Электромагнитный ускоритель представляет собой два провода расположенные: Электромагнитный кольцевой ускоритель масс

Содержание

Электромагнитный кольцевой ускоритель масс

Электромагнитный кольцевой ускоритель масс

Сыпачев А.М. 1

1МАДОУ лицей №97

Красавин Э.М. 1

1МАДОУ лицей №97

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение[1]

К числу многочисленных электрических линейных двигателей относится и электромагнитный ускоритель массы, который впервые рассматривался К.Э.Циолковским в его рукописях, а затем его описание было опубликовано в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» в 1926 году. По оценкам Циолковского, такой ускоритель должен иметь значительную длину – до 60 км, а его жерло следует располагать в горах, на большой высоте для снижения потерь за счёт сопротивления атмосферы. По мнению Циолковского, электромагнитные пушки со временем могут найти применение для массового вывода на околоземные орбиты полезной массы. Одна из первых попыток реализовать идеи Жюля Верна, к сожалению, в военных целях, была предпринята в 1940-е годы в Германии. По программе V-3 (Vergeltungswaffe-3) создавалось артиллерийское орудие длиной 124 м, калибром 150 мм и весом 76 тонн (Приложение лист I, рис. 1). Иначе, этот тип двигателя, называется пушкой Гаусса. Иоганн Карл Фридрих Гаусс (Приложение лист I, рис. 2) — немецкий математик, механик, физик, астроном и геодезист. Считается одним из величайших математиков всех времён. Являлся иностранным членом Шведской и Российской Академий наук, английского Королевского общества. Карл Гаусс, заложил основы математической теории электромагнетизма. В настоящее время, этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) он сходен с устройством, известным как линейный двигатель. Известны результаты испытаний для экспериментальных моделей электромагнитных ускорителей. При затрачиваемой энергии в 150 кДж осуществлялся разгон капсул массой несколько грамм до скорости в 5000 км/с.Основным недостатком таких конструкций является их значительная длина. Но существует реальная возможность свернуть эту длину в кольцо, или спираль, и в определённый момент при значительном разгоне, отправлять объект в цель. Основным положительным моментом такой электромагнитной катапульты является относительная компактность конструкции и её существенная энергоёмкость при многоступенчатой схеме разгона. Мы заинтересовались проблемой использования кольцевого электромагнитного ускорителя масс как пускового орбитального устройства, которое можно использовать для запуска каких-либо устройств с космических станций, например: космических аппаратов, и других космических объектов. Подобный запуск является очень актуальной проблемой, так — как запасы современного топлива для пусковых устройств на космических объектах ограниченны, поскольку определяются массой запускаемого орбитального блока. Для этих целей, с успехом, можно воспользоваться электромагнитным кольцевым (спиральным) ускорителем, построенным по принципу пушки Гаусса.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является – разработка модели многоступенчатой кольцевой системы электромагнитных ускорителей для линейного разгона ферромагнитных объектов. Для решения этой цели, был поставлен следующий ряд задач:

— используя доступную литературу и интернет – источники, познакомится с основами теории электромагнетизма;

— изучить литературные и интернет — источники, посвящённые разработке и изготовлению электромагнитных ускорителей;

— на основе изученных литературных источников, разработать конструкции одноступенчатого электромагнитного ускорителя и многоступенчатой кольцевой системы электромагнитных ускорителей;

— на основе разработанных конструкций изготовить модели электромагнитных пусковых систем;

— исследовать скоростные характеристики старта объекта с помощью, изготовленных электромагнитных ускорителей и проанализировать их сравнительную эффективность.

Электромагнитное поле, его форма и направленность [2-5]

1820 год знаменуется великими открытиями в области электричества. В этом году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (Приложение лист I, рис. 3) обнаружил, что магнитная стрелка обладает способностью поворачиваться при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. В том же году, французский физик Андре-Мари Ампер (Приложение лист II, рис. 4) установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, взаимно притягиваются, если ток течет по ним в одном направлении, и взаимно отталкиваются, если токи текут в разных направлениях. Явление взаимодействия токов Андре-Мари Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле — особый вид материи. Его источником является любое переменное электрическое поле. Современная наука определяет существование совокупности двух полей — электрического и магнитного, это электромагнитное поле. Оно представляет собой особый вид материи и существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, переменное электрическое поле всегда порождается переменным магнитным полем. Магнитное и электрическое поля перпендикулярны по направлению друг к другу. Электрическое поле, можно рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями поля являются заряженные частицы — электроны и протоны. Магнитное поле без электрического поля не существует, из — за отсутствия носителей. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике. Магнитное поле является силовым полем. Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция (В). Магнитная индукция — это физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока:

 В = F/IL.

Единичным элементом тока считают, проводник длиной в 1(м.) и силой тока в нем 1(А). Единицей измерения магнитной индукции является Тесла (Тл). Магнитное поле пространственно является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии магнитной индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми. Направление магнитного поля зависит от направления тока. Направление силовых линий согласуется с правилом буравчика. «

Если буравчик ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий». Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику. Линии магнитной индукции, катушки с током, образуют концентрические овалы, проходящие через центральное отверстие катушки (Приложение лист II, рис. 5 – 7).Андре-Мари Ампер установил, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила (Fa). Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. «Если левую руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (В) входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера
» (Приложение лист II, рис. 8).В конце XIX века немецкий физик Пауль Друде предпринял первую попытку создания теории электронной проводимости. Смысл электронной теории проводимости сводится к тому, что каждый атом металла отдает валентный электрон из внешней оболочки, и эти свободные электроны растекаются по металлу, образуя некое подобие отрицательно заряженного газа. Атомы металла при этом объединены в трехмерную кристаллическую решетку, которая практически не препятствует перемещению свободных электронов внутри нее(Приложение лист III, рис. 9).Как только к проводнику прикладывается электрическая разность потенциалов (например, посредством замыкания на два его конца двух полюсов аккумуляторной батареи), свободные электроны приходят в упорядоченное движение. Сначала они движутся равноускорено, но длится это недолго, поскольку очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки, которые, в свою очередь, от этого начинают колебаться всё с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и мы наблюдаем термоэлектрический эффект разогревания проводника. Тогда стал ясен механизм возникновения силы Ампера. При столкновении с узлами кристаллической решетки проводника (металла) заряженные частицы — электроны передают им импульс и как следствие, на проводник действует сила (Fa). Силовые взаимодействия электромагнитного поля катушки и лежат в основе действия электромагнитного линейного двигателя, частным примером которого, является пушка Гаусса.

Эффект Гаусса (пушка Гаусса) [5]

Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Название получила от имени немецкого учёного Карла Гаусса. Помимо конструкции, которую разработал Гаусс, существует ещё как минимум два типа электромагнитных ускорителей масс – индукционные ускорители масс (катушка Томпсона или дискомет Томпсона) и рельсовые ускорители масс«рэйлганы» (от англ. “Railgun” – рельсовая пушка). Но Пушка Гаусса обладает неоспоримым преимуществом перед ними обоими: во-первых, она наиболее проста в изготовлении; во-вторых, она имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными ускорителями КПД и; в-третьих, может работать на относительно низких напряжениях. Кроме того, пушка Гаусса, несмотря на свою простоту, обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений и инженерных изысканий — так что это направление довольно интересное и перспективное. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) она сходна с устройством, известным как линейный двигатель. Однако, несмотря на кажущуюся простоту устройства, использование её в качестве магнитного ускорителя 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 %. 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 движения «снаряда». В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено. Таким образом, сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив использования в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок не являются существенными. Учитывая выше сказанное, при разработке конструкции необходимо принимать во внимание некоторые физические закономерности и расчёты. Кинетическая энергия снаряда E=mv

2/2, где m- масса снаряда, v — его скорость. Энергия, запасаемая в конденсатореE=CU2/2, где U — напряжение конденсатора, C — ёмкость конденсатора. Время разряда конденсаторов (время, за которое конденсатор полностью разрядится)

г де, L -индуктивность, С — ёмкость. Время работы катушки индуктивности. Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.

где, L-индуктивность, С- ёмкость.

Конструкция электромагнитного ускорителя Гаусса [6]

Ускоритель 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 попросту он тормозится. 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. Главный силовой элемент ускорителя – катушка индуктивности. Диаметр её может быть различен в зависимости от применяемого диаметра выталкиваемого тела. Провод для намотки катушки берётся из расчёта протекающего напряжения и силы тока (0,7-0,8 мм.). Общее сопротивление катушки примерно 8 Ом. Особое внимание необходимо уделить хорошей изоляции обмоток. Следующим важным элементом устройства, является блок питания. Выпрямитель используется для зарядки электролитических конденсаторов от сети 220V 50Hz. Балластный резистор желательно использовать большой мощности и установить на радиатор. Диоды любые, на напряжение 350V.Накопительная батарея состоит из электролитических конденсаторов, соединенных параллельно — суммарная емкость не менее 3000 мкф и напряжение 300V. Если питание организованно от батареи, то следующим важным элементом электромагнитного ускорителя, является преобразователь напряжения. Роль его заключается в получении высокого напряжения для заряда конденсаторов, из низкого напряжения батареи питания. В преобразователе используются, в основном, схемы импульсного преобразования, то есть низкое постоянное напряжение преобразуется в импульсное, затем повышается импульсным трансформатором и преобразуется в постоянное высокое напряжение. Принципиальные схемы ускорителя и простейших цепей заряда приведены в приложении (Лист III — IV, рис. 10 -12)

Изготовление модели одноступенчатого электромагнитного ускорителя [7-8]

За основу модели ускорителя взята разработка пушки Гаусса, представленная на сайте[http://cxem.net/tesla/tesla10.php]– автор Борис Каскевич, г.Калининград. Схема была переработана под конкретную модель ускорителя.

Основные расчётные характеристики ускорителя:

Масса модели одноступенчатого электромагнитного ускорителя с батареями питания – 3,0 кг.

Скорость снаряда: примерно 9-9,5 м/с.

Масса пускового сердечника ракеты до 20 г

Кинетическая энергия при запуске примерно 1.17 Дж.

Время зарядки конденсаторов от аккумулятора, через схему преобразователя: 2 сек

Время зарядки конденсаторов от сети через схему преобразователя: около 30 сек

Структурная схема электромагнитного ускорителя представлена в приложении (Лист IV, рис. 13). Самой сложной частью устройства, является преобразователь напряжения батарейного питания ускорителя. Схема представлена в приложении (ЛистV, рис. 14). В схеме используется полевой транзистор IRF 3205.С этим транзистором скорость зарядки конденсатора 1000 мкФ на напряжение 380 — 500 вольт примерно равна 2-м секундам (с аккумулятором 4 А/ч). Можно использовать другие транзисторы и подобрать более быстрое время зарядки. Резистором R7 регулируется выходное напряжение от 50 до 900 вольт; светодиод LED 1 показывает, когда конденсаторы зарядились до нужного напряжения. Если трансформатор умножителя шумит, можно уменьшить емкость конденсатора С1, дроссель L1 не обязателен, емкость конденсатора С2 можно уменьшить до 1000 мкФ, диоды D1 и D2 можно заменить на другие диоды с похожими характеристиками. Выключатель S1 нужно замыкать только после того, когда подано напряжение на выводы питания. В противном случае, если подать напряжение на выводы и выключатель S1 будет замкнут, может выйти из строя транзистор из-за резкого скачка напряжения. Сама схема работает просто: микросхема UC3845 вырабатывает прямоугольные импульсы, которые подаются на затвор мощного полевого транзистора, где усиливаются по амплитуде и подаются на первичную обмотку импульсного трансформатора. Далее, импульсы напряжения, увеличенные импульсным трансформатором до амплитуды 500-600 вольт, выпрямляются диодом D2 и выпрямленным напряжением заряжают конденсаторы. Трансформатор взят из компьютерного блока питания. На схеме около трансформатора изображены точки. Эти точки указывают начало обмотки. Способ намотки трансформатора показан в приложении (Лист V, рис. 15). Что бы разобрать и перемотать трансформатор от компьютерного блока питания, его нужно прокипятить в воде в течение 10-15 минут, после чего он легко разбирается. При намотке нового трансформатора, необходимо соблюдать направления намотки катушек, иначе трансформатор работать не будет. Основные детали преобразователя, из которых собирается устройство, представлены в приложении (Лист V, рис. 16). Для преобразователя требуется мощный источник энергии, например аккумулятор на 4 А/ч. Чем мощнее аккумулятор, тем быстрее происходит зарядка конденсаторов. Внешний вид изготовленного преобразователя и печатная плата для его сборки, представлены в приложении (Лист VI, рис. 17). В принципе, можно обойтись и без преобразователя, используя сетевой блок питания для заряда конденсаторов (Приложение лист VI, рис. 18). Однако в этом случае, испытывать устройство можно только вблизи розетки, что не совсем удобно. Катушка сопротивлением 8 Ом. Она намотана медным лакированным проводом диаметром 0.7 мм. Общая длина провода около 90 метров. В случае отсутствия микросхемы, применённой в преобразователе, можно изготовить подобную схему на популярной микросхеме таймера 555 (Приложение лист VI, рис.19). Таймер работает в режиме генератора прямоугольных импульсов. Как известно, микросхема не содержит в себе дополнительного усилителя, поэтому было бы хорошо использовать дополнительный драйвер на выходе микросхемы, но как показала практика, драйвер тут не нужен, поскольку выходное напряжение более, чем достаточно для срабатывания транзистора, а ток на выходе микросхемы порядка 200мА. Таким образом, даже без дополнительного драйвера микросхема не перегружается, все работает отлично. Полевой транзистор — выбор не критичен, можно использовать любые транзисторы с током от 40 А. Мощность схемы напрямую зависит от источника питания. От аккумулятора блока бесперебойного питания, схема развивает порядка 45-60 Ватт, потребление при этом составляет 7,5-8 А. С таким питанием очень сильно греется транзистор, но не стоит использовать громадные теплоотводы, поскольку устройство предназначено для кратковременной работы, и перегрев будет не очень уж и страшным.

Изготовление модели многоступенчатого кольцевого электромагнитного ускорителя [9]

Многоступенчатый вариант электромагнитного ускорителя в принципе повторяет предыдущую схему. Отличием является, наличие двух и более пусковых катушек, расположенных последовательно на стволе. Принципиальным отличием является блок управления катушками, поскольку включаться они должны поочерёдно и в определённый промежуток времени, в тот момент, когда ферромагнитный объект находится перед катушкой (Приложение лист VII, рис. 20 – 21). Отдельные элементы схемотехники устройства использованы с сайта[http://cxem.net/tesla/tesla33.php]. Наиболее доступными вариантами датчиков, определяющих положение разгоняемого объекта перед катушкой, являются, датчик Холла или оптический датчик. Вариант схемы с оптическими датчиками приведён в приложении (Лист VIII, рис. 22). Каждый датчик имеет свой собственный компаратор (схему сравнения).Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень. Объект, проходя через датчик устройства, затемняет фототранзистор, схема компаратора определяет изменение напряжения на входах сравнения, и даёт сигнал на запуск ключа управляющего питанием катушки. В качестве компараторов, применены микросхемы LM 358.Силовой блок построен с применением тиристорных ключей. Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD4 применены типа HER307. В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12 (Приложение листVIII, рис. 23). Преобразователь устройства аналогичный тому, который применялся в одноступенчатом ускорителе. Разгон объекта осуществляется подачей напряжения на компараторы. В этом случае, первый датчик и компаратор определяет наличие объекта в пусковом устройстве и открывает первый ключ. Последующие ключи работают в автоматическом режиме по сигналам датчиков. Энергия, накапливаемая в конденсаторе одной ступени, составляет примерно 60 -65 Дж. Полезное использование её при данной схеме составляет 1 -2%, то есть эффективная энергия ускорения примерно равна 6 -10 Дж., что в 4 раза эффективнее одноступенчатой системы запуска. При использовании многоступенчатых систем электромагнитного разгона существенным недостатком является увеличение длины траектории разгона, что в конечном результате приводит к созданию громадных направляющих конструкций. Сделать систему более компактной позволяет использование кольцевой и спиральной системы разгона. В этом случае, можно, в значительной степени, увеличить количество разгонных катушек при неизменных габаритах устройства. В кольцевом разгонном блоке, энергия разгона постепенно увеличивается, и если в определённый момент открыть направляющую, объект будет обладать значительной кинетической энергией на выходе из разгонного блока. Рисунки устройства кольцевого и спирального разгонных блоков, представлены в приложении (Лист IX, рис. 24 – 25).

Испытание моделей ускорителей

Испытания модели одноступенчатого ускорителя, начались с подбора массы полезной нагрузки (массы стартового сердечника). При испытаниях замерялась вертикальная высота взлёта полезной нагрузки. В результате исследований, выявлена зависимость высоты взлёта от массы стартового сердечника. График зависимости представлен в приложении (Лист X, рис. 26). Из графика видно, что необходимо выбирать компромиссное решение между высотой взлёта и массой стартового сердечника. По нашему мнению, этот промежуток лежит в пределах от 6 – 8 (г.) массы стартового сердечника магнитного ускорителя. Несомненно, что увеличение мощности магнитного ускорителя, позволит повысить и массу полезной нагрузки (массу стартового сердечника), поднимаемой в воздух. Испытание модели четырёхступенчатого кольцевого электромагнитного ускорителя, доказали наши предположения. При найденных значениях, полезная нагрузка составила от 8 до 12 (г.).Графическое выражение наших исследований приведено в приложении (лист X, рис. 26 – 27).

Выводы

Изготовление моделей электромагнитных ускорителей и исследование полётных характеристик, разогнанного сердечника, доказали, возможность использования кольцевых ускорителей в качестве запускающих устройств полезной нагрузки. Подобные устройства могут использоваться как в атмосферных условиях, так и в безвоздушном пространстве. В ходе работы:

— изучены основы теории электромагнетизма, особенности устройства электромагнитных ускорителей;

— с практической точки зрения, изготовлены модели пусковых электромагнитных ускорителей. Освоены практические навыки сборки радиоэлектронных устройств;

— исследование возможностей моделей, электромагнитных ускорителей показали, что кольцевые схемы многоконтурных ускорителей могут с успехом применятся для разгона и запуска полезной нагрузки. Эффективность подобных схем не уступает по характеристикам линейным ускорителям.

Список литературы интернет источников

1.https://www.vesvks.ru/vks/article/dinamicheskie-uskoriteli-massy—iz-proshlogo-v-bud-16567 -Dynamic mass accelerators – from past to future

2.И.В. Савельев, Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1977.

3.Р.В. Телеснин, В.Ф. Яковлев, Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

4.Г.Е. Зильберман, Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

5.http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%F3%F8%EA%E0_%C3%E0%F3%F1%F1%E0- Эффект Гаусса.

6.http://www.sdelaysam-svoimirukami.ru/68-pushka_gaussa.html- Магнитный ускоритель.

7.http://x-shoker.ru/news/ehlektromagnitnyj_uskoritel_mass_gaussa/2013-02-28-180 — Электромагнитный ускоритель.

8.http://cxem.net/tesla/tesla20.php- Пушка Гаусса.

9. http://cxem.net/tesla/tesla33.php — Трёхступенчатая пушка Гаусса.

Приложение

 

Рис. 2.Johann Carl Friedrich Gauss.

Рис. 1. Проект «Фау-3» (Германия,1943 г.)

Рис. 3.ХансКристиан Эрстед и эффект взаимодействия магнитной стрелки и проводника с током.

 

Р ис. 4.Андре-Мари Ампер и его опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током.

 

Рис. 5.Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

 

Рис. 6. Направление магнитного поля.

 

Рис. 7. Магнитное поле катушки с током.

Рис. 8. Направление силы Ампера.

Рис. 9.Электрический ток протекает по проводнику благодаря наличию в нем свободных электронов, сорвавшихся с атомных орбит.

Рис.10.Конструкция магнитного ускорителя.

Рис.11. Простейшая зарядная цепь ускорителя.

Рис.12. Выпрямитель зарядной цепи.

Рис.13. Структурная схема одноступенчатого ускорителя масс.

