Sådan laver du en Railgun (videnskab forklaret): 17 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

ADVARSEL: Læs "VIGTIGE" trin, så du ikke skader dig selv eller får elektrisk stød, hvis du beslutter dig for at lave den forbedrede version af railgun

Skabt af: Duncan Yee

Oversigt

Konceptet med en railgun består af at drive en ledende genstand langs 2 ledende skinner på grund af en magnetisk kraft og en elektrisk kraft. Drivkraftens retning skyldes elektromagnetiske felter kaldet Lorentz -kraften.

En ladet partikel, der bevæger sig med en hastighed [V], gennem et elektrisk felt vinkelret på et magnetfelt [B], vil opleve en kraft [F], som afbildet i diagrammet til højre. Dette diagram illustrerer Lorentz-kraftens retning ved brug af højre håndsregel.

I tilfælde af dette forsøg er bevægelsen af ladede partikler gennem et elektrisk felt strømmen af elektrisk ladning, der bevæger sig hen over en kobbertråd. Magnetfeltet induceres med meget stærke neodymmagneter.

Ligningen er således krydsproduktet: [F] = Il X [B]

I - aktuel

l - trådens længde

Dele

Store rektangulære neodymmagneter (Lees PID: 60012)

12AWD kobbertråd (Lees PID: 22498)

12V batteri (Lees PID: 81036)

Alligator Clips (Lees PID: 690)

Exacto Knife (Lees PID: 5457)

Diagonal Cutter (Lees PID: 10383)

Pap (Lees genbrugsbeholder)

Valgfrit: Digitalt kompas (Lees PID: 98411)

Dele, der forbedrer designet

450V 470uF kondensatorer (Lees PID: 8604)

600V 35A Bridge -ensretter (Lees PID: 71096)

60VA Step Down/Up Isolated Transformers (Lees PID: 10501)

Netledning (Lees PID: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lees PID: 224007) eller flere Alligator Clips

Elektrisk bånd (Lees PID: 10564)

Super Lim (Lees PID: 4327)

Ferritperle (Lees PID: 10812)

Silikoneforsegling (Lees PID: 16028)

Digitalt multimeter (Lees PID: 10924)

Trin 1: Fjernelse af 12AWD kobbertråde og placering af skinnerne

Skær plastikdækslet af kobbertråden af med exacto -kniven. Skær to strimler af ledninger på 2 fod lang med diagonalskæreren. Klip endnu en trådstrimmel på 2 tommer lang, som vil blive brugt som drivobjekt. Kobber vælges, da det er en god leder af elektricitet.

Skær 2 små cirkler ud af pap og stik et hul ind i midten af cirklen. Fastgør dette på enderne af 2 tommer ledningen for at holde den på stangenes vej, mens den bliver affyret.

Prøv ikke at bøje ledningerne, når du bringer dem hjem, så du kan rette dem ud som 'skinnerne'. Giv dem noget, der ikke leder elektricitet, så de ikke kortslutter. Jeg brugte 2 linealer, men du kan bruge den pap, der findes i Lees genbrugsbeholder. Klip et krokodilleklip, så den anden ende er fri i hver ende af skinnerne.

Trin 2: Fremkaldelse af magnetfeltet (1)

Med højden på de linealer, jeg har brugt, kan jeg passe 5 af de rektangulære neodymmagneter under skinnerne. Jo flere magneter du har stablet, jo stærkere er den magnetiske kraft. Sørg for, at magneterne ikke rører kobbertrådene, da dette igen vil kortslutte skinnerne.

Da neodymmagneterne består af en nordpol på den ene side og en sydpol på den anden side, stabler ansigterne op.

Hold magneterne i samme retning gennem hele dette eksperiment. Fjern en stak magneter til den ønskede højde, og læg dem under og mellem de to skinner. Læg en anden stak så tæt som muligt langs skinnerne. Den magnetiske kraft mellem disse stabler af magneter vil modsætte sig hinanden. Jeg holdt dem på plads sammen med de to herskere.

Trin 3: Fremkaldelse af magnetfeltet (2)

På dette tidspunkt ved vi ikke, om den magnetiske kraft er rettet opad eller nedad. Det gør heller ikke noget. Du kan dog bestemme retningen med kompasset. Kompassens nordpol vil blive rettet mod magnetens sydpol. Dette vil også fortælle dig retningen af den magnetiske kraft.

