Введение
В интернете есть несколько маньяков, изготавливающих пушку Гаусса -- это электромагнитная пушка, стреляющая железными снарядами. Принцип её действия следующий: железо (гвоздь) притягивается магнитом, поэтому, если сделать очень мощный электромагнит (катушку), то при его включении гвоздь с большой скоростью втянется внутрь, но если в этот самый момент его успеть выключить, то гвоздь полетит по инерции дальше. Я не пробовал делать пушку Гаусса сам -- нет на это времени, да и детали нужны не самые дешевые. Описанные в интернете проекты пушки имеют энергоёмкость до 3000 Дж. Это примерно энергия пули от Калаша. Но всё не так хорошо. Энергоёмкость эту считают исходя из ёмкости конденсаторов по формуле E=CV 2 /2. КПД же существующих установок порядка 1%, потому реально энергия снаряда хорошо если дотянет до 100 Дж. А установки, которые нетренированный человек может держать в руке, имеют энергию снаряда 1-3 Дж, что годится только стрелять по аллюминиевым банкам и пластиковым бутылкам. Хотя выглядят внешне, конечно, потрясающе.Конструкция большинства пушек следующая: высоковольтный инвертор, конденсатор, катушка, ключ (тиристор, разрядник и т.п), диод параллельно катушке. Авторы описывают работу установки с электрической точки зрения так:
1. Конденсатор заряжается до высокого напряжения.
2. Включается ключ.
3. Конденсатор разряжается через катушку.
4. Из-за индуктивности ток продолжает течь, но уже через диод. Если бы диода не было, система работала бы как колебательный контур: этот ток зарядил бы конденсатор напряжением противоположной полярности, и эти колебания туда-сюда происходили бы до иссякания энергии в системе.
5. Непотраченная на ускорение снаряда энергия рассеивается на сопротивлении катушки и диода.
При этом система рассчитывается так, чтобы к моменту подлёта снаряда к середине катушки конденсатор полностью разрядился.
Физика ускорения снаряда
Падение напряжения на катушке, согласно школьной формуле, являетcя производной магнитного потока по времени: U=dФ/dt. Магнитный поток определяется как произведение индуктивности на ток: Ф = LI. Отсюда, для нормальной катушки: U=L*(dI/dt). Но у нас катушка ненормальная -- в ней есть сердечник, который, надо сказать, меняет её индуктивность при движении. Поэтому, в нашем случае формула другая: U=(∂L/∂x)*(dx/dt)*I+L*(dI/dt). Здесь ∂L/∂x -- это изменение индуктивности из-за смещения сердечника, а dx/dt - скорость, с которой сердечник движется.Таким образом, подвижный сердечник с электрической точки зрения выглядит как активное сопротивление величины (∂L/∂x)*(dx/dt), а снаряд ускоряется с силой F=(∂L/∂x)*I 2 . Кстати, это активное сопротивление пропорционально скорости снаряда. Понятно, что КПД будет низким, если это сопротивление будет меньше сопротивления самой катушки. Отсюда очень известный, но важный вывод: пока скорость снаряда низка, разгон идет неэффективно . Однако, когда снаряд начинает выходить из катушки, индуктивность последней снижается и сопротивление становится отрицательным. Знак силы меняется, и снаряд тормозится, вырабатывая энергию в катушке.
Идеальный Гаусс-ган
Рассмотрим сверхпроводящую катушку, в которую изначально запустили ток I 1 , вкачав энергию E 1 . Сразу очень важное замечание: В идеальном гаусс-гане энергия запасается в самой катушке, а отнюдь не в конденсаторе , роль которого -- подать ток в катушку или забрать его назад (об этом позже). После того, как катушку накачали, её следует закоротить. В этом случае, напряжение на катушке равно нулю, т.е. не меняется со временем, а значит, сохраняется магнитный поток. Тогда закон сохранения энергии запишется следующим образом:Ф 2 /(2L) + m(dx/dt) 2 /2 = E 1 = const,
Ф = const.
Если при этом индуктивность катушки без сердечника равна L 1 , а с сердечником L 2 , то Ф=L 1 I 1 , и когда сердечник достигнет середины катушки, то ток в ней будет: I 2 =(L 1 /L 2)*I 1 , остаточная энергия катушки E 2 = E 1 *(L1/L2), а кинетическая энергия сердечника: m(dx/dt) 2 /2 = E 1 *(1 - L 1 /L 2). Итак, вывод первый: Чем больше L 2 /L 1 , т.е. чем сильнее сердечник меняет индуктивность, тем большая часть энергии уйдёт на полезное дело.
