Cum să faci o armă de cale ferată (știință explicată): 17 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

AVERTISMENT: Citiți pașii „IMPORTANți”, astfel încât să nu vă faceți rău sau să fiți electrocutați dacă decideți să faceți versiunea îmbunătățită a pistolului de cale ferată

Creat de: Duncan Yee

Prezentare generală

Conceptul de pistol de cale ferată constă în propulsarea unui obiect conductor de-a lungul a două șine conductoare datorită unei forțe magnetice și a unei forțe electrice. Direcția forței de propulsie se datorează câmpurilor electromagnetice numite forța Lorentz.

O particulă încărcată care se mișcă cu o viteză [V], printr-un câmp electric perpendicular pe un câmp magnetic [B], va experimenta o forță [F], așa cum este descrisă în diagrama din dreapta. Această diagramă ilustrează direcția forței Lorentz cu utilizarea regulii de la dreapta.

În cazul acestui experiment, mișcarea particulelor încărcate printr-un câmp electric este fluxul de sarcină electrică care se deplasează pe un fir de cupru. Câmpul magnetic este indus cu magneți de neodim foarte puternici.

Ecuația este astfel produsul încrucișat: [F] = Il X [B]

Eu - actual

l - lungimea firului

Părți

Magneți rectangulari mari de neodim (Lee's PID: 60012)

Sârmă de cupru 12AWD (Lee's PID: 22498)

Baterie de 12V (Lee's PID: 81036)

Clipuri de aligator (PID-ul lui Lee: 690)

Cuțit Exacto (PID-ul lui Lee: 5457)

Freză diagonală (PID-ul lui Lee: 10383)

Carton (coșul de reciclare al lui Lee)

Opțional: Busolă digitală (PID-ul lui Lee: 98411)

Piese care îmbunătățesc designul

Condensatori 450V 470uF (Lee’s PID: 8604)

Redresor de pod 600V 35A (Lee's PID: 71096)

60VA Transformatoare izolate în jos / în sus (PID-ul lui Lee: 10501)

Cablu de alimentare (PID-ul lui Lee: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lee’s PID: 224007) sau mai multe Clips de aligator

Bandă electrică (PID-ul lui Lee: 10564)

Super Glue (PID-ul lui Lee: 4327)

Ferită Bead (Lee's PID: 10812)

Etanșant siliconic (Lee PID: 16028)

Multimetru digital (Lee's PID: 10924)

Pasul 1: Decuparea firelor de cupru 12AWD și așezarea șinelor

Cu ajutorul cuțitului exacto, tăiați capacul de plastic al firului de cupru. Tăiați două benzi de fire la 2 picioare lungime cu tăietorul diagonal. Tăiați încă o fâșie de sârmă la 2 inci lungime care va fi folosită ca obiect propulsor. Cuprul este ales deoarece este un bun conductor de electricitate.

Decupați 2 cercuri mici din carton și introduceți o gaură în centrul cercului. Atașați acest lucru la capetele firului de 2 inci pentru a-l menține pe calea tijelor în timp ce este tras.

Încercați să nu îndoiți firele atunci când le aduceți acasă, astfel încât să le puteți îndrepta ca „șine”. Propuneți-le cu ceva care nu conduce electricitatea, astfel încât să nu se scurteze. Am folosit 2 rigle, dar puteți folosi cartonul găsit în coșul de reciclare al lui Lee. Prindeți un clip de aligator lăsând celălalt capăt liber pe fiecare capăt al șinelor.

Pasul 2: inducerea câmpului magnetic (1)

Cu înălțimea riglelor pe care le-am folosit, pot încadra 5 dintre magneții dreptunghiulari din neodim sub șine. Cu cât ai mai mulți magneți, cu atât forța magnetică este mai puternică. Asigurați-vă că magneții nu ating firele de cupru, deoarece aceasta va scurta din nou șinele.

Deoarece magneții de neodim constau dintr-un pol nord pe o parte și un pol sud pe cealaltă parte, stivați fețele în sus.

Păstrați magneții orientați în aceeași direcție pe tot parcursul acestui experiment. Scoateți un teanc de magneți la înălțimea dorită și plasați-le sub și între cele două șine. Așezați o altă stivă cât mai aproape posibil de-a lungul șinelor. Forța magnetică dintre aceste stive de magneți se va opune una altuia. Le-am ținut în loc cu cei doi conducători.

Pasul 3: Inducerea câmpului magnetic (2)

În acest moment, nu știm dacă forța magnetică este îndreptată în sus sau în jos. De asemenea, nu contează. Cu toate acestea, puteți determina direcția cu busola. Polul nord al busolei va fi îndreptat către polul sud al magnetului. Acest lucru vă va spune, de asemenea, direcția forței magnetice.

IMPORTANT: este foarte greu să mânuiți acești magneți și, dacă se sparg unul în celălalt, se vor sfărâma și rupe cu ușurință.

Pasul 4: Inducerea fluxului de încărcare electrică

Așezați firul de cupru de 2 inci îndreptat de-a lungul șinelor deasupra unuia din teancul de magneți. Aceasta va crea un scurtcircuit pe șine, dar de aici vrem să curgă încărcăturile electrice.

Conectați capetele libere ale clemelor de aligator, unul la capătul negativ al terminalului bateriei de 12V și unul la capătul pozitiv. Tija de 2 inch se va mișca acum. Direcția mișcării poate fi determinată de forțele descrise mai sus folosind regula mâinii drepte. Dacă nu ați folosit o busolă pentru a determina direcția forței magnetice, puteți schimba cu ușurință direcția tijei de propulsie schimbând conexiunile la terminalul bateriei. Din nou, acest lucru poate fi confirmat prin ilustrarea regulii de la dreapta.

Scoateți una dintre conexiunile clemei de aligator de la borna bateriei de 12V.

Pasul 5: Trageți cu pistolul

Așezați firul care trebuie propulsat pe un capăt al șinei la aproximativ un sfert deasupra primului teanc de magneți. Reconectați clema aligatorului la terminalul bateriei de 12V și firul va trage.

… Acest lucru nu va declanșa în mod impresionant, deoarece puteți vedea că firul va fi propulsat doar către următorul magnet și nu va avea nicio forță care să îl propulseze între magneți. Dar..

- - - - - - - - - - - - - Îmbunătățirea pistolului - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Pasul 6: Inducerea câmpului magnetic

Folosind un stick de măsurare robust din material neconductor (lemn, plastic), lipiți teancul de magneți pe una din părțile sale cu super adeziv și înfășurați-l cu bandă electrică. Așteptați să se usuce. Cu magneții orientați în aceeași direcție ca și designul original, repetați cu un alt teanc de magneți chiar lângă primul teanc. Acest lucru poate fi puțin dificil, deoarece magneții se vor opune. Obțineți pe cineva puternic să facă acest lucru.

Din nou, așteptați să se usuce și repetați până când rândul de magneți atinge lungimea șinelor. Așezați indicatorul sub și între cele două șine cu magneții pe partea opusă. Acest lucru va induce un câmp magnetic pe toată lungimea șinelor, permițând firului să continue să fie propulsat înainte.

Pasul 7: Configurarea proiectilului

Așezați talonul de ferită pe o suprafață plană și umpleți jumătate din talon cu etanșant siliconic și așteptați să se usuce. Lipiți capetele firului propulsat de centrul siliconului și lipiți-l în loc cu super lipici. Asigurați-vă că firul este suficient de lung pentru a păstra contactul cu șinele. Acest lucru va menține proiectilul pe calea șinelor cu o frecare mai mică în comparație cu cartonul folosit inițial.

NOTĂ: Este posibil să trebuiască să folosiți o margele de ferită mai mare pentru a crește greutatea proiectilului dacă acesta ajunge să zboare atunci când este tras.

Pasul 8: Configurarea condensatoarelor

Condensatoarele alese pot fi considerate ca fiind o baterie mai mare. Condensatorul de tip baterie deține o încărcare care scade foarte repede în comparație cu bateriile normale care sunt utilizate în mod obișnuit (AA, AAA etc.). Această rată de descărcare depinde de constanta de timp; cu cât constanta de timp este mai mare, cu atât condensatorul își va menține sarcina mai lungă.

Formula pentru constanta de timp este: [T] = R * C

[T] = constantă de timp

R = rezistență

C = capacitate (a condensatorului)

Deoarece rezistența cuprului nu se poate schimba drastic, pentru a crește constanta de timp care permite încărcarea să fie menținută mai mult, putem crește capacitatea condensatoarelor conectându-le în paralel cu firul de 26 AWG. Banda de-a lungul condensatorului ales prezintă un semn negativ (-) ceea ce înseamnă că postul cel mai apropiat de acesta este postul negativ. Conectați-le în paralel conectând stâlpul negativ al unui condensator la stâlpul negativ al următorului. Repetați cu postarea pozitivă. Acest lucru va fi echivalent cu utilizarea unei „baterii” ca sursă de energie, capacitatea fiind suma numărului de condensatori pe care alegeți să îi conectați.

