Мій індукційний дискомет. Електромагнітний прискорювач мас

Котушка Томсона – нескладний прилад, з яким раніше демонстрували на уроках фізики різні ефекти, що виникають при взаємодії провідників зі змінним магнітним полем на шкільних концертахз його допомогою показували кумедні електрофокуси, влаштовували веселі вечори цікавої науки.
Уявіть собі сцену, на ній – стіл, вкритий скатертиною. Ви кладете на стіл алюмінієве кільце, і воно раптом зненацька злітає вгору. Сковорода, поставлена ​​на стіл, сама по собі нагрівається, і вода, налита в неї, закипає, спалахує піднесена до столу електрична лампа, хоча до неї і не тягнуться дроти… Ось такі кумедні досліди демонстрували школярі… сховавши котушку Томсона під стіл (мал. 1).

Хотілося б відразу попередити: цей прилад розрахований на великий струм приблизно 10-13 ампер, тому користуватися котушкою Томсона можна тільки в приміщенні, де є відповідна силова проводка. І звісно, ​​у присутності вчителя. Працюватимемо з напругою 127 В, тому вам знадобиться понижувальний трансформатор.

Спершу розповімо, як зробити котушку Томсона. Вона збирається з -дерев'яного каркаса, залізного сердечника та обмотки (мал. 1), Сердечник набраний з пластин трансформаторної сталі шириною 50 мм і- довжиною 380 мм. (Якщо у вашому розпорядженні виявляться пластини іншої ширини, кількість їх має бути такою, щоб площа осердя була не менше 25 см2.)

Пластини покрийте лаком з кожного боку. Ізольовані таким чином пластини зберіть у пакет, вставте його в каркас.
Нещільно підігнані пластини "гудітимуть", і глядач зрізу виявить це. Тому перед укладанням пластин у каркас покрийте їх епоксидним клеєм. Сердечник можна зробити м із шматків сталевого відпаленого дроту діаметром 2-3 мм. Вибирайте тільки м'який дріт» пружна, сталіста не годиться. Шматки дроту пофарбуйте фарбою. Якщо ви збиратимете сердечник з дроту, отвір у каркасі котушки потрібно збільшити до площі 36 см2. Перед укладанням дріт теж змастіть епоксидним клеєм, щоб вийшов монолітний пучок-сердечник.

По зібраному осердя склейте з фанери каркас котушки. Обмотка виконується виток до витка дротом діаметром 2,4 мм з подвійною паперовою ізоляцією. В одному шарі має вміститися близько 90 витків. А всього їх 9. Кожен шар промажте лаком швидковисихаючим, а потім оберніть обмотку калькою. І так кожний шар. Випробовувати готову котушку можна лише після того, як лак затвердіє. Під час демонстрації дослідів слідкуйте, щоб обмотка не перегрівалася. А тепер розповімо про самі досліди-фокуси.

Досвід I
Отже, котушка схована під столом. Ви берете масивну алюмінієву сковороду, наливаєте в неї трохи води та ставите на стіл, попередньо поклавши на нього шматок азбесту. За вашим (звичайно, непомітним для глядача) сигналом помічник, що знаходиться за лаштунками, включає струм, і через деякий час вода в сковороді закипає (рис. 2). Відбувається це тому, що під дією змінного магнітного поля котушки у сковороді виникають вихрові струми. Їхня ЕРС (електрорушійна сила) - частки вольта, зате величина струмів велика. Внаслідок цього, незважаючи на незначний опір самої сковороди, на поверхні її відбувається інтенсивне виділення тепла.

Якщо вода википить, сковорода може сильно нагрітися. Тому досвід потрібно проводити з обережністю та не забувати про азбестову прокладку.
А тепер запитаємо себе: чому нагрівається сковорода, а не кришка столу, чому до столу можна вільно піднести руку, якщо, звичайно, на ній немає металевих предметів, наприклад, годинника або кільця! Адже і в кришці столу, і в руці теж виникають вихрові струми, але через високий опор величина їх незначна, і тепла виділяється небагато.
Якщо частоту струму змінного магнітного поля збільшити, що цілком можливо в промислових умовах, то відповідно зросте і одержуване тепло. І тоді можна, наприклад, висушувати сирі дошки. Дерево при цьому прогрівається рівномірно - зсередини і зовні - і швидко висихає. Цим самим способом лікарі в кабінетах фізіотерапії лікують нежить (УВЧ). Змінне електромагнітне поле використовується і в металургії, наприклад при виплавці якісних сортів сталі.

Досвід II
На столі лежить алюмінієве кільце. Раптом воно високо підстрибує та падає. Причина такої незвичайної поведінки кільця – теж вихрові струми. Протікаючи по кільцю, вони перетворюють їх на електромагніт (рис. 3). Напрямок струму в кільці та в котушці Томсона змінюється 50 разів на секунду. Причому, якщо на верхньому кінці осердя котушки виникає північний магнітний полюс, то на нижній поверхні кільця теж встановлюється такий самий полюс. І навпаки.
однойменні магнітні полюсиЯк відомо, відштовхуються. Ось тому обручка і підстрибує над столом.
Цей досвід можна показати і по-іншому. Пропустіть через кільце тонку непомітну нитку, і кільце висітиме над столом, злегка вібруючи. А можна змусити його вільно ширяти.

У книзі Трінга і Лейтуейта «Як винаходити?», випущеної у російському перекладі видавництвом «Мир» 1980 року, описані пристрої, якими це можна зробити. Дві індукційні котушки, набрані на Ш-подібних сердечниках і з'єднані паралельно створюють електромагнітне поле, в якому може стійко літати (левітувати) 'прямокутна металева пластина(Рис. 4).
На одній із міжнародних виставок на початку п'ятдесятих років за допомогою подібного пристрою демонструвалася сковорода, що ширяла в повітрі, на якій смажили яєчню.