Как же быть? Да «всего-то» надо убрать из катушки магнитный поток в подходящий момент, т.е.: как только сердечник долетит до середины, надо сразу выключить ток . Проблема здесь в том, что ток в катушке остановить так просто нельзя -- он запасает энергию, которую надо куда-то откачать. Если просто разомкнуть цепь -- этот запас весь выделится на ключе, создав мгновенный всплеск напряжения. Оставлять катушку замкнутой тоже нельзя -- снаряд снова затормозит, вернув энергию в катушку. Кстати, ещё один несущественный эффект заключается в том, что у снаряда есть остаточная намагниченность, поэтому, даже если весь ток в катушке иссяк, но она не разомкнута, намагниченный снаряд при движении может снова раскачать ток.
Один из способов остановить ток в катушке -- закачать его в конденсатор . Потом его можно даже использовать для второй ступени. Если основной накопительный конденсатор полярный, то нужен второй конденсатор. Из расчетов легко показать, что ёмкость этого конденсатора может быть в L 2 /L 1 раз меньше при том же расчетном напряжении. Хотя здесь есть засада: если пушка сработает без снаряда, то конденсатор может перезарядиться и выйти из строя. С другой стороны, конденсатор большой ёмкости может заряжаться слишком медленно. Как будет показано ниже, для идеального гаусс гана ёмкость конденсаторов должна быть как можно меньше , что можно компенсировать повышением напряжения, сохранив ту же энергоемность. Но вообще, как будет показано ниже, для реальных гаусс-ганов ситуация не совсем такая.
Итак, получилась схема (для простоты конденсатор неполярный):
1. Заряжаем конденсатор
2. Подключаем конденсатор к катушке и очень быстро накачиваем в неё ток, пока снаряд ещё в покое.
3. Разрядив ёмкость, тут же замыкаем катушку накоротко.
4. Ждём, пока снаряд долетит до середины.
5. Размыкаем закоротку, чтобы закачать остаток эрегии в конденсатор (полярность заряда будет уже противоположной). Это тоже надо сделать быстро, пока снаряд не затормозился.
6. Как только ток прекратится, отключаем конденсатор.
Проблемы создания идеального гаусс-гана
А теперь вернемся в реальность, и запишем формулы для оценки возможностей :T r =0.35*L 1 /R -- время, за которое половина энергии катушки рассеется на её сопротивлении.
T + =1.57*(L 1 C 1) -- время, за которое разрядится конденсатор
T - =1.57*(L 2 C 2) -- время, за которое излишек энергии катушки уйдёт в конденсатор.
За T m обозначим характерное время, за которое ускоряется сердечник.
Тогда, для эффективной работы необходимы условия:
T r >> T m
T + << T m
T - << T m
Значок >> означает «намного больше».
На практике наиболее важным является именно первое ограничение. Наибольшее значение имеет величина L/R . Индуктивность катушки в начале процесса должна быть достаточно большой для того, чтобы ток в ней не затух раньше времени. Например, если мы хотим, чтобы половина энергии рассеялась не ранее 1/10 секунды, то отношение L/R должно составлять не менее 300 мкГн/мОм. В катушках любительских гаусс-ганов, как правило, характерное время рассеяния энергии составляет порядка миллисекунды, что никуда не годится. Путь решения проблемы: увеличивать число витков -- индуктивность с числом витков растёт быстрее сопротивления. Гнаться за низким сопротивлением посредством утолщения проводов при этом не обязательно -- вместо этого можно повысить рабочее напряжение. Но всё равно, увеличение T r неизбежно связано с увеличением габаритов и массы катушки, и существенно повысить эту величину едва ли возможно. Можно пожертвовать отношением L 2 /L 1 , увеличив L 1 . Для этого любители окружают катушку магнитопроводящим материалом с высокой магнитной проницаемостью, в том числе и используя сердечник в виде толстой трубы (т.е. с каналом для снаряда посередине). Это полезно, если повышается L 2 или градиент ∂L/∂x становится более крутым. Но есть и способ проще. L 1 можно повысить, включив последовательно с ускоряющей катушкой нормальную низкоомную индуктивность -- например, низкоомный дроссель с кольцевым сердечником с большой магнитной проницаемостью. Последняя будет аккумулятором энергии. Главное преимущество индуктивности как аккумулятора энергии -- быстрое нарастание тока в нагрузке. Третий способ увеличения индуктивности -- поиск оптимальной точки старта. Ведь по мере входа сердечника индуктивность тоже возрастает, без всякого дросселя. При L 2 /L 1 =2, например, у нас ещё есть возможность закачать в снаряд 50% энергии, а это для гаусса очень неплохо. Более того, величина L 2 /L 1 имеет меньшую важность, если использовать многоступенчатую схему с рекуперацией энергии. Ведь тогда не страшно, что не вся энергия ушла на ускорение -- излишек будет перекачен в следующую катушку. Кстати, в этом случае уже и не так важно закачать катушку током как можно быстрее. Для одноступенчатой схемы тоже может быть полезно знать положение, когда сила максимальна. Это примерно тот момент, когда сердечник только-только зашёл в катушку. Положение это, кстати, можно найти на ощупь -- подав ток, плавно вдвигать сердечник и следить за усилием. Можно, держа подключенную катушку с сердечником внутри на весу, постепенно уменьшать ток, пока сердечник не вывалится. Положение, при котором он вывалится, и будет искомым. Есть ещё способ вычислить силу через зависимость индуктивности от положения, взяв производную.