VIGTIGT: det er virkelig svært at håndtere disse magneter, og hvis de smadrer ind i hinanden, vil de let gå i stykker og gå i stykker.

Trin 4: Fremkaldelse af elektrisk ladnings strøm

Placer den rettet 2 tommer kobbertråd langs skinnerne over en af stablerne med magneter. Dette vil skabe en kortslutning på skinnerne, men det er her, vi vil have de elektriske ladninger til at strømme.

Tilslut alligatorclipsens frie ender, en til den negative ende af 12V batteripolen og en til den positive ende. Den 2 tommer stang vil nu bevæge sig. Bevægelsesretningen kan bestemmes af de kræfter, der er beskrevet ovenfor, ved hjælp af højre håndsregel. Hvis du ikke brugte et kompas til at bestemme retningen af den magnetiske kraft, kan du nemt ændre retningen på drivstangen ved at skifte forbindelserne til batteripolen. Igen kan dette bekræftes med illustrationen af højre håndsregel.

Fjern en af forbindelserne til krokodilleklemmen fra 12V batteripolen.

Trin 5: Fyring af Railgun

Placer ledningen, der skal drives i den ene ende af skinnen, cirka 1 fjerdedel over den første stak magneter. Tilslut alligatorklemmen igen til 12V batteripolen, og ledningen skyder.

… Dette vil ikke affyre imponerende, da du kan se, at tråden kun vil blive drevet til den næste magnet, og den vil ikke have nogen kraft, der driver den ind mellem magneterne. Men..

- - - - - - - - - - - - - - Forbedring af Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Trin 6: Fremkaldelse af magnetfeltet

Ved hjælp af en robust målerpind fremstillet af ikke-ledende materiale (træ, plast) limes stakken af magneter på en af siderne med superlim og pakkes på plads med elektrisk tape. Vent til det tørrer. Med magneterne vendt i samme retning som det originale design, gentages med en anden stak magneter lige ved siden af den første stak. Dette kan være lidt svært, da magneterne vil modsætte sig hinanden. Få en stærk til at gøre dette.

Igen, vent til det tørrer og gentag, indtil rækken af magneter når længden af skinnerne. Placer målerpinden under og mellem de 2 skinner med magneterne på den modsatte side. Dette vil fremkalde et magnetfelt i hele skinnens længde, hvilket gør det muligt for tråden at blive fremdrevet fremad.

Trin 7: Opsætning af projektilet

Læg ferritperlen på en flad overflade, og fyld halvdelen af perlen med silikontætningsmiddel, og vent på, at den tørrer. Stik enderne af tråden, der drives frem til midten af silikonen, og lim den på plads med superlim. Sørg for, at ledningen er lang nok til at holde kontakten med skinnerne. Dette vil holde projektilet på skinnenes vej med mindre friktion i forhold til det oprindeligt anvendte karton.

BEMÆRK: Du skal muligvis bruge en større ferritperle for at øge vægten af projektilet, hvis det ender med at flyve væk, når det affyres.

Trin 8: Opsætning af kondensatorer

De valgte kondensatorer kan betragtes som et større batteri. Den batterilignende kondensator holder en opladning, der tabes meget hurtigt i forhold til normale batterier, der er almindeligt anvendte (AA, AAA osv.). Denne afladningshastighed afhænger af tidskonstanten; jo større tidskonstant, jo længere vil kondensatoren holde sin ladning.

Formlen for tidskonstanten er: [T] = R * C

[T] = tidskonstant

R = modstand

C = kapacitans (af kondensatoren)

Da kobberens modstand ikke kan ændres drastisk, for at øge tidskonstanten, så ladningen kan holdes længere, kan vi øge kondensatorernes kapacitans ved at forbinde dem parallelt med 26 AWG -ledningen. Strimlen langs den valgte kondensator viser et negativt tegn (-), hvilket betyder, at stillingen tættest på det er den negative stolpe. Forbind dem parallelt ved at forbinde den negative post af en kondensator til den negative post i den næste. Gentag med det positive indlæg. Dette svarer til at bruge 1 'batteri' som strømkilde, hvor kapacitansen er summen af antallet af kondensatorer, du vælger at blive tilsluttet.

BEMÆRK: 3 kondensatorer er muligvis ikke nok til at holde opladningen, du kan tilføje mere til din smag.