Рис.14. Структурная схема преобразователя (12 вольт – 310 вольт).

Рис.15. Схема изготовления трансформатора.

Рис.16. Детали преобразователя.

Рис.17. Готовый преобразователь и печатная плата.

Рис.18. Схема зарядки конденсаторов от сети 220В.

Рис.19. Преобразователь на популярной микросхеме таймера NE 555.

Рис.20. Принцип устройства многоступенчатой «пушки Гаусса».

Рис.21. Блочная схема трёхступенчатого пускового устройства.

Р ис. 22. Блок управления оптическими датчиками.

Рис. 23. Блок силовых ключей.

Рис. 24. Кольцевой многоступенчатый электромагнитный ускоритель масс.

Рис. 25. Спиральный многоступенчатый электромагнитный ускоритель масс.

Р ис.26. Зависимость параметров взлёта стартовой массы сердечника, одноконтурного ускорителя от массы сердечника.

Рис.27. Зависимость параметров взлёта стартовой массы сердечника, четырёхконтурного кольцевого ускорителя, от массы сердечника.

Просмотров работы: 63

Электромагнитные ускорители масс | Статья в журнале «Юный ученый»

 

Электромагнитные ускорители масс — специальные электронные устройства, позволяющие разогнать снаряды с помощью электромагнитных сил. Потребность в них постепенно возникла в середине прошлого столетия, и причина этого состоит вот в чем:

Снаряд, вылетевший из огнестрельного оружия, на самом деле имеет свою предельную скорость, зависящую от свойств пороха, длины и геометрии ствола. Она примерно равна 2–2.5 км/сек. А ведь от скорости полета пули зависит ее точность и дальность полета, бронебойность и многие другие важные характеристики, повышение которых может быть достигнуто посредством её увеличения. Именно для увеличения скорости полета пули свыше предельной используют электромагнитные ускорители.

Итак, существует два основных их вида:

1)     Ускорители, построенные по принципу “Рельсотрона”

2)     Ускорители, построенные по принципу пушки Гаусса или пушки Томпсона.

Поговорим про первый вид пушек. Он основан на действии силы Ампера, которая возникает в проводниках, находящихся во внешнем магнитном поле. Такие пушки состоят из двух проводников (рельсов), подключенных к источнику большого постоянного напряжения. На рельсы ставится проводящее электрический ток тело и приобретает ускорение под действием силы Ампера, о которой было упомянуто ранее.

Сам термин Рельсотрон был предложен нашим соотечественником — Львом Арцимовичем в 1950-м году для замены существовавшего тогда громоздкого названия “электродинамический ускоритель масс”, который в то время существовал только в теории. Первый прототип такой пушки был сконструирован в 1970-м году и построен Джоном Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом Маршаллом из Новой Зеландии.

Из закона Био — Савара — Лапласа следует, что для бесконечно длинного провода , где l — сила тока в цепи, B(s) — зависимость магнитного поля от расстояния S (расстояния от бесконечного провода до данной точки).

Складывая вектора магнитных полей обоих проводников, получим: , где r — расстояние между проводниками.

Учитывая все вышесказанное, вычислим среднее значение для магнитного поля между проводниками Рельсотрона.

Пусть d — диаметр рельсов (в приближении, что у рельсов цилиндрическая форма), (при d<<r).

По закону Ампера, магнитная сила на проводе с током I, предполагая ширину снаряда — проводника r, мы получим:

Итого, если разгоночная длина ствола = L, ускорение (пренебрегая различными другими силами) ,vo — начальная скорость снаряда перед разгоном, vк (конечная скорость снаряда при выходе из ствола орудия) будет вычисляться так:

(м/с)

Как видно из формул, импульс электрического тока должен быть настолько большим, чтобы придать телу наибольшую силу и ускорение, и достаточно малым, чтобы не испарить тело совсем. Также проводящее тело и рельсы должны иметь наилучшую проводимость, чтобы в системе протекал наибольший ток, снаряд должен обладать как можно меньшей массой, чтобы при заданных параметрах работы электромагнитного поля придать снаряду максимально возможную скорость, а также наибольшей теплоемкостью, чтобы проводить через себя большие токи. Наконец, источник тока должен обладать как можно большей мощностью, чтобы в системе протекал наибольший ток, и наименьшей индуктивностью, чтобы уменьшить величину обратного тока.

Стрелять из такого орудия можно двумя снарядами: проводящим и не проводящим телом. Случай с проводящим телом уже был объяснен ранее и понятен, но вот случай с непроводящим телом рассмотрен не был. Дело в том, что если, например, положить на такие рельсы снаряд, проводящий электрический ток, но с малой теплоемкостью, он испарится и постепенно превратится в проводящую ток плазму — ионизованные испарения проводника, которая далее также продолжит разгоняться. Таким образом Рельсотрон может стрелять и плазмой, но она неустойчива и быстро исчезает в нашей среде. Но такое поведение плазмы в Рельсотроне можно применить по-другому, можно поставить на рельсы непроводящее тело (диэлектрик) а сзади него тем или иным образом зажечь дуговой разряд — плазменную токопроводящую дугу, которую сила Ампера будет прижимать к задней части диэлектрика, которая, активно испаряясь, создаст реактивную струю, под действием которой тело придет в движение.

Теперь рассмотрим механизм работы пушки Гаусса

Пушка Гаусса состоит из соленоида — катушки с небольшой индуктивностью, внутри которой находится ствол из диэлектрика, в который с одной стороны вставляется снаряд из ферромагнетика. При протекании через соленоид внутри него создается электромагнитное поле, которое начинает действовать на ферромагнетик, “затягивая” тот внутрь. Однако в устройстве такой катушки состоит еще одна особенность — при прохождении снарядом середины катушки, соленоид продолжает тянуть снаряд к середине катушки и тормозит снаряд. Это надо учитывать при расчетах. Для придачи большой кинетической энергии снаряду необходим кратковременный мощный импульс тока. С такой задачей справляется конденсатор, ведь основная его функция — накопление и быстрая отдача энергии системе. В любительской установке обычно стоит не больше 1–2 катушек с подключенными к каждой персонально конденсаторами, но при сборке полноценных Пушек Гаусса проводятся расчеты для большой системы конденсаторов (3–5 штук) таким образом, чтобы все они синхронно работали один за другим, делается это следующим образом:

Во-первых, внутренняя энергия конденсатора , необходимо учитывать, что на разгон снаряда, изменение его кинетической энергии идет только часть потенциальной энергии заряженного конденсатора, т. е. , где k— постоянный коэффициент, обычно k лежит в диапазоне (1–7) %

Поле внутри катушки сначала (до прохода снарядом середины катушки) разгоняет снаряд, а затем тормозит его. Для синхронизации всех катушек необходимо знать L — длину катушки, T1- время разряда конденсаторов, T2- время работы катушки индуктивности.

, , где L –индуктивность катушки, C-емкость конденсаторов.

Для того чтобы полностью реализовать потенциал электромагнитных ускорителей, перед ускорением в полость, через которую проходит снаряд при ускорении в электромагнитных ускорителях масс прежде выстреливают из огнестрельного или пневматического орудия;

Преимущества и недостатки таких ускорителей:

Преимущества:

‒          большая дульная энергия в сравнении с огнестрельными орудиями (и все преимущества, из этого вытекающие)

‒          гораздо меньший износ орудия в сравнении с огнестрельными прототипами

‒          меньшая отдача при стрельбе и возможность бесшумной стрельбы

‒          возможность работы в любых условиях

‒          низкая стоимость снаряда в таких установках

Недостатки:

‒          Основная трудность работы таких установок: низкий КПД, редко когда он доходит до ~27 %

‒          вытекающий из первого пункта большой расход энергии

‒          большой вес и габариты при малой эффективности

‒          большая стоимость качественно собранной установки

Из показаний преимуществ и недостатков установки становится понятно, что массово производить такие пушки невозможно, но их выгодно будет разместить на космических станциях, так как в условиях невесомости отсутствие отдачи при стрельбе становится чрезвычайно важным. Также, используя такие установки, можно разогнать снаряды до первой и даже второй космической скорости, что открывает перспективы использования полностью баллистического способа выхода на орбиту.

Итак, перспективы у такого типа орудий существуют, но не в плане стрелкового оружия, а в плане способа транспортировки физических тел на орбиту земли.

 

Литература:

 

  1.      Носов Г. В. Генерирование мощных импульсов тока электромашинными источниками с изменяющейся индуктивностью // Известия Томского политехнического университета. — 2005. — Т. 308. — № 7. — С. 68–70.
  2.      Татур Т. А. Основы теории электромагнитного поля. — М.: Высшая школа, 1989. — 271 с.
  3.      Д. В. Сивухин. Общий курс физики, Электричество т. 3, М.: Наука, 1977, 704 с.
  4.      Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 488 с.
  5.      Электротехнический справочник: в 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. проф. МЭИ В. Г. Герасимова и др. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 488 с.
  6.      Железный В. Б., Лебедев А. Д., Плеханов А. В. Воздействие на динамику ускорения якоря в РЭУ // II Всес. семинар по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле: Материалы. — Новосибирск, 4–6 декабря 1991 г. — Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 1992. — С. 16–32.
  7.      Иродов. Электромагнетизм. Основные законы_2009, 7-е изд, 319с

Полюсные выключатели – надежная защита электросети | Полезные статьи

Полюс выключателя представляет собой часть автоматического выключателя (ВА), которая соединяется с одним изолированным токоведущим путем. Таким образом, полюс автоматического выключателя связан с его внутренними компонентами: электромагнитным и тепловым расцепителями, которые последовательно соединены и входят в конструкцию автомата вместе с клеммами и контактной парой.

 

Особенности и преимущества полюсных выключателей

Электромагнитный расцепитель ВА защищает электропрводку от токов короткого замыкания, а тепловой расцепитель — обеспечивает защиту от превышения тока нагрузки.

Полюсные выключатели разделяются по количеству полюсов – существуют модели с 1, 2, 3 и 4 полюсами. Конструкция автоматических выключателей с большим количеством полюсов является включенными параллельно однополюсными выключателями.

От количества полюсов зависит то, сколько пар питающих проводов можно подключить к автомату: один провод подается на вход выключателя, а второй подключается к выходной клемме.

Преимущества автоматического выключателя перед пробками заключаются в высокой степени безопасности – расцепители надежно защищают проводку от короткого замыкания и перебоев с нагрузкой, что обеспечивает долговечность и отсутствие сбоев с системе электроснабжения квартиры, коттеджа или дома.

Автоматический выключатель 1 полюсный – функциональность и экономичность

Если вас интересует более низкая цена, автоматический выключатель однополюсный станет лучшим вариантом. Этот выключатель имеет две клеммы, к которым подключают питающие провода. Максимальное удаление клемм друг от друга обеспечивает легким монтаж и подключение, а расцепители надежно защищают сеть от перегрузок. Выключатель однополюсный, цена которого более чем доступна, чаще всего используется в однофазных двухпроводных линиях.

Автоматический выключатель 2 полюсный – повышенная безопасность

Двухполюсный автоматический выключатель имеет четыре клеммы для подключения проводов, расположенные на разных сторонах автомата. Этот вид выключателей применяется для приборов с требованиями повышенной электробезопасности. Один полюс выключателя защищает фазный провод, а другой – нулевой провод. В случае если необходимо обесточивание (возможность аварии), выключатель может защищать два фазных провода.

Автоматический выключатель 3х полюсный и 4х полюсный

Выключатель с тремя полюсами имеет три пары клемм и применяется для защиты трехфазных электрических цепей. Также есть возможность подключения трехфазного выключателя таким образом, что один полюс выключает два других, которые подключены к электроприборам. В случае аварии на первом полюсе, электроприборы прекращают работу.

Автоматический выключатель 2 полюсный – повышенная безопасность

Двухполюсный автоматический выключатель имеет четыре клеммы для подключения проводов, расположенные на разных сторонах автомата. Этот вид выключателей применяется для приборов с требованиями повышенной электробезопасности. Один полюс выключателя защищает фазный провод, а другой – нулевой провод. В случае если необходимо обесточивание (возможность аварии), выключатель может защищать два фазных провода.

Четырехполюсный выключатель обладает самым большим количеством клемм — 8 и применяется для защиты трехфазной проводки. Этот вид выключателя можно использовать как одно, двух или трехполюсный, а также реализовать самые разные схемы подключения.

В Германии испытывают электрическое шоссе / Хабр

Теоретически, электрифицированное шоссе – это наиболее эффективный способ избавиться от выхлопа грузовиков. Мешают этому политические проблемы.


Расположенные над дорогой провода обеспечивают грузовики электричеством на участке дороги протяжённостью пять километров, расположенном к югу от Франкфурта. Это позволяет испытать идею электрических шоссе на практике и реальных грузовиках.

На шоссе к югу от Франкфурта Томас Шмайдер перестроил свою гружёную красками фуру Scania в крайний правый ряд. Потом он щёлкнул переключателем, который вы не найдёте на большинстве приборных панелей грузовиков.

На крыше грузовика начало раскрываться устройство, похожее на рамку для сушки белья, на верхушке которого было что-то вроде салазок. И пока Шмайдер продолжал вести грузовик, на мониторе было видно, как металлические салазки поднялись и прикоснулись к идущим поверх полосы проводам.

В кабине стало очень тихо, дизельный двигатель остановился, и вместо него запустились электромоторы. Грузовик остался грузовиком, однако перешёл на такую же тягу, которую используют трамваи, троллейбусы и поезда.

По поводу того, как избавиться от вредных выбросов при перевозках грузов идут споры. Люди подсчитывают, что больше подходит для питания электромоторов в крупных автомобилях — аккумуляторы или водородные ячейки. Шмайдер участвует в испытаниях ещё одной альтернативы – системы, питающей грузовики в движении при помощи проводов, натянутых над дорогой, и токоприёмника, расположенного на крыше кабины.

В каком-то смысле это отличная идея. Система имеет большую эффективность, поскольку доставляет энергию напрямую из энергосети к моторам. Технология экономит деньги и вес, поскольку аккумуляторы обычно бывают тяжёлыми и дорогими. Грузовику, питающемуся от проводов, достаточно будет аккумулятора, который позволит ему доехать от шоссе до точки назначения.

К тому же система получается относительно простой. Немецкая компания Siemens, предоставившая оборудование для испытаний, адаптировала технологии, которые уже много десятилетий используются на железной дороге, в троллейбусах и в трамваях.

В каком-то смысле это безумная идея. Кто будет платить за электрификацию тысяч километров шоссе?

Избавление от выхлопа грузовых автомобилей – важная часть борьбы с изменением климата и загрязнением воздуха. Дальнобойные грузовики вносят непропорционально большой вклад в выброс парниковых газов и других загрязнений, поскольку очень много времени проводят в дороге.

Однако автопроизводители разделились. Два крупнейших производителя грузовиков в мире, Daimler и Volvo, переводят их на водородные топливные ячейки. Они утверждают, что тяжёлые батареи, обеспечивающие приемлемую дальность поездки, не имеет смысла ставить на грузовики – они отнимают часть полезной нагрузки.

Компания Traton, владеющая производителем грузовиков Scania, MAN и Navistar, утверждает, что водород – слишком дорогое и неэффективное топливо с точки зрения энергозатрат на его производство. Traton, главным акционером которой является Volkswagen, наоборот, ставит на постоянно улучшающие свои характеристики аккумуляторы – и на электрифицированные шоссе.

Traton – одна из компаний, спонсировавших проект eHighway к югу от Франкфурта. Кроме неё в проекте участвуют Siemens и Autobahn GmbH – государственная организация, отвечающая за немецкие шоссе. Небольшие отрезки электрических дорог есть также в землях Германии Шлезвиг-Гольштейн и Баден-Вюртемберг. Также такую технологию испытывали в Швеции, а в 2017 году – в США рядом с портом Лос-Анджелеса.

Пока что выбор электрифицированных шоссе в Германии небольшой – отрезок длиной порядка 5 км близ Франкфурта, оснащённый проводами в обе стороны. Цель – испытать повседневное использование системы с реальными грузоперевозками реальных товаров. К концу года эту систему будут использовать около 20 грузовиков.

Шмайдер учился водить грузовик, будучи в армии. Он работает на транспортную компанию Schanz Spedition, расположенную в небольшом городке Обер-Рамштадт, находящемся в холмистом и лесистом регионе примерно в 55 км от Франкфурта.


Провода над дорогой, как их видно из кабины грузовика


Видеотрансляция с камеры, смотрящей на токоприёмник

Если eHighway когда-нибудь начнут развёртывать в крупных масштабах, придётся сделать так, чтобы с ним могли работать компании, подобные Schanz. Это семейная фирма, которой управляют Кристин Хеммель и Керстин Зайберт – сёстры, и правнучки основателя компании. Их отец, Ганс Адам Шанц технически уже на пенсии, однако лично находился за рулём погрузчика, загружавшего паллеты в грузовик, когда Шмайдер готовился отправиться в свою вторую поездку за день для перевозки краски в распределительный центр Франкфурта.

По словам Шмайдера, бизнес процветает, поскольку из-за локдаунов все резко занялись домашним ремонтом, что подстегнуло спрос на краску, производимую на фабрике, расположенной по соседству со штаб-квартирой Schanz.

Шмайдер ездит по одному и тому же маршруту до пяти раз в день. Подобные поездки спонсоры проекта eHighway считают идеальными.

Хассо Грюньес, отвечающий за проект со стороны Siemens, сказал, что логичнее всего будет сначала электрифицировать самые популярные маршруты – к примеру, дорогу из нидерландского порта Роттердам до Дуйсбурга, немецкого промышленного центра. Или это может быть шоссе, соединяющее немецкие порты Гамбург и Любек.

По словам Грюньеса, между этими точками на карте взад и вперёд постоянно курсируют грузовики. Транспортные компании могли бы существенно сэкономить на своей главной статье расходов – горючем, что легко оправдало бы инвестиции в установку токоприёмников на грузовики. В долгосрочной перспективе по расчётам Siemens 4000 км электрифицированных шоссе возьмут на себя 60% всего грузового трафика Германии. Недавно Siemens заявила, что будет сотрудничать с производителем запчастей Continental для массового производства токоприёмников.

Однако задача по прокладке всех этих проводов ляжет на плечи немецкого правительства. Это обойдётся в сумму порядка €2,5 млн на километр.

Министерство окружающей среды Германии, вложившееся в три электрифицированных шоссе, сравнивает результаты их работы с итогами езды грузовиков на водородных топливных ячейках и на аккумуляторах. В министерстве говорят, что через три-четыре года будет принято решение о поддержке той или иной технологии.

По словам представителя министерства, в результате множества исследований было установлено, что несмотря на высокую стоимость возведения инфраструктуры, наиболее эффективным считается решение с проводами над шоссе. Однако при этом аккумуляторы становятся всё дешевле и лучше, а время заряда уменьшается. Как было заявлено, «в итоговом выборе технологии будут учтены общая стоимость инфраструктуры, машин и энергии».

Правительство осторожничает в этом вопросе, поскольку есть риск, что налогоплательщики оплатят электрификацию шоссе, а затем индустрия грузоперевозок откажется от этой технологии, или же она устареет из-за чего-то нового.

По словам Герта де Кока, специалиста по электрификации из брюссельского общественного движения Transport & Environment, «в теории это самая лучшая идея». Но, по его словам, политические препоны – к примеру, согласование технологических стандартов между всеми европейскими правительствами – пока слишком велики.

«Проблема больше в координации, нежели в технологии, — сказал Кок. – Мы её не поддерживаем, потому что считаем, что её не будут реализовывать».


Томас Шмайдер в испытательном грузовике

Шмайдер, водитель грузовика, в технологию верит. На работу в Schanz он устроился в 2019 году, когда этот испытательный проект только начинался – специально, чтобы в нём участвовать.

«Мне всегда был интересен электротранспорт и направление его развития», — сказал он, одновременно выруливая на своей Scania через узкую улочку, ведущую от штаб-квартиры Schanz на шоссе А5. Гибридный грузовик, оснащённый дизельным двигателем, электромотором и небольшим аккумулятор, проехал знак, указывающий на замок Франкенштейна – который, как говорят, стал вдохновением для автора известного романа о монстре.