Второе и третье условия показывают, что ёмкость конденсаторов должна быть достаточно низкой, чтобы успеть быстро разрядиться/зарядиться . Гнаться за большими микрофарадами опять же не надо, лучше увеличить напряжение. Но, на самом деле, эти условия имеют важность только для одноступенчатого гаусса, или когда нет рекуперации энергии.
Использовать ключи, рассчитанные и на большое напряжение, и на большой ток одновременно тоже не обязательно . Может оказаться полезной такая штука, как трансформатор.
Режим работы T r << T +
Идеальный гаусс-ган -- это хорошо, но пока существующие любительские гаусс-ганы работают в условиях, противоположных идеальным. Если T r << T + , то система больше не будет работать как колебательный контур. Вместо этого, ток сначала вырастет до максимального, затем затухнет, и всё. Никакого индуктивного тока быть не должно .Для этого режима характерны другие величины:
T С =0.35*RC -- время, за которое рассеется половина энергии
T L =T r *Ln -- время, за которое ток вырастет до максимального.
Как видно, пригодилась величина T r =0.35*L/R, которая сама по себе уже не интересна.
Казалось бы, при работе в таком режиме защитный диод не нужен. Но не всё так просто. Дело в том, что со временем ситуация может измениться. Во-первых, по мере втягивания сердечника индуктивность катушки возрастает, и при больших L 2 /L 1 режим работы контура может снова стать колебательным. Если же замкнуть контур, что и делает диод, то ток рассеется за характерное время T r . Однако, засада в том, что когда сердечник полетит ещё дальше, он начнёт вырабатывать в катушке напряжение обратной полярности, а активное сопротивление катушки уменьшится до R s =R-(∂L/∂x)*(dx/dt). При этом ток рассеиваться будет уже медленнее. Но если R s < 0, то ток не только не будет рассеиваться, но будет, наоборот, возрастать.
Итак, во-первых, замыкать катушку не нужно, если T С << T m , всё равно толку не будет, да и диод тогда не нужен. Во-вторых, если R s < 0, то катушку надо разрядить . Разряжать катушку через диод в этом случае неразумно. Если ток в катушке I 2 при этом небольшой, то можно замкнуть катушку на демпфирующий резистор R d >> R, тогда напряжение на катушке не подскочит выше I 2 *R d . Если же ток ещё значительный, то придётся использовать демпфирующий конденсатор, как было описано выше.
И самое главное. Активное сопротивление при ускорении снаряда пропорционально ∂L/∂x. Это означает, что именно на окрестность точки, где ∂L/∂x максимально (там же где максимальна сила при постоянном токе), должна быть нацелена основная энергия импульса тока . При малых T C , снаряд выгодно запускать именно с этой точки.
Вот, собственно и всё, что хотел донести. Есть еще соображения по поводу более оптимальной конструкции катушек, но их еще надо проверить расчетами.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОБЛАСТНАЯ АКАДЕМИЯ (НАЯНОВОЙ)»
Всероссийский конкурс исследовательских работ
«Познание-2015»
(Секция физика)
Научно-исследовательская работа
по теме: «« из ГОТОВЛЕНИЕ ПУШКИ ГАУССА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИК »
направлению: физика
Выполнил:
Ф. И.О. Егоршин Антон
Мурзин Артем
СГОАН, 9 «А2» класс
учебное заведение, класс
Научный руководитель:
Ф. И.О. Завершинская И. А .
