Cách chế tạo một khẩu Railgun (khoa học giải thích): 17 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

CẢNH BÁO: Đọc các bước "QUAN TRỌNG" để bạn không bị thương hoặc bị điện giật nếu bạn quyết định tạo phiên bản cải tiến của súng lục

Tạo bởi: Duncan Yee

Tổng quat

Khái niệm về railgun bao gồm việc đẩy một vật dẫn dọc theo 2 thanh dẫn do lực từ và lực điện. Hướng của lực đẩy là do trường điện từ gọi là lực Lorentz.

Một hạt mang điện chuyển động với vận tốc [V], qua điện trường vuông góc với từ trường [B], sẽ chịu một lực [F], như được mô tả trong biểu đồ bên phải. Biểu đồ này minh họa hướng của lực Lorentz với việc sử dụng quy tắc bàn tay phải.

Trong trường hợp của thí nghiệm này, chuyển động của các hạt mang điện trong điện trường là dòng điện di chuyển trên một dây đồng. Từ trường được tạo ra với nam châm neodymium rất mạnh.

Do đó, phương trình là tích chéo: [F] = Il X [B]

Tôi - hiện tại

l - chiều dài của dây

Các bộ phận

Nam châm Neodymium Hình chữ nhật Lớn (Lee’s PID: 60012)

Dây đồng 12AWD (Lee’s PID: 22498)

Pin 12V (Lee’s PID: 81036)

Alligator Clips (Lee’s PID: 690)

Exacto Knife (Lee’s PID: 5457)

Máy cắt đường chéo (Lee’s PID: 10383)

Các tông (thùng tái chế của Lee)

Tùy chọn: La bàn kỹ thuật số (Lee’s PID: 98411)

Các bộ phận cải tiến thiết kế

Tụ điện 450V 470uF (Lee’s PID: 8604)

Bộ chỉnh lưu cầu 600V 35A (Lee’s PID: 71096)

60VA Step Down / Up Isolated Transformers (Lee’s PID: 10501)

Dây nguồn (Lee’s PID: 2995)

26 AWG Hook Up Wire (Lee’s PID: 224007) hoặc nhiều hơn Alligator Clips

Băng điện (Lee’s PID: 10564)

Keo siêu dính (Lee’s PID: 4327)

Hạt Ferit (Lee’s PID: 10812)

Keo silicone (Lee’s PID: 16028)

Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số (Lee’s PID: 10924)

Bước 1: Tước dây đồng 12AWD và đặt thanh ray

Sử dụng dao chính xác, cắt bỏ vỏ nhựa của dây đồng. Cắt hai dải dây dài 2 feet bằng máy cắt chéo. Cắt thêm một dải dây dài 2 inch sẽ được sử dụng làm vật đẩy. Đồng được chọn vì nó là chất dẫn điện tốt.

Cắt 2 hình tròn nhỏ từ bìa cứng và chọc một lỗ vào tâm hình tròn. Gắn nó vào các đầu của dây dài 2 inch để giữ nó trên đường đi của các thanh khi nó đang được bắn.

Cố gắng không làm cong dây khi bạn mang chúng về nhà để bạn có thể duỗi thẳng chúng ra làm "đường ray". Đề nghị họ bằng một thứ gì đó không dẫn điện để họ không bị thiếu. Tôi đã sử dụng 2 cây thước, nhưng bạn có thể sử dụng các tông có trong thùng tái chế của Lee. Kẹp một chiếc kẹp cá sấu để đầu kia tự do trên mỗi đầu của thanh ray.

Bước 2: Tạo ra từ trường (1)

Với chiều cao của thước mà tôi đã sử dụng, tôi có thể đặt vừa 5 nam châm neodymium hình chữ nhật dưới thanh ray. Bạn càng xếp chồng lên nhau nhiều nam châm thì lực từ càng mạnh. Đảm bảo rằng nam châm không chạm vào dây đồng vì điều này sẽ lại làm ngắn đường ray.

Vì nam châm neodymium bao gồm một cực bắc ở một bên và một cực nam ở bên kia, nên xếp chồng các mặt lên.

Giữ các nam châm hướng về cùng một hướng trong suốt thí nghiệm này. Lấy một chồng nam châm đến độ cao mong muốn và đặt chúng dưới và giữa hai thanh ray. Đặt một chồng khác càng gần càng tốt dọc theo đường ray. Lực từ giữa các chồng nam châm này sẽ chống lại nhau. Tôi đã giữ chúng đúng vị trí với hai người cai trị.

Bước 3: Tạo ra từ trường (2)

Tại thời điểm này, chúng tôi không biết liệu lực từ hướng lên hay hướng xuống. Nó cũng không thành vấn đề. Tuy nhiên, bạn có thể xác định phương hướng bằng la bàn. Cực bắc của la bàn sẽ hướng vào cực nam của nam châm. Điều này cũng sẽ cho bạn biết hướng của lực từ.

