Некоторые читатели наверняка собирали когда-то некое подобие
пистолета Гаусса, но результат их не радовал. В этой статье будет
рассказано о том, как узнать КПД вашего пистолета Гаусса и повысить его.
Коэффициент полезного действия
пистолета Гаусса вычисляется просто - это энергия пули на выходе из
ствола, отнесенная к энергии, запасенной в конденсаторах (для более
сложных случаев, когда не вся энергия конденсаторов переходит в
катушку, считается затраченная на выстрел энергия). Энергия, запасенная
в конденсаторах, вычиляется по формуле Е = С*U^2/2, где С - емкость конденсатора в фарадах, U - напряжение, до которого заряжен конденсатор. Энергия пули вычисляется по формуле Е = m*V^2/2, где m - масса пули в килограммах, а V - скорость в метрах в секунду.
Так, например, если в конденсаторах вашего пистолета Гаусса запасено
100дж, а энергия пули на выходе из ствола 1дж, то КПД вашего пистолета
Гаусса - 1%. Способы измерения скорости пули были описаны в
предыдущей статье. Для того, чтобы узнать массу пули, не имея
лабораторных весов, можно положить пулю в шприц, заполненный водой, и,
узнав таким образом объем, помножить его на плотность материала пули.
Теперь о том, как подобрать и рассчитать все детали пистолета Гаусса для получения наивысшего КПД. Конденсаторы 1.
В общем случае чем выше рабочее напряжение конденсатора, тем лучше это
может отразиться на итоговом КПД всей системы, поскольку с увеличением
напряжения уменьшаются потери на активное сопротивление. Но наивысшее
отношение емкости к объему имеют электролитические конденсаторы, а их
трудно найти на напряжение больше 450в. Можно, конечно, использовать
пленочные конденсаторы на напряжение 1000 и больше вольт, но они,
во-первых, громоздки и тяжелы, а, во-вторых, придется как-то решать
проблемы с изоляцией. Так что оптимальнынми являются электролитичекие
конденсаторы на 300-450в. 2.
ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсаторов. Чем
меньше ESR конденсатора, тем лучше (однако такие конденсаторы стоят
дороже). Некоторые производители создают специальные линейки
конденсаторов с низким ESR. 3. Индуктивное сопротивление также
играет немаловажную роль. При прочих равных условиях чем уже и длиннее
конденсатор - тем меньше его индуктивное сопротивление. 4. Выводы. Конденсаторы с выводами под гайку предпочтительнее конденсаторов с выводами под пайку (правда, первые стоят дороже). Ключи Ну тут всё просто - чем ниже сопротивление ключа, тем лучше. Ствол 1.
Чем тоньше ствол, тем лучше, поскольку в таком случае меньше объема
внутри катушки пропадает впустую. Некоторые пистолеты Гаусса вообще
обходятся без ствола (например, показаный на картинке). Но не забывайте
о прочности! 2.
Чем меньше трение внутри ствола, тем больше энергии останется у пули.
Трение помогают уменьшить специальные оружейные смазки, например
"баллистол". 3. Стволы из диэлектриков предпочтительнее
металлических, поскольку в последних при выстреле наводятся вихревые
токи, на которые тратится часть энергии выстрела. Проблему вихревых
токов можно решить, сделав пропил по всей длине ствола (или хотя бы в
той части, где находится катушка, как показано на картинке). Снаряд 1.
При прочих равных условиях снаряд с большей массой ускоряется с большим
КПД, поскольку в нем больше магнитных доменов, подвергающихся
втягиванию в катушку. 2. Чем выше порог насыщения материала, из
которого изготовлен снаряд, тем лучше. Из доступных материалов
наибольшим порогом насыщения обладают мягкие стали типа Ст.3 (из
которых, например, делают гвозди). 3. Аэродинамическая форма снаряда
также имеет немаловажное значение. Ее желательно сделать такой, чтобы
как можно сильнее уменьшить трение о воздух. Катушка 1.
До сих пор идут споры насчет оптимальной формы катушки, но на мой
взгляд она такова: внешний диаметр равен трём внутренним, а длина равна
11/9 от внешнего диаметра. Эти соотношения можно вывести математически.
Но я здесь не претендую на истину в конечной инстанции, и читатели
путем экспериментов могут вывести свою оптимальную форму катушки. 2.
Активное сопротивление катушки должно быть чуть меньше активного
сопротивления конденсаторов, в идеале в 1,4 раза меньше. Но это
соотношение также является полем для экспериментов. 3. Укладка
провода должна быть как можно более плотной. В идеале провод можеть
быть квадратным, шестигранным или плоским - чтобы не оставалось
незаполненных ниш. 4. Материал провода должен иметь как можно меньшее удельное сопротивление.
Итак,
как же совместить все требования к деталям, зачастую противоречивые,
для получения наилучшего КПД? Ответ на этот вопрос дают различные
программы математического моделирования для электромагных ускорителей.
Например, FEMM и специальные скрипты для нее, которые можно скачать здесь. В
них можно задать предполагаемые параметры вашего будущего пистолета
Гаусса и узнать, каков будет примерный КПД (на практике он обычно
получается немного ниже). На этом всё, желаю вам успехов в достижении
высоких КПД!
