VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИЗУЧЕНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УСКОРИТЕЛЯ МАСС
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На просторах Интернета немало различной информации о пушке Гаусса. Подобные пушке Гаусса конструкции часто встречаются в видеоиграх, но почему же мы не видим их применения в реальной жизни? Барьер практического применения пушки Гаусса – это низкий КПД установки? Этот вопрос нас и интересует: что влияет на КПД пушки Гаусса?
Гипотеза:
1)Если увеличить ёмкость конденсатора, то КПД пушки Гаусса увеличится.
2)Если увеличить индуктивность катушки, то КПД пушки Гаусса увеличится.
Цель работы:
Опытным путём определить, как возможно увеличивать или уменьшать коэффициент полезного действия пушки Гаусса.
Объект исследования: электромагнитный ускоритель масс(пушка Гаусса).
Предмет исследования:КПД пушки Гаусса.
Задачи:
1) Определить, как ёмкость конденсатора влияет на КПД пушки Гаусса?
2) Определить, как индуктивность катушки влияет на КПД пушки Гаусса?
3) Определить, как зависит КПД от массы снаряда?
Краткое описание пушки Гаусса.
Мы знаем, что электрический ток, проходя то проводникам, создает вокруг них электромагнитное поле. Таким образом, ток, проходящий через катушку, создает мощное магнитное поле, если поместить ферромагнитное вещество в полость катушки (снаряд, изготовленный из железа) , то оно втянется в её середину магнитным полем. Движение снаряда после прекращения действия магнитного поля продолжается по инерции. На этом и основано действие пушки Гаусса.
Для наибольшего эффекта импульс тока в катушке должен быть непродолжительным и мощным. В нашем случае источником этого импульса будут два электролитических конденсатора рассчитанные на напряжение 150вольт каждый, емкостью 2000 мкФ каждый.
Теоретические обоснования, расчётные характеристики для пушки Гаусса.
Энергия, накапливаемая в конденсаторах:
C- Ёмкость конденсатора
U- Напряжениена конденсаторе
Мощность активных потерь:
Сопротивление проводников:
- удельное сопротивление проводника[Ом/м]
l- длина проводника[м]
S- площадь поперечного сечения проводника [м2]
Потенциальная энергия снаряда:
m- масса снаряда[м]
h- максимальная высота снаряда[м]
Индуктивность катушки – L[Гн]:
N– число витков
-магнитная постоянная 4π*10^(-7)Гн/м
Энергия магнитного поля катушки индуктивности:
I-сила тока в проводнике[А]
L- индуктивность катушки[Гн].
Все единицы измерения выражены в системе СИ
Практическая часть
Электромагнитный ускоритель масс состоит из:
лампочки-индикатора, которая показывает заряд конденсаторов
полупроводникового диода
двух последовательно соединённых конденсаторов эквивалентных напряжению 250В и емкостью 1000мкФ каждый
катушки, намотанной на стеклянную трубку
кнопки
вилки для подачи питания
Мы комбинировали в модели разные конденсаторы, отличающиеся емкостью и напряжением, катушки разной индуктивности, а также снаряды разной массы и диаметра.
КПД установки:
Проведя опыты и измерения, мы пришли к выводу, что между ёмкостью конденсаторов ииндуктивностью катушки должна быть определённая зависимость.
Мы работали с несколькими конденсаторами, соответственно могли включать в электрическую цепь два конденсатора, три, четыре, пять последовательно. Тем самым, изменяя ёмкость. Возможности подключить один конденсатор не было, так как напряжение обкладок одного конденсатора было меньше подаваемого напряжения, а трансформатора мы не имели.
Индуктивность катушек меняли за счет изменения числа витков и площади поперечного сечения провода.