QUAN TRỌNG: rất khó để xử lý các nam châm này và nếu chúng đập vào nhau, chúng sẽ dễ dàng bị vỡ và vỡ.

Bước 4: Tạo ra dòng điện tích

Đặt dây đồng dài 2 inch đã duỗi thẳng dọc theo đường ray phía trên một trong các chồng nam châm. Điều này sẽ tạo ra một đoạn ngắn trên đường ray, nhưng đây là nơi chúng ta muốn các điện tích chạy qua.

Kết nối các đầu còn lại của kẹp cá sấu, một đầu với đầu âm của cực acquy 12V và một đầu với đầu dương. Thanh 2 inch bây giờ sẽ di chuyển. Hướng của chuyển động có thể được xác định bởi các lực mô tả ở trên bằng cách sử dụng quy tắc bàn tay phải. Nếu bạn không sử dụng la bàn để xác định hướng của lực từ, bạn có thể dễ dàng thay đổi hướng của thanh đẩy bằng cách hoán đổi các kết nối với cực pin. Một lần nữa, điều này có thể được xác nhận với hình minh họa của quy tắc bàn tay phải.

Tháo một trong các kết nối của kẹp cá sấu ra khỏi đầu nối pin 12V.

Bước 5: Kích hoạt Railgun

Đặt dây cần đẩy vào một đầu của thanh ray cách chồng nam châm đầu tiên khoảng 1/4. Kết nối lại kẹp cá sấu vào đầu acquy 12V và dây sẽ bắn.

… Điều này sẽ không bắn một cách ấn tượng vì bạn có thể thấy rằng dây sẽ chỉ được đẩy tới nam châm tiếp theo và nó sẽ không có lực đẩy nó vào giữa các nam châm. Nhưng..

- - - - - - - - - - - - - - - Cải tiến Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Bước 6: Tạo ra từ trường

Sử dụng một thanh công tơ chắc chắn được làm từ vật liệu không dẫn điện (gỗ, nhựa), dán chồng nam châm lên một trong các mặt của nó bằng keo siêu dính và quấn nó vào vị trí bằng băng dính điện. Chờ cho nó khô. Với các nam châm hướng về cùng hướng với thiết kế ban đầu, lặp lại với một chồng nam châm khác ngay bên cạnh chồng đầu tiên. Điều này có thể hơi khó khăn vì các nam châm sẽ đối nghịch nhau. Nhờ ai đó mạnh mẽ làm điều này.

Một lần nữa, đợi nó khô và lặp lại cho đến khi hàng nam châm dài bằng chiều dài của thanh ray. Đặt que đo dưới và giữa 2 thanh ray có gắn nam châm ở phía đối diện. Điều này sẽ tạo ra một từ trường trong toàn bộ chiều dài của thanh ray cho phép dây tiếp tục được đẩy về phía trước.

Bước 7: Thiết lập đường đạn

Đặt hạt ferit trên một bề mặt phẳng và lấp đầy một nửa hạt bằng keo silicon và đợi cho khô. Dán các đầu của dây được đẩy vào giữa silicone và dán nó vào vị trí bằng keo siêu dính. Đảm bảo rằng dây đủ dài để giữ cho dây tiếp xúc với đường ray. Điều này sẽ giữ cho đường đạn đi trên đường ray với ít ma sát hơn so với tấm ván được sử dụng ban đầu.

LƯU Ý: Bạn có thể cần sử dụng hạt ferit lớn hơn để tăng trọng lượng của đạn nếu nó bay ra khi bắn.

Bước 8: Thiết lập tụ điện

Các tụ điện được chọn có thể được coi là một loại pin lớn hơn. Pin giống như tụ điện giữ điện tích bị sụt giảm rất nhanh so với các loại pin thông thường thường được sử dụng (AA, AAA, v.v.). Tốc độ phóng điện này phụ thuộc vào hằng số thời gian; thời gian không đổi càng lớn thì tụ điện giữ điện tích càng lâu.

Công thức cho hằng số thời gian là: [T] = R * C

[T] = hằng số thời gian

R = điện trở

C = điện dung (của tụ điện)

Vì điện trở của đồng không thể thay đổi đáng kể, nên để tăng hằng số thời gian cho phép giữ điện tích lâu hơn, chúng ta có thể tăng điện dung của tụ điện bằng cách nối chúng song song với dây 26 AWG. Dải dọc theo tụ điện được chọn hiển thị một dấu âm (-) có nghĩa là cột gần nó nhất là cột âm. Nối chúng song song bằng cách nối cực âm của một tụ điện với cực âm của tụ điện tiếp theo. Lặp lại với bài tích cực. Điều này sẽ tương đương với việc sử dụng 1 ‘pin’ làm nguồn điện với điện dung là tổng số tụ điện bạn chọn được kết nối.

LƯU Ý: 3 tụ điện có thể không đủ để chứa điện tích, bạn có thể lắp thêm theo ý thích của mình.

