Электромагнитный ускоритель представляет собой два провода расположенные. Электромагнитный кольцевой ускоритель масс: принцип работы, конструкция и применение

alexxlabРазное
Что такое электромагнитный кольцевой ускоритель масс. Как работает пушка Гаусса. Каковы преимущества и недостатки электромагнитных ускорителей. Какие перспективы применения у данной технологии в космической отрасли.

Содержание

Принцип работы электромагнитного ускорителя массы

Электромагнитный ускоритель массы, также известный как пушка Гаусса, представляет собой устройство для разгона ферромагнитных объектов с помощью электромагнитного поля. Основными элементами конструкции являются:

  • Соленоид (катушка индуктивности)
  • Ствол из диэлектрического материала
  • Снаряд из ферромагнетика
  • Источник мощного импульсного тока (как правило, батарея конденсаторов)

При протекании электрического тока через соленоид возникает сильное магнитное поле, которое втягивает снаряд внутрь катушки, придавая ему ускорение. Для достижения максимального эффекта импульс тока должен быть кратковременным и мощным.

Конструктивные особенности пушки Гаусса

Ключевыми элементами конструкции электромагнитного ускорителя являются:


  1. Катушка индуктивности — главный силовой элемент. Диаметр зависит от размера снаряда, провод подбирается с учетом протекающего тока.
  2. Блок питания — используется для зарядки конденсаторов. Может быть как от сети, так и от аккумулятора.
  3. Накопительная батарея конденсаторов — обеспечивает мощный импульсный ток.
  4. Преобразователь напряжения — повышает напряжение для зарядки конденсаторов (при питании от аккумулятора).
  5. Система управления — обеспечивает своевременный разряд конденсаторов через катушку.

Преимущества и недостатки электромагнитных ускорителей

К основным преимуществам пушки Гаусса можно отнести:

  • Простота конструкции
  • Возможность работы на относительно низких напряжениях
  • Отсутствие движущихся механических частей
  • Теоретически неограниченная скорость разгона снаряда

Однако существует ряд серьезных недостатков:

  • Низкий КПД (обычно 1-7%, максимум до 27%)
  • Большой расход энергии
  • Значительные габариты и вес установки
  • Длительное время перезарядки конденсаторов
  • Сложности с увеличением скорости снаряда в многоступенчатых системах

Многоступенчатые кольцевые ускорители

Для повышения эффективности разгона применяются многоступенчатые системы с несколькими последовательно расположенными катушками. Это позволяет увеличить конечную скорость снаряда. Однако возникает проблема увеличения длины разгонного участка.


Решением является использование кольцевой или спиральной конфигурации. В таком ускорителе снаряд движется по замкнутой траектории, постепенно набирая скорость. В нужный момент открывается направляющая, и снаряд вылетает, обладая значительной кинетической энергией.

Перспективы применения электромагнитных ускорителей

Несмотря на имеющиеся недостатки, электромагнитные ускорители имеют ряд перспективных направлений применения:

  • Космические запуски малых грузов с орбитальных станций
  • Ускорители частиц для научных исследований
  • Системы активной защиты космических аппаратов от микрометеоритов
  • Испытательные установки для изучения высокоскоростных столкновений

Особенно перспективным выглядит использование в космосе, где отсутствие атмосферы и невесомость нивелируют многие недостатки данной технологии.

Результаты экспериментальных исследований

В ходе исследований были изготовлены и испытаны модели одноступенчатого и четырехступенчатого кольцевого электромагнитных ускорителей. Основные результаты:


  • Оптимальная масса снаряда для одноступенчатой модели составила 6-8 г
  • Четырехступенчатая кольцевая модель позволила увеличить массу снаряда до 8-12 г
  • Кинетическая энергия снаряда при запуске достигала 1.17 Дж для одноступенчатой и 6-10 Дж для многоступенчатой модели
  • Скорость снаряда составила около 9-9.5 м/с

Эксперименты подтвердили возможность использования кольцевых электромагнитных ускорителей в качестве эффективных пусковых устройств.

Заключение

Электромагнитные кольцевые ускорители масс представляют собой перспективную технологию, особенно для применения в космической отрасли. Несмотря на имеющиеся недостатки, такие как низкий КПД и большой расход энергии, данные устройства обладают рядом уникальных преимуществ. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность концепции и позволили определить оптимальные параметры для создания эффективных пусковых систем на основе электромагнитных ускорителей.


Электромагнитный кольцевой ускоритель масс

  • Авторы
  • Руководители
  • Файлы работы
  • Наградные документы

Сыпачев А.М. 1

1МАДОУ лицей №97

Красавин Э.М. 1

1МАДОУ лицей №97

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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=mv2/2, 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: 128

11. Магнетизм

1.Электромагнитный ускоритель представляет собой два провода, расположенные в горизонтальной плоскости на расстоянии 20 см друг от друга, по которым может скользить без трения металлическая перемычка АС массы 2 кг. Магнитное поле с индукцией В=1 Тл перпендикулярно плоскости движения перемычки. Какой ток I следует пропустить по перемычке, чтобы она, пройдя путь 2 м, приобрела скорость 10 м/с ?

1)10 А 2)50 А 3)100 А 4)250 А 5)300 A

2.Частица массы m и заряда q движется по окружности в однородном магнитном поле с индукцией В в плоскости, перпендикулярной линиям индукции. Если радиус окружности R, то кинетическая энергия частицы равна

1) 2) 3) 3) 5)

3.Прямолинейный проводник длиной 10 см перемещают в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Проводник, вектор его скорости и вектор индукции поля взаимно перпендикулярны. С каким ускорением нужно перемещать проводник, чтобы разность потенциалов на его концах U возрастала, как показано на рисунке.

1)10 м/с2 2)15 м/с2 3)20 м/с2 4)25 м/с2 5)30 м/с2

4. По проводнику АБ протекает постоянный ток. Проводник помещен в однородное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны проводнику (см. рис.). Если потенциал точки А больше потенциала точки Б, то сила Ампера, действующая на проводник, имеет направление

1)вниз 2)вверх 3)влево 4)вправо 5)вдоль линий индукции

5.Протон и α-частица (), имеющие одинаковые скорости, влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции. Как связаны между собой радиусы R1 и R2 окружностей, по которым, соответственно, движутся протон и α-частица ( массы протона и нейтрона считать равными)?

1)R2=4R1 2)R1=4R2 3)R2=2R1 4)R1=2R2 5)R1=R2

6.Провод длиной 20 см, по которому течет ток 10 А, перемещается в однородное магнитном поле с индукцией 0,7 Тл. Вектор индукции поля, направления перемещения проводника и тока взаимно перпендикулярны. Если проводник перемещается на 50 см, то сила Ампера совершает работу, модуль которой равен

1)0,1 Дж 2)0,2 Дж 3)0,5 Дж 4)0,7 Дж 5)1,2 Дж

7.Какую размерность в системе СИ имеет единица измерения магнитной индукции

1) 2) 3) 4) 5)

8.Электрон, пройдя в электрическом поле ускоряющую разность потенциалов U, попадает в однородное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны направлению движения электрона, и начинает двигаться по окружности. Как изменится радиус этой окружности, если ускоряющая разность потенциалов U увеличится в 2 раза?

1)увеличится в 2 раза 2)увеличится в раз 3)не изменится 4)уменьшится в раз 5)уменьшится в 2 раза

9.Какую размерность в системе СИ имеет единица измерения магнитного потока?

1) 2) 3) 4) 5)

10.Прямой проводник, по которому течет постоянный ток, расположен в однородном магнитном поле так, что направление тока в проводнике составляет угол α1=30° с направлением линий магнитной индукции. Как изменится сила Ампера, действующая на проводник, если его расположить под углом α2=60° к направлению линий магнитной индукции?

1)увеличится в раз 2)увеличится в 2 раза 3)не изменится 4)станет равной нулю 5)уменьшится в 2 раза

11.Если частица, имеющая заряд q, движется в однородном магнитном поле с индукцией В по окружности радиуса R, то импульс этой частицы равен

1) 2) 3) 4) 5)

12.Протон влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции и начинает двигаться по окружности. Как изменится частота вращения протона, если величину индукции магнитного поля уменьшить в два раза?

1)увеличится в 2 раза 2)увеличится в раз 3)не изменится 4)уменьшится в раз 5)уменьшится в 2 раза

13. По двум прямолинейным длинным проводникам, расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях, текут равные токи. Какое направление имеет вектор В индукции магнитного поля в точке О ?

1)1 2)2 3)3 4)4 5)5

14.Протон и α-частица (Не) влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции. Как отличаются радиусы окружностей, по которым движутся частицы, если у них одинаковые энергии? Массу протона и нейтрона считать равной.

1)r1=2r2 2)r1=4r2 3)r1=r2 4)r2=2r1 5)r2=4r1

15.Нормаль к плоскости квадратной рамки со стороной 10 см составляет с линиями индукции магнитного поля угол 60°. Определите магнитную индукцию поля, если в рамке при включении поля в течение 0,01 с индуцируется ЭДС 50 мВ.

1)58,0 Тл 2)20,0 Тл 3)5,80 Тл 4)0,10 Тл 5)0,01 Тл

16.Линии напряженности однородного электрического поля и линии индукции однородного магнитного поля взаимно перпендикулярны. Напряженность электрического поля равна 1 кВ/м, индукция магнитного поля равна 1 мТл. Модуль скорости электрона, движущегося в этих полях прямолинейно и равномерно, равен

1)1*104 м/с 2)2 104 м/с 3)1*105 м/с 4)1*106 м/с 5)2*106 м/с

17.Ось соленоида составляет с вектором индукции магнитного поля угол 60°. Радиус соленоида 2 см, число витков провода 1000. ЭДС, возникающая в соленоиде при изменении индукции магнитного поля со скоростью 20 мТл/с, равна

1)12,6 мВ 2)14,5 мВ 3)63,0 мВ 4)630,0 мВ 5)0 мВ

18.В однородное магнитное поле под углом 300 к линиям магнитной индукции влетает электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 25 кВ. Найдите радиус окружности, по которой движется частица. Индукция магнитного поля равна0,01 Тл.

1)1,2 см 2)1,8 см 3)2,3 см 4)2,7 см 5)2,9 см

19. Электрон влетает в однородное магнитное поле (по центру) шириной 10,0 см, с индукцией 0,01 Тл перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислите, с какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы не вылететь за пределы этого поля.

1)20 Мм/с 2)44 Мм/с 3)96 Мм/с 4)126 Мм/с 5)176 Мм/с

20.Магнитный поток 0,28 Вб возникает в контуре индуктивности 40 мГн, если в нем протекает постоянный ток… (в А).

21.В катушке индуктивности 40 мГн при равномерном исчезновении тока 2 А в течение 0,01 с возникает ЭДС самоиндукции… (в В).

22.Если в катушке при протекании тока 4 А энергия магнитного поля составляет 2Дж, то магнитный поток, пронизывающий витки катушки, равен… (в Вб).

Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть А

Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция.

Часть А


  1. Частица массы m и заряда q движется по окружности в однородном магнитном поле с индукцией B в плоскости, перпендикулярной линиям индукции. Если радиус окружности R, то кинетическая энергия частицы равна…

А) q2 B2 R2 Б) qBR В) q2 B2 R Г) q2 B2 R2 Д) m2 B2 R

2m 2m 2m m2 q


  1. Электромагнитный ускоритель представляет собой два

провода, расположенные в горизонтальной плоскости на

расстоянии 20 см друг от друга, по которым может

скользить без трения металлическая перемычка ac массы

2 кг. Магнитное поле с индукцией 1 ТЛ перпендикулярно

плоскости движения перемычки. Какой ток следует

пропустить по перемычке, чтобы она, пройдя путь 2м,

приобрела скорость 10 м/c.

А) 10А Б) 50А В) 100А Г) 250А Д) 300А


U, В

1

2

0,1

0,2


  1. Прямолинейный проводник длиной 10 см перемещают в

однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. Проводник,

вектор скорости и вектор магнитной индукции поля взаимно

t,c
перпендикулярны. С каким ускорением нужно перемещать

проводник, чтобы разность потенциалов на его концах U

возрастала, как показано на рисунке.

А) 10 м/с2 Б) 15 м/с2 В) 20 м/с2 Г) 25 м/с2 Д) 30 м/с2


  1. Протон и альфа-частица, имеющие одинаковые скорости, влетают в магнитное поле перпендикулярно линиям индукции. Как связаны между собой радиусы R1 и R2 окружностей, по которым, соответственно, движутся протон и альфа-частица (массы протона и нейтрона считать равными)

А) R2 = 4R1 Б) R1 = 4R2 В) R2 = 2R1 Г) R1 = 2R2 Д) R1 = R2

  1. По проводнику АБ протекает постоянный ток. Проводник

помещён в однородное магнитное поле, линии индукции

которого перпендикулярны проводнику (см. рис). Если

потенциал точки А больше потенциала точки Б, то сила

Ампера, действующая на проводник направлена . ..

А) вниз Б) вверх В) влево Г) вправо

Д) вдоль линии индукции


  1. Протон и альфа-частица, имеющие одинаковые кинетические энергии, влетают в магнитное поле перпендикулярно линиям индукции. Как связаны между собой радиусы R1 и R2 окружностей, по которым, соответственно, движутся протон и альфа-частица (массы протона и нейтрона считать равными)

А) R1 = R2 Б) R1 = 2R2 В) R2 = 2R1 Г) R1 = √2 R2 Д) R2 = √2 R1



  1. По проводнику АБ протекает постоянный ток. Проводник

помещён в однородное магнитное поле, линии индукции

которого перпендикулярны проводнику (см. рис). Если

потенциал точки А меньше потенциала точки Б, то сила

Ампера, действующая на проводник направлена

А) вниз Б) вверх В) влево Г) вправо Д) вдоль линии индукции


  1. Провод длиной 20см, по которому течёт ток 10А, перемещается в однородном магнитном поле с индукцией 0,7 Тл. Вектор индукции поля, направления перемещения проводника и тока взаимно перпендикулярны. Если проводник перемещается на 50 см, то сила Ампера совершает работу, модуль кой равен …

А) 0,1 Дж Б) 0,2 Дж В) 0,5 Дж Г) 0,7 Дж Д) 1,2 Дж

  1. Протон и альфа-частица, ускоренные одинаковой разностью потенциалов, влетают в магнитное поле перпендикулярно линиям индукции. Как связаны между собой радиусы R1 и R2 окружностей, по которым, соответственно, движутся протон и альфа-частица (массы протона и нейтрона считать равными)

А) R2 = 2R1 Б) R1 = 2R2 В) R2 = √2 R1 Г) R1 = √2 R2 Д) R1 = R2

  1. Какую размерность в системе СИ имеет единица измерения магнитной индукции

А) кг /A c2 м Б) А с2 /кг м В) Н /А м2 Г) Н /А м Д) А м /кг с2

  1. Электрон, пройдя в электрическом поле ускоряющую разность потенциалов U, попадает в однородное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны направлению движения электрона, и начинает двигаться по окружности. Как изменится радиус окружности, если ускоряющая разность потенциалов U увеличится в 2 раза.

А) увеличится в 2 раза Б) увеличится в √2 раз В) не изменится

Г) уменьшится в 2 раза Д) уменьшится в √2 раз


  1. Какую размерность в системе СИ имеет единица измерения магнитного потока

А) Н /A м2 Б) кг/ с2А В) Н м2 /А Г) кг м /А с2 Д) Н м /А

  1. Прямой проводник, по которому течет постоянный ток, расположен в однородном магнитном поле так, что направление тока в проводнике составляет угол 30 ͦ с направлением линий магнитной индукции. Как изменится сила Ампера, действующая на проводник, если его раcположить под углом 60 ͦ к направлению линий магнитной индукции?

А) увеличится в √3 раз Б) увеличится в 2 раза В) не изменится

Г) станет равной нулю Д) уменьшится в 2 раза


  1. Протон влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции и начинает двигаться по окружности. Как изменится частота вращения протона, если величину индукции магнитного поля уменьшить в 2 раза.

А) увеличится в 2 раза Б) увеличится в √2 раз В) не изменится

Г) уменьшится в 2 раза Д) уменьшится в √2 раз


  1. По двум прямолинейным длинным проводникам,

расположенным во взаимно перпендикулярных

плоскостях, текут равные токи. Какое направление

имеет вектор В индукции магнитного поля в точке О.

А) 1 Б) 2 В) 3 Г) 4 Д) 5


  1. Если частица, имеющая заряд q, движется в однородном магнитном поле с индукцией В по окружности радиуса R, то импульс этой частицы равен …

А) qBR Б) qBR2 В) qB2ПR Г) qBПR2 Д) qB/2ПR

  1. На рисунке изображён проводник, по которому протекает

электрический ток. Направление тока указано стрелкой.

Как направлен вектор магнитной индукции в точке С.

А) в плоскости чертежа вверх

Б) в плоскости чертежа вниз

В) от нас перпендикулярно плоскости чертежа

Г) к нам перпендикулярно плоскости чертежа


  1. Какой процесс объясняется явлением электромагнитной индукции.

А) отклонение магнитной стрелки вокруг проводника с током

Б) взаимодействие двух проводников с током

В) появление тока в катушке при опускании в неё постоянного магнита

Г) возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле


  1. Положительный ион натрия массой m влетает в магнитное поле со скоростью v перпендикулярно линиям индукции В магнитного поля и движется по окружности радиусом R. Модуль вектора индукции магнитного поля можно рассчитать, пользуясь выражением …

А) mve/R Б) mvR/e В) eR/mv Г) mv/eR

  1. Как изменится период обращения заряженной частицы в однородном магнитном поле при увеличении её скорости в n раз.