Нами было установлено, что если взять конденсатор избыточной ёмкости или катушку с недостаточной индуктивностью, то это отрицательно воздействует на эффективность установки. Из соответствующей литературы мы узнали, что оставшаяся энергия, не разрядившихся конденсаторов, приводит к обратному втягиванию снаряда и его торможению. Если же взять конденсатор с недостаточной ёмкости или катушку избыточной индуктивности, то для разгона снаряда не хватает энергии. При увеличении длины катушки, оставляя длину провода неизменной, эффективность катушки уменьшается.
Что же касается массы снаряда, то снаряд слишком большой массы имеет малую скорость и дальность полёта его невелика.
По закону сохранения энергии - энергия конденсаторов переходит в энергию электромагнитного поля катушки, а затем в механическую энергию снаряда. Часть энергии теряется на сопротивлении катушки индуктивности. Эта часть настолько велика, что энергия, перешедшая в энергию снаряда, оказывается не больше 3% от энергии электрического поля конденсаторов.
При включении двух конденсаторов последовательно их общая ёмкость равна 1000 мкФ. Её можно рассчитать по формуле: .
Измерили напряжение на конденсаторах (оно оказалось 250В так как после выпрямления тока произошло увеличение напряжения). Рассчитываем энергию конденсаторов по формуле:
, получаем 31,25 Дж.
Рассчитываем индуктивность катушки по формуле:
, получаем 43,6мкГн.
Рассчитаем потенциальную энергию снаряда
. Опыт повторён пять раз. Средняя высота подъёма снаряда массой 9 грамм составляет 6.5 метров. Потенциальна энергия снаряда равна 0,59 Дж.
Рассчитаем коэффициент полезного действия по формуле: .
КПД нашей пушки Гаусса составляет 1,9%.
Заключение:
Выполняя данную исследовательскую работу, мы опытным путём определили:
1) При увеличении ёмкости конденсатора увеличивается энергия электрического поля, но при включении трёх, четырёх конденсаторов последовательно увеличения КПД не происходит, так как результирующая ёмкость уменьшается.
2) При увеличении индуктивности катушки энергия магнитного поля увеличивается. Используя для катушки проволоку разной толщины, сделали вывод: что при увеличении площади поперечного сечения проволоки -индуктивность катушки увеличивается, так как сопротивление проводника катушки уменьшается. Увеличение индуктивности катушки приводит к увеличению КПД.
3) При увеличении массы снаряда дальность полёта снаряда уменьшается.
4) В результате проделанных опытов, было установлено, что для достижения максимального КПД установки необходимо найти оптимальное соотношение характеристик пушки Гаусса: индуктивности катушки и ёмкости конденсаторов. Нами было установлено, что максимальный КПД данной установки достигается при включении двух конденсаторов и катушки с проволокой меньшей площадью поперечного сечения. Следовательно, между ёмкостью конденсатора и индуктивностью катушки существует определённая зависимость ,которую мы определили опытным путём.
5) В результате проведенных опытов и вычислений, мы убедились, что КПД пушки Гаусса небольшой из-за больших потерь энергии в катушке индуктивности.
Следовательно, большая эффективность пушки Гаусса в видеоиграх не имеет под собой никаких оснований. Добиться столь большого КПД можно лишь при использовании сверхпроводника, а температура при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние очень низкая. Соответственно либо пушка, либо хотя бы катушка должны находиться в холодильнике?
Приложение:
Список используемой литературы:
1) Г.Я Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин Физика 10 класс Базовый уровень 2014 Москва «Просвещение» стр.321-329
2) Г.Я Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин Физика 11 класс Базовый уровень 2010 Москва «Просвещение» стр. 43-52
3) Зубков Б.В., Чумаков С.В. энциклопедический словарь юного техника 1980 Москва «Педагогика» стр.159, 173, 454-455, 173,178-179, 289, 291.
4) Кабардин О.Ф. Физка справочные материалы 1985 Москва «Просвещение» стр.127, 160, 129.
5)http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса
6)http://gauss2k.narod.ru/calc.htm
7)http://m/geektimes.ru/post
12