ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ  РУЖЬЕ

Все знают, что магнит притягивает железо. Это явление не регулируемое. Магнит притягивается ко всем железкам одинаково.  Наверное, меньшее число людей знает, что магнитное поле можно создать другим способом. Если через катушку из изолированного провода пропустить электрический ток,  она тоже будет притягивать железо. Это явление уже регулируемое. С помощью изменения величины тока, можно регулировать силу притяжения железа, а с помощь выключения источника питания можно явление притяжения полностью отключить. Обычно, катушку с изолированным проводом называют соленоидом. Явление притягивания железа к соленоиду известно давно.  Как только явление возникновения магнитного поля вокруг проводника с током было открыто, люди  стали задумываться над тем, как использовать это явление  для разгона железных снарядов. Немецкий физик Карл Фридрих Гаусс (считается одним из величайших математиков всех времён, «королём математиков»  30.04. 1777 г.- 23.02.1855г.)  впервые осуществил эту идею в металле. Теперь она так и называется: «пушка Гаусса» .

Пушка Гаусса  - это одноступенчатый электромагнитный катушечный разгонный блок. Она очень наглядно показывает на возможности использования управляемого магнитного поля соленоида в  разгоне железного снаряда до определенных пределов  скорости 100-150 м/с, что вполне достаточно для охоты на птичек и кошек.  Военное ведомство любой страны заинтересовала бы пушка со скоростью снаряда 2000 – 4000 м/с. Пока в этом направление ничего не создано.  Рассматривая физические возможности многоступенчатой пушки Гаусса, можно констатировать, что с помощью ее принципов такую скорость тоже достичь невозможно. Почему? Чтобы искать пути –дороги к достижению высоких скоростей, нужно начать с изучения пушки Гаусса, ее возможностей.

 В принципе работы пушки Гаусса заложен импульсный разряд энергии конденсатора на индуктивность разгонного соленоида, где энергия конденсатора переходит частично и в кинетическую энергию ферромагнитного снаряда. Коэффициент полезного действия этого перехода бывает очень низок в пределах 1-2%. Т.е. пушка Гаусса имеет свои рациональные пределы. Давайте разберемся в причинах этих ограничений.

 

 

Самая простая схема электромагнитной пушки.  Л1 лампа на 220в 40-60 вт, диоды D1 и  Vd    -  1N4007 (1a , 1000в), L - соленоид, Ср - накопительный конденсатор, более 560 мкф 400в,  Т1 - тиристор Т 132-40 (1200в, 40а). Диод Vd пропускает через себя обратный ток и предотвращает пробой тиристора .

          

        В этой схеме все просто. Через ограничительное сопротивление Л1 и диод D1 происходит зарядка конденсатора Ср от сети 220 вольт до напряжения 300 вольт. Нажимая на кнопку "пуск", мы подаем напряжение от простой батарейки 1,5 в на управляющий электрод тиристора Т1 и открываем его - электрический заряд конденсатора Ср разряжается на индуктивность соленоида L, в котором возникает импульсное магнитное поле, которое "притягивая", разгоняет ферромагнитный снаряд до скорости, достаточной для свободного полета.

 

ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ

1.     Для ствола, я приобрел немагнитную нержавеющую трубку  наружным диаметром  10 мм и толщиной стенки 1 мм. – продается в магазинах сантехники.  Такая трубка имеет достаточную высокую прочность, что очень важно при использовании ее при больших энергиях импульсов и при конструировании многоступенчатой пушки.

2.     Изготовил несколько соленоидов одинакового размера, но с разным числом витков. Число витков: 160, 120, 80...  Внутреняя каркасная трубка катушки соленоида делались таким образом, что она насаживались на трубку – ствол с некоторым усилием. Длина соленоида между щечек катушки - 46 мм, намотка рядовая проводом 1,0 мм. 

3.      Приобрел в магазине 4 электролитических конденсатора по 560 мкф на 400 в.

4.     Случайно, оказался под рукой тиристор Т 132-40 (ток 40 А и раб. напряжение 1200 В)

5.     Снаряд – кусок стального прута диаметром 6 -7 мм и длиной 25мм. Если в таком куске прута торцевые стороны засверлить и с помощь эпоксидного клея в отверстиях закрепить с одной стороны кисточку, а с другой стороны гвоздик, то получится дротик, который можно метать в деревянную цель.  Получается электромагнитное ружье.

 

Чтобы  контролировать скорость вылета снаряда (его энергию), я использую пакет из пенопластовых блоков теплоизоляции, которые продаются  в магазинах  стройматериалов. Чем глубже вошел снаряд в пенопластовый блок, тем больше была его  скорость, больше энергия, к.п.д. пушки. Меряем  глубину проникновения в мм. И сравниваем.

 

Вот первые «открытия»

 

1.     Трубка из нержавеющей немагнитной стали хорошо пропускает магнитное  поле через себя – это плюс. Достаточно прочная – тоже плюс.

 

2.     Электрическая проводимость металлической трубки создает условия существования короткозамкнутого витка внутри соленоида. Это уже трансформатор. Обмотка соленоида является первичной обмоткой трансформатора, а вторичной обмоткой является трубка – короткозамкнутый виток. При возникновении импульса тока в первичной обмотке, во вторичной обмотке – в трубке возникает ток, который перехватывает основную энергию на себя, уменьшая магнитное поле, идущее на притяжение снаряда. Это главный минус металлического ствола.

 

3.     Как выйти из положения? Нужно разрезать  стенку трубки вдоль. В результате, короткозамкнутый виток превратится в виток разомкнутый.  Теперь  энергия магнитного поля соленоида не будет тратиться на нагрев трубки и будет работать на  разгон снаряда.  После этого совершенствования, снаряд  стал вылетать из металлического ствола. Это уже хорошо, но не отлично.