к. п.н., преподаватель физики
зав. кафедры физики СГОАН
(уч. степень, должность)
Самара 2015
1. Введение…………………………………………………….......…3
2. Краткая биография…………………………………………..……5
3. Формулы, для расчета характеристик модели Пушки Гаусса...6
4. Практическая часть…………………………………….…..…….8
5. Определение КПД модели…………………………………..….10
6. Дополнительные исследования…………….…………….….…11
7. Заключение……………………………………………….……...13
8. Список литературы……………………………………………...14
Введение
В данной работе мы исследуем пушку Гаусса, которою многие могли видеть в некоторых компьютерных играх. 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 индуктивность 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 трудностям:
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 крупно-калиберного 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.
Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала.
Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.
Основные задачи :
1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.
2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.
3. Создать действующую модель.
4. Определить КПД модели
Практическая часть работы :
Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.
Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях дома?
Кратко о самом Гауссе.
(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 23 февраля 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.
Формулы, связанные с принципом действия пушки.
Кинетическая энергия снаряда
https://pandia.ru/text/80/101/images/image003_56.gif" alt="~m" width="17"> - масса снаряда
- его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
https://pandia.ru/text/80/101/images/image006_39.gif" alt="~U" width="14" height="14 src="> - напряжение конденсатора
https://pandia.ru/text/80/101/images/image008_36.gif" alt="~T = {\pi\sqrt{LC} \over 2}" width="100" height="45 src=">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image007_39.gif" alt="~C" width="14" height="14 src="> - ёмкость
Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.
https://pandia.ru/text/80/101/images/image009_33.gif" alt="~L" width="13" height="14 src="> - индуктивность
https://pandia.ru/text/80/101/images/image011_23.gif" alt="индуктивность многослойной катушки, формула" width="201" height="68 src=">
Индуктивность рассчитаем с учетом наличия внутри катушки гвоздя. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно 100-500. Для изготовления пушки мы изготовили самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков 350 (7 слоев по 50 витков, каждый), получили катушку индуктивностью 13,48 мкГн.
Сопротивление проводов рассчитаем по стандартной формуле .
Чем меньше сопротивление, тем лучше. На первый взгляд кажется, что провод большого диаметра лучше, однако это вызывает увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину.
Из анализа литературы мы пришли к выводу, что для пушки Гаусса, изготавливаемую в домашних условиях медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.
Мощность активных потерь находится по формуле [Вт] Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.
В этой работе мы не предполагали измерение силы тока и расчет потерь, это вопросы будущей работы, где мы планируем определить ток и энергию катушки..jpg" width="552" height="449">.gif" width="12" height="23"> ; https://pandia.ru/text/80/101/images/image021_8.jpg" width="599 height=906" height="906">
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД МОДЕЛИ.
Для определения КПД мы провели следующий опыт: стреляли снарядом известной массы в яблоко, известной массы. Яблоко было подвешено на нити длиной 1 м. мы определяли расстояние, на которое отклонится яблоко. По данному отклонению определяем высоту подъема, воспользовавшись теоремой Пифагора.
Результаты опытов по расчёту КПД
Таблица№1
Основные расчеты основаны на законах сохранения:
По закону сохранения энергии определим скорость снаряда, вместе с яблоком:
https://pandia.ru/text/80/101/images/image024_15.gif" width="65" height="27 src=">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image026_16.gif" width="129" height="24">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image029_14.gif" width="373" height="69 src=">
0 " style="border-collapse:collapse">
Из таблицы видно, что сила выстрела зависит от типа снаряда и от его массы, так как сверло весит столько же, сколько и 4 иглы вместе, но оно толще, цельнее, поэтому его кинетическая энергия больше.
Степени пробития снарядами разных тел:
Тип мишени: тетрадный лист.
Тут все понятно, лист пробивается идеально.
Тип мишени: тетрадь в 18 листов .
Сверло мы брать не стали, так как оно тупое, но отдача существенная.
В данном случае снарядам хватило энергии, чтобы пробить тетрадь, но не хватило ее, чтобы преодолеть силу трения и вылететь с другой стороны. Здесь многое зависит от пробивной способности снаряда, то есть формы, и от его шероховатости.
Заключение.
Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.
Цель мы достигли : изготовили экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), упростив схемы, имеющиеся в интернете, и адаптировав модель к сети переменного тока стандартных характеристик.
Определили КПД полученной модели. КПД оказался равным примерно 1%. КПД имеет малое значение, что подтверждает все, что мы узнали из литературы.
Проведя исследование, мы сделали для себя 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 станет достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.
