Come costruire un fucile a rotaia (spiegazione scientifica): 17 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

ATTENZIONE: leggere i passaggi "IMPORTANTI" in modo da non ferirsi o rimanere fulminati se si decide di realizzare la versione migliorata del fucile a rotaia

Creato da: Duncan Yee

Panoramica

Il concetto di un cannone a rotaia consiste nel spingere un oggetto conduttore lungo 2 binari conduttori a causa di una forza magnetica e di una forza elettrica. La direzione della forza propulsiva è dovuta a campi elettromagnetici chiamati forza di Lorentz.

Una particella carica che si muove con una velocità [V], attraverso un campo elettrico perpendicolare a un campo magnetico [B], sperimenterà una forza [F], come illustrato nel diagramma a destra. Questo diagramma illustra la direzione della forza di Lorentz con l'uso della regola della mano destra.

Nel caso di questo esperimento, il movimento di particelle cariche attraverso un campo elettrico è il flusso di carica elettrica che si muove attraverso un filo di rame. Il campo magnetico viene indotto con magneti al neodimio molto potenti.

L'equazione è quindi il prodotto vettoriale: [F] = Il X [B]

io – attuale

l – lunghezza del filo

Parti

Magneti al neodimio rettangolari grandi (PID di Lee: 60012)

Filo di rame 12AWD (PID di Lee: 22498)

Batteria da 12 V (PID di Lee: 81036)

Clip a coccodrillo (PID di Lee: 690)

Coltello Exacto (PID di Lee: 5457)

Taglierina diagonale (PID di Lee: 10383)

Cartone (cestino di riciclaggio di Lee)

Opzionale: bussola digitale (PID di Lee: 98411)

Parti che migliorano il design

Condensatori 450V 470uF (PID di Lee: 8604)

Raddrizzatore a ponte 600V 35A (PID di Lee: 71096)

Trasformatori isolati step down/up da 60 VA (PID di Lee: 10501)

Cavo di alimentazione (PID di Lee: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (PID di Lee: 224007) o più clip a coccodrillo

Nastro isolante (PID di Lee: 10564)

Super colla (PID di Lee: 4327)

Perle di ferrite (PID di Lee: 10812)

Sigillante siliconico (PID di Lee: 16028)

Multimetro digitale (PID di Lee: 10924)

Passaggio 1: spellatura dei fili di rame 12AWD e posizionamento delle rotaie

Usando il coltello esatto, taglia via la copertura di plastica del filo di rame. Tagliare due strisce di fili a 2 piedi di lunghezza con il tronchese diagonale. Taglia un'altra striscia di filo a 2 pollici di lunghezza che verrà utilizzata come oggetto di propulsione. Il rame è scelto in quanto è un buon conduttore di elettricità.

Ritaglia 2 piccoli cerchi dal cartone e fai un buco al centro del cerchio. Attaccalo alle estremità del filo da 2 pollici per tenerlo sul percorso delle aste mentre viene sparato.

Cerca di non piegare i fili quando li porti a casa in modo da poterli raddrizzare come "binari". Sostienili con qualcosa che non conduca elettricità in modo che non vadano in cortocircuito. Ho usato 2 righelli, ma puoi usare il cartone trovato nel cestino del riciclaggio di Lee. Agganciare un coccodrillo lasciando l'altra estremità libera su ciascuna estremità dei binari.

Passaggio 2: induzione del campo magnetico (1)

Con l'altezza dei righelli che ho usato, posso inserire 5 dei magneti al neodimio rettangolari sotto le guide. Più magneti hai impilato, più forte è la forza magnetica. Assicurati che i magneti non tocchino i fili di rame poiché ciò causerà di nuovo un cortocircuito tra i binari.

Poiché i magneti al neodimio sono costituiti da un polo nord da un lato e da un polo sud dall'altro, impilare le facce verso l'alto.

Tieni i magneti rivolti nella stessa direzione durante questo esperimento. Rimuovere una pila di magneti all'altezza desiderata e posizionarli sotto e tra i due binari. Posiziona un'altra pila il più vicino possibile lungo i binari. La forza magnetica tra queste pile di magneti si opporrà l'una all'altra. Li tenni in posizione con i due righelli.

Passaggio 3: induzione del campo magnetico (2)

A questo punto, non sappiamo se la forza magnetica è diretta verso l'alto o verso il basso. Inoltre non importa. Tuttavia, puoi determinare la direzione con la bussola. Il polo nord della bussola sarà diretto al polo sud del magnete. Questo ti dirà anche la direzione della forza magnetica.