Гарний фокус, і тільки скажете ви. Але фокус цей, як показав час, став у нагоді в техніці, зокрема в металургії, при плавці надчистих металів. Металурги знають, як важко зберегти метал, що виплавляється, чистим – будь-який дотик до тиглю (ємності для металу) призводить до забруднення. І вони знайшли вихід – плавку без тигля. Використовуючи левітацію, шматок металу підвішують у вакуумі, і він плавиться, що нагрівається вихровими струмами.

Досвід III
Зробіть із фанери або картону котушку, назвемо її приймальною (рис. 5). Наберіться Терпіння - намотайте на котушку 1500 витків лакованого дроту діаметром 0,25 мм і з'єднайте кінці з електропатроном. Потім пригвинтіть до верхньої щоки котушки патрон і вставте в нього 15-ватну лампу на 127 В. Котушку та патрон обклейте кольоровим папером, щоб вийшла конусоподібна коробочка. Повільно наближайте лампу до столу - у міру наближення до захованої під столом котушки вона загорятиметься все яскравіше і яскравіше. Пояснюється все просто: індукційні струми в змінному магнітному полі утворили у витках котушки струм, від нього і спалахує лампа. Весь цей пристрій нагадує. трансформатор, первинна обмотка якого захована під столом, а вторинна - в руках експериментатора. Можна взяти лампу меншої потужності, наприклад від кишенькового ліхтаря або неонову. Свічення їх буде помітно ще більшій відстанівід столу. Особливо цікавий результат виходить від застосування світлодіода, адже для його свічення досить зовсім небагато енергії. Прийому котушку в цьому випадку можна зробити розміром з перстень.

Досвід IV
Приклейте приймальну котушку до дна паперової моделі автомобіля. Через будь-який діод, здатний витримати струм 0,5 А, приєднайте її до мікроелектродвигуна (рис. 6). Автомобіль у цьому випадку їздитиме по столу без батарей, отримуючи енергію від електромагнітного поля. При цьому врахуйте, що електродвигун та інші металеві деталі іграшки можуть перегрітися та вийти з ладу, тому показуйте досвід не більше 30-40 секунд.
Цей досвід демонструє стару ідеюпередачі енергії без дротів. Пам'ятаєте, ще герої роману «Аеліта» А. Толстого летіли над Марсом на кораблі, що живиться енергією електромагнітного поля. Над цією ідеєю працювало і працює багато винахідників різних країн.

У середині 60-х років у Франції проводилися досліди з живлення двигуна невеликого вертольота пучком сантиметрових радіохвиль. (Нагадаємо: всяке змінне електромагнітне поле можна розглядати як радіохвилі.) Хоча гелікоптер і літав, але пристрій, що живить його, лог «шився занадто громіздким, дорогим і малоефективним. І від нього відмовилися. Стало ясно, що необхідно зменшити довжину радіохвиль. Тоді розміри передавальних та приймальних антен стануть прийнятними, а втрати при передачі зменшаться. Зараз ми вміємо отримувати електромагнітні хвилідовжиною кілька мікрон і навіть менше. Це випромінювання створюється лазерами. У багатьох країнах розробляються проекти космічних ракет, які отримують енергію з лазерного променя. Припускають, що такий спосіб передачі енергії буде корисним навіть за міжзоряних перельотів.

Досвід V
На стіл ставлять скляну чашу із водою. У неї пускають порожнисту металеву кулю (рис. 7). При включенні котушки Томсона куля починає обертатися навколо горизонтальної осі. Досвід демонструє принцип дії найпростіших двигунів змінного струму. Індукційні струми, що виникають на поверхні кулі, як би прагнуть підняти одну з його половинок. Так виникає обертання.

На цьому принципі працює електролічильник, у якого ротором є звичайний алюмінієвий диск.
До речі, у високочастотному електромагнітному полі ротор двигуна можна розкрутити до мільйонів обертів за хвилину. Цей принцип обертання закладено, наприклад, в установках, які застосовуються вивчення міцності конструкцій і матеріалів.

Досвід VI
Налийте у тарілку солону водуі поставте її на стіл. Увімкніть котушку Томсона, і на поверхні води з'являться хвилі. Щоб їх було добре видно глядачам, направте на тарілку світло, від ліхтаря так, щоб відбиття від поверхні води спроектувалося на стіні (рис. 8).

Пояснення цьому досвіду ви, мабуть, легко дасте самі. Скажімо лише, що вихрові струми електромагнітного поля, що виникають у рідині, мають на неї таку саму дію, як на звичайні провідники. У промисловості це явище використовують при перемішуванні розплавленої сталі.
Ось, мабуть, і все, що нам удалося згадати про досліди з котушкою Томсона.
А. ІЛЬЇН, інженер
Малюнки А. МАТРОСОВА. Журнал Юний технік.

Інформація надана виключно з освітньою метою!
Адміністратор сайту не несе відповідальності за можливі наслідкивикористання наданої інформації.

ЗАРЯЖЕНІ КОНДЕНСАТОРИ СМЕРТЕЛЬНОНЕБЕЗПЕЧНІ!

Індукційний прискорювач (дискомет) (induction coil gun) є різновидом електромагнітного прискорювача мас і працює на основі взаємодії вихрових струмів, що індукуються в замкнутому провідному снаряді (диску) змінним магнітним полем, зі струмом, що створює це магнітне поле. У цьому взаємодії виникає сила відштовхування, що надає прискорення снаряду. Чим швидше швидкістьзміни магнітного потокутим більше індуковані вихрові струми і тим сильніше відштовхування снаряда.

Такий пристрій був винайдений американським інженером та винахідником Еліу Томпсоном ( Elihu Thompson):

Тому такий прискорювач часто називають " Thompson gun".