Вскоре Шмайдер уже заезжал по эстакаде на А5, и стали видны столбы, поддерживающие расположенные над дорогой кабели eHighway. В кабине смена питания едва ощущалась, когда Шмайдер активировал токоприёмник, тянущийся к контактным проводам.

С этих же кабелей подзаряжается и аккумулятор грузовика, в котором хранится достаточно энергии, чтобы проехать на небольшое расстояние в городском трафике без вредного выхлопа. Это ещё одно преимущество системы – eHighway может устранить необходимость в станциях подзарядки, что очень важно для индустрии грузоперевозок, в которой время – это деньги.

«Для инфраструктуры требуется много ресурсов, — написал нам Манфред Болтц, профессор Дармштадтского технологического университета, занимающийся анализом и консультациями. – С другой стороны, она обеспечивает очень большую энергоэффективность, а для поездок за пределами кабелей нужны совсем небольшие аккумуляторы».

Шмайдер положил свои руки на руль, пока автономная система вождения подводила грузовик точно под кабели. Он и другие водители таких грузовиков прошли однодневные курсы обучения по работе с этой системой и устранению проблем – таких, к примеру, как загораживающие полосу автомобили. Такие случаи с ним уже бывали. Он просто вырулил из-под кабелей на другую полосу при помощи дизельного двигателя.

Иногда случались и технические неполадки. Пару раз отказывали датчики. «Но больших проблем не было», — сказал Шмайдер.

Почти все согласны с тем, что крупнейшим препятствием к созданию глобальной сети электрических дорог является не технология. «Мы продемонстрировали, что такие дороги можно построить, — сказал Грюньес. – Теперь вопрос в том, как строить их в больших масштабах».

[PDF] Долгушин А. Н. «Практикум решения физических задач

Download Долгушин А. Н. «Практикум решения физических задач…

Долгушин А. Н. «Практикум решения физических задач»

Раздел 21 «Школьная олимпиада»

Задача №1. «Баллистическая кривая Angry Bird». На рисунке представлена стробоскопическая фотография полёта Angry Bird, летящей

под

углом

к

горизонту из

начала

координат.

Составить

уравнение

баллистической кривой Angry Bird, найдите угол к горизонту, под которым начала полёт Angry Bird и начальную скорость Angry Bird.

1

Задача №2. «На конференции физиков-теоретиков».

На научно-практической конференции физиков-теоретиков сразу два учёных выступили с докладами, сообщавшими, что им удалось получить простые формулы, позволяющие рассчитать силу всемирного тяготения между геометрически правильными однородными телами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. Первый докладчик рассматривал взаимодействие между кубическими телами. По его расчётам получалось, что силу следует вычислять по формуле F  G

m1m2 m1l1  m2 l 2  R3

, где l1 и l2

– соответствующие стороны кубов, а R – расстояние между центрами кубов. Второй докладчик вывел формулу для расчёта силы взаимодействия между однородными

 

m1 R 2  l12 m2 R 2  l 22 тетраэдрами (правильными треугольными пирамидами): F  G , где R6

l1 и l2 – соответствующие стороны треугольников, а R – расстояние между центрами тетраэдров. Чьи расчёты можно признать ошибочными, не прибегая к подробной проверке математических выкладок? Решение Проверка размерности формулы первого докладчика

F   G

m1 m2 m1 l1   m2 l2  Н  м 2 кг  кг  м   Н. кг 2 м3 R3

Проверка размерности формулы второго докладчика

2 2 2 2 2 2 2 F   G  m1  R  l 1 m6 2  R  l 2   Н  м2  кг  м  6кг  м кг м R

Н.

2

С точки зрения размерности представленные формулы обоих докладчиков верны. Согласно принципу соответствия, любая новая теория, претендующая на более точное описание физической реальности, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай. Если удалить кубы или тетраэдры на значительное расстояние (когда l1

Источник импульсных электронных и ионных пучков на основе наносекундного генератора напряжения с согласующим трансформатором

%PDF-1.6 % 1 0 obj > endobj 6 0 obj /Title >> endobj 2 0 obj > endobj 3 0 obj > /Encoding > >> >> endobj 4 0 obj > endobj 5 0 obj > stream

  • Источник импульсных электронных и ионных пучков на основе наносекундного генератора напряжения с согласующим трансформатором
  • Ремнев Геннадий Ефимович; Пушкарев Александр Иванович; Фурман Эдвин Гугович; Ежов В. В.; Гончаров Д. В.; Лопатин В. С.; Степанов А. В.; Макеев В. А.; Гусельников В. И.; Цзень Фень Ли endstream endobj 7 0 obj > endobj 8 0 obj > endobj 9 0 obj > endobj 10 0 obj > endobj 11 0 obj > endobj 12 0 obj > endobj 13 0 obj > endobj 14 0 obj > endobj 15 0 obj > endobj 16 0 obj > stream [email protected]&Md$]ŶNg&lSQՀObB9gF)!;kZUjv)\*،Ό5>7?oRm\Ң+Y mWIj2x%Tdm#U9֚’/TJ9on/_!!\?NښQZl#W»qLmqQUiޚƓTy( Hi’qyR

    Советы при установке сетевой СКУД / Полезные статьи / Обучение

    При монтаже сетевой СКУД существует целый ряд часто встречающихся монтажных ошибок, следствием которых становятся незапланированные работы по их устранению и задержка запуска объекта. Советы, приведенные ниже, являются попыткой систематизировать связанные с этим наиболее типичные просчеты монтажников и потому могут быть полезны, как новичкам, так и опытным специалистам.

    И сразу о терминологии: «земля» — это минус 12 вольт подаваемые с блока питания на контроллер, на клеммах обозначается как «GND», «Ground» и «-12V».

    Сама линия RS-485 это два провода, одним проводом соединяются все клеммы «A», другим – все клеммы «B». Несмотря на кажущуюся простоту, не у всех есть полное понимание, как правильно построить линию связи, а подводных камней здесь много. Озвучим основные правила при прокладке линий RS-485 для СКУД:

    1) Линия обязательно выполняется витой парой. Даже на малых расстояниях простые провода неспособны защитить линию связи от помех. Оптимальным является использование проводов для сетей Ethernet 5 категории, как самых дешёвых и общедоступных. Так же, при прокладке линий вне зданий, следует помнить о том, что не все кабели Ethernet рассчитаны на эксплуатацию в условиях атмосферных воздействий.

    2) Не прокладывайте линию связи вдоль силовых линий 220/380 вольт ближе 20 сантиметров. Если уж деваться некуда, то прокладывайте кабелем, имеющим дополнительную защитную оплетку, и заземляйте её, где только возможно. Это важно и является, в том числе, одним из требований электробезопасности. Если приходится пересекать силовые линии, то только под прямым углом. Исполнение этих правил избавит Вас от пропадания связи с некоторыми контроллерами во время работы кондиционера, обогревателя или другого мощного потребителя. Особенно это касается промышленных зданий, где помехи в сети 220 вольт просто зашкаливают в разгар рабочего дня.

    3) Все устройства должны включаться по очереди в одну линию. Всякие «деревья» и «веера» это опасный путь. Чем делать «ветку» на 2 метра в сторону, лучше все-таки сделать петлю в 4 метра. Петля хоть и вредит связи за счет удлинения линии, но гораздо меньше, чем боковые отводы. Так же следует помнить, что конвертер не обязательно должен быть на конце линии. И если линия получается длиной более 1000 метров или более 40 устройств, следует поискать решения по её разбиению на части, за счёт использования дополнительных конвертеров.

    4) На концах линии для подавления эха должен быть включен нагрузочный резистор сопротивлением 120 Ом. На многих устройствах он уже есть, нужно просто установить перемычку «LOAD» для его включения. Если такого резистора на устройстве нет, то он должен идти в комплекте поставки и подключаться к проводам A и B на разъёме. Итак, на всю линию всего два резистора на крайних устройствах. Если в линии всего два устройства, то на обоих по резистору. Если конвертер или контроллер не стоит на краю линии, то подключать резистор не нужно.

    5) Всегда объединяйте земли у всех контроллеров. Это жизненно важно для длинных (более 50 метров) линий и при большом числе устройств (более 5) на линии. Нужно это для выравнивания разности потенциалов возникающих между источниками питания контроллеров. В случае питания контроллеров от разных фаз сети переменного тока такое подключение может понадобиться и при двух контроллерах в линии. С разницей до 5 вольт контроллер справится сам, а вот разница более 15 вольт уже может вывести его узел связи из строя. Поэтому при прокладке линии рекомендуется использовать две витых пары, одной ведут саму линию связи, а другой, объединив оба провода, соединяют земли, обеспечивая тем самым устойчивую работу линии связи. На конверторе клемма для подключения земли обозначена буквой «G».

    6) Расположение конвертора в линии связи не существенно, но все-таки есть простое правило, чем ближе контроллер к конвертеру, тем лучше. Следствием из этого правила является расположение конвертера в центре линии связи. Однако следование этому правилу не должно приводить к значительному удлинению линии. Так как, чем короче линия связи, тем лучше.

    7) Перед монтажом уточните, умеет ли ПО самостоятельно настраивать сетевой адрес контроллерам. Если – нет, то выполните настройку до монтажа – это сэкономит время запуска.

    Dallas, TM и iButton Все эти слова в СКУД синонимы, так как являются названием одного и того же интерфейса для подключения считывателей. Также при расстоянии более 2 метров настоятельно рекомендуется витая пара, а с расстоянием более 30 метров не экспериментировать. Для подключения нужно как минимум две пары – одна сам сигнал, повитый с проводом, подключенным к земле, вторая питание +12 вольт, также повитый с проводом, подключенным к земле. И вообще, чем больше и толще провода соединяющие землю контроллера с землёй считывателя, тем лучше работа. Так же следует отметить, что подавать +12 вольт на считыватель желательно через самовосстанавливающийся предохранитель, например, «MF-R050». Установить его рекомендуется как можно ближе к контроллеру или блоку питания. Он защитит систему от выхода из строя при коротком замыкании проводов питания на считывателе. Учитывая, что линия пассивна пока нет карты, можно к одному контроллеру подключать несколько считывателей, при условии, что будет поднос карты только к одному из них. Несколько контроллеров подключать к одному считывателю нельзя. При использовании считывателей серии Matrix следует обратить внимание, что изначально на большинстве из них включен протокол Wiegand, а для включения протокола iButton один из выводов необходимо подключить к земле. К сожалению, не везде один и тот же, поэтому уточняйте в инструкции для каждой модели считывателя.

    Wiegand (Виганд) Этот способ подключения считывателя к контроллеру, использует два информационных сигнала DATA0 и DATA1. Обладает большей дальностью – до 100 метров. В качестве наиболее часто встречающейся ошибки является использование одной витой пары для обоих сигналов. Правильное включение предполагает две витых пары, одна для DATA0/Ground, вторая DATA1/Ground. Правило – «чем лучше земля, тем лучше связь», здесь с увеличением расстояния становится неукоснительным. При подключении следует проверять разрядность передаваемых данных считывателем и готовность их принимать контроллером. Наиболее распространенным является Wiegand-26, если разрядность не указана, то имеется в виду только такая. К недостаткам по сравнению с iButton следует отнести однократность передачи и, как следствие, невозможность выяснить – удерживают карту у считывателя или уже убрали. Но это позволяет подключать не только несколько считывателей к одному контроллеру, но и несколько контроллеров могут быть подключены к одному считывателю.

    Питание Казалось бы, здесь сложно ошибиться, однако тоже бывают ошибки. При большой длине проводов питания 12 вольт, существенную роль начинает играть их сопротивление и индуктивность. Если первая проблема интуитивно понятна любому знакомому с Законом Ома и исправляется более толстым проводом, то вторая не столь очевидна, а при длине проводов питания более 20 метров уже требует применять меры по защите от неё. Сама проблема проявляет в виде мощного кратковременного выброса напряжения в проводах питания в момент выключения тока в замке, причём с выбросом в самом замке это не связано и имеет меньшие масштабы. Поэтому для гашения достаточно установить дополнительный конденсатор возле контроллера, ёмкостью 1000-4700 микрофарад и напряжением в полтора раза большим напряжения питания, то есть при 12 вольтовом питании конденсатор должен быть рассчитан на 18 вольт. И чем длиннее провода и больше ток замка, тем больше должна быть ёмкость конденсатора. Для некоторых кажется естественным установка выключателя в цепь питания контроллера, однако электромагнитному замку в этом случае некуда сбрасывать энергию, если у него нет шунтирующего диода (картинка). Также, является проблемой, слишком большое число проводников, подключаемых к минусу и плюсу блока питания. Попытка скрутить их вместе и затолкнуть в клемму контроллера порой становится не простым испытанием, особенно в ограниченном и плохо освещенном месте. Учитывая большую вероятность выпадения этой скрутки при попытке зажать. Если провода сигнальные, например, от датчиков и считывателей, то можно применить специальные гильзы для обжима, это дает надежный контакт и упрощает заталкивание провода в клемму контроллера. К минусам следует отнести необходимость специального инструмента для обжима и сложности при объединении проводов разных диаметров. Лишенным этих недостатков (за исключением разве что цены) является применение пружинных соединителей WAGO. Их пружинные зажимы одинаково хорошо зажимают и толстые и тонкие провода и не требуют специального инструмента. При должной подготовке во многих случаях монтаж можно провести вообще без отвертки. Две клеммы по пять контактов позволяют быстро и надежно подвести питание и землю ко всем точкам схемы без скруток.

    Замок Ошибок здесь почти не бывает. Однако есть особенности требующие пояснения. Замок представляет собой большой электромагнит, рассчитанный на ток до одного ампера в случае электромагнитного замка и до 3-5 ампер в случае электромеханического. Электромагнитный замок откроется только когда ток в его обмотке полностью прекратится. Для ускорения этого процесса в контроллеры серии Z-5R встроена схема гашения тока, позволяющая остановить его за 0,1 секунды, вместо 0,5-1 секунды при использовании шунтирующего диода. При большом количестве проходов в минуту схема гашения может перегреть силовой ключ, и контроллер выйдет из строя. Поэтому, если число людей проходящих в минуту через дверь более 10, то рекомендуется установить шунтирующий диод, напряжение и ток этого диода должны быть не меньше значений указанных для замка.

    Кнопка, геркон, датчики Контроллер для нормального функционирования получает информацию от датчиков. В общем представлении датчик это просто два контакта, например, реле, геркона, кнопки. Как правило, все они «висят в воздухе», то есть не подключены к каким-либо электрическим цепям и им всё равно, куда подключен сигнальный провод, а куда — земляной. Выходные транзисторы оптронов турникета – тоже датчики, только полярные, им уже важно, куда подключать землю, куда сигнал. Подключение лучше выполнять всё той же витой парой, только частотные свойства здесь не важны, а важна помехозащищенность, которую обеспечивает витая пара. Таким образом, сигнал подается по одному проводу пары, а земля по-другому. Не рекомендуется использовать земляной провод для подключения других устройств – считывателей и тем более замков. Если расстояние менее 2 метров, то возможно применение не витого провода и использование общего земляного провода для кнопки и геркона. Но при расстояниях более 5 метров лучше не экспериментировать и использовать витую пару. При использовании резисторного способа идентификации датчиков рекомендуется витая пара при любом расстоянии до контроллера, резистор можно устанавливать с любой стороны, или возле датчика, или возле контроллера. При установке резисторов возле датчика можно обойтись одной витой парой, если оба датчика подключаются к одному входу. При расстоянии более 30 метров резисторную идентификацию лучше не использовать.

    Автор статьи: Журавский Александр.
    Вернуться к списку новостей

    ускоритель частиц | инструмент | Britannica

    Принципы ускорения частиц

    Ускорители частиц существуют во многих формах и размерах (даже широко распространенный телевизионный кинескоп в принципе является ускорителем частиц), но самые маленькие ускорители имеют общие элементы с более крупными устройствами. Во-первых, все ускорители должны иметь источник, который генерирует электрически заряженные частицы — электроны в случае телевизионной трубки и электроны, протоны и их античастицы в случае более крупных ускорителей.Все ускорители должны иметь электрические поля для ускорения частиц и магнитные поля для управления траекторией частиц. Кроме того, частицы должны проходить через хороший вакуум — то есть в контейнере с минимально возможным остаточным воздухом, как в телевизионной трубке. Наконец, все ускорители должны иметь средства обнаружения, подсчета и измерения частиц после того, как они были ускорены в вакууме.

    Генерация частиц

    Электроны и протоны, частицы, наиболее часто используемые в ускорителях, присутствуют во всех материалах, но для ускорителя соответствующие частицы должны быть отделены.Электроны обычно производятся точно так же, как в телевизионной кинескопе, в устройстве, известном как электронная «пушка». Пушка содержит катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается так, что электроны отрываются от атомов в материале катода. Отрицательно заряженные испускаемые электроны притягиваются к аноду (положительному электроду), где проходят через отверстие. Сама пушка фактически представляет собой простой ускоритель, поскольку электроны движутся через электрическое поле, как описано ниже.Напряжение между катодом и анодом в электронной пушке обычно составляет 50 000–150 000 вольт или 50–150 киловольт (кВ).

    Как и электроны, протоны есть во всех материалах, но только ядра атомов водорода состоят из отдельных протонов, поэтому газообразный водород является источником частиц для ускорителей протонов. В этом случае газ ионизируется — электроны и протоны разделяются в электрическом поле, а протоны выходят через отверстие. В больших ускорителях частиц высоких энергий протоны часто сначала образуются в виде отрицательных ионов водорода.Это атомы водорода с дополнительным электроном, которые также образуются при ионизации газа, первоначально в виде молекул из двух атомов. С отрицательными ионами водорода легче обращаться на начальных этапах работы больших ускорителей. Позже их пропускают через тонкую фольгу, чтобы отделить электроны до того, как протоны перейдут к конечной стадии ускорения.

    Ключевой особенностью любого ускорителя частиц является ускоряющее электрическое поле. Самый простой пример — это однородное статическое поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами (напряжениями), очень похожее на поле, которое существует между выводами электрической батареи.В таком поле электрон, несущий отрицательный заряд, чувствует силу, которая направляет его к положительному потенциалу (аналогично положительному полюсу батареи). Эта сила ускоряет электрон, и если электрону ничто не препятствует, его скорость и энергия увеличиваются. Электроны, движущиеся к положительному потенциалу по проводу или даже в воздухе, будут сталкиваться с атомами и терять энергию, но если электроны проходят через вакуум, они будут ускоряться по мере продвижения к положительному потенциалу.

    Разница в электрическом потенциале между положением, в котором электрон начинает движение через поле, и местом, где он покидает поле, определяет энергию, которую приобретает электрон. Энергия, которую электрон получает при прохождении через разность потенциалов в 1 вольт, известна как 1 электрон-вольт (эВ). Это крошечное количество энергии, эквивалентное 1,6 × 10 −19 джоулей. Энергия летающего комара примерно в триллион раз больше. Однако в телевизионной трубке электроны ускоряются более чем на 10 000 вольт, что дает им энергию более 10 000 эВ или 10 килоэлектрон-вольт (кэВ).Многие ускорители частиц достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых в мегаэлектронвольтах (МэВ, или миллион эВ), гигаэлектронвольтах (ГэВ, или миллиард эВ) или тераэлектронвольтах (ТэВ, или триллион эВ).

    Некоторые из самых ранних конструкций ускорителей частиц, такие как умножитель напряжения и генератор Ван де Граафа, использовали постоянные электрические поля, создаваемые потенциалами до миллиона вольт. Однако работать с таким высоким напряжением непросто. Более практичной альтернативой является многократное использование более слабых электрических полей, создаваемых более низкими напряжениями.Этот принцип используется в двух общих категориях современных ускорителей элементарных частиц — линейных ускорителях (или линейных ускорителях) и циклических ускорителях (в основном, циклотроне и синхротроне). В линейном ускорителе частицы проходят один раз через последовательность ускоряющих полей, тогда как в циклической машине они проходят по круговой траектории много раз через одни и те же относительно небольшие электрические поля. В обоих случаях конечная энергия частиц зависит от кумулятивного эффекта полей, так что множество маленьких «толчков» складываются вместе, давая объединенный эффект одного большого «толчка».”

