Schemat i obliczenia pistoletu Gaussa. Potężna armata Gaussa DIY
PAŃSTWOWA BUDŻETOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA WYŻSZEJ SZKOLNICTWA ZAWODOWEGO
„AKADEMIA REGIONALNA STANU SAMARA (NAYANOVA)”
Ogólnorosyjski konkurs badawczy
„Poznanie-2015”
(sekcja fizyki)
Praca badawcza
w tym temacie: " « zPRZYGOTOWANIE PISTOLETU GAUSA W DOMU I BADANIE JEGO CHARAKTERYSTYKI»
kierunek : fizyka
Zakończony:
PEŁNE IMIĘ I NAZWISKO. Jegorszyn Anton
Murzin Artem
SGOAN, 9 klasa „A2”.
instytucja edukacyjna, klasa
Doradca naukowy:
PEŁNE IMIĘ I NAZWISKO. Zavershinskaya I. A.
Doktor, nauczyciel fizyki
głowa Wydział Fizyki SGOAN
(stopień naukowy, stanowisko)
Samara 2015
1. Wprowadzenie………………………………………………….......…3
2. Krótka biografia………………………………………..……5
3. Wzory do obliczania charakterystyk modelu Działka Gaussa...6
4. Część praktyczna…………………………………….…..…….8
5. Wyznaczanie efektywności modelu…………………………………..….10
6. Badania dodatkowe…………….…………….….…11
7. Zakończenie………………………………………………….……...13
8. Lista referencji……………………………………………………………...14
Wstęp
W tej pracy badamy działo Gaussa, które wielu mogło widzieć w niektórych grach komputerowych. Działo elektromagnetyczne Gaussa znane jest wszystkim fanom gier komputerowych i science fiction. Został nazwany na cześć niemieckiego fizyka Carla Gaussa, który badał zasady elektromagnetyzmu. Ale czy śmiercionośna broń fantasy naprawdę jest tak odległa od rzeczywistości?
Ze szkolnych zajęć z fizyki dowiedzieliśmy się, że prąd elektryczny przepływający przez przewodniki wytwarza wokół nich pole magnetyczne. Im większy prąd, tym silniejsze pole magnetyczne. Najbardziej praktyczne jest pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd, innymi słowy cewki indukcyjnej (solenoidu). Jeśli cewka z prądem zostanie zawieszona na cienkich przewodnikach, zostanie zainstalowana w tym samym miejscu, co igła kompasu. Oznacza to, że cewka indukcyjna ma dwa bieguny - północny i południowy.
Pistolet Gaussa składa się z elektromagnesu, wewnątrz którego znajduje się lufa dielektryczna. Pocisk wykonany z materiału ferromagnetycznego jest włożony w jeden koniec lufy. Kiedy przez elektromagnes przepływa prąd elektryczny, powstaje pole magnetyczne, które przyspiesza pocisk, „wciągając” go do elektromagnesu. W tym przypadku na końcach pocisku utworzone są bieguny, symetryczne do biegunów cewki, dzięki czemu po przejściu przez środek elektrozaworu pocisk może być przyciągany w przeciwnym kierunku i wyhamowywany.
Aby uzyskać najlepszy efekt, impuls prądowy w cewce musi być krótkotrwały i mocny. Z reguły do uzyskania takiego impulsu stosuje się kondensatory elektryczne. Parametry uzwojenia, pocisku i kondensatorów muszą być tak dobrane, aby w momencie oddania strzału, w momencie zbliżenia się pocisku do elektromagnesu, indukcyjność pola magnetycznego w elektromagnesie była maksymalna, natomiast w miarę dalszego zbliżania się pocisk spada gwałtownie.
Działo Gaussa jako broń ma zalety, których nie mają inne rodzaje broni strzeleckiej. To brak nabojów, nieograniczony wybór prędkości początkowej i energii amunicji, możliwość cichego strzału, także bez wymiany lufy i amunicji. Stosunkowo mały odrzut (równy impulsowi wyrzuconego pocisku, nie ma dodatkowego impulsu od gazów prochowych lub ruchomych części). Teoretycznie większa niezawodność i odporność na zużycie, a także możliwość pracy w każdych warunkach, w tym w przestrzeni kosmicznej. Możliwe jest również użycie dział Gaussa do wyniesienia lekkich satelitów na orbitę.
Jednak pomimo pozornej prostoty użycie go jako broni wiąże się z poważnymi trudnościami:
Niska wydajność - około 10%. Wadę tę można częściowo zrekompensować stosując wielostopniowy system przyspieszania pocisku, ale w każdym przypadku skuteczność rzadko osiąga 30%. Dlatego pistolet Gaussa jest gorszy pod względem siły strzału nawet od broni pneumatycznej. Drugą trudnością jest duże zużycie energii i dość długi skumulowany czas ładowania kondensatorów, co powoduje konieczność noszenia źródła zasilania wraz z działem Gaussa. Wydajność można znacznie zwiększyć stosując elektromagnesy nadprzewodzące, ale będzie to wymagało wydajnego układu chłodzenia, co znacznie zmniejszy mobilność działa Gaussa.
Wysoki czas przeładowania pomiędzy strzałami, czyli niska szybkostrzelność. Strach przed wilgocią, bo jeśli zamoknie, zszokuje samego strzelca.
Jednak głównym problemem są potężne źródła zasilania broni, które obecnie są nieporęczne, co wpływa na mobilność.
