Мой индукционный дискомёт

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.
 
ЗАРЯЖЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ СМЕРТЕЛЬНО ОПАСНЫ!

Индукционный ускоритель (дискомёт) (induction coil gun) представляет собой разновидность электромагнитного ускорителя масс и работает на основе взаимодействия вихревых токов, индуцируемых в замкнутом проводящем снаряде (диске) переменным магнитным полем, с током, создающим это магнитное поле. При этом взаимодействии возникает сила отталкивания, придающая ускорение снаряду. Чем быстрее скорость изменения магнитного потока, тем больше индуцированные вихревые токи и тем сильнее отталкивание снаряда.

Такое устройство было изобретено американским инженером и изобретателем Элиу Томпсоном (Elihu Thompson):

Поэтому такой ускоритель часто называют "Thompson gun".

В отличие от пушки Гаусса, в индукционном ускорителе используются неферромагнитные снаряды (из меди или алюминия). Причем алюминий предпочтительнее, чем медь, так как его плотность (2,7 г/см³) меньше, чем у меди (8,9 г/см³), в 3,3 раза, а удельное сопротивление (0,028 Ом·мм²/м) больше, чем у меди (0,0175 Ом·мм²/м), всего лишь в 1,6 раза.
Для уменьшения сопротивления снаряда и возрастания вихревых токов можно охладить его (например, в жидком азоте с температурой кипения 77 К). Уменьшение удельного электрического сопротивления материала снаряда при этом характеризуется коэффициентом $\alpha = {{{\rho}_{295 K}} \over {{\rho}_{77 K}}}$, показывающим уменьшение сопротивления охлажденного до 77 К по сравнению с комнатной температурой 295 К. Для алюминия и его сплавов $\alpha$ = 2 ... 15.

Прыгающее кольцо
В классическом варианте ("ring launcher" или "jumping ring" ) индукционный ускоритель содержит катушку (2), намотанную на ферромагнитный сердечник (1). На сердечник надевается кольцо (5):

При замыкании ключа (4) заряженный конденсатор (3) разряжается на катушку, в которой возникает импульс тока. Создаваемое импульсом тока переменное магнитное поле, сконцентрированное в сердечнике, пронизывает кольцо и наводит в нем вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем приводит к возникновению силы отталкивания, заставляющей кольцо взлетать вверх.
Именно с таким устройством Томпсон провел первые опыты в 1887 году.

Вот схема такой установки из статьи Felix Waschke, Andreas Strunz и Jan-Peter Meyn "A safe and effective modification of Thomson's jumping ring experiment", опубликованной в журнале European Journal of Physics, Volume 33, Number 6:

Такой опыт любят проводить в учебных заведениях, питая катушку L через изолирующий трансформатор TV от автотрансформатора LT, подключенного к электросети (через сетевую вилку XT):

Использование автотрансформатора позволяет изменять напряжение (и ток) в катушке.

Вот пример такой установки, выпускаемой бразильской компанией Cidepe:

А вот демонстрационная установка университета King Fahd University of Petroleum & Minerals:
...

Дискомёт
Также интересен вариант индуционного ускорителя - дискомёта ("disc launcher"/"disk shooter" или "washer launcher"):

Переменный ток, протекающий по катушке (1) и создающий возле нее переменное магнитное поле, обычно генерируется при разряде заряженного конденсатора (2) на эту катушку. Для коммутации в качестве ключа (3) при этом можно использовать тиристор. Диск (4) под действием электромагнитной силы движется вверх.

Подобный дискомёт описан на странице PowerLabs исследователя Sam Barros:

Для питания плоской катушки из 7 витков, намотанной многожильным медным проводом диаметром 3 мм (сечение 16 мм²), используется батарея из двух конденсаторов общей емкостью 12600 мкФ на напряжение 450 В (максимальная энергия 1,3 кДж). Конденсаторы коммутируются на катушку тиристором (300 А / 1200 В). В опытах использовался алюминиевый диск массой 70 г.

