«Материал к научно-практической конференции по теме «Пушка Гаусса» (8 класс)»


Городская научно-практическая конференция обучающихся «Открытия юных»
в рамках республиканской конференции-фестивале творчества обучающихся
«EXCELSIOR»
Пушка Гаусса
Сведения об авторах:
Ванюшин Семён, СОШ № 56 г. Чебоксары, 8 класс
Научный руководитель:
Пирогова Татьяна Григорьевна, учитель физики СОШ № 56 г. Чебоксары
Содержание.
1.Введение
2.Основная часть:
1)Принцип действия
2)Состав пушки Гаусса, описание деталей, их функции и требования к ним
3)Расчёты
4)Преимущества и недостатки
3.Заключение
4.Список литературы
5.Приложения:
1)Приложение 1
2)Приложение 2
I.Введение
Однажды я наткнулся в интернете на статью о пушке Гаусса, которую я считал фантастикой (в научной фантастике помимо лазеров и бластеров нередко можно ее встретить). Статья оказалась интересной, заинтересовавшись данным устройством, я решил узнать о нём побольше, и, по возможности, воспроизвести в качестве исследовательской установки. Я начал искать подробную информацию. В итоге я, при помощи отца, сделал пушку.
Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Пушка названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.
Актуальность. Исследования устройства, работающих по принципу пушки Гаусса в настоящее время ведутся учеными разных стран в различных областях: военной, космической, электротехнике и др.
Пушка Гаусса (как и рельсотрон) – перспективное электромагнитное оружие. В феврале 2008 года ВМС США поставили на эсминец в качестве корабельного оружия рельсотрон, (а он – близкий «родственник» пушки Гаусса) разгоняющий снаряд до 2520 м/с (9000 км/час). Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с. Для сравнения, у АК-108 начальная скорость пули, 910 м/с (а у него этот показатель самый высокий из всего семейства автоматов Калашникова).
Практического применения пушек Гаусса и рельсотронов пока не существует. Однако в будущем оно может появиться.
Во-первых, как оружие. В Великобритании разрабатывают электрический танк, оборудованный рельсовой пушкой. Если найдут новые материалы и источники энергии, распространение могут получить так же пушки Гаусса. Чем же электромагнитное оружие лучше огнестрельного? Дело в том, что скорость снаряда, вылетающего из ствола огнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекул сгорающего пороха – около 2 км/с. Даже если все молекулы разом забудут о броуновском движении и организованно бросятся толкать снаряд, он не полетит быстрее. На практике результаты в 1,2–1,5 км/с для традиционных видов вооружений уже считаются выдающимися.
Во-вторых, для запуска тел на орбиту планет и в открытый космос. Это не фантастика. Хочу заметить, что для того, чтобы тело смогло улететь с Луны, ей нужна скорость 2400м/с. Таким образом, даже американским образцом рельсотрона февраля 2008 года можно запускать на орбиту Луны спутники или даже посылать на Землю грузовые баржи из стали.
В-третьих, как перфоратор, например при забивке гвоздей. Пушка Гаусса способна передавать снаряду огромные скорости. Когда силы обычного перфоратора будет не хватать, пушка Гаусса придёт на помощь со своими сверхскоростями.
Цель работы: исследование принципа работы электромагнитного ускорителя масс на основе пушки Гаусса и возможности его применения в электротехнике.
Задачи:
1.Изучить устройство пушки Гаусса и построить ее опытную модель2. Рассмотреть параметры эксперимента3. Исследовать вопрос практического применения устройства, работающих по принципу пушки Гаусса
Новизна темы. На данное время ведутся работы по повышению КПД установки, её усовершенствованию и дальнейшей модернизации, испытания боевых образцов. Передовые державы возлагают большие надежды на электромагнитные ускорители масс. С немногими более менее боевыми образцами ведутся исследования.
II.Основная часть.
1.Принцип действия.
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика. В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. 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, т.е. 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 середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшиться до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Приложение 1.
2.Состав моей пушки Гаусса
Экспериментальная установка состоит из блока зарядки и колебательного контура.
