Hvordan lage en Railgun (vitenskap forklart): 17 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

ADVARSEL: Les trinnene "VIKTIG", slik at du ikke skader deg selv eller får elektrokjøring hvis du bestemmer deg for å lage den forbedrede versjonen av railgun

Laget av: Duncan Yee

Oversikt

Konseptet med en railgun består av å drive et ledende objekt langs 2 ledende skinner på grunn av en magnetisk kraft og en elektrisk kraft. Retningen til drivkraften skyldes elektromagnetiske felt kalt Lorentz -kraften.

En ladet partikkel som beveger seg med en hastighet [V], gjennom et elektrisk felt vinkelrett på et magnetfelt [B], vil oppleve en kraft [F], som vist i diagrammet til høyre. Dette diagrammet illustrerer retningen til Lorentz-kraften ved bruk av høyre regel.

I tilfellet med dette eksperimentet er bevegelsen av ladede partikler gjennom et elektrisk felt strømmen av elektrisk ladning som beveger seg over en kobbertråd. Magnetfeltet induseres med svært sterke neodymmagneter.

Ligningen er dermed tverrproduktet: [F] = Il X [B]

Jeg - nåværende

l - lengden på ledningen

Deler

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)

Kartong (Lees gjenvinningskasse)

Valgfritt: Digitalt kompass (Lees PID: 98411)

Deler som forbedrer designet

450V 470uF kondensatorer (Lees PID: 8604)

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

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

Strømledning (Lees PID: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lee's PID: 224007) eller flere Alligator -klipp

Elektrisk tape (Lees PID: 10564)

Super Lim (Lees PID: 4327)

Ferritperle (Lees PID: 10812)

Silikonforsegling (Lees PID: 16028)

Digitalt multimeter (Lees PID: 10924)

Trinn 1: Fjerning av 12AWD -kobbertrådene og plassering av skinnene

Klipp vekk plastdekselet til kobbertråden med exacto -kniven. Klipp to strimler av ledninger på 2 fot lang med diagonalkutteren. Klipp enda en trådstrimmel på 2 tommer lang som skal brukes som fremdriftsobjekt. Kobber er valgt da det er en god leder av elektrisitet.

Skjær ut 2 små sirkler fra pappa og stikk hull i midten av sirkelen. Fest dette på endene av 2 -tommers ledning for å holde det på banen til stengene mens det blir avfyrt.

Prøv å ikke bøye ledningene når du tar dem med hjem, slik at du kan rette dem ut som "skinner". Forsøk dem med noe som ikke leder strøm, slik at de ikke kommer til kort. Jeg brukte 2 linjaler, men du kan bruke pappa som ligger i Lees resirkuleringsbøtte. Klipp en krokodilleklipp slik at den andre enden er fri i hver ende av skinnene.

Trinn 2: Indusere magnetfeltet (1)

Med høyden på linjalene jeg har brukt, kan jeg passe 5 av de rektangulære neodymmagneter under skinnene. Jo flere magneter du har stablet, desto sterkere er magnetkraften. Pass på at magnetene ikke berører kobbertrådene, siden dette igjen vil korte ned skinnene.

Siden neodymmagneter består av en nordpol på den ene siden og en sørpol på den andre siden, stabler du ansiktene opp.

Hold magnetene i samme retning gjennom hele dette eksperimentet. Fjern en bunke magneter til ønsket høyde og legg dem under og mellom de to skinnene. Legg en annen bunke så nært som mulig langs skinnene. Den magnetiske kraften mellom disse stakkene med magneter vil motsette seg hverandre. Jeg holdt dem på plass sammen med de to herskerne.

Trinn 3: Indusere magnetfeltet (2)

På dette tidspunktet vet vi ikke om den magnetiske kraften er rettet oppover eller nedover. Det spiller heller ingen rolle. Du kan imidlertid bestemme retningen med kompasset. Nordpolen til kompasset vil være rettet mot sørpolen til magneten. Dette vil også fortelle deg retningen til den magnetiske kraften.

VIKTIG: det er virkelig vanskelig å håndtere disse magnetene, og hvis de smadrer inn i hverandre, vil de lett knuses og knuses.