Tak więc dzisiaj armata Gaussa do broni o niskiej śmiertelności (karabiny maszynowe, karabiny maszynowe itp.) nie ma dużych perspektyw jako broń, ponieważ jest znacznie gorsza od innych rodzajów broni strzeleckiej. Perspektywy pojawiają się, gdy użyje się go jako broni morskiej dużego kalibru. Na przykład w 2016 roku marynarka wojenna USA rozpocznie testowanie działa szynowego na wodzie. Działo szynowe lub działo szynowe to broń, w której pocisk jest rzucany nie za pomocą materiału wybuchowego, ale za pomocą bardzo silnego impulsu prądowego. Pocisk znajduje się pomiędzy dwiema równoległymi elektrodami - szynami. Pocisk uzyskuje przyspieszenie dzięki sile Lorentza, która występuje, gdy obwód jest zamknięty. Za pomocą działa szynowego możesz rozpędzić pocisk do znacznie większych prędkości niż przy użyciu ładunku prochowego.
Jednakże zasadę elektromagnetycznego przyspieszania mas można z powodzeniem zastosować w praktyce np. przy tworzeniu narzędzi budowlanych - aktualne i nowoczesne kierunek fizyki stosowanej. Urządzenia elektromagnetyczne, które z różnych powodów przekształcają energię pola w energię ruchu ciała, nie znalazły jeszcze szerokiego zastosowania w praktyce, dlatego warto o tym mówić nowość nasza praca.
Znaczenie projektu : Projekt ten ma charakter interdyscyplinarny i obejmuje dużą ilość materiału.
Cel pracy : poznanie budowy elektromagnetycznego akceleratora masy (działo Gaussa), zasad jego działania i zastosowania. Złóż działający model Działka Gaussa i określ jego skuteczność.
Główne cele :
1. Sprawdź urządzenie zgodnie z rysunkami i układami.
2. Badać budowę i zasadę działania elektromagnetycznego akceleratora masy.
3. Stwórz działający model.
4. Wyznacz efektywność modelu
Część praktyczna pracy :
Stworzenie działającego modelu akceleratora masy w domu.
Hipoteza : Czy da się w domu stworzyć najprostszy działający model pistoletu Gaussa?
Krótko o samym Gaussa.
(1777-1855) – niemiecki matematyk, astronom, geodeta i fizyk.
Prace Gaussa charakteryzują się organicznym powiązaniem matematyki teoretycznej i stosowanej oraz różnorodnością problemów. Prace Gaussa wywarły ogromny wpływ na rozwój algebry (dowód podstawowego twierdzenia algebry), teorii liczb (reszty kwadratowe), geometrii różniczkowej (wewnętrzna geometria powierzchni), fizyki matematycznej (zasada Gaussa), teorii elektryczności i magnetyzmu , geodezja (rozwój metody najmniejszych kwadratów) i wiele działów astronomii.
Carl Gauss urodził się 30 kwietnia 1777 roku w Brunszwiku (obecnie Niemcy). Zmarł 23 lutego 1855 w Getyndze, Królestwo Hanoweru, obecnie Niemcy). Za życia otrzymał honorowy tytuł „Księcia Matematyków”. Był jedynym synem biednych rodziców. Nauczyciele szkolni byli pod takim wrażeniem jego zdolności matematycznych i językowych, że zwrócili się do księcia Brunszwiku z prośbą o wsparcie, a książę przekazał pieniądze na kontynuację nauki w szkole i na uniwersytecie w Getyndze (w latach 1795-98). Gauss uzyskał doktorat w 1799 roku na Uniwersytecie w Helmstedt.
Odkrycia w fizyce
W latach 1830-1840 Gauss poświęcił wiele uwagi zagadnieniom fizyki. W 1833 roku, w ścisłej współpracy z Wilhelmem Weberem, Gauss zbudował pierwszy w Niemczech telegraf elektromagnetyczny. W 1839 roku Gauss opublikował swój esej „Ogólna teoria sił przyciągania i odpychania działających odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości”, w którym przedstawił swoje rozważania. główne postanowienia teorii potencjału i dowodzi słynnego twierdzenia Gaussa-Ostrogradskiego. Praca Gaussa „Dioptric Research” (1840) poświęcona jest teorii konstruowania obrazów w złożonych układach optycznych.
Wzory związane z zasadą działania broni.
Energia kinetyczna pocisku
https://pandia.ru/text/80/101/images/image003_56.gif" alt="~m" width="17"> - масса снаряда!}
- jego prędkość
Energia zmagazynowana w kondensatorze
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!}
Czas pracy cewki
Jest to czas, w którym pole elektromagnetyczne cewki indukcyjnej wzrasta do wartości maksymalnej (pełne rozładowanie kondensatora) i całkowicie spada do 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=" indukcyjność cewki wielowarstwowej, wzór" width="201" height="68 src=">!}
Indukcyjność obliczamy biorąc pod uwagę obecność gwoździa wewnątrz cewki. Dlatego przyjmijmy, że względna przenikalność magnetyczna wynosi około 100-500. Aby wyprodukować pistolet, wykonaliśmy własną cewkę indukcyjną o liczbie zwojów 350 (7 warstw po 50 zwojów każda), w wyniku czego otrzymaliśmy cewkę o indukcyjności 13,48 μH.
Obliczamy rezystancję drutów za pomocą standardowego wzoru.
Im mniejszy opór, tym lepiej. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że drut o większej średnicy jest lepszy, jednak powoduje to zwiększenie wymiarów geometrycznych cewki i zmniejszenie gęstości pola magnetycznego w jej środku, więc tutaj trzeba szukać złotego środka .
Z analizy literatury doszliśmy do wniosku, że w przypadku pistoletu Gaussa całkiem akceptowalny jest domowy drut miedziany o średnicy 0,8-1,2 mm.
Moc strat czynnych oblicza się ze wzoru [W] Gdzie: I – prąd w amperach, R – rezystancja czynna przewodów w omach.
