Od czasu do czasu można spotkać informacje o próbach  prototypów broni elektro-magnetycznej  prowadzonych  przez koncerny zbrojeniowe całego świata. Postępy   w rozwoju wspomnianych  konstrukcji uzbrojenia  sygnalizowane są szeroko w prasie USA oraz  Rosji. Ostatni news zamieszczony pod tytułem:     USA porzuci projekt elektromag-netycznego działa? – Technowinki – Onet , Działo elektromagnetyczne sygnalizuje przerwanie  prac badawczych w tej dziedzinie  w USA. ( kolorowy tekst nalezy wstawić do przegladarki Google, która wskaże żądany artykuł )

     Ponieważ temat jest ciągle aktualny, interesujący może być wynik badań patentowych z zakresu broni elektromagnetycznej, który pokazuje, że jej początki  sięgają okresu I Wojny Światowej, a konkretnie 5.08.2016 roku kiedy to we Francji Andre Faucho-Villeple zgłosił  aplikacje patentową (zgłoszoną równolegle w USA, Niemczech i Wielkiej Brytanii). Według wynalazku GB128241A Improved Electric Gun or Apparatus for Propelling Projectiles, Andre Faucho-Villeple, data patentu  26.06.1919 r., działo elektromagnetyczne jest po prostu dużym obwód elektromagnetycznym , w skład którego wchodzą:  źródło  zasilania prądu stałego, para równoległych szyn spełniających role prowadnicy pocisku oraz pocisk w charakterze  ruchomej zwory zasilanych szyn prowadnicy.

Fig. 1 i 2 przedstawiają odpowiednio przekrój poprzeczny i częściowy widok z góry  broni elektromagnetycznej według wynalazku;

Fig. 3 ilustruje pocisk  wyposażony w dwie lotki w postaci skrzydeł umieszczone na jego końcu;

Fig. 4 – przedstawia   uproszczony schemat ilustrujący konstrukcje  szyn prowadnic oraz sposób ich zasilania ze źródła prądu stałego z pociskiem w charakterze ruchomego elementu zwory;

Fig. 5, 6 – pokazuje przekroju poprzecznym  modyfikacji konstrukcji działa elektromagnetycznego z pociskiem wyposażonym w 8 lotek  nośnych.

Według opisu patentowego pocisk  jest utworzony przez strzałę wykonaną z brązu, miedzi lub innego odpowiedniego metalu, która zbudowana jest z pręta f oraz dwóch lotek skrzydlatych e, e’, Fig.3. Pręt f oraz lotki e, e’ mogą się ślizgać z lekkim tarciem w środkowym kanale utworzonym między prowadnicami zasilanych biegunów a i a’, podczas gdy końce lotek połączone są ślizgowo  z  elektrodami  napięcia  zasilającego g, g’. Sposób zasilania prowadnic działa elektromagnetycznego przedstawia  schemat elektryczny, Fig.4, który w uproszczony sposób wyjaśnia zasadę działania siły Lorenza na wystrzeliwany pocisk. Napięcie przyłożone między szynami automatycznie wzrasta proporcjonalnie do postępu pocisku, co zapewnia odpowiednie natężenie prądu niezbędne do nadania tej strzale ciągłego przyspieszenia wystarczającego do osiągnięcia  zadanej prędkości wylotowej.

Zgodnie z opisem prąd płynący przez skrzydła pocisku podczas jego ruchu ślizgowego wzdłuż szyn zasilających g, g’ przecina linie sił pola magnetycznego biegunów a i a’ co powoduje powstanie siły  Lorenza przesuwającej pocisk prostopadłej do  linii sił pola elektromagnetycznego poszczególnych prowadnic.

Modyfikacja pocisku wyposażonego w szereg skrzydeł połączonych parami  i izolowanych od korpusu płaszcza  prowadnic lufy,  przeznaczona jest do armaty o większym kalibrze. Przekrój prowadnic pocisku  z 8  skrzydłami przedstawia, Fig.5, która pokazuje sposób prowadzenia skorupy pocisku za pomocą czopów K, które mogą się ślizgać w rowkach uformowanych w co drugim  cząstkowym elemencie  biegunów h. Zakończenia skrzydeł m1-m8  zapewniają kontakt ślizgowy  z końcówkami l1-l8,  tworząc zamknięty obwód prądu stałego obejmujący szeregowo wszystkie skrzydła pocisku.

Wracając do współczesności działo magnetyczne jest w zasadzie dużym obwodem elektrycznym, składającym się z trzech części: źródła zasilania, pary równoległych szyn i ruchomego pocisku. Zasilanie jest po prostu źródłem prądu elektrycznego. Zwykle prąd używany w działach magnetycznych  średniego i dużego kalibru osiąga wartość wyrażoną  w milionach amperów. Szyny są wykonane z  przewodzącego metalu, takiego jak miedź i mogą  mieć długość od 4 do 30 stóp (9 metrów). Pocisk  wypełnia lukę między szynami. Może to być solidny kawałek przewodzącego metalu lub przewodzący sabot – nośnik, który mieści strzałkę lub inny pocisk. Niektóre konstrukcje dział  używają  pociski z otoczka  plazmową. W tym ustawieniu cienka metalowa folia jest umieszczona na grzbiecie nieprzewodzącego pocisku. Kiedy energia przepływa przez tę folię, paruje i staje się plazmą, która przenosi prąd. Prąd elektryczny biegnie od dodatniego zacisku zasilacza, w górę bieguna dodatniego, przez zworę i w dół ujemnej szyny z powrotem do źródła zasilania.  Prąd płynący w jakimkolwiek przewodzie tworzy wokół niego pole magnetyczne – obszar, w którym wyczuwana jest siła magnetyczna. Ta siła ma zarówno wielkość, jak i kierunek. W dziale magnetycznym  dwie szyny działają jak druty, a wokół każdej szyny krąży pole magnetyczne. Linie sił pola magnetycznego biegną w okręgu przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wokół szyny dodatniej oraz w okręgu zgodnym z ruchem wskazówek zegara wokół szyny ujemnej. Siatka magnetyczna między szynami jest skierowana pionowo. 