Trinn 4: Indusere strømmen til elektrisk ladning

Plasser den rettet 2 tommers kobbertråden langs skinnene over en av bunken med magneter. Dette vil skape en kortslutning på skinnene, men det er her vi vil at de elektriske ladningene skal strømme.

Koble de frie ender av krokodilleklippene, en til den negative enden av 12V batteripolen og en til den positive enden. Den 2 tommers stangen vil nå bevege seg. Bevegelsesretningen kan bestemmes av kreftene beskrevet ovenfor ved hjelp av høyre regel. Hvis du ikke brukte et kompass for å bestemme retningen til magnetkraften, kan du enkelt endre retningen på drivstangen ved å bytte tilkoblingene til batteripolen. Igjen kan dette bekreftes med illustrasjonen av høyre håndsregel.

Fjern en av tilkoblingene til krokodilleklemmen fra 12V batteripolen.

Trinn 5: Skyt Railgun

Plasser ledningen som skal drives på den ene enden av skinnen omtrent en fjerdedel over den første bunken med magneter. Koble krokodilleklippet til 12V batteriterminalen igjen, og ledningen skyter.

… Dette vil ikke skyte imponerende, da du kan se at ledningen bare vil bli drevet til den neste magneten, og den vil ikke ha noen kraft som driver den inn mellom magnetene. Men..

- - - - - - - - - - - - - - Forbedring av Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Trinn 6: Indusere magnetfeltet

Bruk en solid målerpinne laget av ikke-ledende materiale (tre, plast), lim stakken med magneter på en av sidene med superlim og pakk den på plass med elektrisk tape. Vent til det tørker. Med magnetene vendt i samme retning som det originale designet, gjentar du med en annen bunke magneter rett ved siden av den første bunken. Dette kan være litt vanskelig siden magnetene vil motsette seg hverandre. Få noen sterke til å gjøre dette.

Igjen, vent til det tørker og gjenta til magnetraden når lengden på skinnene. Plasser målepinnen under og mellom de to skinnene med magneter på motsatt side. Dette vil indusere et magnetfelt i hele skinnelengden slik at ledningen kan fortsette å bli fremdrevet.

Trinn 7: Sette opp prosjektilet

Legg ferritperlen på en flat overflate og fyll halvparten av perlen med silikonforsegling og vent til den tørker. Fest endene på ledningen som drives frem til midten av silikonet og lim det på plass med superlim. Sørg for at ledningen er lang nok til å holde kontakten med skinnene. Dette vil holde prosjektilet på skinnebanen med mindre friksjon sammenlignet med kartongen som opprinnelig ble brukt.

MERK: Du må kanskje bruke en større ferrittperle for å øke vekten på prosjektilet hvis det ender opp med å fly av når det blir avfyrt.

Trinn 8: Sette opp kondensatorene

De valgte kondensatorene kan betraktes som et større batteri. Den batterilignende kondensatoren holder en ladning som faller veldig raskt sammenlignet med vanlige batterier som vanligvis brukes (AA, AAA, etc.). Denne utslippshastigheten avhenger av tidskonstanten; jo større tidskonstanten er, desto lengre vil kondensatoren holde ladningen.

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

[T] = tidskonstant

R = motstand

C = kapasitans (av kondensatoren)

Siden kobbermotstanden ikke kan endres drastisk, for å øke tidskonstanten slik at ladningen kan holdes lenger, kan vi øke kapasitansen til kondensatorene ved å koble dem parallelt med 26 AWG -ledningen. Strimmelen langs den valgte kondensatoren viser et negativt tegn (-) som betyr at posten nærmest den er den negative posten. Koble dem parallelt ved å koble den negative posten til en kondensator til den negative posten til den neste. Gjenta med det positive innlegget. Dette vil svare til å bruke 1 ‘batteri’ som strømkilde med kapasitansen som summen av antall kondensatorer du velger å koble til.

MERK: 3 kondensatorer er kanskje ikke nok til å holde ladningen, du kan legge til mer etter smak.