На відміну від гармати Гауса, в індукційному прискорювачі використовуються неферомагнітні снаряди (з міді чи алюмінію). Причому алюміній краще, ніж мідь, так як його щільність (2,7 г/см 3) менше, ніж у міді (8,9 г/см 3), в 3,3 рази, а питомий опір(0,028 Ом·мм 2 /м) більше, ніж у міді (0,0175 Ом·мм 2 /м), лише в 1,6 рази.
Для зменшення опору снаряда та зростання вихрових струмів можна охолодити його (наприклад, у рідкому азоті з температурою кипіння 77 К). Зменшення питомої електричного опоруматеріалу снаряда при цьому характеризується коефіцієнтом $\alpha = (((\rho)_(295 K)) \over ((\rho)_(77 K)))$, що показує зменшення опору охолодженого до 77 До порівняно з кімнатною температурою 295 До. Для алюмінію та її сплавів $\alpha$ = 2 ... 15.

Стрибне кільце
У класичному варіанті (" ring launcher" або " jumping ring") індукційний прискорювач містить котушку (2), намотану на феромагнітний сердечник (1). На сердечник одягається кільце (5):

При замиканні ключа (4) заряджений конденсатор (3) розряджається на котушку, де виникає імпульс струму. Змінне магнітне поле, що створюється імпульсом струму, сконцентроване в сердечнику, пронизує кільце і наводить в ньому вихрові струми. Взаємодія вихрових струмів з магнітним полем призводить до виникнення сили відштовхування, що змушує кільце злітати нагору.
Саме з таким пристроєм Томпсон провів перші досліди у 1887 році.

Ось схема такої установки із статті Felix Waschke, Andreas Strunzі Jan-Peter Meyn "A safe and effective modification of Thomson's jumping ring experiment", опублікованій у журналі European Journal of Physics, Volume 33, Number 6:

Такий досвід люблять проводити у навчальних закладах, живлячи котушку Lчерез ізолюючий трансформатор TVвід автотрансформатора LT, підключеного до електромережі (через мережеву вилку XT):

Використання автотрансформатора дозволяє змінювати напругу (і струм) у котушці.

Ось приклад такої установки, що випускається бразильською компанією Cidepe:

А ось демонстраційне встановлення університету King Fahd University of Petroleum & Minerals:
...

Дискомет
Також цікавим є варіант індуційного прискорювача - дискомета (" disc launcher"/"disk shooter" або " washer launcher"):

Змінний струм, що протікає по котушці (1) і створює змінну магнітне поле біля неї, зазвичай генерується при розряді зарядженого конденсатора (2) на цю котушку. Для комутації як ключ (3) при цьому можна використовувати тиристор. Диск (4) під впливом електромагнітної сили рухається вгору.

Подібний дискомет описано на сторінці PowerLabsдослідника Sam Barros:

Для живлення плоскої котушки з 7 витків, намотаною багатожильним мідним дротом діаметром 3 мм (перетин 16 мм 2), використовується батарея з двох конденсаторів загальною ємністю 12600 мкФ на напругу 450 В (максимальна енергія 1,3 кДж). Конденсатори комутуються на котушку тиристором (300 А/1200). У дослідах використовувався алюмінієвий диск масою 70 г.

Опис ще одного дискомета наведено на сторінці EMP HDD Launcherна сайті Instructables. У цьому прискорювачі використовується батарея з 20 конденсаторів ємністю 100 мкФ, що заряджаються до напруги 400 В. Алюмінієвий диск під час пострілу підкидався на 10 футів вгору. На цій фотографії зображено момент зльоту диска:

Видно яскравий спалах при замиканні ключа. Ключ є оригінальною конструкцією, що утримується у вимкненому стані натягнутою ниткою:

Індукційний дискомет з конденсаторною батареєю, що заряджається до напруги 900 В, описано на сторінці Washer launchersдослідника :

Одним із вищих досягнень цього непересічного дослідника можна вважати дискомет, що містить батарею конденсаторів загальною ємністю 1500 мкФ під напругою 2кВ.

Гідності й недоліки
ПеревагоюІндукційним прискорювачем є високий ККД і відсутність необхідності переривати імпульс струму (на відміну від гармати Гауса).

Недолікоміндукційного дискомета можна вважати неаеродинамічної форми снарядів.

Моя експериментальна установка

Я створив експериментальний індукційний прискорювач, основними елементами якого є:

котушка - Плоска спіралеподібна котушка ( flat spiral coil,часто називається pancake coil):

Для підвищення міцності котушки я залив її "епоксидкою", оскільки більша швидкість зміни магнітного поля викликає деформацію котушки.

Індуктивність $L$, мкГн, такої котушки визначається виразами ( http://www.deepfriedneon.com/tesla_f_calcspiral.html):
$A = ((D_i + N (W + S)) \over (2))$
$L = ((N^2 + A^2) \over (30 A - 11 D_i))$,
де $D_i$ - внутрішній діаметр у дюймах, $N$ - кількість витків, $W$ - діаметр дроту у дюймах, $S$ - відстань між витками у дюймах

За формулою Wheeler (http://www.pulsedpower.eu/toolbox/toolbox_inductances.html):
$L = 31,33 (\mu)_0 (N^2) (((R)^2) \over (8 R + 11 W))$

Також існує схожа формула ( http://www.pulsedpower.eu/toolbox/toolbox_inductances.html):
$L = (N^2) (((R)^2) \over (8 R + 11 W))$,
де $R$ - середній радіускотушки в дюймах, $N$ - кількість витків, $W$ - ширина намотування в дюймах

Для моєї котушки діаметр дроту без ізоляції = 0,7 мм, діаметр дроту з ізоляцією = 2 мм, число витків = 9, внутрішній діаметр = 10(?) мм, зовнішній діаметр = 48 мм, ширина намотування = 17 мм, середній радіус = ...мм.
Розрахункова індуктивність котушки, мкГн:
за формулою (1) - ...,
за формулою (2) - ...,
за формулою (3) - ....

Омічний опір котушки становить менше 0,5 Ом.