Bước 9: Sạc tụ điện (1)

Tụ điện mà tôi đã chọn có thể chứa tối đa 450 vôn. Để sạc các tụ điện này, chúng tôi áp dụng 450 volt vào chúng bằng cách sử dụng nguồn điện được cung cấp từ ổ cắm trên tường.

QUAN TRỌNG: kiểm tra điện áp do quốc gia của bạn cung cấp. Nó sẽ là 120 hoặc 220 volt AC. Ở Canada, nó là 120 vôn, có nghĩa là chúng ta phải nhân khoảng này với 4 để đạt được 450 vôn.

Sử dụng 2 kẹp cá sấu, kết nối các đầu của dây nguồn với một máy biến áp ở 0 và 120. Sử dụng thêm 2 kẹp cá sấu, kết nối đầu của các kẹp với đầu kia của máy biến áp ở 0 và 220. Tỷ lệ này sẽ nhân điện áp cách tường 1,8.

Kết nối các đầu của kẹp cá sấu đến từ máy biến áp thứ nhất với máy biến áp thứ hai ở 0 và 120. Sử dụng thêm 2 kẹp cá sấu nữa, kết nối các đầu của kẹp với đầu kia của máy biến áp ở 0 và 220. Điều này sẽ lại nhân điện áp bằng 1,8 cho tổng số 3,6.

Bước 10: Sạc tụ điện (2)

QUAN TRỌNG: không chạm vào các đầu của dây nguồn, nếu không bạn sẽ bị điện giật. Dùng băng dính điện quấn các dây điện lộ ra ngoài để bạn không thể chạm vào chúng. Không chạm vào các đầu của kẹp cá sấu nối với máy biến áp.

Bước 11: Sạc tụ điện (3)

Thử điện áp từ hai đầu của kẹp cá sấu nối với đầu của máy biến áp thứ hai bằng đồng hồ vạn năng ở mức cài đặt trên 450V AC (đường nguệch ngoạc bên cạnh chữ V, không phải đường thẳng). Điện áp khi cắm vào tường sẽ thấp hơn dự kiến do điện trở của dây dẫn và mọi thứ kết nối.

Bước 12: Sạc tụ điện (4)

Vì nguồn điện đến từ tường là AC và tụ điện cần được sạc bằng nguồn DC (nó có cực tính âm và dương ở hai đầu của nó) nên chúng ta sử dụng bộ chỉnh lưu cầu để đổi nguồn AC thành DC. Kết nối các đầu của kẹp cá sấu từ biến áp thứ hai với 2 chân giữa của bộ chỉnh lưu cầu để đảm bảo rằng các kẹp cá sấu không chạm vào bất kỳ chân nào khác.

Bước 13: Sạc tụ điện (5)

Ký hiệu phía trên các chân bên ngoài của bộ chỉnh lưu cầu sẽ là + hoặc -. Kết nối chúng với các đầu + và - của tụ điện bằng cách sử dụng thêm 2 kẹp cá sấu.

Bước 14: Sạc tụ điện (6)

Cắm dây nguồn vào tường và đợi 30 giây hoặc lâu hơn để các tụ điện sạc đầy. Rút dây nguồn.

QUAN TRỌNG: không chạm vào hai đầu của tụ điện cùng một lúc nếu không có thể bị đau. Kiểm tra xem các tụ điện đã được sạc đầy hay chưa bằng cách sử dụng đồng hồ vạn năng ở cài đặt trên 450V DC (đường thẳng bên cạnh chữ V, không phải đường nguệch ngoạc).

Bước 15: Sạc tụ điện (7)

LƯU Ý: Có thể mắc nối tiếp các tụ điện (từ cực âm sang cực dương) để tăng hiệu điện thế của nguồn điện tạo ra. Sử dụng cùng một số tụ điện cho mỗi bộ tụ điện mắc song song (ví dụ: nếu chọn 3 tụ điện mắc song song trong hình dưới đây, hãy mắc nối tiếp với bộ 3 tụ điện mắc song song có tổng cộng 6 tụ điện).

Trong ví dụ này, 2 bộ tụ điện mắc song song được mắc nối tiếp cho nguồn điện 900 vôn. Mỗi bộ tụ điện mắc song song sẽ có tổng điện dung là 940uF.

Bước 16: Thiết lập Railgun

Đặt đường đạn phía trên một đầu của thanh cao hơn một phần của nam châm. Kết nối đầu âm của tụ điện với một trong các đầu thanh ray bằng kẹp cá sấu giống như pin đã sử dụng trước đây. Sử dụng một kẹp cá sấu khác, kết nối một đầu của kẹp với thanh ray còn lại, để đầu kia của kẹp trống.

Bước 17: Bắn Railgun

Nối đầu dương của tụ điện với đầu tự do của kẹp cá sấu được nối với thanh còn lại và đạn sẽ bắn.