Изготовление и изучение характеристик Гауссовой пушки

XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Изготовление и изучение характеристик Гауссовой пушки

Голованов А.В. 1
1МАОУ "Гимназия №1"
Тажиев Р.Р. 1
1МАОУ "Гимназия №1"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Пушка Гаусса — популярное в произведениях фантастического и научно-фантастического жанров оружие. Вот как описывает американский писатель-фантаст Гарри Гаррисон это оружие в своей книге «Месть Стальной Крысы». Цитата из книги: «Каждый имел при себе гауссовку — многоцелевое и особо смертоносное оружие. Его мощные батареи накапливали впечатляющий заряд. Когда нажимали на спуск, в стволе генерировалось сильное магнитное поле, разгоняющее снаряд до скорости, не уступающей скорости снаряда любого другого оружия с реактивными патронами.».

Актуальность проекта: гонка вооружений между ведущими странами вынуждает их иногда прибегать к нетривиальным разработкам. Таким, например, был рельсотрон, разработка которого на протяжении 16 лет велась ВМС США. Принцип действия пушки Гаусса практически идентичен принципу действия рельсотрона. Поэтому, было бы интересно узнать, как она работает и собрать её рабочий макет.

Цель работы: изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.

Задачи:

  1. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

  2. Собрать рабочую модель

  3. Измерить эффективность модели

Понятие и простейшее устройство пушки 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.

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.

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.

Краткая информация о Карле Гауссе

Гаусс, Карл Фридрих (рис.1) — немецкий математик, физик, геодезист, лауреат научных премий член многих учёных сообществ (в том числе Лондонского королевского общества, Петербургской академии наук).

 

рис. 1

Карл Фридрих Гаусс

Родился в немецком герцогстве Брауншвейг 30 апреля 1777 года. С учителем ему повезло: М. Бартельс (впоследствии учитель Лобачевского) оценил исключительный талант юного Гаусса и сумел выхлопотать ему стипендию от герцога Брауншвейгского.

Гаусс некоторое время колебался в выборе между филологией и математикой, но предпочёл последнюю. Он очень любил латинский язык и значительную часть своих трудов написал на латыни; любил английскую и французскую литературу, которые читал в подлиннике.

С именем Гаусса связаны фундаментальные исследования почти во всех основных областях математики: в алгебре, теории чисел, дифференциальной и неевклидовой геометрии, математическом анализе, теории функций комплексного переменного, теории вероятностей, а также в аналитической и небесной механике, астрономии, физике и геодезии. «В каждой области глубина проникновения в материал, смелость мысли и значительность результата были поражающими.

В физике Гаусс развил теорию капиллярности, теорию системы линз. Заложил основы математической теории электромагнетизма и при этом первым ввёл понятие потенциала электрического поля, а в 1845 г. пришёл к мысли о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий. В 1832 г. создал абсолютную систему мер, введя три основные единицы: единицу длины — 1 мм, единицу времени — 1 с, единицу массы — 1 мг; эта система послужила прообразом системы единиц СГС. Совместно с Вебером Гаусс построил первый в Германии электромагнитный телеграф. Изучая земной магнетизм, Гаусс изобрёл в 1837 г. униполярный магнитометр, в 1838 г. — бифилярный.

В возрасте 62 лет Гаусс начал изучать русский язык, чтобы ознакомиться с трудами Лобачевского, и вполне преуспел в этом деле.

Вопреки названию пушки, Гаусс её не изобретал. Устройство получило имя учёного за вклад последнего в изучение электромагнетизма.

Пушка Гаусса как альтернатива современному оружию.

Плюсы

  • В сравнении с огнестрельным оружием, практически бесшумное

  • Боеприпасом может выступать любой проводящий ток предмет

  • Нет гильз

  • Малая отдача

  • Теоретическая возможность работы в космосе

Минусы

  • Очень маленький КПД. Редко, когда достигает хотя бы 27%, в основном менее 10%.

  • Огромные затраты электроэнергии (из-за маленького КПД)

  • Большие габариты пушки(из-за огромных затрат энергии)

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. Теоретически перспективы, конечно, возможны, 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.

Основная часть.

Для сборки устройства (рис.2) нам понадобятся:

  • Конденсатор (я буду использовать 2 конденсатора по 1000мкф, рассчитанных на напряжение 100В) (рис.3)

  • Ключ

  • Катушка (150-200 витков, длина обмотки 5 см) (рис.4)

  • Тиристор (триодный, проходное напряжение не менее 100В, напряжение управления 1.5В; в моём случае — КУ202Н)

  • Лампочка (40Вт 200В)

  • Диод IN4004(в моём случае 4 других диода, их совокупность эквивалентна этому диоду) (рис. 5)

  • Батарейка (1.5В)

  • Провода соединительные

  • Снаряд (в моём случае обрубленный гвоздь массой 0,36 грамм)

 

рис.2

Именно так выглядит собранная цепь.

рис.3 Конденсаторы рис.4 Катушка

рис.5 Часть диодного моста

Составим схему (рис.6).