W tej pracy nie założyliśmy pomiaru natężenia prądu i obliczenia strat, są to zagadnienia do dalszej pracy, w której planujemy wyznaczyć prąd i energię cewki..jpg" szerokość="552" wysokość="449"> .gif" szerokość="12" wysokość="23"> ;https://pandia.ru/text/80/101/images/image021_8.jpg" szerokość="599 wysokość=906" wysokość="906">
OKREŚLENIE SPRAWNOŚCI MODELU.
Aby określić skuteczność, przeprowadziliśmy następujący eksperyment: wystrzeliliśmy pocisk o znanej masie w jabłko o znanej masie. Jabłko zawieszono na nitce o długości 1 m. Określiliśmy odległość, o jaką jabłko będzie się odchylać. Na podstawie tego odchylenia określamy wysokość wzniesienia za pomocą twierdzenia Pitagorasa.
Wyniki eksperymentów pozwalających obliczyć efektywność
Tabela nr 1
Podstawowe obliczenia opierają się na prawach ochrony:
Zgodnie z prawem zachowania energii prędkość pocisku wyznaczamy wraz z jabłkiem:
https://pandia.ru/text/80/101/images/image024_15.gif" szerokość="65" wysokość="27 src=">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image026_16.gif" szerokość="129" wysokość="24">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image029_14.gif" szerokość="373" wysokość="69 src=">
0 " style="border-collapse:collapse">
Z tabeli wynika, że siła wystrzału zależy od rodzaju pocisku i jego masy, ponieważ wiertło waży tyle samo, co 4 igły razem wzięte, ale jest grubsze, solidniejsze, więc jego energia kinetyczna jest większa.
Stopnie penetracji różnych ciał przez pociski:
Typ celu: arkusz notesu.
Tutaj wszystko jest jasne, blacha przebija się doskonale.
Typ docelowy: notatnik na 18 kartek .
Nie wzięliśmy wiertła, bo jest tępe, ale odrzut jest znaczny.
W tym przypadku pociski miały wystarczającą energię, aby przebić notatnik, ale niewystarczającą, aby pokonać siłę tarcia i wylecieć na drugą stronę. Tutaj wiele zależy od zdolności penetracji pocisku, czyli jego kształtu i jego chropowatości.
Wniosek.
Celem naszej pracy było poznanie budowy elektromagnetycznego akceleratora mas (działo Gaussa), a także zasad jego działania i zastosowania. Złóż działający model Działka Gaussa i określ jego skuteczność.
Osiągnęliśmy cel: wykonaliśmy eksperymentalny model roboczy elektromagnetycznego akceleratora mas (działo Gaussa), upraszczając obwody dostępne w Internecie i dostosowując model do sieci prądu przemiennego o standardowych charakterystykach.
Określono efektywność powstałego modelu. Skuteczność okazała się wynosić około 1%. Wydajność nie ma tu większego znaczenia, co potwierdza wszystko, czego dowiedzieliśmy się z literatury.
Po przeprowadzeniu badań doszliśmy do następujących wniosków:
1. Całkiem możliwe jest złożenie działającego prototypu elektromagnetycznego akceleratora masy w domu.
2. Zastosowanie elektromagnetycznego przyspieszania masy ma ogromne perspektywy na przyszłość.
3. Broń elektromagnetyczna może stać się godnym zamiennikiem broni palnej wielkokalibrowej, co będzie szczególnie możliwe przy tworzeniu kompaktowych źródeł energii.
Bibliografia:
1. Wikipedia http://ru. wikipedia. org
2. Główne typy EMO (2010) http://www. gauss2k. ludzie ru/indeks. htm
3. Nowa broń elektromagnetyczna 2010
http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. HTML
4. Wszystko o armacie Gaussa
http://catarmorgauss. ucoz. ru/forum/6-38-1
5. www. popmech. ru
6. gauss2k. ludzie ru
7. www. fizyka ru
8. www. sfiz. ru
12. Fizyka: podręcznik dla klasy 10 z pogłębionym studium fizyki/itp.; edytowany przez , . – M.: Edukacja, 2009.
13. Fizyka: podręcznik dla klasy 11 z pogłębionym studium fizyki/itp.; edytowany przez , . – M.: Edukacja, 2010.
29 marca 2013 o godzinie 12:59Pistolet Gaussa - legenda o wydajności 3%.
- Zrób to sam lub zrób to sam
Jakimś cudem trafiłem w internecie na artykuł o broni Gaussa i pomyślałem, że fajnie byłoby mieć jednego (albo nawet dwa). Podczas poszukiwań natknąłem się na stronę gauss2k i korzystając z najprostszego schematu złożyłem super fajny pistolet mega-Gaussa.
Tutaj jest:
I strzeliłem trochę:
A potem ogarnął mnie smutek, intensywny smutek, że nie mam super fajnej broni, a tylko pierdnięcie, a jest ich wiele. Usiadłem i zacząłem myśleć o tym, jak mógłbym zwiększyć efektywność. Myślałem długo. Rok. Przeczytałem cały Gauss2k i połowę forum wojennego. Wynaleziony.
Okazuje się, że istnieje program napisany przez zagranicznych naukowców i ukończony przez naszych rzemieślników pod armatą Gaussa i nazywa się on ni mniej, ni więcej, tylko FEMM.
Pobrałem skrypt z forum .lua i zagranicznego programu w wersji 4.2 i przygotowałem się do zagłębienia się w obliczenia naukowe. Tak się jednak nie stało, zagraniczny program nie chciał uruchomić rosyjskiego skryptu, gdyż skrypt był robiony dla wersji 4.0. I otworzyłem instrukcję (nazywają ją instrukcją) w języku burżuazyjnym i wypaliłem ją doszczętnie. Została mi objawiona wielka prawda, że w tym cholernym scenariuszu trzeba najpierw dodać trudną linijkę.
