Hur man gör en Railgun (vetenskap förklaras): 17 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

VARNING: Läs "VIKTIGA" steg så att du inte skadar dig själv eller blir stötad om du bestämmer dig för att göra den förbättrade versionen av järnvägspistolen

Skapad av: Duncan Yee

Översikt

Konceptet med ett järnvägskanon består av att driva ett ledande föremål längs 2 ledande skenor på grund av en magnetisk kraft och en elektrisk kraft. Drivkraftens riktning beror på elektromagnetiska fält som kallas Lorentz -kraften.

En laddad partikel som rör sig med en hastighet [V], genom ett elektriskt fält vinkelrätt mot ett magnetfält [B], kommer att uppleva en kraft [F], som visas i diagrammet till höger. Detta diagram illustrerar Lorentz-kraftens riktning med hjälp av högerregeln.

I fallet med detta experiment är rörelsen av laddade partiklar genom ett elektriskt fält flödet av elektrisk laddning som rör sig över en koppartråd. Magnetfältet induceras med mycket starka neodymmagneter.

Ekvationen är således korsprodukten: [F] = Il X [B]

I - aktuell

l - trådens längd

Delar

Stora rektangulära neodymmagneter (Lees PID: 60012)

12AWD koppartråd (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 papperskorg)

Valfritt: Digital kompass (Lees PID: 98411)

Delar som förbättrar designen

450V 470uF -kondensatorer (Lees PID: 8604)

600V 35A brolikriktare (Lees PID: 71096)

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

Nätsladd (Lees PID: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lees PID: 224007) eller fler Alligator -klipp

Eltejp (Lees PID: 10564)

Superlim (Lees PID: 4327)

Ferritpärla (Lees PID: 10812)

Silikontätningsmedel (Lees PID: 16028)

Digital multimeter (Lees PID: 10924)

Steg 1: Ta bort 12AWD koppartrådar och placera skenorna

Skär bort plastkåpan på koppartråden med exacto -kniven. Klipp två remsor av trådar på 2 fot lång med diagonalskäraren. Klipp ytterligare en trådremsa på 2 tum lång som kommer att användas som drivobjekt. Koppar väljs eftersom det är en bra ledare för elektricitet.

Klipp ut 2 små cirklar från kartongen och stick ett hål i cirkelns mitt. Fäst detta på ändarna på 2 tumtråden för att hålla den på stavarnas väg medan den avfyras.

Försök att inte böja ledningarna när du tar hem dem så att du kan räta ut dem som "skenorna". Försök dem med något som inte leder elektricitet så att de inte blir korta. Jag använde två linjaler, men du kan använda kartongen som finns i Lees papperskorg. Kläm fast en krokodilklämma och lämna den andra änden fri på skenornas ändar.

Steg 2: Framkalla magnetfältet (1)

Med höjden på linjalerna jag har använt kan jag passa 5 av de rektangulära neodymmagneterna under skenorna. Ju fler magneter du har staplat, desto starkare är magnetkraften. Se till att magneterna inte vidrör koppartrådarna eftersom detta igen kommer att korta skenorna.

Eftersom neodymmagneterna består av en nordpol på ena sidan och en sydpol på andra sidan, staplar du upp ansiktena.

Håll magneterna i samma riktning under hela detta experiment. Ta bort en bunt magneter till önskad höjd och placera dem under och mellan de två skenorna. Lägg en annan bunt så nära som möjligt längs skenorna. Magnetkraften mellan dessa staplar magneter kommer att motsätta sig varandra. Jag höll dem på plats med de två härskarna.

Steg 3: Framkalla magnetfältet (2)

Vid denna tidpunkt vet vi inte om magnetkraften är riktad uppåt eller nedåt. Det spelar heller ingen roll. Du kan dock bestämma riktningen med kompassen. Kompassens nordpol kommer att riktas mot magnetens sydpol. Detta kommer också att berätta riktningen för den magnetiska kraften.

VIKTIGT: det är verkligen svårt att hantera dessa magneter och om de slår in i varandra kommer de lätt att gå sönder och gå sönder.