Список литературы:
1. Википедия http://ru. wikipedia. org
2. Основные виды ЭМО (2010) http://www. gauss2k. narod. ru/index. htm
3. Новое электромагнитное оружие 2010
http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html
4. Все о Пушке Гаусса
http://catarmorgauss. ucoz. ru/forum/6-38-1
5. www. popmech. ru
6. gauss2k. narod. ru
7. www. physics. ru
8. www. sfiz. ru
12. Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2009.
13. Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2010.
Электромагнитный ускоритель масс Гаусса, назван в честь гениального немецкого физика. Иоганн Карл Фридрих Гаусс считается самым великим математиком всех времен, но в радиолюбительских кругах он прославлен не теоремами и математическими формулами, а благодаря ускорителю масс Гаусса.
Сегодня будет рассмотрен один из самых простых вариантов ускорителя Гаусса. На сей раз мы не будем использовать сложные преобразователи напряжения, поскольку схема будет питаться напрямую от сети 220 вольт.
Для начала, хочу предупредить, что вся схема под напряжением, поэтому будьте предельно осторожны и соблюдайте все правила по безопасности, убедитесь, что вся емкость конденсаторов разряжена, прежде, чем делать монтажные работы.
Мощность схемы зависит от емкости неполярного конденсатора на 1,5 мкФ, чем больше его емкость, тем быстрее будут заряжаться электролиты.
Лампа накаливания ограничивает ток, ее можно заменить резистором на 10 ватт с сопротивлением 470 Ом-1 кОм.
Соленоид или катушка - основная часть пушки. Соленоид мотается на пластмассовом каркасе с внутренним диаметром 5-7мм (удобно использовать каркасы от шариковых ручек). Длина каркаса 15-25см. Для крепления витков использовался супер клей.
Катушка в данном случае содержит 55 витков, провод использован с диаметром 0,6 мм. Намотка делается по рядам, каждый ряд состоит из 10-12 витков, в итоге получается 5 слоев намотки.
Как уже было сказано, схема заряжается напрямую от сети. Зарядка достаточно проста, состоит всего из трех компонентов.
Диоды - любые выпрямительные, подобрать с напряжением выше 400 вольт. можно также использовать импульсные диоды, но смысла в этом нет, поскольку частота всего 50 Герц и обычные выпрямители справляются на ура.
Конденсатор с напряжением 400 вольт, емкость 1,5 мкФ, но можно подобрать путем опытов.
Снарядами могут служить кусочки гвоздей с длиной 3 см, диаметр подобрать 3-4мм.
Замыкатель - кнопка на 15-30 Ампер, через него ток из конденсатора разряжается на соленоид.
Настройка
Настройка заключается в правильной фазировке катушки. Поскольку на соленоид разряжается постоянный ток, то нужно соблюдать полярность подключения, в противном случае снаряд полетит назад.
Электролитические конденсаторы должны иметь расчетное напряжение 400 Вольт.
Монтаж
Основание - алюминиевый стенд от жесткого диска. Перед запуском нужно проверить схему.
Из своего опыта - вначале проверяйте работоспособность конденсаторов и диодов, в моем случае диоды не были проверены, поэтому при первом же включении был новогодний фейерверк...
Желательно использовать пластиковые или деревянные основания, в моем случае таковых просто не имелось под рукой.
Пушка не из самых мощных, но ею можно проводить ряд интересных опытов, понять принцип действия многих устройств.
Снаряд отлетает на 10-15 метров, зависит в целом от емкости конденсатора.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VD1, VD2 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 2 | В блокнот | ||
| C1 | 1.5 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| C2 | Электролитический конденсатор | 680мкФ 400В | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 560 Ом | 1 | 10 Ватт | В блокнот | |
| L1 | Катушка индуктивности | 1 |
Проект был начат в 2011 году.Это был проект подразумевающий полностью автономную автоматическую систему для развлекательных целей, с энергией снаряда порядка 6-7Дж, что сравнимо с пневматикой. Планировалось 3 автоматических ступеней с запуском от оптических датчиков, плюс мощный инжектор-ударник засылающий снаряд из магазина в ствол.
Компоновка планировалась такой:
Тоесть класический Булл-пап, что позволило вынести тяжелые аккумуляторы в приклад и тем самым сместить центр тяжести ближе к ручке.
Схема выглядит так:
Блок управления в последствии был разделен на блок управления силовым блоком и блок общего управления. Блок конденсаторов и блок коммутации были обьеденены в один. Так-же были разработаны резервные системы. Из них были собраны блок управления силовым блоком, силовой блок, преобразователь, распределитель напряжений, часть блока индикации.
