IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Модель электромагнитного ускорителя масс
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.ВВЕДЕНИЕ
1.1 Проблема
Я учусь в классе технологического профиля. У нас много времени уделяется изучению точных наук. Мы много рассуждаем, делаем логические выводы даже на переменах. В общении с одноклассниками нам явно не хватает эмоций. Как же их добавить? В этом году наш класс решил создать в школе музей интерактивных объектов по физике. Интерактивные модели и устройства всегда вызывают интерес и восторг. Кроме того, наглядно показывают принцип действия физических явлений и закономерностей, которые мы изучаем на уроках. Я решил принять участие в этом проекте и собрать для музея модель пушки Гаусса. Почему же я выбрал пушку Гаусса? В компьютерной игре “S.T.A.L.K.E.R”, в которую я играл с товарищами, встречаются различные виды оружия: пулеметы, автоматы, ракеты. Наше внимание привлекла «Гаусс-Пушка». Так как данное оружие считалось самым мощным в игре, меня заинтересовало, почему же тогда её не используют для вооружения военных сил Российской Федерации. Мы с товарищами обсуждали эту проблему, но никто из нас не знал, как работает эта пушка. И возникший вопрос остался без ответа. Для создания модели необходимо разобраться в принципе её работы и тогда я получу ответ на возникший вопрос: «Если пушка Гаусса является мощным оружием, почему же её не используют вооруженные силы?»
1.2 Актуальность
Актуальность работы состоит в том, что с физическую модель пушки Гаусса можно демонстрировать как на уроках физике, так и на внеклассных мероприятиях по физике, а так же использовать её при проведении уроков лабораторного практикума в старших классах при изучении вопросов баллистики. Модель пушки Гаусса позволяет наблюдать стрельбу металлическими снарядами в поле тяжести земли. Процесс очень наглядный и вызывает интерес особенно у тех, кто интересуется различными видами оружия. Но чтобы повторить сборку модели, необходимо разобраться в физических принципах и закономерностях, лежащих в основе работы модели. А это способствует более глубокому пониманию физических процессов и законов. Так же при работе над моделью формируются конструкторские навыки, необходимые для инженеров, конструкторов и изобретателей.
1.3 Цель
Создание модели пушки Гаусса для школьного музея интерактивных объектов.
1.4 Задачи
1)Изучить явление электромагнитной индукции;
2)Изучить способы выпрямления переменного тока;
3)Спроектировать принципиальную схему пушки Гаусса и сделать чертёж её модели;
4)Приобрести детали и предметы, необходимые для создания модели пушки Гаусса и собрать её;
5) Протестировать модель и скорректировать её конструкцию;
6) Продемонстрировать работу модели одноклассникам в школьном интерактивном музее.
1.5 Объект
Явление электромагнитной индукции.
1.6 Предмет
Явление электромагнитной индукции в устройстве электромагнитного ускорителя масс
1.7 Продукт проекта
Действующая модель пушки Гаусса
1.8 Степень изученности вопроса
В 1845 пушка катушечного типа была использована для запуска металлического стержня длиной около 20 м. Кристиан Беркеленд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою "электромагнитную пушку". В 1901г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с.. С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г. Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с. Калибр этой пушки 65 мм, длина 10 м. В 1915 году русские инженеры Подольский и Ямпольский разработали проект 50-метровой «магнитно-фугальной» пушки, действующей по аналогичному принципу. Однако финансирования для воплощения своей идеи в жизнь им получить не удалось. В годы холодной войны работы по созданию электромагнитных пушек активно велись и в СССР и в США. Они до сих пор строго засекречены. Известно только, что к середине 80-х годов прошлого века обе стороны вплотную приблизились к возможности размещения рельсотронной пушки с автономным источником питания на мобильном носителе — гусеничном или колесном шасси. Современные успехи технологий явствуют о вероятности того, что системы вооружения через поколение будут оснащены электромагнитными пушками.
В основе работы этих устройств лежит закон электромагнитной индукции, к открытию которого были причастны и Майкл Фарадей, и Джозеф Генри, и Джеймс Максвелл.
В начале 19 века Фарадей придумал опыт: вокруг железного кольца были обмотаны две изолированные проволоки; причем одна проволока была обмотана вокруг одной половины кольца, а другая — вокруг другой. Через одну проволоку пропускался ток от батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. Когда ток появлялся или прекращался в одной из проволок, стрелка гальванометра быстро колебалась и затем останавливалась, то есть в другой проволоке возбуждались индукционные токи. (Рис.1.)
Рис.1.
Опыты, которые демонстрируются в школе, при объяснении явления электромагнитной индукции, были поставлены Фарадеем в 1834 г. Независимо аналогичные опыты были поставлены Джозефом Генри, однако они не были опубликованы. Математическое выражение закона электромагнитной индукции дал в 1873 Максвелл в «Трактате по электричеству и магнетизму». В пушке Гаусса используются все закономерности, найденные учеными.
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Явление электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Что же такое магнитный поток? Под словом поток обычно понимается прохождение чего-то через определенное сечение. Например, массы воды через сечение трубы или количества людей через сечение прохода двери в стене. Значит магнитный поток – это прохождение чего-то через замкнутый контур проводника. Через контур в магнитном поле проходят силовые линии или линии магнитной индукции. Вектор магнитной индукции – это физическая величина, показывающая максимальную силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током. Таким образом, вектор магнитной индукции – это силовая характеристика поля. Там, где вектора проходят густо, там поле сильное, а где редко – поле слабое. Для постоянного магнита вектора индукции выходят из северного полюса и входят в южный полюс. (Рис.2)
Рис.2.
Следовательно, поле магнита наиболее сильное на полюсах.
Тогда магнитный поток показывает число линий магнитной индукции пронизывающий замкнутый контур. Чтобы изменить магнитный поток можно:
Изменить магнитную индукцию поля (усилить или ослабить)
-Изменить площадь контура,
-Изменить угол между вектором индукции и перпендикуляром к площади контура.
2.2 Правило Ленца
Рассмотрим явление электромагнитной индукции при приближении магнита к кольцу. Приближая магнит к кольцу, я увеличиваю число векторов индукции, пронизывающих контур кольца, а значит, и увеличиваю магнитный поток. И наоборот, удаляя магнит от кольца, я уменьшаю число векторов индукции, а значит, уменьшаю магнитный поток через замкнутый контур. (Рис.3)
Рис. 3.
Следовательно, в кольце появляется электрический ток. Направление тока определяется правилом Ленца. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем препятствует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. При приближении магнита магнитный поток усиливается, поэтому поле тока должно препятствовать этому усилению, то есть ослаблять поле магнита. Поэтому поле тока должно быть направлено противоположно вектору индукции магнита. В эксперименте, показанном на рис. 3, северный полюс магнитного поля кольца оказывается справа от кольца, и кольцо отталкивается от северного полюса магнита. (Рис. 4.)
N
Рис. 4.
Зная направление вектора индукции магнитного поля от кольца, по правилу буравчика определяем и направление тока в самом кольце. Если большой палец правой руки направить по вектору магнитной индукции, то четыре пальца покажут направление тока в кольце. Если же мы магнит удаляем, то ток будет другого направления, так как он своим магнитным полем будет поддерживать уменьшающееся поле магнита. Справа от кольца возникнет южный полюс, который будет притягиваться к удаляющемуся северному полюсу магнита.
2.3 Принцип работы пушки Гаусса
Пушка Гаусса состоит из соленоида (катушки большой длины), внутри которого находится ствол из диэлектрика. В один из концов ствола вставляется снаряд, который сделан из ферромагнетика. При разрядке конденсатора в катушке начинает протекать электрический ток, значит, ток в этот момент возрастает. Возрастает и магнитное поле внутри ствола пушки. Поэтому по правилу Ленца в снаряде начинают возникать индуцированные токи такого направления, чтобы своим магнитным индуцированным полем препятствовать нарастанию магнитного поля в стволе пушки. Значит, вектор индуцированного поля снаряда направлен противоположно вектору магнитного поля ствола, а значит и витков соленоида. Получается, что магнитные полюса снаряда противоположны по расположению магнитным полюсам витков соленоида. А противоположные магнитные полюса притягиваются. Перед снарядом в начальный момент времени находится много витков, которые притягивают его значительно сильнее, чем тормозят притяжением витки, которые находятся позади снаряда и снаряд начинает разгоняться. По мере продвижения снаряда по стволу притяжение передних витков будет уменьшаться, а задних увеличиваться. Когда снаряд достигнет середины ствола, то притяжение передних витков уравновесит притяжение задних витков. Но в этот момент должна произойти полностью разрядка конденсатора и электрический ток в соленоиде начнет уменьшаться, а значит и начнет слабеть магнитное поле в стволе пушки. По правилу Ленца в снаряде начинают возникать индуцированные токи такого направления, чтобы своим магнитным индуцированным полем препятствовать уменьшению магнитного поля в стволе пушки. Значит, вектор индуцированного поля снаряда повернется и будет сонаправлен вектору магнитного поля ствола. Это приведет к смене магнитных полюсов снаряда. И витки, находящиеся позади снаряда, теперь будут его отталкивать сильнее, чем витки перед ним. Так как их будет больше, потому что середину соленоида снаряд проскочит по инертности. Снаряд будет продолжать ускоряться, так как будет увеличиваться число витков, толкающих его вперед. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры ускоряющей катушки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при приближении снаряда к середине соленоида конденсатор успевал полностью разрядиться. Зарядить конденсатор можно включив его в сеть постоянного тока. (Рис.5.)
Рис. 5.
В такой схеме лампа будет светиться до того момента, пока конденсатор полностью не зарядится. Как только зарядка произойдет, уменьшающийся ток в цепи исчезнет окончательно, и лампа потухнет.
2.4 Способы выпрямления тока
Из курса физики известно, что существует два вида тока: переменный и постоянный. Различия состоят в том, что переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет с определенной частотой. В сетях России частота тока составляет 50Гц. График переменного тока изображён в виде синусоидального графика. (Рис.6)
Рис. 6.
В свою очередь постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении. График постоянного тока изображён в виде прямой(Рис. 7)
Рис.7.
У каждого в доме, в сети переменный ток. Для создания цепи, в который заряжался бы конденсатор, нужен постоянный ток. Прибегнем к выпрямителям тока. Выпрямитель электрического тока –это схема, которая предназначена для преобразования переменного тока в постоянный ток. Для выпрямления электрического тока воспользуемся диодным мостом. Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе диодов. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента. Диодный мост может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника. Принцип работы диодного моста основывается на способности пропускать диодом электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост показана на рисунке. (Рис.8)
Рис.8.
Полупроводниковый диод – элемент электрической системы, содержащий p-n-переход и два вывода для включения в электрическую цепь. Способность p-n-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется для преобразования переменного тока, изменяющего своё направление, в постоянный ток одного направления. Отрицательный импульс напряжения, соответствующий обратному включению, не проходит через диод. При подключении диода в цепь источника переменного напряжения ток через диод проходит только в течение половины периода, когда гармонически изменяющее напряжение приложено к диоду в прямом направлении. Если на клемму А в данный момент времени приложен положительный потенциал, то ток в мостиковой схеме проходит через диод №1, резистор и диод №4. Диоды №2 и №3 ток не пропускают, так как они включены обратно. В следующий момент времени на клемме А будет отрицательный потенциал, а положительный на клемме В. Тогда ток в мостиковой схеме проходит через диод №3, резистор и диод №2. Диоды №4 и №1 ток не пропускают, так как они включены обратно. Таким образом, на резисторе в любой момент времени протекает ток, а значит, есть постоянное напряжение, которое снимается с резистора параллельным подключением к нему. Мостиковая схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку на протяжении всего периода переменного напряжения.
Конденсатор – элемент, способный накапливать электрическую энергию. Конденсатор состоит из металлических электродов – обкладок, между которыми находится диэлектрик. Конденсатор накапливает заряд: положительные и отрицательные заряды на его обкладках удерживают друг друга, взаимодействуя через тонкий непроводящий слой. (Рис.9)
Рис.9
2.5 Схема и чертёж модели
На основе полученной информации я разработал схему модели заряда конденсатора от сети переменного тока. (Рис.10.)
Рис.10
Теперь нужно рассчитать разрядку конденсатора на медную катушку. Для того, чтобы эффективность разряда была выше, нужно использовать формулы Вилера.
Где L - индуктивность (мкГн), N - число витков катушки, R - средний радиус намотки (мм), l - длина намотки (мм),c - толщина намотки (мм).Так мы сможем рассчитать, сколько нужно витков для лучшего разряда. Из формулы следует, что нужно произвести примерно 228 витков с 0.8 мм медной катушки. Для лучшего скрепления следует её удерживать деревянными вставками. (Приложение 1)
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Конечная схема модели пушки гаусса. (Рис.11)
Рис.11
Моя модель пушки Гаусса состоит из следующих элементов:
1) катушка из медной проволоки 0.8 мм
2) конденсатор 1000 мкФ, 450 Вольт.
3) ключ (2 шт.).
4) патрон для лампы.
5) лампа на 60 Вт.
6) диодный мост.
7) снаряд, сделанный из ферромагнетика.
(Приложение 1, 2, 3 , 4 и 5)
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы над проектом мной было изучено:
1) Изучено явление электромагнитной индукции;
2) Изучены способы выпрямления переменного тока;
3) Спроектирована принципиальная схема пушки Гаусса;
4) Приобретены детали, необходимые для создания модели пушки Гаусса;
5) Собрана модель, протестирована и скорректирована её конструкция;
6) Продемонстрирована работа модели одноклассникам в школьном интерактивном музее.
Выводы
На основе проделанной работе можно сделать вывод, что создание пушки Гаусса для школьного музея интерактивных объектов было успешно выполнено. Благодаря нашим наглядным опытам, ребята смогут лучше понять законы электродинамики и принципы работы некоторых радиотехнических элементов. А школьный музей интерактивных объектов пополнится еще одной моделью.
ЛИТЕРАТУРА
Касьянов В.А. Физика 11 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2019 год.
К истории открытия электромагнитной индукции . Интернет- ресурс. http://www.eduspb.com/node/1848
Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В.М. , Москва, «Просвещение», 2011 год.
Правило Ленца. Интернет- ресурс . https://ru.wikipedia.org/wiki/Правило_Ленца
Электромагнитная индукция. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитная_индукция
Электронная библиотека http://www.electrolibrary.info/history/electromagnitnayaindukciya.htm
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Медная катушка, намотанная на трубку.
Приложение 2
Конденсатор.
Приложение 3
Диодный мост
Приложение 4
Лампа в патроне
Приложение 5
Фотография пушки Гаусса
11