Wie man eine Railgun herstellt (Wissenschaft erklärt): 17 Schritte

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

WARNUNG: Lesen Sie die „WICHTIGEN“Schritte, damit Sie sich nicht verletzen oder einen Stromschlag erleiden, wenn Sie sich für die verbesserte Version der Railgun entscheiden

Erstellt von: Duncan Yee

Überblick

Das Konzept einer Railgun besteht darin, ein leitendes Objekt aufgrund einer magnetischen und einer elektrischen Kraft entlang 2 leitender Schienen zu schleudern. Die Richtung der Antriebskraft ist auf elektromagnetische Felder zurückzuführen, die Lorentzkraft genannt wird.

Ein geladenes Teilchen, das sich mit einer Geschwindigkeit [V] durch ein elektrisches Feld senkrecht zu einem Magnetfeld [B] bewegt, erfährt eine Kraft [F], wie im Diagramm rechts dargestellt. Dieses Diagramm veranschaulicht die Richtung der Lorentzkraft mit Hilfe der Rechte-Hand-Regel.

Im Fall dieses Experiments ist die Bewegung geladener Teilchen durch ein elektrisches Feld der Fluss elektrischer Ladung, der sich über einen Kupferdraht bewegt. Das Magnetfeld wird mit sehr starken Neodym-Magneten induziert.

Die Gleichung ist somit das Kreuzprodukt: [F] = Il X [B]

ich – aktuell

l – Länge des Drahtes

Teile

Große rechteckige Neodym-Magnete (Lee’s PID: 60012)

12AWD Kupferdraht (Lees PID: 22498)

12V Batterie (Lees PID: 81036)

Krokodilklemmen (Lees PID: 690)

Exacto Knife (Lees PID: 5457)

Seitenschneider (Lees PID: 10383)

Karton (Lees Recyclingbehälter)

Optional: Digitaler Kompass (Lees PID: 98411)

Teile zur Verbesserung des Designs

450V 470uF Kondensatoren (Lees PID: 8604)

600V 35A Brückengleichrichter (Lees PID: 71096)

60VA Abwärts-/Aufwärts-isolierte Transformatoren (Lee’s PID: 10501)

Netzkabel (Lees PID: 2995)

26 AWG Anschlusskabel (Lee’s PID: 224007) oder mehr Krokodilklemmen

Isolierband (Lees PID: 10564)

Sekundenkleber (Lees PID: 4327)

Ferritperle (Lees PID: 10812)

Silikondichtmittel (Lee’s PID: 16028)

Digitalmultimeter (Lees PID: 10924)

Schritt 1: Abisolieren der 12AWD Kupferdrähte und Platzieren der Schienen

Schneiden Sie mit dem Exacto-Messer die Plastikhülle des Kupferdrahts ab. Schneiden Sie mit dem Seitenschneider zwei Drahtstreifen mit einer Länge von 2 Fuß ab. Schneiden Sie einen weiteren Drahtstreifen mit einer Länge von 2 Zoll ab, der als Antriebsobjekt verwendet wird. Kupfer wird gewählt, da es ein guter Stromleiter ist.

Schneiden Sie 2 kleine Kreise aus dem Karton aus und stechen Sie ein Loch in die Mitte des Kreises. Befestigen Sie diese an den Enden des 2-Zoll-Drahts, um sie während des Abfeuerns auf dem Weg der Stangen zu halten.

Versuchen Sie, die Drähte nicht zu verbiegen, wenn Sie sie nach Hause bringen, damit Sie sie als „Schienen“ausrichten können. Stützen Sie sie mit etwas ab, das keinen Strom leitet, damit sie nicht kurzgeschlossen werden. Ich habe 2 Lineale verwendet, aber Sie können den Karton aus Lees Recyclingbehälter verwenden. Befestigen Sie eine Krokodilklemme und lassen Sie das andere Ende an jedem Ende der Schienen frei.