Oto ona: setcompatibilitymode(1) -- włącz tryb zgodności z wersją femm 4.2
I usiadłem do długich obliczeń, moja maszyna licząca zaczęła szumieć i otrzymałem naukowy opis:
Opis
Pojemność kondensatora, mikroFarad = 680
Napięcie kondensatora, Volt = 200
Całkowita rezystancja, Ohm = 1,800147899376892
Rezystancja zewnętrzna, Ohm = 0,5558823529411765
Rezystancja cewki, Ohm = 1,244265546435716
Liczba zwojów w cewce = 502,1193771626296
Średnica drutu uzwojenia cewki, milimetr = 0,64
Długość drutu w cewce, metr = 22,87309092387464
Długość cewki, milimetr = 26
Średnica zewnętrzna cewki, milimetr = 24
Indukcyjność cewki z pociskiem w położeniu początkowym, microHenry = 1044,92294174225
Zewnętrzna średnica lufy, milimetr = 5
Masa pocisku, gram = 2,450442269800038
Długość pocisku, milimetr = 25
Średnica pocisku, milimetr = 4
Odległość, na jaką pocisk jest wpychany w cewkę w momencie początkowym, milimetr = 0
Materiał, z którego wykonany jest pocisk = nr 154 Materiał dobrany eksperymentalnie (żelazo zwykłe)
Czas procesu (mikrosekundy) = 4800
Przyrost czasu, mikrosekundy=100
Energia pocisku J = 0,2765589667129519
Energia kondensatora J = 13,6
Sprawność Gaussa (%) = 2,033521814065823
Początkowa prędkość pocisku, m/s = 0
Prędkość pocisku na wyjściu z cewki, m/s = 15,02403657199634
Maksymalna osiągnięta prędkość, m/s = 15,55034094445013
A potem usiadłem, aby wdrożyć te czary w rzeczywistość.
Z anteny wziąłem rurkę (jeden z odcinków D=5mm) i zrobiłem w niej nacięcie (szlifierką), ponieważ rura stanowi zamkniętą pętlę, w której indukowane będą prądy przeklęte, zwane prądami wirowymi, a to ta sama rura zostanie nagrzana, co spowoduje zmniejszenie i tak już niskiej wydajności.
Oto co się stało: szczelina ~ 30 mm
Zacząłem nawijać szpulę. W tym celu wyciąłem z folii z włókna szklanego 2 kwadraty (30x30 mm) z otworem w środku (D=5 mm) i wytrawiłem na nim trudne ścieżki, aby przylutować go do rurki (choć błyszczy jak żelazo, w rzeczywistości jest to mosiądz).
Z tym wszystkim zasiadłem do nawijania szpuli:
Wkręciłem to. I korzystając z tego samego schematu, zmontowałem to przebiegłe urządzenie.
Oto jak to wygląda:
Tyrystor i mikrofon pochodziły ze starych zapasów, ale kondensator wziąłem z zasilacza komputerowego (są dwa). Z tego samego zasilacza zastosowano następnie mostek diodowy i dławik, przerobiony na transformator podwyższający, ponieważ ładowanie z gniazdka jest niebezpieczne, a w otwartym polu go nie ma, dlatego potrzebna jest przetwornica, która jest co zacząłem budować. Aby to zrobić, wziąłem wcześniej zmontowany generator NE555:
I podłączyłem go do przepustnicy:
który miał 2 uzwojenia po 54 zwoje drutu 0,8. Całość zasilałem z akumulatora 6V. I co za czary - zamiast 6 woltów na wyjściu (uzwojenia są takie same), dostałem aż 74 wolty. Po wypaleniu kolejnego stosu instrukcji o transformatorach dowiedziałem się:
- Jak wiadomo, prąd w uzwojeniu wtórnym jest tym większy, im szybciej zmienia się prąd w uzwojeniu pierwotnym, tj. proporcjonalna do pochodnej napięcia w uzwojeniu pierwotnym. Jeżeli pochodną sinusoidy jest także sinusoida o tej samej amplitudzie (w transformatorze wartość napięcia mnoży się przez współczynnik transformacji N), to przy impulsach prostokątnych sytuacja jest inna. Na zboczach narastających i opadających impulsu trapezowego szybkość zmian napięcia jest bardzo duża i pochodna w tym miejscu również ma duże znaczenie, stąd wysokie napięcie.Gauss2k.narod.ru „Przenośne urządzenie do ładowania kondensatorów”. Zamieszczone przez A.D.F.
Po krótkim namyśle doszedłem do wniosku: ponieważ moje napięcie wyjściowe wynosi 74 wolty, ale potrzebuję 200, to - 200/74 = 2,7 razy, muszę zwiększyć liczbę zwojów. Razem 54 * 2,7 = 146 zwojów. Przewinąłem jedno z uzwojeń cieńszym drutem (0,45). Liczba zwojów została zwiększona do 200 (w rezerwie). Bawiłem się częstotliwością przetwornika i uzyskałem pożądane 200 woltów (w rzeczywistości 215).
Oto jak to wygląda:
To brzydkie, ale jest to opcja tymczasowa i zostanie zmieniona później.
Po zebraniu tego wszystkiego zrobiłem małe strzelanie:
Po oddaniu strzału postanowiłem zmierzyć, jakie właściwości użytkowe ma moja broń. Zacząłem od pomiaru prędkości.
