가우스캐논_판넬_수정

Report
Gauss Cannon
유성현, 채재혁
지도교사 : 성아현
EML(Electro-magnetic launcher)의 한 종류인 코일건의 가속 방식은 효율성이 떨
어지기 때문에 이 실험에서 우리는 물리적 지식을 얻고 앙페르 법칙을 탐구하며
효율성을 높일 수 있는 방법을 찾기 위해서 이 주제를 연구하였다.
본 실험에서는 순차가속으로 자기포화를 낮춤에 따른 힘의 크기, 자기차폐를 통
해 자기선속의 밀도를 크게 함에 따른 힘의 크기, 순차가속을 위한 코일의 거리변
화에 따른 힘의 크기, 콘덴서 충전전압에 따른 힘의 크기, 탄환의 종류에 따른 힘
의 크기를 측정하여 변인에 따른 성능을 검증하고, 효과를 비교하여 가장 좋은 결
과를 결합한 결과물을 산출하고자 했다.
① 부스트 컨버터 회로 제작
1차 회로는 전선과 다름없는 회로가, 2차 회로는 작동되지 않았다. 마지막
으로 3차 회로는 가장 양호한 성능을 보여주었으나 콘덴서를 충분히 충전
하기에는 부적합한 전압이 출력되었다.
그림3. 1차시 회로도
전류의 자기작용
덴마크의 과학자인 외르스테드는 강의 도중 우연히 전류가 흐르는 도선 주
위의 자침이 회전하는 것을 발견했다. 이 발견으로 영구 자석 뿐만이 아니
라 전류에 의해서도 자기장이 발생하는 것을 알 수 있었다.
그림4. 2차시 회로도
그림5. 3차시 회로도
② 코일 제작
볼트에이지, 공심코일과 콘덴서 내부저항, 콘덴서 용량 등을 Java기반 프로
그램에 대입하여 공심 코일의 적합한 권선 비를 정하여 코일을 제작하였다.
로렌츠 힘(Lorentz force)
전하를 띤 물체가 전자기장 안에서 받는 힘이다. 물체는 전기장 안에서
qE의 힘을 받고, 자기장 안에서 F = q (E + v × B)의 힘을 받는다. 로렌츠
힘은 이 두 힘의 합이다. 즉, 인 것이다. 여기서 는 전기장, 는 자기장, 는
입자의 전하량이며 는 입자의 속력이다. 헨드릭 안톤 로렌츠가 이 식을
유도해 로렌츠 힘이라고 불리게 되었다.
Gauss Cannon
가우스 가속기는 전기력을 운동에너지로 변환해 발사체를 추진시켜 발사하
는 장치이며 EML (Electro-magnetic launcher)라고도 한다. EML은 레일건
과 코일건으로 나뉘어진다. 코일건의 원리는 전류를 흘려주면 자기장이 형
성되는 앙페르 법칙을 이용한 것인데 코일에 강한 전류를 흘려 자기장을 만
들고 이 자기장으로 탄환을 잡아당겨 추진시킨다. 이때 코일이 여러 개 배
열해 있으면 탄환이 각 코일을 지날 때마다 가속되는데 이러한 원리를 이용
해 탄환을 발사하는 총이 코일건이다.
그림6. Java기반 프로그램을 이용한 공심 코일의 적합한 권선 비
그림7. 완성된 코일
③ 코일건과 스티로폼 설치
그림8. 실험대에 설치한 코일건과 스티로폼타격대
그림1. 순차 가속기
부스트 컨버터 부품
1, 2차 실험은 코일건을 설치하고 격발회로의 스위치를 누르는 순간 코일 양 끝
부분에서 엄청난 폭발음을 내며 방전을 일으켰다.
1, 2차 실험 뒤 우리는 코일의 양 끝단이 스파크 갭 보다 짧다고 생각하여 길이를
늘리고 약간의 순차가속 효과를 얻기 위해 감는 방법을 바꾸어 3차 실험을 하였
다. 1, 2차 실험에 비해 더 큰 폭발음이 난 후 탄환이 격발되어 1.5cm 두께의 스
티로폼을 뚫고 두번째 스티로폼에는 자국을 남겼다.
NE555, IRF840, 방열판, PCB, 스위치, 가변저항, 저항, 패스트 다이오드, 초크코
일, 세라믹 콘덴서
그림9. 구멍 뚫린 첫번째 장 스티로폼과 자국만 남긴 두번째 스티로폼
그림2. 부스트 컨버터 부품과 메인 콘덴서
센서부품(순차 가속 실험 시)
적외선 센서, 포토다이오드, 트랜지스터, 건전지홀더, 건전지, op비교기, 저항,
콘덴서 (400v 2200uF) 8개, PVC 파이프, DVM, 판재, 솔레노이드 코일용 구리
선, 구리판, 몰딩용 에폭시, 실리콘 고압전선, 납, 인두기, 파워서플라이 등
고전압 실험을 실제로 하며 그 위험성을 직접 느낄 수 있었다. 또한 단체 실험 시
구성원과의 협동심의 중요함을 알 수 있었다. 이러한 특별한 경험을 하며 많은 것
을 배운 것이 의미가 크다고 생각한다. 하지만 한 번 탄환을 가속시켰을 때의 코
일건의 위력은 우리의 생각보다 약했다. 우리는 이런 결과가 나온 것을 순간적으
로 폭발하면서 발생한 방전, 콘덴서에 저장된 전기의 부족, 전류을 흘려 자기장을
생성시키는 목적의 코일을 덜 감은 것 등을 원인으로 생각하고 있다. 따라서 다음
에 기회가 된다면 제대로 회로를 제작해 완전한 실험을 하고싶다. 또한 시간 부족
으로 순차가속 등의 변인을 실험하지 못해서 아쉽지만 방학 동안 다시 실험해보
고 싶다.
2013 PTHS Academic Science Research Program

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