Schritt 2: Induzieren des Magnetfelds (1)

Mit der Höhe der von mir verwendeten Lineale kann ich 5 der rechteckigen Neodym-Magnete unter die Schienen passen. Je mehr Magnete Sie gestapelt haben, desto stärker ist die Magnetkraft. Achten Sie darauf, dass die Magnete die Kupferdrähte nicht berühren, da dies die Schienen erneut kurzschließt.

Da die Neodym-Magnete aus einem Nordpol auf der einen Seite und einem Südpol auf der anderen Seite bestehen, stapeln Sie die Seiten nach oben.

Halten Sie die Magnete während dieses Experiments in die gleiche Richtung. Entnehmen Sie einen Stapel Magnete auf die gewünschte Höhe und platzieren Sie diese unter und zwischen den beiden Schienen. Platzieren Sie einen weiteren Stapel so nah wie möglich entlang der Schienen. Die Magnetkraft zwischen diesen Magnetstapeln wird sich gegenseitig entgegensetzen. Ich hielt sie mit den beiden Linealen fest.

Schritt 3: Induzieren des Magnetfelds (2)

An dieser Stelle wissen wir nicht, ob die Magnetkraft nach oben oder unten gerichtet ist. Es spielt auch keine Rolle. Sie können die Richtung jedoch mit dem Kompass bestimmen. Der Nordpol des Kompasses wird auf den Südpol des Magneten gerichtet. Dies sagt Ihnen auch die Richtung der Magnetkraft.

WICHTIG: Diese Magnete sind wirklich schwer zu handhaben und wenn sie ineinander prallen, werden sie leicht zerbrechen und brechen.

Schritt 4: Induzieren des elektrischen Ladungsflusses

Legen Sie den begradigten 2-Zoll-Kupferdraht entlang der Schienen über einem der Magnetstapel. Dadurch entsteht ein Kurzschluss auf den Schienen, aber hier sollen die elektrischen Ladungen fließen.

Verbinden Sie die freien Enden der Krokodilklemmen, eine mit dem negativen Ende des 12-V-Batteriepols und eine mit dem positiven Ende. Die 2-Zoll-Stange bewegt sich jetzt. Die Bewegungsrichtung lässt sich durch die oben beschriebenen Kräfte nach der Rechte-Hand-Regel bestimmen. Wenn Sie zur Bestimmung der Magnetkraftrichtung keinen Kompass verwendet haben, können Sie die Richtung der Treibstange einfach ändern, indem Sie die Anschlüsse an der Batterieklemme vertauschen. Auch dies kann mit der Illustration der Rechte-Hand-Regel bestätigt werden.

Entfernen Sie einen der Anschlüsse der Krokodilklemme von der 12-V-Batterieklemme.

Schritt 5: Abfeuern der Railgun

Platzieren Sie den anzutreibenden Draht an einem Ende der Schiene etwa 1 Viertel über dem ersten Magnetstapel. Schließen Sie die Krokodilklemme wieder an die 12-V-Batterieklemme an und der Draht schießt.

… Dies wird nicht beeindruckend feuern, da Sie sehen, dass der Draht nur zum nächsten Magneten getrieben wird und keine Kraft hat, die ihn zwischen den Magneten schiebt. Aber..

- - - - - - - - - - - - Verbesserung der Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - -

Schritt 6: Induzieren des Magnetfelds

Kleben Sie den Magnetstapel mit einem stabilen Meterstab aus nichtleitendem Material (Holz, Kunststoff) mit Sekundenkleber auf eine Seite und umwickeln Sie ihn mit Isolierband. Warten Sie, bis es getrocknet ist. Mit den Magneten in die gleiche Richtung wie das ursprüngliche Design, wiederholen Sie den Vorgang mit einem weiteren Magnetstapel direkt neben dem ersten Stapel. Dies kann etwas schwierig sein, da sich die Magnete gegenüberstehen. Holen Sie sich jemanden, der stark ist, dies zu tun.