Rysunki ilustrujace działanie siły Lorentza zawiera artykuł  WILLIAM HARRIS

How Rail Guns Work  https://science.howstuffworks.com/rail-gun1.htm

Podobnie jak przewodzący drut w polu elektrycznym, pocisk doświadcza siły znanej jako siła Lorentza (po holenderskim fizyku Hendrirze A. Lorentzie). Siła Lorentza jest skierowana prostopadle do pola magnetycznego i do kierunku prądu płynącego przez pocisk. Można  zobaczyć, jak to działa na poniższym schemacie.  Siła Lorentza jest równoległa do szyn, działając z dala od źródła zasilania. Wielkość siły jest określona przez równanie F = (i) (L) (B), gdzie F jest siłą netto, i jest prądem, L jest długością szyn, a B jest polem magnetycznym. Siła może zostać zwiększona przez zwiększenie długości szyn lub ilości prądu. Ponieważ długość szyn podlega w praktyce ograniczeniu, większość konstrukcji dział elektromagnetycznych  wykorzystuje silne prądy – rzędu miliona amperów – do generowania potężnej siły.  Pocisk, pod wpływem siły Lorentza, przyspiesza do końca szyn naprzeciwko źródła zasilania i wystrzeliwany jest  przez otwór.  Poważanym ograniczeniem konstrukcji broni elektromagnetycznej jest duży odrzut  (ruch powrotny broni podczas wystrzału),  który zależy od pędu wyrzucanego pocisku. Mnożenie masy pocisku przez jego prędkość daje jej pęd, który dla pocisków z broni tego typu posiada duża wartość co  przekłada się na niebezpieczna energie kinetyczną  odrzutu niebezpiecznego dla obsługi.

Serwując powtórkę z fizyki na poziomie szkoły średniej Siła Lorentza to siła działającą na ładunek poruszający się w polu magnetycznym. Rozpatrzmy dodatni ładunek Δq przepływający w elemencie przewodnika o długości Δl, który umieszczono w polu magnetycznym o indukcji B,  prostopadle do tego pola.

Ładunek  ten  poruszając się z prędkością  v  przenosi  prąd  elektryczny  o  natężeniu:

Długość fragmentu przewodnika jest przebytą drogą.  Ponieważ ruch ładunku jest jednostajny, więc:

Traktując siłę Lorentza, jako szczególny przypadek siły elektrodynamicznej po podstawieniu wartości I i Δl otrzymamy:

Ostatecznie siła Lorentza działająca na ładunek q ma wartość:

Siłę tę możemy wyrazić, podobnie jak siłę elektrodynamiczną, w postaci iloczynu wektorowego:

Podobnie jak to było z siłą elektrodynamiczną, tak i tu kierunek i zwrot siły Lorentza określamy posługując się regułą Fleminga –Reguła lewej dłoni: Gdy kciuk lewej dłoni skierujemy ku górze, w pełni wyprostujemy palec wskazujący i do połowy zegniemy palec środkowy, będą one wyznaczały zależność między siłami w następujący sposób:
kciuk – kierunek i zwrot siły magnetycznej (F), palec wskazujący – kierunek linii pola magnetycznego i kierunek wektora indukcji magnetycznej (B) palec środkowy – zwrot przepływu prądu w przewodniku (I).  Zapamiętanie kolejności sił być może ułatwi skrót FBI.

Krótki materiał filmowy przedstawiający budowe oraz przebieg testów eksploatacyjnych działa elektromagnetycznego udostepnia kanał Youtube: The Navy’s Going To Test a Happy Switch On its Heavy Hitting Railgun; https://youtu.be/hzxqw7bbA7c

Wnioski

Ponieważ informacja o przerwaniu prac badawczych nad działem elektromagnetycznym wydaje się bardzo prawdopodobna,  więc zakres  prowadzonej analizy patentowej jest ograniczony tylko do najstarszych patentów, bez przedstawiania nowości, których nie brakuje  we tej dziedzinie we  współczesnej  literaturze patentowej. Zakładając, że  siła Lorenza stanowi tematykę zajęć z fizyki  w obecnej  szkole średniej,  interesujące może być rozwiązanie zadania  wyznaczenia wartości szczytowych natężenia prądów dla zadanych wartości prędkości wylotowej i masy pocisku (z pominięciem efektu tarcia pocisku podczas  jego ruchu wzdłuż prowadnic zasilających).