BOE DOD în Omsk "Centrul de Educație Continuă a Copiilor" Eureka "
Conferința studenților de la Universitatea "Pași în știință"
Secțiunea: Fizica
Tema: "Primul meu model de accelerator de inducție este arma Gauss"
Finalizat: Korablev Alexander Romanovich,
Student al clasei a VIII-a a BOC "Liceul № 92"
Șeful: Pochatkova Elena Nikolaevna,
profesor de fizică din BUC "Liceul № 92"
Capitolul 1. Principiul funcționării și aplicării acceleratorului de masă.
1. 1. Istoricul istoric .......................................................... 4
1. 2. Principiul funcționării armei Gauss ............................................. 4
1.3. Aplicarea acceleratoarelor de masă ............ 5
Capitolul 2. Modelarea și testarea unei bobine Gaussian.
2. 1. Modelarea și asamblarea armei Gauss ..................................... 7
2. 3. Investigarea eficacității armei Gauss ............................... 8
Lista bibliografică ...................................................... .... 10
De la mijlocul secolului al XX-lea, sa desfășurat o activitate științifică sistematică pentru a crea în mod fundamental noi acceleratoare de masă electromagnetice. Unul dintre fondatorii dezvoltărilor interne în acest domeniu a fost un om de știință sovietic remarcabil, cercetător al plasmei LA. Artsimovich. Recent, un unic dispozitiv de teste au fost efectuate în laboratorul de Shatura Filiala al Academiei Ruse de Stiinte Institutului Comun pentru temperaturi ridicate - Artsimovich railgun, care este o armă electromagnetică, fotografiere este încă scoici foarte mici - până la trei grame de greutate. Cu toate acestea, abilitățile distructive ale unui astfel de "mazăre" sunt uimitoare. Este suficient să spunem că placa de oțel pusă în cale pur și simplu evaporată, devenind o plasmă. (Apendicele 1, figura 1)
Relevanța. Succesele moderne în ceea ce privește acceleratorul, acumularea de energie și formarea de impulsuri indică probabilitatea ca sistemele de armament în viitorul apropiat să poată fi echipate cu tunuri electromagnetice. Ce va deveni, de asemenea, un impuls puternic al progresului tehnologic și a inovării, cu un efect semnificativ în sectorul civil. Dintre metodele exotice de utilizare a acceleratoarelor bazate pe solenoizi, merită remarcat conceptul de lansare a obiectelor în spațiu fără ajutorul rachetelor.
Scopul lucrării mele este: să creez un eșantion de funcționare pilot al pistolului de inducție - Gun Gauss și să efectuez o serie de experimente pentru a investiga funcționarea acestui dispozitiv.
- să studieze informațiile existente privind metodele de accelerare a maselor printr-un câmp electromagnetic și dispozitivele care realizează această metodă;
- selectați materialele necesare pentru a crea un model prototip;
- să efectueze un complex de teste în scopul verificării experimentale a intervalului de zbor, energia cinetică a proiectilului;
- pentru a studia eficiența modelului, pentru a calcula eficiența instalației.
Capitolul 1. Principiul acțiunii și aplicării acceleratorului de masă
Se crede că primul care a înaintat ideea unui inginer francez Fachon și Willeple, inginer francez, înapoi în 1916. (Apendicele 1, Figura 2) Bazându-se pe principiul de inducție a lui Karl Gauss, au folosit ca baril un lanț de bobine solenoid, la care a fost aplicat un curent în serie. Modelul lor de funcționare al unei arme de inducție a dispersat un proiectil care cântărea 50 de grame la o viteză de 200 de metri pe secundă. Comparativ cu sistemele de praf de pușcă de artilerie rezultat, desigur, sa dovedit destul de modeste, cu toate acestea, a arătat posibilitatea de a stabili arme, care proiectilul este accelerată, fără ajutorul gazelor propulsoare. Cu toate acestea, francezii nu au mers mai departe cu modelul "Gauss Guns", pentru că în acel moment evoluțiile păreau prea fantastice. În plus, această noutate, după cum sa menționat deja, nu a dat avantaje în ceea ce privește praful de pușcă.
Lucrarea de modernizare a pistolului electromagnetic se mișcă rapid în SUA și începe, de asemenea, în alte țări. Arma Gauss ca arma are avantaje care nu sunt posedate de alte tipuri de arme de calibru mic. Această lipsă de mâneci și alegere nelimitată a vitezei inițiale și energie a muniției, posibilitatea de fotografii silențioase, o ieșire relativ mică, în teorie, o mai mare fiabilitate și durabilitate, precum și capacitatea de a lucra în orice mediu, inclusiv în spațiul cosmic.
1.2. Principiul armei Gauss
Arma Gauss este un accelerator magnetic de masă. Cu numele de om de știință și matematician Gauss, în numele căruia sunt numiți unitățile de măsurare a câmpului magnetic (Anexa 2, Figura 3)
Acceleratorul magnetic constă dintr-un solenoid, în interiorul căruia există un butoi (de obicei un dielectric). O cochilie (realizată dintr-un feromagnet) este introdusă într-un capăt al cilindrului. Când un curent electric curge într-un solenoid, apare un câmp magnetic care accelerează proiectilul, "tragându-l" în solenoid. Dar zburând mai mult decât mijlocul bobinei, începe să încetinească, deoarece bobina îl trage în direcția opusă. Dar dacă în timpul trecerii proiectilului prin mijlocul solenoidului pentru a deconecta curentul în el, atunci câmpul magnetic va dispărea și proiectilul va ieși din celălalt capăt al cilindrului. Dar când alimentarea este oprită, în bobină este generat un curent de autoinducție, care are o direcție inversă a curentului și, prin urmare, modifică polaritatea bobinei. Și aceasta înseamnă că atunci când sursa de energie este oprită brusc, proiectilul care a zburat centrul bobinei va respinge și va primi accelerația în continuare. În caz contrar, dacă proiectilul nu ajunge în centru, acesta va fi decelerat.
1.3. Aplicarea acceleratoarelor de masă
Acești acceleratori au fost folosiți îndelung în industrie și transport. În sens mai restrâns, acest dispozitiv este cunoscut ca un solenoid și un motor liniar. Astfel de motoare sunt utilizate pe scară largă în trenurile de mare viteză. Un exemplu viu este maglevul pernei magnetice. (Anexa 2, figura 4)
Domeniul de aplicare al motoarelor lineare este chiar mai obișnuit, manipulatoarele de înaltă precizie în mașini-unelte, ușile automate moderne și alte dispozitive similare. În general, ori de câte ori este nevoie să se transforme energia electrică în mișcare rectilinie a anumitor obiecte.
Mai promițătoare este construirea acceleratoarelor de spațiu pe satelitul nostru natural - Luna. (Apendicele 3, Figura 6) Absența practică a atmosferei și gravitația scăzută, la temperatură ambiantă scăzută, deschid perspective fantastice pentru magneții supraviețuiți. Un accelerator monostrat bazat pe un motor liniar sau un tunel de solenoizi este planificat să fie plasat orizontal pe suprafața Lunii într-un unghi ușor. Instalația poate fi alimentată fie de panouri solare, fie de la reactoarele nucleare aduse la Lună. Astfel, nava spațială va fi informată despre o viteză inițială ridicată, iar în continuare vor veni motoarele cu ioni.
Luna în această formă ar deveni o bază de așteptare pentru explorarea în continuare a sistemului solar sau chiar în primul astroport terestru. Este ușor de imaginat că acceleratorii gigant alimentate de reactoarele termonucleare va fi capabil să accelereze nava la viteze la care călătoria spre planete îndepărtate va dura luni, nu ani.
Capitolul 2. Modelarea și testarea unei bobine Gaussian
2.1. Modelarea și asamblarea armei Gauss
Mai întâi de toate, am studiat principiul funcționării și diferitele scheme ale armei Gauss și mi-am compilat propriul circuit primar al acestui dispozitiv. Următorul pas este selectarea pieselor și materialelor pentru a crea masa accelerator electromagnetic: alegerea mea a căzut pe firele de legătură, sârme de cupru emailate 0,7 mm diametru, o placă de lemn, 5 celule galvanice (NOK), condensatori de 4700 uF 63V 3 buc. butoane 4 buc. și un tub de alamă.
Primul model a fost un prototip pe o placă din lemn cu un condensator și o bobină, desigur că nu a fost lipsită de defecte: cartușul se apropia. analizând cu atenție experiența de asamblare prototip, am compilat următoarele scheme și prototip modernizate cu condiția ca acesta cu un al doilea solenoid, un tiristor, o diodă foto, LED-uri și mai mult de două condensatoare (apendicele 4, fig. 7).
Scapând de lipsa unui prototip, am procedat la asamblarea unui model de lucru al armei Gauss.
Mai întâi am rănit bobina folosind un tub de alamă, două capace tăiate și un fir de email din cupru. Înfășurat în felul următor: utilizând decupaje din prize, ca limitator, am înfășurat stratul de fir prin strat. După ce am rănit bobina, am tăiat trei semne pentru fixarea tubului, unul pentru condensatoare și două butoane pentru butoane, apoi le-am îndoit. Suportul bateriei a fost tăiat din plastic. A fost găsită și o fixare la un tiristor și o fotodiodă cu LED. Apoi, am aranjat toate componentele și mi-am marcat locația și locația găurilor necesare pentru a asigura piesele. Apoi a fixat celulele galvanice, condensatoare, butoane, un tiristor pe placa de model, o fotodiodă și o diodă cu emisie de lumină pe un tub cu bobine. Dar, înainte de a fixa fotodioda și LED-ul, am tăiat două găuri în tub, pentru a lovi lumina pe LED. În plus, a existat o lipire. (Anexa 4, figura 8)
îmbunătățire mea a acestui dispozitiv este următoarea: în a doua schemă au fost utilizate două solenoide, dintre care una este comutată imediat ce acesta ajunge shell este lăsat să atingă o viteză botul mai mare și pentru a crește eficiența dispozitivului.
