Довольна мощная модель знаменитой Гаусс пушки, которую можно сделать своими руками из подручных средств. Данная самодельная Гаусс пушки изготавливается очень просто, имеет лёгкую конструкцию, всё используемые детали найдутся у каждого любителя самоделок и радиолюбителя. С помощью программы расчёта катушки, можно получить максимальную мощность.
Итак, для изготовления Пушка Гаусса нам потребуется:
- Кусок фанеры.
- Листовой пластик.
- Пластиковая трубка для дула ∅5 мм.
- Медный провод для катушки ∅0,8 мм.
- Электролитические конденсаторы большой ёмкости
- Пусковая кнопка
- Тиристор 70TPS12
- Батарейки 4X1.5V
- Лампа накала и патрон для неё 40W
- Диод 1N4007
Сборка корпуса для схемы Гаусс пушки
Форма корпуса может быть любой, не обязательно придерживаться представленной схеме. Что бы придать корпусу эстетический вид, можно его покрасить краской из баллончика.
Установка деталей в корпус для Пушки Гаусса
Для начала крепим конденсаторы, в данном случае они были закреплены на пластиковые стяжки, но можно придумать и другое крепление.
Затем устанавливаем патрон для лампы накала на внешней стороне корпуса. Не забываем подсоединить к нему два провода для питания.
Затем внутри корпуса размещаем батарейный отсек и фиксируем его, к примеру саморезами по дереву или другим способом.
Намотка катушки для Пушки Гаусса
Для расчета катушки Гаусса можно использовать программу FEMM, скачать программу FEMM можно по этой ссылке https://code.google.com/archive/p/femm-coilgun
Пользоваться программой очень легко, в шаблоне нужно ввести необходимые параметры, загрузить их в программу и на выходе получаем все характеристики катушки и будущей пушки в целом, вплоть до скорости снаряда.
Итак приступим к намотке! Для начала нужно взять приготовленную трубку и намотать на неё бумагу, используя клей ПВА так, что бы внешний диаметр трубки был равен 6 мм.
Затем просверливаем отверстия по центру отрезков и насаживаем из на трубку. С помощью горячего клея фиксируем их. Расстояние между стенками должно быть 25 мм.
Насаживаем катушку на ствол и приступаем к следующему этапу…
Схема Гаусс Пушки. Сборка
Собираем схему внутри корпуса навесным монтажом.
Затем устанавливаем кнопку на корпус, сверлим два отверстия и продеваем туда провода для катушки.
Для упрощения использования, можно сделать для пушки подставку. В данном случае она была изготовлена из деревянного бруска. В данном варианте лафета были оставлены зазоры по краям ствола, это нужно для того что бы регулировать катушку, перемещая катушку, можно добиться наибольшей мощности.
Снаряды для пушки изготавливаются из металлического гвоздя. Отрезки делаются длиной 24 мм и диаметром 4 мм. Заготовки снарядов нужно заточить.
Как-то на просторах интернета я нашел статью про Гаусс пушку и задумался над тем, что неплохо было бы заиметь себе одну (или даже две). В процессе поиска наткнулся я на сайт gauss2k и по простейшей схеме собрал супер-крутую-мега-гаусс-пушку.
Вот она:
И немного пострелял:
И взяла меня тут грусть-печаль сильная о том, что не супер-крутая пушка у меня, а так – пукалка, каких много. Сел я и начал думать, как же мне кпд повысить. Долго думал. Год. Прочитал весь гаусс2к и пол евойного форума. Придумал.
Оказывается, есть программа, написанная учеными заморскими, да нашими умельцами под гаусс пушечку допиленная, и зовется она не иначе как FEMM .
Скачал я с форума .lua скрипт да программу заморскую 4.2 версии и приготовился удариться в расчеты научные. Но не тут-то было, не захотела программа заморская запускать скрипт русский, ибо скрипт под 4.0 версию сделан был. И открыл я инструкцию (у них мануалом она зовется) на языке буржуинском и воскурил ее полностью. Открылась мне истина великая о том, что в скрипт, окаянный, нужно вначале добавить строку хитрую.
Вот она: setcompatibilitymode(1) -- включаем режим совместимости с версией femm 4.2
И засел я за расчеты долгие, загудела машина моя счетная, и получил описание я ученое:
Описание
Емкость конденсатора, микроФарад= 680
Напряжение на конденсаторе, Вольт = 200
Сопротивление общее, Ом = 1.800147899376892
Внешнее сопротивление, Ом = 0.5558823529411765
Сопротивление катушки, Oм = 1.244265546435716
Количество витков в катушке = 502.1193771626296
Диаметр обмоточного провода катушки, милиметр = 0.64
Длина провода в катушке, метр = 22.87309092387464
Длина катушки, милиметр = 26
Внешний диаметр катушки, милиметр = 24
Индуктивность катушки с пулей в начальном положении, микроГенри= 1044.92294174225
Внешний диаметр ствола, милиметр = 5
Масса пули, грамм = 2.450442269800038
Длина пули, милиметр = 25
Диаметр пули, милиметр = 4
Расстояние, на которое в начальный момент вдвинута пуля в катушку, милиметр = 0
Материал из которго сделана пуля = № 154 Экпериментально подобранный материал (простое железо)
Время процесса (микросек)= 4800
Приращение времени, микросек=100
Энергия пули Дж = 0.2765589667129519
Энергия конденсатора Дж = 13.6
КПД гауса(%)= 2.033521814065823
Начальная скорость пули, м/с = 0
Скорость пули на выходе из катушки, м/с= 15.02403657199634
Максимальная скорость, которая была достигнута, м/с = 15.55034094445013
И тут я сел реализовывать сие колдунство в реальность.
Взял трубку от антенны (одна из секций D = 5mm) и сделал в ней пропил (болгаркой), ибо трубка это замкнутый виток в котором будут наводиться токи окаянные, вихревыми зовущиеся, и будут эту самую трубку нагревать, снижая КПД, который и так невысок.
Вот что получилось: прорезь ~ 30 мм
Начал мотать катушку. Для этого вырезал из фольгированного стеклотекстолита 2 квадрата (30х30 мм) да с отверстием в центре (D = 5мм) и дорожки на нем вытравил хитрые, чтобы к трубке припаять (она то хоть и блестит как железка, но на самом деле латунная).
Со всем этим добром сел мотать катушку:
Намотал. И по все той же схеме собрал сей хитрый девайс.