NOTĂ: Este posibil ca 3 condensatoare să nu fie suficiente pentru a menține încărcarea, puteți adăuga mai multe pe placul dvs.

Pasul 9: Încărcarea condensatoarelor (1)

Condensatoarele pe care le-am ales pot conține maximum 450 de volți. Pentru a încărca aceste condensatoare, le aplicăm 450 de volți folosind puterea furnizată de la priza de perete.

IMPORTANT: verificați tensiunea furnizată de țara dumneavoastră. Acesta va fi de 120 sau 220 volți AC. În Canada este de 120 de volți, ceea ce înseamnă că trebuie să înmulțim acest lucru aproximativ cu 4 pentru a ajunge la 450 de volți.

Folosind 2 cleme de aligator, conectați capetele cablului de alimentare la un transformator la 0 și 120. Folosind încă 2 cleme de aligator, conectați capetele clemelor la celălalt capăt al transformatorului la 0 și 220. Acest raport va multiplica tensiunea de la perete cu 1,8.

Conectați capetele clemelor de aligator care vin de la primul transformator la al doilea transformator la 0 și 120. Folosind încă 2 cleme de aligator, conectați capetele clemelor la celălalt capăt al transformatorului la 0 și 220. Acest lucru va înmulți din nou tensiune cu 1,8, dând un total de 3,6.

Pasul 10: Încărcarea condensatoarelor (2)

IMPORTANT: nu atingeți capetele cablului de alimentare sau veți fi electrocutat. Înfășurați firele expuse folosind bandă electrică, astfel încât să nu le puteți atinge. Nu atingeți nici capetele clemelor de aligator conectate la transformator.

Pasul 11: Încărcarea condensatoarelor (3)

Testați tensiunea de la capetele clemelor de aligator conectate la capetele celui de-al doilea transformator cu multimetrul la o setare de peste 450V AC (linie zgârcită lângă V, nu dreaptă). Tensiunea atunci când este conectată la perete va fi mai mică decât se aștepta datorită rezistenței firelor și a tot ceea ce este conectat.

Pasul 12: Încărcarea condensatoarelor (4)

Deoarece puterea care vine de la perete este de curent alternativ și condensatorii trebuie încărcați cu curent continuu (are o polaritate pozitivă și negativă la capetele sale), folosim redresorul de punte pentru a schimba puterea de curent alternativ la curent continuu. Conectați capetele clemelor de aligator de la cel de-al doilea transformator la cele 2 știfturi din mijloc ale redresorului de punte, asigurându-vă că clemele de aligator nu ating niciunul dintre ceilalți știfturi.

Pasul 13: Încărcarea condensatoarelor (5)

Simbolul de deasupra știfturilor exterioare ale redresorului de punte va fi + sau -. Conectați-le la capetele + și - ale condensatoarelor folosind încă 2 cleme de aligator.

Pasul 14: Încărcarea condensatoarelor (6)

Conectați cablul de alimentare la perete și așteptați aproximativ 30 de secunde până când condensatorii se încarcă complet. Deconectați cablul de alimentare.

IMPORTANT: nu atingeți cele două capete ale condensatoarelor în același timp, altfel ar putea dăuna. Testați dacă condensatorii sunt complet încărcați folosind multimetrul la o setare de peste 450V DC (linia dreaptă lângă V, nu linia zgârcită).

Pasul 15: Încărcarea condensatoarelor (7)

NOTĂ: Puteți conecta condensatoarele în serie (post negativ la post pozitiv) pentru a crește tensiunea sursei de energie creată. Folosiți același număr de condensatori pentru fiecare dintre seturile de condensatori conectați în paralel (exemplu: dacă sunt selectați 3 condensatori pentru a fi conectați în paralel în imaginea de mai jos, conectați seria cu seturi de 3 condensatori conectați în paralel cu un total de 6 condensatori).

În acest exemplu, 2 seturi de condensatori conectați în paralel sunt conectați în serie pentru o sursă de alimentare de 900 volți. Fiecare set de condensatori conectați în paralel va avea o capacitate totală de 940uF.

Pasul 16: Configurarea Railgun

Montați proiectilul deasupra unui capăt al tijei deasupra unei porțiuni a magnetului. Conectați capătul negativ al condensatorului la unul dintre capetele șinei cu o clemă de aligator ca bateria utilizată anterior. Folosind un alt clip aligator, conectați un capăt al clipului la cealaltă șină, lăsând celălalt capăt al clipului liber.

Pasul 17: Tragerea pistolului

Conectați capătul pozitiv al condensatorului la capătul liber al clemei de aligator care este conectată la cealaltă tijă și proiectilul va trage.