Warten Sie erneut, bis es getrocknet ist, und wiederholen Sie den Vorgang, bis die Magnetreihe die Länge der Schienen erreicht. Platzieren Sie den Meterstab unter und zwischen den 2 Schienen mit den Magneten auf der gegenüberliegenden Seite. Dadurch wird über die gesamte Länge der Schienen ein Magnetfeld induziert, das es dem Draht ermöglicht, weiter vorwärts zu treiben.

Schritt 7: Einrichten des Projektils

Legen Sie die Ferritperle auf eine ebene Fläche und füllen Sie die Hälfte der Perle mit Silikondichtmittel und warten Sie, bis sie getrocknet ist. Kleben Sie die Enden des angetriebenen Drahtes in die Mitte des Silikons und kleben Sie es mit Sekundenkleber fest. Stellen Sie sicher, dass der Draht lang genug ist, um den Kontakt mit den Schienen zu halten. Dadurch wird das Projektil mit weniger Reibung auf der Bahn der Schienen gehalten, verglichen mit dem ursprünglich verwendeten Karton.

HINWEIS: Möglicherweise müssen Sie eine größere Ferritperle verwenden, um das Gewicht des Projektils zu erhöhen, wenn es beim Abfeuern wegfliegt.

Schritt 8: Einrichten der Kondensatoren

Die gewählten Kondensatoren kann man sich als größere Batterie vorstellen. Der batterieähnliche Kondensator hält eine Ladung, die im Vergleich zu normalen Batterien, die üblicherweise verwendet werden (AA, AAA usw.), sehr schnell abfällt. Diese Entladerate hängt von der Zeitkonstante ab; Je größer die Zeitkonstante, desto länger hält der Kondensator seine Ladung.

Die Formel für die Zeitkonstante lautet: [T] = R * C

[T] = Zeitkonstante

R = Widerstand

C = Kapazität (des Kondensators)

Da sich der Widerstand von Kupfer nicht drastisch ändern kann, können wir die Kapazität der Kondensatoren erhöhen, indem wir sie parallel zum 26 AWG-Draht schalten, um die Zeitkonstante zu erhöhen, damit die Ladung länger gehalten werden kann. Der Streifen entlang des ausgewählten Kondensators zeigt ein negatives Vorzeichen (-), was bedeutet, dass der Pfosten, der ihm am nächsten ist, der negative Pfosten ist. Verbinden Sie sie parallel, indem Sie den Minuspol eines Kondensators mit dem Minuspol des nächsten verbinden. Wiederholen Sie mit dem positiven Beitrag. Dies entspricht der Verwendung von 1 „Batterie“als Stromquelle, wobei die Kapazität die Summe der Anzahl der Kondensatoren ist, die Sie anschließen möchten.

HINWEIS: 3 Kondensatoren reichen möglicherweise nicht aus, um die Ladung zu halten. Sie können nach Belieben weitere hinzufügen.

Schritt 9: Laden der Kondensatoren (1)

Die von mir gewählten Kondensatoren können maximal 450 Volt halten. Um diese Kondensatoren aufzuladen, legen wir 450 Volt an sie an, indem wir den Strom aus der Steckdose verwenden.

WICHTIG: Überprüfen Sie die von Ihrem Land gelieferte Spannung. Entweder 120 oder 220 Volt Wechselstrom. In Kanada sind es 120 Volt, was bedeutet, dass wir dies ungefähr mit 4 multiplizieren müssen, um 450 Volt zu erreichen.

Verbinden Sie die Enden des Netzkabels mit 2 Krokodilklemmen mit einem Transformator bei 0 und 120. Verbinden Sie mit 2 weiteren Krokodilklemmen die Enden der Clips mit dem anderen Ende des Transformators bei 0 und 220. Dieses Verhältnis multipliziert die Spannung von der Wand bis 1.8.

Verbinden Sie die Enden der Krokodilklemmen, die vom ersten Transformator kommen, mit dem zweiten Transformator bei 0 und 120. Verwenden Sie 2 weitere Krokodilklemmen, verbinden Sie die Enden der Clips mit dem anderen Ende des Transformators bei 0 und 220. Dadurch wird die. wieder multipliziert Spannung um 1,8, was insgesamt 3,6 ergibt.