Представляет собой 3 компаратора с оптическими датчиками.
Каждый датчик имеет свой компаратор. Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень, а не 2. При перекрытии снарядом луча датчика сопротивление фототранзистора меняется и срабатывает компаратор. При классической тиристорной коммутации управляющие выводы тиристоров можно подключать напрямую к выходам компараторов.
Датчики необходимо устанавливать так:
А устройство выглядит так:
Силовой блок имеет следующую простую схему:
Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD5 применены типа HER307/ В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12.
Собранный блок подключенный к блоку управления на фото ниже:
Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать
Блок распределения напряжений реализован банальным конденсаторным фильтром с силовым выключателем питания и индикатором, оповещающим процесс заряда аккумуляторов. Блок имеет 2 выхода- первый силовой, второй на все остальное. Так-же он имеет выводы для подключения зарядного устройства.
На фото блок распределения крайний справа сверху:
В нижнем левом углу резервный преобразователь, он был собран по самой простой схеме на NE555 и IRL3705 и имеет мощность около 40Вт. Предполагалось использовать его с отдельным небольшим аккумулятором, включая резервную систему при отказе основной или разряде основного аккумулятора.
Используя резервный преобразователь были произведены предварительные проверки катушек и проверялась возможность использования свинцовых аккумуляторов. На видео одноступенчатая модель стреляет в сосновую доску. Пуля со специальным наконечником повышенной пробивной способности входит в дерево на 5мм.
В пределах проекта так-же разрабатывалась универсальная ступень, как главный блок для следующих проектов.
Эта схема представляет собой блок для электромагнитного ускорителя, на основе которого можно собрать многоступенчатый ускоритель с числом ступеней до 20. Ступень имеет классическую тиристорную коммутацию и оптический датчик. Энергия накачиваемая в конденсаторы- 100Дж. Кпд около 2х процентов.
Использован 70Вт преобразователь с задающим генератором на микросхеме NE555 и силовым полевым транзистором IRL3705. Между транзистором и выходом микросхемы предусмотрен повторитель на комплементарной паре транзисторов, необходимый для снижения нагрузки на микросхему. Компаратор оптического датчика собран на микросхеме LM358, он управляет тиристором, подключая конденсаторы к обмотке при прохождении снарядом датчика. Параллельно трансформатору и ускоряющей катушки применены хорошие снабберные цепи.
Методы повышения КПД
Так-же рассматривались методы повышения КПД, такие как магнитопровод, охлаждение катушек и рекуперация энергии. О последней расскажу подробнее.
ГауссГан имеет очень малый КПД, люди работающие в этой области давно разыскивают способы повышения КПД. Одним из таких способов является рекуперация. Суть ее состоит в том чтобы вернуть не используемую энергию в катушке обратно в конденсаторы. Таким образом энергия индуцируемого обратного импульса не уходит в никуда и не цепляет снаряд остаточным магнитным полем, а закачивается обратно в конденсаторы. Этим способом можно вернуть до 30 процентов энергии, что в свою очередь повысит КПД на 3-4 процента и уменьшит время перезарядки, увеличив скорострельность в автоматических системах. И так- схема на примере трехступенчатого ускорителя.
Для гальванической развязки в цепи управления тиристоров использованы трансформаторы T1-T3. Рассмотрим работу одной ступени. Подаем напряжение заряда конденсаторов, через VD1 конденсатор С1 заряжается до номинального напряжения, пушка готова к выстрелу. При подаче импульса на вход IN1, он трансформируется трансформатором Т1, и попадает на управляющие выводы VT1 и VT2. VT1 и VT2 открываются и соединяют катушку L1 с конденсатором C1. На графике ниже изображены процессы во время выстрела.
Больше всего нас интересует часть начиная с 0.40мсек, когда напряжение становится отрицательным. Именно это напряжение при помощи рекуперации можно поймать и вернуть в конденсаторы. Когда напряжение становится отрицательным, оно проходя через VD4 и VD7 закачивается в накопитель следующей ступени. Этот процесс так-же срезает часть магнитного импульса, что позволяет избавится от тормозящего остаточного эффекта. Остальные ступени работают подобно первой.
