Hoe maak je een Railgun (wetenschap uitgelegd): 17 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

WAARSCHUWING: Lees de "BELANGRIJKE" stappen zodat je jezelf niet bezeert of geëlektrocuteerd wordt als je besluit om de verbeterde versie van de railgun te maken

Gemaakt door: Duncan Yee

Overzicht

Het concept van een railgun bestaat uit het voortbewegen van een geleidend object langs 2 geleidende rails door middel van een magnetische kracht en een elektrische kracht. De richting van de voortstuwende kracht is te wijten aan elektromagnetische velden die de Lorentz-kracht worden genoemd.

Een geladen deeltje dat met een snelheid [V] door een elektrisch veld loodrecht op een magnetisch veld [B] beweegt, zal een kracht [F] ervaren, zoals weergegeven in het diagram hiernaast. Dit diagram illustreert de richting van de Lorentzkracht met behulp van de rechterhandregel.

In het geval van dit experiment is de beweging van geladen deeltjes door een elektrisch veld de stroom van elektrische lading die over een koperdraad beweegt. Het magnetische veld wordt opgewekt met zeer sterke neodymiummagneten.

De vergelijking is dus het uitwendige product: [F] = Il X [B]

ik – huidige

l – lengte van de draad

Onderdelen

Grote rechthoekige neodymiummagneten (Lee's PID: 60012)

12AWD koperdraad (Lee's PID: 22498)

12V batterij (Lee's PID: 81036)

Krokodillenklemmen (Lee's PID: 690)

Exacto-mes (Lee's PID: 5457)

Diagonale snijder (Lee's PID: 10383)

Karton (Lee's prullenbak)

Optioneel: digitaal kompas (Lee's PID: 98411)

Onderdelen die het ontwerp verbeteren

450V 470uF condensatoren (Lee's PID: 8604)

600V 35A bruggelijkrichter (Lee's PID: 71096)

60VA step down/up geïsoleerde transformatoren (Lee's PID: 10501)

Netsnoer (Lee's PID: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lee's PID: 224007) of meer Alligator Clips

Elektrische tape (Lee's PID: 10564)

Superlijm (Lee's PID: 4327)

Ferrietkraal (Lee's PID: 10812)

Siliconenkit (Lee's PID: 16028)

Digitale multimeter (Lee's PID: 10924)

Stap 1: De 12AWD koperdraden strippen en de rails plaatsen

Snijd met het exacte mes het plastic omhulsel van het koperdraad weg. Knip twee stroken draden van 2 voet lang met de diagonale snijder. Knip nog een strook draad van 2 inch lang die zal worden gebruikt als het voortstuwende object. Er is gekozen voor koper omdat het een goede geleider van elektriciteit is.

Knip 2 kleine cirkels uit het karton en prik een gat in het midden van de cirkel. Bevestig dit aan de uiteinden van de 2 inch draad om het op het pad van de staven te houden terwijl het wordt afgevuurd.

Probeer de draden niet te buigen wanneer u ze mee naar huis neemt, zodat u ze kunt rechttrekken als de 'rails'. Steun ze met iets dat geen elektriciteit geleidt, zodat ze niet kortsluiten. Ik heb 2 linialen gebruikt, maar je kunt het karton gebruiken dat je in Lee's prullenbak vindt. Clip een krokodillenklem en laat het andere uiteinde vrij aan beide uiteinden van de rails.

Stap 2: Het magnetische veld induceren (1)

Met de hoogte van de linialen die ik heb gebruikt, kan ik 5 van de rechthoekige neodymium-magneten onder de rails plaatsen. Hoe meer magneten je hebt gestapeld, hoe sterker de magnetische kracht. Zorg ervoor dat de magneten de koperdraden niet raken, omdat dit opnieuw de rails zal kortsluiten.

Omdat de neodymiummagneten aan de ene kant uit een noordpool en aan de andere kant een zuidpool bestaan, stapelt u de vlakken naar boven.

Houd de magneten tijdens dit experiment in dezelfde richting gericht. Verwijder een stapel magneten tot de gewenste hoogte en plaats deze onder en tussen de twee rails. Plaats een andere stapel zo dicht mogelijk langs de rails. De magnetische kracht tussen deze stapels magneten zal elkaar tegenwerken. Ik hield ze op hun plaats met de twee linialen.

Stap 3: Het magnetische veld induceren (2)

Op dit moment weten we niet of de magnetische kracht naar boven of naar beneden is gericht. Het maakt ook niet uit. Wel kun je de richting bepalen met het kompas. De noordpool van het kompas zal gericht zijn op de zuidpool van de magneet. Dit zal je ook de richting van de magnetische kracht vertellen.