Siedząc wieczorem z kartką i długopisem, wymyśliłem wzór, który pozwala obliczyć prędkość z toru lotu:
Korzystając z tej trudnej formuły, otrzymałem:
Odległość do celu, x = 2,14 m
odchylenie pionowe, y (średnia arytmetyczna z 10 strzałów) = 0,072 m
Całkowity:
Na początku w to nie wierzyłem, ale później zmontowane czujniki wykrawania podłączone do karty dźwiękowej pokazywały prędkość 17,31 m/s
Byłem zbyt leniwy, żeby zmierzyć masę goździka (a nie miałem z czego skorzystać), więc wziąłem masę, którą obliczył dla mnie FEMM (2,45 grama). Znalazłem skuteczność.
Energia zmagazynowana w kondensatorze = (680 * 10^-6 * 200^2)/2 = 13,6 J
Energia pocisku = (2,45 * 10^-3 * 17,3^2)/2 = 0,367 J
Wydajność = 0,367/13,6*100% = 2,7%
To w zasadzie wszystko, co wiąże się z akceleratorem jednostopniowym. Oto jak to wygląda:
Efektywność Pistolet Gaussa oblicza się po prostu - jest to energia pocisku na wyjściu z lufy podzielona przez energię zmagazynowaną w kondensatorach (w bardziej skomplikowanych przypadkach, gdy nie cała energia kondensatorów trafia do cewki, energia zużyta na strzał jest liczony). Energię zmagazynowaną w kondensatorach oblicza się ze wzoru E = C*U^2/2, gdzie C jest pojemnością kondensatora w faradach, U jest napięciem, do którego naładowany jest kondensator .
Energię pocisku oblicza się ze wzoru E = m*V^2/2, gdzie m to masa pocisku w kilogramach, a V to prędkość w metrach na sekundę .
Na przykład, jeśli w kondensatorach pistoletu Gaussa zgromadzonych jest 100 J, a energia pocisku na wyjściu z lufy wynosi 1 J, wówczas skuteczność pistoletu Gaussa wynosi 1%.
Metody pomiaru prędkości pocisku zostały opisane w poprzednim artykule. Aby poznać masę pocisku, nie mając wagi laboratoryjnej, można włożyć pocisk do strzykawki wypełnionej wodą i po ustaleniu objętości pomnożyć ją przez gęstość materiału pocisku.
Porozmawiajmy teraz o tym, jak wybrać i obliczyć wszystkie części pistoletu Gaussa, aby uzyskać najwyższą wydajność.
Kondensatory
1. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe napięcie robocze kondensatora, tym lepiej może to wpłynąć na końcową wydajność całego układu, ponieważ straty spowodowane rezystancją czynną zmniejszają się wraz ze wzrostem napięcia. Jednak kondensatory elektrolityczne mają najwyższy stosunek pojemności do objętości i trudno je znaleźć dla napięć większych niż 450 V. Możesz oczywiście użyć kondensatorów foliowych na napięcia 1000 woltów lub więcej, ale po pierwsze są one nieporęczne i ciężkie, a po drugie, będziesz musiał jakoś rozwiązać problemy z izolacją. Optymalne są więc kondensatory elektrolityczne 300-450V.
2. ESR (równoważna rezystancja szeregowa) kondensatorów. Im niższy ESR kondensatora, tym lepiej (jednak takie kondensatory są droższe). Niektórzy producenci tworzą specjalne linie kondensatorów o niskim ESR.
3. Ważną rolę odgrywa także reaktancja indukcyjna. Przy wszystkich pozostałych czynnikach im węższy i dłuższy kondensator, tym niższa jego reaktancja indukcyjna.
4. Konkluzje. Kondensatory z zaciskami nakrętkowymi są lepsze niż kondensatory z zaciskami lutowanymi (chociaż te pierwsze są droższe).
Klucze
No cóż, tutaj wszystko jest proste – im niższy opór klawisza, tym lepiej.
Pień
1. Im cieńsza lufa, tym lepiej, ponieważ w tym przypadku marnuje się mniej objętości wewnątrz cewki. Niektóre pistolety Gaussa w ogóle nie posiadają lufy (przykładowo ten pokazany na obrazku). Ale nie zapomnij o sile!
2. Im mniejsze tarcie wewnątrz lufy, tym więcej energii zatrzyma pocisk. Specjalne smary do broni, takie jak Ballistol, pomagają zmniejszyć tarcie.
3. Beczki wykonane z dielektryków są lepsze od metalowych, ponieważ w tych ostatnich podczas wypalania indukowane są prądy wirowe, które zużywają część energii strzału. Problem prądów wirowych można rozwiązać wykonując nacięcie na całej długości lufy (lub przynajmniej w części, w której znajduje się cewka, jak pokazano na rysunku).
Pocisk
1. Przy wszystkich pozostałych czynnikach pocisk o większej masie przyspiesza z większą wydajnością, ponieważ ma więcej domen magnetycznych wciągniętych do cewki.
2. Im wyższy próg nasycenia materiału, z którego wykonany jest pocisk, tym lepiej. Spośród dostępnych materiałów najwyższy próg nasycenia posiadają stale miękkie typu St.3 (z których wykonuje się np. gwoździe).
3. Nie bez znaczenia jest także aerodynamiczny kształt pocisku. Wskazane jest wykonanie go w taki sposób, aby w jak największym stopniu zmniejszyć tarcie z powietrzem.
Cewka
1. Nadal trwa dyskusja na temat optymalnego kształtu cewki, ale moim zdaniem jest ona następująca: średnica zewnętrzna jest równa trzykrotności średnicy wewnętrznej, a długość wynosi 11/9 średnicy zewnętrznej. Zależności te można wyprowadzić matematycznie. Nie twierdzę jednak, że znam tu ostateczną prawdę i czytelnicy mogą określić optymalny kształt cewki w drodze eksperymentów.