Schritt 10: Laden der Kondensatoren (2)

WICHTIG: Berühren Sie nicht die Enden des Netzkabels, sonst erleiden Sie einen Stromschlag. Wickeln Sie die freiliegenden Drähte mit Isolierband um, damit Sie sie nicht berühren können. Berühren Sie auch nicht die Enden der Krokodilklemmen, die mit dem Transformator verbunden sind.

Schritt 11: Aufladen der Kondensatoren (3)

Testen Sie die Spannung von den Enden der Krokodilklemmen, die mit den Enden des zweiten Transformators verbunden sind, mit dem Multimeter bei einer Einstellung über 450 V AC (schnörkelige Linie neben dem V, nicht die gerade Linie). Die Spannung beim Einstecken in die Wand ist aufgrund des Widerstands der Drähte und aller angeschlossenen Elemente niedriger als erwartet.

Schritt 12: Laden der Kondensatoren (4)

Da der Strom aus der Wand Wechselstrom ist und die Kondensatoren mit Gleichstrom geladen werden müssen (er hat an seinen Enden eine positive und negative Polarität), verwenden wir den Brückengleichrichter, um den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Verbinden Sie die Enden der Krokodilklemmen des zweiten Transformators mit den 2 mittleren Stiften des Brückengleichrichters und stellen Sie sicher, dass die Krokodilklemmen keinen der anderen Stifte berühren.

Schritt 13: Laden der Kondensatoren (5)

Das Symbol über den äußeren Pins des Brückengleichrichters ist entweder + oder -. Verbinden Sie diese mit den + und – Enden der Kondensatoren mit 2 weiteren Krokodilklemmen.

Schritt 14: Aufladen der Kondensatoren (6)

Stecken Sie das Netzkabel in die Wand und warten Sie etwa 30 Sekunden, bis die Kondensatoren vollständig aufgeladen sind. Ziehen Sie das Netzkabel ab.

WICHTIG: Berühren Sie nicht die beiden Enden der Kondensatoren gleichzeitig, da es sonst weh tun kann. Testen Sie mit dem Multimeter bei einer Einstellung über 450 V DC, ob die Kondensatoren vollständig geladen sind (gerade Linie neben dem V, nicht der verschnörkelten Linie).

Schritt 15: Aufladen der Kondensatoren (7)

HINWEIS: Sie können die Kondensatoren in Reihe schalten (Minuspol zu Pluspol), um die Spannung der erzeugten Stromquelle zu erhöhen. Verwenden Sie für jeden der parallel geschalteten Kondensatorsätze die gleiche Anzahl von Kondensatoren (Beispiel: Wenn im Bild unten 3 Kondensatoren parallel geschaltet werden sollen, verbinden Sie die Reihe mit Sätzen von 3 parallel geschalteten Kondensatoren mit insgesamt 6 Kondensatoren).

In diesem Beispiel sind 2 Sätze parallel geschalteter Kondensatoren für eine Stromquelle von 900 Volt in Reihe geschaltet. Jeder Satz parallel geschalteter Kondensatoren hat eine Gesamtkapazität von 940uF.

Schritt 16: Einrichten der Railgun

Stellen Sie das Projektil über einem Ende der Stange über einem Teil des Magneten auf. Verbinden Sie das negative Ende des Kondensators mit einer Krokodilklemme wie bei der zuvor verwendeten Batterie mit einem der Schienenenden. Verbinden Sie mit einer weiteren Krokodilklemme ein Ende des Clips mit der anderen Schiene und lassen Sie das andere Ende des Clips frei.

Schritt 17: Abfeuern der Railgun

Verbinden Sie das positive Ende des Kondensators mit dem freien Ende der Krokodilklemme, die mit der anderen Stange verbunden ist, und das Projektil schießt.