Steg 4: Framkalla flödet av elektrisk laddning

Placera den rätade 2 tums koppartråden längs skenorna ovanför en stapel magneter. Detta kommer att skapa kortslutning på rälsen, men det är här vi vill att de elektriska laddningarna ska flöda.

Anslut de fria ändarna på krokodilklämmorna, en till den negativa änden av 12V batteripolen och en till den positiva änden. Den 2 tums stången kommer nu att röra sig. Rörelseriktningen kan bestämmas av krafterna som beskrivs ovan med hjälp av högerregeln. Om du inte använde en kompass för att bestämma magnetkraftens riktning kan du enkelt ändra riktningen på drivstången genom att byta anslutningar till batteripolen. Återigen kan detta bekräftas med illustrationen av högerregeln.

Ta bort en av anslutningarna till krokodilklämman från 12V batteripolen.

Steg 5: Avfyra Railgun

Placera tråden som ska drivas på ena änden av skenan ungefär en fjärdedel ovanför den första stapeln magneter. Återanslut krokodilklämman till 12V -batteripolen och kabeln skjuter.

… Detta kommer inte att skjuta imponerande eftersom du kan se att tråden bara kommer att drivas till nästa magnet och det kommer inte att ha någon kraft som driver den mellan magneterna. Men..

- - - - - - - - - - - - - - - Förbättra Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Steg 6: Framkalla magnetfältet

Använd en robust mätarpinne tillverkad av icke-ledande material (trä, plast), limma bunten med magneter på en av sidorna med superlim och linda den på plats med eltejp. Vänta tills det torkar. Med magneterna i samma riktning som den ursprungliga designen, upprepa med en annan stapel magneter bredvid den första bunten. Detta kan vara lite svårt eftersom magneterna motsätter sig varandra. Få någon stark att göra detta.

Återigen, vänta tills det torkar och upprepa tills magnetraden når längden på skenorna. Placera mätarpinnen under och mellan de 2 skenorna med magneterna på motsatt sida. Detta kommer att framkalla ett magnetfält i hela skenornas längd så att tråden fortsätter att drivas framåt.

Steg 7: Sätta upp projektilen

Lägg ferritpärlan på en plan yta och fyll hälften av pärlan med silikontätningsmedel och vänta tills den torkar. Stick ändarna på tråden som drivs till mitten av silikonet och limma på plats med superlim. Se till att tråden är tillräckligt lång för att hålla kontakten med skenorna. Detta kommer att hålla projektilen på rälsbanan med mindre friktion jämfört med den kartong som ursprungligen användes.

OBS: Du kan behöva använda en större ferritpärla för att öka projektilens vikt om den slutar flyga iväg när den avfyras.

Steg 8: Konfigurera kondensatorerna

De valda kondensatorerna kan ses som ett större batteri. Den batteriliknande kondensatorn håller en laddning som tappas mycket snabbt jämfört med vanliga batterier som vanligtvis används (AA, AAA, etc.). Denna urladdningshastighet beror på tidskonstanten; ju större tidskonstant, desto längre håller kondensatorn sin laddning.

Formeln för tidskonstanten är: [T] = R * C

[T] = tidskonstant

R = motstånd

C = kapacitans (av kondensatorn)

Eftersom kopparns motstånd inte kan förändras drastiskt, för att öka tidskonstanten så att laddningen kan hållas längre, kan vi öka kondensatorernas kapacitans genom att ansluta dem parallellt med 26 AWG -tråden. Remsan längs den valda kondensatorn visar ett negativt tecken (-) vilket betyder att posten närmast det är det negativa inlägget. Anslut dem parallellt genom att ansluta den ena kondensatorns negativa stolpe till den negativa posten på nästa. Upprepa med det positiva inlägget. Detta kommer att motsvara att du använder ett "batteri" som energikälla med kapacitansen summan av antalet kondensatorer du väljer att ansluta.

OBS: 3 kondensatorer kanske inte räcker för att hålla laddningen, du kan lägga till mer efter eget tycke.