BELANGRIJK: het is echt moeilijk om met deze magneten om te gaan en als ze tegen elkaar botsen, zullen ze gemakkelijk versplinteren en breken.

Stap 4: De stroom van elektrische lading induceren

Plaats de rechtgebogen 2 inch koperdraad langs de rails boven een van de stapel magneten. Dit zorgt voor kortsluiting op de rails, maar dit is waar we de elektrische ladingen willen laten stromen.

Sluit de vrije uiteinden van de krokodillenklemmen aan, één met het negatieve uiteinde van de 12V-accupool en één met het positieve uiteinde. De staaf van 2 inch zal nu bewegen. De richting van de beweging kan worden bepaald door de hierboven beschreven krachten met behulp van de rechterhandregel. Als je geen kompas hebt gebruikt om de richting van de magnetische kracht te bepalen, kun je eenvoudig de richting van de aandrijfstang veranderen door de aansluitingen op de accupool om te wisselen. Nogmaals, dit kan worden bevestigd met de illustratie van de rechterhandregel.

Verwijder een van de aansluitingen van de krokodillenklem van de 12V-accupool.

Stap 5: De Railgun afvuren

Plaats de draad die moet worden voortgestuwd aan het ene uiteinde van de rail ongeveer 1 kwart boven de eerste stapel magneten. Sluit de krokodillenklem weer aan op de 12V-accupool en de draad zal schieten.

… Dit zal niet indrukwekkend afvuren, omdat je kunt zien dat de draad alleen naar de volgende magneet wordt voortgestuwd en dat hij geen kracht heeft om hem tussen de magneten voort te stuwen. Maar..

- - - - - - - - - - - - Verbeteren van de Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Stap 6: Het magnetische veld induceren

Gebruik een stevige meterstok gemaakt van niet-geleidend materiaal (hout, plastic), lijm de stapel magneten op een van de zijkanten met superlijm en wikkel deze op zijn plaats met elektrische tape. Wacht tot het droog is. Met de magneten in dezelfde richting als het oorspronkelijke ontwerp, herhaalt u met een andere stapel magneten direct naast de eerste stapel. Dit kan een beetje moeilijk zijn, omdat de magneten tegenover elkaar staan. Vraag een sterk iemand om dit te doen.

Wacht opnieuw tot het droog is en herhaal totdat de rij magneten de lengte van de rails heeft bereikt. Plaats de meterstok onder en tussen de 2 rails met de magneten aan de andere kant. Hierdoor wordt over de gehele lengte van de rails een magnetisch veld opgewekt, waardoor de draad naar voren kan worden voortgestuwd.

Stap 7: Het projectiel opzetten

Plaats de ferrietkraal op een vlakke ondergrond en vul de helft van de kraal met siliconenkit en wacht tot deze droog is. Plak de uiteinden van de draad die wordt voortgestuwd in het midden van de siliconen en lijm deze op zijn plaats met superlijm. Zorg ervoor dat de draad lang genoeg is om contact te houden met de rails. Hierdoor blijft het projectiel op de baan van de rails met minder wrijving in vergelijking met het oorspronkelijk gebruikte karton.

OPMERKING: Het kan zijn dat je een grotere ferrietkraal moet gebruiken om het gewicht van het projectiel te vergroten als het wegvliegt wanneer het wordt afgevuurd.

Stap 8: De condensatoren instellen

De gekozen condensatoren kunnen worden gezien als een grotere batterij. De batterijachtige condensator houdt een lading vast die zeer snel daalt in vergelijking met normale batterijen die vaak worden gebruikt (AA, AAA, enz.). Deze ontladingssnelheid is afhankelijk van de tijdconstante; hoe groter de tijdconstante, hoe langer de condensator zijn lading zal vasthouden.

De formule voor de tijdconstante is: [T] = R * C

[T] = tijdconstante

R = weerstand

C = capaciteit (van de condensator)

Omdat de weerstand van koper niet drastisch kan veranderen, kunnen we de capaciteit van de condensatoren vergroten door ze parallel aan de 26 AWG-draad aan te sluiten om de tijdconstante te vergroten waardoor de lading langer kan worden vastgehouden. De strook langs de gekozen condensator toont een minteken (-), wat betekent dat de paal die er het dichtst bij zit de minpool is. Verbind ze parallel door de negatieve pool van de ene condensator te verbinden met de negatieve pool van de volgende. Herhaal met de positieve post. Dit komt overeen met het gebruik van 1 'batterij' als stroombron, waarbij de capaciteit de som is van het aantal condensatoren dat u wilt aansluiten.

OPMERKING: 3 condensatoren zijn misschien niet genoeg om de lading vast te houden, u kunt er naar wens meer toevoegen.