конденсатор - Акумулятор з двох конденсаторів:

680 мкФ на напругу 400;
220 мкФ на напругу 450 В
(загальна ємність становила 900 мкФ)

тиристор - тиристор - тиристор швидкодіючий штирьового виконання: "125" означає максимально допустимий діючий струм (125 А); " 9 " означає клас тиристора, тобто. імпульсна напруга, що повторюється, в сотнях вольт (900 В).
зовнішній вигляд:

розміри:

Для заряду конденсатора я зібрав схему однонапівперіодного подвоювача напруги з живленням від побутової електромережі:

Неонова лампа La1, підключений через обмежуючий струм резистор R1використовується для індикації наявності напруги мережі. Резистор R2обмежує зарядний струм. Конденсатор C1та діоди D1і D2утворюють помножувач напруги для заряду конденсатора C2. Напруга заряду контролюється мультиметром V.

Заряд батареї конденсаторів до 380 В триває 170 с.

Схема силової частини індукційного прискорювача має такий вигляд:

Для включення тиристора VSя використовую дві батареї формату AAна 1,5 В ( GB).
Паралельно котушці включений захисний діод VD UF5406.

Пікове значення струму в котушці не перевищує $I_(peak) = (U(\sqrt((C)\over()L)))$.

Результати експериментів

Перші досліди я провів із вирізаним із металевої пробки від пляшки дном:
...

Результати дослідів виявилися такими:

Недоліками такого снаряда є його мала товщина та неаеродинамічна форма.

Далі буде.

Основна частина………………………………………………………………10

Заключение…………………………………………………………………..22

Бібліографічний список………………………………………………...23

Додатки…………………………………………………………………24

ВСТУП

Електромагнітні прискорювачі мас прийнято поділяти на такі види:

• 
  Рельсотрон- Імпульсний електродний прискорювач мас «рейл ган» (від англ. Rail gun).

• 
  ^ Котушка Томпсона - індукційний прискорювач мас (Tompson gun).

• 
  ^ Гармата Гауса- магнітний прискорювач мас "Гаусс ган" (від англ. "Gauss gun"). На ім'я вченого та математика Гауса, на честь імені якого названі одиниці виміру магнітного поля.

Винахідником електромагнітного прискорювача мас зазвичай вважають Крістіана Біркеланда. Крістіан Біркеланд, професор фізики в університеті в Осло (який працював з 1898 по 1917р.), за період з 1901 по 1903р. отримав три патенти на свою "електромагнітну гармату". У 1901р. Біркеланд створив першу таку електромагнітну гармату котушкового типу та використав її для розгону снаряда масою 500 г до швидкості 50 м/с (2). З допомогою другий великий гармати, створеної 1903г. та виставленої в даний час у норвезькому технічному музеїв Осло, він досягав розгону снаряда масою 10 кг до швидкості приблизно 100 м/с. Калібр гармати 65 мм, довжина 10 м. Приблизно в цей час електромагнітну гармату патентує Микола Бенардос. К.Е.Ціолковський у своїх працях також розглядав варіант використання електромагнітного прискорювача для запуску ракет.

Задавшись метою збільшити далекобійність артилерії, російські інженери Подільський і Ямпільський в 1915 створили проект "магнітно-фугальної" (електромагнітної) гармати. Її ствол передбачалося виконати у вигляді ряду котушок індуктивності. У них за командою мав подаватися струм. Автори стверджували, що при заданій потужності електростанції снаряд, що розганяється електромагнітами по 50-метровому стволу, розвине швидкість 915 м/с і пролетить до 300 км. Експерти Артилерійського комітету визнали реалізацію проекту Подільського та Ямпільського "невчасною". Така ж доля спіткала проект електромагнітної гармати французів Фашона та Віллепле. Її стовбур був ланцюг котушок-соленоїдів, до яких у міру руху снаряда слід було по черзі подавати напругу. Винахідники підтвердили життєздатність своєї ідеї: під час стрільби з моделі електромагнітної гармати 50-грамовий снаряд набирав швидкість 200 м/с.

^ Общин вигляд електромагнітної гармати Фашона та Віллепле.

З того часу періодично робляться спроби перетворити теоретичний винахід на придатний до практичного вживання пристрій.

Систематичні наукові роботизі створення принципово нових електромагнітних прискорювачів маси розпочалися у світі у 50-х роках XX століття. Одним із родоначальників вітчизняних розробок у цій галузі був видатний радянський вчений, дослідник плазми Л.А. Арцимович, який увів у вітчизняну термінологію поняття «рельсотрон».

Робота з усіх вирішальних вузлів електромагнітної гармати швидко просувається США, і навіть починається інших країнах. Гармата Гауса як зброя має переваги, якими не мають інші види стрілецької зброї. Це відсутність гільз та необмеженість у виборі початкової швидкості та енергії боєприпасу, можливість безшумного пострілу, відносно мала віддача, теоретично, велика надійність та зносостійкість, а також можливість роботи в будь-яких умовах, у тому числі космічного простору.

Сучасні успіхи, що стосується прискорювача, накопичення енергії та утворення імпульсів, свідчать про ймовірність того, що системи озброєння в недалекому майбутньому можуть бути оснащені електромагнітними гарматами. Для досягнення цієї мети знадобиться напружена науково-дослідна робота майже з усіх аспектів електромагнітної гармати, включаючи енергопостачання та снаряди. Важливу рользіграють нові матеріали Необхідні компактні та потужні джерелаелектричного струму та високотемпературні надпровідники.

Електромагнітна гармата, окрім її очікуваної військової важливості, має з'явитися сильним імпульсом технологічного прогресу та нововведення при значному ефекті у цивільному секторі.

З екзотичних засобів застосування прискорювачів на основі соленоїдів варто відзначити концепцію запуску об'єктів у космос без допомоги ракет. Передбачається, що побудувавши багатокілометровий тунель з одного або декількох соленоїдів, можна забезпечити достатню для подолання земного тяжіння швидкість розгону тіла. При цьому на відміну від рейкової гармати або звичайного пострілу на основі теплового розширеннягазів, що запускається об'єкту забезпечується порівняно плавне прискорення. Це робить можливим відправлення не тільки складного та тендітного наукового обладнання, що боїться перевантажень, але так само і людини.