Статус проекта
Проект и мои разработки в этом направлении в общем были приостановлены. Вероятно в скором будущем я продолжу свои работы в этой области, но ничего не обещаю.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Блок управления силовой частью | |||||||
| Операционный усилитель | LM358 | 3 | В блокнот | ||||
| Линейный регулятор | 1 | В блокнот | |||||
| Фототранзистор | SFH309 | 3 | В блокнот | ||||
| Светодиод | SFH409 | 3 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 100 мкФ | 2 | В блокнот | ||||
| Резистор | 470 Ом | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 2.2 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 3.5 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Силовой блок | |||||||
| VT1-VT4 | Тиристор | 70TPS12 | 4 | В блокнот | |||
| VD1-VD5 | Выпрямительный диод | HER307 | 5 | В блокнот | |||
| C1-C4 | Конденсатор | 560 мкФ 450 В | 4 | В блокнот | |||
| L1-L4 | Катушка индуктивности | 4 | В блокнот | ||||
LM555 | 1 | В блокнот | |||||
| Линейный регулятор | L78S15CV | 1 | В блокнот | ||||
| Компаратор | LM393 | 2 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | MPSA42 | 1 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | MPSA92 | 1 | В блокнот | ||||
| MOSFET-транзистор | IRL2505 | 1 | В блокнот | ||||
| Стабилитрон | BZX55C5V1 | 1 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | HER207 | 2 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | HER307 | 3 | В блокнот | ||||
| Диод Шоттки | 1N5817 | 1 | В блокнот | ||||
| Светодиод | 2 | В блокнот | |||||
| 470 мкФ | 2 | В блокнот | |||||
| Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| Электролитический конденсатор | 220 мкФ | 2 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 10 мкФ 450 В | 2 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 630 В | 1 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 10 нФ | 2 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 10 МОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 300 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 15 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 6.8 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 2.4 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 1 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 30 Ом | 2 | В блокнот | ||||
| Резистор | 20 Ом | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 5 Ом | 2 | В блокнот | ||||
| T1 | Трансформатор | 1 | В блокнот | ||||
| Блок распределения напряжений | |||||||
| VD1, VD2 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| Светодиод | 1 | В блокнот | |||||
| C1-C4 | Конденсатор | 4 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 10 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Выключатель | 1 | В блокнот | |||||
| Батарея | 1 | В блокнот | |||||
| Программируемый таймер и осциллятор | LM555 | 1 | В блокнот | ||||
| Операционный усилитель | LM358 | 1 | В блокнот | ||||
| Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | BC547 | 1 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | BC307 | 1 | В блокнот | ||||
| MOSFET-транзистор | AUIRL3705N | 1 | В блокнот | ||||
| Фототранзистор | SFH309 | 1 | В блокнот | ||||
| Тиристор | 25 А | 1 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | HER207 | 3 | В блокнот | ||||
| Диод | 20 А | 1 | В блокнот | ||||
| Диод | 50 А | 1 | В блокнот | ||||
| Светодиод | SFH409 | 1 | |||||
Когда я учился в университете на втором курсе, мне пришел весьма необычный заказ - трехступенчатая Гаусс пушка. Сроки на ее создание были очень короткими: на все про все была лишь неделя. Кроме того, пушка была с физически нереализуемой изюминкой: переполюсовкой магнитного поля катушек, что должно было, по мнению автора пушки, повысить ее КПД. Тем не менее, поскольку я любил Гаусс пушки и мечтал начать зарабатывать деньги любимым делом, я согласился на выполнение заказа.
На каникулах ничто не предвещало...
Это были зимние каникулы, оставалось чуть больше недели до начала учебы. Ничто не предвещало странных заказов, как вдруг мне позвонил мой друг и спросил, нет ли у меня желания принять участие в разработке настоящей пушки Гаусса. Конечно же, я был всеми руками за. Деньги на пушку обещали выделить сколько угодно много (имеется ввиду на детали, а не плату за работу). Главным условием было закончить пушку вовремя, также она должна была уметь делать переполюсовку магнитного поля катушек, чтобы снаряд получал дополнительное ускорение, а еще быть способной пробить танк обладать КПД не менее 10%.
Ознакомившись со схемой пушки, я просто выпал, ведь это был совершенно секретный чертеж из НИИ времен СССР. К сожалению, схема была сожжена инквизицией не сохранилась, по памяти помню лишь то, что автор хотел заряжать неполярные конденсаторы переменным током. В общем, заказчик не имел ни малейшего понятия о том, как работают Гаусс пушки и электроника в целом, раз даже не знал, что переменным током конденсаторы не заряжают. Поэтому все пришлось делать самому.
Еще один неприятный сюрприз был в том, что корпус для пушки уже был готов. Поэтому расположение катушек менять было нельзя, да и их размер был ограничен по длине.