А) увеличится в n раз Б) увеличится в n3 раз

В) увеличится в n2 раз Г) не изменится


  1. Если заряженная частица, имеющая импульс p, движется в однородном магнитном поле с индукцией B по окружности радиуса R, то заряд этой частицы равен

А) pBR Б) p/ BR В) pB2ПR Г) pBПR2 Д) p/B2ПR

  1. Электрон и протон влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции на расстоянии L друг от друга с одинаковыми скоростями v. Отношение модулей сил, действующих на них со стороны магнитного поля в этот момент времени, равно…

А) 1 Б) 0 В) 1/2000 Г) 2000

  1. Электрон и нейтрон влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции на расстоянии L друг от друга с одинаковыми скоростями v. Отношение модулей сил, действующих на них со стороны магнитного поля в этот момент времени, равно…

А) 0 Б) 1 В) много больше 1 Г) много меньше 1, но не равно 0

  1. По двум тонким прямым проводникам, параллельным друг другу, текут одинаковые токи I (см рис). Как направлен вектор индукции, создаваемого ими магнитного поля в точке С.

А) к нам

Б) от нас

В) вверх

Г) вниз


  1. Две частицы, отношение зарядов которых q2 / q1 = 2, влетели в магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции. Найдите отношение масс частиц m2 / m1, если их кинетические энергии одинаковы, а отношение радиусов траекторий R2 / R1 = ½

А) 1 Б) 2 В) 8 Г) 4

Предновогодний залп рельсотрона / Вооружения / Независимая газета

Выстрел из рельсотрона – съемка сделана во время испытаний.
Фото ВМС США.

Так Пентагон вновь шокирует мир – под Рождество американские военные решили испытать один из своих вариантов «чудо-оружия», так называемый рельсотрон, или рельсотронную пушку. Более широко она известна как «электромагнитная пушка» и должна поступить в дальней перспективе на вооружение американского флота, хотя ею уже вовсю пользуются громилы в голливудских блокбастерах.

САМЫЙ МОЩНЫЙ ВЫСТРЕЛ

Испытание проводилось 10 декабря специалистами Научно-исследовательского управления ВМС США на территории расположенного в городе Дальгрен, штат Вирджиния, одного из подразделений Центра оружия надводных кораблей ВМС США. Причем во время испытания был произведен выстрел, для которого было использовано, как говорится в отчете, «рекордное количество энергии – 33 мегаджоуля». В качестве «снаряда» использовался стальной брусок прямоугольной формы, который рельсотрон разогнал до скорости более 2,5 км/с. Однако, поскольку испытание проходило в закрытом режиме и на нем присутствовали представители командования ВМС США, то чуть позже для собравшейся в Дальгрене журналистско-общественной братии был выполнен «показательный выстрел». Его энергетика составила 32 МДж. На размещенном в открытом доступе видеоролике можно видеть, как стальной брусок массой 10,4 кг вылетает из рельсотрона со скоростью около М=7. Мощь «чудо-пушки» в пресс-релизе Научно-исследовательского управления ВМС США описывается с использованием сравнительного примера – «один мегаджоуль энергии – это когда грузовик массой одна тонна движется со скоростью 100 миль в час».

Данные стрельбы проводились в рамках первого этапа программы испытаний нового «чудо-оружия» и имели целью не только еще раз опробовать пушку и установить новый рекорд по мощи выстрела, но еще и оценить «значимость данной технологии с тактической точки зрения». Специальную батарею, способную аккумулировать заряд в 100 МДж, для программы разработали специалисты компании «Дженерал Атомикс». Ну а компания «БиЭйИ Системз» отвечала за изготовление и сборку самого рельсотрона номинальной мощностью 32 МДж. Старт программе был дан в 2005 году, переход ко второму этапу запланирован на 2012 год.

По данным директора по стратегическим вопросам программы рейлгана (американское обозначение пушки – «electromagnetic railgun», что можно перевести как «электромагнитная рельсовая пушка»), доктора Элизабет д’Андреа, проведенные 10 декабря испытания доказали, что 32-мегаджоульная электромагнитная пушка теоретически способна отправить снаряд массой 10–15 кг на дальность 100–110 миль (185,2–203,7 км) со скоростью порядка М=5 и скорострельностью, более высокой по сравнению с современными артиллерийскими установками. При этом, как заявил еще накануне стрельб, представитель отделения Научно-исследовательского управления ВМС США Роджер Эллис, важность демонстрации заключается в том, что «положительные результаты испытания подтвердят возможность использования данной технологии для военных целей».

Основная цель реализуемой сегодня Научно-исследовательским управлением ВМС США программы «электромагнитный рейлган» заключается в создании для надводных кораблей основных классов нового дальнобойного комплекса вооружения, основанного на использовании электрической энергии и кинетического боеприпаса. Урон обстреливаемому объекту будет наноситься не за счет энергии детонирующего взрывчатого вещества артиллерийского снаряда, а за счет кинетической энергии «болванки». Выброс же снаряда из такой пушки осуществляется за счет использования силы Лоренца, при помощи которой и разгоняется снаряд. В процессе выстрела происходит преобразование электрической энергии, получаемой из входящего в состав рельсотрона источника электроэнергии (например, вырабатывающего электрический ток генератора и накапливающего его конденсатора), в кинетическую энергию летящего с весьма большой скоростью снаряда. В связи с этим американцы присвоили проекту девиз «Velocitas Eradico», что в переводе с латыни звучит как «Скорость разрушает».

По оценке специалистов Научно-исследовательского управления ВМС США, в случае поступления рельсотрона на вооружение боевых кораблей, военным удастся решить сразу несколько проблем. Во первых: устранить необходимость использования взрывчатки в снарядах и порохов в артиллерийских выстрелах, сократить объемы погребов боезапаса (они превратятся в склады «металлических болванок»), второе – за счет отказа от использования ВВ и порохов – общую взрывопожаробезопасность кораблей. Скорострельность корабельного рельсотрона должна составлять порядка 6–12 выстрелов в минуту. Для того же, чтобы понять примерно боевой потенциал рельсотронной пушки, надо обратиться к расчетам самих американцев – по их мнению, при мощности пушки 9 МДж металлический снаряд-болванка массой 2 кг с начальной скоростью 3 км/с может легко пробить броню современного боевого танка.

ИСТОРИЧЕСКИЕ КОРНИ

Интересно, что идея использования электрической энергии для стрельбы не является изобретением последних десятилетий. Так, например, «электрический аппарат для движения снаряда» изобрел в начале прошлого века француз Луи Октав Фашон-Виллепле. Конструктивно пушка представляла собой два параллельных медных рельса, помещенных внутрь ствола, поверх которого были навешены катушки из провода – по ним пропускался электрический ток от батареи или механического генератора. При движении по рельсам оперенный снаряд своими «крыльями» последовательно замыкал контакты указанных выше катушек и таким образом постепенно продвигался вперед, набирая скорость. Изобретение свое он сделал еще на рубеже 1917–1918 годов, а заявку на получение в США патента подал 1 апреля 1919 года. Не известно, то ли бюрократическая волокита подвела, то ли сотрудники патентного бюро посчитали это за шутку, но патент свой за №1421435 французский инженер получил только в июле 1922 года.

Впрочем, и это далеко не начало истории – первое упоминание о пушке, снаряды которой отправлялись в полет посредством электричества, относится к 1845 году. В одном из английских журналов за январь–июнь указывалось, что в предыдущем году изобретатель по фамилии Беннингфильд предложил британскому военному министерству 16-мм электрическое орудие, которое на дальности 36,5 метра могло без труда пробивать доску толщиной 76 мм. Источником электроэнергии предполагались гальванические элементы, скорострельность – порядка 1000 выстрелов в минуту. Точных данных о конструкции пушки, впрочем, не сохранилось, как и информации о том, что сталось с самой пушкой.

В новом, XIX, веке подобным оружием занимались в Норвегии (патент на электромагнитную пушку в 1901 году получил Кристиан Биркеланд), вновь во Великобритании (в 1908 году инженер Симпсон предлагал с помощью электрической пушки своей конструкции обстреливать французскую столицу аж из пригородов Лондона). Не отстала и Российская империя (в 1915 году два русских инженера подготовили проект дальнобойной электрической пушки, имевшей калибр 300 мм и предполагавшейся к использованию 1000-кг снарядов. Идея получила признание, но ввиду занятости военной промышленности заказами военного ведомства для нужд фронта постройку пушки сочли невозможной. В 1934 году в США Верджил Ригсби получил патент №1959737 на автоматическую электрическую пушку. Спустя два года профессор Принстона Эдвин Нортруп построил электромагнитное орудие с 18 «ствольными» катушками). В Советской России в 1920–1930-е годы тоже активно обсуждалась идея создания 76-мм электропушек. А в нацистской Германии инженер Министерства вооружений Иоахим Ханслер в 1944 году спроектировал и построил 10-мм пушку LM-2. Во время испытаний последней 10-граммовый алюминиевый «снаряд» цилиндрической формы удалось разогнать до скорости 1080 м/с. На основе его работ Люфтваффе было даже подготовлено техническое задание на электрическую зенитную пушку. Начальная скорость снаряда предполагалась не менее 2000 м/с, а скорострельность – 12 выстрелов в минуту. Впрочем, данная пушка, как и многие другие образцы «вундерваффе», в серию так и не пошла – тысячелетний рейх рушился под ударами союзников, и промышленность Германии уже была не способна на такие «подвиги». Опытный образец и проектная документация попали в руки американских военных. По результатам своих испытаний те в 1947 году вынесли заключение – для нормальной работы пушки требовалась энергия, которой можно было осветить пол-Чикаго.

УПОР НА РЕЛЬСОТРОНЫ

Надо отметить, все это были электромагнитные пушки катушечного типа – не рельсотроны. Такие пушки, состоявшие из соленоида, внутри которого располагался ствол, получили название пушек Гаусса – по имени Карла Гаусса, известного трудами в области теории электричества и магнетизма. Снаряд вставлялся в ствол с «казенной» части, при подаче тока в соленоиде возникало магнитное поле, разгонявшее снаряд, который как бы втягивался в область цепи катушек.

Приоритет же в последней трети ушедшего века получил рельсотронный, а не катушечный вариант электромагнитной пушки – благодаря более простой конструкции и большей мощности выстрела. Первые рельсотронные пушки, имевшие практическое значение, появились в 1970-х годах. Наиболее известны образцы, созданные в Австралийском национальном университете: сэр Марк Олифант выступил инициатором создания униполярного генератора мощностью 500 МДж и запитывавшегося от него тоже «не слабого» рельсотрона, использовавшегося в лабораторных целях, а 1970-х годах работами с рельсотронными пушками активно занимались Ричард Маршалл и Джон Барбер. В последней четверти прошлого века велись работы по рельсотронной тематике даже в Югославии (мощность пушки составила около 7 килоджоулей), в 1980-х годах к созданию рельсотронов – калибром 30 мм – приступили и в СССР, хотя о сегодняшнем состоянии работ в данной области в России точной информации нет.

РЕЛЬСОТРОН КАК ОН ЕСТЬ

Если, как говорится, зреть в корень, то испытываемый сегодня американскими военными «электромагнитный рейлган» представляет собой одну из разновидностей электромагнитного (или электродинамического) ускорителя масс, или, как его еще называют, импульсный электродный ускоритель масс.

Конструктивно он представляет собой две подсоединенные к источнику электроэнергии и расположенные параллельно электропроводные шины (металлических рельса), между которыми с «казенной» части заряжается также электропроводный снаряд, замыкающий таким образом электрическую цепь. Затем на рельсы подается электрический ток, после чего под действием образующейся непосредственно внутри канала ствола и направленной перпендикулярно движению тока и линиям магнитного поля силы Лоренца снаряд разгоняется до сверхвысоких скоростей. В рамках рассматриваемой нами программы специалистам ВМС США удалось разогнать 10-килограммовый «снаряд-болванку» до 2,5 км/с. Но и это не предел – упоминавшиеся выше специалисты Австралийского национального университета получали на рельсотроне скорости более 5 км/с, пусть и при массе «снаряда» в несколько граммов.

Однако не все так просто с рельсотроном, как это может показаться на первый взгляд. При детальном рассмотрении можно найти целый «букет» недостатков и специальных требований, так сказать «но» и «если». Во-первых, «заряд», то есть импульс тока, должен быть одновременно и очень мощным, и как можно менее длительным – это позволит разогнать снаряд, а не расплавить его. Но в то же время импульс должен быть «полностью управляемым», как подчеркивают американские специалисты; во-вторых, большая мощность импульса требует наличия обладающего максимально возможной мощностью источника питания; в-третьих, поскольку направляющие рельсотрона, то есть сами рельсы, во время выстрела должны пропускать короткий и мощный импульс тока, их изготавливают из материала с максимально возможной проводимостью. При этом он еще должен также выдерживать следующий по ним со сверхвысокой скоростью снаряд и возникающий при выстреле «тепловой удар» – от протекающего тока и трения снаряда о рельсы (во время выстрела хорошо заметен характерный след от сгорающих частиц снаряда.

Следует также отметить, что рельсотрон может выполнять стрельбу не только самим снарядом, но также и плазмой. Например получаемой при сгорании, помещенной в «ствол» проволоки и затем также разгоняемой «на рельсах». Впрочем, при сегодняшнем уровне науки и технологий полученный таким образом «плазменный снаряд» является неустойчивым и быстро распадается, да и двигаться «плазменный снаряд» может лишь в определенной среде, с определенным давлением. Но американские военные все же не исключают возможности получения такой «плазменной пушки» в свое распоряжение хотя бы в долгосрочной перспективе.


Так выглядит рейлган.
Фото ВМС США

ИСПЫТАНИЯ И РЕКОРДЫ

В октябре 2006 года на полигоне исследовательского центра в Дальгрене из исследовательского рельсотрона – первого прототипа перспективной 64-мегаджоульной боевой рельсотронной пушки – был выполнен выстрел снарядом массой 3,2 кг, мощность выстрела составила 8 МДж. Полтора года спустя, 31 января 2008 года, там же был произведен выстрел аналогичным 3,2-килограммовым алюминиевым снарядом, успешно «поразившим» наполненный песком металлический бак. На этот раз использовалась усовершенствованная батарея конденсаторов увеличенной емкости, начальная скорость снаряда во время испытаний в семь раз превысила скорость звука, а кинетическая энергия выстрела достигла 10,6 МДж – на тот момент это был рекордный показатель, на 1,6 МДж превысивший предыдущий рекорд, принадлежавший почти 15 лет исследовательской группе из Университета Техаса в городе Остин, работавшей по контракту с командованием Сухопутных войск США.

«К настоящему времени уже почти достигнут предел возможностей для используемых в артиллерии пороховых зарядов, а нынешние опыты являются первым шагом на пути создания тактически пригодных боевых рельсотронных пушек с мощностью выстрела 64 МДж, – подчеркнул после испытаний представитель исследовательского центра в Дальгрене Чарльз Гарнетт, сообщив, что рельсотронная пушка вполне способна отправить снаряд массой 18 кг на дальность 200 миль (около 370,4 км) – в 10 раз дальше, чем самая мощная современная американская корабельная артустановка Mk 45. – К тому же, наши заказчики ожидают, что рельсотронная пушка будет не такой «громкоговорящей».

Причем если армейская пушка в Техасе рекордный выстрел делала на пределе своей мощи, то военно-морская пушка в Дальгрене имеет расчетную мощность 32 МДж, а следующим этапом ее разработки будет постройка как раз рельсотрона на 64 МДж. «В процессе разработки 64-мегаджоульной рельсотронной пушки они, конечно, столкнутся со множеством проблем, – заметил в интервью американским специализированным СМИ специалист Университета Техаса Джон Кицмиллер, работавший в свое время над армейским рельсотроном, – но с технологической точки зрения это вполне реализуемо». В подтверждение этого он обнародовал бюджет ВМС США на данную программу – по нему в период до 2011 года запланировано выделение по 40 млн. долл. ежегодно. По мнению Кицмиллера, при таком финансировании – а армейская программа «накрылась» именно из-за недостаточного финансирования – боеспособную рельсотронную пушку можно будет создать за 15–20 лет. Одной из основных проблем, по мнению специалиста, станет создание соответствующих источников питания. Ведь «для того чтобы батарея конденсаторов могла «хранить» питание для нескольких 64-мегаджоульных выстрелов, флоту необходимо забить конденсаторами корабль размером с авианосец».

Кстати, еще одна проблема вытекает из намерения командования ВМС США применять из рельсотронных пушек не простые «болванки», а управляемые боеприпасы со спутниковой системой наведения – в этом случае конструкторам придется создать систему управления, способную выдержать действительно колоссальные перегрузки, минимум вдвое выше, чем это могут «позволить себе» самые лучшие современные системы управления. Придется поработать и со стволом – у боевой пушки он должен выдерживать серию выстрелов, а то ведь придется возить с собой на корабле кроме батарей конденсаторов или компульсаторов еще и кучу сменных стволов.

«Выстрелить из рельсотронной пушки один или два раза – значит доказать практичность технологии, – подтвердил Чарльз Гарнетт. – Если же выстрелить из рельсотрона тысячу или другую раз – значит создать оружие». Пока же сотрудникам Научно-исследовательского управления ВМС США приходится после каждого выстрела заменять какой-либо из компонентов испытываемого рельсотрона.