Варто зауважити, що перспективнішим вважається будівництво подібних космічних прискорювачів на нашому. природному супутнику– Місяцю. Практична відсутність атмосфери та низька гравітація + низька навколишня температура відкривають фантастичні перспективи для надпровідних магнітів. Монорейковий прискорювач на основі лінійного мотора або тунель із соленоїдів планується розміщувати горизонтально на поверхні Місяця під невеликим кутом. Харчуватися установка може від сонячних батарей, або від привезених на Місяць ядерних реакторів. Таким чином, космічному апарату повідомлялася б висока початкова швидкість, а далі у справу вступають іонні двигуни.

Місяць у такому вигляді перетворився б на перевалочну базу для подальшого освоєння Сонячна системачи навіть у перший земний космопорт. Нескладно уявити, що гігантські прискорювачі, що харчуються термоядерними реакторами, будуть здатні розганяти космічні апаратидо швидкостей, при яких подорож до віддаленим планетамзайматиме місяці, а не роки. А якщо згадати, що прискорювачеві не обов'язково бути прямим і тунель можна побудувати спіральним, із закінченням у довільний бік, то можливості виходять справді революційними.

Ми вирішили у своїх спробах виготовити електромагнітний прискорювач мас зупинитися на макеті саме магнітного прискорювача. Справа в тому, що з усіх типів електромагнітних прискорювачів він найпростіший у виготовленні. Крім того, він має досить високу в порівнянні з іншими електромагнітними стрілялками ККД. Може працювати на відносно низьких напругах легко досяжних на практиці, з використанням сучасних комплектуючих деталей.

На практиці конструкція найпростішого магнітного прискорювача є намотаною на трубку в кілька шарів, дріт і підключений до дроту конденсатор великої ємності. Всередину трубки перед початком обмотки встановлюється залізна болванка і попередньо заряджений конденсатор за допомогою електричного ключа замикається на обмотку. При протіканні електричного струму в обмотці виникає магнітне поле, яке розганяє снаряд, втягуючи його всередину обмотки.

Для найбільшого ефектуімпульс струму в обмотці має бути короткочасним та потужним. Як правило, для отримання такого імпульсу використовуються електролітичні конденсатори з високою робочою напругою.

Параметри обмотки, снаряда та конденсаторів повинні бути узгоджені таким чином, щоб до моменту підльоту болванки до середини обмотки струм в останній уже встигав зменшитися до мінімального значення, тобто. заряд конденсаторів було б повністю витрачено. У такому разі ККД буде максимальним.

Для збільшення ККД пристрою та швидкості снаряда вирішили зробити багатоступінчастий Гаус.

^ Конструкція макету:

1. 
   У магнітному прискорювачі сім котушок, що прискорюють, на які розряджаються конденсатори ємністю від 800мкФ до 220мкФ, заряджені до 390В.
2. 
   Шість канальний контролер сходів на оптопарах (на 74HC14).
3. 
   Зворотноходовий перетворювач напруги (UC3845).
4. 
   Система індикація, що включає індикацію стану акумулятора, готовності до пострілу (на LM358) і лінійну шкалу заряду конденсаторів (на LM3914).

6. Поворотна керована платформа (ATtiny 2313)

^ ОСНОВНА ЧАСТИНА

Стовбур для магнітного прискорювача.

Стовбур є важливою складовоюелектромагнітний прискорювач. При цьому він повинен мати ряд властивостей:

1. 
   Міцність.

1. 
   Товщина.

1. 
   ^ Електропровідність та феромагнетизм.

1. 
   ^ Легкість у обробці.

1. 
   ^ Дешевизна та доступність.

Грунтуючись на цьому наборі параметрів, ми провели експерименти на одному ступені прискорювача на вибір матеріалу стовбура. У ході проміжних експериментів не було виявлено суттєвих відмінностей у властивостях шматка стовбура, виготовленого з паперу, промазаного епоксидним клеєм і шматка виготовленого з латуні. Виходячи з цього, зупинилися на латунному стрижні через його більшу міцність, доступність і простоту обробки.

^ Силова частина.

У

її входять сім прискорюючих котушок, банк конденсаторів, схема розв'язки напруги для конденсаторів, і навіть схема гасіння зворотної напруги на конденсаторах. Схема розв'язки складається із послідовно RD ланцюжка. Резистор повинен обмежувати струм, що проходить через діод, тим самим захищаючи його від струмового пробою при швидкій зарядці конденсатора. Схема гасіння зворотної напруги також складається з RD ланцюжка. Ця схема дозволяє захистити конденсатор від зворотної напруги. Зворотна напруга на конденсатор потрапляє через ЕРС самоіндукціїкотушки і може його зашкодити.

Контролер.

З
Хема живиться від джерела 5В. Щоб відкрити тиристор, на нього розряджається конденсатор. У такий спосіб досягається достатній струм для відкриття тиристора. Світлодіод ще й служить як індикатор проходження снаряда в щаблі і відповідно спрацьовування щаблі. У складі мікросхеми 74HC14 шість тригерів Шмідта з інверсією на виході. Щоб на виході мікросхеми з'явилася логічна 1 (закритий транзистор), потрібно закоротити її вхід на землю. Це досягається за допомогою фототранзистора. Якщо фототранзистор освітлений на виході мікросхеми є логічна 1, що не дає транзистору розрядити конденсатор і відкрити тиристор. Як тільки снаряд перекриває світло до фототранзистора, його опір різко зростає і вже на виході мікросхеми є логічний 0, який і відкриває транзистор. Далі через транзистор розряджається конденсатор, тиристор відкривається і котушка "запалюється".

Перетворювач.

Класичний «обратноходовий» перетворювач, побудований на мікросхемі UC3845 (ШИМ контролер з потужним польовим тразистором на виході) та низьковольтному силовому ключі IRF3205. Розрахований стандартно за датасітом на мікросхему, частота роботи перетворювача порядку 15кГц, імпульсний трансформатор намотаний на броньовому сердечнику Ч36. Потужність перетворювача близько 25 Вт.