Что же касается переполюсовки катушек… Я попытался объяснить, что энергия на катушке не может «исчезнуть в никуда», тем не менее, это было важным условием, хотя благодаря моему преложению реализация переполюсовки магнитного поля стала нужна лишь на первой ступени, а остальные три работали, как в обычных Гаусс пушках.
Начало разработки. Мостовая схема управления катушкой
Вышло так, что в команде только я разбирался в электронике на достаточно высоком уровне. Возможно, поэтому разработка шла круглосуточно в течение недели с перерывами на небольшой сон, хотя нас, «Слав», было три человека. («Слав», потому что имена всех троих заканчивались на «слав»).
Первым делом надо был прикинуть, что будет происходить в мостовой схеме включения ключей при попытке подать на катушку напряжение в противоположном направлении после того, как через нее уже начал течь ток. Для этих целей я использовал симулятор LTSpice с необходимыми библиотеками элементов (которые взял вроде как и ). В качестве ключей решил использовать параллельно включенные IGBT транзисторы. Поиск по Гуглу показал, что параллельное включение IGBT транзисторов в Гаусс пушке будет корректно работать, если у каждого транзистора будет небольшое добавочное сопротивление (по памяти вроде 0.1 - 0.5 Ом). Без добавочных резисторов транзисторы скорее всего будут гореть один за другим. Также для защиты от самоиндукции у каждого транзистора должен быть защитный диод. В качестве конденсаторов, конечно же, использовались обычные электролиты емкостью 330 - 470 мкф и напряжением 450 вольт. Значение индуктивности катушки для симулятора было получено из расчетов катушек в программе FEММ . IGBT транзисторы управлялись через специализированные для этих целей оптодрайверы, так как была необходима гальваническая развязка.
В итоге выяснилось, что в мостовой схеме во время переподключения катушки у транзисторов возникали мощные выбросы обратного тока, несовместимые с жизнью кремния. Данную проблему не решало абсолютно ничто, и варистор тоже не спасал. С другой стороны, если по одной диагонали убрать транзисторы и оставить там диоды, получалась схема рекуперации энергии. В случае с рекуперацией остаточная энергия катушки после прохождения через нее снаряда возвращалась обратно на конденсатор.
Эти две новости я сообщил заказчику. Однако заказчик сказал, что переполюсовка должна быть реализована обязательно, даже если придется жертвовать КПД (хотя изначально целью было повысить КПД.). В итоге я просто включил катушку последовательно с добавочным резистором, значение которого подобрал исходя из допустимых значений обратного тока транзисторов.
Расчет катушек
Пожалуй, именно столкнувшись с расчетами катушек для Гаусс пушки, я впервые узнал о том, что что-то может рассчитываться компьютером часами, если не целыми днями. Как уже писал ранее, расчет проводился с мощью специального скрипта в программе FEMM. Один знакомый дал мне «правдивый» скрипт для расчета. Кому интересно, можете поискать в интернете «coilgun_cu.lua» или скачать . Также есть два ресурса ( и ), где я читал и про те же IGBT транзисторы, и про FEMM и многое другое.
После завершения расчетов с оптимизацией были получены значения скорости снаряда, КПД пушки, количество витков и т. д. На самом деле, нельзя эти значения назвать единственно оптимальными, при выборе параметров оптимизации приходится руководствоваться технической интуицией, так что нет гарантий, что данные значения будут наилучшими. Скорее всего они будут наилучшими лишь в некоторой области параметров катушек.
Управление пушкой
Так как пушка трехступенчатая, возникает вопрос, как катушки переключать. Для того, чтобы определить наличие снаряда перед катушкой, было решено использовать стандартное решение в виде оптических датчиков (советую покупать для этих целей импортные ИК светодиоды, так как старые отечественные потребляют очень много энергии). Сигналы от датчиков было решено определять с помощью внешних прерываний микроконтроллера серии AVR. Микроконтроллер также делал замер напряжения на конденсаторах и издавал соответствующие звуки при двух уровнях заряда: когда конденсаторы заряжены полностью, и когда они близки к полной зарядке (80-90% от максимума).
Преобразователи напряжения
Чтобы зарядить от аккумулятора на 12 вольт конденсаторы суммарной емкостью почти 2000 мкф до напряжения 450 вольт, нужен был достаточно мощный преобразователь. Мне было лень делать преобразователь с нуля, и потому я попросту снял его со своей собственной Гаусс пушки. Кому интересно, это был преобразователь