    Повторяющаяся структура линейного ускорителя, естественно, предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения для создания электрических полей. Например, положительно заряженная частица, ускоренная в сторону отрицательного потенциала, получит новый толчок, если потенциал станет положительным при прохождении частицы. На практике напряжения должны изменяться очень быстро. Например, при энергии 1 МэВ протон уже движется с очень высокой скоростью — 46 процентов скорости света — так что он преодолевает расстояние около 1.4 метра (4,6 фута) за 0,01 микросекунды. (Одна микросекунда составляет миллионную долю секунды.) Это означает, что в повторяющейся структуре длиной несколько метров электрические поля должны чередоваться, то есть менять направление, с частотой не менее 100 миллионов циклов в секунду, или 100 мегагерц ( МГц). И линейные, и циклические ускорители обычно ускоряют частицы с помощью переменных электрических полей, присутствующих в электромагнитных волнах, обычно на частотах от 100 до 3000 МГц, то есть в диапазоне от радиоволн до микроволн.

    Электромагнитная волна представляет собой комбинацию колеблющихся электрических и магнитных полей, колеблющихся под прямым углом друг к другу. Ключ к ускорителю частиц состоит в том, чтобы настроить волну так, чтобы, когда частицы прибывают, электрическое поле было в направлении, необходимом для их ускорения. Это можно сделать с помощью стоячей волны — комбинации волн, движущихся в противоположных направлениях в замкнутом пространстве, подобно звуковым волнам, вибрирующим в органной трубе. В качестве альтернативы, для очень быстро движущихся электронов, которые движутся очень близко к скорости света (другими словами, близко к скорости самой волны), бегущая волна может использоваться для ускорения.

    Важным эффектом, который проявляется в ускорении в переменном электрическом поле, является «фазовая стабильность». За один цикл своего колебания переменное поле проходит от нуля через максимальное значение до нуля, а затем падает до минимума, прежде чем снова вернуться к нулю. Это означает, что поле дважды проходит через значение, соответствующее ускорению, например, во время подъема и спада через максимум. Если частица, скорость которой увеличивается, прибывает слишком рано, когда поле растет, она не будет испытывать такое сильное поле, как должно, и поэтому не получит такого сильного толчка.Однако, когда он достигнет следующей области ускоряющихся полей, он прибудет с опозданием и, таким образом, получит более высокое поле — другими словами, слишком большой толчок. Конечным эффектом будет фазовая стабильность, то есть частица будет удерживаться в фазе с полем в каждой области ускорения. Другой эффект будет заключаться в группировке частиц во времени, так что они будут формировать последовательность сгустков, а не непрерывный пучок частиц.

    Направляющие частицы

    Магнитные поля также играют важную роль в ускорителях частиц, поскольку они могут изменять направление заряженных частиц.Это означает, что их можно использовать для «изгиба» пучков частиц по круговой траектории, чтобы они неоднократно проходили через одни и те же ускоряющиеся области. В простейшем случае заряженная частица, движущаяся в направлении, перпендикулярном направлению однородного магнитного поля, испытывает силу, действующую под прямым углом как к направлению частицы, так и к полю. Эффект этой силы заключается в том, чтобы частица двигалась по круговой траектории, перпендикулярной полю, пока она не покинет область действия магнитной силы или на нее не действует другая сила.Этот эффект проявляется в циклических ускорителях, таких как циклотроны и синхротроны. В циклотроне большой магнит используется для создания постоянного поля, в котором частицы движутся по спирали наружу по мере того, как они получают энергию, и тем самым ускоряются в каждом контуре. В синхротроне, напротив, частицы движутся по кольцу постоянного радиуса, в то время как поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается по мере ускорения частиц. Магниты с этой функцией «изгиба» представляют собой диполи — магниты с двумя полюсами, северным и южным, с С-образным профилем, так что пучок частиц может проходить между двумя полюсами.

    Вторая важная функция электромагнитов в ускорителях частиц — фокусировать пучки частиц, чтобы сделать их как можно более узкими и интенсивными. Самая простая форма фокусирующего магнита — квадруполь, магнит, состоящий из четырех полюсов (два северных и два южных), расположенных друг напротив друга. Такое расположение толкает частицы к центру в одном направлении, но позволяет им распространяться в перпендикулярном направлении. Таким образом, квадруполь, предназначенный для горизонтальной фокусировки луча, позволяет лучу выходить из фокуса по вертикали.Чтобы обеспечить правильную фокусировку, квадрупольные магниты должны использоваться попарно, причем каждый элемент должен иметь противоположный эффект. Более сложные магниты с большим числом полюсов — секступоли и октуполи — также используются для более сложной фокусировки.

    По мере того, как энергия циркулирующих частиц увеличивается, сила направляющего их магнитного поля увеличивается, что, таким образом, удерживает частицы на одном и том же пути. «Импульс» частиц впрыскивается в кольцо и разгоняется до желаемой энергии, прежде чем он будет извлечен и доставлен в эксперименты.Извлечение обычно достигается с помощью «кикерных» магнитов, электромагнитов, которые включаются ровно на время, достаточное для того, чтобы «выбить» частицы из кольца синхротрона и вдоль линии луча. Затем поля в дипольных магнитах уменьшаются, и машина готова к приему следующего импульса частиц.

    Встречающиеся частицы

    Большинство ускорителей частиц, используемых в медицине и промышленности, создают пучок частиц для определенной цели — например, для лучевой терапии или ионной имплантации.Это означает, что частицы используются один раз, а затем выбрасываются. В течение многих лет то же самое относилось к ускорителям, используемым в исследованиях физики элементарных частиц. Однако в 1970-х годах были разработаны кольца, в которых два пучка частиц циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются на каждом контуре машины. Главное преимущество таких машин состоит в том, что при лобовом столкновении двух лучей энергия частиц переходит непосредственно в энергию взаимодействия между ними. Это контрастирует с тем, что происходит, когда энергетический луч сталкивается с покоящимся материалом: в этом случае большая часть энергии теряется на приведение в движение материала мишени в соответствии с принципом сохранения количества движения.

    Некоторые машины с встречным пучком были построены с двумя кольцами, которые пересекаются в двух или более положениях, при этом пучки одного вида циркулируют в противоположных направлениях. Еще более распространенными были коллайдеры между частицами и античастицами. Античастица имеет электрический заряд, противоположный соответствующей частице. Например, антиэлектрон (или позитрон) имеет положительный заряд, а электрон — отрицательный. Это означает, что электрическое поле, ускоряющее электрон, будет замедлять позитрон, движущийся в том же направлении, что и электрон.Но если позитрон движется через поле в противоположном направлении, он почувствует противоположную силу и будет ускорен. Точно так же электрон, движущийся через магнитное поле, будет изгибаться в одном направлении, скажем влево, в то время как позитрон, движущийся таким же образом, будет изгибаться в противоположном направлении — вправо. Однако, если позитрон движется через магнитное поле в направлении, противоположном электрону, его путь все равно будет изгибаться вправо, но по той же кривой, что и электрон, изгибающийся влево.Взятые вместе, эти эффекты означают, что антиэлектрон может перемещаться по кольцу синхротрона, направляемый теми же магнитами и ускоряемый теми же электрическими полями, которые влияют на электрон, движущийся в противоположном направлении. Многие из машин со встречным пучком наивысшей энергии были коллайдерами частицы-античастицы, так как требуется только одно кольцо ускорителя.

    Как указано выше, луч в синхротроне не представляет собой непрерывный поток частиц, а сгруппирован в «сгустки». Пучок может быть длиной в несколько сантиметров и шириной в одну десятую миллиметра и может содержать около 10 12 частиц — фактическое количество зависит от конкретной машины.Однако это не очень плотно; нормальное вещество аналогичных размеров содержит около 10 23 атомов. Поэтому, когда пучки частиц — или, точнее, сгустки частиц — пересекаются в машине встречных пучков, существует лишь небольшая вероятность того, что две частицы будут взаимодействовать. На практике пучки могут продолжаться по кольцу и снова пересекаться. Чтобы сделать возможным повторное пересечение пучка, вакуум в кольцах машин встречных пучков должен быть особенно хорошим, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов без потерь из-за столкновений с остаточными молекулами воздуха.Поэтому кольца также называют накопительными кольцами, поскольку пучки частиц фактически хранятся в них в течение нескольких часов.

    Обнаружение частиц

    В большинстве случаев использование пучков ускорителей частиц требует некоторого способа обнаружения того, что происходит, когда частицы ударяются о цель или другой пучок частиц, движущийся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны, выстреливаемые из электронной пушки, попадают в специальные люминофоры на внутренней поверхности экрана, и они излучают свет, который, таким образом, воссоздает телевизионные изображения.С ускорителями частиц аналогично специализированные детекторы реагируют на рассеянные частицы, но эти детекторы обычно предназначены для создания электрических сигналов, которые могут быть преобразованы в компьютерные данные и проанализированы компьютерными программами. Только электрически заряженные частицы создают электрические сигналы при движении через материал — например, путем возбуждения или ионизации атомов — и могут быть обнаружены напрямую. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или фотоны, должны обнаруживаться косвенно по поведению заряженных частиц, которые они сами приводят в движение.

    Существует множество детекторов частиц, многие из которых наиболее полезны в определенных обстоятельствах. Некоторые из них, такие как знакомый счетчик Гейгера, просто подсчитывают частицы, тогда как другие используются, например, для записи треков заряженных частиц или для измерения скорости частицы или количества переносимой ею энергии. Современные детекторы различаются по размеру и технологии: от небольших устройств с зарядовой связью (ПЗС) до больших наполненных газом камер, пронизанных проводами, которые обнаруживают ионизированные следы, создаваемые заряженными частицами.

    История

    Большая часть разработки ускорителей частиц была мотивирована исследованиями свойств атомных ядер и субатомных частиц. Начиная с открытия британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1919 году реакции между ядром азота и альфа-частицей, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с альфа-частицами, высвобождаемыми при распаде естественных радиоактивных элементов. Природные альфа-частицы имеют кинетическую энергию до 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада более тяжелых ядер альфа-частицами необходимо будет искусственно ускорить ионы альфа-частиц до еще более высоких энергий.В то время казалось мало надежды на создание лабораторных напряжений, достаточных для ускорения ионов до желаемых энергий. Однако расчет, сделанный в 1928 году Джорджем Гамовым (тогда в Геттингенском университете, Германия), показал, что могут быть полезны ионы значительно меньшей энергии, и это стимулировало попытки построить ускоритель, который мог бы обеспечить пучок частиц, пригодный для ядерной энергетики. исследовательская работа.

    Другие разработки того периода продемонстрировали принципы, которые до сих пор используются при проектировании ускорителей элементарных частиц.Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были выполнены в Англии в Кембриджском университете Джоном Дугласом Кокрофтом и E.T.S. Уолтоном в 1932 году. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до энергии 710 кэВ и показали, что они реагируют с ядром лития с образованием двух энергичных альфа-частиц. К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Дж. Ван де Грааф сконструировал первый электростатический высоковольтный генератор с ленточным зарядом.Умножители напряжения типа Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван де Граафа все еще используются в качестве источников энергии для ускорителей.

    Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928 году. В Рейнско-Вестфальском техническом университете в Аахене, Германия, Видероэ использовал переменное высокое напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, вдвое превышающих получаемые. одним приложением пикового напряжения. В 1931 году в США Эрнест О.Лоуренс и его помощник Дэвид Х. Слоан из Калифорнийского университета в Беркли использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до уровня более 1,2 МэВ. Эта работа увеличила достижения Видероэ в ускорении тяжелых ионов, но ионные пучки не были полезны в ядерных исследованиях.

    Магнитно-резонансный ускоритель, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация линейного резонансного ускорителя Видероэ. Ученик Лоуренса М.С. Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, производя ионы с энергией 80 кэВ; в 1932 г. Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов до более чем 1 МэВ.Позже, в 1930-х годах, энергии циклотронов достигли около 25 МэВ, а энергии генераторов Ван де Граафа — около 4 МэВ. В 1940 году Дональд В. Керст, применив результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, построил первый бетатрон, ускоритель электронов с магнитной индукцией, в Университете Иллинойса.

    После Второй мировой войны в науке о ускорении частиц до высоких энергий произошло стремительное развитие. Инициаторами прогресса выступили Эдвин Мэттисон Макмиллан в Беркли и Владимир Иосифович Векслер в Москве.В 1945 году оба человека независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предложила средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе и, таким образом, сняла очевидное ограничение на энергию резонансных ускорителей для протонов ( см. Ниже Циклотроны: классические циклотроны) и сделала возможным создание магнитно-резонансных ускорителей (так называемых синхротронов). ) для электронов. Фазовая фокусировка, реализация принципа фазовой стабильности, была незамедлительно продемонстрирована созданием небольшого синхроциклотрона в Калифорнийском университете и электронного синхротрона в Англии.Вскоре после этого был построен первый протонный линейный резонансный ускоритель. Все большие протонные синхротроны, построенные с тех пор, зависят от этого принципа.

    В 1947 году Уильям У. Хансен из Стэнфордского университета в Калифорнии сконструировал первый линейный ускоритель электронов на бегущей волне, используя микроволновую технологию, которая была разработана для радаров во время Второй мировой войны.

    Прогресс в исследованиях, который стал возможным благодаря увеличению энергии протонов, привел к созданию все более крупных ускорителей; Тенденция была остановлена ​​только затратами на изготовление необходимых огромных магнитных колец — самое большое из них весит примерно 40 000 тонн.Способ увеличения энергии без увеличения масштаба машин был предоставлен демонстрацией в 1952 году Ливингстоном, Эрнестом Д. Курантом и Х.С. Снайдера техники переменно-градиентной фокусировки (иногда называемой сильной фокусировкой). Синхротроны, использующие этот принцип, нуждались в магнитах только 1 / 100 размера, который потребовался бы в противном случае. Все недавно построенные синхротроны используют переменно-градиентную фокусировку.

    В 1956 году Керст понял, что, если два набора частиц могут поддерживаться на пересекающихся орбитах, должна быть возможность наблюдать взаимодействия, при которых одна частица сталкивается с другой, движущейся в противоположном направлении.Применение этой идеи требует накопления ускоренных частиц в петлях, называемых накопительными кольцами ( см. Ниже накопительные кольца на встречных пучках). Наибольшая энергия реакции, достижимая в настоящее время, была получена с использованием этого метода.

    Уравнения Максвелла: предсказание и наблюдение электромагнитных волн

    Цель обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Переформулируйте уравнения Максвелла.

    Рисунок 1.Джеймс Клерк Максвелл, физик 19-го века, разработал теорию, объясняющую взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, и правильно предсказал, что видимый свет вызывается электромагнитными волнами. (кредит: Г. Дж. Стодарт)

    Шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) считается величайшим физиком-теоретиком XIX века. (См. Рис. 1.) Хотя он умер молодым, Максвелл не только сформулировал полную электромагнитную теорию, представленную уравнениями Максвелла , он также разработал кинетическую теорию газов и внес значительный вклад в понимание цветового зрения и природы Сатурна. кольца.

    Максвелл объединил всю работу, проделанную блестящими физиками, такими как Эрстед, Кулон, Гаусс и Фарадей, и добавил свои собственные идеи для разработки всеобъемлющей теории электромагнетизма. Уравнения Максвелла здесь перефразированы словами, потому что их математическая формулировка выходит за рамки этого текста. Однако уравнения показывают, как простые математические утверждения могут элегантно объединять и выражать множество понятий — почему математика является языком науки.

    Уравнения Максвелла

    1. Линии электрического поля берут начало от положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами. Электрическое поле определяется как сила, приходящаяся на единицу заряда испытательного заряда, а сила силы связана с электрической постоянной ε 0 , также известной как диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из первого уравнения Максвелла мы получаем особую форму закона Кулона, известную как закон Гаусса для электричества.
    2. Линии магнитного поля непрерывны, не имеют ни начала, ни конца.О существовании магнитных монополей не известно. Сила магнитной силы связана с магнитной постоянной μ 0 , также известной как проницаемость свободного пространства. Это второе из уравнений Максвелла известно как закон Гаусса для магнетизма.
    3. Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) и, следовательно, электрическое поле. Направление ЭДС противодействует изменению. Эта треть уравнений Максвелла является законом индукции Фарадея и включает в себя закон Ленца.
    4. Магнитные поля создаются движущимися зарядами или изменяющимися электрическими полями. Эта четвертая часть уравнений Максвелла включает закон Ампера и добавляет еще один источник магнетизма — изменение электрических полей.

    Уравнения Максвелла охватывают основные законы электричества и магнетизма. Что не так очевидно, так это симметрия, которую Максвелл ввел в свои математические рамки. Особенно важно его добавление к гипотезе о том, что изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля.Это в точности аналогично (и симметрично) закону индукции Фарадея и подозревалось в течение некоторого времени, но прекрасно вписывается в уравнения Максвелла.

    Симметрия проявляется в самых разных ситуациях. В современных исследованиях симметрия играет важную роль в поиске субатомных частиц с использованием массивных многонациональных ускорителей частиц, таких как новый Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

    Налаживание связей: объединение сил

    Полная и симметричная теория Максвелла показала, что электрические и магнитные силы не отдельные, а разные проявления одного и того же — электромагнитной силы.Это классическое объединение сил является одной из причин нынешних попыток объединить четыре основных силы в природе — гравитационное, электрическое, сильное и слабое ядерные взаимодействия.

    Поскольку изменяющиеся электрические поля создают относительно слабые магнитные поля, их было нелегко обнаружить во время гипотезы Максвелла. Максвелл, однако, понял, что колеблющиеся заряды, как в цепях переменного тока, создают изменяющиеся электрические поля. Он предсказал, что эти изменяющиеся поля будут распространяться от источника, как волны, создаваемые прыгающей рыбой в озере.

    Волны, предсказанные Максвеллом, будут состоять из колеблющихся электрических и магнитных полей, определяемых как электромагнитная волна (ЭМ волна). Электромагнитные волны будут способны воздействовать на заряды на большом расстоянии от их источника, и, таким образом, их можно будет обнаружить. Максвелл рассчитал, что электромагнитные волны будут распространяться со скоростью, задаваемой уравнением

    .

    [латекс] \ displaystyle {c} = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_ {0} \ epsilon_0}} \\ [/ latex]

    Когда значения для μ 0 и ε 0 вводятся в уравнение для c , мы находим, что

    [латекс] \ displaystyle {c} = \ frac {1} {\ sqrt {\ left (8.8 \ text {m / s} \\ [/ latex]

    — скорость света. Фактически, Максвелл пришел к выводу, что свет — это электромагнитная волна с такой длиной волны, что ее можно обнаружить глазом.

    Должны существовать другие длины волн — еще неизвестно, существуют ли они. Если так, теория Максвелла и его замечательные предсказания подтвердятся, что станет величайшим триумфом физики со времен Ньютона. Экспериментальная проверка произошла через несколько лет, но не раньше смерти Максвелла.

    Наблюдения Герца

    Немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) был первым, кто генерировал и обнаруживал определенные типы электромагнитных волн в лаборатории.Начиная с 1887 года, он провел серию экспериментов, которые не только подтвердили существование электромагнитных волн, но и подтвердили, что они движутся со скоростью света.

    Герц использовал цепь AC RLC (резистор-индуктор-конденсатор), которая резонирует на известной частоте [латекс] f_0 = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} \ [/ латекс] и подключила его к проволочной петле, как показано на рисунке 2. Высокое напряжение, индуцированное через зазор в петле, вызывало искры, которые были видимым свидетельством наличия тока в цепи и помогали генерировать электромагнитные волны.

    Через всю лабораторию Герц подключил еще один контур к другому контуру RLC , который можно было настроить (как циферблат на радио) на ту же резонансную частоту, что и первый, и, таким образом, можно было заставить принимать электромагнитные волны. В этой петле также был зазор, в котором возникали искры, что давало твердое свидетельство приема электромагнитных волн.