Описание еще одного дискомёта приведено на странице EMP HDD Launcher на сайте Instructables. В этом ускорителе используется батарея из 20 конденсаторов емкостью 100 мкФ, заряжаемых до напряжения 400 В. Алюминиевый диск при выстреле подбрасывался на 10 футов вверх. На этой фотографии изображен момент взлета диска:

Видна яркая вспышка при замыкании ключа. Ключ представляет собой оригинальную конструкцию, удерживаемую в выключенном состоянии натянутой нитью:

Индукционный дискомет с конденсаторной батареей, заряжаемой до напряжения 900 В, описан на странице Washer launchers исследователя Bob Davis:


Bob Davis

Одним из высших достижений этого незаурядного исследователя можно считать дискомёт, содержащий батарею конденсаторов общей емкостью 1500 мкФ под напряжением 2кВ.

Достоинства и недостатки
Достоинством индукционного ускорителя является высокий КПД и отсутствие необходимости прерывать импульс тока (в отличие от пушки Гаусса).

Недостатком индукционного дискомёта можно считать неаэродинамическую форму снарядов.

Моя экспериментальная установка

Я создал экспериментальный индукционный ускоритель, основными элементами которого являются:

катушка - плоская спиралевидная катушка (flat spiral coil, часто называется pancake coil):

Для повышения прочности катушки я залил ее "эпоксидкой", так как большая скорость изменения магнитного поля вызывает деформацию катушки.

Индуктивность $L$, мкГн, такой катушки определяется выражениями (http://www.deepfriedneon.com/tesla_f_calcspiral.html):
$A = {{D_i + N (W + S)} \over {2}}$
$L = {{N^2 + A^2} \over {30 A - 11 D_i}}$,
где $D_i$ - внутренний диаметр в дюймах, $N$ - количество витков, $W$ - диаметр провода в дюймах, $S$ - расстояние между витками в дюймах

По формуле Wheeler (http://www.pulsedpower.eu/toolbox/toolbox_inductances.html):
$L = 31,33 {\mu}_0 {N^2} {{{R}^2} \over {8 R + 11 W}}$

Также существует похожая формула (http://www.pulsedpower.eu/toolbox/toolbox_inductances.html):
$L = {N^2} {{{R}^2} \over {8 R + 11 W}}$,
где $R$ - средний радиус катушки в дюймах, $N$ - количество витков, $W$ - ширина намотки в дюймах

Для моей катушки диаметр провода без изоляции = 0,7 мм, диаметр провода с изоляцией = 2 мм, число витков = 9, внутренний диаметр = 10 (?) мм, внешний диаметр = 48 мм, ширина намотки = 17 мм, средний радиус = ... мм.
Расчетная индуктивность катушки, мкГн:
по формуле (1) - ...,
по формуле (2) - ...,
по формуле (3) - .....

Омическое сопротивление катушки составляет менее 0,5 Ом.

конденсатор - батарея из двух конденсаторов:

680 мкФ на напряжение 400 В;
220 мкФ на напряжение 450 В
(общая емкость составила 900 мкФ)

тиристор - тиристор ТЧ125-9 - тиристор быстродействующий штыревого исполнения: "125" означает максимально допустимый действующий ток (125 А); "9" означает класс тиристора, т.е. повторяющееся импульсное напряжение в сотнях вольт (900 В).
внешний вид:

размеры:

Для заряда конденсатора я собрал схему однополупериодного удвоителя напряжения с питанием от бытовой электросети:

Неоновая лампа La1, подключенная через ограничивающий ток резистор R1, используется для индикации наличия напряжения сети. Резистор R2  ограничивает зарядный ток. Конденсатор C1 и диоды D1 и D2 образуют умножитель напряжения для заряда конденсатора C2. Напряжение заряда контролируется мультиметром V.

Заряд батареи конденсаторов до 380 В длится 170 с.

Схема силовой части индукционного ускорителя выглядит таким образом:

Для включения тиристора VS я использую две батареи формата AA на 1,5 В (GB).
Параллельно катушке включен защитный диод VD UF5406.

Пиковое значение тока в катушке не превышает $I_{peak} = {U {\sqrt{{C} \over {}L}}}$.

Результаты экспериментов

Первые опыты я провел с вырезанным из металлической пробки от бутылки дном:
...

Результаты опытов оказались такими:

Недостатками такого снаряда являются его малая толщина и неаэродинамическая форма.

...

Продолжение следует.