Как сделать рейлган (научное объяснение): 17 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

ВНИМАНИЕ: прочтите «ВАЖНО» шаги, чтобы не пораниться или не получить удар током, если вы решите сделать улучшенную версию рейлгана

Создал: Duncan Yee

Обзор

Концепция рельсотрона заключается в перемещении проводящего объекта по 2 проводящим рельсам за счет магнитной силы и электрической силы. Направление движущей силы обусловлено электромагнитными полями, называемыми силой Лоренца.

Заряженная частица, движущаяся со скоростью [V] через электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю [B], будет испытывать силу [F], как показано на диаграмме справа. Эта диаграмма иллюстрирует направление силы Лоренца с использованием правила правой руки.

В случае этого эксперимента движение заряженных частиц через электрическое поле - это поток электрического заряда, движущийся по медной проволоке. Магнитное поле создается очень сильными неодимовыми магнитами.

Таким образом, уравнение является перекрестным произведением: [F] = Il X [B]

I - ток

l - длина провода

Запчасти

Большие прямоугольные неодимовые магниты (Lee’s PID: 60012)

Медный провод 12AWD (идентификатор Ли: 22498)

Аккумулятор 12 В (PID Ли: 81036)

Зажимы «крокодил» (идентификатор Ли: 690)

Exacto Knife (PID Ли: 5457)

Диагональный резак (идентификатор Ли: 10383)

Картон (мусорная корзина Ли)

Дополнительно: цифровой компас (идентификатор Ли: 98411)

Детали, улучшающие дизайн

Конденсаторы 450 В, 470 мкФ (ПИД-регулятор Ли: 8604)

Мостовой выпрямитель, 600 В, 35 А (ПИД-регулятор Ли: 71096)

Изолированные понижающие / повышающие трансформаторы на 60 ВА (ПИД-регулятор Ли: 10501)

Шнур питания (PID Ли: 2995)

Монтажный провод 26 AWG (идентификатор Ли: 224007) или более зажимов типа «крокодил»

Электрическая лента (PID Ли: 10564)

Супер клей (PID Ли: 4327)

Ферритовый шарик (идентификатор Ли: 10812)

Силиконовый герметик (Lee’s PID: 16028)

Цифровой мультиметр (PID Ли: 10924)

Шаг 1. Зачистка медных проводов 12AWD и установка направляющих

С помощью точного ножа срежьте пластиковую оболочку медной проволоки. Отрежьте две полоски проводов длиной 2 фута диагональным ножом. Отрежьте еще одну полоску проволоки длиной 2 дюйма, которая будет использоваться в качестве метательного объекта. Медь выбрана как хороший проводник электричества.

Вырежьте из картона 2 маленьких кружочка и проделайте отверстие в центре круга. Прикрепите его к концам 2-дюймовой проволоки, чтобы он оставался на пути стержней во время выстрела.

Постарайтесь не сгибать провода, когда приносите их домой, чтобы вы могли распрямить их как «рельсы». Подоприте их чем-нибудь, что не проводит электричество, чтобы они не замкнулись. Я использовал 2 линейки, но вы можете использовать картон из мусорной корзины Ли. Закрепите зажим «крокодил», оставив другой конец свободным на концах направляющих.

Шаг 2: Создание магнитного поля (1)

Благодаря высоте линейки, которую я использовал, я могу разместить 5 прямоугольных неодимовых магнитов под направляющими. Чем больше магнитов вы сложили, тем сильнее магнитная сила. Убедитесь, что магниты не касаются медных проводов, так как это снова приведет к короткому замыканию направляющих.

Поскольку неодимовые магниты состоят из северного полюса с одной стороны и южного полюса с другой стороны, расположите их поверхностями вверх.

Держите магниты в одном направлении на протяжении всего эксперимента. Снимите стопку магнитов на желаемую высоту и поместите их под и между двумя направляющими. Поставьте еще одну стопку как можно ближе к направляющим. Магнитная сила между этими пакетами магнитов будет противодействовать друг другу. Я удерживал их на месте двумя линейками.

Шаг 3. Создание магнитного поля (2)

На данный момент мы не знаем, направлена ли магнитная сила вверх или вниз. Это тоже не имеет значения. Однако вы можете определить направление по компасу. Северный полюс компаса будет направлен на южный полюс магнита. Это также скажет вам направление магнитной силы.