    Рис. 2. Устройство, которое Герц использовал в 1887 году для генерации и обнаружения электромагнитных волн. Схема RLC , подключенная к первому контуру, вызвала искры в промежутке в проводном контуре и генерировала электромагнитные волны.Искры в щели во второй петле, расположенной напротив лаборатории, свидетельствовали о том, что волны были приняты.

    Герц также изучил картины отражения, преломления и интерференции генерируемых им электромагнитных волн, проверяя их волновой характер. Он смог определить длину волны по интерференционным картинам и, зная их частоту, мог рассчитать скорость распространения, используя уравнение v = (скорость — или скорость — равна частоте, умноженной на длину волны).Таким образом, Герц смог доказать, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Единица измерения частоты в системе СИ, герц (1 Гц = 1 цикл / сек), названа в его честь.

    Сводка раздела

    • Электромагнитные волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей и распространяются со скоростью света c . Их предсказал Максвелл, который также показал, что
      [латекс] \ displaystyle {c} = \ frac {1} {\ sqrt {{\ mu} _ {0} {\ epsilon} _ {0}}} \\ [ / латекс],
      , где μ 0 — проницаемость свободного пространства, а ε 0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
    • Предсказание Максвелла об электромагнитных волнах стало результатом его формулировки полной и симметричной теории электричества и магнетизма, известной как уравнения Максвелла.
    • Эти четыре уравнения перефразированы в этом тексте, а не представлены в числовом виде, и охватывают основные законы электричества и магнетизма. Первый — это закон Гаусса для электричества, второй — закон Гаусса для магнетизма, третий — закон индукции Фарадея, включая закон Ленца, и четвертый — закон Ампера в симметричной формулировке, который добавляет еще один источник магнетизма — изменение электрических полей.

    Задачи и упражнения

    1. Убедитесь, что правильное значение скорости света c получается, когда числовые значения проницаемости и диэлектрической проницаемости свободного пространства (μ 0 и ε 0 ) вводятся в уравнение [латекс] c = \ гидроразрыв {1} {\ sqrt {{\ mu} _ {0} {\ epsilon} _ {0}}} \\ [/ latex].
    2. Покажите, что, когда вводятся единицы СИ для μ 0 и ε 0 , единицы, заданные правой частью уравнения в приведенной выше задаче, — это м / с.

    Глоссарий

    волны электромагнитные: излучение в виде волн электрической и магнитной энергии

    Уравнения Максвелла: набор из четырех уравнений, составляющих полную, всеобъемлющую теорию электромагнетизма

    Цепь RLC: электрическая цепь, которая включает резистор, конденсатор и катушку индуктивности

    герц: единица СИ, обозначающая частоту электромагнитной волны в циклах в секунду

    скорость света: в вакууме, например в космосе, скорость света постоянна 3 × 10 8 м / с

    электродвижущая сила (ЭДС): энергии, вырабатываемой на единицу заряда, получаемой из источника, производящего электрический ток

    линии электрического поля: узор из воображаемых линий, которые проходят между источником электрического тока и заряженными объектами в окружающей области, со стрелками, направленными от положительно заряженных объектов к отрицательно заряженным объектам.Чем больше линий в узоре, тем сильнее электрическое поле в этой области

    линии магнитного поля: узор из непрерывных воображаемых линий, которые выходят из противоположных магнитных полюсов и входят в них. Плотность линий указывает величину магнитного поля

    .

    Обзор технологических достижений в системе электромагнитных катушек — IJERT

    Сай Чайтанья, Винит Кумар П. K2

    123 Технологический институт Шри Дхармастхалы Манджунатешвара, Уджире, Карнатака, Индия

    Наземная пусковая установка с электрическим приводом может значительно уменьшить сложность и стоимость космических запусков с полезной нагрузкой умеренного веса.В данной статье представлены результаты исследования по оценке требуемых параметров. Это исследование основано на технологии электромагнитной пушки, которая ограничена коаксиальной геометрией, чтобы воспользоваться преимуществом эффективности тесно связанных катушек. Каждая катушка запускается последовательно по мере движения снаряда по каналу ствола. Для стрельбы снарядом без каких-либо химических веществ, без громкого шума и без огня использована гибридная силовая электронная система. Было предположение, что эта статья участвует в этом исследовании.Имея это в виду, в данной статье скромно представлена ​​жемчужина в короне электронного оружия, которая совершает великую революцию в области передовых систем вооружения в нашей стране и заставляет нас гордиться.

  • ВВЕДЕНИЕ

    Спиральное ружье или винтовка Гаусса — это тип ускорителя снарядов, состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейного двигателя, которые ускоряют ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости. Практически во всех конфигурациях ружья катушки и ствол ружья расположены на общей оси.Это не винтовка, так как ствол не нарезной. Название GAUSS происходит от Карла Фридриха Гаусса, который сформулировал математическое описание магнитного эффекта, используемого магнитными ускорителями.

    Разработка винтовочного ружья со снарядами от 10 г до 5 кг и скоростью до 1 км / с. Были проведены исследования по увеличению скорости и его конструктивных особенностей. Он подходит для военных целей и имеет будущее в передовом оружии следующего поколения.

    Спиральные пушки — это электромагнитные пушки, которые используют силу Лоренца [1] () для ускорения снаряда с помощью проводящего снаряда.Он состоит из катушек, расположенных вдоль ствола, поэтому путь разгонного снаряда проходит по центральной оси катушек. Катушки включаются и выключаются в точно рассчитанной по времени последовательности, в результате чего снаряд быстро ускоряется вдоль ствола за счет магнитных сил. Когда он зажигается, переменный ток течет через катушку, создавая переменное магнитное поле. Поле намагничивает железо, что индуцирует в кольце окружной переменный ток. Этот ток отталкивается магнитным полем, заставляя кольцо отскакивать от сердечника на расстояние нескольких метров.

    как пулемет. Он был приведен в действие большим электродвигателем и генератором. Оно появилось во многих современных научных публикациях, но никогда не вызывало интереса у вооруженных сил. Похожий принцип используется в различных областях, таких как линейные двигатели, поезда на магнитной подвеске, американские горки и т. Д. Катушечная пушка использует электромагнетизм для приведения снаряда в движение вместо использования заряда взрывчатого вещества.

    Отсюда его можно назвать бесшумным ружьем или бесшумным пулеметом. Для спирального пистолета требуется высокое напряжение, большая сила тока и высокоскоростные электрические переключатели.У нас может быть более высокая максимальная скорость снаряда. Мощные переключатели чередуют электромагнитные полюса в катушках возбуждения, когда снаряд проходит через катушки. Большинство обычного огнестрельного оружия работает за счет действия расширяющихся газов, выталкивающих снаряд из ствола на высокой скорости. Движущей силой этих систем является детонация пороха, вызывающая взрыв за снарядом, помещенным в трубу. Системы, работающие с порохом, очень громкие и оставляют остатки в стволе и механизме, что делает их склонными к сбоям и требует значительных усилий по очистке для продолжения использования.Благодаря новым исследованиям и инновациям в электронных системах оружия порох может скоро уйти в прошлое. В этом отчете мы познакомимся с конструкцией, работой, конструктивными особенностями и применением винтовки Гаусса.

  • СТРОИТЕЛЬСТВО И РАБОТА

    Катушка ружья состоит из катушки с проволокой, электромагнита и ферромагнитного снаряда [2], размещенного на одном из его концов. Этот тип катушечного пистолета имеет форму соленоида, используемого в электромеханическом реле [3], т.е.е. катушка с током, которая будет протягивать ферромагнитный объект через свой центр. Через катушку с проволокой пропускается большой ток, и образуется сильное магнитное поле, притягивающее снаряд к центру катушки. Когда снаряд приближается к этой точке, электромагнит должен быть выключен, чтобы предотвратить застревание снаряда в центре электромагнита, для этой части используются светочувствительные датчики [4] или инфракрасные датчики [5]. Датчик подключен к цепи. Как только снаряд втягивается в катушку, датчик определяет снаряд и цепь отключается.

    Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше индуцированные токи в кольце, что приводит к большей силе. История гласит, что первое действующее ружейное ружье было разработано и запатентовано норвежским ученым Кристианом Биркеландом в 1904 году. В 1933 году техасский изобретатель Вирджил Ригсби разработал стационарный ружейный пистолет, который был разработан для использования

    Рисунок 1. Схема геометрии спирального пистолета.

    Таким образом, ферромагнитный снаряд вылетает наружу. Снаряд находится на одном конце катушки и притягивается к ее центру за счет магнитной индукции.При отключении тока снаряд движется вперед по стволу, вылетает из пушки и движется к намеченной цели. Сила, приложенная к снаряду, пропорциональна изменению индуктивности катушки относительно изменения положения снаряда и тока, протекающего через катушку. Силы характеризуются током и изменением взаимной индуктивности между снарядом и катушками. Более совершенные конструкции катушечных пистолетов включают в себя ряд катушек ускорителя, переключающих последовательность при движении снаряда по стволу.Сердце этого проекта — миниатюрная бесшумная пушка в миниатюре.

    Для увеличения скорости снаряда есть две основные настройки для ружья: одноступенчатый и многоступенчатый. В одноступенчатом ружье с катушкой используется один электромагнит для запуска снаряда. В многоступенчатом ружье с катушкой используется несколько последовательно расположенных электромагнитов для постепенного увеличения скорости снаряда. Это увеличивает скорость снаряда во много раз.

  • АСПЕКТЫ ДИЗАЙНА

    При разработке ружейного пистолета есть некоторые аспекты, которые следует держать в поле зрения.Как катушка пушка работает по принципу индукции и отталкивания. Необходимо определить характер тока, магнитного поля и т. Д. Это следующие факторы, которым следует уделять большое внимание при разработке ружья с электромагнитной катушкой.

    1. Магнитная цепь

      Ток, протекающий в магнитном поле, испытывает действие силы (уравнение для определения этой силы было результатом экспериментальной работы Ампера и Био-Савара). Два проводника с токами, текущими в одном направлении, притягиваются друг к другу, а два проводника с токами, текущими в противоположном направлении, отталкиваются друг от друга.То же самое касается двух параллельных проводников в форме кольца. Использование токов, текущих в одном направлении, заставляет их притягиваться друг к другу. Использование токов, текущих в противоположных направлениях, заставляет их отталкивать друг друга. Это принцип отталкивания аппарата. Ток в катушке противоположен индуцированному току в снаряде, в результате чего к нему прилагается сила. Но действительно ли ток из катушки противоположен индуцированному току? Переменный ток, приложенный к катушке, создает в сердечнике переменный магнитный поток, который прямо пропорционален току, и индуцирует переменный ток, опережающий / 4 от тока источника.Таким образом, результирующая сила будет отталкивающей за полпериода и притягивающей

      в другой половине. Если бы силы отталкивания и притяжения были одинаковой величины, снаряд оставался бы неподвижным или колебался бы вокруг точки из-за сбалансированного результирующего эффекта. Более тщательный анализ показывает, что этого не происходит. Кольцо действительно запущено, поэтому полученный эффект не может быть сбалансированным. Фактически, силы отталкивания сильнее сил притяжения, создавая общую силу отталкивания.Независимо от трения, ускорение [6] снаряда в ведомой катушке составляет:

      Где,

      Fp = электромагнитная сила, испытываемая снарядом. m = масса снаряда (в кг).

      V 1 = скорость снаряда в момент времени t1. V2 = скорость снаряда в момент времени t2.

    2. Электрическая цепь

      Электроэнергия подается на электромагнит от какого-либо устройства хранения с быстрой разрядкой, обычно от батареи или конденсаторов высокого напряжения большой емкости (по одному на электромагнит), предназначенных для быстрого разряда энергии.Диод используется для защиты компонентов, чувствительных к полярности (например, полупроводников или электролитических конденсаторов), от повреждения из-за обратной полярности напряжения после выключения катушки.

      Рисунок 2. Принципиальная схема ступени спирального пистолета.

      Катушки на катушечном пистолете должны быть подключены в соответствии со схемой, показанной выше. Эта схема была получена из домена Google Images. SCR (кремниевый выпрямитель) [6] используется для управления высоким напряжением, подаваемым на катушку, он действует как переключатель.Обычные переключатели или реле использовать нельзя, поскольку они обычно сжигают контакты в них из-за высокого напряжения и тока. Когда напряжение подается на его затвор через небольшую батарею, диод активируется, и катод и анод могут быть подключены к катушке, как обычный диод. Переключатель, который управляет напряжением затвора, подаваемым на тиристор, по существу управляет током, идущим в катушку, и действует как спусковой крючок для катушечного пистолета. При подключении конденсаторов и катушек следует использовать медные провода большого сечения.

    3. Цепь переключения

    Одно из основных препятствий в конструкции катушечного пистолета — переключение питания через катушки. Есть несколько общих решений; Самым простым является искровой разрядник, который высвобождает накопленную энергию через катушку, когда напряжение достигает определенного порога.

    Лучше использовать твердотельные переключатели; к ним относятся IGBT [7] или силовые MOSFET [8] и SCR. Время срабатывания отдельных катушек в пушке зависит от положения якоря снаряда, а не от заранее запрограммированного времени.Однако после определения правильного положения для данной катушки будет задержка до тех пор, пока ток не потечет из конденсаторной батареи этой катушки.

  • ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОТУ COIL GUN.

    1. Эффективность

      Общая эффективность преобразования энергии определяется соотношением приращения кинетической энергии [9] и исходной энергии электроэнергии в конденсаторах. Уравнение

      Где,

      Втм = приращение кинетической энергии,

      Вт = исходная электрическая энергия, хранящаяся в конденсаторах.

      м = Масса снаряда (в кг).

    2. Повышение температуры змеевика

      Повышение температуры любого змеевика можно рассчитать с помощью следующего уравнения (3).

      Где, Повышение температуры в градусах Цельсия.

      R = сопротивление катушки.

      = Удельная теплоемкость материала змеевика.

      = Масса катушки.

      И теплоемкость, и удельное сопротивление [10] зависят от температуры, что может потребоваться учитывать, когда большой нагрев неизбежен, в противном случае их можно считать постоянными.

      Вообще говоря, пропорционально

      .. (4)

      Где I = ток в катушке.

      N = количество витков катушки.

      B = плотность магнитного потока в катушке.

      Это означает, что для данного ускорения [11] повышение температуры зависит только от геометрии катушки и подводимой энергии, а не от количества витков. Время разряда обычно слишком мало для отвода тепла во время разряда. Принудительное охлаждение с использованием воздуха, воды или масла можно использовать только для отвода тепла между выстрелами.

  • ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

    Системы электромагнитных катушек работают очень тихо, когда снаряды стреляют со скоростью ниже, чем скорость

    .

    звук и требует небольшого обслуживания. Наиболее простое в изготовлении огнестрельное оружие, обладающее высокими характеристиками во время боя. Эти спиральные пистолеты очень универсальны по своей природе, поэтому их можно адаптировать или адаптировать для многих различных областей применения. Эта концепция спиральной пушки имеет обширную область применения, которая включает даже запуск спутников и ракет.Можно навсегда избежать использования взрывных порохов.

    Существует также проблема пиковой мощности, горючие вещества [12] могут выдавать большое количество энергии за короткое время, а для этого необходимы хорошие конденсаторы, поскольку батарея или генератор не могут выдавать достаточную мгновенную мощность. Пользователь может быть убит электрическим током. Прежде чем работать с напряжением более высокого номинала, необходимо принять во внимание надлежащие меры безопасности по изоляции. На выстрелы, сделанные после первого короткого замыкания, может повлиять нагревание рельсов и повышение податливости металла, что может привести к увеличению погрешности, когда пожарная задача требует точности.

  • ПРИМЕНЕНИЕ ИЛИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

      • Гораздо более высокий КПД и энергия могут быть получены с помощью более дорогих и сложных конструкций. В 1978 году Бондалетов в СССР достиг рекордного ускорения на одной ступени, направив 2-граммовое кольцо на скорость 5000 м / с на 1 см длины, но самые эффективные современные конструкции, как правило, включают много ступеней.

      • Планируется

        катапульты самолета электромагнитного типа, в том числе на борту будущего U.Авианосцы класса С. Джеральд Р. Форд. Экспериментальная версия электромагнитной ракетной пусковой установки (EMML) с индукционной катушкой была испытана для запуска ракет томагавк.

      • Система активной защиты танков на базе спиральной пушки находится в стадии разработки в HIT в Китае.

      • самолетов НАСА для создания пусковой установки на базе спиральной пушки для запуска малых спутников.

      Спиральная пушка — это простое приложение закона Лоренца [13]. Тип ускорителя снарядов, состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейного двигателя, который ускоряет ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости.Были кратко представлены физические принципы, которые управляют его работой. Также были приведены некоторые детали конструкции.

      Я хотел бы выразить свою глубокую благодарность профессору Виниту Кумару П.К. за его терпеливое руководство, энтузиазм и полезную критику этой исследовательской работы. Я также хотел бы поблагодарить г-на Судхира ПАИ за его совет держать меня в курсе дела. Моя благодарность также выражается г-ну Санджаю за помощь в расчете питания, необходимого для питания катушки.Наконец, я хочу поблагодарить своих родителей за их поддержку и поддержку на протяжении всего моего исследования.

      [1] Сила Лоренца: сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся со скоростью через электрическое и магнитное поля. Вся электромагнитная сила, действующая на заряженные материалы (железо), образует постоянные магниты. [2] Ферромагнитный снаряд: материал (железо), который можно легко намагнитить, подавая на него ток. [3] Электромеханическое реле: это электромеханический переключатель, используемый для управления, защиты и управления различными цепями или системами.[4] Фоточувствительный датчик: он наиболее чувствителен к интенсивности окружающего света и обычно используется для определения яркости и интенсивности окружающего освещения. [5] Инфракрасный датчик: он используется для определения определенных характеристик окружающей среды путем испускания или обнаружения инфракрасного излучения. [6] Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR): полупроводниковое устройство, которое функционирует как электрически управляемый переключатель. [7] Биполярный транзистор с изолированным затвором: биполярный транзистор с 3 выводами с изолированным затвором, силовой полупроводниковый прибор, который в основном используется в качестве электронного переключателя.[8] Силовой МОП-транзистор: это особый тип металлооксидного полупроводникового полевого транзистора, предназначенный для работы со значительными уровнями мощности. [9] Кинетическая энергия: это работа, необходимая для ускорения тела заданной массы от состояния покоя до заявленной скорости. [10] Удельное сопротивление: фундаментальное свойство, которое количественно определяет, насколько сильно данный материал противостоит прохождению электрического тока. [11] Ускорение: скорость изменения скорости объекта во времени. [12] Горючие вещества: способны воспламеняться и гореть; легковоспламеняющиеся; Бензин.Легковоспламеняющийся. [13] Закон Лоренца: Сила, действующая на заряженную частицу (q), движущуюся со скоростью v через электрическое E и магнитное поле B. [14] Скорость: скорость изменения положения объекта относительно системы отсчета, которая является функцией времени.

      20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила

      Магниты и намагничивание

      Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет. Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в области Малой Азии под названием Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как магнит .Магнитные породы, обнаруженные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами и магнита. Магнитный полюс — это часть магнита, которая оказывает наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита показаны на рисунке 20.2 — это место, где сосредоточены скрепки.

      Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

      Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс — на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться. Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита — южным.

      Рис. 20.3 Компас — это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

      Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой — на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса. И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов.Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс . : полюса отталкиваются, а полюса — притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

      Рис. 20.4. В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

      Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита.Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот. Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе около Земли, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли.По сути, это то, что происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

      Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название. Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

      Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы. Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый магнит меньшего размера с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями — di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

      Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

      Часы Physics

      Введение в магнетизм

      Это видео представляет собой интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

      Проверка захвата

      К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

      1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
      2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
      3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
      4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

      Только некоторые материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами.Такие материалы называются ферромагнетиками, от латинского слова ferrum , обозначающего железо. Другие материалы проявляют слабые магнитные эффекты, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты — так, как железо притягивается к магнитам, — но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно намагнитить или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

      Рисунок 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается, или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

      Когда магнит приближается к предварительно немагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как показано на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

      То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены небольшие и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b).Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

      Рис. 20.8 (a) Немагнитный кусок железа или другого ферромагнитного материала имеет произвольно ориентированные домены. (b) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

      И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, у которых температура Кюри намного ниже, чем комнатная температура, и ферромагнитны только ниже этих температур.

      Snap Lab

      Магниты на холодильник

      Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это на примере двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

      Проверка захвата

      У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

      1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
      2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

      Конспект лекций, глава 1

      Конспект лекций, глава 1

      5.1. Магнитное поле

      Рассмотрим два параллельных прямых провода, по которым течет ток. В провода являются нейтральными, поэтому между ними отсутствует электрическая сила. провода. Тем не менее, если ток в обоих проводах течет по одному и тому же направление, провода притягиваются друг к другу. Если ток в одном из провода перевернуты, провода отталкиваются друг от друга. Сила ответственный за притяжение и отталкивание называется магнитным сила .Магнитная сила, действующая на движущийся заряд q , определяется в условия магнитного поля :


      Векторное произведение требуется, поскольку наблюдения показывают, что сила действует на движущийся заряд перпендикулярно направлению движущегося обвинение. В области, где есть электрическое поле и магнитное поле, Суммарная сила на движущейся силе равна


      Это уравнение называется законом силы Лоренца и дает нам общая электромагнитная сила, действующая на q .Важное отличие между электрическим полем и магнитным полем заключается в том, что электрическое поле действует на заряженную частицу (вызывает ускорение или замедление), в то время как магнитное поле не действует на движущийся заряд. Это прямой Следствие закона силы Лоренца:


      Мы заключаем, что магнитная сила может изменить направление, в котором частица движется, но не может изменить свою скорость.

      Пример: проблема 5.1
      Частица заряда q попадает в область однородного магнитного поле (указывая на страницу). Поле отклоняет частицу на расстояние d над исходной линией полета, как показано на Рисунке 5.1. Это заряд положительное или отрицательное? В терминах a , d , B и q , найти импульс частицы.

      Для производства наблюдаемых отклонение, сила на q на входе в область поля должна быть направлен вверх (см. рисунок 5.1). Поскольку направление движения частицы и направление магнитного поля известны, закон силы Лоренца может быть используется для определения направления магнитной силы, действующей на положительный заряд и на отрицательный заряд. Векторное произведение между и указывает вверх на рис. 5.1 (используйте правило правой руки). Это показывает, что заряд частицы положительный.


      Рисунок 1. Проблема 5.1.

      Величина силы, действующей на движущийся заряд, равна на номер


      В результате действия магнитной силы заряженная частица будет следовать за сферическая траектория. Радиус траектории определяется требование, чтобы магнитная сила обеспечивала центростремительную силу:


      В этом уравнении r — радиус окружности, описывающей Круговая часть траектории заряда q .Уравнение можно использовать для рассчитать r :


      , где p — импульс частицы. Рисунок 5.2 показывает следующее соотношение между r , d и a :


      Это уравнение можно использовать для выражения r через d и a :


      Таким образом, импульс заряда q равен



      Рисунок 2.Проблема 5.2.

      Электрический ток в проводе возникает из-за движения электронов в провод. Направление тока определяется как направление, в котором положительные заряды движутся. Следовательно, в проводнике ток направлен противоположно направлению электронов. Величина тока равна определяется как общий заряд за единицу времени, проходящий через заданную точку провода ( I = дк / дт ). Если ток течет в области с ненулевым магнитное поле, то каждый электрон будет испытывать магнитную силу.Рассмотрим крошечный отрезок провода длиной дл . Предположим, что электронная плотность составляет — λ Кл / м и что каждый электрон движется со скоростью v . Магнитная сила, действующая со стороны магнитного поля на одиночный электрон. равно


      Отрезок провода длиной дл содержит λ дл / э электроны. Следовательно, магнитная сила, действующая на этом участке, равна на номер


      Здесь мы использовали определение тока I в терминах dq и dt :


      В этом выводе мы определили направление быть равным направлению тока (и, следовательно, противоположно направлению направление скорости электронов).Общая сила на проволоке составляет следовательно, равно

      Здесь я предположил, что ток постоянен по всему проводу. Если ток течет по поверхности, обычно это поверхность плотность тока , г. который представляет собой ток на единицу длины, перпендикулярный потоку. Сила на поверхностный ток равен

      Если ток течет через объем, обычно его описывают в терминах объемной плотности тока .Магнитная сила на объемном токе равна

      Поверхностный интеграл плотности тока на поверхности объема В равно общему заряду, выходящему из объем в единицу времени (сохранение заряда):

      Используя теорему о расходимости, мы можем переписать это выражение как


      Так как это должно выполняться для любого объема V , мы должны потребовать, чтобы


      Это уравнение известно как уравнение неразрывности .

      5.2. Закон Био-Савара

      В этом разделе мы обсудим магнитное поле, создаваемое установкой . валют т. Постоянный ток — это продолжающийся поток заряда. навсегда, и будет продолжаться вечно. Эти токи создают магнитные поля постоянные во времени. Магнитное поле, создаваемое постоянным линейным током дается законом Био-Савара :


      где это элемент проволоки, — вектор, соединяющий элемент провода и P , а — постоянная проницаемости, равная

      Единицей измерения магнитного поля является Тесла ( Тл ).Для поверхности и объемных токов закон Био-Савара можно переписать как


      и



      и


      где указывает из бумаги. Таким образом, полное магнитное поле при P составляет равно


      Рисунок 5.3. Проблема 5.9.

      b) Магнитное поле P , создаваемое круглым сегментом токовая петля равна


      где указывает из бумаги.Магнитное поле, создаваемое на P каждым двух линейных сегментов также будут направлены по отрицательной z ось. Величина магнитного поля, создаваемого каждым линейным сегментом, равна только половина поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводом (см. Пример 5 в Гриффитсе):

      Таким образом, общее поле P равно



      Пример: Задача 5.12
      Предположим, у вас есть два бесконечных прямолинейные заряды λ , расстояние d друг от друга, движущиеся на константа v (см. рисунок 5.4). Насколько быстро должны быть v в чтобы магнитное притяжение уравновешивало электрическое отталкивание?


      Рисунок 5.4. Проблема 5.12.

      Когда линейный заряд движется, он выглядит как ток величиной I = λv . Два параллельных тока притягиваются друг к другу, и сила притяжения на единицу длины


      и привлекательно.Электричество, генерируемое одним из проводов, можно найти по закону Гаусса и равно


      Электрическая сила на единицу длины, действующая на другой провод, равна на номер


      и является отталкивающим (как заряды). Электрические и магнитные силы равны сбалансирован при


      или


      Для этого необходимо, чтобы


      Для этого требуется, чтобы скорость v была равна скорости света, и поэтому этого никогда не достичь.Следовательно, при всех скоростях электрический сила будет преобладать.

      5.3. Дивергенция и завиток B . Использование закона Био-Савара для объемного тока мы можем вычислить дивергенцию и ротор :

      и


      Это последнее уравнение называется законом Ампера в дифференциальной форме . Это уравнение можно переписать, используя закон Стокса, как


      Это уравнение называется законом Ампера в интегральной форме. направление вычисления линейного интеграла и направление поверхности вектор элемента должно соответствовать правилу правой руки.
      Закон Ампера всегда верен, но это только полезный инструмент для оценки магнитного поля, если симметрия система позволяет тянуть вне линейного интеграла. Конфигурации, с которыми может работать Ampere’s законом являются:
      1. Бесконечные прямые
      2. Бесконечные плоскости
      3. Бесконечные соленоиды
      4.Тороиды

      Пример: Задача 5.14
      Толстая плита от z = — a до z = несет униформу объемный ток . Найдите магнитное поле как внутри, так и снаружи плиты.


      Рисунок 5.5. Задача 5.14
      Из-за симметрии задачи магнитное поле будет направлено параллельно оси y . Магнитное поле в области выше xy плоскость ( z > 0) будет зеркальным отображением поля в область ниже плоскости xy (плоскость z xy ( z = 0) будет равна нулю.Рассмотрим амперианца цикл, показанный на рисунке 5.5. Ток течет из бумаги, и мы выбрать направление быть параллельным направлению . Следовательно,

      Направление вычисления линейного интеграла должны соответствовать нашему выбору направления (правило правой руки). Для этого требуется, чтобы линейный интеграл от должны оцениваться против часовой стрелки. Линейный интеграл от равно

      Применяя закон Ампера, получаем для :

      Таким образом


      5.4. Векторный потенциал

      Магнитное поле, создаваемое статическим распределением тока, уникально определяется так называемыми уравнениями Максвелла для магнитостатики :


      Точно так же электрическое поле, создаваемое распределением статического заряда, равно однозначно определяется так называемыми уравнениями Максвелла для электростатика :


      Дело в том, что расхождение равен нулю, говорит об отсутствии точечных сборов за .Поэтому силовые линии магнитного поля нигде не начинаются и не заканчиваются (в отличие от силовые линии электрического поля, которые начинаются с положительных точечных зарядов и заканчиваются отрицательными точечные начисления). Поскольку магнитное поле создается движущимися зарядами, магнитное поле поле никогда не может существовать без электрического поля. В напротив, будет существовать только электрическое поле, если заряды не переехать.
      Уравнения Максвелла для магнитостатики показывают, что если ток плотность известна, дивергенция и ротор магнитного поля равны известен.Теорема Гельмгольца указывает, что в этом случае существует вектор потенциал такое, что

      Однако векторный потенциал не определен однозначно. Мы можем добавить к этому градиент любой скалярной функции f без изменения ее локон:


      Расхождение равно

      Оказывается, всегда можно найти скалярную функцию f такую, что векторный потенциал без расхождения.Основная причина введения требования о том, чтобы состоит в том, что он упрощает многие уравнения, включающие векторный потенциал. За Например, закон Ампера, переписанный в терминах это

      или


      Это уравнение аналогично уравнению Пуассона для распределения заряда. ρ :


      Следовательно, векторный потенциал можно рассчитать из текущего аналогично тому, как мы получили V из ρ .Таким образом,

      Примечание: для этих решений требуется, чтобы токи стремились к нулю при бесконечности (аналогично требованию, чтобы ρ стремилось к нулю при бесконечность).

      Пример: Задача 5.22
      Найти магнитный вектор потенциал конечного отрезка прямого провода, по которому течет ток I . Убедитесь, что ваш ответ соответствует ур. (5.35) Гриффитса.

      The ток на бесконечности равен нулю в этой задаче, и поэтому мы можем использовать выражение для через линейный интеграл тока I .Считайте провод расположен вдоль оси z между z 1 и z 2 (см. Рисунок 5.6) и используйте цилиндрические координаты. В векторный потенциал в точке P не зависит от φ (цилиндрическая симметрия) и равняется


      Здесь мы предположили, что начало системы координат выбрано так что P имеет z = 0. Магнитное поле на P может быть получена из векторного потенциала и равна


      , где определены θ 1 и θ 2 на рисунке 5.6. Этот результат идентичен результату примера 5 в Гриффитс.


      Рисунок 5.6. Проблема 5.25.

      С однородна, она не зависит от r , θ и φ и поэтому второй и третий слагаемые в правой части этого уравнения равны нуль. Первый член, выраженный в декартовых координатах, равен
      .

      Четвертый член, выраженный в декартовых координатах, равен


      Следовательно, завиток равно

      Расхождение равно


      Пример: Задача 5.26
      Найдите векторный потенциал выше и ниже плоского поверхностного тока из примера 5.8 в Гриффитсе.

      В примере 5.8 по Гриффитсу, однородный поверхностный ток течет в плоскости xy , направлен параллельно оси x :



      В области над плоскостью xy ( z > 0) магнитная поле равно


      Следовательно,


      В области ниже плоскости xy ( z <0) магнитная поле равно


      Следовательно,


      Мы можем убедиться, что наше решение для правильно, вычислив ротор (которое должно быть равно магнитному полю).Для z > 0:

      Векторный потенциал однако не определен однозначно. Например, и также возможные решения, которые генерируют такое же магнитное поле. Эти решения также удовлетворяют требованию, чтобы .

      5.5. Три основных количества Магнитостатика

      5,6. Граничные условия B

      В главе 2 мы изучили граничные условия электрического поля и пришли к выводу, что электрическое поле испытывает разрыв при поверхностном заряде.Точно так же магнитное поле испытывает разрыв на поверхности Текущий.


      Рисунок 5.7. Граничные условия для .
      Рассмотрим поверхностный ток (см. рисунок 5.7). Поверхностный интеграл над вафельной тонкой ДОТ равен



      , где A — это площадь верхней и нижней части таблетницы. В поверхностный интеграл можно переписать, используя теорему о расходимости:

      поскольку для любого магнитного поля .Следовательно, перпендикулярная составляющая магнитного поля непрерывна при поверхностный ток:

      Линейный интеграл от вокруг контура, показанного на рисунке 5.8 (в пределе ε → 0), составляет равно

      Согласно закону Ампера линейный интеграл от вокруг этого цикла равно


      Рисунок 5.8. Граничные условия для .

      Следовательно, граничное условие для составляющей , г. параллельно поверхности и перпендикулярно току, равно

      Граничные условия для можно объединить в одно уравнение:

      где — единичный вектор, перпендикулярный поверхности и поверхностному току, а указывая «вверх».Векторный потенциал непрерывно при поверхностном токе, но его нормальная производная нет:

      5.7. Мультипольное расширение магнитного Поле

      Для вычисления векторного потенциала локализованного распределения тока при на больших расстояниях мы можем использовать мультипольное разложение. Рассмотрим токовую петлю с током I . Векторный потенциал этой токовой петли можно записать как


      На большом расстоянии только первая пара членов мультипольного разложения необходимо учитывать:


      Первый член называется монопольным членом и равен нулю. (поскольку линейный интеграл от равно нулю для любого замкнутого контура).Второй член, названный диполем термин , обычно является доминирующим термином. Векторный потенциал, порожденный дипольные члены равны

      Это уравнение можно переписать как


      где называется магнитным дипольным моментом токовой петли. Это определено как

      Если токовая петля является плоской (ток находится на поверхности самолет) тогда — площадь треугольника, показанного на рисунке 5.9. Следовательно,

      , где a — это площадь, ограниченная токовой петлей. В этом случае дипольный момент токовой петли равен


      где направление должно соответствовать направлению тока в контуре (правый правило).

      Рисунок 5.9. Расчет .
      Предполагая, что магнитный диполь расположен в начале нашего система координат и что указывает вдоль положительной оси z , получаем для :

      Соответствующее магнитное поле равно


      Форма поля, создаваемого магнитным диполем, идентична форме поля, создаваемого магнитным диполем. форма поля, создаваемого электрическим диполем.

      Пример: проблема 5.33
      Покажите, что магнитное поле диполя можно записать в виде в произвольной форме координат:



      Рисунок 5.10. Проблема 5.33.

      Рассмотрим конфигурацию, показанную на рисунке 5.10. Скалярное произведение между и равно

      Скалярное произведение между и равно

      Следовательно,



      Пример: Задача 5.34
      Круглая проволочная петля с радиусом R , лежит в плоскости xy с центром в начале координат и несет ток I вращается против часовой стрелки, если смотреть со стороны плюса z ось.
      а) Каков его магнитный дипольный момент?
      б) Что это (приблизительно) магнитное поле в точках, удаленных от начала координат?
      c) Покажите, что для точек на z ось, ваш ответ согласуется с точным полем, вычисленным в Пример 6 Гриффитса.

      a) Поскольку токовая петля является плоской, ее дипольный момент легко вычислить. Равно


      б) Магнитное поле на больших расстояниях примерно равно на номер


      c) Для точек на положительной оси z θ = 0 °. Следовательно, для z > 0


      Передние точки на отрицательной оси z θ = 180 °.Следовательно, для z <0


      Точное решение для на положительной оси z

      Для z » R поле примерно равно


      что согласуется с дипольным полем тока петля.

      Пример: Задача 5.35
      Запись фонографа радиуса R , несущий однородный поверхностный заряд σ , вращается на постоянная угловая скорость ω .Найдите его магнитный диполь момент.

      Период вращения диска равен


      Считайте, что диск состоит из большого количества тонких колец. Рассмотрим одинарное кольцо внутреннего радиуса r и dr . Заряд на такой кольцо равно


      Поскольку заряд вращается, движущийся заряд соответствует току dI :


      Следовательно, дипольный момент этого кольца равен


      Полный дипольный момент диска равен


      Освоение физических решений Глава 22 Магнетизм

      Освоение физических решений Глава 22 Магнетизм

      Освоение физических решений

      Глава 22 Магнетизм Q.1CQ
      Две заряженные частицы движутся под углом света к магнитному полю и отклоняются в противоположных направлениях. Можно ли сделать вывод, что частицы имеют противоположные заряды?
      Решение:
      Нет
      Частицы могут иметь заряд одного знака, но двигаться в противоположных направлениях по одной и той же линии. Таким образом, они оба будут двигаться перпендикулярно полю, но отклоняться в противоположном направлении.

      Глава 22 Магнетизм Q.1P
      CE Предсказание / объяснение Протон 1 движется со скоростью v от восточного побережья к западному в континентальной части Соединенных Штатов; протон 2 движется с той же скоростью с юга США в сторону Канады.(а) Является ли величина магнитной силы, испытываемой протоном 2, больше, меньше или равна силе, действующей на протон 1? (b) Выберите лучшее объяснение из следующего:
      I. Протоны испытывают одинаковую силу, потому что магнитное поле одинаково и их скорости одинаковы.
      II. Протон 1 испытывает большую силу, потому что он движется под прямым углом к ​​магнитному полю.
      III. Протон 2 испытывает большую силу, потому что он движется в том же направлении, что и магнитное поле.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.2CQ
      Электрон движется с постоянной скоростью через область пространства, свободную от магнитных полей. Можно ли сделать вывод, что электрическое поле в этой области равно нулю? Объяснять.
      Решение:
      Ответ:
      Да,
      Если в этой области пространства существует электрическое поле, а магнитное поле отсутствует, электрическое поле будет воздействовать на электрон и заставляет его ускоряться.

      Глава 22 Магнетизм Q.2P
      CE Электрон движется с запада на восток в континентальной части Соединенных Штатов. Приводит ли магнитная сила, испытываемая электроном, к направлению, которое обычно является северным. юг, восток, запад. вверх. или вниз? Объясните
      Решение:
      Вспомните, что Земля имеет свое собственное магнитное поле. Генерируемое поле похоже на поле, создаваемое стержневым магнитом, полюс которого находится рядом с географическим полюсом Земли. магнитный север
      расположен в северной части Канады.магнитное поле в континентальной части США направлено в первую очередь на север. Рассмотрим электрон, движущийся с запада на восток в континентальной части США. Вектор скорости будет указывать на восток, а магнитное поле — на север.
      Используйте правило правой руки, чтобы найти направление движения. магнитная сила. Согласно правилу правой руки, направление магнитной силы будет направлением вашего большого пальца, когда вы сгибаете
      пальцев правой руки от вектора скорости к вектору магнитного поля So.здесь по правилу правой руки магнитная сила будет направлена ​​вверх. Однако здесь частица — это электрон, который является отрицательно заряженной частицей на
      единиц. Так. измените направление, определяемое правилом правой руки, чтобы получить истинное направление магнитной силы. Следовательно, здесь магнитная сила, действующая на электрон, направлена ​​вниз.