Trinn 9: Lade kondensatorene (1)

Kondensatorene jeg har valgt kan holde maksimalt 450 volt. For å lade disse kondensatorene bruker vi 450 volt på dem ved å bruke strømmen som kommer fra stikkontakten.

VIKTIG: sjekk spenningen fra landet ditt. Det vil enten være 120 eller 220 volt vekselstrøm. I Canada er det 120 volt, noe som betyr at vi må multiplisere dette omtrent med 4 for å nå 450 volt.

Ved hjelp av 2 krokodilleklips, kobler du enden av strømledningen til en transformator på 0 og 120. Ved å bruke 2 flere krokodilleklips, kobler du endene av klippene til den andre enden av transformatoren ved 0 og 220. Dette forholdet vil multiplisere spenningen fra veggen med 1.8.

Koble endene på krokodilleklippene som kommer fra den første transformatoren til den andre transformatoren ved 0 og 120. Bruk ytterligere 2 alligatorklemmer til å koble endene av klippene til den andre enden av transformatoren ved 0 og 220. Dette vil igjen multiplisere spenning med 1,8 gir totalt 3,6.

Trinn 10: Lade kondensatorene (2)

VIKTIG: ikke rør ved enden av strømledningen, da blir du elektrisk støt. Pakk de eksponerte ledningene med elektrisk tape, slik at du ikke kan berøre dem. Ikke berør endene på krokodilleklippene som er koblet til transformatoren.

Trinn 11: Lade kondensatorene (3)

Test spenningen fra endene på krokodilleklippene som er koblet til endene på den andre transformatoren med multimeteret ved en innstilling over 450V AC (snirklete linje ved siden av V, ikke den rette linjen). Spenningen når den kobles til veggen vil være lavere enn forventet på grunn av motstanden til ledningene og alt som er tilkoblet.

Trinn 12: Lade kondensatorene (4)

Siden strømmen fra veggen er vekselstrøm og kondensatorene må lades med likestrøm (den har en positiv og negativ polaritet i endene), bruker vi broens likeretter til å endre vekselstrømmen til likestrøm. Koble endene av krokodilleklippene fra den andre transformatoren til de to midterste pinnene på broens likeretter, og pass på at alligatorklippene ikke berører noen av de andre pinnene.

Trinn 13: Lade kondensatorene (5)

Symbolet over de ytre pinnene på broens likeretter vil være enten + eller -. Koble disse til + og - endene på kondensatorene ved å bruke ytterligere 2 krokodilleklipp.

Trinn 14: Lade kondensatorene (6)

Koble strømledningen til veggen og vent cirka 30 sekunder før kondensatorene er fulladet. Trekk ut strømledningen.

VIKTIG: Ikke rør de to endene av kondensatorene samtidig, ellers kan det gjøre vondt. Test om kondensatorene er fulladet ved bruk av multimeteret ved en innstilling over 450V DC (rett linje ved siden av V, ikke den snirklende linjen).

Trinn 15: Lade kondensatorene (7)

MERK: Du kan koble kondensatorene i serie (negativ post til positiv post) for å øke spenningen til strømkilden som er opprettet. Bruk samme antall kondensatorer for hvert av de parallelt tilkoblede kondensatorene (eksempel: hvis 3 kondensatorer er valgt for å være parallellkoblet på bildet nedenfor, kobler du serien med sett med 3 parallelt tilkoblede kondensatorer med totalt 6 kondensatorer).

I dette eksemplet er 2 sett med parallellkoblede kondensatorer koblet i serie for en strømkilde på 900 volt. Hvert sett med parallellkoblede kondensatorer vil ha en total kapasitans på 940uF.

Trinn 16: Sette opp Railgun

Sett opp prosjektilet over den ene enden av stangen over en del av magneten. Koble den negative enden av kondensatoren til en av skinneendene med en krokodilleklips som batteriet som tidligere ble brukt. Koble den ene enden av klipsen til den andre skinnen ved å bruke en annen krokodilleklips, slik at den andre enden av klippet blir fri.

Trinn 17: Avfyr Railgun

Koble den positive enden av kondensatoren til den frie enden av alligatorklemmen som er koblet til den andre stangen, og prosjektilet skyter.