วิธีทำ Railgun (อธิบายวิทยาศาสตร์): 17 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

คำเตือน: อ่านขั้นตอน "สำคัญ" เพื่อที่คุณจะไม่ทำร้ายตัวเองหรือถูกไฟฟ้าดูด หากคุณตัดสินใจที่จะสร้าง railgun รุ่นปรับปรุง

สร้างโดย: Duncan Yee

ภาพรวม

แนวคิดของปืนรางรถไฟประกอบด้วยการขับเคลื่อนวัตถุนำไฟฟ้าไปตามรางนำไฟฟ้า 2 รางเนื่องจากแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้า ทิศทางของแรงขับเคลื่อนเกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่าแรงลอเรนซ์

อนุภาคที่มีประจุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว [V] ผ่านสนามไฟฟ้าที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก [B] จะพบกับแรง [F] ตามที่แสดงในแผนภาพทางด้านขวา แผนภาพนี้แสดงทิศทางของแรงลอเรนซ์ด้วยการใช้กฎมือขวา

ในกรณีของการทดลองนี้ การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุผ่านสนามไฟฟ้าคือการไหลของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ผ่านลวดทองแดง สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นด้วยแม่เหล็กนีโอไดเมียมที่แรงมาก

สมการจึงเป็นผลคูณไขว้: [F] = Il X [B]

ฉัน – ปัจจุบัน

l – ความยาวของเส้นลวด

อะไหล่

แม่เหล็กนีโอไดเมียมสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ (Lee's PID: 60012)

ลวดทองแดง 12AWD (Lee's PID: 22498)

แบตเตอรี่ 12V (Lee's PID: 81036)

คลิปจระเข้ (Lee's PID: 690)

มีด Exacto (Lee's PID: 5457)

เครื่องตัดแนวทแยง (Lee's PID: 10383)

กระดาษแข็ง (ถังขยะรีไซเคิลของ Lee)

ทางเลือก: เข็มทิศดิจิตอล (Lee's PID: 98411)

ชิ้นส่วนปรับปรุงการออกแบบ

ตัวเก็บประจุ 450V 470uF (Lee's PID: 8604)

600V 35A วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ (Lee's PID: 71096)

60VA สเต็ปดาวน์/อัพ หม้อแปลงแยก (Lee's PID: 10501)

สายไฟ (Lee's PID: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lee's PID: 224007) หรือมากกว่า Alligator Clips

เทปพันสายไฟ (Lee's PID: 10564)

ซุปเปอร์กลู (Lee's PID: 4327)

ลูกปัดเฟอร์ไรท์ (Lee's PID: 10812)

กาวซิลิโคน (Lee's PID: 16028)

ดิจิตอลมัลติมิเตอร์ (Lee's PID: 10924)

ขั้นตอนที่ 1: การปอกสายทองแดง 12AWD และวางราง

ใช้มีด excto ตัดลวดทองแดงที่หุ้มพลาสติกออก ตัดสายไฟสองเส้นที่ยาว 2 ฟุตด้วยมีดคัตเตอร์แนวทแยง ตัดลวดอีก 1 เส้น ยาว 2 นิ้ว ซึ่งจะใช้เป็นตัวขับเคลื่อน ทองแดงถูกเลือกให้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี

ตัดวงกลมเล็กๆ 2 วงออกจากกระดาษแข็งแล้วเจาะรูตรงกลางวงกลม แนบสิ่งนี้เข้ากับปลายลวดขนาด 2 นิ้วเพื่อให้อยู่บนเส้นทางของแท่งในขณะที่กำลังยิง