рис.6 Первая схема

Что происходит в этой схеме? Схема подключается к источнику переменного тока 220В. Четыре последовательно впаянных диода образуют диодный мост. Этот мост выпрямляет ток, делает его постоянным. Лампочка забирает на себя практически половину напряжения.

От напряжения 110-115В заряжаются конденсаторы. Соответственно в это время лампочка горит. По мере заряжения конденсаторов, лампочка тускнеет, т. к. заряженный конденсатор не пропускает в сети ток.

С помощью мультиметра всё это время проверяем напряжение на конденсаторах. Так как два конденсатора включены в сеть параллельно, то их общее напряжение U=U1=U2=100В, а ёмкость C = C1+C2=1000+1000=2000мкФ.

Когда лампа потухла (а, значит, конденсаторы зарядились), замыкаем ключ, на управлении тиристора появляется напряжение от батарейки в 1,5В. Напряжение открывает тиристор и ток проходит с конденсатора на катушку. Конденсаторы быстро разряжаются, но создают большую индукцию на катушке. Образуется магнитное поле, которое и приводит в движение металлический снаряд.

Для чего нужен тиристор? Этот элемент — полупроводник. Когда на управление подаётся напряжение (в этом случае от 1.5 до 7 В) анод и катод тиристора замыкают цепь. Мой тиристор — незапираемый. Это значит, что когда на управление прекратит поступать напряжение, но на аноде и катоде напряжение всё ещё будет, тиристор будет открыт. Закроется он лишь тогда, когда ток, проходящий через него, будет меньше тока удержания.

Собранная цепь работала. Несколько раз (5 или 6) пушка стреляла, но потом конденсаторы прекратили заряжаться. Моё подозрение сразу пало на тиристор. И не зря. Как оказалось, подключая пушку к сети, напряжение не задерживалось тиристором, хотя на его управлении не было напряжения. Это означало, что тиристор не может сдерживать требуемое напряжение, хотя прозвонку мультиметром, якобы показавшую его исправность, он прошёл.

Вслед за тиристором был удалён старый ключ, который оказался пробитым. Конструкцию тиристор-ключ-батарейка заменил автомат (200-400В, 32А).

Цепь сильно упростилась, но она всё ещё рабочая (рис.7).

рис.7 Вторая схема

Эту простую цепь можно улучшить, а именно:

  • Добавить больше конденсаторов, или заменить имеющиеся на другие, с большей электроёмкостью.

  • Добавить кнопку до лампы, чтобы зарядка конденсаторов могла быть остановлена или возобновлена без того, чтобы отключать прибор от розетки.

  • Добавить корпус

  • Улучшить катушку (намотать больше витков), тем самым увеличив её индуктивность.

Выяснение характеристик модели.

Подсчёт скорости снаряда.

Записав выстрел на видео, несложно подсчитать скорость снаряда, выпущенного из пушки. В современных видеоредакторах (например, Sony Vegas) можно замедлить видео в десятки раз и точно узнать: какое расстояние за какой отрезок времени снаряд прошёл.

Другой способ подсчёта — записать на диктофон звуки рядом с преградой, в которую вонзится снаряд. Снаряд с шумом ударяется о преграду, а по пикам звука на записи мы можем выявить время полёта.

Подсчёт энергии.

Энергия движения снаряда

E(k) = (m*v^2)/2, где m – масса снаряда, v – его скорость

В моём случае: v= 10м/с

E(k) = 0,2 Дж.

Энергия конденсатора

w = (C*U^2)/2, где C – ёмкость конденсатора, U – напряжение на его обкладках;

W = 10Дж.

Подсчёт КПД.

КПД = А(полезное)/А(затраченное)

В этом случае А(полезное) — это энергия движения снаряда, а А(затраченное) — это энергия конденсатора.

КПД = 0.2/10=2%

Для самодельной катушки гаусса такой КПД может считаться средним, хотя профессионалы добиваются КПД около 10%.

Характеристики катушки индуктивности.

Индуктивность можно вычислить по формуле (рис.8)

Рис.8 Вычисление индуктивности катушки

l = 5 cm, w = 170, R =1 cm, d = 5 mm

Подставляю значения, L = 0.0001796 = 180 мкГн

Заключение:

Поставленные задачи были выполнены, а цель работы достигнута. У меня получилось собрать пушку Гаусса и измерить её КПД, который оказался равен двум процентам.

В окончании работы стоит отметить, что пушка Гаусса сейчас — отличный наглядный пример действия электромагнитной индукции – хорошее пособие для изучающих физику, но никак не оружие, выдерживающее хоть какую-то конкуренцию с современными разработками.

Поняв бесперспективность электромагнитного ускорителя частиц, ВМС США прикрыли финансирование этих разработок в 2021 году.

Список используемых источников и литературы:

  • http://www.popmech.ru/article/3629-vyistrel-v-buduschee/

  • https://dni.ru/tech/2010/12/11/204224.html

  • https://habr.com/ru/company/ruvds/blog/583914/

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

  • https://habr.com/ru/post/488540/

  • Учебник физики 10 класс под редакцией Пинского

Просмотров работы: 80