Com fer una pistola de ferrocarril (explicació científica): 17 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

ADVERTÈNCIA: Llegiu els passos "IMPORTANTS" perquè no us feu mal ni us electrocuteu si decidiu fer la versió millorada de la pistola de ferrocarril

Creat per: Duncan Yee

Visió general

El concepte de pistola de ferrocarril consisteix a propulsar un objecte conductor al llarg de 2 rails conductors a causa d’una força magnètica i una força elèctrica. La direcció de la força propulsora es deu a uns camps electromagnètics anomenats força de Lorentz.

Una partícula carregada que es mou amb una velocitat [V], a través d’un camp elèctric perpendicular a un camp magnètic [B], experimentarà una força [F], tal com es representa al diagrama de la dreta. Aquest diagrama il·lustra la direcció de la força de Lorentz amb l'ús de la regla de la mà dreta.

En el cas d’aquest experiment, el moviment de partícules carregades a través d’un camp elèctric és el flux de càrrega elèctrica que es mou a través d’un fil de coure. El camp magnètic s’indueix amb imants de neodimi molt forts.

L’equació és, doncs, el producte creuat: [F] = Il X [B]

Jo - actual

l - longitud del cable

Parts

Imants rectangulars de neodimi grans (PID de Lee: 60012)

Fil de coure 12AWD (PID de Lee: 22498)

Bateria de 12 V (PID de Lee: 81036)

Clips de cocodril (PID de Lee: 690)

Ganivet Exacto (PID de Lee: 5457)

Tallador diagonal (PID de Lee: 10383)

Cartró (paperera de reciclatge de Lee)

Opcional: brúixola digital (PID de Lee: 98411)

Parts que milloren el disseny

Condensadors de 450V 470uF (PID de Lee: 8604)

Rectificador de pont de 600V 35A (PID de Lee: 71096)

60VA Transformadors aïllats de baixada / pujada (PID de Lee: 10501)

Cable d'alimentació (PID de Lee: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (PID de Lee: 224007) o més Clips de cocodril

Cinta elèctrica (PID de Lee: 10564)

Super Glue (PID de Lee: 4327)

Perla de ferrita (PID de Lee: 10812)

Segellador de silicona (PID de Lee: 16028)

Multímetre digital (PID de Lee: 10924)

Pas 1: despullar els cables de coure 12AWD i col·locar els rails

Amb el ganivet exacto, talleu la tapa de plàstic del fil de coure. Tallar dues tires de cables de 2 peus de llarg amb el tallador diagonal. Talleu una tira de filferro més de 2 polzades de llarg que s'utilitzarà com a objecte propulsor. Es tria el coure ja que és un bon conductor de l’electricitat.

Retalleu 2 petits cercles del cartró i introduïu un forat al centre del cercle. Connecteu-lo als extrems del cable de 2 polzades per mantenir-lo al camí de les barres mentre es dispara.

Intenteu no doblegar els cables quan els porteu a casa perquè pugueu redreçar-los com a "rails". Apunteu-los amb alguna cosa que no condueixi l’electricitat perquè no es curtin. He utilitzat 2 regles, però podeu utilitzar el cartró que es troba a la paperera de reciclatge de Lee. Retalleu un clip de cocodril deixant lliure l'altre extrem a cada extrem dels rails.

Pas 2: induir el camp magnètic (1)

Amb l’alçada de les regles que he utilitzat, puc encabir 5 dels imants rectangulars de neodimi sota els rails. Com més imants tingueu apilats, més forta serà la força magnètica. Assegureu-vos que els imants no toquin els cables de coure, ja que tornaran a curt els carrils.

Com que els imants de neodimi consten d’un pol nord per un costat i un pol sud per l’altre costat, apileu les cares cap amunt.

Mantingueu els imants cap a la mateixa direcció durant tot aquest experiment. Traieu una pila d'imants a l'alçada desitjada i col·loqueu-los sota i entre els dos rails. Col·loqueu una altra pila el més a prop possible al llarg dels rails. La força magnètica entre aquestes piles d’imants s’oposarà l’una a l’altra. Els vaig mantenir al seu lloc amb els dos governants.

Pas 3: induir el camp magnètic (2)

En aquest moment, no sabem si la força magnètica està dirigida cap amunt o cap avall. Tampoc no importa. Tot i això, podeu determinar la direcció amb la brúixola. El pol nord de la brúixola es dirigirà cap al pol sud de l’imant. Això també us indicarà la direcció de la força magnètica.