พยายามอย่างอสายไฟเมื่อคุณนำมันกลับบ้านเพื่อให้คุณสามารถยืดมันออกมาเป็น 'ราง' ได้ ประคองพวกเขาด้วยสิ่งที่ไม่นำไฟฟ้าเพื่อไม่ให้ไฟฟ้าลัดวงจร ฉันใช้ไม้บรรทัด 2 ชิ้น แต่คุณสามารถใช้กระดาษแข็งที่พบในถังขยะรีไซเคิลของ Lee ได้ หนีบคลิปจระเข้โดยปล่อยให้ปลายอีกด้านหนึ่งว่างที่ปลายแต่ละด้านของราง

ขั้นตอนที่ 2: การกระตุ้นสนามแม่เหล็ก (1)

ด้วยความสูงของไม้บรรทัดที่ฉันใช้ ฉันสามารถใส่แม่เหล็กนีโอไดเมียมสี่เหลี่ยม 5 ชิ้นไว้ใต้รางได้ ยิ่งคุณวางซ้อนแม่เหล็กมากเท่าไหร่ แรงแม่เหล็กก็จะยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแม่เหล็กไม่ได้สัมผัสกับสายทองแดงเนื่องจากจะทำให้รางสั้นอีกครั้ง

เนื่องจากแม่เหล็กนีโอไดเมียมประกอบด้วยขั้วเหนือด้านหนึ่งและขั้วใต้อีกด้านหนึ่ง ให้หงายหน้าขึ้น

ให้แม่เหล็กหันไปทางเดียวกันตลอดการทดลองนี้ นำแม่เหล็กกองหนึ่งออกตามความสูงที่ต้องการแล้ววางไว้ใต้และระหว่างรางทั้งสอง วางกองอีกกองไว้ใกล้ที่สุดตามราง แรงแม่เหล็กระหว่างกองแม่เหล็กเหล่านี้จะต้านกัน ฉันถือพวกเขาไว้กับผู้ปกครองสองคน

ขั้นตอนที่ 3: การกระตุ้นสนามแม่เหล็ก (2)

ณ จุดนี้ เราไม่รู้ว่าแรงแม่เหล็กพุ่งขึ้นหรือลง มันยังไม่สำคัญ อย่างไรก็ตาม คุณสามารถกำหนดทิศทางด้วยเข็มทิศได้ ขั้วเหนือของเข็มทิศจะมุ่งไปที่ขั้วใต้ของแม่เหล็ก สิ่งนี้จะบอกทิศทางของแรงแม่เหล็กให้คุณทราบด้วย

สำคัญ: เป็นเรื่องยากมากที่จะจัดการกับแม่เหล็กเหล่านี้ และหากพวกมันชนเข้าหากัน แม่เหล็กเหล่านี้จะแตกและแตกง่าย

ขั้นตอนที่ 4: การกระตุ้นการไหลของประจุไฟฟ้า

วางลวดทองแดงขนาด 2 นิ้วที่ยืดออกตามแนวรางเหนือกองแม่เหล็กตัวใดตัวหนึ่ง สิ่งนี้จะสร้างช็อตสั้นบนราง แต่นี่คือจุดที่เราต้องการให้ประจุไฟฟ้าไหล

ต่อปลายด้านที่ว่างของคลิปจระเข้ ด้านหนึ่งเข้ากับปลายด้านลบของขั้วแบตเตอรี่ 12 โวลต์ และอีกด้านเข้ากับปลายด้านบวก ตอนนี้แกน 2 นิ้วจะเคลื่อนที่ ทิศทางการเคลื่อนที่สามารถกำหนดได้ด้วยแรงที่อธิบายข้างต้นโดยใช้กฎมือขวา หากคุณไม่ได้ใช้เข็มทิศเพื่อกำหนดทิศทางของแรงแม่เหล็ก คุณสามารถเปลี่ยนทิศทางของแกนขับเคลื่อนได้อย่างง่ายดายโดยสลับการต่อเข้ากับขั้วแบตเตอรี่ อีกครั้ง สิ่งนี้สามารถยืนยันได้ด้วยภาพประกอบของกฎมือขวา