ВАЖНО: с этими магнитами действительно сложно обращаться, и если они врежутся друг в друга, они легко разобьются и сломаются.

Шаг 4: Создание потока электрического заряда

Поместите выпрямленный 2-дюймовый медный провод вдоль направляющих над одним из наборов магнитов. Это создаст короткое замыкание на рельсах, но именно здесь мы хотим, чтобы электрические заряды текли.

Подсоедините свободные концы зажимов типа «крокодил»: один к отрицательному концу клеммы аккумулятора 12 В, а другой - к положительному. 2-дюймовый стержень будет двигаться. Направление движения можно определить силами, описанными выше, с помощью правила правой руки. Если вы не использовали компас для определения направления магнитной силы, вы можете легко изменить направление толкающего стержня, поменяв местами соединения с клеммой аккумулятора. Опять же, это можно подтвердить иллюстрацией правила правой руки.

Снимите одно из соединений зажима типа «крокодил» с клеммы аккумулятора 12 В.

Шаг 5: Стрельба из рейлгана

Поместите провод, который будет продвигаться, на один конец рельса примерно на 1 четверть выше первого набора магнитов. Снова подсоедините зажим типа «крокодил» к клемме аккумулятора 12 В, и провод выстрелит.

… Это не будет впечатляюще, поскольку вы можете видеть, что провод будет продвигаться только к следующему магниту, и у него не будет силы, толкающей его между магнитами. Но..

- - - - - - - - - - - - - Улучшение Рейлгана - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Шаг 6: Создание магнитного поля

Используя прочную измерительную палочку из непроводящего материала (дерево, пластик), приклейте стопку магнитов на одну из ее сторон с помощью суперклея и оберните ее на месте изолентой. Подождите, пока он высохнет. Поверните магниты в том же направлении, что и исходный дизайн, повторите с другой стопкой магнитов рядом с первой стопкой. Это может быть немного сложно, поскольку магниты будут противодействовать друг другу. Заставьте кого-нибудь сделать это сильным.

Снова подождите, пока он высохнет, и повторяйте, пока ряд магнитов не достигнет длины рельсов. Поместите измерительную штангу под и между двумя рельсами с магнитами на противоположной стороне. Это создаст магнитное поле по всей длине рельсов, позволяя проводу продолжать продвигаться вперед.

Шаг 7: установка снаряда

Поместите ферритовый валик на ровную поверхность, заполните половину валика силиконовым герметиком и подождите, пока он высохнет. Приклейте концы продвигаемой проволоки к центру силикона и приклейте суперклеем. Убедитесь, что проволока достаточно длинная, чтобы поддерживать контакт с рельсами. Это будет удерживать снаряд на пути рельсов с меньшим трением по сравнению с первоначально использованным картоном.

ПРИМЕЧАНИЕ. Возможно, вам придется использовать ферритовый шарик большего размера, чтобы увеличить вес снаряда, если он вылетает при выстреле.

Шаг 8: установка конденсаторов

Выбранные конденсаторы можно рассматривать как батарею большего размера. Батарея, такая как конденсатор, держит заряд, который сбрасывается очень быстро по сравнению с обычными обычно используемыми батареями (AA, AAA и т. Д.). Скорость разряда зависит от постоянной времени; чем больше постоянная времени, тем дольше конденсатор будет удерживать свой заряд.

Формула для постоянной времени: [T] = R * C

[T] = постоянная времени

R = сопротивление

C = емкость (конденсатора)

Поскольку сопротивление меди не может сильно измениться, чтобы увеличить постоянную времени, позволяющую дольше удерживать заряд, мы можем увеличить емкость конденсаторов, подключив их параллельно с проводом 26 AWG. Полоса вдоль выбранного конденсатора показывает отрицательный знак (-), что означает, что ближайший к нему столб является отрицательным. Соедините их параллельно, соединив отрицательную клемму одного конденсатора с отрицательной клеммой следующего. Повторите то же самое с положительным постом. Это будет эквивалентно использованию 1 «батареи» в качестве источника питания, при этом емкость равна сумме количества конденсаторов, которые вы выбираете для подключения.

ВНИМАНИЕ: 3 конденсатора может быть недостаточно для удержания заряда, вы можете добавить больше по своему вкусу.

Шаг 9: Зарядка конденсаторов (1)

Выбранные мной конденсаторы выдерживают максимум 450 вольт. Чтобы зарядить эти конденсаторы, мы подаем на них 450 вольт от сетевой розетки.

ВАЖНО: проверьте напряжение, поставляемое в вашей стране. Это будет либо 120, либо 220 вольт переменного тока. В Канаде это 120 вольт, что означает, что мы должны умножить это примерно на 4, чтобы получить 450 вольт.

Используя 2 зажима типа «крокодил», подсоедините концы кабеля питания к одному трансформатору в точках 0 и 120. Используя еще 2 зажима «крокодил», соедините концы зажимов с другим концом трансформатора в точках 0 и 220. Это соотношение умножит напряжение от стены на 1,8.

Соедините концы зажимов типа "крокодил", идущие от первого трансформатора, ко второму трансформатору в точках 0 и 120. Используя еще 2 зажима из кожи аллигатора, соедините концы зажимов с другим концом трансформатора в точках 0 и 220. Это снова умножит напряжение на 1,8, что в сумме составляет 3,6.

Шаг 10: зарядка конденсаторов (2)

ВАЖНО: не прикасайтесь к концам шнура питания, иначе вы получите удар током. Оберните оголенные провода изолентой, чтобы вы не могли прикоснуться к ним. Также не прикасайтесь к концам зажимов типа «крокодил», подключенных к трансформатору.

Шаг 11: зарядка конденсаторов (3)

Проверьте напряжение на концах зажимов типа «крокодил», подключенных к концам второго трансформатора, с помощью мультиметра при настройке выше 450 В переменного тока (волнистая линия рядом с V, а не прямая линия). Напряжение при подключении к стене будет ниже ожидаемого из-за сопротивления проводов и всего, что подключено.

Шаг 12: Зарядка конденсаторов (4)

Поскольку мощность, идущая от стены, является переменным током, а конденсаторы необходимо заряжать постоянным током (у него положительная и отрицательная полярность на концах), мы используем мостовой выпрямитель, чтобы изменить мощность переменного тока на постоянный ток. Подсоедините концы зажимов типа «крокодил» второго трансформатора к 2 средним контактам мостового выпрямителя, убедившись, что зажимы типа «крокодил» не соприкасаются с другими контактами.

Шаг 13: зарядка конденсаторов (5)

Символ над внешними выводами мостового выпрямителя будет либо +, либо -. Подключите их к + и - концам конденсаторов, используя еще 2 зажима типа «крокодил».

Шаг 14: Зарядка конденсаторов (6)

Подключите шнур питания к стене и подождите 30 секунд или около того, чтобы конденсаторы полностью зарядились. Отключите шнур питания.

ВАЖНО: не касайтесь двух концов конденсаторов одновременно, иначе это может повредить. Проверьте, полностью ли заряжены конденсаторы, используя мультиметр при настройке выше 450 В постоянного тока (прямая линия рядом с V, а не волнистая линия).

Шаг 15: Зарядка конденсаторов (7)

ПРИМЕЧАНИЕ. Вы можете подключить конденсаторы последовательно (отрицательный вывод к положительному), чтобы увеличить напряжение создаваемого источника питания. Используйте одинаковое количество конденсаторов для каждого из параллельно соединенных наборов конденсаторов (пример: если 3 конденсатора выбраны для параллельного подключения на рисунке ниже, соедините серию с наборами из 3 параллельно соединенных конденсаторов, всего 6 конденсаторов.).

В этом примере 2 набора параллельно соединенных конденсаторов соединены последовательно для источника питания на 900 вольт. Каждый набор параллельно соединенных конденсаторов будет иметь общую емкость 940 мкФ.

Шаг 16: настройка рейлгана

Установите снаряд над одним концом стержня над частью магнита. Подключите отрицательный конец конденсатора к одному из концов шины с помощью зажима типа «крокодил», как ранее использовавшаяся батарея. Используя другой зажим «крокодил», соедините один конец зажима с другой направляющей, оставив другой конец зажима свободным.

Шаг 17: Стрельба из рейлгана

Подключите положительный конец конденсатора к свободному концу зажима типа «крокодил», который соединен с другим стержнем, и снаряд выстрелит.