Lanciatori di Lorentz tesina

I lanciatori di Lorentz

Studente: Andrea Baggio

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Sommario

• 1-What is the Electromagnetic Railgun? pag. 3
• 1.1-Che cos’è un Railgun? pag. 4
• 2-Introduzione pag. 5
• 3-La forza di Lorentz pag. 6
• 3.1-Incremento del valore di corrente pag. 6
• 3.2-Incremento del valore della lunghezza pag. 7
• 3.3-Incremento del valore di B pag. 7
• 4-Le espansioni polari aggiunte pag. 8
• 5-Il progetto pag. 11
• 5-I condensatori a transitorio di scarica ultrarapido pag. 15
• 6-Conclusioni pag. 17
• 7-Fonti pag. 18

d’informazione

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1-What is the Electromagnetic Railgun?

Magnetism is a physical phenomenon and is the ability of some materials to attract or repulse other objects.

There is the possibility to use this ability to move objects with an extremely high force; this text will synthetically expose the magnetic launcher known as EM Railgun.

The Railgun is a device that uses the phenomenon of electromagnetic induction, the same principle that is in basis of DC motors.

The law is really simple: if a flow of current pass through a conductor and this one is absorbed in one magnetic field, we will find a force perpendicular to the field and to the present current.

The EM Railgun is made up of one source of energy connected to two rails (hence the name railgun) realized with conductor material.

To close this opened circuit, we need to another device:

(it’s in conductor the bullet material too).

Now the flow of current can pass through this circuit and if we have a really high energy source pulse, the bullet on rails can slides pushed by the Lorentz’s Force.

If we have known this phenomenon since 1800, what is the problem that has prevented us from building it?

Answer to this question is easy: the form of magnitudes treated is so high that before the last few years there was not a suitable technology for its manufacture.

For example: same Lorentz’s Force,

We find the that are present in the bullet, in the rails and these are long up to 5 mt and it’s really easy to warp it;

When the current has its flow, the Joule’s dissipation power is really high, we talk about 10.000°C;

The source of energy has to enlarge very high current in a very short time without destroying itself by the electrodynamic and thermal stresses.

In the past the US Navy has supported this project and in 2008 it tested prototypes that permitted to launch bullets (made up of tungsten) that weighs about 2 kilograms at the speed of Mach 9 (approximately 3 km/s).

This is a remarkable result considering that the “normal” cannons can shoot their bullet at the maximum speed of Mach 3 (approximately 1.2 km/s).

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1.1-Che cos’è un Railgun?

Il magnetismo è un fenomeno fisico consistente nell’abilità di alcuni materiali di esercitare una forza attrattiva o repulsiva nei confronti di altri oggetti.

Esiste la possibilità di muovere oggetti con forze elettromagnetiche molto elevate; questo testo esporrà sinteticamente in cosa consiste un EM Railgun.

Un lanciatore magnetico è un dispositivo che funziona grazie alla sinergia di magnetismo e corrente elettrica, principio fisico presente e alla base di altri dispositivi come la macchina a corrente continua, particolari tipi di interruttori, acceleratori particellari sincrotronici e collider; può essere riassunto in questo modo:

Se un conduttore percorso da corrente è immerso in un campo di induzione magnetica B, sarà soggetto ad una forza perpendicolare ai vettori I e B ed essendo la risultante di un prodotto vettoriale, la sua direzione sarà nella “terza dimensione”, questa forza è chiamata forza di Lorentz.

Un Railgun è costituito principalmente da 3 parti:

• Due rotaie di materiale conduttore;
• Un’armatura di materiale conduttore contenente un proiettile;
• Una sorgente di energia capace di fornire la stessa in modo impulsivo.

Una volta connessa la sorgente ai binari, posizionato l’armatura e quindi chiuso il circuito, il proiettile sarà spinto sui binari dalla sopracitata forza di Lorentz.

Uno dei principali problemi di questa tecnologia [il cui progetto era conosciuto dagli scienziati sin dal 1800] consiste nella magnitudine delle grandezze in gioco: il valore della corrente da fornire, al fine di ottenere una velocità di uscita del proiettile è particolarmente elevata ed è causa di sforzi elettrodinamici [interessanti l’intera struttura del Railgun] che devono essere controbilanciati utilizzando materiali adatti allo scopo, materiali che fino a qualche tempo fa non erano facilmente reperibili. Nel 2008 la marina degli Stati Uniti ha finanziato dei progetti riguardanti questa tecnologia, ottenendo di riuscire a lanciare un proiettile di tungsteno dalla massa di 2 kg alla velocità di Mach 9 [approssimativamente 3000 ]; risultato notevole, considerando che i proiettili sparati da cannoni “standard” arrivano al massimo a Mach 3.

Al fine di ottenere l’impulso di corrente necessario al corretto funzionamento del lanciatore, una delle scelte più comuni consiste nell’uso di una batteria di condensatori con transitorio di scarica ultrarapido.

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2-Introduzione

La presente tesina è da considerarsi una specie di progetto di massima su carta con alcuni calcoli e ragionamenti riguardo i possibili problemi e soluzioni riscontrabili in una prima analisi qualitativa riguardante la costruzione del sopracitato dispositivo.

Il modulo delle grandezze in gioco è elevato e porta facilmente ad un danneggiamento delle apparecchiature se queste non sono progettate per funzionare ad alti livelli, in particolare:

• Il materiale che costituirebbe le rotaie deve resistere ad alte temperature raggiunte in pochi ρ µs e presentare la più bassa possibile al fine di limitare le perdite per effetto joule;
• Le correnti in uso in dispositivi simili sono elevate e sarebbe doveroso valutare alternative ad alti valori delle stesse, al fine di non stressare eccessivamente i materiali coinvolti.

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3-La forza di Lorentz

Come è stato detto in precedenza, se il flusso di corrente in un conduttore avviene in presenza di un campo di induzione magnetica B perpendicolare al vettore corrente, il conduttore stesso è sottoposto ad una forza che tende a spostarlo nella “dimensione z”.

Essendo la Forza di Lorentz: F = q v B

L

Nel caso di carica singola, dove:

• q = quantità di carica in Coulomb;
• v = velocità di spostamento della stessa;
• B = campo di induzione magnetica; e

F = I l B

L

Nel caso di cariche in un conduttore, dove: