Jak vyrobit railgun (věda vysvětlena): 17 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

UPOZORNĚNÍ: Přečtěte si kroky „DŮLEŽITÉ“, abyste si neublížili nebo nebyli zasaženi elektrickým proudem, pokud se rozhodnete vyrobit vylepšenou verzi railgunu

Vytvořil: Duncan Yee

Přehled

Koncept kolejové zbraně spočívá v pohonu vodivého předmětu po 2 vodivých kolejnicích v důsledku magnetické síly a elektrické síly. Směr hnací síly je dán elektromagnetickými poli nazývanými Lorentzova síla.

Nabitá částice pohybující se rychlostí [V] elektrickým polem kolmým na magnetické pole [B] zažije sílu [F], jak je znázorněno na obrázku vpravo. Tento diagram ilustruje směr Lorentzovy síly s použitím pravidla pravé ruky.

V případě tohoto experimentu je pohyb nabitých částic elektrickým polem tok elektrického náboje pohybujícího se po měděném drátu. Magnetické pole je indukováno velmi silnými neodymovými magnety.

Rovnice je tedy křížovým součinem: [F] = Il X [B]

I - aktuální

l - délka drátu

Díly

Velké obdélníkové neodymové magnety (Leeův PID: 60012)

Měděný drát 12AWD (Lee’s PID: 22498)

12V baterie (Leeův PID: 81036)

Klipy aligátora (Lee’s PID: 690)

Exacto Knife (Lee’s PID: 5457)

Diagonal Cutter (Lee’s PID: 10383)

Karton (Leeho odpadkový koš)

Volitelné: digitální kompas (Leeův PID: 98411)

Díly zlepšující design

Kondenzátory 450V 470uF (Leeův PID: 8604)

600V 35A můstkový usměrňovač (Lee’s PID: 71096)

Izolované transformátory 60 VA s krokem dolů/nahoru (Leeův PID: 10501)

Napájecí kabel (Leeův PID: 2995)

26 AWG Propojovací drát (Lee’s PID: 224007) nebo více aligátorových spon

Elektrická páska (Leeův PID: 10564)

Super Glue (Leeův PID: 4327)

Feritový korálek (Leeův PID: 10812)

Silikonový tmel (Lee’s PID: 16028)

Digitální multimetr (Leeův PID: 10924)

Krok 1: Odizolujte měděné dráty 12AWD a umístěte kolejnice

Přesným nožem odřízněte plastový kryt měděného drátu. Pomocí diagonální řezačky ustřihněte dva pásy drátů o délce 2 stopy. Odřízněte ještě jeden pruh drátu o délce 2 palce, který bude použit jako hnací předmět. Měď je vybrána, protože je dobrým vodičem elektřiny.

Z kartonu vystřihněte 2 malá kolečka a do středu kruhu propíchněte otvor. Připevněte jej na konce 2palcového drátu, aby jej udržel na dráze tyčí, zatímco se střílí.

Když je přinesete domů, snažte se neohýbat dráty, abyste je mohli narovnat jako „kolejnice“. Propagujte je něčím, co nevede elektřinu, aby nezkratovaly. Použil jsem 2 pravítka, ale můžete použít karton, který najdete v Leeho odpadkovém koši. Připněte krokosvorku a ponechte druhý konec volný na obou koncích kolejnic.

Krok 2: Indukce magnetického pole (1)

S výškou pravítek, které jsem použil, se mi pod kolejnice vejde 5 obdélníkových neodymových magnetů. Čím více magnetů jste naskládali, tím silnější magnetická síla je. Ujistěte se, že se magnety nedotýkají měděných vodičů, protože to bude opět zkratovat kolejnice.

Vzhledem k tomu, že neodymové magnety se skládají ze severního pólu na jedné straně a jižního pólu na druhé straně, stohujte lícem nahoru.

Během tohoto experimentu držte magnety ve stejném směru. Odstraňte hromádku magnetů do požadované výšky a umístěte je pod a mezi dvě kolejnice. Umístěte další hromádku co nejblíže podél kolejnic. Magnetická síla mezi těmito hromádkami magnetů bude proti sobě. Držel jsem je na místě u dvou vládců.

Krok 3: Indukce magnetického pole (2)

V tuto chvíli nevíme, zda je magnetická síla směrována nahoru nebo dolů. To také nevadí. Směr však můžete určit pomocí kompasu. Severní pól kompasu bude směřovat k jižnímu pólu magnetu. To vám také řekne směr magnetické síly.

DŮLEŽITÉ: je opravdu těžké manipulovat s těmito magnety a pokud do sebe narazí, snadno se rozbijí a zlomí.

Krok 4: Indukce toku elektrického náboje

Umístěte narovnaný 2palcový měděný drát podél kolejnic nad jeden ze stohu magnetů. To vytvoří zkrat na kolejích, ale tady chceme, aby proudily elektrické náboje.

Připojte volné konce aligátorových svorek, jeden na záporný konec svorky baterie 12V a jeden na kladný konec. 2palcová tyč se nyní pohne. Směr pohybu lze určit pomocí sil popsaných výše pomocí pravidla pravé ruky. Pokud jste k určení směru magnetické síly nepoužili kompas, můžete směr hnací tyče snadno změnit prohozením spojů ke svorce baterie. Opět to lze potvrdit ukázkou pravidla pravé ruky.

Odpojte jedno z konektorů aligátorové svorky od svorky baterie 12V.

Krok 5: Vypálení Railgunu

Umístěte drát k pohonu na jeden konec kolejnice asi 1 čtvrtinu nad první hromádku magnetů. Znovu připojte krokosvorku ke svorce baterie 12V a vodič vystřelí.

… Nebude to působivě střílet, protože vidíte, že drát bude poháněn pouze k dalšímu magnetu a nebude mít žádnou sílu, která by jej poháněla mezi magnety. Ale..

- - - - - - - - - - - - - - - Vylepšení železnice - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Krok 6: Indukce magnetického pole

Pomocí robustní měřicí tyčinky vyrobené z nevodivého materiálu (dřevo, plast) přilepte hromádku magnetů na jednu ze stran super lepidlem a zabalte ji na místo elektrickou páskou. Počkejte, až uschne. Když magnety směřují stejným směrem jako původní design, opakujte to s dalším stohem magnetů hned vedle prvního svazku. To může být trochu obtížné, protože magnety budou proti sobě. Nechte na to někoho silného.

Opět počkejte, až uschne, a opakujte, dokud řada magnetů nedosáhne délky kolejnic. Umístěte měřicí tyč pod a mezi 2 kolejnice s magnety na opačné straně. To vyvolá magnetické pole po celé délce kolejnic, což umožní drátu pokračovat v pohonu dopředu.

Krok 7: Nastavení střely

Feritový korálek položte na rovný povrch a naplňte polovinu perlí silikonovým tmelem a počkejte, až zaschne. Přilepte konce poháněného drátu ke středu silikonu a přilepte na místo super lepidlem. Ujistěte se, že je drát dostatečně dlouhý, aby udržel kontakt s kolejnicemi. To udrží projektil na dráze kolejnic s menším třením ve srovnání s původně používanou lepenkou.

POZNÁMKA: Možná budete muset použít větší feritový korálek ke zvýšení hmotnosti střely, pokud po odpálení skončí odletem.

Krok 8: Nastavení kondenzátorů

Vybrané kondenzátory lze považovat za větší baterii. Bateriový kondenzátor udrží nabití, které velmi rychle klesá ve srovnání s běžnými bateriemi, které se běžně používají (AA, AAA atd.). Tato rychlost vybíjení závisí na časové konstantě; čím větší je časová konstanta, tím déle kondenzátor udrží svůj náboj.

Vzorec pro časovou konstantu je: [T] = R * C

[T] = časová konstanta

R = odpor

C = kapacita (kondenzátoru)

Protože odpor mědi se nemůže drasticky změnit, abychom zvýšili časovou konstantu umožňující delší udržování náboje, můžeme zvýšit kapacitu kondenzátorů jejich paralelním zapojením s vodičem 26 AWG. Pruh podél zvoleného kondenzátoru ukazuje záporné znaménko (-), což znamená, že nejbližší pól je záporný. Připojte je paralelně připojením záporného pólu jednoho kondenzátoru k zápornému pólu dalšího. Opakujte s kladným příspěvkem. To bude ekvivalentní použití 1 „baterie“jako zdroje energie, přičemž kapacita je součtem počtu kondenzátorů, které se rozhodnete připojit.

POZNÁMKA: 3 kondenzátory nemusí stačit k udržení náboje, můžete přidat další podle svých představ.