Зарядное устройство питается от сети переменного тока 220В,частотой 50Гц и состоит из четырех полупроводниковых диодов. Колебательный контур включает: конденсатора ёмкостью 800мкф и 330В, катушки индуктивности 1,3 4 мГн.
Ствол (его заменяет пластиковый корпус от шариковой ручки), конденсатор от старой фотовспышки (модель К50-17, рабочее напряжение - 220 вольт, ёмкость 800мкф), соленоид (сделан из медной эмалированной проволоки диаметром 0,5; обмотан чёрной электроизоляционной лентой), два кремниевых полупроводниковых диода, корпус от старой фотовспышки, провода. Приложение 2.
Описание деталей, их функции и требования к ним.
Конденсатор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Нужен именно он, так как выпускает заряд менее чем за секунду, а для пушек Гаусса это необходимо.
Для пушек Гаусса обычно используют электролитические конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов, прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это, нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спеченного порошка. Чем эта деталь мощнее, тем лучше.
Соленоид — катушка медного провода, намотанного на цилиндрическую поверхность. У меня он имеет пять слоёв, общее количество витков 325, длину 3,2 см и сделан из медной эмалированной проволоки диаметром 0,5. Сделан собственноручно. Параметры соленоида рассчитываются с помощью специальной программы под названием «FEMM». Эта деталь вырабатывает магнитное поле.
Снаряд. Он должен быть сделан из ферромагнетика (в моём случае из железа или стали). Лучше всего будет, если снаряд продолговатый (как гвоздь) и имеет диаметр почти равный внутреннему диаметру ствола. Так же снаряд меняет свои свойства после нескольких выстрелов – он становится намагниченным. Увидев в первый раз, я был ошарашен, когда измеряя диаметр снаряда, обнаружил, что гвоздь ни с того ни с сего прилепился к штангенциркулю.
Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Был в фотовспышке. Если в пушке Гаусса его не использовать, то возникает опасность, так как электролитический конденсатор может взорваться от обратного напряжения.
Ствол. Представляет собой трубку. Она должна быть как можно более тонкой, но в, то, же время достаточно крепкой, чтобы не деформироваться при намотке соленоида. Не рекомендуется делать ствол из ферромагнетика или металлов. Я использовал пластмассовый корпус от обычной шариковой ручки. Пластмасса достаточно прочная, лёгкая, доступная и можно достать достаточно тонкую пластиковую трубку.
255968546990003.Траектория движения снаряда: 4.Расчёты и формулы.
Производился горизонтальный выстрел из опытного образца массой m=2,45г, при этом дальность полета составило в среднем s=11м, при высоте полета h=1,20м.
1.Энергия, запасаемая в конденсаторе: Eс=CU2/2, Е=(220В)20,0008Ф/2=19,36Дж, Е=19,36Дж
2.Время работы катушки индуктивности. Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды: T=, L= , где μ0 − магнитная проницаемость вакуума, N − число витков и ℓ − длина катушки. S - площадь поперечного сечения.
µ0≈1,3 ·10-6 H/A2
ℓ = 32 мм = 0,032 м
N = 325,
внешний диаметр = 20 мм, S= πr2 =3, 14· 102 мм2 = 3,14 ·10-4 м2
L =(1,3·10-6·3252 3,14 ·10-4) /0,032 = 1,3 4(мГн), L = 1,34 мГнТ = 3,14 (3,14 10-4·0,8·10-3)½ = 3,25 10-3 (с) = 3,2 мс, Т = 3,25 мс,
3.Время разряда конденсаторов. Это время, за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода: , L - индуктивность (в Генри), Траз.= 1,63 мс.
4.Время полета: t =, t==0,49 с, t = 0,49 с.
5.Скорость вылета снаряда: 𝑣 =s/t , 𝑣 = 11м/0,49с = 22,45 м/с, 𝑣= 22,45 м/с.
6.Кинетическая энергия снаряда: E=(mυ2)/2, E=0,00245кг·(22,45м/с)2/2=0,62Дж, E=0,62Дж.
7.КПД действующего образца: КПД=E/Ec=0,62Дж/19,36Дж=0,032=3,2% энергии конденсатора переходят в кинетическую энергию снаряда.
Потери энергии вызваны трением снаряда в нутрии ствола, нагреванием проводов и электромагнитным излучением.
Такие же расчеты я сделал и для второго снаряда, уменьшив его массу. Для сравнения полученных результатов, приведу таблицу
Исходные данные
Масса снаряда,m 2,45г 1,02г
Дальность полёта, s 11 м 20,5 м
Высота полёта, h 1,2 м 1,2 м
Ёмкость конденсатора, C 800 мкФ 800 мкФНапряжение сети, U 220 В 220 В
Экспериментальные данные
Энергия, запасаемая в конденсаторе, Eс = CU2/2 19,36 Дж 19,36 Дж
Время разряда конденсатора, Траз = 1,63 мс. 1,63 мс.
Время работы катушки индуктивности, Т 3,2 мс. 3,2 мс.
Индуктивность соленоида, L =µ0N2S/l 1,34 мГн. 1,34 мГнВремя полёта, t = 0,49 с 0,49 с
Скорость вылета снаряда, 𝑣 = s/t 22,45 м/с 41,83 м/с
Кинетическая энергия снаряда, E = (mυ2)/2 0,62 Дж 0,84 ДжКПД пушки3,2 % 4,6 %
Таким образом, по экспериментальным данным видно, что КПД установки зависит от массы снаряда.
1.Преимущества и недостатки.
Из всех типов электромагнитных установок Пушка Гаусса наиболее проста в изготовлении. Кроме того, она имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными установками КПД и может работать на низких напряжениях.
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз, неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями. Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию. Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса. Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.
Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
III.Заключение.
В заключение можно сказать, что пушка Гаусса перспективное, но на данный момент неэффективное оружие, проигрывающее даже пневматике. Имея весомые преимущества перед другими видами стрелкового оружия, она имеет ещё более весомые на данный момент недостатки. Для многих пушка Гаусса является просто выдуманным оружием из фантастики или компьютерной игры. Таким образом, создание данного представителя электромагнитных ускорителей масс является превращением мечты, фантазии, сказки в реальность в ближайшее будущее.
Передовые страны мира уже обратили свои оценивающие взоры на электромагнитные ускорители. Даже во время мирового финансового кризиса они выделяют значительные деньги на их разработку, а это что ни будь, да значит. Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1г со скоростью до 15 км/с. Для сравнения, у АК-108 начальная скорость пули, 910 м/с (а у него этот показатель самый высокий из всего семейства автоматов Калашникова). Электромагнитное оружие лучше огнестрельного тем, что скорость снаряда, вылетающего из ствола огнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекул сгорающего пороха – около 2 км/с. Даже если все молекулы разом забудут о броуновском движении и организованно бросятся толкать снаряд, он не полетит быстрее. На практике результаты в 1,2–1,5км/с для традиционных видов вооружений уже считаются выдающимися. Еще в 1976г в бывшем Советском Союзе удалось разогнать металлическое ядро массой 1,3г электромагнитным полем до скорости 4,9км/ч (http://sovserv.ru/vbb/printthread.php)
Перспективы применения. Несмотря на свою простоту пушка Гаусса, обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений и инженерных изысканий - так что это направление довольно интересное и перспективное. Пока электромагнитное оружие не имеет практического применения, оно используется либо в исследовательских целях для испытаний, либо как игрушка. Однако в будущем рельсотроны, пушки Гаусса и другие электромагнитные ускорители могут помочь, например, в освоении космоса.
Сравнение результатов. В работе достигнут КПД=3,2%. Согласно данным сайтов(http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса; http://gauss2k.narod.ru/) достигнуты значения КПД до 4,5%.
Способы повышения кпд. Пушка гаусса имеет очень малый кпд. Всего лишь 3,2% энергии конденсатора переходят в кинетическую энергию снаряда, остальная энергия конденсатора идет на нагревание проводов и электромагнитное излучение. Повышать КПД я решил двумя путями: созданием более совершенной катушки (ибо первую мотал вручную, и это получилось не очень аккуратно, тогда я собрал из конструктора мини-станок, с помощью которого сделал катушки) и оптимизацией параметров контура (числа витков катушки, массы снаряда, длины катушки).