IMPORTANT: és molt difícil manejar aquests imants i, si es trenquen, es trencaran i es trencaran fàcilment.

Pas 4: induir el flux de càrrega elèctrica

Col·loqueu el filferro de coure estirat de 2 polzades al llarg dels rails per sobre d’una de les piles d’imants. Això crearà un curt sobre els rails, però és aquí on volem que flueixin les càrregues elèctriques.

Connecteu els extrems lliures dels clips de cocodril, un a l’extrem negatiu del terminal de la bateria de 12V i un a l’extrem positiu. Ara la barra de 2 polzades es mourà. La direcció del moviment es pot determinar mitjançant les forces descrites anteriorment mitjançant la regla de la mà dreta. Si no heu utilitzat una brúixola per determinar la direcció de la força magnètica, podeu canviar fàcilment la direcció de la barra propulsora canviant les connexions al terminal de la bateria. Una vegada més, això es pot confirmar amb la il·lustració de la regla de la dreta.

Traieu una de les connexions del clip de cocodril del terminal de la bateria de 12V.

Pas 5: disparar la pistola de ferrocarril

Col·loqueu el filferro que es propulsarà en un extrem del carril aproximadament 1 quart per sobre de la primera pila d’imants. Torneu a connectar el clip de cocodril al terminal de la bateria de 12V i el filferro dispararà.

… Això no dispararà de manera impressionant, ja que podeu veure que el fil només es propulsarà al següent imant i no tindrà cap força que el propulsi entre els imants. Però..

- - - - - - - - - - - - - Millorar el Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Pas 6: induir el camp magnètic

Feu servir un bastonet resistent de material no conductor (fusta, plàstic) per enganxar la pila d’imants a un dels seus costats amb una súper cola i emboliqueu-la amb cinta elèctrica. Espereu que s’assequi. Amb els imants orientats a la mateixa direcció que el disseny original, repetiu amb una altra pila d’imants just al costat de la primera pila. Això pot ser una mica difícil, ja que els imants s’oposaran. Feu que algú fort ho faci.

De nou, espereu que s’assequi i repetiu fins que la fila d’imants arribi a la longitud dels rails. Col·loqueu el pal metre sota i entre els 2 carrils amb els imants al costat oposat. Això induirà un camp magnètic a tota la longitud dels rails que permetrà que el fil continuï propulsant-se cap endavant.

Pas 7: Configuració del projectil

Col·loqueu el cordó de ferrita sobre una superfície plana i ompliu la meitat del cordó amb segellador de silicona i espereu que s’assequi. Enganxeu els extrems del fil que s’impulsa al centre de la silicona i enganxeu-lo al lloc amb una súper cola. Assegureu-vos que el cable sigui prou llarg per mantenir el seu contacte amb els rails. D’aquesta manera, el projectil mantindrà el recorregut dels rails amb menys fricció en comparació amb el cartró utilitzat originalment.

NOTA: És possible que hàgiu d'utilitzar un cordó de ferrita més gran per augmentar el pes del projectil si acaba volant quan es dispara.

Pas 8: Configuració dels condensadors

Es pot considerar que els condensadors escollits són una bateria més gran. El condensador tipus bateria té una càrrega que es baixa molt ràpidament en comparació amb les bateries normals que s’utilitzen habitualment (AA, AAA, etc.). Aquesta velocitat de descàrrega depèn de la constant de temps; com més gran sigui la constant de temps, més temps el condensador mantindrà la seva càrrega.

La fórmula de la constant de temps és: [T] = R * C

[T] = constant de temps

R = resistència

C = capacitat (del condensador)

Com que la resistència del coure no pot canviar dràsticament, per augmentar la constant de temps que permet que la càrrega es mantingui més temps, podem augmentar la capacitat dels condensadors connectant-los en paral·lel amb el cable de 26 AWG. La franja al llarg del condensador triat mostra un signe negatiu (-) que significa que el pal més proper és el pal negatiu. Connecteu-los en paral·lel connectant el pal negatiu d’un condensador al pal negatiu del següent. Repetiu amb la publicació positiva. Això equivaldrà a fer servir 1 ‘bateria’ com a font d’energia, sent la capacitat la suma del nombre de condensadors que trieu connectar.