Індикація.

У
Схема індикації використовується ОУ в режимі компаратора. Схема індикації розряду (червоний світлодіод) сигналізує про розряджений акумулятор. Схема індикації заряду конденсаторів (зелений світлодіод) сигналізує про максимальний заряд конденсаторів. Схема дільника напруги зовнішньої індикації зарядки варта зовнішнього індикатора. Зовнішній індикатор зроблено на мікросхемі LM3914, схема розрахована за довідковими даними на мікросхему, використовується режим стовпчика.

^ Поворотна платформа .

Управління уніполярним кроковим двигуном здійснюється за допомогою мікропроцесора ATtiny 2313. Двигун застосований від дисководів і зроблений редуктор, що дозволяє платформі плавно обертатися.

^ Розрахунок параметрів складових частинступенів (кількості витків котушок, діаметра проводу котушок, ємність конденсаторів ступенів) з урахуванням діаметра стовбура та маси тіла, що прискорюється, велися за допомогою програми FEMM. Завдання розрахунків було в тому, щоб, оптимізуючи розрахункові дані, домогтися збігу максимальної швидкості прискорюваного предмета в тілі котушки з максимальною швидкістю на виході кожної котушки в щаблях. На основі розрахунків складено графіки.

Після виготовлення макета магнітного прискорювача та проведених випробувань стрільби виникла потреба у перевірці розрахункових результатів швидкості металевої болванки з реальною швидкістю вильоту. Для цих цілей був застосований метод визначення швидкості - балістичний маятник. Метод працює в такий спосіб. Металева болванка потрапляє до маятника і залишається в ньому. Це абсолютно непружний удар. Частина енергії неминуче йде в тепло, але ми можемо скористатися законом збереження імпульсу. Імпульс підвісу з кулею буде дорівнює імпульсукулі до влучення. Тобто. знаючи імпульс (швидкість) підвісу, можна впізнати імпульс (швидкість кулі). Отримавши імпульс, який має аналог у вигляді кінетичної енергії (поки невідомої), маятник починає відхилятися. При відхиленні, підвіс починає підніматися вгору, кінетична енергіяпереходить у потенційну. Коли підвіс зупиниться (максимальне відхилення, висота), кінетична енергія повністю перейшла в потенційну. (Мал. 1)

Повна формула:
V = ((M + m) / m) * sqrt (2 * g * (L - sqrt (L * L - S * S)))
Спрощена практична формула:
V = ((M + m) / m) * S * sqrt (g / L)
V - швидкість кулі, м/с
M – маса підвісу, кг
m – маса кулі, кг
g - прискорення вільного падіння, 9.81
L - довжина підвісу, метри
S – відхилення маятника, метри.

У процесі експериментів отримані результати (Рис. 2).

Рис.2

Для уточнення вимірювань величини швидкості за методом «балістичний маятник» був застосований ще один спосіб вимірювання звуковий картікомп'ютера. Розрахунок вівся за допомогою програми від Sony Sound Forge. Для цього було зібрано макет (Мал. 3)

ККД пристрою вийшло наступним:

ВИСНОВОК

У ході виконаної практичної роботибуло зроблено макет магнітного прискорювача. Аналіз результатів та фізичних вимірів показав, що подібний вид прискорювача мас практично здійсненний. Результати розрахунків параметрів ступенів за допомогою програми «FEMM» виявилися аналогічними до результатів практичних випробувань. Макет працездатний і на ньому можна продовжити серію експериментів з метою збільшення швидкості снаряда та ККД пристрою. Можна проаналізувати вплив на ці параметри діаметра та ваги снаряда, складу матеріалу з якого він виготовлений, кількості щаблів.

І ще одне немало важливе зауваження: не дивлячись на те, що цей пристрій має невеликі енергетичні параметри, під час експериментів з ним та проведення пробних запусків необхідно дотримуватись усіх заходів безпеки, пов'язаних з високою напругоюта вильотом металевої болванки.

^ БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

1. 
   Бут, Д.А. Основи електромеханіки/Д.А.Бут. - М.: МАІ, 1996. - С. 363.
2. 
   Маліков, В.Г. Визнано невчасним/В.Г.Маліков// Техніка молоді. - 1987. - №5. - С. 30.
3. 
   Потужні напівпровідникові прилади: Довідник / В. Я. Замятін, Б. В. Кондратьєв, В. М. Пєтухов. - М.: Радіо і зв'язок, 1988. - С. 336.
4. 
   Буль, О.Б. Методи розрахунку магнітних системелектричних апаратів: Магнітні ланцюги, поля та програма FEMM: Навчальний посібникдля вузів/О.Б.Буль. - М.: Академія,2005. - С.191

Котушка Томсона - нескладний прилад, з яким раніше демонстрували під час уроків фізики різні ефекти, що виникають при взаємодії провідників зі змінним магнітним полем. На шкільних концертах з його допомогою показували кумедні електрофокуси, влаштовували веселі вечори цікавої науки.

Уявіть собі сцену, на ній – стіл, вкритий скатертиною. Ви кладете на стіл алюмінієве кільце, і воно раптом зненацька злітає вгору. Сковорода, поставлена ​​на стіл, сама по собі нагрівається, і вода, налита в неї, закипає. стіл (рис.1). Сподіваємось, вони прикрасять і ваш шкільний вечір. Щоправда, котушка Томсона збереглася, мабуть, не у всіх фізичних кабінетах, тому доведеться виготовити її самим.

Хотілося б відразу попередити: цей прилад розрахований на великий струм приблизно 10-13 ампер, тому користуватися котушкою Томсона можна тільки в приміщенні, де є відповідна силова проводка. І звісно, ​​у присутності вчителя. Працюватимемо з напругою 127В, тому вам знадобиться понижувальний трансформатор.

