Основы радиоэлектроники
Практическая работа
Пушка Гаусса
Руководитель работы:
Кашапов М. Р.
Исполнители:
Студенты группы 10МФ Искандаров А. Р., Лотарев Н. С.
Оренбург 2012
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………3
Теоритические сведения………………………………………………………..4
Практическая часть……………………………………………………………..8
Используемые элементы……………………………………………………….9
Заключение…………………………………………………………………….10
Введение
Пушка Гаусса — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь ввиду, что данный метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как данный метод не является достаточно эффективным для практической реализации.
Теоретические сведения
Принцип действия
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.
Кинетическая энергия снаряда
(1)
m — масса снаряда
v — его скорость
Энергия запасаемая в конденсаторе
(2)
U — напряжение конденсатора
C — ёмкость конденсатора
Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:
(3)
L — индуктивность
C — ёмкость
Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.
(4)
L — индуктивность
C — ёмкость
Применение
Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность).
Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, большая надежность и теоретически износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.
Первая и основная трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27 %. В основном в любительских установках энергия запасенная в виде магнитного поля никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применят доступные IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД).
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.
Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки.
Пятая трудность — с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.
В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьезно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред что требует дополнительного магнитного экранирования.
Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, и вряд ли перспективы появятся в будущем, так как она не может составить конкуренцию установкам, работающим на других принципах. Теоретически, перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.
Практическая часть
Внимание! Работа проводится под высоким напряжением. Будьте бдительны. Работать строго под наблюдением преподавателя!
Самое главное в этой работе-найти работающие детали. И проверить их на работоспособность. Собираем диодный мост из 4-х диодов. Важно что бы диоды имели большое пробивное напряжение. Диодный мост — электрическая схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий:
Затем соединяем параллельно конденсаторы. По возможности, можно приобрести меньшее кол-во конденсаторов но большей ёмкости. В сумме ёмкость должна превышать 900мФ. Так же они должны выдерживать напряжение 220 В. Изготавливаем катушку. Толщина провода катушки так же должна выдерживать высокое напряжение.
К мосту подсоединяем электрическую вилку. От моста продолжаем соединение к соединённым уже между собой конденсаторам (для индикации того что конденсаторы заряжены, используем лампу накаливания).
На схеме видно как расположены ключи, с помощью которых проходит подключение и переключение. Немаловажный момент-патрон. Это главным образом должен быть ферромагнетик.
Необходимо так же установить определённое расстояние на которое патрон будет погружаться в катушку. От этого расстояния зависит скорость вылета патрона по следующей причине-(алмаз тут ты напиши! Ты грамотней это опишешь).
Алгоритм проведения испытаний:
1)Проверьте соединения и изоляцию
2)Заряжаем конденсаторы(помним про индикацию)
3)Выключаем подачу тока на конденсаторы выключателями. Можно вытащить вилку из розетки.
4)Устанавливаем прибор напротив цели
5)Внедряем патрон в катушку.
6)Стреляем.
После многочисленных повторений алгоритма, выставляем расстояние на шомполе (которым внедряем патрон в катушку) и делаем риску. Мы получили результат при котором патрон будет вылетать с максимальной скоростью.
Используемые элементы
Резисторы:
R1=300 Ом
R2 – переменный резистор 100 кОм ± 2,2 МОм
R3=300 кОм
R4=100 Ом;
Конденсаторы:
С1=100 мкФ/16 В (электролитический)
С2=2200 пФ
С3=0,1 мкФ
Микросхема К561ЛА7
Звуковой излучатель
Ключ
Источник постоянного тока 9 В (Батарейка вида Крона)
Печатная плата
Паяльник
Оловянно-свинцовый припой
Канифольный флюс
Провода
Заключение
В результате практических занятий был собран прибор – низковольтный таймер-секундомер.
Таймер-секундомер может применяться во многих случаях: в быту, в физических опытах и т.д. Отмеряет время с достаточной точностью. (погрешность 5 сек).
Преимущества:1)малое потребление тока, 2)малогабаритность, 3)безопасность в использовании, 3)дешёвые в денежном плане элементы радиоконструктора, 4)легкость в сборке.
Недостатки: 1)хрупкость прибора (возможно устранить путём помещения в короб)
Любой желающий способен собрать этот конструктор и использовать в различных целях.