NOTA: És possible que 3 condensadors no siguin suficients per mantenir la càrrega; podeu afegir-ne més al vostre gust.

Pas 9: carregar els condensadors (1)

Els condensadors que he triat poden contenir un màxim de 450 volts. Per carregar aquests condensadors, els hi apliquem 450 volts mitjançant l’energia subministrada per la presa de corrent.

IMPORTANT: comproveu la tensió subministrada pel vostre país. Tindrà 120 o 220 volts de corrent altern. Al Canadà són 120 volts, cosa que significa que hem de multiplicar aproximadament per 4 per arribar als 450 volts.

Mitjançant 2 clips de cocodril, connecteu els extrems del cable d'alimentació a un transformador a 0 i 120. Amb dos clips de cocodril més, connecteu els extrems dels clips a l'altre extrem del transformador a 0 i 220. Aquesta relació multiplicarà la tensió de la paret per 1,8.

Connecteu els extrems dels clips de cocodril que provenen del primer transformador al segon transformador a 0 i 120. Utilitzant 2 clips de cocodril més, connecteu els extrems dels clips a l’altre extrem del transformador a 0 i 220. Això tornarà a multiplicar la voltatge per 1,8 donant un total de 3,6.

Pas 10: carregar els condensadors (2)

IMPORTANT: no toqueu els extrems del cable d'alimentació, ja que quedareu electrocutat. Emboliqueu els cables exposats amb cinta elèctrica perquè no els pugueu tocar. Tampoc toqueu els extrems dels clips de cocodril connectats al transformador.

Pas 11: carregar els condensadors (3)

Proveu el voltatge dels extrems dels clips de cocodril connectats als extrems del segon transformador amb el multímetre en un paràmetre superior a 450 V CA (línia esquitxada al costat de la V, no la línia recta). Quan es connecta a la paret, el voltatge serà inferior a l’esperat a causa de la resistència dels cables i de tot allò connectat.

Pas 12: carregar els condensadors (4)

Com que la potència provinent de la paret és de CA i els condensadors s’han de carregar amb corrent continu (té una polaritat positiva i negativa als seus extrems), fem servir el rectificador de pont per canviar la potència de corrent altern a CC. Connecteu els extrems dels clips de cocodril del segon transformador als 2 pins centrals del rectificador de pont assegurant-vos que els clips de cocodril no toquin cap dels altres pins.

Pas 13: Càrrega dels condensadors (5)

El símbol situat a sobre dels passadors externs del rectificador de pont serà + o -. Connecteu-los als extrems + i - dels condensadors mitjançant 2 clips de cocodril més.

Pas 14: carregar els condensadors (6)

Connecteu el cable d'alimentació a la paret i espereu uns 30 segons aproximadament fins que els condensadors es carreguin completament. Desconnecteu el cable d'alimentació.

IMPORTANT: no toqueu els dos extrems dels condensadors alhora, ja que pot fer mal. Comproveu si els condensadors estan completament carregats mitjançant el multímetre a una configuració superior a 450 V CC (línia recta al costat de la V, no la línia esglaonada).

Pas 15: carregar els condensadors (7)

NOTA: Podeu connectar els condensadors en sèrie (post negatiu a post positiu) per augmentar el voltatge de la font d'alimentació creada. Utilitzeu el mateix nombre de condensadors per a cadascun dels conjunts de condensadors connectats en paral·lel (exemple: si es trien 3 condensadors per connectar-los en paral·lel a la imatge següent, connecteu la sèrie amb conjunts de 3 condensadors connectats en paral·lel amb un total de 6 condensadors).

En aquest exemple, es connecten 2 conjunts de condensadors connectats en paral·lel en sèrie per a una font d'alimentació de 900 volts. Cada conjunt de condensadors connectats en paral·lel tindrà una capacitat total de 940uF.

Pas 16: Configuració del Railgun

Instal·leu el projectil per sobre d’un extrem de la vareta per sobre d’una porció de l’imant. Connecteu l'extrem negatiu del condensador a un dels extrems del carril amb un clip de cocodril com la bateria anteriorment utilitzada. Utilitzant un altre clip de cocodril, connecteu un extrem del clip a l’altre rail deixant lliure l’altre extrem del clip.

Pas 17: disparar la pistola de ferrocarril

Connecteu l'extrem positiu del condensador a l'extrem lliure del clip de cocodril que està connectat a l'altra barra i el projectil dispararà.