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»