Следующий этап программы был начат во второй половине 2009 года – с момента поступления в центр изучения вопросов ведения надводной войны в Дальгрене рельсотрона, созданного специалистами компании «БиЭйИ Системз» и получившего название «Электромагнитный исследовательский рейлган» (Electro-Magnetic Laboratory Rail Gun). Расчетная мощность рельсотрона – 32 МДж, начальная скорость снаряда – до М=8, причем от руководства центра потребовалось установить дополнительное количество конденсаторов. Кстати, «БиЭйИ Системз» оказалась участником американского проекта не просто так – британское Министерство обороны также проявляет активный интерес к рельсотронным пушкам. Так, в 2003 году на полигоне Дандреннан в исследовательском центре Агентства оборонных исследований Великобритании в шотландском городке Киркудбрайт было проведено первое огневое испытание «электромагнитного рейлгана» – стрельба проводилась не на полную мощность, была достигнута начальная скорость снаряда около М=6. Однако британцы результаты работы по своему до сих пор работающему – уже почти 10 лет – рельсотрону, в отличие от их американских коллег, не особо стремятся афишировать.

РЕЛЬСОТРОННЫЙ ЭСМИНЕЦ

По расчетам американских специалистов, для рельсотронной пушки мощностью 64 МДж придется обеспечить подачу 6 млн ампер в секунду – колоссальная электрическая энергия, которую не то что сохранить трудно, но и произвести на находящемся посреди океана надводном корабле достаточно сложно. Скажем, по данным доктора Амира Чабоки, занимающегося в «БиЭйИ Системз» программой по разработке «электромагнитных рейлганов», для выполнения из 64-МДж рельсотронной пушки шести выстрелов в минуту необходима подача на комплекс 16 МВт электроэнергии. Для сравнения, мощность главной энергоустановки перспективного эсминца УРО типа DDG 1000 заявлена в размере 72 МВт – и это на все про все: движение корабля, запитку всех корабельных потребителей электроэнергии, в том числе комплексов оружия и радиотехнического вооружения. Впрочем, специалисты рассчитывают на то, что в процессе проведения стрельб скорость эсминца будет незначительной и кораблю не нужна будет вся эта огромная энергия.

Стреляющие управляемыми высокоточными снарядами на 200–220 миль (около 370–407 км) скорострельные рельсотронные пушки видятся командованием Корпуса морской пехоты США в качестве одного из наиболее эффективных средств для поддержки своих подразделений, высаживающихся на враждебное побережье, и получить такое «чудо-оружие» – пусть и в не особо близком будущем – уже стало для американских «морпехов» навязчивой идеей.

Генералы морской пехоты и адмиралы американского флота спят и видят картину боя в недалеком будущем: во время высадки на побережье противника подразделения морпехов сталкиваются с неожиданно серьезным сопротивлением противника и руководитель операции решает запросить дополнительную огневую поддержку; в это время находящаяся на дистанции 150–200 миль от района высадки пара эсминцев УРО типа DDG 1000 получает данные целеуказания, командиры кораблей отдают соответствующие команды. Однако вместо того, чтобы применить «дорогие», по миллиону «баксов» крылатые ракеты «Томахок», эсминцы начитают почти беззвучный обстрел из рельсотронных пушек с применением «умных» управляемых снарядов. После ввода данных для стрельбы на пушку подается ток и метровый 18-кг снаряд с гиперзвуковой скоростью вылетает из ствола по направлению к цели. Примерно 5–6 минут спустя первые снаряды накрывают досаждающие морским пехотинцам огневые точки.

Потенциальными «потребителями» нового комплекса вооружения должны стать перспективные эсминцы УРО типа DDG 1000 и даже последние в серии эсминцы УРО типа DDG 51. Впрочем, с первыми теперь возникла проблема – программа находится практически в стадии закрытия.

РЕЛЬСОТРОНЫ НА ЭКРАНЕ

Зато различные образцы электромагнитного оружия прочно оккупировали страницы фантастических произведений, киноэкраны с голливудскими блокбастерами и многочисленные компьютерные «стрелялки» и «бродилки». Так, именно с «широкого экрана» из созданного в Голливуде фильма «Стиратель» с прославленным Арнольдом Шварценеггером в главной роли шагнула к нам оснащенная рентгеноскопическим прицелом суперсовременная «электромагнитная штурмовая система», или «электромагнитный пульсатор», созданный в тайне компанией «Сайрез» и стреляющий металлическими шариками, вылетающими чуть ли не со скоростью света.

По сценарию боевика, сотрудница «торгующей смертью» компании Ли Каллен, которую играет Ванесса Уильямс, раскрывает тайный план руководства «Сайрез» и вместе с агентом Джоном Крюгером – в исполнении Шварценеггера – предотвращают продажу 10 тыс. портативных электромагнитных штурмовых винтовок главарю русской мафии. И то правда – кто еще может заплатить 52 млн. «баксов» и развязать затем всемирный криминальный террор. Впрочем, тогда имя Усамы бен Ладена было еще не в ходу, а так – как знать, может быть, Мистеру Вселенная пришлось бы воевать именно с его подручными, а не продажными агентами ЦРУ и ФБР.

«Мы уделили много внимания тому, чтобы зрители осознали серьезную угрозу, исходящую от подобного оружия, – говорил позже Арнольд Шварценеггер, – с помощью которого кто-то может «проникнуть» внутрь вашего дома, смотря сквозь стены. Оно действительно не оставляет вам ни единого шанса выжить».

В общем, хорошо, что такое оружие стреляет пока только с экранов кинотеатров, хотя, как показывает мировая история, многие «задумки» фантастов и других творческих личностей рано или поздно все же оказывались в руках военных. Так что держите на всякий случай дома пару холодильников – с их помощью, как показано в «Стирателе», можно на время спрятаться от всевидящего ока «электромагнитной штурмовой системы».

Атомная энергия. Том 20, вып. 5. — 1966 — Электронная библиотека «История Росатома»

Главная → Указатель произведений

ЭлектроннаябиблиотекаИстория Росатома

Ничего не найдено.

Загрузка результатов…

 

 

Закладки

 

 

 

Обложка377378378 вкл. 1379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455456Обложка (с. 3)

 

 

Увеличить/уменьшить масштаб

По ширине страницы

По высоте страницы

Постранично/Разворот

Поворот страницы

Навигация по документу

Закладки

Поиск в издании

Структура документа

Скопировать текст страницы

(работает в Chrome 42+,
Microsoft Internet Explorer и Mozilla FireFox
c установленным Adobe Flash Player)

Добавить в закладки

Текущие страницы выделены рамкой.

 

Содержание

ОбложкаОбложка

377Титульный лист

377Содержание

378Contents

 378 вкл. 1Журналу «Атомная энергия» 10 лет

 379Статьи

 379

Батов В. В., Корякин Ю. И.

Некоторые вопросы экономического стимулирования в ядерной энергетике 385

Абрамян Е. А., Гапонов В. А.

Сильноточный ускоритель на основе трансформатора 392

Лебедев В. Н., Зельчинский М., Салацкая М. И.

Экспериментальное определение фактора качества излучения вблизи ускорителей высокой энергии 396

Зуева Н. М., Соловьев Л. С.

Спиральные магнитные конфигурации с минимумом В̅ 401

Глаголев В. М., Хромков И. Н., Чеверев Н. С.

Парамагнитный эффект под действием ВЧ-давления и электронный параметрический резонанс в плазме 407

Гречухин Д. П., Карпушкина Э. И., Соколов Ю. Л.

Оптическое возбуждение и ионизация быстрых атомов водорода 412

Ратников Е. Ф., Шустов М. В.

О влиянии некоторых параметров цикла на к. п. д. атомной газотурбинной установки 416

Машкович В. П., Николаев А. Н., Сахаров В. К., Синицын Б. И., Цыпин С. Г.

Распределение быстрых нейтронов деления вдоль прямых цилиндрических каналов в воде 419

Зильберман Б. Я., Комаров В. Н., Пушленков М. Ф.

Расчет азеотропной ректификации с водяным паром на примере системы трибутилфосфат — четыреххлористый углерод

 422Аннотации депонированных статей

 422

Золотухин В. Г., Кутузов А. А., Бродер Д. Л., Хамьянов Л. П., Ефименко Б. А., Жилкин А. С.

Анализ и обобщение корреляционного метода измерения распределения времени жизни частиц в физической системе 423

Баутин А. В., Койфман О. С.

Расчет выхода и среднеквадратического угла отклонения позитронов при прохождении электронов через толстые фольги 424

Казанский Ю. А., Кухтевич В. И., Попов В. И., Тарасов В. В., Шеметенко Б. П.

Зависимость фактора накопления от местоположения детектора за защитой 425

Ибрагимов М. Х., Жуков А. В.

Метод расчета коэффициентов теплообмена при продольном омывании жидким металлом пучков твэлов 425

Дубровский В. Б., Шрейбер А. К., Миренков А. Ф., Соловьев В. Н.

Защита из камнебетона от γ-излучения 426

Дубровский В. Б., Рябухин Ю. С., Миренков А. Ф., Соловьев В. Н.

Прохождение γ-излучения через швы сборных бетонных экранов 427

Полак Л. С., Глазунов П. Я., Парфанович Б. Н., Рябчикова Г. Г., Глушнев В. Е., Попов В. Т.

Установка для радиационно-химических процессов с реактором, обеспечивающим равномерное температурное поле

428Порядок депонирования статей

 429Письма в редакцию

 429

Алексеев А. Г., Барковский В. Н., Басаргин Ю. Г., Васильев В. Н., Литуновский Р. Н., Миняев О. А., Николаев В. Н., Степанов А. В.

Секторный циклотрон с диаметром полюсов электромагнита 685 мм 431

Королева В. П., Стависский Ю. Я.

Измерение сечений поглощения быстрых нейтронов с помощью резонансного детектора в воде 432

Васильев С. С., Михалева Т. Н., Воробьев Ю. А., Чупрунов Д. Л.

Анализ состава материалов с помощью неупругого рассеяния быстрых заряженных частиц 434

Абрамс И. А., Пелекис Л. Л., Тауре И. Я.

Измерение больших доз и потоков γ-излучения путем фотоактивации изомерных состояний ядер 435

Васина В. Н., Александрова В. Н., Герасимов В. В.

Влияние γ-облучения на процесс накипеобразования 437

Ефанов А. И., Константинов Л. В., Постников В. В., Садиков И. П., Соколов М. П.

Установка для осцилляторных измерений на ядерном реакторе 438

Горбунов Л. М., Митенков Ф. М., Самойлов О. Б., Фармаковский В. В.

Об усреднении сечений в тепловой области для сред, содержащих гидрид циркония 439

Ермаков С. В., Царев Б. М.

Термоэлектронная эмиссия додекаборида урана 440

Альшевский Л. Е., Кузьмичев Ю. С., Курочкина Л. М., Лупаков И. С., Неймарк В. Е., Теулин И. И.

Влияние ультразвука на пластичность высокобористых нержавеющих сталей 442

Мяздриков О. А., Демидович В. Н., Суслов А. П.

Ионизационно-механический детектор ионизирующих излучений 444

Карташов Н. П.

Экспресс-метод определения концентрации аэрозольного RaA и скрытой энергии в воздухе 448

Прохоров В. М.

Расчет изменения концентрации радиоактивного изотопа в воде непроточного водоема при поглощении изотопа донным слоем

 450Новости науки и техники

 450

Жемчужников Г.

Совещание по физике и технике исследовательских реакторов 451

Алексеев Ф. А., Кожевников Д. А., Резванов Р. А., Холин А. И.

Симпозиум по использованию радиоизотопной техники в промышленности и геофизике 452

Колычев Б. С.

Совещание по вопросам фиксации радиоактивных отходов 454

Нежельская Т. И.

Семинар на ВДНХ СССР 455

Нежельская Т. И.

Визит американских ученых радиологов-неврологов в СССР 455

Сивинцев Ю. В.

О единице измерения биологической дозы ионизирующего излучения

456Поправка

456Концевая страница

Обложка (с. 3)Объявление

 

Обращаясь к сайту «История Росатома — Электронная библиотека»,
я соглашаюсь с условиями использования представленных там материалов.

Правила сайта (далее – Правила)

  1. Общие положения
    1. Настоящие правила определяют порядок и условия использования материалов, размещенных на сайте www. biblioatom.ru (далее именуется Сайт), а также правила использования материалов Сайтом и порядок взаимодействия с Администрацией Сайта.
    2. Любые материалы, размещенные на Сайте, являются объектами интеллектуальной собственности (объектами авторского права или смежных прав, а также прав на средства индивидуализации). Права Администрации Сайта на указанные материалы охраняются законодательством о правах на результаты интеллектуальной деятельности.
    3. Использование материалов, размещенных на Сайте, допускается только с письменного согласия Администрации Сайта или иного правообладателя, прямо указанного на конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала.
    4. Права на использование и разрешение использования материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, допускается с разрешения таких правообладателей или в соответствии с условиями, установленными такими правообладателями. Никакое из положений настоящих Правил не дает прав третьим лицам на использование материалов правообладателей, прямо указанных на конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала.
    5. Настоящие Правила распространяют свое действие на следующих пользователей: информационные агентства, электронные и печатные средства массовой информации, любые физические и юридические лица, а также индивидуальные предприниматели (далее — «Пользователи»).
  2. Использование материалов. Виды использования
    1. Под использованием материалов Сайта понимается воспроизведение, распространение, публичный показ, сообщение в эфир, сообщение по кабелю, перевод, переработка, доведение до всеобщего сведения и иные способы использования, предусмотренные действующим законодательством Российской Федерации.
    2. Использование материалов Сайта без получения разрешения от Администрации Сайта не допустимо.
    3. Внесение каких-либо изменений и/или дополнений в материалы Сайта запрещено.
    4. Использование материалов Сайта осуществляется на основании договоров с Администрацией Сайта, заключенных в письменной форме, или на основании письменного разрешения, выданного Администрацией Сайта.
    5. Запрещается любое использование (бездоговорное/без разрешения) фото-, графических, видео-, аудио- и иных материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих Администрации Сайта и иным правообладателям (третьим лицам).
    6. Стоимость использования каждого конкретного материала или выдача разрешения на его использование согласуется Пользователем и Администрацией Сайта в каждом конкретном случае.
    7. В случае необходимости использования материалов Сайта, права на которые принадлежат третьим лицам (иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от них), Пользователи обязаны обращаться к правообладателям таких материалов для получения разрешения на использование материалов.
  3. Обязанности Пользователей при использовании материалов Сайта
    1. 3.1. При использовании материалов Сайта в любых целях при наличии разрешения Администрации Сайта, ссылка на Сайт обязательна и осуществляется в следующем виде:
      1. в печатных изданиях или в иных формах на материальных носителях Пользователи обязаны в каждом случае использования материалов указать источник – электронная библиотека «История Росатома» (www.biblioatom.ru)
      2. в интернете или иных формах использования в электронном виде не на материальных носителях, Пользователи в каждом случае использования материалов обязаны разместить гиперссылку на Сайт — электронная библиотека «История Росатома» (www.biblioatom.ru), гиперссылка должна являться активной и прямой, при нажатии на которую Пользователь переходит на конкретную страницу Сайта, с которой заимствован материал.
      3. Ссылка на источник или гиперссылка, указанные в пп. 3.1.1 и 3.1.2. настоящих Правил, должны быть помещены Пользователем в начале используемого текстового материала, а также непосредственно под используемым аудио-, видео-, фотоматериалом, графическим материалом Администрации Сайта.
    2. Размеры шрифта ссылки на источник или гиперссылки не должны быть меньше размера шрифта текста, в котором используются материалы Сайта, либо размера шрифта текста Пользователя, сопровождающего аудио-, видео-, фотоматериалы и графические материалы Сайта, а также цвет ссылки должен быть идентичен цветам ссылок на Сайте и должен быть видимым Пользователю.
    3. Использование материалов с Сайта, полученных из вторичных источников (от иных правообладателей, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от них), возможно только со ссылкой на эти источники и, в случае необходимости, установленной такими источниками (правообладателями), — с их разрешения.
    4. Не допускается переработка оригинального материала (произведения), взятого с Сайта, в том числе сокращение материала, иная его переработка, в том числе приводящая к искажению его смысла.
  4. Права на материалы третьих лиц, урегулирование претензий
    1. Материалы, права на которые принадлежат третьим лицам, размещенные на Сайте, размещены либо с разрешения правообладателя, полученного Администрацией Сайта, либо, в случае, если таковое использование прямо не запрещено правообладателем, в соответствии с Законодательством РФ в информационных целях с обязательным указанием имени автора, материал которого используется, и источника заимствования.
    2. В случае, если в обозначении авторства материалов в соответствии с п. 4.1. настоящих Правил содержится ошибка, или в случае использования материала с предполагаемым или реальным нарушением прав третьих лиц, или в иных спорных случаях использования объектов интеллектуальной собственности, размещенных на Сайте, в том числе в случае, когда права третьего лица тем или иным образом нарушаются с использованием Сайта, применяется следующая схема урегулирования претензий третьих лиц к Администрации Сайта:
      1. в адрес Администрации Сайта по электронной почте на адрес info@biblioatom. ru направляется претензия, содержащая информацию об объекте интеллектуальной собственности, права на который принадлежат заявителю и который используется незаконно посредством Сайта или с нарушением правил использования, или иным образом права заявителя как обладателя исключительного права на объект интеллектуальной собственности, размещенный на Сайте, нарушены посредством Сайта, с приложением документов, подтверждающих правомочия заявителя, данные о правообладателе и копия доверенности на действия от лица правообладателя, если лицо, направляющее претензию, не является руководителем компании правообладателя или непосредственно физическим лицом — правообладателем. В претензии также указывается адрес страницы Сайта, которая содержит данные, нарушающие права, и излагается полное описание сути нарушения прав;
      2. Администрация Сайта обязуется рассмотреть надлежаще оформленную претензию в срок не менее 5 (пяти) рабочих дней с даты ее получения по электронной почте. Администрация Сайта обязуется уведомить заявителя о результатах рассмотрения его заявления (претензии) посредством отправки письма по электронной почте на адрес, указанный заявителем, а также направить ответ в письменном виде на адрес, указанный заявителем (в случае неуказания такового адреса отправки, обязательство по предоставлению письменного ответа на претензию с Администрации Сайта снимается). В том числе, Администрация Сайта вправе запросить дополнительные документы, свидетельства, данные, подтверждающие законность предъявляемой претензии. В случае признания претензии правомерной, Администрация Сайта примет все возможные меры, необходимые для прекращения нарушения прав заявителя и урегулирования претензии;
      3. Администрация Сайта в любом случае предпринимает все возможные меры к скорейшему удовлетворению обоснованных претензий третьих лиц и стремиться к максимально скорому урегулированию всех спорных вопросов.
  5. Прочие условия
    1. Администрация Сайта оставляет за собой право изменять настоящие Правила в одностороннем порядке в любое время без уведомления Пользователей. Любые изменения будут размещены на Сайте. Изменения вступают в силу с момента их опубликования на Сайте.
    2. По всем вопросам использования материалов Сайта Пользователи могут обращаться к Администрации Сайта по следующим координатам: [email protected]
    3. Во всем, что не урегулировано настоящими Правилами в отношении вопросов использования материалов на Сайте, стороны руководствуются положениями Законодательства РФ.

СогласенНе согласен

Многоступенчатый ускоритель с бегущим переключением соленоидов

Изобретение относится к области вооружения, в частности к электромагнитным пусковым установкам. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа содержит ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторные источники энергии. Соленоиды объединены в группы с раздельным питанием. При выключении соленоида в одной группе его энергия самоиндукции направляется в конденсаторный источник питания другой группы. Соленоиды питаются посредством продольных силовых шин. Последовательный выбор соленоида в группе происходит автоматически по сигналам дополнительных сенсорных обмоток. Техническим результатом является повышение эффективности, компактности и помехозащищенности конструкций. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

В технике электромагнитного ускорения тел известны линейные многоступенчатые ускорители [1-4]. Общими недостатками ускорителей этого типа являются низкая эффективность и большое количество цепей управления и раздельного силового питания, усложняющих конструкцию и снижающих надежность ускорителя.

Развитие конструкций ускорителей идет по нескольким направлениям.

В [5] предложена более совершенная схема коммутации на основе матрицы ключей с диагональным полумостовым включением нагрузки. Такое решение позволяет упростить конструкцию за счет снижения общего количества примененных ключей. Полумостовое включение обмоток ускорителя обеспечивает повышенную эффективность работы благодаря возврату части энергии самоиндукции обратно в источник питания (рекуперации энергии). Недостатком полумостовой схемы является необходимость применения как нижних, так и верхних запираемых ключей. Управление нижними ключами относительно потенциала общего провода (земли) реализуется достаточно просто, а для управлениями верхними ключами относительно плавающего потенциала требуются более сложные схемотехнические решения.

Повысить эффективность ускорителя возможно путем увеличения числа ступеней при одновременном снижении мощности каждой ступени. Однако при компактной реализации такого ускорителя возникают технические трудности, связанные с размещением большого количества импульсных силовых электрических цепей в непосредственной близости от чувствительных цепей датчиков и их усилителей. Это требует дополнительных затрат на обеспечение достаточной помехозащищенности и надежности, что в свою очередь, еще больше усложняет конструкцию ускорителя.

Прототипом заявляемого ускорителя является электромагнитный ускоритель метаемого тела [6] с частичной рекуперацией энергии самоиндукции обмоток соленоидов с помощью трансформаторной связи между ступенями. Недостатком такой конструкции является применение магнитопроводов сложной формы и рекуперация энергии самоиндукции только при относительно слабых магнитных полях, не вызывающих насыщения магнитопроводов.

Основной задачей предложенного решения является построение эффективного ускорителя с большим количеством ступеней, обеспечивающего частичную рекуперацию энергии самоиндукции при сильных магнитных полях, позволяющего разместить соленоиды на стволе без промежутков между ступенями, имеющего высокую надежность и помехозащищенность при простой компактной конструкции и малом количестве силовых электрических цепей.

Данная техническая задача решается следующим образом:

Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа содержит ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии.

Изобретение имеет следующие новые признаки, отличающие его от известных:

1. Последовательно расположенные отдельные ускоряющие соленоиды с тиристорными ключами объединены шинами питания и шинами коммутации в группы с чередованием так, что соседние соленоиды входят в разные группы. При этом каждый соленоид включается своим тиристорным ключом, а группа соленоидов дополнительно включается и выключается через шину коммутации групповым транзисторным ключом по сигналам управляющего устройства. Включение тока в соленоиде происходит при одновременном открытии тиристорного ключа соленоида и транзисторного группового ключа, выключение тока в соленоиде происходит путем закрытия группового ключа, после чего ток в обмотке соленоида прекращается, что вызывает автоматическое запирание тиристорного ключа соленоида. Каждый соленоид, кроме основной обмотки, содержит дополнительную сенсорную обмотку. Дополнительная обмотка подключена к управляющему выводу тиристорного ключа следующей включающейся ступени. В момент выключения тока в основной обмотке соленоида ее ЭДС самоиндукции наводит в дополнительной обмотке импульс, открывающий тиристор следующей включающейся ступени ускорителя.

2. Каждая группа соленоидов питается от своего накопительного конденсатора посредством отдельной шины питания. В момент выключения тока в обмотке любого соленоида из одной группы его энергия самоиндукции направляется через цепь рекуперации в конденсатор другой группы и заряжает его, обеспечивая повторное использование части энергии самоиндукции соленоидов.

На чертеже показана схема соединения основных частей ускорителя с двумя поочередно включаемыми группами соленоидов.

Цифрами на схеме обозначены:

1 — ферромагнитный снаряд;

2 — ствол;

3 — тяговый соленоид с основной силовой обмоткой;

4 — дополнительная сенсорная обмотка тягового соленоида;

5 — тиристорный ключ;

6 — силовые шины питания;

7 — управляющее устройство;

8 — транзисторный групповой ключ;

9 — силовые шины коммутации;

10 — цепь рекуперации энергии;

11 — конденсаторный источник энергии.

Многоступенчатый электромагнитный ускоритель устроен следующим образом: ферромагнитный снаряд 1 движется внутри цилиндрического немагнитного ствола 2 и ускоряется за счет магнитного поля тяговых соленоидов 3, соосно закрепленных на стволе. Соленоиды имеют дополнительные сенсорные обмотки 4, сигнал которых открывает тиристорные ключи 5 соленоидов. Питание соленоидов осуществляется посредством шин питания 6. Тиристорный ключ первой ступени управляется непосредственно сигналом управляющего устройства 7, а тиристорные ключи всех остальных ступеней управляются дополнительными обмотками. Нечетные и четные соленоиды с индивидуальными тиристорными ключами объединены в две группы. Управляющее устройство формирует сигналы для поочередного открытия и закрытия транзисторных групповых ключей 8. Каждый такой ключ коммутирует свою группу соленоидов через шины коммутации 9. При этом шины коммутации через рекуперационные цепи 10 соединены с конденсаторными источниками энергии 11 противоположной группы. Силовые шины питания и шины коммутации проложены вдоль ускорителя, а индивидуальные тиристорные ключи установлены рядом с каждой ступенью и подключены к сенсорным обмоткам предыдущих ступеней. Такая компоновка позволяет при увеличении числа ступеней ускорителя сохранить компактность и малое количество соединительных и силовых цепей.

Описание работы ускорителя.

В начальный момент по сигналу управляющего устройства включается транзисторный ключ первой группы соленоидов и подается открывающий импульс на тиристорный ключ соленоида первой ступени. Ток от конденсатора первой группы течет через первый соленоид. Через заданное время, необходимое для ускорения снаряда первым соленоидом, управляющее устройство выключает первый групповой транзисторный ключ и включает второй групповой ключ. В момент выключения тока в соленоиде в его обмотке возникает импульс ЭДС самоиндукции, трансформируемый через дополнительную обмотку к управляющему выводу тиристора второй ступени. Тиристорный ключ второй ступени открывается, транзисторный ключ второй группы в этот момент уже открыт сигналом управляющего устройства и через соленоид второй ступени начинает проходить ток от второго накопительного конденсатора. Энергия самоиндукции отключенной первой ступени через цепь рекуперации энергии подзаряжает накопительный конденсатор второй группы.

Цепь рекуперации построена на основе варистора с напряжением пробоя, незначительно превышающим исходное напряжение конденсаторного источника энергии. Импульс ЭДС самоиндукции ограничивается цепью рекуперации на уровне суммы напряжения конденсаторного источника и напряжения пробоя варистора. Поддержание ЭДС самоиндукции на этом уровне, более чем в два раза превышающем исходное напряжение на конденсаторе, вызывает быстрый спад тока в отключенном соленоиде, предотвращая эффект торможения снаряда остаточным магнитным полем выключаемого соленоида.

Поочередная коммутация двух групп соленоидов обеспечивает паузы между включением ступеней в каждой группе, достаточные для выключения тиристорных ключей в ступенях одной группы за время работы ступеней другой группы. Это позволяет разместить соленоиды на стволе непосредственно друг за другом, без значительных промежутков.

Дальнейшая работа ускорителя контролируется управляющим устройством, поочередно включающим и выключающим групповые транзисторные ключи в необходимые моменты времени. При этом последовательный поочередный выбор рабочей ступени ускорителя происходит автоматически, за счет открытия тиристора каждой следующей ступени импульсом ЭДС самоиндукции предыдущей ступени в момент ее выключения.

Применение предложенных технических решений позволяет снизить количество транзисторных ключей до одного на каждую группу соленоидов, сохраняя возможность поочередного включения и выключения всех соленоидов многоступенчатого ускорителя, повысить общую эффективность преобразования электрической энергии конденсаторов в кинетическую энергию снаряда посредством повторного использования части энергии самоиндукции соленоидов. При этом обеспечивается компактная конструкция многоступенчатого ускорителя за счет питания и коммутации ступеней посредством продольных силовых шин.

Источники информации

1. Патент США №2235201. Electrcic gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

2. Патент США №1241333. Gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

3. Патент США №5125321. Apparatus for and method of operating a cylindrical pulsed induction mass launcher. МПК: F41B 6/00.

4. Патент России №2258885. Электромагнитный ускоритель с вращением снаряда. МПК: F41B 6/00.

5. Патент США №5763812. Compact personal rail gun. МПК: F41F 1/00.

6. Патент России №2267074. Электромагнитный ускоритель метаемого тела. МПК: F41В 6/00.

1. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа, содержащий ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем и последовательно расположенными тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии, отличающийся тем, что отдельные ускоряющие соленоиды с тиристорными ключами объединены шинами питания и шинами коммутации в две группы так, что соленоиды с нечетными номерами образуют первую группу, соленоиды с четными номерами образуют вторую группу, группы соленоидов поочередно включаются и выключаются через шины коммутации групповыми транзисторными ключами по сигналам управляющего устройства, включение тока в соленоиде происходит при одновременном открытии тиристорного ключа соленоида и транзисторного группового ключа, выключение тока в соленоиде происходит путем закрытия группового ключа, после чего ток в обмотке соленоида прекращается, что вызывает автоматическое запирание тиристора соленоида, каждый соленоид содержит две обмотки: основную силовую обмотку и дополнительную сенсорную, дополнительная обмотка подключена к управляющему выводу тиристорного ключа следующей ступени, в момент выключения тока в основной обмотке соленоида, ее ЭДС самоиндукции наводит в дополнительной сенсорной обмотке импульс, включающий тиристор следующей ступени ускорителя.

2. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа, содержащий ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии, отличающийся тем, что последовательно расположенные отдельные ускоряющие соленоиды объединены в две группы так, что соленоиды с нечетными номерами образуют первую группу, соленоиды с четными номерами образуют вторую группу, каждая группа соленоидов питается от своего накопительного конденсатора, в момент выключения тока в силовой обмотке любого соленоида из одной группы, его энергия самоиндукции направляется через цепь рекуперации в конденсатор другой группы и заряжает его, обеспечивая повторное использование части энергии самоиндукции соленоидов.

Производство электромагнитных волн

Производство электромагнитных волн
  • заряженная частица производит электрическое поле. Это электрическое поле действует на другие заряженные частицы. Положительные заряды ускоряются в направлении поля а отрицательные заряды ускоряются в направлении, противоположном направлению поле.
  • движущаяся заряженная частица производит магнитное поле. Это магнитное поле воздействует на другие движущиеся обвинения. Сила, действующая на эти заряды, всегда перпендикулярна направление их скорости и, следовательно, меняет только направление скорость, а не скорость.
  • Ускоряющая заряженная частица производит электромагнитную (ЭМ) волну. Электромагнитные волны являются электрическими и магнитные поля, движущиеся через пустое пространство со скоростью света c. Заряженная частица, совершающая колебания около положения равновесия, представляет собой ускоряющая заряженную частицу. Если его частота колебаний равна f, затем он производит электромагнитную волну с частотой f. длина волны λ этой волны определяется выражением λ = c/f. Электромагнитные волны транспортировать энергию через пространство. Эта энергия может передаваться заряженным частиц на большом расстоянии от источника.

Ускоряющие заряды создают изменяющиеся электрические и магнитные поля. Изменяющиеся электрические поля производят магнитные поля, а меняющиеся магнитные поля производят электрические поля.   Это взаимодействие между индуцированными электрическими и магнитными полями приводит к распространяющиеся электромагнитные волны. электромагнитный волны могут распространяться в свободном пространстве.

Предположим, что заряд q, расположенный вблизи начала координат, ускоряется. Поэтому он производит электромагнитное излучение. В какой-то позиции r в пространстве и в некоторый момент времени t, электрическое поле электромагнитной волны, создаваемое ускоряющим зарядом дается выражением

E рад ( r ,t) = -[1/(4πε 0 )]*[q/(c 2 r’)]*

7 p на (т — р’/с).

Проанализируем это выражение. Электрическое поле пропорционально заряд q. Чем больше ускоряющий заряд, тем больше поле. Это уменьшается обратно пропорционально расстоянию r’, которое является расстоянием между ускоряющий заряд и положение, в котором наблюдается поле. Но это не так расстояние в момент наблюдения поля, но расстояние в несколько более раннее время, называемое замедленное время , когда возникло поле излучения. Все электромагнитные волны распространяются с скорость света c = 3*10 8 м/с в свободном пространстве. Им требуется интервал времени ∆t = ∆r/c, чтобы пройти расстояние ∆r. Электрическое поле также пропорциональна ускорению заряда. Чем больше ускорение, тем больше поле. В приведенном выше выражении Е рад ( р ,т) пропорциональна a perp , компонент ускорение перпендикулярно лучу зрения между r и запаздывающее положение заряда. Направление E рад ( r ,т) перпендикулярно этой линии обзора и ее величина пропорциональна составляющей ускорения, перпендикулярной это линия взгляда.

На рисунке справа показана эта точка. Электрическое поле равна нулю на линии взгляда в направлении ускорения, наибольшая вдоль луча зрения, перпендикулярного направлению ускорения, и всегда перпендикулярно линии взгляда.

Величина a perp равна a*sinθ, и поэтому величина поля излучения равна
E рад ( r ,t) = -[1/(4πε 0 )]*[q/(c 2 r)]*sinθ*a( т — р/с).
Здесь θ — угол между лучом зрения и направлением ускорение.

Магнитное поле электромагнитной волны перпендикулярно электрическому полю и имеет величину B рад = E рад /c дюйм свободное место. Для электромагнитных волн E и B являются всегда перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространение. Направление распространения – это направление Е × В .

Поле излучения E рад , создаваемое ускоряющим точечным зарядом, убывает как 1/r, а статическое кулоновское поле убывает как 1/r 2 . Статическое поле убывает с расстоянием гораздо быстрее, чем поле излучения, и поэтому поле излучения будет преобладать на большом расстоянии для ускоряющего заряда дистрибутивы. Кроме того, радиационные поля создаются только ускоряющие заряды (часто электроны), в то время как статические поля создаются всеми зарядами (положительные ядра и отрицательные электроны) и компенсируют друг друга.

Вдали от источника электромагнитной волны мы часто лечим ЭМ волна как плоская волна. Синусоидальная плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в x-направление имеет форму

E (x,t) = E max sin(kx — ωt + φ),
B (x,t) = B max sin(kx — ωt + φ).

Если для волны, бегущей в направлении x, E точек в y-направлении, затем B точек в z-направлении. Электромагнитный волны поперечные волны .

Волновой вектор k указывает в направлении распространения, и его величина k = 2π/λ, где λ это длина волны. Частота волны f равна f = ω/2π, ω — угловая частота. Скорость любой синусоидальной волны есть произведение ее длина волны и частота.

v = λf = ω/k.

Скорость любых электромагнитных волн в свободном пространстве скорость света c = 3*10 8 РС.
Электромагнитные волны в свободном пространстве могут иметь любую длину волны λ или частоту f при условии, что λf = c.
Видимый свет — это любая электромагнитная волна с длиной волны λ между приблизительно 400 нм и 750 нм.

Проблема:

Электромагнитная волна в вакууме имеет амплитуду электрического поля Е макс. = 220 В/м. Рассчитайте амплитуду B max соответствующего магнитного поля.

Решение:

  • Рассуждение:
    Величина магнитного поля B = E/c.
  • Детали расчета:
    B макс. = E макс. /c = (220 Н/З)/(3*10 8 м/с) = (7,33*10 -7 Н/Ам) = 7,33*10 -7 T.
Проблема:

Глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 5,5*10 -7 м, что находится в зелено-желтой области электромагнитного спектр. Какова частота этого света?

Решение:

  • Рассуждение:
    Для всех электромагнитных волн в свободном пространстве λf = c.
  • Детали расчета:
    f = c/λ = (3*10 8 м/с)/(5,5*10 -7 м) = 5,455*10 14 Гц.
Проблема:

Плоская электромагнитная волна распространяется через пространство. В некоторой плоскости в некоторый момент времени t поля однородны и ориентирован, как показано. Каково направление распространения плоская волна?

Решение:

  • Рассуждение:
    Направление распространения – это направление Е × В . Используя правило правой руки, находим, что направление распространения находится на странице.

Электромагнитные волны могут проходить через прозрачные среды, такие как вода и стакан. В среде они взаимодействуют с атомами или молекулами, и за счет это взаимодействие имеет кажущуюся скорость, отличную от c. Когда электромагнитные волны распространяются через среду, скорость волн в среда v = c/n, где n — показатель преломления среды . Когда ЭМ волна распространяется из одной среды с показателем преломления n 1 в другую среду с другим показателем преломления n 2 , то ее частота остается прежней, но изменяется ее скорость, а значит, и длина волны изменения. Для воздуха n почти равно 1, для воды n равно 1,33, а для большинства очки n составляет около 1,5.

Проблема:

Какова кажущаяся скорость света в воде?

Решение:

  • Рассуждение:
    Когда электромагнитные волны распространяются через среду, скорость волн в среде v = c/n, где n — показатель преломления среды.
  • Детали расчета:
    v = c/n = (3*10 8 м/с)/1,33 = 2,26*10 8 м/с.

Радиоволны

Большинство радиоволн излучается зарядами, колеблющимися в антеннах. направление разгона зарядов вдоль антенны. Радио волна распространяется от антенны к приемнику прямолинейно путь, называемый линией прямой видимости. Направление электрического поля E электромагнитного излучения, испускаемого антенной лежит в плоскости, содержащей антенну и линию прямой видимости на приемник, и перпендикулярно линии взгляда. Волна поляризовано , что означает, что E имеет четко определенное направление.

Электрическое поле самое сильное и его интенсивность самая высокая в направлениях перпендикулярно антенне и уходит в ноль в направлении вдоль антенны . У вас очень плохой прием, если вы стоите под антенной.

Для передачи информации электромагнитная волна должна быть модулирована. информация, переносимая радиоволнами, является звуком. Амплитуда АМ (амплитуда модулированная) радиоволна представляет собой колебания давления, которые составляют звук. Частота FM (частотно-модулированных) радиоволн может быть сдвинута немного от их номинальной несущей частоты. Количество смен пропорциональны изменениям давления, из которых состоит звук.

ускоритель частиц | Определение, типы, история и факты

принципиальная схема линейного ускорителя протонного резонанса

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:
Эрнест Томас Синтон Уолтон Джерард К. О’Нил Сэр Джон Дуглас Кокрофт Герш Ицкович Будкер
Похожие темы:
Большой адронный коллайдер накопительное кольцо встречных пучков линейный ускоритель циклический ускоритель импульсный ускоритель

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

ускоритель частиц , любое устройство, производящее пучок быстро движущихся электрически заряженных атомных или субатомных частиц. Физики используют ускорители для фундаментальных исследований строения ядер, природы ядерных сил и свойств ядер, не встречающихся в природе, таких как трансурановые элементы и другие нестабильные элементы. Ускорители также используются для производства радиоизотопов, промышленной радиографии, лучевой терапии, стерилизации биологических материалов и некоторых видов радиоуглеродного датирования. Крупнейшие ускорители используются для исследования фундаментальных взаимодействий элементарных субатомных частиц.

В этой статье рассматривается развитие ускорителей и описываются различные типы и их отличительные особенности. Для получения конкретной информации о частицах, ускоряемых этими устройствами, см. атом и субатомная частица.

Принципы ускорения частиц

Ускорители частиц существуют разных форм и размеров (даже вездесущий 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, генерирующий 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 траекториями частиц. Кроме того, частицы должны проходить через хороший вакуум, то есть в контейнере с как можно меньшим количеством остаточного воздуха, как в телевизионной трубке. Наконец, все ускорители должны иметь средства обнаружения, подсчета и измерения частиц после их ускорения в вакууме.

Генерирующие частицы

Электроны и протоны, частицы, наиболее часто используемые в ускорителях, встречаются во всех материалах, но для ускорителя необходимо выделить соответствующие частицы. Электроны обычно производятся точно так же, как в телевизионном кинескопе, в устройстве, известном как электронная «пушка». Пистолет содержит катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается так, что электроны отрываются от атомов в материале катода. Испускаемые электроны, имеющие отрицательный заряд, притягиваются к аноду (положительному электроду), где они проходят через отверстие. Сама пушка по сути является простым ускорителем, потому что 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 в случае с электронами, протоны есть во всех материалах, но только ядра атомов водорода состоят из одиночных протонов, поэтому газообразный водород является источником частиц для ускорителей протонов. В этом случае газ ионизируется — электроны и протоны разделяются в электрическом поле — и протоны улетучиваются через дырку. В больших ускорителях частиц высоких энергий протоны часто первоначально образуются в виде отрицательных ионов водорода. Это атомы водорода с лишним электроном, которые также образуются при ионизации газа, первоначально в виде молекул из двух атомов. С отрицательными ионами водорода легче обращаться на начальных этапах больших ускорителей. Позже их пропускают через тонкую фольгу, чтобы отделить электроны, прежде чем протоны перейдут на заключительную стадию ускорения.

Узнайте, как работают ускорители частиц

Посмотреть все видео к этой статье

Ключевой особенностью любого ускорителя частиц является ускоряющее электрическое поле. Простейшим примером является однородное статическое поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами (напряжениями), очень похожее на поле, существующее между клеммами 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 ему ничто не мешает, его скорость и энергия будут увеличиваться. 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 при движении к положительному потенциалу.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разница в электрическом потенциале между местом, где электрон начинает двигаться через поле, и местом, где он покидает поле, определяет энергию, которую приобретает электрон. Энергия, которую электрон приобретает 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 придает им энергию выше 10 000 эВ или 10 килоэлектронвольт (кэВ). Многие ускорители частиц достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мегаэлектронвольтами (МэВ, или миллионами эВ), гигаэлектронвольтами (ГэВ, или миллиардами эВ) или тераэлектронвольтами (ТэВ, или триллионами 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 такими высокими напряжениями непросто. Более практичной альтернативой является многократное использование более слабых электрических полей, создаваемых более низкими напряжениями. Это принцип, используемый в двух общих категориях современных ускорителей частиц — линейных ускорителях (или линейных ускорителях) и циклических ускорителях (главным образом, циклотроне и синхротроне). В линейном ускорителе частицы проходят один раз через последовательность ускоряющих полей, тогда как в циклической машине они многократно направляются по круговой траектории 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, чтобы дать объединенный эффект одного большого «толчка».

Повторяющаяся структура линейного ускорителя естественным образом предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения для создания электрических полей. Например, положительно заряженная частица, ускоренная к отрицательному потенциалу, получит новый толчок, если потенциал станет положительным при прохождении частицы. На практике напряжения должны меняться 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 — это миллионная доля секунды.) Это означает, что в повторяющейся структуре длиной в несколько метров электрические поля должны чередоваться — то есть менять направление — с частотой не менее 100 миллионов циклов в секунду, или 100 мегагерц ( МГц). Как линейные, так и циклические ускорители обычно ускоряют частицы, используя переменные электрические поля, присутствующие 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 электрического и магнитного полей, вибрирующих под прямым углом друг к другу. Суть ускорителя частиц заключается в том, чтобы настроить волну таким образом, чтобы, когда частицы прибывают, электрическое поле было в направлении, необходимом для ускорения частиц. 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), для ускорения можно использовать бегущую волну.

Важным эффектом, проявляющимся при ускорении в переменном электрическом поле, является «фазовая стабильность». За один цикл своих колебаний переменное поле проходит от нуля через максимальное значение снова до нуля, а затем падает до минимума, прежде чем снова подняться до нуля. Это означает, что поле дважды проходит значение, соответствующее ускорению, например, при подъеме и спаде максимума. Если частица, скорость которой увеличивается, прибывает слишком рано по мере увеличения поля, она не будет испытывать столь сильное поле, как должна, и поэтому не получит такого сильного толчка. Однако когда он достигнет следующей области ускоряющих полей, он прибудет с опозданием и, таким образом, получит более сильное поле — другими словами, слишком большой толчок. Чистым эффектом будет фазовая стабильность, то есть частица будет оставаться в фазе с полем в каждой ускоряющей области. Другим эффектом будет группировка частиц во времени, так что они будут формировать последовательность сгустков, а не непрерывный пучок частиц.

Направление частиц

Магнитные поля также играют важную роль в ускорителях частиц, поскольку они могут изменять направление заряженных частиц. Это означает, что их можно использовать для «изгибания» пучков частиц по круговой траектории, чтобы они неоднократно проходили через одни и те же ускоряющие области. В простейшем случае заряженная частица, движущаяся в направлении, перпендикулярном направлению однородного магнитного поля, испытывает силу, перпендикулярную как к направлению частицы, так и к полю. Эффект этой силы состоит в том, чтобы заставить частицу двигаться по круговой траектории, перпендикулярной полю, пока она не покинет область действия магнитной силы или пока на нее не подействует 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 питаются энергией и, таким образом, ускоряются на каждом контуре. В синхротроне, напротив, частицы движутся по кольцу постоянного радиуса, а поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается по мере ускорения частиц. Магниты с такой «изгибающей» функцией — это диполи — магниты с двумя полюсами, северным и южным, имеющие С-образный профиль, так что пучок частиц может проходить между двумя полюсами.

Второй важной функцией электромагнитов в ускорителях частиц является фокусировка пучков частиц, чтобы они оставались как можно более узкими и интенсивными. Простейшей формой фокусирующего магнита является 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 фокусировки луча по горизонтали, позволит лучу выйти из фокуса по вертикали. Чтобы обеспечить правильную фокусировку, квадрупольные магниты должны использоваться парами, причем каждый элемент должен иметь противоположный эффект. Более сложные магниты с большим числом полюсов — сексступоли и октуполи — также используются для более сложной фокусировки.

По мере увеличения энергии циркулирующих частиц увеличивается сила направляющего их магнитного поля, что удерживает частицы на одном и том же пути. «Импульс» частиц вводится в кольцо и ускоряется до нужной энергии, прежде чем он будет извлечен и доставлен в эксперименты. Экстракция обычно достигается с помощью «кикерных» магнитов, электромагнитов, которые включаются ровно на время, достаточное для того, чтобы «вытолкнуть» частицы из синхротронного кольца и вдоль линии пучка. Затем поля в дипольных магнитах уменьшаются, и машина готова принять следующий импульс частиц.

Сталкивающиеся частицы

Большинство ускорителей частиц, используемых в медицине и промышленности, производят 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 было верно для ускорителей, используемых 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. Основное 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 при приведении в движение материала мишени в соответствии с принципом сохранения импульса.

Некоторые машины со встречными лучами были построены с двумя кольцами, которые пересекаются в двух или более положениях, при этом лучи одного типа циркулируют в противоположных направлениях. Еще более распространенными были коллайдеры частиц-античастиц. Античастица имеет электрический заряд, противоположный связанной с ней 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 ускорится. Точно так же электрон, движущийся в магнитном поле, будет отклоняться в одном направлении, скажем, влево, а позитрон, движущийся в том же направлении, будет отклоняться в противоположном направлении — вправо. Если, однако, позитрон движется через магнитное поле в направлении, противоположном направлению электрона, его путь все равно будет изгибаться вправо, но по той же кривой, по которой движется электрон, изгибающийся влево. В совокупности эти эффекты означают, что антиэлектрон может двигаться по синхротронному кольцу, направляемый теми же магнитами и ускоряемый теми же электрическими полями, которые воздействуют на электрон, движущийся в противоположном направлении. Многие из самых мощных машин со встречными пучками были коллайдерами частиц-античастиц, поскольку требуется только одно кольцо ускорителя.

Как указывалось выше, пучок в синхротроне не является непрерывным потоком частиц, а сгруппирован в «сгустки». Сгусток может иметь длину несколько сантиметров и ширину в одну десятую миллиметра и содержать около 10 12 частиц — фактическое число зависит от конкретной машины. Однако это не очень плотно; нормальное вещество подобных размеров содержит около 10 23 атомов. Таким образом, когда пучки частиц — или, точнее, сгустки частиц — пересекаются в машине со встречными пучками, вероятность того, что две частицы будут взаимодействовать, очень мала. На практике сгустки могут продолжаться по кольцу и снова пересекаться. Чтобы сделать возможным это многократное пересечение лучей, вакуум в кольцах машин со встречными лучами должен быть особенно хорошим, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов, не теряясь 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 использования лучей от ускорителей частиц требуется какой-либо способ обнаружения того, что происходит, когда частицы сталкиваются с целью или другим пучком частиц, движущимся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны, выпущенные из электронной пушки, ударяются о специальные люминофоры на внутренней поверхности экрана, которые излучают свет, воссоздающий тем самым телевизионное изображение. В случае с ускорителями частиц специализированные детекторы аналогичным образом 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, возбуждая или ионизируя атомы — 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, такие как знакомый счетчик Гейгера, просто считают частицы, тогда как другие используются, например, для записи треков заряженных частиц или для измерения скорости частицы или количества энергии, которую она несет. Современные детекторы различаются по размеру и технологии: от небольших устройств с зарядовой связью (ПЗС) до больших газонаполненных камер, пронизанных проводами, которые улавливают ионизированные следы, создаваемые заряженными частицами.

История

Большинство разработок ускорителей частиц было мотивировано исследованиями свойств атомных ядер и субатомных частиц. Начиная с открытия британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1919 г. реакции между ядром азота и альфа-частицей, все исследования в области ядерной физики до 1932 г. проводились с альфа-частицами, высвобождаемыми при распаде естественно радиоактивных элементов. Естественные альфа-частицы имеют кинетическую энергию до 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада более тяжелых ядер альфа-частицами необходимо 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 Джорджа Гамова (тогда он работал в Геттингенском университете, Германия) показал, что могут быть полезны значительно менее энергичные ионы, и это стимулировало попытки построить ускоритель, который мог бы обеспечить пучок частиц, подходящий для ядерных исследований.

Другие разработки того периода продемонстрировали принципы, которые до сих пор используются в конструкции ускорителей частиц. Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены в Англии в Кембриджском университете Джоном Дугласом Кокрофтом и Э. Т.С. Уолтон в 19 лет32. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до энергий до 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 генератор высокого напряжения с ременной зарядкой. Умножители напряжения типа Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван де Граафа до сих пор используются в качестве источников питания для ускорителей.

Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928. В Рейнско-Вестфальском техническом университете в Аахене, Германия, Видероэ использовал переменное высокое напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, в два раза превышающих те, которые сообщаются при одном приложении пикового напряжения. В 1931 году в Соединенных Штатах Эрнест О. Лоуренс и его помощник Дэвид Х. Слоан из Калифорнийского университета в Беркли использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до энергии более 1,2 МэВ. Эта работа расширила достижения Видероэ в ускорении тяжелых ионов, но ионные пучки не пригодились в ядерных исследованиях.

Ускоритель магнитного резонанса, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация ускорителя линейного резонанса 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 более чем до 1 МэВ. Позже, в 1930-х годах, циклотронные энергии достигли около 25 МэВ, а генераторы Ван де Граафа — около 4 МэВ. В 1940 году Дональд У. Керст, применив результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, сконструировал первый бетатрон, магнитоиндукционный ускоритель электронов, в Университете Иллинойса.

После Второй мировой войны наука об ускорении частиц до высоких энергий стремительно развивалась. Прогресс был инициирован Эдвином Маттисоном Макмилланом в Беркли и Владимиром Иосифовичем Векслером в Москве. В 1945 году оба мужчины независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предлагала средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе и, таким образом, снимала очевидное ограничение на энергию резонансных ускорителей для протонов ( см. ниже 9).0285 Cyclotrons: Classical cyclotrons) и сделал возможным строительство ускорителей магнитного резонанса (называемых синхротронами) для электронов. Фазовая фокусировка, реализация принципа фазовой стабильности, была быстро продемонстрирована строительством 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, основаны на этом принципе.

В 1947 году Уильям В. 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, ставший возможным благодаря повышению энергии протонов, привел к строительству все более крупных ускорителей; эта тенденция была прекращена только из-за затрат на изготовление необходимых огромных магнитных колец — самое большое весит примерно 40 000 тонн. Способ увеличения энергии без увеличения размеров машин был дан демонстрацией в 19 г.52 Ливингстона, Эрнеста Д. Куранта и Х.С. Снайдер о методе переменно-градиентной фокусировки (иногда называемой сильной фокусировкой). Синхротроны, основанные на этом принципе, 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 бы два набора частиц могли поддерживаться на пересекающихся орбитах, то можно было бы 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 (9).0284 см. ниже Кольца для хранения встречных лучей). С помощью этого метода были получены самые высокие энергии реакции, которые сейчас можно получить.

Детектор БАБАР

Детектор BaBar состоит из пяти субдетекторов. Шиворот навыворот, они:

  • Silicon Vertex Tracker (SVT) — предоставляет точную информацию о местоположении на заряженных гусеницах, а также является единственным устройством слежения за очень низкоэнергетические частицы.
  • Дрейфовая камера (DCH) — обеспечивает основные измерения импульса для заряженных частиц и помогает в идентификации частиц через dE/dx измерения.
  • Детектор внутренне отраженного черенковского излучения (DIRC или DRC) — обеспечивает идентификацию заряженных адронов.
  • Электромагнитный калориметр (ЭМС) — обеспечивает идентификацию частиц для электронов, нейтральных электромагнитных частиц и адронов.
  • Соленоид (не субдетектор) — обеспечивает магнитное поле 1,5 Тл для необходимо для измерения заряда и импульса.
  • Instrumented Flux Return (IFR) — обеспечивает мюоны и нейтральные адроны удостоверение личности.

(Источник: Книга физики БАБАР)

В следующих разделах эти поддетекторы описаны более подробно. основное внимание уделяется BaBar; для получения дополнительной информации о типах поддетекторов в В общем, читателю рекомендуется обратиться к Краткий справочник ЦЕРН.

Кремниевый трекер вершин (SVT)

Вершинный трекер — детектор в коллайдерных экспериментах, позиционируемый как как можно ближе к месту столкновения. Цель трекера вершин состоит в том, чтобы измерять треки частиц очень близко к точке взаимодействия. Самая вершина детекторы изготавливаются из (обычно кремниевых) полупроводниковых приборов, т.к. полупроводниковые приборы имеют очень хорошее энергетическое, пространственное разрешение и время отклика.

Silicon Vertex Tracker (SVT) — это самый внутренний поддетектор BaBar. единственное устройство слежения внутри опорной трубы. (Опорная трубка представляет собой Конструкция с радиусом 20 см, поддерживающая балочную трубу.) Она состоит из пяти концентрические цилиндрические слои двусторонних кремниевых микрополосковых детекторов. Работа SVT заключается в получении точных измерений положения заряженной дорожки. (г, г, фи). Кроме того, SVT обеспечивает единственные измерения отслеживания для частицы с малым импульсом, которые распадаются до того, как достигают DCH. Наконец, SVT и DCH работают вместе, чтобы обеспечить измерения производительности гусениц. углы и измерения dE/dx для идентификации частиц.

Особенно важным измерением SVT является расстояние между положения распада двух B-мезонов. Это расстояние напрямую связано с параметр нарушения CP sin2beta, мера нарушения CP. Измерение этого параметра было основной целью экспериментов BaBar и Belle. Оба эксперимента в 1999 году увенчались успехом.

Домашняя страница СВТ

Дрейфовая камера (DCH)

Дрейфовая камера является стандартным устройством слежения в большинстве детекторы. Газонаполненная камера содержит провода возбуждения для поддержания и электрическое поле и сенсорные провода для обнаружения электронов ионизации. Когда заряженная дорожка пересекает камеру, ионизирует газ, и в результате электроны дрейфуют к сенсорным проводам. Положение оригинала ионизирующий трек можно определить по времени ионизации электроны для перемещения к смысловому проводу. (Скорость дрейфа определяется от известного электрического поля.)

Дрейфовая камера (DCH) — основное устройство слежения BaBar. Это самое важной задачей является получение наилучшего возможного разрешения импульса для заряженные треки. Он также обеспечивает измерения dE/dx для частиц. удостоверение личности. DCH состоит из 40 концентрических цилиндрических слоев, каждый состоит из тысяч дрейфующих клеток. Он использует газовую смесь на основе гелия с провода с малой массой для минимизации многократного рассеяния. Магнитное поле 1,5 Тл дает очень хорошее импульсное разрешение.

Домашняя страница дрейфовой камеры

Детектор внутренне отраженного черенковского излучения: DIRC

Детектор Черенкова — это устройство для идентификации частиц. Он использует Черенковский угол заряженного трека для определения скорости трека. В сочетании с измерениями импульса с устройств слежения скорость составляет используется для определения массы частицы. Так как каждая частица имеет свою уникальная масса, это говорит вам об идентичности частицы.

В Детекторе внутренне отраженного черенковского излучения BaBar (DIRC), заряженные частицы пересекают кварцевые стержни, генерируя черенковское излучение. фотоны переносятся за счет полного внутреннего отражения (которое сохраняет угол) к большому резервуару для воды. Свет наблюдается массивом фотоумножители снаружи резервуара. Черенковский угол равен определяется из положения фотона и исходного положения трека.

Основная задача DIRC состоит в том, чтобы различать заряженные пионы и заряженные каоны с большим импульсом. (При малом импульсе разделение пионов и каонов равно на основе измерений dE/dx в SVT и DCH.) идентификация частиц для других заряженных частиц (мюонов, электронов) как Что ж.

Домашняя страница DIRC

Электромагнитный калориметр (ЭМС)

Калориметр — это устройство, которое измеряет энергию и положение частица, поглощая ее. Поглощение частицы генерирует ливней новых частиц, а энергия и импульс исходной частицы равны распределяется между ливневыми частицами. Если исходная частица полностью поглощается, то вся его энергия уходит на ливневую частицу. Если исходная частица генерирует ливни, но не поглощается, то она будет сохранять часть своей энергии себе, а остальное отдать душам. Будь или не полностью поглощается частица зависит от типа материала, используемого в калориметр. Электромагнитные калориметры лучше всего поглощают электромагнитные частицы — то есть заряженные частицы и фотоны. адронный калориметры лучше всего поглощают адроны.

В электромагнитном калориметре частицы различаются по насколько они поглощаются, и их различные формы душа. Электроны и фотоны полностью поглощаются и имеют короткие и узкие ливни. адроны, на с другой стороны, поглощаются лишь частично и порождают широкие и рассеянные душ. Мюоны (несмотря на то, что они являются электромагнитными частицами) не поглощаются и не мыться. Можно определить, заряжена частица или нейтральна. следует из того, связано ли оно с заряженным треком.

Основное назначение электромагнитного калориметра (ЭМС) BaBar — определять положение, энергию и идентичность электронов, фотонов и нейтральные пионы (распадающиеся на два фотона). EMC построен из CsI(TI) кристаллы, которые обеспечивают отличное энергетическое и угловое разрешение даже при очень низкие энергии фотонов.

Домашняя страница калориметра

Инструментальный возврат флюса

Мюоны необычны: хотя они заряжены и поэтому электромагнитные частицы, они не осыпаются в электромагнитном калориметр. Поэтому эксперименты, в которых важны мюоны, часто имеют мюонный детектор как самый внешний субдетектор. Большинство частиц распадается задолго до они добираются до мюонного детектора. Но мюоны и пионы с большим импульсом часто достигают Это.

IFR — самый внешний субдетектор BaBar. Он используется для обнаружения мюонов и долгоживущие нейтральные адроны. IFR BaBar выполняет двойную функцию — как поток вернуться для магнитного соленоида, а также в качестве детектора мюонов и нейтральных адронов. Возврат потока сам по себе не является детектором частиц. Но в BaBar поток возврат сделан из слоев железа и стали, с активными детекторами между каждый слой для обнаружения прохождения частиц (или ливней, генерируемых в слои IFR). Мюоны обычно способны проникать в большее количество слоев железа. или стали, чем пионы, и это служит основой для мюона/пиона дискриминация.

В начале эксперимента все слои были сделаны из железа, и все активные детекторы представляли собой камеры с резистивными пластинами (RPC). Но быстрое старение и потеря эффективности исходных МПК вынуждают модернизация/замена передней крышки и ствола. Летом 2002 года оригинальные МПК были заменены на новые МПК и 2 дополнительных поглощения длины амортизатора (латунь в зазорах 5 IFR и более наружных стальных слоев). В 2004 г. 2 секстанта ПКР ИФР заменены на ЛСТ и латунный поглотитель. Остальные 4 секстанта ПКР в стволе будут заменены на LST в стволе. летом 2006 г. Каждый из секстантов LST содержит 12 слоев LST и 6 слоев латунного поглотителя.

Домашняя страница ИФР.

Соленоид

Без магнитного поля устройство слежения не могло бы измерять заряд или импульс, а только положение. Но при наличии магнитного поля кривая заряженных треков, а заряд и импульс частицы могут быть определяется направлением и кривизной дорожки.

BaBar использует сверхпроводящий соленоид, расположенный между EMC и IFR. Для достижения хорошего разрешения импульса без увеличения отслеживания объем и, следовательно, стоимость калориметра, магнитное поле установлено на уровне 1,5 Тл.

Домашняя страница магнита

Система координат BaBar

Система координат BaBar определена в BaBar Note 230. Она определяется как правая система такая, что:
  • Ось + z параллельна магнитному полю соленоида и в направлении луча высокой энергии (номинально электронного).
  • Ось + y указывает вертикально вверх
  • Ось + x указывает горизонтально, от центра Кольцо ПЭП-II.
  • Начало (0,0,0) определяется как номинальная точка взаимодействия.

Хотя лучи сталкиваются лоб в лоб, они разделяются, находясь внутри поле магнита детектора. Детектор повернут на 20 мр относительно луча. направлении (вокруг оси Y), чтобы свести к минимуму результирующие искажения орбиты. Таким образом, направление z соответствует направлению магнитного поля, и немного отклоняется от направления усиления. Начало системы координат номинальная точка столкновения, которая смещена в направлении -z от геометрический центр магнита детектора.

Ссылки по теме

[Рабочая тетрадь Список авторов] [Старый Рабочая тетрадь]

 

Глава 22, Электромагнитные индукционные видеорешения, Физика

Вопросы главы

03:57

Проблема 1

Алюминиевый стержень длиной 0,80 м удерживается параллельно направлению восток-запад и сбрасывается с моста. {- 5} \mathrm{T}$ провод двигался перпендикулярно магнитному полю Земли, какова была бы ЭДС движения, возникающая между концами провода?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

01:58

Проблема 4

На чертеже показан тип расходомера, который можно использовать для измерения скорости кровотока в ситуациях, когда кровеносный сосуд достаточно обнажен (например, во время операции). Кровь обладает достаточной проводимостью
, чтобы ее можно было рассматривать как движущийся проводник. Когда он течет перпендикулярно магнитному полю, как показано на рисунке, можно использовать электроды для измерения небольшого напряжения, возникающего в сосуде. Предположим, что скорость крови 0,30 м/с, а диаметр сосуда 5,6 мм. В магнитном поле 0,60 Тл какова величина напряжения, измеренного с помощью электродов, изображенных на рисунке?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

03:15

Проблема 5

ссм На чертеже показаны три одинаковых стержня (А, В и С), движущихся в разных плоскостях. Постоянное магнитное поле
магнитудой 0,45 Тл направлено вдоль оси $+y$. Длина
каждого стержня составляет $L=1,3 \mathrm{m},$, и все стержни имеют одинаковую скорость, $v_{\mathrm{A}}=v_{\mathrm{B}}=v_{\mathrm {C}}=2,7 \mathrm{m} / \mathrm{s}$ . Для каждого стержня найдите величину ЭДС движения и укажите, какой конец (1 или 2) стержня положительный.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

09:54

Проблема 6

Две цепи содержат ЭДС, создаваемую движущимся металлическим стержнем, как показано на рис. 22.4$b$ . Скорость стержня одинакова в каждой цепи, но лампочка в цепи 1 имеет половину сопротивления лампочки в цепи 2. В остальном цепи идентичны. Сопротивление лампочки в цепи 1 равно $55 Ом,$, а в цепи 2 110 Ом. Определить: а) отношение $\&_{1} / 8_{2}$ ЭДС и $(\mathbf{b})$ отношение $I_{1} / I_{2}$ токов в цепях . в) Если бы скорость стержня в цепи 1 была в два раза больше, чем в цепи $2,$, каково было бы отношение мощностей в цепях $P_{1}/P_{2}$?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

11:21

Задача 7

Обратитесь к рисунку, прилагающемуся к вопросу. Проверьте свое понимание. Вопрос 14. Предположим, что напряжение батареи в цепи равно $3,0 \mathrm{V},$ величина магнитного поля (направленного перпендикулярно плоскости бумаги) равна 0,60 $\mathrm{T}$ , а длина стержня между рельсами равна 0,20 $\mathrm{m}$ . Предполагая, что рельсы очень длинные и имеют незначительное сопротивление, найдите
максимальная скорость, достигаемая штоком после замыкания переключателя.

Джек Х.

Преподаватель нумерейд

04:19

Задача 8

В примере 2 с несколькими понятиями обсуждаются понятия, используемые в этой задаче. Предположим, что магнитное поле на рис. 22.5 имеет величину 1,2 $\mathrm{T}$ , стержень имеет длину $0,90 \mathrm{m},$ и рука держит стержень движущимся вправо с постоянной скоростью 3. 5 $\mathrm{m} / \mathrm{s}$ . Если ток в цепи равен $0,040 \mathrm{A},$, какая средняя мощность передается в цепь рукой?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

05:00

Задача 9

ssm Предположим, что лампочка на рис. 22.4$b$ представляет собой лампочку мощностью 60,0 Вт с сопротивлением 240$\Omega .$ Магнитное поле имеет величину 0,40 $\mathrm{T}$ , а длина стержень 0,60 $\mathrm{m}$ . Единственным сопротивлением в цепи является сопротивление лампочки. Какое кратчайшее расстояние вдоль рельсов должен пройти стержень, чтобы лампочка оставалась горящей в течение полсекунды?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

12:38

Задача 10

Просмотрите концептуальный пример 3 и рисунок 22.7$b$ . Проводящий стержень скользит вниз между двумя вертикальными медными дорожками без трения с постоянной скоростью 4,0 $\mathrm{m} / \mathrm{s}$ перпендикулярно магнитному полю $0,50-\mathrm{T}$. Сопротивление стержня и гусениц пренебрежимо мало. Стержень поддерживает электрический контакт между вершинами гусениц. а) Какова масса стержня? (b) Найдите изменение потенциальной энергии гравитации, происходящее за время 0,20 $\mathrm{s}$ . в) Найдите электрическую энергию, рассеиваемую на резисторе при 0,20 $\mathrm{s}$

Джордан В.

Воспитатель Numerade

05:25

Задача 11

ssm На чертеже показаны две поверхности, имеющие одинаковую площадь. Однородное магнитное поле $\overrightarrow{\mathbf{B}}$ заполняет пространство, занимаемое этими поверхностями, и ориентировано параллельно плоскости $y z$, как показано. Найти отношение $\Phi_{x z} / \Phi_{x y}$ магнитных потоков, проходящих через поверхности.

Джордан В. 9{-3}$ Wb проходит через него. Тот же суммарный магнитный поток проходит
через вторую поверхность. а) Определить площадь первой поверхности. б) Найдите наименьшее возможное значение площади второй поверхности.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

04:02

Задача 13

ssm Стандартная дверь в дом вращается вокруг вертикальной оси с одной стороны, определяемой дверными петлями. Однородное магнитное поле параллельно земле и перпендикулярно этой оси. Через что 9На какой угол 0023 должна повернуться дверь, чтобы магнитный поток, проходящий через нее, уменьшился от своего максимального значения до одной трети своего максимального значения?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

05:08

Задача 14

Проволочная петля имеет форму, показанную на рисунке. Верхняя часть проволоки изогнута в виде полукруга радиуса $r=0,20 \mathrm{m}$ . Нормаль к плоскости петли параллельна постоянному магниту 9{\circ}\right)$ величиной 0,75 $\mathrm{T}$ . Как изменится $\Delta\Phi$ магнитного потока, проходящего через контур, если, начиная с положения, показанного на рисунке, полуокружность повернется на пол-оборота?

Джордан В. {\circ}$ к нормали к поверхности. Чему равен магнитный поток через поверхность? 9{-3}$ Вб. Какой поток проходит через кольцевой контур?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

10:39

Задача 17

Пятигранный предмет, размеры которого указаны на чертеже, помещен в однородное магнитное поле. Магнитное поле имеет величину 0,25 $\mathrm{T}$ и направлено вдоль положительного направления $y$. Определить магнитный поток через каждую из пяти сторон.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

09:12

Задача 18

Магнитное поле проходит через неподвижный проволочный контур, и его величина изменяется во времени в соответствии с графиком на рисунке. Однако направление поля остается постоянным. На графике указаны три равных интервала времени: $0-3.0\mathrm{s}, 3.0-6.0\mathrm{s},$ и $6.0-9.0\mathrm{s}$ . Петля состоит из 50 витков провода и имеет площадь 0,15 $\mathrm{m}^{2}$ . {\circ}$ в уравнении $22.2. \quad(\text { a ) Для каждого }$ интервала определить ЭДС индукции. (b) Провод имеет сопротивление 0,50$\Omega$ . Определить индукционный ток для первого и третьего интервалов.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

03:54

Задача 19

Прямоугольный виток из проволоки со сторонами 0,20 и 0,35 $\mathrm{m}$ лежит в плоскости, перпендикулярной постоянному магнитному полю (см. часть $a$ рисунка). Магнитное поле имеет величину 0,65 $\mathrm{T}$ и направлено параллельно нормали к поверхности петли. Затем за время 0,18 с одна половина петли загибается на другую половину, как показано в части $b$ чертежа. Определить величину средней ЭДС индукции в контуре.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

05:50

Задача 20

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — это медицинский метод получения изображений внутренней части тела. {\circ}$, так как катушка сделала одну восьмую оборота.
В катушке индуцируется средняя ЭДС величиной 0,065 $\mathrm{V}$. Найдите величину магнитного поля в месте расположения катушки.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

04:26

Задача 22

Магнитный поток, проходящий через один виток 12-витковой катушки провода, изменяется до 4,0 $\mathrm{с} 9,0 \mathrm{Wb}$ за время 0,050 $\mathrm{s}$ . Средний наведенный ток в катушке равен 230 $\mathrm{A}$ . Каково сопротивление провода? 9{\circ}$ относительно нормали к плоскости петли. а) Если магнитное поле убывает до нуля за время 0,45 $\mathrm{s}$ , какова величина средней ЭДС, индуцируемой в контуре? (b) Если магнитное поле остается постоянным при его начальном значении 2,1 $\mathrm{T}$ , какова величина скорости $\Delta A / \Delta t$, с которой должна измениться площадь, чтобы средняя ЭДС была той же величины, что и в части (а)?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

10:37

Задача 24

Однородное магнитное поле перпендикулярно плоскости одновитковой круглой катушки. Величина поля меняется, так что в катушке индуцируется ЭДС 0,80 $\mathrm{V}$ и ток 3,2 $\mathrm{A}$. Затем провод преобразуется в одновитковую квадратную катушку, которая используется в том же магнитном поле
(опять же перпендикулярно плоскости катушки и с изменением величины с той же скоростью). Какая ЭДС и ток индуцируются в квадратной катушке?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

07:52

Задача 25

Медный стержень скользит по двум проводящим рельсам, которые образуют угол 19 по отношению друг к другу, как показано на рисунке. Стержень движется вправо с постоянной скоростью 0,60 $\mathrm{m} / \mathrm{s} .$ Однородное магнитное поле $0,38-\mathrm{T}$ перпендикулярно плоскости бумаги. Определить величину средней ЭДС, индуцируемой в треугольнике $A B C$ в течение 6,0 с после прохождения стержнем точки $A$. 9{-5}$ C течет в катушке. Какова величина магнитного поля?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

08:34

Задача 27

*27. ssm Магнитное поле проходит через петлю из проволоки площадью 0,018 м2. Направление магнитного поля параллельно нормали к петле, и величина поля увеличивается со скоростью 0,20 Тл/с. а) Определить величину ЭДС индукции в контуре. б) Предположим, что площадь петли можно увеличить или уменьшить. Если магнитное поле увеличивается, как в части (а), с какой скоростью (в м2 9{-2} \mathrm{m}$ и сопротивлением 0,480$\Omega$ подвергается воздействию внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости катушки. Величина внешнего магнитного поля изменяется со скоростью $\Delta B / \Delta t=0,783 \mathrm{T} / \mathrm{s}$ , тем самым индуцируя ток в катушке. Найти величину магнитного поля
в центре катушки, создаваемого индуцированным током.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

05:49

Задача 29

На чертеже показана катушка медной проволоки, состоящая из двух полукругов, соединенных прямыми отрезками проволоки. В части а катушка лежит плоско на горизонтальной поверхности. Штриховая линия также лежит в плоскости горизонтальной поверхности. Начиная с ориентации в части а, меньший полукруг вращается с угловой частотой вокруг пунктирной линии, пока его плоскость не станет перпендикулярной горизонтальной поверхности, как показано в части б. Однородное магнитное поле постоянно во времени и направлено вверх,
перпендикулярно горизонтальной поверхности. Поле полностью заполняет область, занимаемую катушкой в ​​любой части рисунка. Величина магнитного поля составляет 0,35 $\mathrm{T}$ . Сопротивление катушки составляет $0,025 \Omega,$, а меньшая полуокружность имеет радиус 0,20 $\mathrm{m}$ . {3} \mathrm{V}$, какова угловая скорость (в рад/с) стержней? когда через зазор проскакивает искра?

Вишал Г.

Преподаватель числа

03:24

Задача 32

Начиная с положения, указанного на чертеже, полукруглый кусок проволоки поворачивается на пол-оборота в указанном направлении. Какой конец резистора положительный — левый или правый? Объясните свои рассуждения.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

03:57

Задача 33

ssm Плоскость плоской круглой петли из проволоки горизонтальна. Внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости петли. Величина внешнего магнитного поля увеличивается со временем. Из-за этого увеличивающегося магнитного поля индуцированный ток течет по петле по часовой стрелке, если смотреть сверху. Как направлено внешнее магнитное поле? Обоснуйте свой вывод.

Джордан В.

Учитель нумерейд

03:12

Задача 34

На рисунке показан прямой провод, по которому течет ток I. Над проводом находится прямоугольная петля, содержащая резистор R. Если ток I уменьшается во времени, каково направление индуцированного тока через резистор
R — влево- справа или справа налево?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

Задача 35

ssm На чертеже изображена медная петля, лежащая плоско на столе (не показана) и подключенная к батарее через замкнутый переключатель. Ток I в контуре создает силовые линии магнитного поля, показанные на рисунке. Затем переключатель размыкается, и ток становится равным нулю. Есть также две меньшие проводящие петли A и B, лежащие на столе, но не подключенные к батареям. Определите направление индуцированного тока в
(a) контуре A и (b) контуре B. Укажите направление каждого индуцированного тока по часовой стрелке или против часовой стрелки, если смотреть сверху таблицы. Укажите причину для каждого ответа.

Заходите скорее!

06:20

Задача 36

На рисунке видно, что однородное магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости бумаги и заполняет всю область слева от оси у. Справа от оси у нет магнитного поля. Жесткий прямоугольный треугольник ABC сделан из медной проволоки. Треугольник вращается против часовой стрелки вокруг начала координат в точке C. Каково направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки) индукционного тока, когда треугольник пересекает $(\mathrm{a})$ ось $+y$, ( б) ось $-x$, $(\mathrm{c})$ ось $-y$,
(г) ось $+x$? Для каждого случая аргументируйте свой ответ.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

03:07

Задача 37

мм.ч Круглая проволочная петля лежит на столе. Длинный прямой провод лежит на этой петле прямо над ее центром, как показано на рисунке. Ток I в прямом проводе уменьшается. В каком направлении индуцируется ток в контуре, если он есть? Дайте свое обоснование.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

05:50

Задача 38

На рисунке показан стержневой магнит, падающий через металлическое кольцо. В части а кольцо сплошное, а в части б оно прорезано. а) Объясните, почему движение магнита в части а замедляется, когда магнит находится как над кольцом, так и под ним. Нарисуйте любые индуцированные токи, которые появляются в кольце. (b) Объясните, почему кольцо в части b не влияет на движение магнита.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

08:14

Задача 39

Проволочная петля подвешена на веревке, прикрепленной к точке P на чертеже. При отпускании петля качается вниз слева направо через однородное магнитное поле, при этом плоскость петли все время остается перпендикулярной плоскости бумаги. (a) Определите направление тока, индуцируемого в контуре, когда он проходит мимо мест, обозначенных I и II. Задайте направление тока с точки зрения точек $x, y,$ и $z$ на контуре (например, $x \rightarrow y \rightarrow z$ или $z \rightarrow y \rightarrow x )$ . Точки $x, y,$ и $z$ лежат за плоскостью бумаги. б) Каково направление индукционного тока в точках II и I, когда петля поворачивается справа налево? Обоснуйте свои ответы.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

06:45

Задача 40

Двигатель на 120,0 В потребляет ток 7,00 $\mathrm{A}$ при работе на нормальной скорости. Сопротивление провода якоря равно 0,720$\Omega .$ (а) Определите противо-ЭДС, создаваемую двигателем. б) Какова сила тока в момент, когда двигатель только что включился и еще не начал вращаться? в) Какое последовательное сопротивление необходимо добавить, чтобы ограничить пусковой ток до 15,0 $\mathrm{A}$ ?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

04:13

Задача 41

ssm Генератор имеет квадратную катушку, состоящую из 248 витков. Катушка вращается со скоростью 79,1 $\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ в магнитном поле $0,170-\mathrm{T}$. Пиковая мощность генератора составляет 75,0 $\mathrm{V}$ . Какова длина одной стороны катушки?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

03:14 9{2}$ ), которым должна обладать катушка для получения среднеквадратичного напряжения 120 $\mathrm{V}$ ?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

02:38

Задача 44

Пылесос подключен к розетке $120,0-\mathrm{V}$ и потребляет 3,0 $\mathrm{A}$ тока при нормальной работе, когда противо-ЭДС, создаваемая электродвигателем, составляет 72,0 $\mathrm{V}$ . Найдите сопротивление катушки двигателя.

Джордан В.

Учитель нумерейд

07:33

Задача 45

В генераторе используется катушка из 100 витков и магнитное поле $0,50-$ Тл. Частота этого генератора составляет 60,0 $\mathrm{Hz}$ , а его ЭДС имеет среднеквадратичное значение 120 $\mathrm{V}$ . Считая каждый виток катушки квадратом (приближенно), определите длину провода, из которого сделана катушка.

Джордан В.

Воспитатель Нумерейд

04:12

Задача 46

Катушка генератора имеет радиус 0,14 $\mathrm{m}$ . Когда эта катушка размотана, проволока, из которой она сделана, имеет длину 5,7 $\mathrm{m}$ . Магнитное поле генератора составляет $0,20 \mathrm{T},$, а катушка вращается с угловой скоростью 25 $\mathrm{rad}/\mathrm{s}$ . Какова пиковая ЭДС этого генератора?

Джордан В.

Воспитатель Нумерейд

06:15

Задача 47

ssm См. справочный материал по этой проблеме в примере 11 с несколькими концепциями. Небольшое резиновое колесо на валу велосипедного генератора давит на велосипедную шину и вращает катушку генератора с угловой скоростью, в 38 раз превышающей угловую скорость самой шины. {2}$ и вращается за $0,09{2} .$ Какова пиковая ЭДС, создаваемая генератором в конце 5,10 $\mathrm{s} ?$

Джордан В.

Numerade Educator

08:31

Задача 48

Двигатель рассчитан на работу от 117 $\mathrm{V}$ и при первом запуске потребляет ток 12,2 $\mathrm{A}$. При нормальной рабочей скорости двигатель потребляет ток 2,30 А. Определить (а) сопротивление обмотки якоря, (б) противо-ЭДС, развиваемую при нормальной скорости, и (в) ток, потребляемый двигателем при одно- треть нормальной скорости. 9{2}$ и имеет высоту 1500 $\mathrm{m}$ .

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

04:51

Задача 50

Ток через дроссель $3,2-\mathrm{мГн}$ меняется со временем соответственно. к графику, изображенному на чертеже. Какова средняя ЭДС индукции в промежутках времени (а) $0-2,0 \mathrm{мс}$ ,
(б) $2,0-5,0 \mathrm{мс}$ и $\quad$ (в) $5,0-9,0 \mathrm {мс} ?$

Джордан В. 9{-2}$ с. За это время средняя ЭДС, наведенная в другой катушке, равна 1,7 $\mathrm{V}$ . Чему равна взаимная индуктивность двухкатушечной системы?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

04:06

Задача 52

В течение 72-мс интервала происходит изменение тока в первичной обмотке. Это изменение приводит к возникновению тока силой 6,0 мА в соседней вторичной обмотке. Вторичная катушка является частью цепи, сопротивление которой равно 12$\Omega .$ Взаимная индуктивность между двумя катушками составляет 3,2 $\mathrm{mH}$ . Как изменится первичный ток?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

03:18

Задача 53

Взаимная индукция может быть использована в качестве основы для металлодетектора. Типичная установка использует две большие катушки, которые параллельны друг другу и имеют общую ось. Из-за взаимной индукции генератор переменного тока, подключенный к первичной катушке, вызывает во вторичной катушке ЭДС 0,46 В. Когда кто-то без металлических предметов проходит по катушкам, взаимная индуктивность и, следовательно, ЭДС индукции сильно не меняются. Но когда проходит человек с пистолетом, взаимная индуктивность возрастает. Изменение ЭДС может быть использовано для срабатывания сигнализации. Если взаимная индуктивность
увеличивается в три раза, найдите новое значение ЭДС индукции.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

05:14

Задача 54

Постоянный ток $I=15$ А существует в соленоиде с индуктивностью $L=3,1 \mathrm{H}$ . Затем ток уменьшается до нуля в течение определенного периода времени. $(\mathrm{a})$ Если ток изменяется от 15 до 0 $\mathrm{A}$ за время $75 \mathrm{ms},$, какая ЭДС индуцируется в соленоиде? б) Сколько электроэнергии запасено в соленоиде? в) С какой скоростью электрическая энергия должна отводиться от соленоида, если ток уменьшится до 0 $\mathrm{A}$ за время 75 $\mathrm{ms}$ ? Обратите внимание, что скорость, с которой удаляется энергия, является мощностью. 9{2}$ и длиной 0,052 $\mathrm{m}$ . Сколько витков провода нужно?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

07:05

Задача 56

Длинный токопроводящий соленоид с воздушным сердечником имеет 1750 витков на метр длины и радиус 0,0180 $\mathrm{m}$ . Катушка из 125 витков плотно обмотана снаружи соленоида, поэтому она имеет практически такой же радиус, как и соленоид. Чему равна взаимная индуктивность этой системы? 9{2}$ , количество витков на единицу длины $=2400$ витков/м) изогнут в круглую форму, поэтому он выглядит как пончик. Этот пончик с проволочной обмоткой называется тороидом. Предположим, что диаметр соленоида мал по сравнению с радиусом тороида, который равен 0,050 $\mathrm{m}$ . Найти ЭДС индукции в тороиде при уменьшении силы тока с 2,5 А до 1,1 А за время 0,15 с.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

05:14

Задача 59

Катушка 1 представляет собой плоскую круглую катушку с $N_{1}$ витками и радиусом $R_{1}$ . В его центре находится плоская круглая катушка гораздо меньшего размера с $N_{2}$ витками и радиусом $R_{2}$ . Плоскости катушек параллельны. Предположим, что катушка 2 настолько мала, что магнитное поле, создаваемое катушкой 1, имеет почти одинаковую величину во всех точках
, покрываемых площадью катушки $2 .$ Определите выражение для взаимной индуктивности между этими двумя катушками через $\mu_ {0}, N_{1}, R_{1}, N_{2},$ и $R_{2}$ .

Вишал Г.

Преподаватель числа

02:15

Задача 60

Зарядное устройство для MP3-плеера содержит понижающий трансформатор с соотношением витков 1:32, так что напряжение 120 В, доступное в сетевой розетке, можно использовать для зарядки аккумулятора или работы плеера
. . Какое напряжение обеспечивает вторичная обмотка трансформатора?

Джордан В.

Воспитатель Нумерейд 9{-3}$ A. Найдите мощность, потребляемую воздушным фильтром.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

06:08

Задача 62

Аккумуляторы для портативных компьютеров требуют гораздо меньшего напряжения, чем то, которое обеспечивает настенная розетка. Поэтому в розетку втыкается трансформатор, который вырабатывает необходимое напряжение для зарядки аккумуляторов. Аккумуляторы рассчитаны на $9,0 \mathrm{В},$, а для их зарядки используется ток 225 $\mathrm{мА}$. В розетке напряжение 120 $\mathrm{В}$ (а) Определите коэффициент трансформации трансформатора. б) Какова сила тока в розетке? в) Найдите среднюю мощность, отдаваемую стенной розеткой, и среднюю мощность, отдаваемую батареям.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

08:01

Задача 63

Сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора равны 56 и 14 Омега,$ соответственно. Обе катушки изготовлены из отрезка одного и того же медного провода. Круговые витки каждой катушки имеют одинаковый диаметр. Найдите соотношение оборотов $N_{s} / N_{p} .$

Джордан В.

Numerade Educator

03:01

Задача 64

Трансформатор, состоящий из двух катушек, намотанных на железный сердечник, соединен с генератором и резистором, как показано на рисунке. В первичной обмотке 11 витков, во вторичной катушке
18 витков. Пиковое напряжение на резисторе равно 67 В. Чему равна пиковая ЭДС генератора?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

02:35

Задача 65

ssm Понижающий трансформатор (коэффициент витков $=1 : 8 )$ используется в электропоезде для снижения напряжения от настенной розетки до значения, необходимого для работы поезда. Во время движения поезда ток во вторичной обмотке равен 1,6 $\mathrm{A}$ . Какой ток в первичной обмотке?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

04:12

Задача 66

В телевизоре мощность, необходимая для работы кинескопа, поступает от вторичной обмотки трансформатора. Первичная обмотка трансформатора подключена к розетке $120-\mathrm{V}$ на стене. В кинескопе телевизора используется 9{-2} \Omega / \mathrm{km}$ (a) Найдите мощность, затрачиваемую на нагрев проводов, если мощность передается при 1200 $\mathrm{V}$ . (b) Повышающий трансформатор стоимостью 100 : 1$ используется для повышения напряжения перед передачей мощности. Какая мощность сейчас расходуется на нагрев проводов?

Вишал Г.