Trin 9: Opladning af kondensatorer (1)

De kondensatorer, jeg har valgt, kan maksimalt indeholde 450 volt. For at oplade disse kondensatorer anvender vi 450 volt til dem ved hjælp af strømmen, der leveres fra stikkontakten.

VIGTIGT: Kontroller spændingen fra dit land. Det vil enten være 120 eller 220 volt AC. I Canada er det 120 volt, hvilket betyder, at vi skal gange dette groft med 4 for at nå 450 volt.

Ved hjælp af 2 alligatorklemmer forbindes enderne af netledningen til en transformer på 0 og 120. Brug 2 yderligere alligatorklemmer til at slutte enderne af klemmerne til den anden ende af transformatoren ved 0 og 220. Dette forhold vil multiplicere spændingen fra væggen med 1.8.

Tilslut enderne af krokodilleklipperne, der kommer fra den første transformer, til den anden transformer ved 0 og 120. Brug 2 yderligere alligatorklemmer til at slutte enderne af klemmerne til den anden ende af transformeren ved 0 og 220. Dette vil igen multiplicere spænding med 1,8, hvilket giver i alt 3,6.

Trin 10: Opladning af kondensatorer (2)

VIGTIGT: rør ikke ved enderne af netledningen, da får du elektrisk stød. Pak de blottede ledninger med elektrisk tape, så du ikke kan røre dem. Rør heller ikke ved enderne af krokodilleklipperne, der er tilsluttet transformeren.

Trin 11: Opladning af kondensatorer (3)

Test spændingen fra enderne af krokodilleklemmerne, der er forbundet til enderne af den anden transformer med multimeteret ved en indstilling over 450V AC (snirklende linje ved siden af V, ikke den lige linje). Spændingen, når den tilsluttes væggen, vil være lavere end forventet på grund af trådernes modstand og alt tilsluttet.

Trin 12: Opladning af kondensatorer (4)

Da strømmen fra væggen er vekselstrøm, og kondensatorerne skal oplades med jævnstrøm (den har en positiv og negativ polaritet i enderne), bruger vi broens ensretter til at ændre vekselstrømmen til jævnstrøm. Tilslut enderne af krokodilleklemmerne fra den anden transformer til de to midterste ben på broens ensretter, og sørg for, at krokodilleklemmerne ikke rører nogen af de andre ben.

Trin 13: Opladning af kondensatorer (5)

Symbolet over broens ensretters ydre ben vil være enten + eller -. Tilslut disse til kondensatorernes + og - ender ved hjælp af yderligere 2 krokodilleklip.

Trin 14: Opladning af kondensatorer (6)

Sæt netledningen i væggen, og vent cirka 30 sekunder, indtil kondensatorerne er fuldt opladet. Tag netledningen ud.

VIGTIGT: rør ikke ved de to ender af kondensatorerne på samme tid, ellers kan det gøre ondt. Test om kondensatorerne er fuldt opladet ved hjælp af multimeteret ved en indstilling over 450V DC (lige linje ved siden af V, ikke den snirklende linje).

Trin 15: Opladning af kondensatorer (7)

BEMÆRK: Du kan forbinde kondensatorerne i serie (negativ post til positiv post) for at øge spændingen på den oprettede strømkilde. Brug det samme antal kondensatorer til hvert af de parallelt forbundne sæt kondensatorer (eksempel: hvis der vælges 3 kondensatorer, der skal forbindes parallelt på billedet herunder, skal serien forbindes med sæt med 3 parallelt tilsluttede kondensatorer med i alt 6 kondensatorer).

I dette eksempel er 2 sæt parallelt forbundne kondensatorer forbundet i serie for en strømkilde på 900 volt. Hvert sæt parallelt forbundne kondensatorer har en samlet kapacitans på 940uF.

Trin 16: Opsætning af Railgun

Sæt projektilet op over den ene ende af stangen over en del af magneten. Tilslut den negative ende af kondensatoren til en af skinneenderne med et krokodilleklip som det tidligere anvendte batteri. Brug en anden alligatorklemme, tilslut den ene ende af klemmen til den anden skinne, så den anden ende af klippet er fri.

Trin 17: Fyring af Railgun

Tilslut kondensatorens positive ende til den frie ende af krokodilleklemmen, der er forbundet til den anden stang, og projektilet skyder.