ถอดหนึ่งในการเชื่อมต่อของคลิปจระเข้ออกจากขั้วแบตเตอรี่ 12V

ขั้นตอนที่ 5: การยิง Railgun

วางลวดที่จะขับเคลื่อนบนปลายด้านหนึ่งของรางประมาณ 1 ในสี่เหนือกองแม่เหล็กชุดแรก เชื่อมต่อคลิปจระเข้กับขั้วแบตเตอรี่ 12V อีกครั้งและสายไฟจะยิง

… สิ่งนี้จะไม่ยิงออกมาอย่างน่าประทับใจ เพราะคุณจะเห็นได้ว่าลวดจะถูกผลักไปยังแม่เหล็กตัวถัดไปเท่านั้น และจะไม่มีแรงขับเคลื่อนระหว่างแม่เหล็ก แต่..

- - - - - - - - - - - - - - ปรับปรุง Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - -

ขั้นตอนที่ 6: การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก

ใช้แท่งมิเตอร์แบบทนทานที่ทำจากวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า (ไม้ พลาสติก) ติดแถบแม่เหล็กที่ด้านใดด้านหนึ่งด้วยกาวพิเศษ แล้วพันด้วยเทปไฟฟ้า รอให้แห้ง โดยให้แม่เหล็กหันไปทางเดียวกับการออกแบบดั้งเดิม ให้ทำซ้ำกับแม่เหล็กอีกกองหนึ่งที่อยู่ถัดจากสแต็คแรก อาจจะยากหน่อยเพราะแม่เหล็กจะต้านกัน หาคนที่แข็งแกร่งมาทำสิ่งนี้

อีกครั้ง รอให้แห้งและทำซ้ำจนกว่าแถวของแม่เหล็กจะถึงความยาวของราง วางแท่งมิเตอร์ไว้ใต้และระหว่างรางทั้ง 2 รางโดยให้แม่เหล็กอยู่ด้านตรงข้าม สิ่งนี้จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กตลอดความยาวของรางเพื่อให้ลวดถูกขับเคลื่อนไปข้างหน้าต่อไป

ขั้นตอนที่ 7: การตั้งค่า Projectile

วางลูกปัดเฟอร์ไรท์ลงบนพื้นผิวเรียบและเติมซิลิโคนเคลือบหลุมร่องฟันครึ่งหนึ่งแล้วรอให้แห้ง ติดปลายลวดที่ผลักไปที่กึ่งกลางของซิลิโคนแล้วกาวเข้าที่ด้วยกาวซุปเปอร์ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าลวดยาวพอที่จะสัมผัสกับรางได้ สิ่งนี้จะทำให้กระสุนปืนอยู่บนเส้นทางของรางด้วยแรงเสียดทานน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับคาร์บอร์ดที่ใช้ครั้งแรก

หมายเหตุ: คุณอาจต้องใช้ลูกปัดเฟอร์ไรท์ที่ใหญ่กว่าเพื่อเพิ่มน้ำหนักของโพรเจกไทล์ ถ้ามันจบลงด้วยการบินออกไปเมื่อถูกยิง

ขั้นตอนที่ 8: การตั้งค่าตัวเก็บประจุ

ตัวเก็บประจุที่เลือกสามารถคิดได้ว่าเป็นแบตเตอรี่ที่ใหญ่กว่า แบตเตอรี่เช่นคาปาซิเตอร์เก็บประจุที่ตกเร็วมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ปกติที่ใช้กันทั่วไป (AA, AAA เป็นต้น) อัตราการคายประจุนี้ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของเวลา ยิ่งค่าคงที่ของเวลามากเท่าไร ตัวเก็บประจุก็จะยิ่งเก็บประจุได้นานขึ้นเท่านั้น

สูตรสำหรับค่าคงที่เวลาคือ: [T] = R * C

[T] = ค่าคงที่เวลา

R = แนวต้าน

C = ความจุ (ของตัวเก็บประจุ)