КПД магнитного ускорителя тем выше, чем лучше согласованы параметры соленоида с параметрами конденсаторов и параметрами гвоздя. Т.е. при выстреле к моменту подлета гвоздя к середине обмотки ток в катушке уже близко к нулю и магнитное поле отсутствует, не препятствуя снаряду вылетать из соленоида. Однако на практике получить такое удается редко – малейшее отклонение от теоретического идеала резко снижает КПД.
Для повышения кпд необходимо
А. увеличить скорость вылета снаряда, т. к., чем быстрее движется снаряд, тем меньше потерь при его разгоне. Этого можно достичь за счет
1. уменьшения массы снаряда. Мои экспериментальные исследования показали, что снаряд массой 2,45г имеет дальность полета 11м, а скорость вылета – 22,45 м/с; снаряд – 1,02г – 20,5м и 41,83м/с;
2. увеличения мощности магнитного поля за счет увеличения индуктивности катушки. Для этого я увеличил количество витков, что соответственно при постоянном диаметре провода, увеличился диаметр самой катушки;
3. ограничения времени действие магнитного поля на снаряд. Для этого соленоид нужно взять коротким.
В. Чем короче и толще будут соединительные провода, тем больше КПД будет иметь Гаусс.
С. Очень перспективно делать многоступенчатый магнитный ускоритель – каждая последующая ступень будет обладать более высоким КПД, чем предыдущая благодаря увеличению скорости снаряда. Но при малом времени нахождения снаряда, в зоне эффективного действия ускоряющего магнитного поля требуется как можно быстрее установить в соленоиде ток нужной величины, а потом его отключить, дабы избежать бесполезных трат энергии. Всему этому препятствует индуктивность катушки и требования к параметрам коммутационных устройств. Разрешить эту проблему можно множеством разных способов – использовать последующие обмотки увеличивающейся длины при постоянном количестве витков – индуктивность будет ниже, а время пролета через них снаряда не намного больше, чем у предыдущей ступени. Чтобы сделать эффективный многоступенчатый магнитный ускоритель масс, не особо критичный к его настройке, требуется обеспечить несколько важных условий:
1.использовать один общий источник питания обмоток;
2.использовать ключи, обеспечивающее строго заданное по времени включение тока на обмотку;
3.использовать синхронное с движением снаряда включение и выключение обмоток - ток в обмотке должен включатся, когда снаряд попадает в зону эффективного действия ускоряющего магнитного поля, и должен отключатся, когда снаряд выходит из этой зоны;
4.на различных ступенях использовать различные обмотки.
В перспективе, при распространении компактных мощных источников энергии и сверхпроводников, такие пушки вытеснят современное огнестрельное оружие, т.к. нет выхлоптных газов, гильз, скорость патронов ограниченна только мощностью источника энергии и скоростью свете, скорость стрельбы можно довести до десятков тысяч выстрелов в минуту.
Список литературы.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гауссаhttp://gauss2k.narod.ru/
http://gauss2k.narod.ru/ggs.htm
http://www.popmech.ru/article/3628-po-relsam-v-adHYPERLINK "http://www.popmech.ru/article/3628-po-relsam-v-ad/" /
http://vkontakte.ru/club8183403
IV.Приложения:
Приложение 1.
Модель работающей пушки Гаусса.
113665-889000
-1968512319000 320040-674370000
Приложение 2.
Принцип работы (http://nau-ra.ru/dosug/s/124/509/?lang=ru)
Внутри катушки располагается снаряд, сделанный из ферромагнетика

После замыкания ключа по контуру начинает идти ток, создающий в катушке магнитное поле
 
 

Когда снаряд достигает середины катушки, магнитное поле ослабевает, и снаряд по инерции летит дальше. В контуре будут происходить колебания, в ходе которых будет разряжаться/заряжаться конденсатор и увеличиваться/уменьшаться магнитное поле катушки. Но за время, пока снаряд находится в стволе, контур успевает совершить только половину периода колебания, и новые магнитные поля, возникающие в катушке, уже не способны его остановить.

Приложенные файлы


Добавить комментарий