Електромагнітні прискорювачі мас та їх використання в cучасному житті

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ПРИСКОРЮВАЧІ МАС ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ В СУЧАСНОМУ ЖИТТІ

Корінєвський Костянтин Олександрович, 8 клас, школа І-ІІІ ступенів №36 імені С. П. Корольова Голосіївського району міста Києва; педагогічний керівник: Романовський Сергій Володимирович, учитель фізики та астрономії.

Гаус – це видатний німецький вчений, який народився в 1777 році. Він заклав основи теорії електромагнетизму та зробив багато відкриттів в галузі алгебри та геометрії. Відкрив такі поняття, як гаусова кривизна та ін. Гаус не був конструктором гармати, але він зробив величезний вклад в теорію електромагнетизму, тому пристрій назвали на його честь.

Через декілька десятиліть, а то навіть і раніше, вичерпаються родовища нафти, а потім і газу і нам будуть потрібні альтернативні рішення проблем з переміщенням.

Гармата Гауса – це пристрій, за допомогою якого можливо розігнати об’єкт – буде то потяг чи космічна станція – майже до швидкості світла. А ще це екологічно чистий двигун, який використовує тільки електроенергію, і теоретично, до гармати можливо під’їднати живлення від звичайного літій-іонного акумулятора.

Назва «Гармата Гауса» свідчить про те, що цей пристрій розробляли спочатку як потужну зброю. Ще в далекому 1845 році Гаус-гармату використали для стрижню довжиною 20 м, а 1903 році снаряд масою 10 кг розігнали до швидкості 100м\с. В 1944 німці намагались зробити зенітку з використовуванням цього принципу. А коли військові «награлися» цією ідеєю, то дали використовувати її в мирних цілях. Тоді і виявилось, що цей пристрій має необмежені можливості.

Зміст

1. Вступ………………………………………………………………………...5

2. Основна частина ………………………………………………………….10

1. Історія створення Гармати Гауса…………………….……..……10

2. Сфери використання Гаус-гармати……………….…….……..…11

3. Плюси та мінуси Гаус-гармати.…………………..………..……..13

4. Принцип роботи Гаус-гармати та її складові…….….…….…..14

5. Розрахунки…………………………………………….…………...16

6. Розрахунки у FEMM та практична частина……………….……..19

3. Висновок……………………………………………………………………22

4. Використана література……………………………………………………24

5. Додатки……………………………………………………………………...25

Вступ

Я вирішив обрати темою роботи принцип роботи гармати Гауса, оскільки вважаю даний напрямок розвитку науки перспективним. Колись я грав в одну комп’ютерну гру, здається «Fallout New Vegas». Там на військовій базі я знайшов дуже точну та потужну зброю під назвою «Гаус - гвинтівка» (Рис.1). Для мене тоді було несподіванкою, коли я зрозумів, що замість унітарних порохових патронів вона використовує батареї та прості кулі. Тоді я і почав цікавитись цим пристроєм.

Природні копалини вичерпуються, через декілька десятиліть, а може і раніше, людству для виживання потрібно буде переходити на альтернативні інженерні рішення та джерела енергії.

Зараз науковці намагаються знайти щось геть нове: винаходять та розробляють новітні теорії, технології, принципи. Наприклад, ті ж самі торсіонні поля. Але на мій погляд, найперше треба заглянути у свою історію, уважно переглянути все корисне, що вже було зроблене і винайдене до нас, отримати відповіді на запитання, які було поставлено науковцями минулого. На кожному континенті і в кожній країні є свої генії, дослідники-енциклопедисти, яких чомусь забуто або ідеї яких вважаються застарілими.

Принцип, за яким працює Гаус-гармата, також було відкрито давно – ще 300 років тому. Основу принципу відкрив і розробив відомий фізик-математик Карл Фрідріх Гаус. Пристрій складається з соленоїду та полого стволу з діелектрика. Для створення короткочасного сильного електричного імпульсу використовуються конденсатори високої напруги. Котушка створює імпульс, який виштовхує снаряд з діелектричного стволу. Геніально – і просто, на перший погляд.

Аби перейти до історії Гаус-гармати, потрібно згадати автора самої ідеї. Ідея належить німецькому генію Карлу Фрідріху Гаусу.

Карл Фрідріх Гаус – видатний вчений, який зробив величезний внесок у багато наук. Він народився в 1777 році у князівстві Брауншвейг. Батько Карла спочатку працював слюсарем (за іншими свідченнями – водопровідником), згодом став садівником та виконував обов'язки рахівника в торговельній конторі невідомого купця. Мати Карла була дочкою каменяра. Вона була дуже розумною та розважливою.

Карл був єдиною дитиною в сім’ї. Читати і писати він навчився сам у 3 роки. Мати показала йому тільки декілька букв – і цього вистачило здібному хлопцю. Семирічного Карла віддали до школи. Його здібності до математики виявилися лише у третьому класі. Якось учитель дав учням завдання з арифметики: відшукати суму деякої кількості натуральних послідовних чисел. Вчитель думав, що учні довго шукатимуть відповідь. Але через кілька хвилин Карл розв'язав задачу. Коли вчитель проглянув розв'язання, то побачив, що малий Гаус придумав спосіб скороченого знаходження суми членів арифметичної прогресії.