เนื่องจากความต้านทานของทองแดงไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก เพื่อเพิ่มค่าคงที่ของเวลาเพื่อให้สามารถเก็บประจุได้นานขึ้น เราจึงสามารถเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุได้โดยเชื่อมต่อขนานกับลวด 26 AWG แถบตามตัวเก็บประจุที่เลือกจะแสดงเครื่องหมายลบ (-) ซึ่งหมายความว่าโพสต์ที่ใกล้เคียงที่สุดคือโพสต์เชิงลบ เชื่อมต่อแบบขนานโดยเชื่อมต่อขั้วลบของตัวเก็บประจุตัวหนึ่งกับขั้วลบของตัวเก็บประจุตัวถัดไป ทำซ้ำกับโพสต์ที่เป็นบวก ซึ่งจะเทียบเท่ากับการใช้ 1 'แบตเตอรี่' เป็นแหล่งพลังงานโดยความจุเป็นผลรวมของจำนวนตัวเก็บประจุที่คุณเลือกที่จะเชื่อมต่อ

หมายเหตุ: ตัวเก็บประจุ 3 ตัวอาจไม่เพียงพอสำหรับเก็บประจุ คุณสามารถเพิ่มได้ตามใจชอบ

ขั้นตอนที่ 9: การชาร์จตัวเก็บประจุ (1)

ตัวเก็บประจุที่ฉันเลือกสามารถเก็บประจุได้สูงสุด 450 โวลต์ ในการชาร์จตัวเก็บประจุเหล่านี้ เราใช้ 450 โวลต์กับตัวเก็บประจุโดยใช้พลังงานที่จ่ายจากเต้ารับบนผนัง

สำคัญ: ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายโดยประเทศของคุณ มันจะเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ 120 หรือ 220 โวลต์ ในแคนาดาคือ 120 โวลต์ ซึ่งหมายความว่าเราต้องคูณมันด้วย 4 โดยประมาณเพื่อให้ได้ 450 โวลต์

ใช้คลิปหนีบปากจระเข้ 2 ตัวต่อปลายสายไฟกับหม้อแปลงหนึ่งตัวที่ 0 และ 120 ใช้คลิปจระเข้อีก 2 คลิปต่อปลายของคลิปเข้ากับปลายอีกด้านของหม้อแปลงที่ 0 และ 220 อัตราส่วนนี้จะคูณแรงดันไฟฟ้า จากผนัง 1.8.

เชื่อมต่อปลายของคลิปจระเข้ที่มาจากหม้อแปลงตัวแรกกับหม้อแปลงตัวที่สองที่ 0 และ 120 ใช้คลิปจระเข้อีก 2 คลิปเชื่อมต่อปลายของคลิปเข้ากับปลายอีกด้านของหม้อแปลงที่ 0 และ 220 การดำเนินการนี้จะคูณ แรงดันไฟฟ้า 1.8 ให้ผลรวม 3.6

ขั้นตอนที่ 10: การชาร์จตัวเก็บประจุ (2)

สำคัญ: อย่าสัมผัสปลายสายไฟ มิฉะนั้น คุณจะถูกไฟฟ้าดูด ใช้เทปพันสายไฟพันสายไฟเพื่อไม่ให้คุณสัมผัสได้ ห้ามสัมผัสปลายคลิปจระเข้ที่เชื่อมต่อกับหม้อแปลงด้วย

ขั้นตอนที่ 11: การชาร์จตัวเก็บประจุ (3)

ทดสอบแรงดันไฟจากปลายคลิปจระเข้ที่เชื่อมต่อกับปลายหม้อแปลงตัวที่สองด้วยมัลติมิเตอร์ที่การตั้งค่าเหนือ 450V AC (เส้นหยักถัดจากตัว V ไม่ใช่เส้นตรง) แรงดันไฟฟ้าเมื่อเสียบเข้ากับผนังจะต่ำกว่าที่คาดไว้เนื่องจากความต้านทานของสายไฟและทุกสิ่งที่เชื่อมต่อ