Krok 9: Nabíjení kondenzátorů (1)

Vybrané kondenzátory mohou pojmout maximálně 450 voltů. K nabíjení těchto kondenzátorů na ně aplikujeme 450 voltů pomocí energie dodávané ze zásuvky.

DŮLEŽITÉ: zkontrolujte napětí dodávané ve vaší zemi. Bude to buď 120 nebo 220 voltů AC. V Kanadě je to 120 voltů, což znamená, že to musíme znásobit zhruba 4, abychom dosáhli 450 voltů.

Pomocí 2 aligátorových svorek připojte konce napájecího kabelu k jednomu transformátoru na 0 a 120. Pomocí 2 dalších aligátorových klipů připojte konce klipů na druhý konec transformátoru na 0 a 220. Tento poměr znásobí napětí od zdi o 1,8.

Připojte konce aligátorových svorek přicházejících z prvního transformátoru k druhému transformátoru na 0 a 120. Pomocí 2 dalších aligátorových klipů spojte konce klipů na druhý konec transformátoru na 0 a 220. Tím se opět znásobí napětí o 1,8, což dává celkem 3,6.

Krok 10: Nabíjení kondenzátorů (2)

DŮLEŽITÉ: nedotýkejte se konců napájecího kabelu, jinak vás zasáhne elektrický proud. Obnažte odkryté dráty elektrickou páskou, abyste se jich nemohli dotknout. Nedotýkejte se ani konců aligátorových svorek připojených k transformátoru.

Krok 11: Nabíjení kondenzátorů (3)

Vyzkoušejte napětí na koncích aligátorových svorek připojených ke koncům druhého transformátoru pomocí multimetru při nastavení nad 450 V AC (svislá čára vedle V, nikoli přímka). Napětí při zapojení do zdi bude nižší, než se očekávalo, kvůli odporu vodičů a všeho připojeného.

Krok 12: Nabíjení kondenzátorů (4)

Protože energie přicházející ze zdi je střídavá a kondenzátory je třeba nabíjet stejnosměrným napájením (na koncích má kladnou i zápornou polaritu), používáme ke změně střídavého výkonu na stejnosměrný můstek. Připojte konce aligátorových svorek z druhého transformátoru ke 2 středním kolíkům můstkového usměrňovače a ujistěte se, že se aligátorové svorky nedotýkají žádných ostatních kolíků.

Krok 13: Nabíjení kondenzátorů (5)

Symbol nad vnějšími kolíky můstkového usměrňovače bude buď + nebo -. Připojte je na + a - konce kondenzátorů pomocí dalších 2 aligátorových svorek.

Krok 14: Nabíjení kondenzátorů (6)

Zapojte napájecí kabel do zdi a počkejte přibližně 30 sekund, než se kondenzátory plně nabijí. Odpojte napájecí kabel.

DŮLEŽITÉ: nedotýkejte se současně obou konců kondenzátorů, jinak to může bolet. Pomocí multimetru vyzkoušejte, zda jsou kondenzátory plně nabité při nastavení nad 450 V DC (přímka vedle V, nikoli vlnovka).

Krok 15: Nabíjení kondenzátorů (7)

POZNÁMKA: Kondenzátory můžete zapojit do série (záporný pól k kladnému pólu), abyste zvýšili napětí vytvořeného zdroje energie. Pro každou z paralelně zapojených sad kondenzátorů použijte stejný počet kondenzátorů (příklad: pokud jsou na obrázku níže vybrány 3 kondenzátory, které mají být zapojeny paralelně, propojte sérii se sadami 3 paralelně zapojených kondenzátorů s celkem 6 kondenzátory).

V tomto případě jsou 2 sady paralelně zapojených kondenzátorů zapojeny do série pro zdroj energie 900 voltů. Každá sada paralelně zapojených kondenzátorů bude mít celkovou kapacitu 940 uF.

Krok 16: Nastavení Railgunu

Umístěte projektil nad jeden konec tyče nad část magnetu. Připojte záporný konec kondenzátoru k jednomu konci kolejnice pomocí aligátorové spony jako dříve použitá baterie. Pomocí jiného aligátorového klipu připojte jeden konec klipu k druhé kolejnici a druhý konec klipu nechte volný.

Krok 17: Vypálení Railgunu

Připojte kladný konec kondenzátoru k volnému konci svorky aligátora, který je připojen k druhé tyči, a střela vystřelí.