конечной цели достигнуть не удалось, но была проделана очень большая работа, и возможно, в следующий раз, опыт будет более удачным.
ВЫВОДЫ
Мой проект оказался действительно актуальным, много полученных знаний я смогу использовать при дальнейшей учёбе, и они могут помочь мне в поступлении. Реализовывать даже его часть было не просто, но очень интересно, возможно, этот проект можно будет использовать в образовательных целях.
После первой попытки изготовления магнитного ускорителя, и анализа изученной нами информации, можно сделать несколько выводов:
Мощность электромагнитного ускорителя масс зависит от напряжения конденсаторов, от параметров соленоида и емкости конденсаторов. Многоступенчатые ускорители эффективнее, чем одноступенчатые, но их конструкции во много раз сложнее. Также КПД любого электромагнитного ускорителя масс невысокий, и это главный его недостаток. При подобных экспериментах всегда стоит учитывать, что оборудование может подвести в любой момент, и им стоит запастись.
Исходя из поставленной в проекте цели в процессе создания электронного ускорителя масс мной были реализованы почти все, поставленные мной, задачи. Я прочитал много полезной литературы, лучше разобрался со сферой электротехники и смог самостоятельно разработать модель ЭМУ. Цель не была достигнута в полной мере, установка Гаусса из-за неисправности некоторых частей не работала.
Гипотезу проекта можно считать подтверждённой. ЭМУ действительно можно собрать в бытовых условиях, при наличии некоторых знаний, навыков и исправных деталей.
Данный проект можно рассматривать в качестве пособия для углубленного изучения темы магнетизма на уроках физики, так как многое из того, что мы с вами изучили, не проходят в школьном курсе. Также, материалы этой работы можно будет использовать на уроках ОБЖ, при изучении темы о разных видах оружия.
Как итог, мы с вами почти смогли воссоздать устройство, которое многим до сих пор кажется чем-то удивительным, из доступных материалов!
Список использованных источников:
kjmagnetics.com; https://www.kjmagnetics.com/blog.asp?p=gauss-guns
school-science.ru; https://school-science.ru/4/11/630
deltaveng.com; https://www.deltaveng.com/gauss-machine-gun/
wikipedia.org; https://en.wikipedia.org/wiki/Coilgun
cxem.net; https://cxem.net/tesla/tesla24.php
Полещук В.А. «Пособие по решению задач на магнетизм», Москва, под ред. МФТИ, 2000 год, 112 стр.
Демков В.П., Третьякова О.Н., «Физика. Теория. Методика. Задачи», Москва, «Высшая школа», 2001 год, 669 стр.
Касаткина И.Л., «ФИЗИКА для старшеклассников и абитуриентов. ИНТЕНСИВНЫЙ КУРС», Москва, «Омега-Л», 2012 год, 733 стр.
Пинский А.А. «Физика 9 класс», «ПРОСВЕЩЕНИЕ», 1998, 446 стр.