Stap 9: Opladen van de condensatoren (1)

De condensatoren die ik heb gekozen kunnen maximaal 450 volt bevatten. Om deze condensatoren op te laden, zetten we er 450 volt op met behulp van de stroomvoorziening uit het stopcontact.

BELANGRIJK: controleer de spanning die door uw land wordt geleverd. Het zal ofwel 120 of 220 volt AC zijn. In Canada is het 120 volt, wat betekent dat we dit ruwweg met 4 moeten vermenigvuldigen om 450 volt te bereiken.

Gebruik 2 krokodillenklemmen om de uiteinden van het netsnoer aan te sluiten op een transformator op 0 en 120. Gebruik nog 2 krokodillenklemmen en sluit de uiteinden van de klemmen aan op het andere uiteinde van de transformator op 0 en 220. Deze verhouding zal de spanning vermenigvuldigen van de muur met 1.8.

Verbind de uiteinden van de krokodillenklemmen die van de eerste transformator komen met de tweede transformator op 0 en 120. Gebruik nog 2 krokodillenklemmen en verbind de uiteinden van de klemmen met het andere uiteinde van de transformator op 0 en 220. Dit zal opnieuw de vermenigvuldiging van de spanning met 1.8, wat een totaal van 3.6 oplevert.

Stap 10: Opladen van de condensatoren (2)

BELANGRIJK: raak de uiteinden van het netsnoer niet aan, anders wordt u geëlektrocuteerd. Wikkel de blootliggende draden met elektrische tape zodat u ze niet kunt aanraken. Raak ook de uiteinden van de krokodillenklemmen die op de transformator zijn aangesloten niet aan.

Stap 11: Opladen van de condensatoren (3)

Test de spanning van de uiteinden van de krokodillenklemmen die zijn aangesloten op de uiteinden van de tweede transformator met de multimeter op een instelling boven 450V AC (kronkelende lijn naast de V, niet de rechte lijn). De spanning bij aansluiting op de muur zal lager zijn dan verwacht vanwege de weerstand van de draden en alles wat is aangesloten.

Stap 12: Opladen van de condensatoren (4)

Aangezien de stroom die van de muur komt AC is en de condensatoren moeten worden opgeladen met gelijkstroom (het heeft een positieve en negatieve polariteit aan de uiteinden), gebruiken we de bruggelijkrichter om de wisselstroom te veranderen in gelijkstroom. Sluit de uiteinden van de krokodillenklemmen van de tweede transformator aan op de 2 middelste pinnen van de bruggelijkrichter en zorg ervoor dat de krokodillenklemmen geen van de andere pinnen raken.

Stap 13: Opladen van de condensatoren (5)

Het symbool boven de buitenste pinnen van de bruggelijkrichter is + of -. Verbind deze met de + en - uiteinden van de condensatoren met behulp van nog 2 krokodillenklemmen.

Stap 14: Opladen van de condensatoren (6)

Steek de stekker in het stopcontact en wacht ongeveer 30 seconden totdat de condensatoren volledig zijn opgeladen. Koppel het netsnoer los.

BELANGRIJK: raak de twee uiteinden van de condensatoren niet tegelijkertijd aan, anders kan dit pijn doen. Test of de condensatoren volledig zijn opgeladen met behulp van de multimeter bij een instelling boven 450V DC (rechte lijn naast de V, niet de kronkelende lijn).

Stap 15: Opladen van de condensatoren (7)

OPMERKING: U kunt de condensatoren in serie aansluiten (negatieve pool naar positieve pool) om de spanning van de gecreëerde stroombron te verhogen. Gebruik hetzelfde aantal condensatoren voor elk van de parallel geschakelde sets condensatoren (voorbeeld: als 3 condensatoren zijn gekozen om parallel te worden geschakeld in de onderstaande afbeelding, sluit de serie dan aan met sets van 3 parallel geschakelde condensatoren met in totaal 6 condensatoren).

In dit voorbeeld zijn 2 sets parallel geschakelde condensatoren in serie geschakeld voor een stroombron van 900 volt. Elke set parallel geschakelde condensatoren heeft een totale capaciteit van 940uF.

Stap 16: Het opzetten van de Railgun

Plaats het projectiel boven het ene uiteinde van de staaf boven een deel van de magneet. Sluit het negatieve uiteinde van de condensator aan op een van de railuiteinden met een krokodillenklem zoals de eerder gebruikte batterij. Gebruik een andere krokodillenklem en sluit het ene uiteinde van de klem aan op de andere rail en laat het andere uiteinde van de klem vrij.

Stap 17: De Railgun afvuren

Verbind het positieve uiteinde van de condensator met het vrije uiteinde van de krokodillenklem die is verbonden met de andere staaf en het projectiel zal schieten.