Електромагнітна плазмова гармата

На елемент dl провідника зі струмом I. поміщеного в магнітне поле з індукцією B. діє сила Ампера dF [5]:

Якщо напрямок провідника зі струмом перпендикулярно напрямку магнітного поля, то:

При цьому напрямок дії сили перпендикулярно як до напрямку магнітного поля, так і до напрямку провідника (визначається правилом лівої руки).

За другим законом Ньютона:

де dm - маса елемента провідника довжиною dl, d 2 x / dt 2 - його прискорення.

З (2) і (3), висловлюючи масу через щільність і обсяг, отримуємо.

де r - щільність матеріалу, з якого зроблений провідник. dV - елемент об'єму.

Якщо в якості провідника використовується дріт діаметром d. то.

Підставляючи (5) в (4) отримуємо:

Якщо розгін дроту проводиться на деякій відстані X. то, припускаючи магнітне поле однорідним (B = const) і силу струму I постійної, отримуємо досяжну швидкість.

Нехай I = 1000 А, B = 3 Тл. X = 0.03 м (3 см). d = 0.0005 м (0.5 мм). r = 8960 кг / м 3 (мідь). Тоді dx / dt = 320 м / сек. Якщо діаметр дроту зменшити вдвічі (0.25 мм), то досяжна швидкість збільшиться вдвічі і становитиме 640 м / сек.

Якщо дріт протягом дії імпульсу струму встигає випаруватися за рахунок теплового дії струму, то в результаті можна отримати хмара плазми, що рухається зі швидкістю, що перевищує швидкість звуку в повітрі і порівнянної зі швидкістю польоту куль вогнепальної зброї.

Необхідну для плавлення дроту амплітуду і тривалість синусоїдального імпульсу струму можна розрахувати за допомогою програми dTWire [1].

2. Технічна реалізаціяпростой електромагнітної плазмової гармати (ЕМП)

Для перевірки викладених у п. 1 міркувань була виготовлена проста ЕМП з магнитн ой систем ой на основі постійних самарій-кобальтових магнітів, ескіз якої наведено на рис. 1.

Мал. 1. Конструкція магнітної системи простий електромагнітної плазмової гармати:
1 - постійні магніти (2 шт. Sm-Co П20х20х4);
2 - верхня сталева пластина (сталь Ст3 товщиною 2 мм);
3 - нижня сталева пластина (сталь Ст3 товщиною 2 мм);
4 - дріт (снаряд) (раземещена в зазорі магнітної системи, закріплена в затискачах, які одночасно служать токоподводами).

Між двома сталевими пластинами (2, 3) встановлені постійні магніти (1). Величина індукції в зазорі магнітної системи близько 0.25 Тл. Напрямок поля показано стрілками. У зазорі між пластинами закріплюється (за допомогою затискачів) дріт, яка грає роль снаряда. Перед гарматою встановлюється мішень. Зовнішній вигляд гармати в зборі показаний на рис. 2.

Мал. 2. Зовнішній вигляд простий електромагнітної плазмової гармати.

Магнітна система встановлена на текстолітової панелі, яка за допомогою ізолюючих втулок кріпиться до основи з оргскла. Зверху пристрій в цілях безпеки закривається кожухом з оргскла.

Дріт закріплюється за допомогою затискачів в зазорі магнітної системи і підключається через реакторну котушку до генератора потужних імпульсів струму [2 - 4]. Полярність підключення повинна забезпечувати викид снаряда в сторону мішені. Реактор служить, по-перше, для обмеження амплітуди струму і, по-друге, для підтримки струму в ланцюзі (за рахунок самоіндукції), коли дріт починає плавитися (іскровий і дугового розряд). Зовнішній вигляд установки показаний на рис. 3.

Мал. 3. Проста електромагнітна плазмова гармата з однополярним генератором потужних імпульсів струму і реактором.

При подачі імпульсу струму через дріт відбувається яскрава світлова спалах і різкий хлопок ( "удар батога"). Частина дроту в розплавленому стані і частина в газоподібному стані викидається в сторону мішені. Результат впливу міді на оргскло (поліметилметакрилат) показаний на рис. 4, міді на скло - на рис. 5.

Мал. 4. Результат дії ЕМП: снаряд - мідний дріт, мішень - оргскло.

Мал. 5. Результат дії ЕМП: снаряд - мідний дріт, мішень - скло.

Незважаючи на невелику величину магнітної індукції в зазорі магнітної системи простий ЕМП, робота гармати підтверджує зроблені розрахунки. Викид парів металу дійсно відбувається в заданому напрямку. Швидкість викиду досить велика. Міцність металевого покриття скла або поліетилену така, що його важко стерти вручну за допомогою вати або тканини. При використанні в якості мішені скляної пластинки відбувається вибивання дрібних шматочків скла.

Надалі передбачається побудувати ЕМП з більш потужною магнітною системою (індукція до 3 Тл), об'єднаної з реактором, і випробувати різні режими подачі імпульсів струму.

Постійний магніт - об'єкт, що створює магнітне поле за рахунок власних внутрішніх елементарних електричних струмів, поточних без використання зовнішнього джерела енергії в котрий становить об'єкт матеріалі.
Магнітна індукція - вектор, чисельно рівний межі відносини сили, що діє з боку магнітного поля на елемент провідника з електричним струмом, до добутку струму і довжини елемента провідника, якщо довжина цього елемента прагне до нуля, а елемент так розташований в полі, що ця межа має найбільше значення, і спрямований перпендикулярно до напрямку елемента провідника і до напрямку сили, що діє на цей елемент з боку магнітного поля, причому з його кінця обертання по найкоротшій відстані від напрямку сили до н правлінню струму в елементі провідника повинно бути видно, що відбувається проти годинникової стрілки.
Імпульсний генератор - генератор імпульсів напруги або струму.