Вот как это выглядит:
Тиристор и микрик были из старых запасов, а вот конденсатор я достал из компьютерного БП (там их два). Из того же БП впоследствии использовались еще диодный мост и дроссель переделанный в повышающий трансформатор, ибо от розетки заряжаться опасно, да и нет ее в чистом поле, а потому нужен преобразователь построением которого я и занялся. Для этого взял ранее собранный генератор на NE555:
И подключил его к дросселю:
у которого было 2 обмотки по 54 витка 0,8 проводом. Питал я все это от АКБ на 6 вольт. И вот ведь колдунство какое – вместо 6 вольт на выходе (обмотки то одинаковые), я получил целых 74 вольта. Выкурив еще пачку мануалов по трансформаторам я узнал:
- Как известно, ток во вторичной обмотке тем больше, чем быстрее изменяется ток в первичной обмотке, т.е. пропорционален производной от напряжения в первичной обмотке. Если производная от синусоиды тоже является синусоидой с такой же амплитудой (в трансформаторе величина напряжения умножается на коэффициент трансформации N), то с прямоугольными импульсами дело обстоит иначе. На переднем и заднем фронте трапециевидного импульса скорость изменения напряжения очень высока и производная в этом месте тоже имеет большое значение, отсюда и возникает высокое напряжение.Gauss2k.narod.ru “Портативное устройство для зарядки конденсаторов.” Автор ADF
Немного подумав, я пришел к выводу: раз выходное напряжение у меня 74 вольта, а надо 200 то – 200/74 = в 2,7 раза нужно увеличить количество витков. Итого 54*2,7 = 146 витков. Перемотал одну из обмоток более тонким проводом (0,45). Количество витков увеличил до 200 (про запас). Поигрался с частотой преобразователя и получил вожделенные 200 вольт (по факту 215).
Вот как это выглядит:
Некрасиво, но это временный вариант потом будет переделываться.
Собрав все это добро, я немного пострелял:
Постреляв, решил измерить, что за ТТХ у моей пушки. Начал с измерения скорости.
Посидев вечерком с бумагой и ручкой, вывел формулу, которая позволяет по траектории полета вычислить скорость:
С помощью сей хитрой формулы я получил:
Расстояние до цели, x = 2,14 м
отклонение по вертикали, y (среднее арифметическое 10 выстрелов) = 0,072 м
Итого: 
Я сначала не поверил, но впоследствии собранные пробивные датчики, подключенные к звуковой карте, показали скорость 17,31 м/с
Мерить массу гвоздика я поленился (да и нечем) поэтому взял массу, которую насчитал мне ФЕММ (2,45 грамма). Нашел КПД.
Энергия запасаемая в конденсаторе = (680 * 10^-6 * 200^2)/2 = 13,6 Дж
Энергия пули = (2,45 * 10^-3 * 17,3^2)/2 = 0,367 Дж
КПД = 0,367/13,6*100% = 2,7%
Вот в принципе и все что связано с одноступенчатым ускорителем. Вот как он выглядит:
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Назвали ее в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма. Но так ли уж далеко смертельное фантастическое оружие от реальности?
Из курса школьной физики мы узнали, что электрический ток, проходя по проводникам, создает вокруг них магнитное поле. Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током, иначе говоря, катушки индуктивности (соленоид). Если катушку с током подвесить на тонких проводниках, то она установится в то же положение, в котором находится стрелка компаса. Значит, катушка индуктивности имеет два полюса - северный и южный.
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол 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 может притягиваться в обратном направлении и тормозиться.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
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, в том числе без смены ствола и боеприпас. 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 космического пространства. Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями:
Низкий КПД - около 10 %. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 30%. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию. Вторая трудность - большой расход энергии и достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания. Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.
Высокое время перезаряда между выстрелами, то есть низкая скорострельность. Боязнь влаги, ведь намокнув, она поразит током самого стрелка.
Но главная проблема это мощные источники питания пушки, которые на данный момент являются громоздкими, что влияет на мобильность
Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса для орудий с малой поражающей способностью (автоматы, пулеметы и т. д.) не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового вооружения. Перспективы появляются при использовании ее как крупнокалиберного орудия военно-морского. Так, например, в 2016 году ВМС США приступят к испытаниям на воде рельсотрона. Рельсотрон, или рельсовая пушка — орудие, в котором снаряд выбрасывается не с помощью взрывчатого вещества, а с помощью очень мощного импульса тока. Снаряд располагается между двумя параллельными электродами — рельсами. Снаряд приобретает ускорение за счёт силы Лоренца, которая возникает при замыкании цепи. С помощью рельсотрона можно разогнать снаряд до гораздо больших скоростей, чем с помощью порохового заряда.
Однако, принцип электромагнитного ускорения масс можно с успехом использовать на практике, например, при создании строительных инструментов - актуальное и современное направление прикладной физики. Электромагнитные устройства, преобразующие энергию поля в энергию движения тела, в силу разных причин ещё не нашли широкого применения на практике, поэтому имеет смысл говорить о новизне нашей работы.
1.1Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала, изучив который возникла идея создать самим действующую модель пушки Гаусса.
1.2 Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить скорость полета снаряда и его импульс.
Основные задачи :
1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.
2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.
3. Создать действующую модель.
4. Определить скорость полета снаряда и его импульс.
Практическая часть работы :
Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.
1.3Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях дома?
2. Кратко о самом Гауссе.
Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) — немецкий математик, астроном, геодезист и физик. Для творчества Гаусса характерна органическая связь между теоретической и прикладной математикой, широта проблематики. Труды Гаусса оказали большое влияние на развитие алгебры (доказательство основной теоремы алгебры), теории чисел (квадратичные вычеты), дифференциальной геометрии (внутренняя геометрия поверхностей), математической физики (принцип Гаусса), теории электричества и магнетизма, геодезии (разработка метода наименьших квадратов) и многих разделов астрономии.
Карл Гаусс родился 30 апреля 1777, Брауншвейг, ныне Германия. Скончался 23февраля 1855, Геттинген, Ганноверское королевство, ныне Германия. Еще при жизни он был удостоен почетного титула «принц математиков». Он был единственным сыном бедных родителей. Школьные учителя были так поражены его математическими и лингвистическими способностями, что обратились к герцогу Брауншвейгскому с просьбой о поддержке, и герцог дал деньги на продолжение обучения в школе и в Геттингенском университете (в 1795-98). Степень доктора Гаусс получил в 1799 в университете Хельмштедта
Открытия в области физики
В 1830-1840 годы Гаусс много внимания уделяет проблемам физики. В 1833 в тесном сотрудничестве с Вильгельмом Вебером, Гаусс строит первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 выходит сочинение Гаусса «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в которой излагает. основные положения теории потенциала и доказывает знаменитую теорему Гаусса—Остроградского. Работа «Диоптрические исследования» (1840) Гаусса посвящена теории построения изображений в сложных оптических системах
3. Формулы, связанные с принципом действия пушки.
Кинетическая энергия снаряда
где: — масса снаряда, — его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
где: — напряжение конденсатора, — ёмкость конденсатора
Время разряда конденсаторов
Это время, за которое конденсатор полностью разряжается:
Время работы катушки индуктивности
Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.
где: — индуктивность, — ёмкость
Одним из основных элементом пушки Гаусса это электрический конденсатор. Конденсаторы бывают полярные и неполярные - практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т. е. очень важно правильное его подключение - положительный заряд подаем к выводу “+”, а отрицательный к “-”. Алюминиевый корпус электролитического конденсатора, кстати, так же является выводом “-”. Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор
4. Практическая часть
Наша катушка индуктивностью С имеет 30 витков (3 слоя по 10 витков, каждый). Два конденсатора суммарной емкостью 450 мкФ. Собрали модель по следующей схеме: см. Приложение 1.
Определение скорости полета снаряда, вылетающего из «ствола» нашей модели, мы осуществили опытным путём с помощью баллистического маятника. В основе опыта лежат законы сохранения импульса и энергии.Поскольку скорость полёта пули достигает значительной величины, прямое измерение скорости, то есть определение времени, за которое пуля проходит известное нам расстояние, требует наличия специальной аппаратуры. Мы измеряли скорость пули косвенным методом, используя неупругое соударение - соударение, в результате которого столкнувшиеся тела соединяются вместе и продолжают движение как одно целое. Летящий снаряд испытывает неупругий удар со свободным телом большей массы. После удара тело начинает двигаться со скоростью во столько же раз меньше скорости пули, во сколько масса пули меньше массы тела.
Неупругий удар характеризуется тем, что потенциальная энергия упругой деформации не возникает, кинетическая энергия тел полностью или частично превращается во внутреннюю энергию. После удара столкнувшиеся тела либо движутся с одинаковыми скоростями, либо покоятся. При абсолютно неупругом ударе выполняется закон сохранения импульса:
где - скорость тел после взаимодействия.
Закон сохранения импульса (количества движения) применяется, если взаимодействующие тела образуют изолированную механическую систему, то есть такую систему, на которую не действуют внешние силы, либо внешние силы, действующие на каждое из тел, уравновешивают друг друга, либо проекции внешних сил на некоторое направление равны нулю.
При неупругом ударе кинетическая энергии не сохраняется, поскольку часть кинетической энергии снаряда преобразуется во внутреннюю соударяющихся тел но закон сохранения полной механической энергии выполняется и можно записать:
где - приращение внутренней энергии взаимодействующих тел.
4.1 Методика исследования.
Баллистический маятник, который использовался нами, представляет собой деревянный брусок со слоем пластилина. Мишень М подвешена на двух длинных практически нерастяжимых нитях. На мишени укреплена лазерная указка, луч которой при отклонении маятника (после удара снаряда) перемещается вдоль горизонтальной шкалы (рис. 1).
На некотором расстоянии от маятника располагается пушка Гаусса. После удара снаряд массой m застревает в мишени M . Система «снаряд-мишень» изолирована по горизонтальному направлению. Так как длина l нитей много больше линейных размеров мишени, то система «снаряд-мишень» может рассматриваться как математический маятник. После попадания снаряда центр массы системы «снаряд-мишень» поднимается на высоту h .
На основании закона сохранения импульса в проекции на ось x (см. рис. 1) имеем:
Где - скорость снаряда, - скорость снаряда и маятника.
Пренебрегая трением в подвес маятника и силой сопротивления воздуха, на основе закона сохранения энергии можно записать:
где - высота подъёма системы после удара.
Величина h может быть определена из измерений отклонения маятника от положения равновесия после попадания пули в мишень (рис. 2):
где a - угол отклонения маятника от положения равновесия.
Для малых углов отклонения:
где - горизонтальное смещение маятника.
Подставляя последнюю формулу к проекции закона сохранения импульса на ось, находим:
4.2 Результаты измерения.
Массу m снаряда мы определили с помощью взвешивания на механических лабораторных весах:
m = 3 г. = 0, 003 кг.
Масса M мишени со слоем пластилина и лазерной указкой приведены в описании лабораторной установки.
M = 297 г. = 0, 297 кг.
Длины нитей подвеса должны быть одинаковы, а ось вращения строго горизонтальна.
В этой части мы измерили с помощью линейки длины нитей.
l = 147 см = 1,47 м.
После выстрела заряженной снарядом пушки Гаусса факт попадания пули в центр маятника определяется визуально.
Для проведения дальнейших вычислений отмечаем на шкале положения n 0 светового указателя в состоянии равновесия мишени и положения n светового указателя при максимальном отклонении маятника и находим смещение S = (n - n 0) маятника.
Измерения проводились 5 раз. При этом повторные выстрелы осуществлялись только по неподвижной мишени. Результаты измерений приведены ниже:
S ср = = 14 мм = 0, 014 м,
и вычислена скорость ʋ 0 снаряда по формуле.
U 0 = =12,96 км/ч
Определение погрешностей измерений. Определение производится по формуле: , где l₀ - среднее значение длин, Δ l - среднее значение погрешности. Мы уже определили среднее значение длин в предыдущих этапах, поэтому нам остаётся определить среднее значение погрешности. Определять мы его будем по формуле:Δ l = Теперь можем приписать значение длины с погрешностью:Нахождение импульса снаряда. Определение импульса производится по формуле: , где - скорость снаряда.Подставляем значения:
5.Заключение.
Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение, а также изготовление действующей модели Пушки Гаусса и определение скорости полета снаряда. Изложенные нами результаты показывают, что нами была изготовлена экспериментальная действующая модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса). При этом нами были упрощены схемы, имеющиеся в интернете и модель была адаптирована к работе в стандартной промышленной сети переменного тока. Проведённая нами работа позволяет сделать следующие выводы:
1. Собрать работающий прототип электромагнитного ускорителя масс в домашних условиях вполне реально.
2. Использование электромагнитного ускорения масс имеет большие перспективы в будущем.
3. Электромагнитное оружие может стать достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.
6. Информационные ресурсы :
Википедия http://ru.wikipedia.org
Новое электромагнитное оружие 2010 http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html
Размер: px
Начинать показ со страницы:
Транскрипт
1 Научно-исследовательская работа Тема работы «Пушка Гаусса оружие или игрушка?» Выполнил: Бекетов Константин учащийся 9 класса Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа села Святославка Самойловского района Саратовской области». Руководитель: Мезина Ольга Алексеевна Учитель физики и информатики МБОУ «СОШ с. Святославка»
2 Оглавление Введение Глава 1. Теоретические основы исследования 1.1 Электромагнитные пушки. Пушка катушечного типа 1.2 История пушки Гаусса 1.3 Пушка Гаусса 1.4 Принцип действия пушки Гаусса Глава 2. Создание макета пушки Гаусса 2.1.Расчет комплектующих 2.2.Создание и отладка работы Пушки Гаусса 2.3.Анализ исследований Заключение Список литературы Введение Пушка Гаусса принадлежит к недостаточно исследованному виду электромагнитного оружия. Многие учёные пытаются усовершенствовать её принцип действия, но до сих пор характеристики большинства образцов оставляют желать лучшего. Электромагнитный способ приведения физического тела в движение был предложен еще в начале 19 столетия, но отсутствие надлежащих средств накапливания электрической энергии мешало его реализации. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электрической энергии, таким образом, значительно возросла возможность появления систем с электромагнитными пушками. Сейчас, пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия:
3 - отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса; - возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого 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); - большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства. Я предположил, что пушку Гаусса можно применять в различных сферах, связанных с жизнедеятельностью человека. Важную роль могут сыграть новые материалы или различные варианты конструкций. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, может явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе. Мой интерес к реконструкции пушки Гаусса вызван простотой сборки и доступностью материалов, простота в использовании с одной стороны и большая энергозатратность с другой, что и определило основную проблему исследования. Недостаточно изучен спектр применения электромагнитного ускорителя в повседневной жизни. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где можно использовать пушку Гаусса, в каких сферах жизнедеятельности человека. Данные противоречия актуализировали и обусловили выбор темы исследования: «Пушка Гаусса-оружие или игрушка?». Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался устройством пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е. любительскую установку. Её можно
4 использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где же ещё можно применять пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что же для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле? Цель работы: Создать и исследовать различные варианты конструкций пушки Гаусса при изменении физических параметров частей пушки. Задачи исследования: 1. Создать действующую модель пушки Гаусса для демонстрации на уроках физики явления электромагнитной индукции. 2. Исследовать эффективность работы пушки Гаусса от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида. 3. На основе результатов исследования предложить новые области применения пушки в сфере жизнеобеспечения человека. Предмет исследования явление электромагнитной индукции. Объект исследования модель Пушка Гаусса. Методы исследования: 1. Анализ научной литературы. 2. Материальное моделирование, конструирование. 3. Экспериментальные методы исследования 4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция. Практическая значимость: Данный прибор можно использовать для демонстрации на уроках физики, что будет способствовать лучшему усвоению учащимися данных физических явлений. Основная часть Глава 1. Теоретические основы исследования 1. 1.Электромагнитные пушки. Пушки катушечного типа.
5 Электромагнитные пушки это общее название установок, предназначенных для ускорения предметов (объектов) с помощью электромагнитных сил. Такие устройства называются электромагнитными ускорителями масс. Электромагнитные пушки разделяют на следующие виды: 1. Рельсотрон это устройство представляет собой электродный импульсный ускоритель масс. Работа этого прибора заключается в передвижении снаряда между двух электродов рельс - по которым течет ток. Благодаря этому электромагнитные пушки такого типа и получили свое название рельсотрон. В таких приборах источники тока подключаются к основанию рельс, в результате ток течет «вдогонку» движущемуся объекту. Магнитное поле создается вокруг проводников, по которым протекает ток, оно сосредоточено за движущимся снарядом. В результате объект, по сути, является проводником, который помещен в перпендикулярное магнитное поле, создаваемое рельсами. Согласно законам физики, на снаряд воздействует сила Лоренца, которая направлена в противоположную сторону от места подключения рельс и ускоряет объект. 2. Электромагнитные пушки Томпсона это индукционные ускорители масс. В основу работы индукционных пушек заложены принципы электромагнитной индукции. В катушке устройства возникает быстро нарастающий ток, он вызывает в пространстве магнитное поле переменного характера. Обмотка
6 намотана вокруг ферритового сердечника, на конце которого находится токопроводящее кольцо. Благодаря воздействию магнитного потока, который пронизывает кольцо, возникает переменный ток. Он создает магнитное поле, имеющее противоположную полю обмотки направленность. Проводящее кольцо своим полем отталкивается от противоположного поля обмотки и, ускоряясь, слетает с ферритового стержня. Скорость и мощность вылета кольца напрямую зависят от силы импульса тока. 3. Электромагнитная пушка Гаусса магнитный ускоритель масс. Назван в честь математика-ученого Карла Гаусса, который внес огромный вклад в изучение свойств электромагнетизма. Основным элементом пушки Гаусса является соленоид. Он наматывается на диэлектрическую трубку (ствол). В один конец трубки вставляется ферромагнитный объект. В момент появления в катушке электрического тока в соленоиде возникнет магнитное поле, под действием которого разгоняется снаряд (в направлении центра соленоида). При этом на концах заряда образуются полюса, которые ориентированы соответственно полюсов катушки, в результате чего, после прохождения снаряда через центр соленоида, он начинает притягиваться в противоположном направлении (тормозится). Схема электромагнитной пушки показана на фото. Современная наука значительно продвинулась в области изучения ускорения и накопления энергии, а также образования импульсов. Можно предположить, что в ближайшем будущем человечество столкнется с новым типом оружия - электромагнитные пушки. Для развития этой технологии требуется огромная работа во всех аспектах ускорителей масс, включая снаряды и энергоснабжение. Важнейшую роль сыграют новые материалы. Для реализации такого проекта потребуются мощные и компактные источники электрической энергии. А также высокотемпературные сверхпроводники.
7 1.2.История пушки Гаусса Доктор Вольфрам Витт является начальником координации научно- исследовательских программ фирмы "Рейн/металл". Вместе с Маркусом Леффлером в настоящее время занимаются исследованиями в области сверхмощных электрических устройств ускорения. В их статье приведены факты по разработке и использованию электромагнитных пушек. Они отмечают, что в1845 такая пушка катушечного типа била 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 пушки 65 мм, длина10 м. Весной 1944г. доктор ИоахимХэнслер и главный инспектор Бунзель выполнили исследования по пушке катушечного типа. На Хиллерслебенском испытательном полигоне в Магдебурге, в тщательно отгороженном гараже, они провели испытания стрельбой малокалиберного (10 мм) устройства, предположительно состоящего из множества катушек, стрельба велась по броневым плитам. Источники энергии включали автомобильные аккумуляторные батареи, конденсаторы (емкости) и электрогенераторы. Но испытания были безуспешными и через полгода были прекращены. Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и
8 образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы вооружения через поколение (вскоре после начала века) будут оснащены электромагнитными пушками. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе. 1.3 Пушка Гаусса Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель. 1.4 Принцип действия пушки Гаусса 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, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
9 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 ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек. Кинетическая энергия снаряда масса снаряда его скорость Энергия, запасаемая в конденсаторе напряжение конденсатора ёмкость конденсатора Время разряда конденсаторов Это время, за которое конденсатор полностью разряжается: индуктивность ёмкость 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. Т = 2π
10 индуктивность ёмкость Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется. Глава 2. Создание макета пушки Гаусса 2.1 Расчет комплектующих Основой конструирования Пушки Гаусса являются конденсаторы, параметры которых определяют параметры будущей магнитной пушки. Анализируя научную литературу и информационные источники, расскажу о конструировании параметров своей модели. Конденсатор характеризуется электрической емкостью и максимальным напряжением, до которого его можно заряжать. Кроме того, конденсаторы бывают полярные и неполярные практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т.е. очень важно правильное его подключение положительный заряд подаем к выводу +, а отрицательный к -. Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор. Е = Зная энергию конденсатора можно найти ориентировочную кинетическую энергию снаряда или попросту мощность будущего магнитного ускорителя. Как правило, КПД пушки примерно равен 1,7% - т.е. раздели на 100 энергию конденсаторов можно найти кинетическую энергию снаряда.
11 Однако при оптимизации гаусса его КПД можно будет поднять до 4-7%, что уже существенно. Зная кинетическую энергию снаряда и его массу (m), вычисляем его скорость полета. V= 2 / [м\с], переводим её в километры в час. Далее рассчитаем примерную длину обмотки соленоида. Она равна длине снаряда. Обмотка должны быть такова, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к её середине ток в ней уже был бы минимален и магнитное поле не мешало бы вылетать снаряду с другого конца обмотки. Система конденсаторы катушка это колебательный контур. Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а т.к. гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки разделить на скорость полета гвоздя. Т = 2π В нашей системе колебания будут вовсе не свободными, поэтому период колебаний будет несколько больше этого значения. Впрочем, мы это учтем позже, когда будем рассчитывать непосредственно саму обмотку. Время полупериода колебаний известно, емкость конденсаторов тоже осталось лишь выразить из формулы индуктивность катушки. На практике индуктивность катушки возьмем несколько меньше в связи с тем, что период колебаний из-за наличия в цепи активного сопротивления будет больше. Раздели индуктивность на 1,5 думаю, для оценочного расчета это примерно так. Теперь найдем через индуктивность и длину параметры катушки число витков ит.д.индуктивность соленоида находится по формуле L=mm 0 (N 2 S)/l [Гн].
12 Где m относительная магнитная проницаемость сердечника, m0 магнитная проницаемость вакуума = 4π10-7, S площадь поперечного сечения соленоида, l длина соленоида, N-число витков. Найти площадь поперечного сечения соленоида довольно просто зная параметры будущего снаряда, который мы уже использовали в расчете, ты наверняка уже приглядел трубку, на которой собрался наматывать соленоид. Диаметр трубки легко измерить, примерно прикинь толщину будущей намотки и рассчитай площадь поперечного сечения [м 2 ]. Индуктивность у нас взята с учетом наличия внутри катушки снаряда. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно (больше можно, меньше нельзя!) хотя можешь посмотреть по справочнику и разделить это значение на два (снаряд не все время находится внутри соленоида). Кроме того, что диаметр обмотки больше диаметра снаряда, поэтому значение m взятое из справочника можно разделить еще раз на 2. Зная длину соленоида, площадь поперечного сечения, магнитную проницаемость сердечника из формулы индуктивности легко выразим количество витков. Теперь оценим параметры самого провода. Как известно, сопротивление провода рассчитывается как удельное сопротивления материала умножить на длину проводника и разделить на площадь поперечного сечения проводника. Удельное сопротивление меди намоточного провода, кстати, несколько больше табличного значения, данного для ЧИСТОЙ меди. Чем меньше сопротивление, тем лучше. Т.е. вроде как провод большего диаметра предпочтителен, однако это вызовет увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину. В общем случае типичным для домашних гауссов, на энергию порядка Дж и напряжение в медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.
13 омах. Кстати, мощность активных потерь находится по формуле P=I 2 R [Вт] Где: I ток в амперах, R активное сопротивление проводов в Как правило, 50% энергии конденсаторов ВСЕГДА теряется на активном сопротивлении гауссовки. Зная это, найти максимальный ток катушки можно довольно \просто. Энергия катушки равна квадрату тока умноженную на индуктивность и разделённую на 2, по аналогии с конденсатором. 2.2 Создание и отладка работы Пушки Гаусса Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики. Внимание! Заряженные конденсаторы большой ёмкости могут быть очень опасны! Будьте аккуратны! Начнем сборку пушки с соленоида (катушка индуктивности без сердечника). Стволом катушки является кусок пластиковой соломинки длиной 40 см. Аккуратно наматываем на нее медный провод, виток к витку,- от качества сборки будет зависеть дальность стрельбы нашего орудия. Всего надо намотать 9 слоев. На практике я установил, что лучше два слоя обмотки возбуждения намотать проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом случае не должна быть слишком толстой (диаметром не более 1,5 мм). Затем можно все разобрать, снять шайбы и надеть катушку на стержень от фломастера, который будет служить стволом. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: она действует как электромагнит. 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
14 уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Далее выполняем сборку электрической цепи, закрепляем ее элементы на неподвижной подставке. Можно пушке придать форму пистолета, поместив детали цепи в корпус пластиковой детской игрушки. Но я поместил цепь в корпус картонной коробки. В соответствии с описанной технологией я создал две действующие модели. Я проводил параллельный эксперимент, соответственно изменяя систему конденсаторов (во второй модели несколько конденсаторов, в первой один), количество витков соленоида, различные типы соединения участков цепи. Таблица1. Сравнительные параметры моделей пушки Гаусса. Параметры 1-ая модель 2-я модель Преимущества, недостатки Емкость конденсатора [мкф] Чем больше емкость конденсатора, тем больше нагревается трансформатор в цепи. Количество Энергия магнитного витков поля увеличивается, с увеличением числа витков. 2.3 Анализ исследований Я исследовал зависимость эффективности работы пушки от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида. Работая над этим проектом, я пришёл к тому, что скорости снаряда зависит от ёмкости конденсатора и от индуктивности соленоида. Если в мою сборку включить трансформатор, у которого вторичная обмотка в несколько раз больше первичной обмотки, то:
15 Повышается скорость заряда конденсатора Мощность конденсатора Уменьшение входного напряжения в установку Но по мере изучение свойств пушки, столкнулись с тем, что трансформатор очень сильно греется. Поэтому время работы установки сокращается в разы. Пытаясь решить проблему тепловых потерь у трансформатора, я выдвинул несколько решений: Установить систему охлаждения для трансформатора. Переделать установку. Рассмотрим каждое решение. Установить систему охлаждения для трансформатора. Трансформатор убираем в специальный бокс. В стенках данного бокса монтируем вентиляторы, которые будут прогонять воздух через трансформатор и выбрасывать его наружу. Но возникают побочные проблемы: Повышается энергозатратность установки Увеличиваются размеры самой установки Выброс в атмосферу большого количества углекислого газа. Переделать установку. Смысл заключается в том, чтобы вместо трансформатора использовать несколько конденсаторов, которые будут соединены последовательно.
16 Мощность установки увеличивается. Но время зарядки конденсаторов увеличивается, как и энергозатратность. Проблему с большим потреблением электричества можно решить с помощью новых технологий. В качестве источника тока можно использовать термоядерный реактор. Но такая установка еще не хорошо изучена: Выдает намного меньше электричества, чем потребляет. При ее использовании выделяется очень много теплоты, вследствие чего, время работы реактора очень маленькое. Время разрядки уменьшить, то инерция будет увеличена. Заключение При исследовании пушки, я пришёл к выводу, что материалы для сборки установки доступны; в мире очень много литературы, которая помогает понять принципы работы пушки и различные способы ее сборки. Но при применении пушки возникает проблема ее использования, что в современном мире пушка может быть использована только в военных и космических интересах, т.к. очень сложно просчитать поведение катушки при применении моделей в других отраслях жизнедеятельности человека. Я выяснил, что теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность). Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.
17 Первая и основная 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 27 %. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей для размыкания катушки (правило Ленца). Вторая трудность большой расход энергии (из-за низкого КПД). Третья трудность (следует из первых двух) большой вес и габариты установки при её низкой эффективности. Четвёртая трудность достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы. Пятая трудность с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули. В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных
18 (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования. Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности. Испытания гаусс-пушки дали цифру в 27% КПД. То есть, по мнению специалистов выстрел из гаусса проигрывает даже китайской пневматике. Перезарядка медленная - про скорострельность не может быть и речи. И самая большая проблема - нет мощных, мобильных источников энергии. И пока эти источники не будут найдены - про вооружения гаусс-пушками можно забыть.
19 . Список литературы 1.Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики I, II, III том. Издательство «Просвещение» 1988 год 2.Мелковская Л.Б. Повторим физику. Учебное пособие для поступающих в ВУЗы. Издательство «Высшая школа» 1977 год Использованные ресурсы: 1. Интернет-ресурсы: статья: 2. Видео: «
20 5.
ГБОУ гимназия 1540 Номинация: «Проектная работа». Проектно - исследовательская работа на тему: «Создание модели ПушкиГауcса».
Научно-исследовательская работа на тему: «ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПУШКИ ГАУССА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИК» Выполнили: Ванчиков Виктор Попов Владимир Учащиеся 11 класса МАОУ «СОШ 22» Руководитель:
Электричество и магнетизм, часть 2 1. Конденсатор колебательного контура подключен к источнику постоянного напряжения. Графики и представляют зависимость от времени t физических величин, характеризующих
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 3 ВАРИАНТ 1 1. Три источника тока с ЭДС ξ 1 = 1,8 В, ξ 2 = 1,4 В, ξ 3 = 1,1 В соединены накоротко одноименными полюсами. Внутреннее сопротивление первого источника r 1 = 0,4 Ом, второго
VI научная конференция школьников Иркутской области «Человек и космос» Электромагнитные пушки Научно-исследовательская работа Выполнил: Черепанов Дмитрий Сергеевич гр. 25-11 Учитель физики: Демидова Л.И.,
«ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА». Электрическим током называют упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Для существования тока необходимы два условия: Наличие свободных зарядов; Наличие внешнего
ФИЗИКА 11.1 МОДУЛЬ 2 1. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Сила Ампера Вариант 1 1. Взаимодействие двух параллельных проводников, по которым протекает электрический ток, называется 1) электрическим
Электричество и магнетизм Электростатическое поле в вакууме Задание 1 Относительно статических электрических полей справедливы утверждения: 1) поток вектора напряженности электростатического поля сквозь
4.4. Электромагнитная индукция. Правило Ленца. Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом
Электромагнитная индукция Явление электромагнитной индукции Электромагнитная индукция явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его. Явление
ЛИЦЕЙ 1580 (ПРИ МГТУ ИМ.Н.Э.БАУМАНА) КАФЕДРА «ОСНОВЫ ФИЗИКИ», 11КЛАСС, 3 СЕМЕСТР 2018-2019 УЧЕБНЫЙ ГОД Вариант 0 Задача 1. Топкое прополочное кольцо площади S = 100 см. 2 -, имеющее сопротивление R = 0,01
9.Электродинамика. Магнетизм. 005 1.Силу Лоренца можно определить по формуле А) F = q υ Bsinα. B) F = I Δ l Bsinα. C) F = qe. D) F = k. E) F = pgv..токи, возникающие в массивных проводниках, называют А)
Задачи. Принцип суперпозиции. 1. В вершинах квадрата находятся одинаковые заряды Q = 0, 3 нкл каждый. Какой отрицательный заряд Q x нужно поместить в центре квадрата, чтобы сила взаимного отталкивания
Контрольная работа по теме Электромагнетизм 11 класс 1 вариант A1. К магнитной стрелке (северный полюс затемнен, см. рисунок), которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости
С1.1. На рисунке приведена электрическая цепь, состоящая из гальванического элемента, реостата, трансформатора, амперметра и вольтметра. В начальный момент времени ползунок реостата установлен посередине
10. На рисунке изображены две изолированные друг от друга электрические цепи. Первая содержит последовательно соединенные источник тока, реостат, катушку индуктивности и амперметр, а вторая проволочный
В схеме на рисунке сопротивление резистора и полное сопротивление реостата равны R, ЭДС батарейки равна E, её внутреннее сопротивление ничтожно (r = 0). Как ведут себя (увеличиваются, уменьшаются, остаются
4. Длинные линии 4.1. Распространение сигнала по длинной линии При передаче импульсных сигналов по двухпроводной линии часто приходится учитывать конечную скорость распространения сигнала вдоль линии.
С1.1. На фотографии изображена электрическая цепь, состоящая из резистора, реостата, ключа, цифровых вольтметра, подключенного к батарее, и амперметра. Используя законы постоянного тока, объясните, как
Домашнее задание по теме: «Электрические колебания» Вариант. В колебательном контуре индуктивность катушки L = 0, Гн. Величина тока изменяется по закону I(t) = 0,8sin(000t + 0,3), где t время в секундах,
Тест по электротехнике. Вариант 1. 1.Какие приборы изображены на схеме? а) электрическая лампочка и резистор; б) электрическая лампочка и плавкий предохранитель; в) источник электрического тока и резистор.
Отделение среднего профессионального образования филиала Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный
РАБОТА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПИ, СОДЕРЖАЩЕЙ РЕЗИСТОР И КОНДЕНСАТОР Цель работы: изучение закона изменения напряжения при разрядке конденсатора, определение постоянной времени R-цепи и
4 Электромагнитная индукция 41 Закон электромагнитной индукции 1 Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле Существует и обратное явление: магнитное поле вызывает появление электрических токов
Блок 9. Электромагнитная индукция. Переменный ток. Лекции: 9.1 Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Причины возникновения индукционного тока: сила Лоренца
ФИЗИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ МАСС Монин В.С. МБОУ Одинцовский лицей 10, 9 класс 429 Руководитель: Чистякова И.В., МБОУ Одинцовский лицей 10, учитель физики Научный руководитель: Монин С.В. Паспорт
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 3 ВАРИАНТ 1 1. Четыре одинаковых заряда Q 1 = Q 2 = Q 3 = Q 4 = 40 кнл закреплены в вершинах квадрата со стороной а = 10 см. Определить силу F, действующую на каждый из этих зарядов
Лекция 6 Явление самоиндукции. Индуктивность В замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле, благодаря явлению электромагнитной индукции возникает индукционный ток. При этом магнитное
ПОСТОЯННЫЙ ТОК 2008 Цепь состоит из источника тока с ЭДС 4,5В и внутренним сопротивлением r=,5oм и проводников сопротивлением =4,5 Oм и 2= Oм Работа, совершенная током в проводнике за 20 мин, равна r ε
ГБОУ Гимназия 1576 Проект «Мусор в космосе» Москва 2017 г Выполнили: Зотова Дарья Митюшина Анастасия Слепых Ксения Иванова Ксения Газаев Георгий Научный руководитель: Ермоленко И. В. Введение Проблемы
ПРИМЕРНЫЙ БАНК ЗАДАНИЙ ПО ФИЗИКЕ 11 КЛАСС (БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ) погружение 2 Магнитное поле. Однородное и неоднородное магнитное поле 1.Какое вещество совсем не притягивается магнитом? 1) Сталь 2) Стекло 3)
Вариант 1 1. Заряды по 10 нкл расположены на расстоянии 6 см друг от друга. Найти напряженность поля и потенциал в точке, удаленной на 5 см от каждого заряда. 2. Два заряда по +2нКл каждый находятся на
Сборник задач для специальности ОП 251 1 Электрическое поле. Задания средней сложности 1. Два точечных тела с зарядами Q 1 =Q 2 = 6 10 11 Кл расположены в воздухе на расстоянии 12 см друг от друга. Определить
Тема 2.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ 1. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея) 2. Закон Фарадея 3. Вихревые токи (токи Фуко) 4. Индуктивность контура. Самоиндукция 5. Взаимная индукция 1. Явление
Карл Фридрих Гаусс (1777 1855) Школьная модель на практике изучить принципы и тонкости работы пушки Гаусса построить электромагнитную установку для уроков физики развить навыки работы с электрическими
Вариант 1 1. Два точечных электрических заряда q и 2q на расстоянии r друг от друга притягиваются с силой F. С какой силой будут притягиваться заряды 2q и 2q на расстоянии 2r? Ответ. 1 2 F. 2. В вершинах
И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Самоиндукция Темы кодификатора ЕГЭ: самоиндукция, индуктивность, энергия магнитного поля. Самоиндукция является частным случаем электромагнитной индукции. Оказывается,
Сборник задач для специальности АТ 251 1 Электрические цепи постоянного тока Задания средней сложности 1. Определить, какими должны быть полярность и расстояние между двумя зарядами 1,6 10 -б Кл и 8 10
Работа силы Ампера Напомню, что сила Ампера, действующая на элемент линейного тока, дается формулой (1) Посмотрим на рисунок По двум неподвижным горизонтальным проводникам (рельсам) может свободно перемещаться
На схеме нелинейной цепи сопротивления линейных резисторов указаны в Омах; ток J = 0,4 А; характеристика нелинейного элемента задана таблично. Найти напряжение и ток нелинейного элемента. I, А 0 1,8 4
1. Планируемые результаты освоения учебного предмета В результате изучения физики 8 класса в изучаемом разделе: Электрические и магнитные явления Ученик научится: распознавать электромагнитные явления
Кафедра физики, контрольные для заочников 1 Контрольная работа 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО 1. Два одинаково заряженных шарика подвешены в одной точке на нитях одинаковой длины. При этом нити разошлись на угол α. Шарики
На рисунке показана цепь постоянного тока. Внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать (
Примеры решения задач Пример Найдите индуктивность тороидальной катушки из N витков, внутренний радиус которой равен b, а поперечное сечение имеет форму квадрата со стороной Пространство внутри катушки
3.3 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 3.3.1 Механическое взаимодействие магнитов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Принцип суперпозиции магнитных полей: Линии магнитного поля. Картина линий поля полосового и подковообразного
Тема: Лекция 33 Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. ЭДС проводника, движущегося в магнитном поле. Природа ЭДС, возникающего в неподвижном проводнике. Связь электрического и магнитного
Электричество и магнетизм Электростатика Электростатика - это раздел электродинамики в котором изучаются свойства и взаимодействия неподвижных электрически заряженных тел. При решении задач на электростатику
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА Кириллов А.М., учитель гимназии 44 г. Сочи (http://kirilladrey7.arod.ru/) Данная подборка тестов сделана на основе учебного пособия «Веретельник В.И., Сивов Ю.А., Толмачева Н.Д., Хоружий
1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ ВАТЬЕГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТПП «КОГАЛЫМНЕФТЕГАЗ» Максимочкин В.И., Хасанов Н.А., Шайдаков В.В, Инюшин Н.В., Лаптев А.Б., Кузнецов
И. В. Яковлев Материалы по физике MthUs.ru Электромагнитная индукция Задача 1. Проволочное кольцо радиусом r находится в однородном магнитном поле, линии которого перпендикулярны плоскости кольца. Индукция
С1 «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ», «ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ» Прямой горизонтальный проводник висит на двух пружинках. По проводнику протекает электрический ток в направлении, указанном на рисунке. В некоторый момент
Елена Морозова, Алексей Разин Блоки питания лазеров Краткий конспект лекций по дисциплине «Лазерная техника» Томск 202 Лекция Элементная база блоков питания и простейшие схемы на их основе Любой лазер
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия Кафедра физики ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ Тематические задания для контроля уровня знаний студентов по физике Ч А
3 Электромагнитные колебания Справочные сведения Задачи настоящего раздела посвящены собственным электромагнитным колебаниям Действующие значения тока и напряжения определяются из выражения i dt, 4 u dt,
Научно-исследовательская работа Предмет физика «Электромагнитный ускоритель масс» Выполнил: Монин Виктор Сергеевич обучающийся 9 класса МБОУ Одинцовского лицея 10 Руководитель: Чистякова Ирина Викторовна
Электродинамика 1. При подключении резистора с неизвестным сопротивлением к источнику тока с ЭДС 10 В и внутренним сопротивлением 1 Ом напряжение на выходе источника тока равно 8 В. Чему равна сила тока
1 4 Электромагнитная индукция 41 Закон электромагнитной индукции Правило Ленца В 1831 г Фарадей открыл одно из наиболее фундаментальных явлений в электродинамике явление электромагнитной индукции: в замкнутом
И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Электромагнитные колебания Задача 1. (МФО, 2014, 11) Заряженный конденсатор начинает разряжаться через катушку индуктивности. За две миллисекунды его электрический
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ВТОРОГО ТУРА ОЛИМПИАДЫ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ 017 /018 учебный год. 9 КЛАСС 1. Принцип действия многих электронных приборов основан на движении электронов в электрическом поле. На рисунке показан
Часть 1 Ответами к заданиям 1 4 являются цифра, число или последовательность цифр. Запишите ответ в поле ответа в тексте работы, а затем перенесите в БЛАНК ОТВЕТОВ 1 справа от номера соответствующего задания,
ПОДГОТОВКА ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. 1. Какой буквой в физике принято обозначать Магнитная индукция? Магнитный поток? Индуктивность? ЭДС индукции? Активная длина проводника? Магнитная проницаемость среды? Энергия
1 вариант A1. В уравнении гармонического колебания q = qmcos(ωt + φ0) величина, стоящая под знаком косинуса, называется 3) амплитудой заряда А2. На рисунке показан график зависимости силы тока в металлическом
Презентация к исследовательской работе "Пушка Гаусса". Исследование принципа работы пушки Гаусса, электромагнитного ускорителя масс, работающая на явлении электромагнитной индукции.
Просмотр содержимого документа
«Аннотация»
Аннотация.
Устройство - «Пушка Гаусса» относится к электромагнитному ускорителю масс, которая работает на явлении электромагнитной индукции.
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 модель
2. Рассмотреть параметры эксперимента
3. Исследовать вопрос практического применения устройства, работающих по принципу пушки Гаусса
Методы исследования: эксперимент и моделирование.
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 индуктивности1,34 мГн.
Производился горизонтальный выстрел из опытного образца массой m =2,45г, при этом дальность полета составило в среднем s =17м, при высоте полета h =1,20м.
По исходным экспериментальным данным: массы двух снарядов, напряжения, емкости конденсатора, дальности и высоты полета, мной были вычислены энергия запасаемая конденсатором, время полета, скорость, кинетическая энергия движения снаряда, кпд установки.
| Исходные данные |
||
| Дальность полёта, s | ||
| Высота полёта, h | ||
| Ёмкость конденсатора, C | ||
| Напряжение сети, U | ||
| Экспериментальные данные | ||
| Энергия, запасаемая в конденсаторе, E с = | ||
| Время разряда конденсатора, Т раз = | ||
| Индуктивность соленоида, L = | ||
| Время полёта, t = | 0,4 9 с | |
| Скорость вылета снаряда, 𝑣 = | ||
| Кинетическая энергия снаряда, E = | ||
| КПД пушки | ||
Выводы: мне удалось собрать действующую установку ускорителя с кпд = 3,2% - 4,6%. Модель была мной исследована на дальность полета снаряда. Я установил зависимость дальности полета от скорости вылета снаряда, рассчитал кпд установки. 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;
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;
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:
использовать один общий источник питания обмоток;
использовать ключи, обеспечивающее строго заданное по времени включение тока на обмотку;
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;
на различных ступенях использовать различные обмотки.
Просмотр содержимого презентации
«Пушка Гаусса»
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.
Ванюшин Семён,
ученик 9 класса МОУ «СОШ №56» г. Чебоксары
Фотографии Discovery Channel
http://www.coilgun.info/discovery/photos.htm
Название детали
В 1-ой пушке
Количество слоёв
во 2-ой пушке
Длина соленоида
Кол-во витков
Материал
Диаметр, форма
Длина
Обтекаемая, цилиндрическая
Масса
Исходные данные
Дальность полёта, s
Высота полёта, h
Ёмкость конденсатора, C
Напряжение сети, U
Экспериментальные данные
Энергия, запасаемая в конденсаторе, Е
Время разряда конденсатора, Т раз
Время работы катушки индуктивности, Т
Индуктивность соленоида, L
Время полёта, t
Скорость вылета снаряда,𝑣
Кинетическая энергия снаряда, E
Преимущества:
Недостатки:
отсутствие гильз
большой расход энергии
неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса.
низкий КПД установки (пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию)
возможность бесшумного выстрела без смены ствола и боеприпаса.
большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности
относительно малая отдача.
большая надежность и износостойкость.
возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
- На данный момент пушку Гаусса используют только в качестве игрушки или проводят с ней различные испытания. Так, в феврале 2008 года ВМС США поставили на эсминец в качестве корабельного оружия рельсотрон, разгоняющий снаряд до 2520 м/с Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с.
Принцип работы.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Coilgun_animation.gif