2. Aktywna rezystancja cewki powinna być nieco mniejsza niż czynna rezystancja kondensatorów, najlepiej 1,4 razy mniejsza. Ale ta relacja to także pole do eksperymentów.
3. Układanie drutu powinno być możliwie ciasne. Idealnie drut może być kwadratowy, sześciokątny lub płaski - aby nie było niewypełnionych nisz.
4. Materiał drutu powinien mieć możliwie najniższą rezystancję.
Jak zatem połączyć wszystkie często sprzeczne wymagania dotyczące części, aby osiągnąć najlepszą wydajność? Odpowiedź na to pytanie dają różne programy do modelowania matematycznego akceleratorów elektromagnetycznych. Na przykład, FEMM oraz specjalne skrypty do niego, które można pobrać.
Można w nich ustawić oczekiwane parametry swojego przyszłego pistoletu Gaussa i dowiedzieć się, jaka będzie przybliżona skuteczność (w praktyce zwykle okazuje się ona nieco niższa). To wszystko, życzę sukcesów w osiąganiu wysokiej efektywności!
Kiedy byłem na drugim roku studiów, otrzymałem bardzo nietypowe zamówienie – trójstopniową armatę Gaussa. Ramy czasowe na jego stworzenie były bardzo krótkie: wszystko zostało zrobione w ciągu zaledwie tygodnia. Ponadto pistolet miał fizycznie niemożliwą do zrealizowania cechę: odwrócenie pola magnetycznego cewek, co zdaniem autora pistoletu powinno zwiększyć jego skuteczność. Ponieważ jednak kochałem pistolety Gaussa i marzyłem o tym, żeby zacząć zarabiać na tym, co kocham, zgodziłem się zrealizować zamówienie.
W czasie wakacji nie było żadnych znaków...
Była przerwa zimowa, do rozpoczęcia zajęć pozostał nieco ponad tydzień. Nie było żadnych oznak dziwnych rozkazów, gdy nagle zadzwonił do mnie przyjaciel i zapytał, czy chciałbym wziąć udział w opracowaniu prawdziwego działa Gaussa. Oczywiście, że byłem za. Obiecali przeznaczyć na armatę tyle pieniędzy, ile potrzeba (czyli na części, a nie zapłatę za pracę). Głównym warunkiem było terminowe ukończenie działa, musiało ono także potrafić odwrócić polaryzację pola magnetycznego cewek, aby pocisk uzyskał dodatkowe przyspieszenie, a także być w stanie przebić czołg i posiadać skuteczność co najmniej 10%.
Po zapoznaniu się ze schematem pistoletu po prostu wypadłem, bo to ściśle tajny rysunek z instytutu badawczego z czasów ZSRR. Niestety obwód został spalony przez Inkwizycję i nie zachował się, z pamięci pamiętam tylko, że autor chciał ładować kondensatory niepolarne prądem przemiennym. Ogólnie rzecz biorąc, klient nie miał zielonego pojęcia, jak działają pistolety Gaussa i elektronika w ogóle, ponieważ nawet nie wiedział, że kondensatory nie są ładowane prądem przemiennym. Musiałem więc wszystko zrobić sam.
Kolejną niemiłą niespodzianką było to, że korpus pistoletu był już gotowy. Dlatego nie można było zmienić położenia cewek, a ich rozmiar był ograniczony pod względem długości.
A co do odwrócenia polaryzacji cewek... starałem się wytłumaczyć, że energia na cewce nie może „rozpaść się w nicość”, był to jednak ważny warunek, chociaż dzięki mojej propozycji udało się zrealizować odwrócenie pola magnetycznego pole stało się konieczne dopiero w pierwszym etapie, a pozostałe trzy działały, jak w konwencjonalnych działach Gaussa.
Początek rozwoju. Obwód sterujący cewką mostkową
Okazało się, że jako jedyny w zespole rozumiałem elektronikę na dość wysokim poziomie. Być może dlatego rozwój w tygodniu trwał całą dobę z przerwami na drzemkę, chociaż „Słowian” było nas trzech. („słowiański”, bo wszystkie trzy imiona kończyły się na „słowiański”).
Pierwszym krokiem było ustalenie, co stanie się w obwodzie przełącznika mostkowego, gdy spróbujemy przyłożyć napięcie do cewki w przeciwnym kierunku, gdy już zacznie przez nią płynąć prąd. Do tych celów użyłem symulatora LTSpice z niezbędnymi bibliotekami elementów (które w pewnym sensie wziąłem). Jako klucze zdecydowałem się zastosować tranzystory IGBT połączone równolegle. Wyszukiwarka Google wykazała, że równoległe połączenie tranzystorów IGBT w działku Gaussa będzie działać poprawnie, jeśli każdy tranzystor będzie miał niewielką dodatkową rezystancję (z pamięci, np. 0,1 - 0,5 oma). Bez dodatkowych rezystorów tranzystory najprawdopodobniej spalą się jeden po drugim. Ponadto, aby zabezpieczyć się przed samoindukcją, każdy tranzystor musi mieć diodę ochronną. Jako kondensatory zastosowano oczywiście zwykłe elektrolity o pojemności 330–470 mikrofaradów i napięciu 450 woltów. Wartość indukcyjności cewki dla symulatora uzyskano z obliczeń cewek w programie FEMM. Tranzystory IGBT sterowano za pomocą wyspecjalizowanych do tego celu optodriverów, ponieważ konieczna była izolacja galwaniczna.