Спершу розповімо, як зробити котушку Томсона. Вона збирається з дерев'яного каркаса, залізного сердечника та обмотки (рис. 1). Сердечник набраний із пластин трансформаторної сталі шириною50 мм та довжиною 380 мм. (Якщо у вашому розпорядженні виявляться пластини іншої ширини, кількість їх має бути такою, щоб площа осердя була не менше 25 см 2 .)

Пластини покрийте лаком із кожного боку. Ізольовані таким чином пластини зберіть у пакет, вставте його в каркас.

Нещільно підігнані пластини «гудітимуть», і глядач одразу виявить це. Тому перед укладанням пластин у каркас покрийте їх епоксидним клеєм. Серце можна зробити і зі шматків сталевого відпаленого дроту діаметром 2-3 мм. Вибирайте тільки м'яку дріт, пружна, сталіста не годиться. Шматки дроту пофарбуйте фарбою. Якщо ви збиратимете сердечник з дроту, отвір у каркасі котушки потрібно, збільшити до площі 36 см 2 . Перед укладанням дріт теж змастіть епоксидним клеєм, щоб вийшов монолітний пучок-сердечник.

По зібраному осердя склейте з фанери каркас котушки. Обмотка виконується виток до витка проводом діаметром 2,4 мм з подвійною (паперовою ізоляцією. В одному шарі має вміститися близько 90 витків. А всього їх 9. Кожен шар промажте лаком, що швидко висохне, а потім оберніть обмотку калькою. І так кожен шар.

Випробовувати готову котушку можна лише після того, як лак затвердіє. Під час демонстрації дослідів слідкуйте, щоб обмотка не перегрівалася.

А тепер розповімо про самі досліди-фокуси.

Досвід I

Отже, котушка схована підстолом. Ви берете масивну алюмінієву сковороду, наливаєте в неї трохи води і ставите на стіл попередньо поклавши на нього шматок азбесту. За вашим (звичайно, непомітним для глядача) сигналом помічник, що знаходиться за лаштунками, включає струм, і через деякий час вода у сковороді закипає (рис. 2). Відбувається це тому, що під дією змінного магнітного поля котушки у сковороді виникають вихрові струми. Їхня ЕРС (електрорушійна сила) - частки вольта, зате величина струмів велика. Внаслідок цього, незважаючи на незначний опір самої сковороди, на поверхні її відбувається інтенсивне виділення тепла. Якщо вода википить, сковорода може сильно нагрітися. Тому досвід потрібно проводити з обережністю та не забувати про азбестову прокладку.

А тепер запитаємо себе: чому нагрівається сковорода, а не кришка столу, чому до столу можна вільно піднести руку, якщо, звичайно, на ній немає металевих предметів, наприклад, годинника або кільця! Адже і в кришці столу, і в руці теж виникають вихрові струми, але через високий опор величина їх незначна, і тепла виділяється небагато.

Якщо частоту струму змінного магнітного поля збільшити, що цілком можливо в промислових умовах, то відповідно зросте і одержуване тепло. І тоді можна, наприклад, висушувати сирі дошки. Дерево при цьому прогрівається рівномірно - зсередини і зовні - і швидко висихає. Цим самим способом лікарі в кабінетах фізіотерапії лікують нежить (УВЧ).

Змінне електромагнітне поле використовується і в металургії, наприклад при виплавці якісних сортів сталі.

Досвід II

На столі лежить алюмінієве кільце. Раптом воно високо підстрибує та падає. Причина такої незвичайної поведінки кільця – теж вихрові струми. Протікаючи по кільцю, вони перетворюють їх на електромагніт (рис. 3). Напрямок струму в кільці та в котушці Томсона змінюється 50 разів на секунду. Причому, якщо на верхньому кінці осердя котушки виникає північний магнітний полюс, то на нижній поверхні кільця теж встановлюється такий самий полюс. І навпаки.

однойменні магнітні полюси, як відомо, відштовхуються. Ось тому обручка і підстрибує над столом.

Цей досвід можна показати і по-іншому. Пропустіть через кільце тонку непомітну нитку, і кільце висітиме над столом, злегка вібруючи. А можна змусити його вільно ширяти.

У книзі Трінга і Лейтуейта «Як винаходити?», випущеної в російському перекладі видавництвом «Мир» у 1980 році, описані пристрої, завдяки яким це можна зробити. електромагнітне поле, в якому може стійко літати (левітувати) прямокутна металева пластина (рис. 4).

На одній із міжнародних виставок на початку п'ятдесятих років за допомогою подібного пристрою демонструвалася сковорода, що ширяла в повітрі, на якій смажили яєчню.

Гарний фокус, і тільки скажете ви. Але фокус цей, як показав час, став у нагоді в техніці, зокрема в металургії, при плавці надчистих металів. Металурги знають, як важко зберегти метал, що виплавляється, чистим: будь-який дотик до тиглю (ємності для металу) призводить до забруднення. І вони знайшли вихід – плавку без тигля. Використовуючи левітацію, шматок металу підвішують у вакуумі, і він плавиться, що нагрівається вихровими струмами.

ДосвідIII

Зробіть з фанери або картону котушку, назвемо її приймальною (рис. 5). Наберіться терпіння - намотайте на котушку 1500 витків лакованого дроту діаметром 0,25 мм і з'єднайте кінці зелектропатро-ном. Потім пригвинтіть до верхньої щоки котушки патрон і вставте в нього 15-ватну лампу на 127 В. Котушку і патрон обклейте кольоровим папером, щоб вийшла конусоподібна коробочка. яскравіше. Пояснення все просто: індукційне токів змінному магнітному полі утворили у витках катуш-ки струм, від нього і загоряється лампа. Весь цей пристрій нагадує трансформатор, первинна обмотка якого захована під столом, а вторинна - в руках експериментатора. Можна зняти лампу меншої потужності, наприклад, від кишенькового ліхтаря або неонову. досить зовсім трохи енергії. Прийомну котушку в цьому випадку можна зробити розміром перстень.