Steg 9: Ladda kondensatorerna (1)

De kondensatorer jag har valt kan hålla max 450 volt. För att ladda dessa kondensatorer, applicerar vi 450 volt på dem med hjälp av strömmen från vägguttaget.

VIKTIGT: kontrollera spänningen från ditt land. Det kommer antingen att vara 120 eller 220 volt AC. I Kanada är det 120 volt vilket betyder att vi måste multiplicera detta ungefär med 4 för att nå 450 volt.

Använd 2 krokodilklämmor, anslut ändarna på nätsladden till en transformator vid 0 och 120. Använd ytterligare 2 krokodilklämmor, anslut ändarna på klämmorna till den andra änden av transformatorn vid 0 och 220. Detta förhållande multiplicerar spänningen från väggen med 1.8.

Anslut ändarna på krokodilklämmorna som kommer från den första transformatorn till den andra transformatorn vid 0 och 120. Använd ytterligare 2 krokodilklämmor, anslut ändarna på klämmorna till den andra änden av transformatorn vid 0 och 220. Detta kommer igen att multiplicera spänning med 1,8 vilket ger totalt 3,6.

Steg 10: Ladda kondensatorerna (2)

VIKTIGT: vidrör inte nätsladdens ändar, annars kommer du att stötas. Vik de exponerade trådarna med eltejp så att du inte kommer att kunna röra dem. Rör inte heller ändarna på krokodilklämmorna som är anslutna till transformatorn.

Steg 11: Ladda kondensatorerna (3)

Testa spänningen från ändarna på krokodilklämmorna som är anslutna till ändarna på den andra transformatorn med multimetern vid en inställning över 450V AC (snurrig linje bredvid V, inte den raka linjen). Spänningen när den ansluts till väggen kommer att vara lägre än förväntat på grund av trådernas motstånd och allt som är anslutet.

Steg 12: Ladda kondensatorerna (4)

Eftersom strömmen från väggen är växelström och kondensatorerna måste laddas med likström (den har en positiv och negativ polaritet i ändarna) använder vi brygglikriktaren för att ändra växelström till likström. Anslut ändarna på krokodilklämmorna från den andra transformatorn till de två mittstiften på brygglikriktaren och se till att krokodilklämmorna inte vidrör någon av de andra stiften.

Steg 13: Ladda kondensatorerna (5)

Symbolen ovanför brygglikriktarens yttre stift är antingen + eller -. Anslut dessa till kondensatorernas + och - ändar med ytterligare 2 krokodilklämmor.

Steg 14: Ladda kondensatorerna (6)

Anslut nätsladden till väggen och vänta cirka 30 sekunder tills kondensatorerna laddas helt. Dra ur nätsladden.

VIKTIGT: vidrör inte kondensatorns två ändar samtidigt, annars kan det göra ont. Testa om kondensatorerna är fulladdade med hjälp av multimetern vid en inställning över 450V DC (rak linje intill V, inte snirklig linje).

Steg 15: Ladda kondensatorerna (7)

OBS: Du kan ansluta kondensatorerna i serie (negativ post till positiv post) för att öka spänningen på den strömkälla som skapas. Använd samma antal kondensatorer för var och en av de parallellt anslutna kondensatoruppsättningarna (exempel: om 3 kondensatorer väljs för att anslutas parallellt på bilden nedan, anslut serien med uppsättningar av 3 parallellt anslutna kondensatorer med totalt 6 kondensatorer).

I detta exempel är 2 uppsättningar parallellkopplade kondensatorer anslutna i serie för en strömkälla på 900 volt. Varje uppsättning parallellt anslutna kondensatorer har en total kapacitans på 940uF.

Steg 16: Installera Railgun

Ställ upp projektilen ovanför ena änden av stången ovanför en del av magneten. Anslut den negativa änden av kondensatorn till en av skenändarna med en krokodilklämma som det tidigare använda batteriet. Använd en annan krokodilklämma, anslut ena änden av klämman till den andra skenan så att den andra änden av klämman är fri.

Steg 17: Avfyra Railgun

Anslut kondensatorns positiva ände till den fria änden av krokodilklämman som är ansluten till den andra stången så skjuter projektilen.