IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электромагнитный ускоритель масс с использованием постоянных магнитов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Конструированием и сборкой собственных действующих моделей начал заниматься еще в начальной школе. Первая работа – "крутильный маятник" и её представление одноклассникам, а затем на Дне науки в лицее только прибавило во мне желания создавать свои макеты, устройства и действующие модели. В этом году я уже начал изучать физику, поэтому мы с папой решили сконструировать действующую модель рельсотрона, материал для проекта основан на использовании законов физики.
Рельсотрон - этот термин в конце 1950-х годов предложил Лев Арцимович - советский академик, чтобы заменить им существовавшее тогда громоздкое название «электродинамический ускоритель массы».
Работа над проектом не была простой, по сути, были выполнены проектно-конструкторские работы дважды, так как сборка устройства первого варианта не подтвердила прогнозируемые результаты.
Цель работы: сконструировать действующую модель рельсотрона, с помощью которой исследовать особенности движения метательного устройства – снаряда.
Гипотеза: использование постоянных магнитов позволит многократно увеличить эффективность экспериментальной действующей модели рельсотрона.
Задачи исследования: обучение навыкам макетирования конструкции и моделирования основ процесса электромагнитного взаимодействия
Объект исследования: электромагнитные поля рельсотрона, возможности использования постоянных магнитов для увеличения индукции магнитного поля в рабочей зоне ускорителя.
Предмет исследования: процесс движения снаряда, влияние уровня заряда накопителя, магнитного поля, длины рабочей зоны рельсотрона на дальность выброса снаряда.
Надеюсь, что данная работа будет многоэтапной, пока нам удалось создать рабочую модель устройства, и провести несколько интересных опытов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Теоретические основы работы устройства
Рельсотрон (в переводе с английского - рельсовая пушка) – это устройство, в котором токопроводящий снаряд можно разогнать по направляющим рельсам – электродам, которые подключаются к источнику постоянного тока.[1]
В семидесятых годах двадцатого столетия 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.
Знакомство с теоретическими основами работы рельсотрона помогло мне понять, что причиной разработки подобных устройств, которые заявляются как перспективное оружие двадцать первого века, стали оценки экспертов, согласно которым использование порохов для стрельбы достигло своего предела — скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек [1].
Известно, что самый мощный рельсотрон создан в исследовательской лаборатории ВМС США. Результаты экспериментов озвучивают следующие цифры: скорость снарядов этой установки пятикратно превышает скорость звука, дальность полета – 370 км.
В основе работы такого устройства – действие силы Лоренца, способной разогнать токопроводящий снаряд, который является структурным элементом электрической цепи.
Особенность рельсового ускорителя состоит в том, что он способен разгонять малые массы снарядов до сверхбольших скоростей (скорость снаряда в огнестрельном оружии ограничивается скоростью химической реакции). На практике же рельсы для таких устройств изготавливают из меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевый снаряд. Для снаряда может использоваться и полимер в сочетании с проводящей средой, а в качестве источника питания — батарея высоковольтных электрических конденсаторов, которая заряжается от ударных униполярных генераторов, и прочих источников электрического питания с высоким рабочим напряжением. Самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проводящая среда, после подачи напряжения на рельсы снаряд разогревается и может полностью испариться, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется [2]. Таким образом, рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро разрушается.
При использовании в рельсотронных пушках непроводящих снарядов снаряд помещается между рельсами, сзади снаряда тем или иным способом между рельсами зажигается дуговой разряд, и тело начинает ускоряться вдоль рельсов. Механизм ускорения в этом случае отличается от вышеизложенного: сила Ампера прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю, под действием которой и происходит основное ускорение тела [3].
Классическая схема рельсотрона не предполагает использование дополнительных устройств, создающих магнитное поле в зоне разгона снаряда. Сила Ампера, действующая на снаряд, возникает при взаимодействии тока через снаряд и магнитного поля сформированного током, проходящим по рельсам и снаряду
Внешний вид таких устройств может быть разным, что демонстрирует фото, взятое из открытых источников [4]
Рис 1. Варианты конструкции рельсотрона.
Конструкция, схема рельсотрона.
С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и коротким, чтобы снаряд не успел испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперёд. На снаряд или плазменный поршень действует сила Ампера, поэтому сила тока важна для достижения необходимой индукции магнитного поля, и важен ток, протекающий через снаряд перпендикулярно силовым линиям индукции магнитного поля. При протекании тока через снаряд материал снаряда и рельсы должны обладать:
- рельсы и снаряд - как можно более высокой электропроводимостью,
- снаряд — как можно меньшей массой,
- источник тока — как можнобольшей мощностью на коротком промежутке времени.
Рельсотрон, сконструированный мной, представлен на фото 2.
Рис 2. Модель рельсотрона в сборе
Основные детали, узлы устройства:
- общая длина рельс - 400мм, из них рабочая зона - 270 мм
- расстояние между рельсами - 18мм
- расстояние между магнитами - 16мм
- габаритные размеры - 480х115х85 мм (ДхШхВ)
В данной работе мы поставили перед собой задачу: проверить возможность использования постоянных магнитов для увеличения индукции магнитного поля в рабочей зоне ускорителя, а также влияния этого поля на характеристики рельсотрона.
По нашей гипотезе использование постоянных магнитов позволит многократно увеличить эффективность в экспериментальной модели.
Исследование: этап первый
Величина силы Ампера, действующая на проводник с током, находящийся в сильном магнитном поле, пропорциональна силе тока, величине магнитной индукции и длине проводника, проходящего перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля. Величина этой силы определяется формулой [5]:
F = B * I * L
Современные неодимовые магниты имеют на поверхности величину магнитной индукцию 0,2 - 0,5 Тесла [6].
Так как наш снаряд располагается вблизи такого магнита, примем величину индукции магнитного поля в 0,1 Тесла.
Для проводника длиной 2см при силе тока 1000А вблизи постоянного магнита без учета магнитного поля за счет протекания тока сила примерно составит:
F = 0.1Тесла * 1000А * 0.02м = 2 Ньютона
Вполне достаточно для проведения экспериментального подтверждения нашей гипотезы.
Рис 3. Принцип действия силы Ампера.
Исследование: этап второй
Для проведения исследования в качестве рельсов использовали медную полосу толщиной 4 мм и шириной 25 мм.
Для крепления рельс на фиксированном расстоянии между собой изготовили 6 пластиковых деталей методом 3-D печати. В этих деталях сделали углубления для фиксации постоянных магнитов сверху и снизу зазора между рельсами. Использовано 8 неодимовых магнитов размером 55х18х4 мм.
Корпус наряда напечатали на 3D-принтере из пластика. Проводник, на который будет действовать магнитная сила, изготовили первоначально из отрезка медной проволоки диаметром 1мм и установили внутрь снаряда. Поджим проводника к рельсам обеспечили за счет резинового кольца, сжимающего две проволоки между собой.
Вся конструкция закреплена на пластине из стеклотекстолита.
Для того, чтобы разгоняемый объект (снаряд) ускорялся, он должен всё время соприкасаться с рельсами для поддержания контакта и обеспечения прохождения тока.
Запас энергии для создания импульса тока высокой силы осуществляется в суперконденсаторе ёмкостью 350 Фарад, который заряжается от батареи до напряжения 2,5 Вольт. За один выстрел конденсатор разряжается примерно до 1В. Заряд от двух элементов АА до уровня 2,5В осуществляется примерно за 10 минут.
Для подачи импульса электрического тока от конденсатора С1 на рельсы первоначально использовалась кнопка. Однако от такого решения пришлось отказаться, так как кнопка срабатывала только один раз, выходила из строя и установка становилась неработоспособной.
Папа предложил применить схему, при которой пусковые контакты сваривались бы внутри. Была использована конструкция с использованием электронного ключа на основе мощного полевого транзистора, который может выдерживать в импульсе до 1000А. Схема приведена на рисунке 4.
Рис 4. Схема электрическая модели рельсотрона
Конструкция нашего рельсотрона на основе полученных результатов проводимых экспериментов несколько раз дорабатывалась.
Окончательная модель устройства представлена на фотографиях в приложении 1.
Первые результаты
Многократные неудачные попытки создания действующей модели в основном были связаны с конструкцией снаряда. При использовании проводника между рельсами в виде медной проволоки диаметром 1 мм происходило приваривание в месте контакта с рельсами, и снаряд останавливался в произвольном месте.
Использование множества проволочек для уменьшения тока в каждой не улучшило ситуацию. Использование в качестве снаряда пластинки графита не привело к результату - она даже не сдвинулась с места. Использование различных смазок также не решило проблему.
Устойчивый результат по выбросу снаряда на расстояние примерно 10 м был достигнут с использованием пластины из стеклотекстолита толщиной 1мм, покрытого медной фольгой. Таким образом, был обеспечен контакт рельса со снарядом по большой поверхности и эффект "приваривания" стал малозначительным.
Эксперимент по изменению конструкции
Когда работа модели рельсотрона стала стабильной, и снаряд выбрасывался примерно на одно и то же расстояние, был проведен эксперимент по изменению конструкции.
Постоянные магниты были демонтированы. Включение рельсотрона без постоянных магнитов приводила только в разогреву снаряда, однако ни разу снаряд не сдвинулся с места. Это подвердило наше предположение, что силу Ампера можно значительно увеличить за счет использования в конструкции постоянных магнитов без увеличения силы тока в цепи снаряда.
Дальнейшая проработка конструкции возможна за счет увеличения емкости накопителя заряда - конденсатора, увеличения напряжения на накопителе, а также за счет дальнейшего улучшения конструкции снаряда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе конструирования, создания рельсотрона и проведения первых исследований мной были изучены конструкция и свойства этого устройства. Получил новые сведения из области физики магнитных полей.
Была проведена первая серия экспериментов, особую проблему для которых создала конструкция снаряда.
Было изготовлено около десятка различных вариантов. Последний вариант, работа которого принесла положительные результаты, не является оптимальным.
Однако направление изменений конструкции понятны и требуется только время для улучшения такого показателя, как дальность стрельбы.
Р ис 5. Перспективный вариант рельсотрона
Список литературы
Статья Рельсотрон https://ru.wikipedia.org/wiki/Рельсотрон
2. Сухачёв К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В. Ускорители твёрдых тел //Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2014. Т. 17, №2. С. 49-58.
3. Никитин Е.А., Науменко В.И. и др. Электромагнитные ускорители масс // Материалы 74-й студенческой научно-технической конференции [Электронный ресурс] / Белорусский национальный технический университет, Факультет информационных технологий и робототехники ; сост. В. А. Мартинович. – Минск: БНТУ, 2018. – C. 178-180.
4. https://sun9-58.userapi.com/c630727/v630727323/2c6c5/kFNo1yTNdEg.jpg
5. Статья Сила Ампера https://foxford.ru/wiki/fizika/sila-ampera
6. Статья Свойства неодимовых магнитов NdFeB https://supermagnet.ru/content/info.html
Приложение 1
Фотографии экспериментальной модели
Модель электромагнитного ускорителя масс
Вид спереди
Вид сверху
Вид снаряда в зоне выброса