Преподаватель нумерейд

03:25

Задача 68

Предположим, между вашим домом и высоковольтной линией электропередач, распределяющей электроэнергию, есть два трансформатора. Кроме того, предположим, что ваш дом единственный, кто использует электроэнергию. На подстанции первичная обмотка понижающего трансформатора (коэффициент витков $=1 : 29$ ) получает
напряжение от высоковольтной линии электропередачи. Из-за вашего использования в первичной обмотке этого трансформатора существует ток 48 мА. Вторичная обмотка подключена к первичной обмотке другого понижающего трансформатора (коэффициент витков $=1 : 32)$ где-то рядом с вашим домом, возможно, на телефонном столбе. Вторичная обмотка этого трансформатора доставляет в ваш дом ЭДС $240-\mathrm{V}$. Сколько энергии потребляет ваш дом? Помните, что ток и напряжение, указанные в этой задаче, являются действующими значениями.

Вишал Г.

Преподаватель числа

04:11

Задача 69

Генератор подключен к первичной обмотке ($N_{p}$, витков) трансформатора, а сопротивление $R_{2}$ к вторичной обмотке $\left(N_{\mathrm{s}} \right.$ получается). Эта схема эквивалентна схеме, в которой одно сопротивление $R_{1}$ подключено непосредственно к генератору, без трансформатора. {\prime}$ s применительно к вторичной обмотке.

Вишал Г.

Преподаватель числа

04:08

Задача 70

В каждой из двух катушек скорость изменения магнитного потока в одиночном витке одинакова. ЭДС индукции в катушке 1 , имеющей 184 витка, равна 2,82 $\mathrm{V}$ . ЭДС индукции в катушке 2 равна 4,23 $\mathrm{V}$ . Сколько петель имеет катушка 2?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

06:16

Задача 71

ссм При вращении катушки с частотой 280 $\mathrm{Hz}$ некоторый генератор имеет пиковую ЭДС 75 $\mathrm{V}$ . а) Чему равна пиковая ЭДС генератора, когда его катушка вращается с частотой 45 $\mathrm{Гц}$ ? (b) Определите частоту вращения катушки, когда пиковая ЭДС генератора
равна 180 $\mathrm{V} .$

Джордан В.

Numerade Educator

03:17

9{2} / \mathrm{s} )$, при котором изменяется площадь?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

07:08

Задача 73

ssm Просмотрите концептуальный пример 9, чтобы помочь понять эту проблему. Длинный прямой провод
лежит на столе и по нему течет ток I. Как показано на рисунке, небольшая круглая проволочная петля проталкивается через верхнюю часть стола из положения 1 в положение 2. Определите направление индуцированного тока, по часовой стрелке или против часовой стрелки, когда цикл проходит мимо (a) позиции 1 и $(\mathbf{b})$ позиции 2 . Обоснуйте свои ответы.

Джордан В.

Воспитатель Numerade

02:45

Задача 74

В некоторых местах насекомые-«запперы» с их голубыми огоньками — привычное зрелище летней ночью. Эти устройства используют высокое напряжение для поражения насекомых электрическим током. В одном из таких устройств используется переменное напряжение 4320 $\mathrm{V}$ , которое получается из стандартной розетки $120,0-\mathrm{V}$ с помощью трансформатора. Сколько витков во вторичной обмотке, если в первичной обмотке 21 виток?

Джордан В.

Воспитатель Numerade

03:27

Задача 75

ssm Конденсатор $3,0-\mu \mathrm{F}$ имеет напряжение между пластинами 35 $\mathrm{V}$.
Какой должен быть ток в катушке индуктивности $5,0-\mathrm{mH}$, чтобы энергия, запасенная
в катушке индуктивности, равнялась энергии, запасенной в конденсаторе?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

05:06

Задача 76

При нормальной рабочей скорости электродвигатель вентилятора потребляет всего 15,0$\%$ тока, который он потребляет, когда только начинает вращать лопасть вентилятора. Вентилятор подключен к розетке $120.0-\mathrm{V}$. Какую противо-ЭДС создает двигатель при нормальной рабочей скорости?

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

04:36

Задача 77

На участках $a$ и $b$ рисунка показано одно и то же однородное и постоянное (во времени) магнитное поле $\overrightarrow{\mathbf{B}}$, направленное перпендикулярно бумаге над прямоугольной областью. За пределами этого региона поля нет. Также показана прямоугольная катушка (один виток), лежащая в плоскости бумаги. В части $a$ длинная сторона катушки (длина $=L )$ находится как раз на краю области поля, а в части $b$ короткая сторона (ширина $=W$ – как раз на краю. Это Известно, что $L / W=3.0 .$ В обеих частях рисунка катушка вталкивается в поле с одинаковой скоростью $\overrightarrow{\mathbf{v}}$ до тех пор, пока полностью не окажется в области поля. средней ЭДС, индуцируемой в катушке за
часть $a$ составляет 0,15 В. Какова его величина в части $b$ ?

Вишал Г.

Преподаватель нумерейд

03:32

Задача 78

Укажите направление электрического поля между пластинами плоскопараллельного конденсатора, показанного на рисунке
, если магнитное поле уменьшается во времени. Дайте свое обоснование.

Джордан В.

Преподаватель нумерейд

06:08 9{2}(\text { Уравнение } 22. {2}$ 9{2},$ состоит из 400 витков на метр и несет ток 0,40 $\mathrm{A}$ . Катушка из 10 витков плотно намотана по окружности соленоида. Концы катушки подключены к резистору $1.5-\Omega$. Внезапно переключатель размыкается, и ток в соленоиде падает до нуля за время 0,050 с. Найдите средний ток, индуцируемый в катушке.

Вишал Г.

Преподаватель нумерейд

Задача 82

Генератор частотой 60,0 Гц обеспечивает среднюю мощность 75 $\mathrm{Вт}$ на одну лампочку. Когда во вращающейся катушке генератора существует индуцированный ток, на катушку действует крутящий момент, называемый противодействующим моментом. Определить максимальный противодействующий момент в катушке генератора. (Подсказка: пиковый ток, пиковая ЭДС и максимальный противодействующий крутящий момент происходят одновременно.)

Заходите позже!

Уравнения Максвелла: предсказание и наблюдение электромагнитных волн

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Переформулировать уравнения Максвелла.

Рис. 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 19-го века.век. (См. рис. 1.) Хотя он умер молодым, Максвелл не только сформулировал полную электромагнитную теорию, представленную 90 284 уравнениями Максвелла 90 285 , но 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 перефразированы здесь словами, потому что их математическая формулировка выходит за рамки этого текста. Однако уравнения иллюстрируют, как простые на первый взгляд математические утверждения могут изящно объединять и выражать множество понятий — вот почему математика — это язык науки.

Уравнения Максвелла

  1. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Электрическое поле определяется как сила на единицу заряда пробного заряда, а величина силы связана с электрической постоянной ε 0 , также известной как диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из первого уравнения Максвелла мы получаем специальную форму закона Кулона, известную как закон Гаусса для электричества.
  2. Линии магнитного поля непрерывны, не имеют ни начала, ни конца. Известно, что магнитных монополей не существует. Сила магнитной силы связана с магнитной постоянной μ 0 , также известной как проницаемость свободного пространства. Это второе уравнение Максвелла известно как закон Гаусса для магнетизма.
  3. Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) и, следовательно, электрическое поле. Направление ЭДС противоположно изменению. Это третье уравнение Максвелла представляет собой закон индукции Фарадея и включает в себя закон Ленца.
  4. Магнитные поля генерируются движущимися зарядами или изменяющимися электрическими полями. Это четвертое уравнение Максвелла включает в себя закон Ампера и добавляет еще один источник магнетизма — изменяющиеся электрические поля.

Уравнения Максвелла охватывают основные законы электричества и магнетизма. Что не так очевидно, так это симметрия, которую Максвелл ввел в свою математическую структуру. Особенно важно добавление им гипотезы о том, что изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля. Это в точности аналогично (и симметрично) закону индукции Фарадея, о чем давно подозревали, но прекрасно вписывается в уравнения Максвелла.

Симметрия проявляется в природе 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.

Установление связей: объединение сил

Полная и симметричная теория Максвелла показала, что электрические и магнитные силы не являются отдельными, а являются разными проявлениями одного и того же — электромагнитной силы. Это классическое объединение сил является одним из мотивов нынешних попыток объединить четыре основных взаимодействия в природе — гравитационное, электрическое, сильное и слабое ядерное взаимодействие.

Поскольку изменяющиеся электрические поля создают относительно слабые магнитные поля, их было нелегко обнаружить во времена гипотезы Максвелла. Однако Максвелл понял, что колеблющиеся заряды, подобные зарядам в цепях переменного тока, создают изменяющиеся электрические поля. Он предсказал, что эти меняющиеся поля будут распространяться от источника подобно волнам, создаваемым в озере прыгающей рыбой.

Волны, предсказанные Максвеллом, будут состоять из колеблющихся электрических и магнитных полей, определяемых как электромагнитная волна (ЭМ-волна). Электромагнитные волны могли бы воздействовать на заряды на большом расстоянии от их источника, и поэтому их можно было бы обнаружить. Максвелл рассчитал, что электромагнитные волны будут распространяться со скоростью, определяемой уравнением 98\text{ м/с}\\[/latex]

, что равно скорости света. Фактически Максвелл пришел к выводу, что свет представляет собой электромагнитную волну с такой длиной волны, что ее можно обнаружить глазом.

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

Наблюдения Герца

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

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

Через лабораторию Герц прикрепил еще один контур к другому контуру RLC  , который можно было настроить (как шкала на радио) на ту же резонансную частоту, что и первый, и, таким образом, можно было настроить на прием электромагнитных волн. В этой петле также был зазор, через который генерировались искры, что давало убедительные доказательства того, что электромагнитные волны были получены.

Рис. 2. Аппарат, использованный Герцем в 1887 г. для генерации и обнаружения электромагнитных волн. РЛК  цепь, подключенная к первому контуру, вызывала искрение через разрыв в проводном контуре и генерировала электромагнитные волны. Искры через щель во втором контуре, расположенном поперек лаборатории, свидетельствовали о том, что волны были получены.

Герц также изучал отражение, преломление и интерференцию генерируемых им электромагнитных волн, подтверждая их волновой характер. Он смог определить длину волны по интерференционным картинам, а зная их частоту, рассчитать скорость распространения по уравнению v = fλ (скорость — или скорость — равна частоте, умноженной на длину волны). Таким образом, Герц смог доказать, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Единица СИ для частоты, герц (1 Гц = 1 цикл/сек), названа в его честь.

Резюме раздела

  • Электромагнитные волны состоят из осциллирующих электрических и магнитных полей и распространяются со скоростью света c . Они были предсказаны Максвеллом, 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 явилось 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, добавляющий еще один источник магнетизма — изменяющиеся электрические поля.

Задачи и упражнения

  1. Убедитесь, что правильное значение скорости света c получается при вводе в уравнение числовых значений проницаемости и диэлектрической проницаемости свободного пространства (μ 0 и ε 0 ) [latex]c=\frac{1}{\sqrt{{\mu}_{0}{\epsilon}_{0}}}\\[/latex].
  2. Покажите, что при вводе единиц СИ для μ 0  и ε 0  в правой части уравнения в приведенной выше задаче единицами измерения являются м/с.

Глоссарий

электромагнитные волны: излучение в форме волн электрической и магнитной энергии

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

5

RLC электрическая цепь, включающая резистор, конденсатор и катушку индуктивности

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

скорость света:  в вакууме, таком как космос, скорость света постоянна 3 × 10 источник, производящий электрический ток

линии электрического поля:  набор воображаемых линий, которые проходят между источником электричества 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:  набор непрерывных воображаемых линий, которые выходят из противоположных магнитных полюсов и входят в них. Плотность линий указывает на величину магнитного поля

Как работают ускорители частиц | Департамент энергетики

Будь то медицинские или научные исследования, разработка потребительских товаров или национальная безопасность, ускорители частиц затрагивают почти все аспекты нашей повседневной жизни. С первых дней электронно-лучевой трубки в 1890-х годов ускорители частиц внесли важный вклад в научные и технологические инновации. Сегодня в мире работает более 30 000 ускорителей частиц.

Что такое ускоритель частиц?

Ускоритель частиц — это машина, которая ускоряет элементарные частицы, такие как электроны или протоны, до очень высоких энергий. На базовом уровне ускорители частиц производят пучки заряженных частиц, которые можно использовать для различных исследовательских целей. Существует два основных типа ускорителей частиц: линейные ускорители и круговые ускорители. Линейные ускорители перемещают частицы по линейной или прямой линии луча. Круговые ускорители перемещают частицы по круговой дорожке. Линейные ускорители используются для экспериментов с фиксированной мишенью, тогда как круговые ускорители могут использоваться как для экспериментов со встречным пучком, так и для экспериментов с фиксированной мишенью.

Как работает ускоритель частиц?

Ускорители частиц используют электрические поля для ускорения и увеличения энергии пучка частиц, которые направляются и фокусируются магнитными полями. Источник частиц обеспечивает частицы, такие как протоны или электроны, которые должны быть ускорены. Пучок частиц движется внутри вакуума в металлической балочной трубе. Вакуум имеет решающее значение для поддержания среды без воздуха и пыли, чтобы пучок частиц мог беспрепятственно двигаться. Электромагниты направляют и фокусируют пучок частиц, пока он проходит через вакуумную трубку.

Электрические поля вокруг ускорителя переключаются с положительного на отрицательное с заданной частотой, создавая радиоволны, которые ускоряют частицы в сгустках. Частицы могут быть направлены на фиксированную цель, например, на тонкий кусок металлической фольги, или могут столкнуться два луча частиц. Детекторы частиц регистрируют и обнаруживают частицы и излучение, возникающие при столкновении пучка частиц с мишенью.

Какой вклад ускорители внесли в фундаментальную науку?

Ускорители частиц являются важными инструментами для открытий в физике элементарных частиц и ядерной физике, а также в науках, использующих рентгеновское излучение и нейтроны, разновидность нейтральных субатомных частиц.

Физика элементарных частиц, также называемая физикой высоких энергий, задает основные вопросы о Вселенной. Используя ускорители элементарных частиц в качестве основного научного инструмента, физики элементарных частиц достигли глубокого понимания фундаментальных частиц и физических законов, управляющих материей, энергией, пространством и временем.

За последние четыре десятилетия источники света — ускорители, производящие фотоны, субатомные частицы, ответственные за электромагнитное излучение, — и науки, которые их используют, добились значительных успехов, охвативших многие области исследований. Сегодня в Соединенных Штатах насчитывается около 10 000 ученых, использующих рентгеновские лучи для исследований в области физики и химии, биологии и медицины, наук о Земле и многих других аспектов материаловедения и разработок.

Как ускорители частиц улучшили потребительские товары?

Во всем мире ускорители частиц используются в сотнях промышленных процессов — от производства компьютерных чипов до сшивания пластика для термоусадочной пленки и так далее.

Электронно-лучевые применения сосредоточены на изменении свойств материалов, таких как изменение пластмасс, обработка поверхности и уничтожение патогенов при медицинской стерилизации и облучении пищевых продуктов. Ионно-лучевые ускорители, которые ускоряют более тяжелые частицы, находят широкое применение в полупроводниковой промышленности при производстве микросхем и для упрочнения поверхностей материалов, таких как те, которые используются в искусственных суставах.

Как ускорители частиц используются в медицине?

Каждый год в больницах и клиниках по всему миру десятки миллионов пациентов проходят диагностику и лечение на основе ускоренных процедур. Есть две основные роли ускорителей частиц в медицинских приложениях: производство радиоизотопов для медицинской диагностики и терапии, а также в качестве источников пучков электронов, протонов и более тяжелых заряженных частиц для лечения.

Широкий диапазон периодов полураспада радиоизотопов и различные типы их излучения позволяют оптимизировать их для конкретных применений. Изотопы, излучающие рентгеновские лучи, гамма-лучи или позитроны, могут служить диагностическими зондами, а инструменты, расположенные вне тела пациента, отображают распределение излучения и, таким образом, биологические структуры и движение или сужение жидкости (например, кровоток). Излучатели бета-лучей (электроны) и альфа-частицы (ядра гелия) отдают большую часть своей энергии вблизи места испускания ядра и служат терапевтическими агентами для разрушения раковой ткани.

Лучевая терапия внешними лучами превратилась в высокоэффективный метод лечения онкологических больных. Подавляющее большинство этих облучений в настоящее время выполняется с помощью микроволновых линейных ускорителей, производящих электронные пучки и рентгеновские лучи. Развитие ускорительных технологий, методов диагностики и лечения за последние 50 лет значительно улучшило клинические результаты. Сегодня во всем мире действуют 30 протонных и три углеродно-ионных лечебных центра, и на подходе множество новых центров.

Национальные лаборатории Министерства энергетики сыграли решающую роль в ранней разработке этих технологий. Лос-Аламосская национальная лаборатория помогла разработать линейные ускорители электронов, ставшие теперь рабочими лошадками для терапии внешними лучами. Национальные лаборатории Ок-Риджа и Брукхейвена внесли большую часть нынешнего опыта в области изотопов для диагностики и терапии. Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли впервые применила протоны, альфа-частицы (ядра гелия) и другие легкие ионы для терапии и радиобиологии.

Как ускорители частиц помогли национальной безопасности?

Ускорители частиц играют важную роль в обеспечении национальной безопасности, включая досмотр грузов, управление запасами и определение характеристик материалов.

Похожие записи

21.11.2024 0

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *