大学物理论文-电磁感应原理原理的应用

电磁感应原理原理的应用——电磁炮姓名：朱子凡摘要：电磁炮利用了电磁感应原理，具有稳定性好，初速度大，经济等特点，可以广泛的运用在军事，航空航天，交通运输等方面。本文首先介绍了电磁炮的基本原理及特点，其次提出电磁炮的几种可行的实现方案，之后又讨论了电磁炮在航空航天方面如何应用，最后提出了我们还需要克服的问题。关键词：电磁感应，电磁加速器，稳定性，电磁炮应用引言：电影《变形金刚》中有这样一个片段：一艘美国巡洋舰，对金字塔上面的机器人进行攻击，一击命中。没错他们用的武器就是电磁炮。美国人设想在外星人强大的火力下，电磁炮将是和外星人作战的最有利武器。一、电磁炮的基本原理电磁炮运用基本原理的就是法拉第电磁感应定律。19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的作用。如果让导线在磁场中作切割磁感线的运动，导线上也将会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。也就是根据这一定律人们发明了发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，电磁炮本质上来说就是一种比较特殊的电动机，电磁炮中做直线加速运动的炮弹就相当于电动机中旋转的转子。但是问题是如何产生驱动炮弹的磁场，并让电流经过炮弹，让它能做直线加速运动呢？在1980年，美国西屋公司为《星球大战》建造的实验电磁炮给出了我们这样一个设计：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过导体轨道和炮弹形成回路。把这个装置放在磁场中，当给炮弹通电时，炮弹相当于磁场中的导线，它会受到一个力的作用，由于这个力的作用，炮弹将会做加速运动，最后发射出去。二、电磁炮的特点1、弹丸初速度大电磁脉冲发射的动力大约为普通火炮发射力的10倍,所以用它发射的弹丸速度将比普通炮弹的速度快很多。一般火炮的射击速度约为0.8千米/秒，步枪子弹的射击速度为l千米/秒。而电磁炮可将3克重的弹丸加速到11千米/秒，将300克的弹丸加速到4千米/秒。有的专家甚至预言，将来的速度可达100千米/秒。2、发射速度可调根据目标的大小，距离，可以通过调节磁场的大小或者调节通过炮弹的电流大小来调节弹丸发射的初速度。3、稳定性好由于弹丸受到磁场力的作用，受力均匀，而且受力大小可以通过计算机精确控制。而且由于是电磁驱动，没有后坐力，所以稳定性非常的高。4、隐蔽性好在不考虑由于目前技术限制使发射装置很大的情况下，电磁炮在发射时不产生明火和烟雾，也没有冲击波，所以十分具有隐蔽性。三、电磁炮的实现1、轨道式前面已经介绍轨道式电磁炮，用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过导体轨道和炮弹形成回路。把这个装置放在强磁场中。2、线圈式在炮管中和炮弹上分别固定线圈，当在炮管上的线圈中通入交变电流时，就会在炮弹的线圈中产生感应电流，感应电流产生的磁场和炮管上线圈产生的磁场相互作用，从而能使炮弹加速。3、螺旋加速器式首先使弹丸带有一定量的电荷，在回旋加速器里增加两个半圆形磁场，使带电粒子不再沿着直线运动，而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动，这种改造使得加速器的电场不至于如此之长而导致电场能损失。两个磁场之间是真空室。里面装有两个半圆形空盒状的金属电极，通称为“D形电极”。D形电极接在高频电源的输出端上，2个D形电极之间的空隙（加速间隙）有高频电场产生。弹丸安装在真空室中心的加速间隙中。D形电极内部没有高频电场，粒子进入D形电极之内就不再被加速，在恒定的主导磁场作用下做圆周运动。只要粒子回旋半圆的时间等于加速电压半周期的奇整数倍，就能够将弹丸加速加速。四、电磁炮的其它应用电磁炮不仅仅可以用来作为武器，它是非常好的发射工具。可以用来发射航天器，或者放在航母上使飞机在短距离内具有起飞速度，减少飞机的起飞距离。为了隐蔽性，武器一般需要严格限制大小，但由于目前的技术限制，无法将电磁炮做的较小。但是如果作为发射器，那么就没有那么多限制，可以将发射器做到几百甚至几千米都没有问题。而且如果把驱动线圈放在飞行器的内部，把发射线圈做成马鞍的形状，就可以把大型航天器固定在发射线圈上，这个如果装置用在航母或者飞机场就能缩短跑道，使飞机能很快起飞。而且用目前的燃料发射航天器进入太空费用要比电磁炮作为发射器费用高出很多。所以电磁炮在未来的发射器领域必将有一席之地。五、目前面临的挑战第一，目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大，这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比，要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术，但超导磁体需要冷却到很低温度才能发挥作用，这对于军事应用是个问题，因为会大大降低发射装置的灵活性，但作为固定使用的航天发射装置，基本上可以不必考虑这些，而且如果高温超导强磁体能够研制成功，对低温条件的要求也可放宽。第二，由于目前没有足够强的发射磁场，那么只能够加大通过弹丸的电流来获取足够的初速度，但是如果加大电流必然会发热造成弹丸的腐蚀，发生危险。第三，由于电磁发射器加速度太大，将航天器加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，而人所能承受的是3呗重力加速度的长时间加速，显然是人类无法承受的，因此在载人航天方面还需要我们进行改进。随着科技的发展，超导材料的逐渐成熟，相信我们一定能克服上述问题，电影将成为可能，电磁炮在未来将会扮演十分重要的角色。参考文献：（1）芶秉聪、胡海云主编《大学物理（下册）》，国防工业出版社，2011.1（2）《GEEK》2011年10期（3）《兵器知识》中国兵工协会，2011.6（4）《电工技术杂志》科技部西南信息中心，2003年2期