ДосвідIV

Приклейте приймальну котушку до дна паперової моделі автомобіля. Через будь-який діод, здатний витримати струм 0,5А, приєднайте її до мікроелектродвигуна (рис. 6). Автомобіль у цьому випадку їздитиме по столу без батарей, отримуючи енергію від електромагнітного поля. При цьому врахуйте, що електродвигун і інші металеві деталі іграшки можуть перегрітися і вийти з ладу, тому показуйте досвід не більше 30-40 секунд.

Цей досвід демонструє стару ідею передачі енергії без проводів. Пам'ятайте, ще герої роману «Аеліта» А. Толстого летіли над Марсом на кораблі, що живиться енергією електромагнітного поля. Над цією ідеєю працювали і працюють багато винахідників різних країн.

Усередині 60-х років у Франції проводилися досліди з харчування двигуна невеликого вертольота пучком сантиметрових радіохвиль. (Нагадаємо: будь-яке змінне електромагнітне поле можна розглядати якрадіохвилі). Хоча гелікоптер літав, але живильне його пристрій вийшло занадто громіздким, дорогим і малоефективним. І від нього відмовилися. Стало ясно, що необхідно зменшити довжину радіохвиль. Тоді розміри передавальних і прийомних антен стануть прийнятними, апоти при передачізменшаться. Зараз ми вміємо отримувати електромагнітні хвилі завдовжки кілька мікрон і навіть менше. Це випромінюваннястворюється лазерами. У багатьох країнах розробляються проекти космічних ракет, що одержують енергію з променю лазера. Припускають, що такий спосіб передачі енергії буде корисним навіть при міжзоряних перельотах.

ДосвідV

На стіл ставлять скляну чашу з водою. 8 її пускають порожнисту металеву кулю (рис. 7). При включенні котушки Томсона шар починає обертатися навколо горизонтальної осі. Досвід демонструє принцип дії найпростіших двигунів змінного струму. Індукційні струми, що виникають на поверхні кулі, як би прагнуть підняти одну з його половинок. Так виникає обертання. На цьому принципі працює електролічильник, у якого рото-ром служить звичайний алюмінієвий диск.

До речі, у високочастотному електромагнітному полі ротор двигуна можна розкрутити до мільйонів обертів за хвилину. Цей принцип обертання закладений, наприклад, в установках, що застосовуються для вивчення міцності конструкцій і матеріалів.

ДосвідVI

Налийте в тарілку солону воду і поставте її на стіл. Включіть котушку Томсона, і на поверхні води з'являться хвилі. Щоб їх було добре видно глядачам, направте на тарілку світло від ліхтаря так, щоб відбиття від поверхні води спроектувалося на стіні (мал. 8).

Пояснення цьому досвіду ви, мабуть, легко дасте самі. Скажімо лише, що вихрові струми електромагнітного поля, що виникають у рідині, надають на неї таку ж дію, як на звичайні провідники.

У промисловості це явище використовують при перемішуванні розплавленої сталі.Ось, мабуть, і все, що нам удалося згадати про досліди зкотушкою Томсона. Можливо, хтось із вас, хлопці, доповнить їх?

А. ІЛЬЇН, інженер. З журналу "Юний технік" №10 1983р.

Шість дослідів із котушкою Томсона

Котушка Томсона - нескладний прилад, з яким раніше демонстрували під час уроків фізики різні ефекти, що виникають при взаємодії провідників зі змінним магнітним полем. На шкільних концертах з його допомогою показували кумедні елект-рефокуси, влаштовували веселі вечори цікавої науки.

Уявіть сцену, на ній - стіл, покритий скатертиною. Ви кладете на стіл алюмінієве кільце, і воно раптом зненацька злітає вгору. Сковорода, поставлена ​​на стіл, сама по собі нагрівається, і вода, налита в неї, закипає. стіл (рис. -J). Сподіваємось, вони прикрасять і ваш шкільний вечір. Щоправда, котушка Томсона збереглася, мабуть, не у всіх фізичних кабінетах, тому доведеться виготовити її самим.

Хотілося б відразу попередити: цей прилад розрахований на великий струм приблизно 10-13 ампер, тому користуватися котушкою Томсона можна тільки в приміщенні, де є відповідна силова проводка. І звісно, ​​у присутності вчителя. Працюватимемо з напругою 127 В, тому вам знадобиться понижувальний трансформатор.

Спершу розповімо, як зробити котушку Томсона. Вона збирається з-дерев'яного каркаса, залізного сердечника та обмотки (рис. 1). Сердечник набраний з пластин трансформаторної сталі шириною 50 мм і- довжиною 380 мм. (Якщо у вашому розпорядженні виявляться пластини іншої шири-

нини, кількість їх має бути такою, щоб площа осердя була не менше 25 см 2 .)

Пластини покрийте лаком з кожного боку. Заізольовані таким чином пластини зберіть у пакет, вставте його в каркас.

Нещільно підігнані пластини «гудітимуть», і глядач одразу виявить це. Тому перед укладанням пластин у каркас покрийте їх епоксидним клеєм. Сердечник може зробити і зі шматків сталевого відпаленого дроту діаметром 2-3 мм. Вибирайте тільки м'який дріт» пружна, сталіста не годиться. Шматки дроту пофарбуйте фарбою. Якщо ви збиратимете сердечник з дроту, отвір у каркасі котушки потрібно збільшити до площі 36 см 2 . Перед укладанням дріт теж змастіть епоксидним клеєм, щоб вийшов монолітний пучок-сердечник.

По зібраному осердя склейте з фанери каркас котушки. Обмотка виконується виток до витка дротом діаметром 2,4 мм з подвійною паперовою ізоляцією. В одному шарі має вміститися близько 90 витків. А всього їх 9. Кожен шар промажте лаком швидковисихаючим, а потім оберніть обмотку калькою. І так кожний шар.

Випробовувати готову котушку можна лише після того, як