Випадково Гаус познайомився з першим у навчанні учнем цієї самої школи — Бартелсом. Вони потоваришували, бо обидва любили математику. За порадою товариша, Карл почав вивчати твори великих математиків.

Після чотирьох років навчання в школі Карл перейшов до гімназії відразу в другий клас. У гімназії виявились інші його здібності. Він оволодів двома стародавніми мовами — грецькою і латиною. Талановитого учня представили герцогу Брауншвейзькому, який і надалі опікувався здібним юнаком.

По закінченні гімназії Гаус у 1792 р. вступив у Каролінгську колегію. Тут він продовжував вивчати стародавні мови, а разом з тим систематично і поглиблено студіював математичні дисципліни, а також мав доступ до наукової бібліотеки. Це дало йому змогу ознайомитись з творами таких видатних математиків, як, скажімо, Ісак Ньютон.

В 1795-у році Гаус вступив до Геттінгенського університету. Саме в цей час він починає свої серйозні математичні дослідження.

Через три роки Гаус повернувся у Брауншвейг та жив там аж до 1807 року. Герцог опікав юнака та навіть оплатив друк його докторської дисертації. Гаус в ній довів основну теорему алгебри.

1805 року Карл одружився з Йоганою Остгоф (всього в житті Гауса буде дві дружини).

Наступного року помер його герцог-покровитель.

В 1809 році Гаус написав книгу «Теорія руху небесних тіл». У 1810 році Гаус отримав премію Паризької академії наук. В 1815 році математик публікує перше строге доведення основної теореми алгебри.

В 1821 році Гаус починає цикл робіт з теорії поверхонь та відкриває «кривину Гауса». Закладає основи диференційної геометрії.

У 1825 він відкриває Гаусові комплексні цілі числа та теорію подільності і порівнянь. Їх використовує для рішення рівнянь з високими ступенями.

У 1831 році в Геттінген приїжджає на запрошення Гауса Вільгельм Вебер та вони разом починають цикл досліджень електромагнетизму.

У 1832 році виходить «Теорія біквадратних обчислень».

В 1833 році вони з Вебером винаходять електричний телеграф та будують його діючу модель. Теорія загайного потенціалу Гауса стала базовою для електродинаміки та теорії близькодії, створивши подальші перспективи для розвитку теорії гравітації в майбутньому.

У 1837 Вебера звільняють за відмову принести присягу новому королеві Ганновера, і той залишає п’ятдесятирічного колегу і товариша. Гаус знов залишився один. 16 червня 1849 року він відзначає свій ювілей. В цей же час було написано і його останню книгу «Матеріали до теорії алгебраїчних рівнянь».

А ще через шість років, у 1855, великого генія, заслужено названого «королем математиків», не стало.

Саме на честь Гауса назвали котушковий прискорювач мас Гаус-гарматою. При поданні електричного струму в котушці виникає магнітне поле, яке деякий час прискорює снаряд. Але після проходження центру котушки снаряд всисає назад.

Для найбільшого ефекту імпульс повинен бути потужним та максимально коротким. Для досягнення цього на практиці використовуються конденсатори. Гармата працює за принципом електромагнітної індукції, відкритим у 1831 році відомим фізиком Майклом Фарадеєм.

Явище індукції – це створення в просторі вихрового електричного поля зі змінним магнітним потоком. Один з побічних ефектів індукції – зв’язок між змінними магнітними та електричними полями у електромагнітній хвилі. Другий наслідок – це виникнення електрорушійної сили в провідному контурі, через який потік змінюється. Фарадеєм було описано явище електромагнітної індукції у вигляді рівнянь.

Зараз стан інженерної науки не дозволяє використовувати прискорювачі, які діють за принципом Гаус-гармати, через низький ККД. Це видно неозброєним оком. Тільки 2-5% електроенергії перетворюється на кінетичну енергію. ККД можна покращити, якщо використовувати надпровідники, але вони дуже сильно перегріваються. Отже, доки вченими не буде винайдено температуростійкі надпровідники, практичне використання Гаус-гармати є неекономічним, а отже, мало прийнятним для ймовірного поширення.

Досить близьким за принципом дії до Гаус-гармати, але достатньо поширеним інженерним рішенням, є стрічковий прискорювач мас, так званий рельсотрон. Можна сказати, що рельсотрону пощастило більше, аніж Гаус-гарматі. На відміну від гармати Гауса, рельсотрон складається з двох електродів та працює не за принципом Гауса, а за принципом Лоуренса (Рис.2) (хоча є одна конструкція Гаус-гармати, де цей принцип використовується також).

Дійсно, на сучасному етапі розвитку інженерно-фізичних наук перспективи використання рельсотрону набагато більші, аніж у Гаус-гармати. Наприклад, його використовують в японських потягах. На даний момент в США проходить випробовування рельсотрону в воєнних цілях. Можливе його використання для виведення космічних кораблів на орбіту, проведення робіт у відкритому космосі та багато інших варіантів.