W rezultacie okazało się, że w obwodzie mostka, po ponownym podłączeniu cewki, tranzystory doświadczyły silnych udarów prądu wstecznego, niezgodnych z żywotnością krzemu. Absolutnie nic nie rozwiązało tego problemu, warystor też nie pomógł. Z drugiej strony, jeśli usuniesz tranzystory wzdłuż jednej przekątnej i pozostawisz tam diody, otrzymasz obwód odzyskiwania energii. W przypadku rekuperacji energia resztkowa cewki po przejściu przez nią pocisku wracała z powrotem do kondensatora.
Przekazałem klientowi te dwie wiadomości. Klient stwierdził jednak, że należy zastosować odwrócenie polaryzacji, nawet jeśli konieczne byłoby poświęcenie wydajności (chociaż pierwotnym celem było zwiększenie wydajności). Ostatecznie po prostu podłączyłem cewkę szeregowo z dodatkowym rezystorem, którego wartość dobrałem na podstawie dopuszczalnych wartości prądu wstecznego tranzystorów.
Obliczanie cewek
Być może to właśnie wtedy, gdy natknąłem się na obliczenia cewek do działa Gaussa, po raz pierwszy dowiedziałem się, że obliczenia komputerowe mogą zająć wiele godzin, jeśli nie dni. Jak pisałem wcześniej obliczenia przeprowadzono wykorzystując moc specjalnego skryptu w programie FEMM. Znajomy dał mi „prawdziwy” skrypt do obliczeń. Jeśli ktoś jest zainteresowany, może poszukać w Internecie pliku „coilgun_cu.lua” lub go pobrać. Istnieją również dwa zasoby ( i ), w których czytam o tych samych tranzystorach IGBT, a także o FEMM i wielu innych.
Po zakończeniu obliczeń z optymalizacją otrzymano wartości prędkości pocisku, wydajności działa, liczby obrotów itp. Tak naprawdę wartości te nie można nazwać jedynymi optymalnymi, przy doborze parametrów optymalizacyjnych trzeba kieruj się intuicją techniczną, dlatego nie ma gwarancji, że te wartości będą najlepsze. Najprawdopodobniej będą najlepsze tylko w pewnym zakresie parametrów cewek.
Kontrola broni
Ponieważ pistolet jest trójstopniowy, pojawia się pytanie, jak przełączyć cewki. W celu określenia obecności pocisku przed cewką zdecydowano się zastosować standardowe rozwiązanie w postaci czujników optycznych (radzę do tych celów kupować importowane diody IR, gdyż stare domowe zużywają dużo prądu) energia). Zdecydowano się na detekcję sygnałów z czujników wykorzystując zewnętrzne przerwania mikrokontrolera serii AVR. Mikrokontroler zmierzył również napięcie na kondensatorach i wydał odpowiednie dźwięki przy dwóch poziomach naładowania: gdy kondensatory były w pełni naładowane i gdy były bliskie pełnego naładowania (80-90% maksymalnego).
Przetwornice napięcia
Aby naładować kondensatory o łącznej pojemności prawie 2000 mikrofaradów z akumulatora 12 V do napięcia 450 woltów, potrzebny był dość mocny konwerter. Byłem zbyt leniwy, żeby zrobić konwerter od zera, więc po prostu usunąłem go z własnego pistoletu Gaussa. Dla zainteresowanych był to konwerter
Zanim zaczniesz robić magnetyczny akcelerator masy, dobrze byłoby przynajmniej z grubsza obliczyć jego główne parametry i cechy, na które możesz liczyć podczas jego montażu.
Z reguły podstawą do rozpoczęcia budowy działa Gaussa są dostępne kondensatory, których parametry w istocie determinują parametry przyszłego działa magnetycznego.
Zacznijmy od tego. Każdy kondensator elektryczny charakteryzuje się pojemnością elektryczną i maksymalnym napięciem, do jakiego można go naładować. Poza tym kondensatory są polarne i niepolarne – prawie wszystkie duże kondensatory stosowane w akceleratorach magnetycznych są elektrolityczne i polarne. Te. Bardzo ważne jest prawidłowe podłączenie - do zacisku „+” przykładamy ładunek dodatni, a do „-” ładunek ujemny. Nawiasem mówiąc, aluminiowy korpus kondensatora elektrolitycznego jest także zaciskiem „-”.
Znając pojemność kondensatora i jego maksymalne napięcie, możesz znaleźć energię, jaką ten kondensator może zgromadzić. Mnożymy pojemność (nie zapomnij przeliczyć jej na farady! 1F = 1000000 mKF) przez kwadrat napięcia i podzielić wszystko przez dwa. E=(C*U^2)/2 [J]
Otrzymana energia będzie wyrażona w dżulach – tj. ile dżuli energii elektrycznej znajduje się w kondensatorze, jeżeli jest on naładowany napięciem U.
Znając energię kondensatora (jeśli jest kilka kondensatorów, można zsumować ich energie), można znaleźć przybliżoną energię kinetyczną pocisku - lub po prostu moc przyszłego akceleratora magnetycznego. Z reguły wydajność MU jest w przybliżeniu równa 1% - tj. podziel energię kondensatorów przez 100, a znajdziesz energię kinetyczną gwoździa, z jaką zostanie wystrzelony z twojego gaussa. Jednak optymalizując Gaussa, jego wydajność można zwiększyć nawet do 4-7%, co jest już znaczące.
Energię kinetyczną pocisku oblicza się ze wzoru E=(m*V^2)/2 [J]. Znając energię kinetyczną gwoździa i jego masę (m), można łatwo obliczyć jego prędkość lotu. Pomnóż energię przez 2, podziel przez masę (w kg) i wypierwiastkuj, otrzymasz prędkość gwoździa w m/s. Aby przeliczyć go na kilometry na godzinę (jeśli nagle chcesz), pomnóż go przez liczbę 3,6.