IMPORTANTE: è davvero difficile maneggiare questi magneti e se si schiantano l'uno contro l'altro, si frantumeranno e si romperanno facilmente.

Passaggio 4: indurre il flusso di carica elettrica

Posiziona il filo di rame raddrizzato da 2 pollici lungo le guide sopra una delle pile di magneti. Questo creerà un cortocircuito sui binari, ma è qui che vogliamo che le cariche elettriche scorrano.

Collegare le estremità libere delle pinze a coccodrillo, una all'estremità negativa del terminale della batteria da 12 V e una all'estremità positiva. L'asta da 2 pollici ora si muoverà. La direzione del movimento può essere determinata dalle forze sopra descritte utilizzando la regola della mano destra. Se non hai utilizzato una bussola per determinare la direzione della forza magnetica, puoi facilmente cambiare la direzione dell'asta di propulsione scambiando i collegamenti al terminale della batteria. Di nuovo, questo può essere confermato con l'illustrazione della regola della mano destra.

Rimuovere uno dei collegamenti della clip a coccodrillo dal terminale della batteria da 12 V.

Passaggio 5: sparare con il cannone a rotaia

Posiziona il filo da spingere su un'estremità del binario a circa 1 quarto sopra la prima pila di magneti. Ricollegare la clip a coccodrillo al terminale della batteria da 12 V e il filo scatterà.

… Questo non si attiverà in modo impressionante poiché puoi vedere che il filo verrà proiettato solo verso il magnete successivo e non avrà alcuna forza che lo spinga tra i magneti. Ma..

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Passaggio 6: indurre il campo magnetico

Usando un robusto metro in materiale non conduttore (legno, plastica), incollare la pila di magneti su uno dei suoi lati con colla super e avvolgerla in posizione con nastro isolante. Aspetta che si asciughi. Con i magneti rivolti nella stessa direzione del disegno originale, ripeti con un'altra pila di magneti proprio accanto alla prima pila. Questo potrebbe essere un po' difficile poiché i magneti si opporranno l'uno all'altro. Trova qualcuno di forte per farlo.

Di nuovo, aspetta che si asciughi e ripeti finché la fila di magneti non raggiunge la lunghezza dei binari. Posiziona lo stick del misuratore sotto e tra le 2 guide con i magneti sul lato opposto. Ciò indurrà un campo magnetico per tutta la lunghezza delle rotaie consentendo al filo di continuare a essere spinto in avanti.

Passaggio 7: impostazione del proiettile

Posizionare il tallone di ferrite su una superficie piana e riempire metà del tallone con sigillante siliconico e attendere che si asciughi. Attacca le estremità del filo da spingere al centro del silicone e incollalo in posizione con una super colla. Assicurati che il filo sia abbastanza lungo da mantenere il contatto con le rotaie. Ciò manterrà il proiettile sul percorso delle rotaie con minore attrito rispetto al cartone originariamente utilizzato.

NOTA: potrebbe essere necessario utilizzare una perlina di ferrite più grande per aumentare il peso del proiettile se finisce per volare via quando viene sparato.

Passaggio 8: configurazione dei condensatori

I condensatori scelti possono essere pensati come una batteria più grande. La batteria come il condensatore mantiene una carica che si scarica molto velocemente rispetto alle normali batterie comunemente usate (AA, AAA, ecc.). Questa velocità di scarica dipende dalla costante di tempo; maggiore è la costante di tempo, più a lungo il condensatore manterrà la sua carica.

La formula per la costante di tempo è: [T] = R * C

[T] = costante di tempo

R = resistenza

C = capacità (del condensatore)

Poiché la resistenza del rame non può cambiare drasticamente, per aumentare la costante di tempo permettendo di mantenere la carica più a lungo, possiamo aumentare la capacità dei condensatori collegandoli in parallelo con il filo 26 AWG. La striscia lungo il condensatore scelto mostra un segno negativo (-) che significa che il polo più vicino ad esso è il polo negativo. Collegali in parallelo collegando il polo negativo di un condensatore al polo negativo del successivo. Ripeti con il post positivo. Ciò equivarrà a utilizzare 1 "batteria" come fonte di alimentazione con la capacità che è la somma del numero di condensatori che si sceglie di collegare.

NOTA: 3 condensatori potrebbero non essere sufficienti per mantenere la carica, puoi aggiungerne altri a tuo piacimento.