      Глава 22 Магнетизм Q.3CQ
      Электрон движется с постоянной скоростью через область пространства, свободную от электрических полей. Можно ли сделать вывод, что магнитное поле в этой области равно нулю? Объяснять.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.3P
      CE Электрон, движущийся в положительном направлении оси x под прямым углом к ​​магнитному полю. испытывает магнитную силу в положительном направлении y. Каково направление магнитного поля?
      Решение:
      Электрон, движущийся в положительном направлении оси x под прямым углом к ​​магнитному полю, испытывает магнитную силу в положительном направлении оси y Магнитное поле находится в положительном направлении оси z

      Глава 22 Магнетизм Q .4CQ
      Опишите, как можно использовать движение заряженной частицы, чтобы различать электрическое и магнитное поля.
      Решение:
      В однородном электрическом поле сила, действующая на заряженную частицу, всегда в одном направлении, что приводит к параболические траектории В однородном магнитном поле сила заряженных частиц всегда направлена ​​под прямым углом к ​​движению, в результате чего образуются круговые (или) винтовые траектории
      Возможно, даже более важно. Заряженная частица испытывает силу из-за электрического поля, независимо от того, движется ли она (или) в состоянии покоя в магнитном поле, частица должна двигаться, чтобы испытать силу.

      Глава 22 Магнетизм Q.4P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.5CQ
      Объясните, как заряженная частица, движущаяся по кругу малого радиуса, может занять такое же время, чтобы завершить орбита как идентичная частица, вращающаяся по кругу большого радиуса.
      Решение:
      Радиус кривизны пропорционален скорости частицы. Отсюда следует, что частица, движущаяся по кругу большого радиуса, имеет пропорционально большую скорость, чем частица, движущаяся по кругу
      малого радиуса.Следовательно, время, необходимое для орбиты (t = d / v), одинаково для обеих частиц.

      Глава 22 Магнетизм Q.5P

      Решение:
      Примените концепцию силы к движущейся заряженной частице равномерно. магнитное поле. Примените правило правой руки, чтобы найти заряд отклоняющей частицы в однородном магнитном поле.
      Согласно правилу правой руки, направление частицы в однородном магнитном поле зависит от ее знака. Сила, действующая на отрицательно заряженную частицу, противоположна по направлению силе, действующей на положительно заряженную частицу.
      Для частицы A: сначала поместите пальцы правой руки в направлении движения частицы. Когда пальцы правой руки сгибаются в направлении магнитного поля, которое направлено наружу, большой палец указывает вниз. Сила отклонения вниз предназначена для положительно заряженной частицы. Поскольку отклоняющая сила, действующая на частицу, направлена ​​вверх, заряженная частица A должна быть отрицательной.
      Для частицы B: сначала поместите пальцы правой руки в направлении движения частицы.Когда пальцы правой руки сгибаются в направлении магнитного поля, которое направлено наружу, большой палец указывает вниз. Сила отклонения вниз предназначена для положительно заряженной частицы. Поскольку отклоняющая сила, действующая на частицу, направлена ​​вверх, заряженная частица B должна быть отрицательной.
      Для частицы C: сначала поместите пальцы правой руки в направлении движения частицы. Когда пальцы правой руки сгибаются в направлении магнитного поля, которое направлено наружу, большой палец указывает вниз.Сила отклонения вниз предназначена для положительно заряженной частицы. Поскольку отклоняющая сила на частицу направлена ​​вниз, заряженная частица C должна быть положительной.

      Глава 22 Магнетизм Q.6CQ
      Токоведущий провод помещается в область с однородным магнитным полем. На проволоку действует нулевая магнитная сила. Объяснять.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.6P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.7P
      Каково ускорение протона, движущегося со скоростью 6,5 м / с под прямым углом к ​​магнитному полю 1,6 Тл?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.8P
      Электрон движется под прямым углом к ​​магнитному полю 0,18 Тл. Какова его скорость, если на него действует сила 8,9 × 1015 Н?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.9P
      Отрицательно заряженный ион движется на север со скоростью 1.5 × 106 м / с на экваторе Земли. Какая магнитная сила действует на этот ион?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.10P
      Протон, расположенный высоко над экватором, приближается к Земле, двигаясь прямо вниз со скоростью 355 м / с. Найдите ускорение протона, учитывая, что магнитное поле на его высоте составляет 4,05 × 10-5 Тл.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.11P
      Частица размером 0,32 мкСл движется со скоростью 16 м / с через область, где магнитное поле имеет напряженность 0.95 Т. Под каким углом к ​​полю движется частица, если действующая на нее сила равна (а) 4,8 × 10–6 Н, (б) 3,0 × 10–6 или (в) 1,0 × 10–7 Н?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.12P
      Частица с зарядом 14 мкКл испытывает силу 2,2 × 10-4 Н, когда она движется под прямым углом к ​​магнитному полю со скоростью 27 м / с. Какую силу испытывает эта частица, когда она движется со скоростью 6,3 м / с под углом 25 ° относительно магнитного поля?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.13P
      Ион испытывает магнитную силу 6,2 × 10-16 Н при движении в положительном направлении ×, но не испытывает магнитной силы при движении в положительном направлении y. Какова величина магнитной силы, действующей на ион, когда он движется в плоскости x − y вдоль линии × = y? Предположим, что скорость иона одинакова во всех случаях.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.14P
      Электрон, движущийся со скоростью 4,2 × 105 м / с в положительном направлении ×, испытывает нулевую магнитную силу.Когда он движется в положительном направлении оси y, он испытывает силу 2,0 × 10-13 Н, которая указывает в отрицательном направлении оси z. Каковы направление и величина магнитного поля?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.15P
      IP Две заряженные частицы с разными скоростями движутся по одной через область однородного магнитного поля. Частицы движутся в одном направлении и испытывают одинаковые магнитные силы. (А) Если частица 1 имеет четыре перестройки, заряд частицы 2 имеет большую скорость? Объясните: (b) Найдите отношение скоростей v1 / v2.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.16P
      Частица 6,60 мкКл движется через область пространства, где электрическое поле величиной 1250 Н / К указывает в положительном направлении оси x, а магнитное поле магнитудой 1,02 T указывает в положительном направлении оси z. Если результирующая сила, действующая на частицу, составляет 6,23 × 10-3 Н в положительном направлении оси x, найдите величину и направление скорости частицы. Предположим, что скорость частицы находится в плоскости x-y.
      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.17P
      В состоянии покоя протон испытывает чистую электромагнитную силу величиной 8,0 × 10-13 Н, направленную в положительном направлении оси x. Когда протон движется со скоростью 1,5 · 106 м / с в положительном направлении оси y, суммарная электромагнитная сила, действующая на него, уменьшается по величине до 7,5 · 10−13 Н, но все еще указывает в положительном направлении оси x. Найдите величину и направление (а) электрического поля и (б) магнитного поля.
      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.18P
      CE Селектор скорости должен быть сконструирован с использованием магнитного поля в положительном направлении оси y. Если положительно заряженные частицы движутся через селектор в положительном направлении z, (а) каково должно быть направление электрического поля? (b) Повторите часть (a) для случая отрицательно заряженных частиц.
      Решение:
      Положительный заряд всегда движется вдоль направления электрического поля, а отрицательный заряд движется против направления электрического поля.Следовательно, отсюда можно сказать, что направление электрического поля противоположно направлению движения отрицательного заряда.
      (a)
      Согласно Правилу правой руки, если направление скорости положительно заряженных частиц находится в положительном z-направлении, а направление магнитного поля — в положительном y-направлении, тогда направление электрического поля будет положительным x- направление.
      (b)
      Согласно Правилу правой руки, если направление скорости отрицательно заряженных частиц находится в положительном z-направлении, а направление магнитного поля — в положительном y-направлении, тогда направление электрического поля будет положительным x- направление.

      Глава 22 Магнетизм Q.19P
      Найдите радиус орбиты электрона, когда он движется перпендикулярно магнитному полю 0,66 Тл со скоростью 6,27 × 105 м / с.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.20P
      Найдите радиус орбиты протона, когда он движется перпендикулярно магнитному полю 0,66 Тл со скоростью 6,27 × 105 м / с.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.21P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.22P

      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.23P
      IP BIO Артерия на Рисунке 22–11 имеет внутренний диаметр 2,75 мм и проходит через область, где магнитное поле 0,065 Тл. А) Если разность напряжений между электродами составляет 195 мкВ, какова скорость крови? (б) Какой электрод имеет более высокий потенциал? Ваш ответ зависит от знака ионов в крови? Объяснять.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.24P
      Электрон, ускоренный из состояния покоя посредством напряжения 550 В, попадает в область постоянного магнитного поля. Если электрон движется по круговой траектории с радиусом 17 см, какова величина магнитного поля?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.25P
      Частица 12,5 мкКл и массой 2,80 × 10-5 кг движется перпендикулярно магнитному полю 1,01 Тл по круговой траектории радиусом 21,8 м. . (а) Как быстро движется частица? б) Сколько времени потребуется частице, чтобы совершить один оборот по орбите?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.26P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.27P
      Протон с кинетической энергией 4,9 × 10–16 Дж движется перпендикулярно магнитному полю 0,26 Тл. дорожка?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.28P
      IP Альфа-частица (ядро атома гелия) состоит из двух протонов и двух нейтронов и имеет массу 6,64 × 10−27 кг. Горизонтальный пучок альфа-частиц вводится со скоростью 1.3 × 105 м / с в область с вертикальным магнитным полем величиной 0,155 Тл. (A) Сколько времени требуется альфа-частице, чтобы пройти половину полного круга? (б) если скорость альфа-частицы удваивается, время, указанное в части (а), увеличивается, уменьшается или остается прежним? Объясните, (c) Повторите часть (a) торфа для альфа-частиц со скоростью 2,6 × 105 м / с.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.29P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.30P
      Какая магнитная сила действует на провод длиной 2,15 м, по которому течет ток 0,899 А, перпендикулярный магнитному полю 0,720 Тл?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.31P
      Провод с током 2,8 А находится под углом 36,0 ° относительно магнитного поля 0,88 Тл. Найдите силу, действующую на длину 2,25 м. провода.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.32P
      Магнитная сила, действующая на 1.2-метровый отрезок прямого провода составляет 1,6 Н. Провод пропускает ток 3,0 А в области с постоянным магнитным полем 0,50 Т. Каков угол между проводом и магнитным полем?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.33P
      Медный стержень длиной 0,45 м и массой 0,17 кг пропускает ток 11 А в положительном направлении ×. Каковы величина и направление минимального магнитного поля, необходимого для левитации стержня?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.34P
      Провод длиной 3,6 м и массой 0,75 кг находится в области пространства с магнитным полем 0,84 Т. Какой минимальный ток необходим для левитации провода?
      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.35P
      Провод длиной 3,6 м и массой 0,75 кг находится в области пространства с магнитным полем 0,84 Тл. минимальный ток, необходимый для левитации провода?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.36P
      Высоковольтная мощность Une переносит ток 110 А в месте, где магнитное поле Земли имеет величину 0,59 Гс и указывает на север, на 72 ° ниже горизонтали. Найдите направление и величину магнитной силы, действующей на провод длиной 250 м, если ток в проводе течет (а) горизонтально на восток или (б) горизонтально на юг.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.37P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.38P

      Решение:
      a) Усилие на левом вертикальном проводе выходит за пределы страницы, сила на правом вертикальном проводе действует на страницу; горизонтальный провод испытывает нулевое усилие. В результате петля имеет тенденцию вращаться против часовой стрелки, если смотреть сверху.
      b) Эта петля имеет тенденцию вращаться по часовой стрелке
      c) Эта петля не имеет тенденции к вращению.

      Глава 22 Магнетизм Q.39P
      Прямоугольная петля из 260 витков имеет ширину 33 см и высоту 16 см.Что происходит в этом контуре, если максимальный крутящий момент в поле 0,48 Тл составляет 23 Н · м?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.40P
      Одиночная круговая петля радиусом 0,23 м переносит ток 2,6 А в магнитном поле 0,95 Т. Каков максимальный крутящий момент, прилагаемый к этой петле?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.41P
      В предыдущей задаче найдите угол, под которым плоскость контура должна находиться с полем, если крутящий момент должен составлять половину его максимального значения.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.42P

      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.43P
      IP Две токовые петли, один квадрат — другой круговой. сделаны из проводов одинаковой длины. (a) Если в этих контурах протекает одинаковый ток и они помещены в магнитные поля равной величины, максимальный крутящий момент прямоугольного контура больше, меньше или равен максимальному крутящему моменту кругового контура? Объяснять.(b) Рассчитайте отношение максимальных крутящих моментов τsquare / τcirclc.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.44P

      Решение:



      Глава 22 Магнетизм Q.45P
      · Найдите прямой провод магнитного поля на расстоянии 6,25 см от длинного провода с током 7,81 А.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.46P
      По длинному прямому проводу проходит ток 7.2 А. На каком расстоянии от этого провода создается магнитное поле, равное магнитному полю Земли, которое составляет примерно 5,0 × 10–5 Тл?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.47P
      Вы путешествуете к северному магнитному полюсу Земли, где магнитное поле направлено вертикально вниз. Там вы рисуете круг на земле. Применение закона Ампера к этому кругу показывает, что через его площадь проходит нулевой ток.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.48P
      Две линии электропередачи, каждая длиной 270 м, проложены параллельно друг другу на расстоянии 25 см. Если по линиям проходят параллельные токи силой 110 А, каковы величина и направление магнитной силы, действующей друг на друга?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.49P
      · Переключатели кардиостимулятора BIO В некоторых кардиостимуляторах используются магнитные герконовые переключатели, позволяющие врачам изменять режим работы без хирургического вмешательства. Типичный геркон можно переключать из одного положения в другое с помощью магнитного поля 5.0 × 10–4 Тл. Какой ток должен пропускать провод, если он должен создавать поле 5,0 × 10–4 Тл на расстоянии 0,50 м?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.50P

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.51P

      Решение:

      905 .52P
      В эксперименте Эрстеда предположим, что компас находится на расстоянии 0,25 м от токоведущего провода.Если для заметного отклонения стрелки компаса требовалось магнитное поле, равное половине магнитного поля Земли, равное 5,0 × 10–5 Тл, какой ток должен пропускать провод?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.53P
      IP Два длинных прямых провода разделены расстоянием 9,25 см. По одному проводу проходит ток 2,75 А, по другому — 4,33 А. (а) Найдите силу на метр, приложенную к проводу 2,75-А, (б) прилагается ли сила на метр к проводу 4.33-А провод больше, меньше или такое же, как сила на метр, приложенная к проводу 2,75-А? Объяснять.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.54P

      Решение:



      Глава 22 Магнетизм Q.55P

      Решение: использование правой руки правило, чтобы найти направление электрического тока, проходящего через петлю. Обычное направление тока всегда от положительной клеммы к отрицательной.
      Петля создает северный полюс по направлению к южному полюсу стержневого магнита, поскольку петля притягивает стержневой магнит. Согласно правилу правой руки, ток в контуре идет против часовой стрелки. Поскольку обычный ток всегда направляется от положительной клеммы, клемма A должна быть положительной для аккумулятора.

      Глава 22 Магнетизм Q.56P
      · CE Predict / Explain Количество витков в соленоиде удваивается, и в то же время его длина удваивается. Магнитное поле внутри соленоида увеличивается, уменьшается или остается неизменным? (b) Выберите лучшее объяснение из следующего:
      I.Увеличение числа витков соленоида вдвое увеличивает его магнитное поле, а значит, и поле увеличивается.
      II. Удлинение соленоида уменьшает его магнитное поле, и, следовательно, поле уменьшается.
      III. Магнитное поле остается прежним, потому что количество витков на длину не меняется.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.57P
      Желательно, чтобы соленоид длиной 38 см и с 430 витками создавал внутри магнитное поле, равное магнитному полю Земли (5.0 × 10−5 Тл). Какой ток требуется?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.58P
      Соленоид длиной 62 см создает магнитное поле в 1,3 Тл внутри своего сердечника, когда он пропускает ток 8,4 А. Сколько витков в проводе в этом соленоиде?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.59P
      Максимальный ток в сверхпроводящем соленоиде может достигать 3,75 кА. Если количество витков на метр в таком соленоиде равно 3650, какова величина создаваемого им магнитного поля?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.60P
      Чтобы построить соленоид, необходимо равномерно обернуть изолированный провод вокруг пластиковой трубки диаметром 12 см и длиной 55 см. Вам нужен ток 2,0 А для создания магнитного поля в 2,5 кГ внутри соленоида. Какая общая длина провода вам понадобится, чтобы соответствовать этим требованиям?
      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.61GP
      CE В точке около экватора магнитное поле Земли горизонтально и направлено на север.Если электрон движется вертикально вверх в этой точке, будет ли действующая на него магнитная сила направлена ​​на север, юг, восток, запад, вверх или вниз? Объяснять.
      Solution:
      В точке около экватора магнитное поле Земли горизонтально и направлено на север. Если электрон движется вертикально вверх в этой точке, магнитная сила, действующая на электрон, направлена ​​на восток.

      Глава 22 Магнетизм Q.62GP
      CE Протон должен вращаться вокруг Земли на экваторе, используя магнитное поле Земли для обеспечения части необходимой центростремительной силы.Должен ли протон двигаться на восток или на запад? Объяснять.
      Решение:
      Магнитное поле Земли будет направлено на север на экваторе. Необходимая центростремительная сила протону должна создаваться магнитным полем Земли. Поскольку центростремительная сила должна быть направлена ​​наружу, направление магнитной силы будет направлено внутрь. Следовательно, согласно правилу левой руки Флеминга, протон должен двигаться в западном направлении, чтобы вращаться вокруг Земли по экватору.