2.2. Testul. calcule
Efectuarea 10 fotografii cu fiecare dintre proiectile și se calculează proiectilelor cu energie cinetică, am ridicat datele din tabel, care conține toate datele de instalare - este energia stocată în condensatoarele, înălțimea trunchiului, viteza inițială a glonțului, energia și masa acesteia.
Energia stocată în condensator: W = CU2 / 2
U - tensiunea condensatorului (în volți)
C - capacitatea condensatorului (în Faradah). Energia stocată în conexiunea paralelă a condensatoarelor este:
W = 4,801144 J (un condensator)
W = 9,602288 J (doi condensatori)
Energia cinetică a proiectilului
, = ℓ, unde zbor corp ℓ distanță (coordonate x), h - înălțimea la care corpul picături (coordonatei y), care a primit o viteză orizontală - masa proiectilului (în kg) - viteza pe axa x (în m / s) . (Anexa 5, Tabelul nr. 1). Tabelul nr. 2)
Concluzie: Calculele arată că viteza de plecare a proiectilului este destul de ridicată atunci când se utilizează un sistem cu bobină în mai multe trepte.
2.3 Investigarea eficienței armei Gauss
În această lucrare am încercat să estimez eficiența posibilă a instalației η, deoarece
principalul său dezavantaj este eficiența scăzută. Numai 1-7% din sarcina condensatorilor este transformată în energia cinetică a proiectilului.
Ipoteză: parametrii de înfășurare a proiectilului și condensatoarelor trebuie să fie coordonate în așa fel încât în momentul în care proiectilul se apropie de mijlocul bobinei, curentul în aceasta din urmă a reușit să scadă la o valoare minimă, adică, încărcarea condensatoarelor ar fi fost complet consumată. În acest caz, eficiența ar trebui să fie maximă.
Așa cum a fost folosit tub de ghidare alamă, bobina este înfășurat un fir de cupru cu diametrul d = 0,7 mm în K = 9 straturi pentru N = 22 în fiecare bobină, utilizat ca o tijă de oțel proiectil cu oțel bilă lungime s = 66 mm și o masă m = 4452 pulsul curent în rezistența primă înfășurare bobina cu active r = 3 ohmi a apărut în timpul descărcării condensatorului capacitate C = 4700 mF, încărcat la tensiunea U = 45,2 V. pentru evaluarea gama pistol de ardere măsurate cu elevație h = 81cm. Căderea de timp τ a proiectilului este determinată înălțimea h. și intervalul de zbor ℓ viteza de plecare v.
Am instalat o cochilie în conductă la o distanță Δ de margine și, calculând eficiența, am obținut dependența eficienței de poziția inițială a proiectilului, care este prezentată în tabel. (Anexa 6, tabelul nr. 3)
Concluzie: După cum se poate observa din tabel, eficiența este maximizată cu o astfel de cochilie de proiectil, la care centrul acesteia va fi în interiorul bobinei, iar când tija este scos din bobină, eficiența scade brusc.
Acceleratoarele electromagnetice sunt un dispozitiv promițător care, fără îndoială, va fi utilizat în viitor în industrie, știință, viață și afacerile militare. Cu toate acestea, principalul obstacol în utilizarea lor este eficiența extrem de scăzută. EFICIENȚA cel mult la stabilirea unui proiectil, în care centrul său este în interiorul bobinei și este mai bine să se utilizeze un model în mai multe trepte de accelerator în loc de un singur model bobină.
Există o serie de modalități de creștere a acestuia pentru un accelerator electromagnetic solenoid, care, în comparație cu rezultatele inițiale, dă o creștere semnificativă, dar, în termeni generali, eficiența rămâne destul de scăzută și nu depășește 17%.
În plus, până în prezent, acceleratorul solenoid - arma Gauss nu are perspective speciale ca arme, deoarece este semnificativ inferior altor tipuri de arme de calibru mic. Perspectivele sunt posibile numai în viitor, dacă sunt create surse compacte și puternice de curent electric și supraconductori de temperatură înaltă (200-300 K).
2. Malikov, V.G. Este recunoscut ca prematură / VG Malikov // Tehnici de tineret. - 1987. - № 5. - С - 30.
3. Dispozitive semiconductoare puternice: cartea de referință / V.Ya.Zamyatin, V.Kondratiev, V.M. Petukhov. - M. Radio și Comunicare, 1988. - p. 336.
Fig. 1. Testarea unei arme electromagnetice în laboratorul ramurii Shatursky a Institutului comun de temperaturi înalte al Academiei de Științe din Rusia.
Fig. 2. Vedere generală a pistolului electromagnetic Fachon și Villeple.
Accelerator de masă electromagnetic.
Fig.4 Tren Maglev magnetic pernă.
Fig. 5 Distrugătorul multifuncțional al noii generații DD (X)
Fig. 6 Acceleratoare de masă pe Lună.
Fig. 7 Diagrama asamblării modelului actual de pistol Gauss
Fig. 8 Modelul de operare al armei Gauss.
Tabelul 1 Rezultatele calculului pentru un proiectil cu o masă de 4 g