ขั้นตอนที่ 12: การชาร์จตัวเก็บประจุ (4)

เนื่องจากพลังงานที่มาจากผนังเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ และตัวเก็บประจุจำเป็นต้องชาร์จด้วยไฟฟ้ากระแสตรง (มีขั้วบวกและขั้วลบอยู่ที่ปลาย) เราจึงใช้ตัวปรับแก้สะพานเพื่อเปลี่ยนไฟ AC เป็น DC เชื่อมต่อปลายของคลิปหนีบปากจระเข้จากหม้อแปลงตัวที่สองเข้ากับหมุดตรงกลาง 2 ตัวของตัวเรียงกระแสแบบบริดจ์ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคลิปจระเข้ไม่สัมผัสกับหมุดอื่นๆ

ขั้นตอนที่ 13: การชาร์จตัวเก็บประจุ (5)

สัญลักษณ์เหนือพินด้านนอกของตัวปรับแก้บริดจ์จะเป็น + หรือ - เชื่อมต่อสิ่งเหล่านี้กับปลาย + และ – ของตัวเก็บประจุโดยใช้คลิปจระเข้อีก 2 ตัว

ขั้นตอนที่ 14: การชาร์จตัวเก็บประจุ (6)

เสียบสายไฟเข้ากับผนังและรอประมาณ 30 วินาทีหรือประมาณนั้นเพื่อให้ตัวเก็บประจุชาร์จจนเต็ม ถอดปลั๊กสายไฟ

สำคัญ: อย่าสัมผัสปลายทั้งสองของตัวเก็บประจุพร้อมกัน มิฉะนั้น อาจทำอันตรายได้ ทดสอบว่าตัวเก็บประจุชาร์จจนเต็มโดยใช้มัลติมิเตอร์ที่การตั้งค่าเหนือ 450V DC หรือไม่ (เส้นตรงถัดจาก V ไม่ใช่เส้นหยัก)

ขั้นตอนที่ 15: การชาร์จตัวเก็บประจุ (7)

หมายเหตุ: คุณสามารถเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบอนุกรม (โพสต์เชิงลบไปยังโพสต์บวก) เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงานที่สร้างขึ้น ใช้ตัวเก็บประจุจำนวนเท่ากันสำหรับชุดตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบขนานแต่ละชุด (ตัวอย่าง: หากเลือกตัวเก็บประจุ 3 ตัวต่อแบบขนานในภาพด้านล่าง ให้ต่อชุดด้วยชุดตัวเก็บประจุต่อขนานกัน 3 ชุด รวมเป็นตัวเก็บประจุทั้งหมด 6 ตัว).

ในตัวอย่างนี้ ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบขนาน 2 ชุดเชื่อมต่อแบบอนุกรมสำหรับแหล่งพลังงาน 900 โวลต์ ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบขนานแต่ละชุดจะมีความจุรวม 940uF

ขั้นตอนที่ 16: การตั้งค่า Railgun

ตั้งโพรเจกไทล์ไว้เหนือปลายด้านหนึ่งของแกนเหนือส่วนของแม่เหล็ก เชื่อมต่อปลายขั้วลบของตัวเก็บประจุเข้ากับปลายรางด้านใดด้านหนึ่งด้วยคลิปจระเข้เหมือนกับแบตเตอรี่ที่ใช้ก่อนหน้านี้ ใช้คลิปจระเข้อีกอันเชื่อมต่อปลายด้านหนึ่งของคลิปเข้ากับรางอีกด้านโดยปล่อยให้ปลายอีกด้านหนึ่งของคลิปว่าง

ขั้นตอนที่ 17: การยิง Railgun

เชื่อมต่อปลายขั้วบวกของตัวเก็บประจุกับปลายอิสระของคลิปจระเข้ที่เชื่อมต่อกับแกนอีกอันแล้วกระสุนจะยิง