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A021实验电磁炮
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电 路 简 介

    电磁炮成为军事界热门话题那得“感谢”导弹防御系统;要摧毁高速飞行的导弹,必须要有反应更快、速度更大的飞行装置。从单级爆炸气体射出的炮弹速度低于每秒2千米(公里);火箭可以达到很高的速度,但是它需要很长时间的加速运动,反应太慢。四十多年前曾经有过一次实验,用160万安培电流把一个重量3克的物体仅仅在5米长的轨道上瞬间加速到每秒6千米的速度!这就是电磁炮设想和研究的契机。
    《电子通》的电磁炮只是演绎电和磁的原理,但是已足以让人们体验到电磁的威力。现在,强大的电磁装备已经逐步完善和投入实际应用,除了电磁炮以外,还有航母上飞机起飞的电磁弹射装置。随着科学技术发展,强大的电磁装备将一定会有更大的发展。我国在这方面的高速进步也令美俄等国家刮目相看。
    电磁炮最主要的前提是需要强大的电流,这对于我们这个实验模型也不例外;我们解决方案是先把3伏电压升高到100伏,然后让高压瞬间通过一个线圈,产生一个较为强大的磁场;按理,炮弹也要需要大电流驱动,但在我们这个简单的装置中难以做到,为了简约,我们采用铷铁硼强磁铁来代替。这样,让大电流产生的电磁场和恒磁场相互作用,达到发射子弹的效果。

     

    上图是实验的初始状态;圆柱形铷铁硼磁铁S极朝上放置于导管底部略偏上方,黑色螺旋上的箭头表示线圈电流方向;高中物理右手定则判断电磁场的极性是上端为N极下端为S极。两磁力作用结果使“子弹”唰的飞出导管。这里,你不能用“异性相吸、同性相斥”这种表象化的理解来解释发射原理。
    从制作角度分析,电磁炮的关键部分是升压电路的制作;而升压电路的核心是那个磁环电感的制作和连接。这里需要掌握一点“同名端”知识,对于大多数青少年学生应该不难理解,而且终身受用。

制 作 概 要

全图

布局1

布局2

同名端

磁环连接1

磁环连接2

磁环连接3

发射倒计时

红灯亮,100伏!
教 学 建 议

    制作电磁炮成或败,首先就看两个灯是不是依次亮起来。绿灯亮说明电路对电容充电,过分把钟后红灯亮,说明电容器的电压已经被充到100伏左右,这时候,绿灯应该熄灭,于是可以按开关发射。
    故障一般是绿灯不亮,需要检查升压电路;仔细核对电路,重点检查磁环电感六个线头的连接顺序是不是对。升压的前提是:正确连接电感,让三极管处于正反馈振荡状态中,也就是首先把电池供给的直流电转化为交流电,只有这样才能升压;D1是普通二极管,作为整流使用,也就是把高压交流电变成高压直流电;高压直流电给电容充电;这股充电电流点亮了绿灯。
    而红灯亮是依靠电容被充足100伏后,有“多余电流溢出”,这股电流使红灯亮起来。所以,电容没有充足电也就无此电流“溢出”,红灯不会亮。这里需指出,稳压管是溢出电流的“阀门”,要反方向连接,一旦电容电压升高超过100伏,它就被击穿(阀门打开),就有电流流过R2和D3(红色LED);所以,红灯亮说明电容C电压达到100伏,同时,因为把多余电流泄出在红灯上消耗,所以它又能使电容电压不再继续升高,起到保护电容的功效。
    由此可见,电路工作是前后连贯、一气呵成的。振荡——升压——整流——充电——绿灯亮——C两端电压升高——稳压管击穿——溢出电流——红灯亮。
    关于电磁炮的知识要依靠老师讲解,老师了解多少多深就有可能讲多少多深,怎么讲和怎么掌握尺度是一个不小的课题,这就不展开了。
    关于电磁炮的射程和“威力”问题,这尤其在竞赛中深受大家关注。要在我们这个模式基础上提高射程,当然也是可以的;但是我们慎重提醒一句:要全面考虑。不要单就一个参数改变而不顾及其它,那很有可能会出各种问题;大家一起来讨论、研究、试验怎样提高射程的确是非常有意义的,就是一定要从理论到实践都把握稳当。

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