Пушка Гаусса (Электромагнитный ускоритель масс)

Пушка Гаусса (Электромагнитный ускоритель масс)

1. ВВЕДЕНИЕ

       1.1. Цели

1.2. Задачи

       1.3. Гипотеза

       1.4. Практическая часть

       1.5. Актуальность проектной работы

       1.6. Метод исследований        

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

       2.1. О создателе(-ях)

3. ОБЩИЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

       3.1. Принцип работы, плюсы и минусы

       3.2. Необходимые для расчета формулы

       3.3. Метод и алгоритм создания наглядной модели

       3.4. Проблемы, выявленные при сборке

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭМУМ

4.1. Применение в различных областях

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Темой данного проекта послужило изобретение, называемое Пушкой Гаусса, по фамилии выдающегося немецкого математика, астронома и физика XIX века, Карла Гаусса. Название это  можно услышать в научно-фантастической литературе, фильмах, а особенно любят употреблять его в компьютерных играх, и во всех источниках Гаусс Ган выступает смертоносным оружием, переносным или стационарным, используется как крайне высокотехнологичное изобретение. "Так почему же то, что могло бы послужить на пользу человека, облегчив его труд в различных областях, до сих пор так редко упоминается в новостях и газетах, что в настоящий момент мешает продвижению данной технологии?" - с этого вопроса и началось мое исследование.

1.1. Цели работы:

       1. Изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), принципы его действия и применение в промышленных масштабах.

2. Продемонстрировать явление ЭМ индукции посредством сборки действующей модели Пушки Гаусса.

       3. Выяснить, что мешает использованию ЭМУМ в промышленных масштабах.

1.2. Основные задачи:

       1. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.

       2. Подобрать компоненты, создать модель

       3. Найти или вывести необходимые для расчета формулы и константы

       4. Провести лабораторные испытания

       5. Сделать выводы на основе испытаний

1.3. Гипотеза:

       Создание функционирующей модели пушки Гаусса возможно в условиях школы/дома

1.4. Практическая часть:

       1. Создании действующего ЭМУМ

       2. Создание презентации по теме проекта

1.5.Актуальность проекта:

       Изучение принципов ЭМ индукции позволит в будущем, возможно, упростить некоторые действия людей, а также даст понимание принципа работы пушки Гаусса.

1.6. Методы исследования

       Изучение дополнительной литературы, интернет-ресурсов, консультация с научным руководителем, проведение опытов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

       Ошибочно можно подумать, что Пушка Гаусса названа в честь своего создателя. На самом же деле Карл Гаусс лишь сделал возможным создание Пушки посредством совершения некоторого ряда открытий в области электромагнетизма. Первым, кто именно создал функционирующую модель был Кристиан Берекленд (1901). А применение на практике и небольшое усовершенствование произвел Иоахим Хенслер(1944). Его Гаусс Ган пробивал стальную пластину толщиной 100мм, то есть Пушка применялась в качестве оружия.

3. ОБЩИЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

3.1. Принцип работы

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 магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. 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 наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим 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. Что же касается преимуществ  оружия, работающего по принципу электромагнитного ускорения снаряда, то:

       1. Бесшумность выстрела.

       2. Отсутствие гильз.

       3. Возможность стрельбы в космическом пространстве.

       4. Малая отдача, зачёт отсутствия дополнительных импульсов от пороховых газов и движущихся частей.

       5. Обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений.

       Однако, несмотря на все преимущества пушки Гаусса, она имеет довольно много недостатков, из-за которых, собственно, она и не получает должной популярности:

       1. Низкий КПД (даже в многоступенчатых установках КПД редко достигает 25%, и лишь 1-6% заряда конденсаторов переходит в энергию снаряда)

       2. Большой расход энергии ( вытекает из п. 1)

       3. Даже при низкой эффективности установка будет иметь большой вес и габариты

       4. Длительное время заряда конденсаторов

       5. С увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля существенно сокращается, что приводит к необходимости заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, с точностью рассчитывая время включения.

3.2. Необходимые для расчета формулы

Формулы:

Энергия, запасаемая в конденсаторе:

E=(CЧU^2)/2

U - напряжение конденсатора (в Вольтах)

C - ёмкость конденсатора (в Фарадах).

Кинетическая энергия снаряда:

Eк=(mЧvІ)/2

m - масса снаряда (в килограммах)

v - его скорость (в м/с )

Скорость полета снаряда:

v=√(EкЧ2/m)

Eк - кинетическая энергия снаряда

m - масса снаряда

Индуктивность соленоида:

В = (mcЧm0ЧnІЧS)/l

mc - относительная магнитная проницаемость сердечника

M0 - магнитная проницаемость вакуума

n - число витков

S - площадь поперечного сечения катушки

l - длина катушки

Время разряда конденсатора:

T=(ПЧ√(LЧC))/2

П – число пи

L – Индуктивность соленоида

C – емкость конденсатора

3.3. Метод и алгоритм создания наглядной модели

Перед тем, как начать делать магнитный ускоритель масс, можно примерно рассчитать его основные параметры и характеристики, на которые можно рассчитывать собрав его.

1. Конденсаторы

Умножаем емкость (1Ф=1000000мКф) на квадрат напряжения и делим все это на два. E=(C*U^2)/2 [Дж] Полученная энергия будет в джоулях – т. е. сколько джоулей электрической энергии содержится в конденсаторе, если его зарядить на напряжение U.

2.Кинетическая энергия снаряда

Зная энергию конденсатора (если конденсаторов несколько, то их энергии можно сложить) можно найти ориентировочную кинетическую энергию снаряда – она же мощность будущего магнитного ускорителя.

Кинетическая энергия снаряда находится по формуле E=(m*v^2)/2 [Дж]. Зная кинетическую энергию снаряда и его массу (m) можно найти его скорость полета. Умножаем энергию на 2, раздели на массу (в Кг) и извлекаем квадратный корень, получаем скорость полета гвоздя в м\с.

3. Обмотка соленоида

Так как длина снаряда(сердечника) известна, то можно найти примерную длину обмотки соленоида. Обмотка должны быть такова, 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. Индуктивность соленоида находится по формуле L=mЧM0Ч(nІЧS)/l [Гн]. 

Для своего соленоида я использовала медную проволоку с эмалевой изоляцией на основе полиуретана ПЭВТЛ-2, d=0.3 мм.

3.4. Проблемы, выявленные при сборке

       Выбор снаряда и его размещение

При обдумывании мною деталей проекта, я задалась вопросом "Что же лучше использовать в качестве снаряда - некий шарик, массой 1г и подходящий по диаметру или же гвоздь без шляпки той же массы?". Для ответа на этот вопрос мне пришлось вспомнить про распределение полюсов в катушке и непосредственно в самом снаряде. Далее же можно схематично изобразить распределение полюсов в катушке индуктивности: “+” на концах и “-” в середине. Для обоих снарядов : “+” на одном конце, “-” на другом. В рассуждении же будем помнить, что одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются. Из этих трех положений следует, что:

       1. Располагать снаряд следует не дальше конца катушки, на 1-2 витке.

       2. Отталкиваясь от первого положительного поля соленоида и притягиваясь к среднему отрицательному, снаряд будет двигаться; чем дольше время воздействия силы, тем больший результат она даст( но не больше времени прохода снаряда до центра катушки)

       3. (Из п.2) В качестве подвижного сердечника лучше выбрать именно гвоздь, так как время воздействия отталкивающих и притягивающих сил будет значительно больше, нежели у шарика.

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭМУМ

Как уже было сказано, на данный момент не существует ни одной модели, которая была бы применима не в исследовательских целях, тем не менее, пушка Гаусса является весьма перспективной: не зря ее иногда называют “космической пушкой” - вполне возможно ее использование в отсутствии атмосферы, а также для запуска небольших спутников на орбиту. Нельзя забывать и про то, что, опять же, при должной оптимизации, ЭМУМ станет оружием, которое вытеснит, частично или же полностью, привычное на данный момент нам - технология создания оного отточена уже до предела, и сколько-нибудь заметных

продвижений нет уже на протяжении многих лет. В следствие последнего интерес к новым технологиям возрастает с каждым годом.

Среди прочих пушка Гаусса легче других на сегодняшний день поддается миниатюризации, требует меньших затрат при изготовлении и позволяет получить при малых габаритах мобильное и эффективное оружие, а недостатки, перечисленные мною выше - лишь вопрос развития технологий, и, следовательно, времени.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мое исследование помогло мне подробнее разобраться в явлении электромагнитной индукции, понять перспективность использования электромагнитных ускорителей масс для человека, а также причины, по которым данное изобретение не используется в мировых масштабах в наше время. На данный момент использование Пушки Гаусса, как оружия, не совсем рационально засчет ее минусов, однако их ликвидация – лишь вопрос времени. Также можно смело утверждать, что гипотеза, выдвинутая мною в начале подтверждается - это возможно, и даже не требует каких-либо непомерных усилий.

6. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

Интернет-ресурсы:

1. Пушка Гаусса - Википедия

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%83%D1%88%D0%BA%D0%B0_%D0%93%D0%B0%D1%83%D1%81%D1%81%D0%B0?wprov=sfla1

2. Пушка Гаусса в домашних условиях

28OE">http://ru.grishamedia.wikia.com/wiki/CH:0_0CAA0_2_4>28OE

3. Пушка Гаусса - викизнание

http://www.wikiznanie.ru/wikipedia/index.php/CH:0_0CAA0

4. Основные виды ЭМО http://www. gauss2k. narod. ru/index. htm

Книги:

1.  Электроника для начинающих - Чарльз Платт

2. Учебник  ,  ,  «Физика 11»