 

 

Схема распространения магнитных силовых линий простого соленоида

4.     Можно заметить, что большая часть энергии магнитного поля соленоида распространяется снаружи соленоида. Чтобы не терять эту энергию, закроем наружный слой обмотки соленоида и его торцы магнитным экраном из трансформаторного железа. Таким образом , мы собираем наружные магнитные силовые линии,   сжимаем (концентрируем) магнитное поле в стволе, увеличиваем ее плотность, а значит, увеличиваем его к.п.д. использования. После этих усовершенствований, снаряд стал лететь дальше. Магнитный экран стал также и защищать стрелка от магнитного импульса, который очень вреден для здоровья. Уже отличные результаты.

 

Схема соленоида с магнитным экраном

 

5.     Лучшим вариантом установки снаряда - дротика является  положение , когда его тело находится на  ½ - 2/3  в соленоиде – в таком положении снаряд охватывается магнитными силовыми линиями и  втягивается более эффективно. Хороший старт вызывает быстрый разгон и высокую конечную скорость.

6. Увеличение количества конденсаторов увеличивает скорость снаряда. но не в прямой зависимости, а в квадратичной. Так, при увеличении емкости конденсаторов в 4 раза, скорость снаряда увеличивается только вдвое.

7. Теперь необходимо проверить, какая конструкция соленоида при той же индуктивности лучше работает? Длинная или короткая? Сначала я проверял работу пушки на  соленоиде (длина 46 мм с числом витков  =160 провода диаметром 1,0 мм , индуктивностью 115 мгн и сопротивление 0,19 ома).  Что будет, если мы сделаем более длинный  соленоид (длиной 150мм, число витков 238,  намотанным  проводом диаметром 2,1 мм , такой же индуктивностью =120 мгн, сопротивление 0,08 ома) . В импульсном режиме очень важно сопротивление обмотки соленоида. Чем оно меньше, тем больший импульсный ток проходит по соленоиду.  Эксперимент показал, что, чем длиннее соленоид, тем слабее концентрация магнитного поля в стволе, тем хуже он разгоняет снаряд. Это значит, что соленоид должен быть коротким. Длинный соленоид не дает никакого эффекта. Нужно стремиться к тому, чтобы длина магнитного поля была как можно короче.

8. Хочу отметить, что чем диаметр снаряда ближе к диаметру ствола, то снаряд летит дальше. Это можно объяснить увеличением магнитного сцепления. Чем больше площадь (сечение) снаряда, тем  больше сила притяжения.

9. Вопрос магнитного сцепления магнитного поля соленоида со снарядом имеет важное значение. Необходимо обратить внимание на выбор материала снаряда. Должно быть понятно, что этот материал должен хорошо намагничиваться.

10. Для эффективной работы электромагнитной пушки, напрашивается идея использования магнитного снаряда. Если снаряд магнитный, то он будет лучше взаимодействовать с магнитным полем соленоида. Для этого можно использовать небольшие неодимовые магниты, которые легко купить через интернет-магазины. Они выпускаются в форме дисков, прутков, колец  любых размеров. Однако первые эксперименты с такими магнитами показали на неэффективность их использования. После первого же выстрела, неодимовый магнит потерял свою намагниченность и длина полета с наряда с неодимовым магнитом оказалась меньше, чем простой стали.

11.  Остается вариант использования электромагнитного снаряда - снаряда на который намотана катушка провода, по которому протекает электрический ток от малогабаритного аккумулятора. Это сложный снаряд, который невозможно сделать совсем малого размера - калибра. Значит поиски в этом направлении могут быть результативными только при увеличении калибра более 15 мм.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Одноступенчатая пушка Гаусса - это пушка для демонстрации возможности использования электромагнитного разгона снаряда. Никакого практического применения она не может иметь за счет слишком малого к.п.д. и громоздкой схемы . Пути совершенствования пушки Гаусса тупиковые, так при увеличении скорости снаряда, последующие разгонные ступени должны срабатывать слишком быстро, а это возможно только при слишком больших токах и малых индуктивностях соленоидов. Это сделать в домашних условиях невозможно.

 

ДРУГИЕ ТИПЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАЗГОНА СНАРЯДА

Электромагнитный разгон снаряда является все-таки более привлекателен, чем использование порохового заряда. Попробуем другие варианты. 

 

2. ТРЕХФАЗНЫЙ РАЗГОННЫЙ БЛОК - аналог асинхронного двигателя. Он имеет свои ограничения в скорости разгона. Однако, можно его модернизировать, разделив ствол на участки с трехфазными полями с увеличивающимся частотами. Т.е. снаряд трогается и разгоняется на участке с малой частотой , переходит на участок с большей частотой и так далее. Схема достаточно работоспособна.  Конечный участок можно сделать  по принципу Гаусса. Этот вариант очень приемлемый , так как разогнать снаряд с нуля до 2-3 км/сек - это очень большая энергетическая мощность установки, а разогнать снаряд уже предварительно разогнанный до 500 м/сек - это намного меньше энергетическая мощность установки.

 

3. РЕЛЬСОВЫЙ.

     Рельсовый вариант более перспективный. Здесь используется сила Лоренса, а рельсы используются как токопроводники.  Снаряд преобразует электрическую энергию в магнитное поле, в котором образуется сила , разгоняющая снаряд. Электромагнитная пушка на этом принципе в домашних условиях тоже не может быть создана. Требуются очень большие накопители энергии и кучу всяких "хитростей": о-че-нь мощные конденсаторы, сверхпроводники и т.д.

 

ЭТА ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ПОЗНАНИЙ, А НЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА "СДЕЛАЙ САМ"