Znasz już przybliżoną prędkość lotu konkretnego gwoździa. Ponieważ najprawdopodobniej znana jest również długość gwoździa, można znaleźć przybliżoną długość uzwojenia elektromagnesu. Jest równa długości pocisku gwoździa.
Spróbujmy teraz obliczyć parametry uzwojenia. Uzwojenie powinno być takie, aby po wystrzeleniu, zanim gwóźdź zbliży się do środka, prąd w nim będzie już minimalny, a pole magnetyczne nie zapobiegnie wyrzuceniu gwoździa z drugiego końca uzwojenia.
Układ uzwojenia kondensatora jest obwodem oscylacyjnym. Znajdźmy jego okres oscylacji. Czas pierwszego półcyklu oscylacji jest równy czasowi, w którym gwóźdź leci od początku uzwojenia do jego środka, a ponieważ gwóźdź był początkowo w spoczynku, następnie w przybliżeniu ten czas jest równy długości uzwojenia podzielonej przez prędkość lotu gwoździa, którą już obliczyłeś z poprzednich akapitów. Z drugiej strony, jak wiadomo, okres swobodnych oscylacji jest równy 2 Pi razy pierwiastek kwadratowy z L*C. W naszym układzie oscylacje nie będą wcale swobodne, więc okres oscylacji będzie nieco większy od tej wartości. Jednak weźmiemy to pod uwagę później, gdy bezpośrednio obliczymy samo uzwojenie.
Znasz czas półcyklu oscylacji, pojemność kondensatorów też - pozostaje tylko wyrazić indukcyjność cewki ze wzoru.
W praktyce indukcyjność cewki przyjmiemy nieco mniej ze względu na fakt, że okres oscylacji ze względu na obecność czynnego oporu w obwodzie będzie dłuższy. Podziel indukcyjność przez 1,5 - myślę, że do obliczeń szacunkowych jest to w przybliżeniu prawidłowe.
Teraz znajdźmy parametry cewki poprzez indukcyjność i długość - liczbę zwojów itp.
Indukcyjność elektromagnesu oblicza się ze wzoru L=m*m0*(N^2*S)/l [H].
Gdzie m to względna przenikalność magnetyczna rdzenia, m0 to przenikalność magnetyczna próżni = 4*Pi*10^-7, S to pole przekroju poprzecznego elektromagnesu, l to długość solenoidu, N to liczba zwojów.
Znalezienie pola przekroju elektromagnesu jest dość proste - znając parametry przyszłego pocisku, które wykorzystaliśmy już w obliczeniach, prawdopodobnie masz już na oku rurkę, na którą będziesz nawijał elektrozawór . Średnicę rury można łatwo zmierzyć, z grubsza oszacuj grubość przyszłego uzwojenia i oblicz pole przekroju poprzecznego. I nie zapomnij przeliczyć tego na metry kwadratowe! Nasza indukcyjność jest brana pod uwagę obecność gwoździa wewnątrz cewki. Dlatego przyjmij względną przenikalność magnetyczną na około 100-500 (więcej jest możliwe, mniej nie jest możliwe!), Chociaż możesz zajrzeć do podręcznika i podzielić tę wartość przez dwa (gwóźdź nie zawsze znajduje się wewnątrz elektromagnesu). Ponadto należy pamiętać, że średnica uzwojenia jest większa niż średnica gwoździa, więc wartość m wziętą z podręcznika można ponownie podzielić przez 2...
Znając długość solenoidu, pole przekroju poprzecznego i przenikalność magnetyczną rdzenia, możemy łatwo wyrazić liczbę zwojów ze wzoru na indukcyjność.
Teraz oceńmy parametry samego drutu. Jak wiadomo, rezystancję drutu oblicza się jako rezystywność materiału pomnożoną przez długość przewodnika i podzieloną przez pole przekroju poprzecznego przewodnika. Nawiasem mówiąc, rezystywność miedzi drutu uzwojenia jest nieco większa niż wartość tabelaryczna podana dla CZYSTEJ miedzi. Pomnóż to przez 2, myślę, że wystarczy.
Wiadomo, że im mniejszy opór, tym lepiej. Te. Wydaje się, że preferowany jest drut o większej średnicy, jednak spowoduje to zwiększenie wymiarów geometrycznych cewki i zmniejszenie gęstości pola magnetycznego w jej środku, więc tutaj trzeba będzie szukać złotego środka . W ogólnym przypadku, typowym dla „domowych” Gaussów, dla energii rzędu 100–500 J i napięcia 150–400 V, miedziany drut uzwojenia o średnicy 0,8–1,2 mm jest całkiem akceptowalny.
Nawiasem mówiąc, moc strat aktywnych oblicza się ze wzoru P=I^2*R [W] Gdzie: I to prąd w amperach, R to czynny opór przewodów w omach.
Z reguły 50% energii kondensatorów ZAWSZE jest tracone w aktywnym oporze Gaussa. Wiedząc o tym, znalezienie maksymalnego prądu cewki może być dość proste. Energia cewki jest równa kwadratowi prądu pomnożonemu przez indukcyjność i podzielonemu przez 2, analogicznie do kondensatora.
Znasz indukcyjność, energię też - maksymalnie 50% energii kondensatorów. Możesz przyjąć liczbę mniejszą niż 50% - obliczenia będą bardziej realistyczne. Cóż, znajdziesz prąd. Myślę, że nie zapomniałeś jeszcze zasad przekształcania równań ze szkoły.
To właściwie cała kalkulacja oceny. W każdym razie po wyprodukowaniu będziesz musiał ręcznie doprowadzić akcelerator magnetyczny do gotowej próbki z dobrą wydajnością.