Passaggio 9: ricarica dei condensatori (1)

I condensatori che ho scelto possono contenere un massimo di 450 volt. Per caricare questi condensatori, applichiamo loro 450 volt utilizzando l'alimentazione fornita dalla presa a muro.

IMPORTANTE: verificare la tensione fornita dal proprio paese. Sarà 120 o 220 volt AC. In Canada è 120 volt, il che significa che dobbiamo moltiplicarlo all'incirca per 4 per raggiungere 450 volt.

Utilizzando 2 clip a coccodrillo, collegare le estremità del cavo di alimentazione a un trasformatore a 0 e 120. Utilizzando altre 2 clip a coccodrillo, collegare le estremità delle clip all'altra estremità del trasformatore a 0 e 220. Questo rapporto moltiplicherà la tensione dal muro per 1.8.

Collegare le estremità delle clip a coccodrillo provenienti dal primo trasformatore al secondo trasformatore a 0 e 120. Utilizzando altre 2 clip a coccodrillo, collegare le estremità delle clip all'altra estremità del trasformatore a 0 e 220. Questo moltiplicherà nuovamente il tensione di 1,8 per un totale di 3,6.

Passaggio 10: ricarica dei condensatori (2)

IMPORTANTE: non toccate le estremità del cavo di alimentazione o verrete fulminati. Avvolgi i fili scoperti usando del nastro isolante in modo da non poterli toccare. Non toccare nemmeno le estremità dei coccodrilli collegati al trasformatore.

Passaggio 11: ricarica dei condensatori (3)

Testare la tensione dalle estremità dei morsetti a coccodrillo collegati alle estremità del secondo trasformatore con il multimetro a un'impostazione superiore a 450 V CA (linea ondulata accanto alla V, non la linea retta). La tensione quando è collegata al muro sarà inferiore al previsto a causa della resistenza dei fili e di tutto ciò che è collegato.

Passaggio 12: ricarica dei condensatori (4)

Poiché l'alimentazione proveniente dal muro è AC e i condensatori devono essere caricati con alimentazione DC (ha una polarità positiva e negativa alle sue estremità), usiamo il raddrizzatore a ponte per cambiare l'alimentazione AC in DC. Collegare le estremità dei coccodrilli dal secondo trasformatore ai 2 piedini centrali del raddrizzatore a ponte assicurandosi che i coccodrilli non tocchino nessuno degli altri piedini.

Passaggio 13: ricarica dei condensatori (5)

Il simbolo sopra i pin esterni del raddrizzatore a ponte sarà + o -. Collegali alle estremità + e – dei condensatori usando altre 2 clip a coccodrillo.

Passaggio 14: ricarica dei condensatori (6)

Collega il cavo di alimentazione al muro e attendi 30 secondi circa affinché i condensatori si carichino completamente. Scollegare il cavo di alimentazione.

IMPORTANTE: non toccare contemporaneamente le due estremità dei condensatori altrimenti potrebbe ferirsi. Verifica se i condensatori sono completamente carichi utilizzando il multimetro con un'impostazione superiore a 450 V CC (linea dritta accanto alla V, non la linea ondulata).

Passaggio 15: ricarica dei condensatori (7)

NOTA: È possibile collegare i condensatori in serie (polo negativo a polo positivo) per aumentare la tensione della fonte di alimentazione creata. Utilizzare lo stesso numero di condensatori per ciascuno dei gruppi di condensatori collegati in parallelo (esempio: se si scelgono 3 condensatori da collegare in parallelo nella figura sottostante, collegare la serie con gruppi di 3 condensatori collegati in parallelo con un totale di 6 condensatori).

In questo esempio, 2 set di condensatori collegati in parallelo sono collegati in serie per una fonte di alimentazione di 900 volt. Ogni set di condensatori collegati in parallelo avrà una capacità totale di 940uF.

Passaggio 16: installazione del cannone a rotaia

Posiziona il proiettile sopra un'estremità dell'asta sopra una parte del magnete. Collegare l'estremità negativa del condensatore a una delle estremità del binario con un coccodrillo come la batteria utilizzata in precedenza. Usando un'altra clip a coccodrillo, collega un'estremità della clip all'altra guida lasciando libera l'altra estremità della clip.

Passaggio 17: sparare con il cannone a rotaia

Collega l'estremità positiva del condensatore all'estremità libera della clip a coccodrillo che è collegata all'altra asta e il proiettile sparerà.