      Глава 22 Магнетизм Q.63GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.64GP

      Решение:

      Каждый

      Глава 22 Магнетизм CE токоведущие провода на рис. 22–42 длинные и прямые, по которым ток I проходит внутрь или наружу страницы, как показано. Каково направление чистого магнитного поля, создаваемого этими тремя проводами в центре треугольника?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.66GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.67GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.68GP
      902


      Глава 22 Магнетизм Q.69GP

      Стационарный протон (q = 1,60 × 10-19 Кл) расположен между полюсами подковообразного магнита, где магнитное поле равно 0,35 Тл. Какова величина магнитной силы, действующей на протон?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.70GP
      BIO Функция мозга и магнитные поля Эксперименты показали, что на мыслительные процессы в головном мозге может повлиять воздействие на теменную долю магнитного поля с силой 1,0 Тл. Какой ток должен пропускать длинный прямой провод, если он создать магнитное поле силой 1,0 Тл на расстоянии 0,50 м? (Для сравнения, типичная молния пропускает ток около 20 000 А, который расплавит большинство проводов.)
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.71GP
      Смесь двух изотопов вводится в масс-спектрометр. Один изотоп следует по кривой радиусом R1 = 48,9 см; другой следует по изогнутой траектории радиусом R2 = 51,7 см. Найдите отношение масс m1 / m2, предполагая, что два изотопа имеют одинаковый заряд и скорость.
      Solution:

      Глава 22 Магнетизм Q.72GP
      Высоко над поверхностью Земли заряженные частицы (например, электроны и протоны) могут попасть в магнитное поле Земли в регионах, известных как пояса Ван-Алиена.Типичный электрон в поясе Ван Аллена имеет энергию 45 кэВ и движется по примерно круговой орбите со средним радиусом 220 м. Какова величина магнитного поля Земли по орбите такого электрона?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.73GP
      Магнитные полосы для кредитных карт Эксперименты, проведенные в телешоу Разрушители мифов, определили, что магнитное поле силой 1000 гаусс необходимо для искажения информации на магнитном поле кредитной карты. полоска.(Они также развенчали миф о том, что кредитную карту можно размагнитить с помощью электрического угря или кошелька из угря.) Предположим, по длинному прямому проводу проходит ток 3,5 А. Насколько близко можно держать кредитную карту к этому проводу, не повредив его? магнитная полоса?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.74GP
      Superconducting Solenoid Cryomagnetics, Inc. рекламирует высокопольный сверхпроводящий соленоид, который создает магнитное поле 17 Тл с током 105 А.Какое количество витков на метр у этого соленоида?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.75GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.76GP

      Решение:


      9000G

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.78GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.79GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.80GP
      BIO Магнитно-резонансная томография Соленоид MR1 (магнитно-резонансная томография) создает магнитное поле 1,5 Тл. Длина соленоида 2,5 м, 1,0 м дюйм. диаметром 2,2 мм, намотанные изолированными проводами. Найдите ток, протекающий в соленоиде. (Ваш ответ должен быть довольно большим. В типичном соленоиде MR1 используется ниобий-титановая проволока, выдерживаемая при температурах жидкого гелия, где она является сверхпроводящей.)
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.81GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.82GP

      Решение: Магнетизм

      Магнетизм

      .83GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.84GP
      IP Медицинские рентгеновские лучи Электрон в медицинском рентгеновском аппарате ускоряется из состояния покоя за счет напряжения 10.0 кВ. (а) Найдите максимальную силу, которую магнитное поле 0,957 Тл может оказать на этот электрон. (b) Если напряжение рентгеновского аппарата увеличивается, максимальная сила, обнаруженная в части (a), увеличивается, уменьшается или остается неизменной? Объяснять. (c) Повторите часть (a) для электрона, ускоренного за счет потенциала 25,0 кВ.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.85GP
      Частица с зарядом 34 мкКл движется со скоростью 73 м / с в положительном направлении оси x.Магнитное поле в этой области пространства имеет составляющую 0,40 Тл в положительном направлении y и составляющую 0,85 Тл в положительном направлении z. Каковы величина и направление магнитной силы, действующей на частицу?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.86GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.87GP
      IP Заряженная частица движется в горизонтальной плоскости со скоростью 8 единиц. .70 × 106 м / с. Когда эта частица встречает однородное магнитное поле в вертикальном направлении, она начинает двигаться по круговой траектории радиусом 15,9 см. (а) Если величина магнитного поля составляет 1,21 Тл, каково отношение заряда к массе (q / m) этой частицы? (b) Если бы радиус круговой траектории был больше 15,9 см, было бы соответствующее отношение заряда к массе больше, меньше или таким же, как в части (а)? Объяснять. (Предположим, что магнитное поле остается прежним.)
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.88GP

      Решение:



      Глава 22 Магнетизм Q.89GP
      Повторите задачу 88 для случая, когда ток в проводе 1 меняет направление.
      Решение:






      Глава 22 Магнетизм Q.90GP
      Молнии Мощный разряд молнии может переносить ток в 225 кА. (а) Рассматривая разряд молнии как тонкий провод, вычислите величину магнитного поля, создаваемого такой разрядом молнии на расстоянии 35 м.(b) если два таких болта ударяют одновременно на расстоянии 35 м друг от друга, какова магнитная сила на метр, приложенная одним болтом к другому?
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.91GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.92GP
      IP Рассмотрим физическую систему, показанную на рис. 22–49. который состоит из двух токоведущих проводов длиной 71 см каждый. (a) Если чистое магнитное поле в точке A выходит за пределы страницы.сила между проводами притягивает или отталкивает? ExpIain (b) Рассчитайте величину силы, прилагаемой каждым проводом к другому проводу, учитывая, что магнитное поле в точке A находится вне страницы с величиной 2,1 x 1,0-6 Тл
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.93GP
      Магнитары Астрономический объект 4U014 + 61 отличается тем, что создает самое мощное магнитное поле, которое когда-либо наблюдалось. Этот объект упоминается как «магнетар» (подкласс пуисаров), а его магнитное поле равно 1.В 3 × 1015 раз больше, чем магнитное поле Земли. (а) Предположим, что прямой провод длиной 2,5 м, по которому течет ток 1,1 А, помещен в это магнитное поле под углом 65 ° к силовым линиям. Какую силу испытывает этот провод? (б) Такое сильное поле может существенно изменить поведение атома. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим электрон, движущийся со скоростью 2,2 × 106 м / с. Сравните максимальную магнитную силу, действующую на электрон, с электрической силой, которую протон оказывает на электрон в атоме водорода.Радиус атома водорода 5,29 × 10-11 м.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.94GP

      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.95GP
      IP Длинная прямая ось проводит ток по оси x 3,12 А в положительном направлении оси x. Магнитное поле, создаваемое женой, сочетается с однородным магнитным полем 1,45 × 10-6 Тл, которое указывает в положительном направлении оси z.(а) Равно ли чистое магнитное поле этой системы нулю в точке на положительной оси y или в точке на отрицательной оси y? Объяснять. (б) Найдите расстояние от провода до точки, где поле исчезает. 0 ≤ x ≤ 1.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.97GP
      Соленоиды создают магнитные поля, сила дуги которых относительно велика для величины переносимого ими тока. Чтобы провести прямое сравнение, рассмотрим соленоид с 55 витками на сантиметр, радиусом 1,0S см и током 0,622 А. (a) Найдите магнитное поле в центре соленоида. (б) Какой ток должен пропускать длинный прямой провод, чтобы иметь такое же магнитное поле, как в части (а)? Расстояние от провода пусть будет такое же, как и радиус соленоида, 1,05 см.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.98GP
      Ток в соленоиде с 22 витками на сантиметр составляет 0,50 А. Радиус соленоида составляет 1,5 см. По оси соленоида проходит длинный прямой провод с током 13 А. Найдите величину чистого магнитного поля на радиальном расстоянии 0,75 см от прямого провода.
      Solution:

      Глава 22 Магнетизм Q.99GP
      IP BIO Транскраниальная магнитная стимуляция Недавно разработанный метод исследования функции мозга заключается в создании быстро изменяющегося магнитного поля внутри мозга.При этом методика известна как транскраниальная магнитная стимуляция. (TMS) применяется к префронтальной коре, например, он может снизить способность человека спрягать глаголы, хотя на другие мыслительные процессы это не влияет. Быстро меняющееся магнитное поле создается круглой катушкой из 21 витка и радиусом 6,0 см, размещенной непосредственно на голове. Ток в этом контуре увеличивается со скоростью 1,2 · 107 А / с (за счет разряда конденсатора). а) С какой скоростью увеличивается магнитное поле в центре катушки? (b) Предположим, что вместо этого используется вторая катушка с половиной площади первой катушки.Ваш ответ на часть (а) увеличится, уменьшится или останется прежним? По какому фактору?
      Решение:


      Глава 22 Магнетизм Q.100GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.101GP
      Тонкое кольцо с радиусом R и зарядом угловая скорость ω относительно оси, перпендикулярной ее плоскости и проходящей через ее центр. Найдите величину магнитного поля в центре кольца.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.102GP
      Соленоид состоит из 25-метрового провода с удельным сопротивлением 2,3 × 10-8 Ом · м. Проволока радиусом 2,1 мм равномерно наматывается на пластиковую трубку диаметром 4,5 см и толщиной 1,65 м. Найдите ЭДС, к которой должны быть подключены концы провода, чтобы создать магнитное поле 0,015 Тл внутри соленоида.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.103GP

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.104GP
      Магнитные поля в модели Бора В модели Бора атома водорода электрон движется по круговой орбите радиусом 5,29 × 10-11 м вокруг ядра. Учитывая, что заряд электрона равен -1,60 · 10-19 Кл, а его скорость составляет 2,2 · 106 м / с, найдите величину магнитного поля, которое электрон создает в ядре атома.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.105GP
      Однооборотный прямоугольный контур пропускает ток 18 А.Петля имеет длину 15 см и массу 0,035 кг. Изначально петля лежит на горизонтальной поверхности стола. Когда включается горизонтальное магнитное поле, обнаруживается, что только одна сторона петли испытывает восходящую силу. Найдите минимальное магнитное поле Bmin, необходимое для того, чтобы петля начала подниматься из-под стола.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.106GP

      Решение:



      Глава 22 Магнетизм Q.107PP
      Чтобы прочитать и понять это предложение, ваш мозг должен обрабатывать визуальные данные, поступающие от ваших глаз, и переводить их в слова и мысли. При этом через нейроны зрительной коры головного мозга протекают крошечные электрические токи. Эти токи, как и любой электрический ток, создают магнитные поля. Фактически, даже ваши сокровенные мысли и мечты создают магнитные поля, которые можно обнаружить вне вашей головы.
      Магнитоэнцефалография (МЭГ) — это исследование магнитных полей, создаваемых электрической активностью в головном мозге.Хотя МЭГ полностью неинвазивно, она может предоставить подробную информацию о спонтанных функциях мозга, таких как альфа-волны и патологические эпилептические спайки, а также об активности мозга, вызываемой визуальными, слуховыми и тактильными раздражителями.
      Магнитные поля, создаваемые мозговой деятельностью, невероятно слабые — примерно в 100 миллионов раз меньше магнитного поля Земли. Даже в этом случае чувствительные детекторы, называемые SQUIDS (сверхпроводящие устройства квантовой интерференции), которые были изобретены физиками в качестве исследовательского инструмента, могут обнаруживать поля величиной до 1.0 × 10 ″ 15 T. В сочетании со сложной электроникой и программным обеспечением и работая при температурах жидкого гелия (-269 ° C), СКВИДы могут локализовать источник мозговой активности с точностью до миллиметра. Когда информация, полученная с помощью МЭГ, накладывается на анатомические данные МРТ-сканирования, в результате получается детализированная «карта» электрической активности в головном мозге.

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.108PP
      Чтобы прочитать и понять это предложение, ваш мозг должен обрабатывать визуальные данные, поступающие от ваших глаз, и переводить их в слова и мысли.При этом через нейроны зрительной коры головного мозга протекают крошечные электрические токи. Эти токи, как и любой электрический ток, создают магнитные поля. Фактически, даже ваши сокровенные мысли и мечты создают магнитные поля, которые можно обнаружить вне вашей головы.
      Магнитоэнцефалография (МЭГ) — это исследование магнитных полей, создаваемых электрической активностью в головном мозге. Хотя МЭГ полностью неинвазивно, она может предоставить подробную информацию о спонтанных функциях мозга, таких как альфа-волны и патологические эпилептические спайки, а также об активности мозга, вызываемой визуальными, слуховыми и тактильными раздражителями.
      Магнитные поля, создаваемые мозговой деятельностью, невероятно слабые — примерно в 100 миллионов раз меньше магнитного поля Земли. Даже в этом случае чувствительные детекторы, называемые SQUIDS (сверхпроводящие устройства квантовой интерференции), которые были изобретены физиками в качестве исследовательского инструмента, могут обнаруживать поля размером до 1,0 × 10 ″ 15 Тл в сочетании со сложной электроникой и программным обеспечением и работают при температурах жидкого гелия. (−269 ° C), СКВИДы могут локализовать источник мозговой активности с точностью до миллиметра.Когда информация, полученная с помощью МЭГ, накладывается на анатомические данные МРТ-сканирования, в результате получается детализированная «карта» электрической активности в головном мозге.

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.109PP
      Чтобы прочитать и понять это предложение, ваш мозг должен обрабатывать визуальные данные, поступающие от ваших глаз, и переводить их в слова и мысли. При этом через нейроны зрительной коры головного мозга протекают крошечные электрические токи. Эти токи, как и любой электрический ток, создают магнитные поля.Фактически, даже ваши сокровенные мысли и мечты создают магнитные поля, которые можно обнаружить вне вашей головы.
      Магнитоэнцефалография (МЭГ) — это исследование магнитных полей, создаваемых электрической активностью в головном мозге. Хотя МЭГ полностью неинвазивно, она может предоставить подробную информацию о спонтанных функциях мозга, таких как альфа-волны и патологические эпилептические спайки, а также об активности мозга, вызываемой визуальными, слуховыми и тактильными раздражителями.
      Магнитные поля, создаваемые мозговой деятельностью, невероятно слабые — примерно в 100 миллионов раз меньше магнитного поля Земли.Даже в этом случае чувствительные детекторы, называемые SQUIDS (сверхпроводящие устройства квантовой интерференции), которые были изобретены физиками в качестве исследовательского инструмента, могут обнаруживать поля размером до 1,0 × 10 ″ 15 Тл в сочетании со сложной электроникой и программным обеспечением и работают при температурах жидкого гелия. (−269 ° C), СКВИДы могут локализовать источник мозговой активности с точностью до миллиметра. Когда информация, полученная с помощью МЭГ, накладывается на анатомические данные МРТ-сканирования, в результате получается детализированная «карта» электрической активности в головном мозге.

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.110PP
      Чтобы прочитать и понять это предложение, ваш мозг должен обрабатывать визуальные данные ваших глаз и переводить их в слова и мысли. При этом через нейроны зрительной коры головного мозга протекают крошечные электрические токи. Эти токи, как и любой электрический ток, создают магнитные поля. Фактически, даже ваши сокровенные мысли и мечты создают магнитные поля, которые можно обнаружить вне вашей головы.
      Магнитоэнцефалография (МЭГ) — это исследование магнитных полей, создаваемых электрической активностью в головном мозге. Хотя МЭГ полностью неинвазивно, она может предоставить подробную информацию о спонтанных функциях мозга, таких как альфа-волны и патологические эпилептические спайки, а также об активности мозга, вызываемой визуальными, слуховыми и тактильными раздражителями.
      Магнитные поля, создаваемые мозговой деятельностью, невероятно слабые — примерно в 100 миллионов раз меньше магнитного поля Земли. Даже в этом случае чувствительные детекторы, называемые SQUIDS (сверхпроводящие устройства квантовой интерференции), которые были изобретены физиками в качестве исследовательского инструмента, могут обнаруживать поля величиной до 1.0 × 10 ″ 15 T. В сочетании со сложной электроникой и программным обеспечением и работая при температурах жидкого гелия (-269 ° C), СКВИДы могут локализовать источник мозговой активности с точностью до миллиметра. Когда информация, полученная с помощью МЭГ, накладывается на анатомические данные МРТ-сканирования, в результате получается детализированная «карта» электрической активности в головном мозге.

      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.111IP
      IP Ссылаясь на Пример 22–3 Предположим, что скорость изотопов удвоена.(a) Расстояние разделения d увеличивается, уменьшается или остается неизменным? Объяснять. (b) Найдите разделительное расстояние для этого случая.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.112IP
      · IP Ссылаясь на Пример 22–3 Предположим, мы изменили начальную скорость 238 U, оставив все остальное без изменений. (a) Если мы хотим, чтобы расстояние разделения было равно нулю, нужно ли увеличивать или уменьшать начальную скорость U? Объяснять. (b) Найдите требуемую начальную скорость A.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.113IP
      Ссылаясь на активный пример 22-2 Ток lx регулируется до тех пор, пока магнитное поле на полпути между проводами не будет иметь величину 2,5 × 10-6 Тл и указывать внутрь страница. Все остальное в системе остается таким же, как в Активном примере 22–2. Найдите величину и направление I1.
      Решение:

      Глава 22 Магнетизм Q.114IP
      Ссылаясь на активный пример 22-2. Ток I2 регулируется до тех пор, пока магнитное поле на 5,5 см под проводом 2 не станет равным 2.5 × 10−6 Т и точек вне страницы. Все остальное в системе остается таким же, как в Активном примере 22–2. Найдите величину и направление I2
      Решение:

      Четыре основных силы природы

      Четыре фундаментальные силы действуют на нас каждый день, осознаем мы это или нет. От игры в баскетбол до запуска ракеты в космос и приклеивания магнита к холодильнику — все силы, с которыми все мы сталкиваемся каждый день, можно свести к критическому квартету: гравитация, слабая сила, электромагнетизм и сильная сила. .Эти силы управляют всем, что происходит во Вселенной.

      Гравитация

      Гравитация — это притяжение между двумя объектами, обладающими массой или энергией, будь то падение камня с моста, планета, вращающаяся вокруг звезды, или луна, вызывающая океанские приливы. Гравитация, вероятно, является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, но также и одной из самых сложных для объяснения.

      Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, якобы вдохновленную яблоком, падающим с дерева.Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

      Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактику , она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях.Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или ногу поднять? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

      Связано: Внутри каждого атома Вселенной скрывается гигантская тайна

      Слабое взаимодействие

      Слабое взаимодействие, также называемое слабым ядерным взаимодействием, отвечает за распад частиц.Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, n эутрино , которое отклоняется близко к нейтрону, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон.

      Физики описывают это взаимодействие через обмен несущими силу частицами, называемыми бозонами. Определенные виды бозонов ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами.На расстоянии 18 метров, или 0,1% диаметра протона друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы, согласно сайту HyperPhysics государственного университета Джорджии.

      Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов.Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов; один из этих нейтронов распадается на протон, образуя азот-14, который состоит из семи протонов и семи нейтронов. Этот распад происходит с предсказуемой скоростью, что позволяет ученым определить возраст таких артефактов.

      Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Эта значительная солнечная вспышка достигла пика в 10:29 по восточноевропейскому времени 3 июля 2021 г. (Изображение предоставлено НАСА)

      Электромагнитная сила

      Электромагнитная сила, также называемая силой Лоренца, действует между заряженными частицами, такими как отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. .Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать с бесконечного расстояния (хотя на таком расстоянии сила будет очень и очень маленькой).

      Как видно из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы . Сначала физики описали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи поняли, что эти две силы являются компонентами одной и той же силы.

      Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или неподвижны, создавая поле, с помощью которого заряды могут влиять друг на друга. Но как только эти заряженные частицы приходят в движение, они начинают проявлять вторую составляющую — магнитную силу. При движении частицы создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить ваш компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

      Связано: Наше Солнце впадает в спячку?

      Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами, называемыми фотонами, которые также являются частицами света.Однако фотоны, переносящие силу, которые переключаются между заряженными частицами, представляют собой другое проявление фотонов. По данным Университета Теннесси , Ноксвилл , они виртуальные и необнаруживаемые, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия.

      Электромагнитная сила отвечает за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме.Он даже отвечает за сопротивление, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен во время полета. Эти действия могут происходить из-за взаимодействия заряженных (или нейтрализованных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

      Сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием электромагнитной силы: электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.(Изображение предоставлено NASA / Shutterstock)

      Сильное ядерное взаимодействие

      Сильное ядерное взаимодействие, также называемое сильным ядерным взаимодействием, является самой сильной из четырех фундаментальных сил природы. Это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6!) Раз сильнее силы тяжести, согласно веб-сайту HyperPhysics . И это потому, что он связывает основные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.-15 метров друг от друга, или примерно в пределах диаметра протона.

      Сильное взаимодействие, тем не менее, странно, потому что, в отличие от других фундаментальных сил, оно становится слабее по мере того, как субатомные частицы движутся ближе друг к другу. По данным Fermilab , на самом деле он достигает максимальной прочности, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Оказавшись в пределах досягаемости, безмассовые заряженные бозоны, называемые глюонами, передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия, называемого остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами.Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть это отталкивание, поэтому частицы остаются связанными в ядре атома .

      Связано: НАСА, Министерство энергетики финансирует три концепции ядерных тепловых космических двигателей

      Объединяющая природа

      Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлениями одной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

      Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой, чтобы сформировать концепцию электрослабой силы . Физики, работающие над созданием так называемой теории великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное взаимодействие, которое модели предсказывали, но исследователи еще не наблюдали.Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки так называемой теории всего , теоретической основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

      Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровне квантовая механика лучше всего описывает мир природы.И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

      Многие физики стремятся объединить фундаментальные силы в единую теорию — теоретическую основу, которая могла бы объяснить всю Вселенную. (Изображение предоставлено Shutterstock)

      Физики, изучающие квантовую гравитацию, стремятся описать силу в терминах квантового мира, что могло бы помочь в слиянии. Фундаментальным для этого подхода могло бы стать открытие гравитонов, теоретического силового бозона гравитационной силы.Гравитация — единственная фундаментальная сила, которую физики в настоящее время могут описать без использования частиц, несущих силу. Но поскольку для описания всех других фундаментальных сил требуются частицы, несущие силу, ученые ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне — исследователи просто еще не нашли эти частицы.

      Еще больше усложняет историю невидимое царство темной материи и темной энергии , которые составляют примерно 95% Вселенной. Неясно, состоят ли темная материя и энергия из одной частицы или из целого набора частиц, которые имеют свои собственные силы и бозоны-мессенджеры.

      Первичной частицей-посланником, представляющей интерес в настоящее время, является теоретический темный фотон, который будет посредником взаимодействий между видимой и невидимой вселенной. Если темные фотоны существуют, они были бы ключом к обнаружению невидимого мира темной материи и могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы .

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *