电磁炮的原理浅推

电磁炮
物理电子学院
火药长期以来一直是武器发射弹药的推进剂，但是火药发射有三个主要局限：炮弹与火药是在一起的，这大大增加了炮弹的重量；火药粉末是具有挥发性的，在处理与运输的过程中有隐患。

靠火药推进的炮弹有枪口速度极限约为2km/s。

如要解决这些问题，电磁炮则可以完全克服这些缺点，使得炮弹成本更低，炮舰隐蔽性提高，发射能量成本更低，并因此而带来更多的好处。

电磁炮不光可以用于军事领域作为一种发射技术，电磁炮还可以用来推进航空飞船来替代传统的液体燃料推进，虽然有一定的缺点（发射的加速度大于人体所承受的加速度极限，如若降低理论的轨道长度将会>100KM。

显然当下的科学技术水平还不能修建这样长的轨道。

），但是仍然可以用于载货火箭的发射，向太空站运送物资，所以电磁炮在航天领域仍然具有极其重要的价值。

电磁炮有三个基本组成部分：1.能量源2.一对并行轨道3.电枢
电磁炮通过两个并联的金属导轨连接到电源，当导轨之间放入导电炮弹时(与电源导轨构成闭合的回路)，电子就成电源的负极流向正极，穿过导弹，通过正导轨（与电源正极相连的导轨）流回电源。

该电流使得电磁炮作为电磁体起作用，由导轨形成环绕电流的磁场。

根据右手螺旋法则，磁场围绕导体循环，净磁场（）在电枢与轨道中心轴形成的平面成直角。

结合电枢中的电流（），会产生一个洛仑兹力，它可以沿着导轨加速炮弹。

还有洛仑兹力同样会作用在导轨上并试图将两个导轨推开，但是由于导轨被牢固地固定，他们不能移动。

如果提供给电枢均匀磁场，且磁场的方向与电枢垂直，电枢的电流为，电枢的长度为，则加速炮弹的力可由安培力公式给出：
在实际过程中，必须对磁体的空间变化做出适当的补偿后计算力。

力的矢量大小可以从毕尔萨法定律的结果与洛仑兹力的结果来确定。

根据磁导率常熟，轨道半径（横截面假定为圆形），轨道中心轴之间的距离（d）。

从毕尔萨法定律可以看出，在半无限载流电线的一端，距离电线末端给定的垂直距离（s）的磁场由由于电弧产生的圆弧磁场由下式给出：
这是电线从电枢的位置处开始的。

从x=0回到x=-无穷并且s是相对于线的中心轴来测量的。

电枢连接了两个分开了一定距离（d）的半无限长线。

由于线的长度远远大于d，所有会有一个很好的近似。

两根线在电枢任意一点产生的总磁场，或者在两根线的平面上任意一点的总磁场可以由下式给出
其中s是电枢上一点到线轴的垂直距离。

为了得到一个力作用与电磁炮电枢的近似的表达式，假定导轨是一对半无限长导体。

这样可以用以上式子表达磁场来表达作用于电枢的洛仑兹力：
带入表示磁场的表达式到洛仑兹力的表达式中，设置积分边界到,假定电枢是一个垂直与两根导轨的杆，这样就使得是上的一个点。

我们可以得到电枢上的力为：
这个公式是基于导轨的长度远大于导轨之间的距离（）得到的力的公式，和一些其他简化的假设条件下给出的。

然而，最贴近实际的电磁炮分析事实上使用了集总电路来描述驱动电流有轨道力之间的关系。

由于时间有限，不再展开讨论。

虽然电磁炮有传统燃料推进的炮弹无法比拟的优点，但是电磁炮仍然存在一些问题。

电磁炮的电源供应需要通过大电容来积攒电流源产生的电荷能量，能量积攒够后，电容可以产生足够大的电流。

但是在电磁炮的应用中，这样的电容占地需要及立方米的体积。

足够大的电流通过导体和电枢的高速运动会产生热量损坏导体的表面。

不仅如此，由右手螺旋定理，可知两根并行的导轨产生的电流相反，在磁场的作用下会产生排斥力，而这个力与推进炮弹的力量是一样的，所以发射炮弹对于导轨的损坏很严重。

最常见的问题是炮弹高速飞行时无可避免的对轨道产生热蚀，严重到电磁炮的轨道几乎试一次性的。

如要推破这样的问题，就需要在材料学中研发出耐热材料，而这样研发出这样的材料仍然是一个未能实现的难题。

参考文献
1.电磁炮.百度百科
2.Harris,William.“HowRailGunsWork”.2005
3.Smolinski,Jason.“Magnetism”
4.孙云卿，雷雨.《大学物理下册》.科学出版社.2010
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