Comment fabriquer un railgun (la science expliquée): 17 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

AVERTISSEMENT: Lisez les étapes "IMPORTANTES" afin de ne pas vous blesser ou de vous électrocuter si vous décidez de fabriquer la version améliorée du railgun

Créé par: Duncan Yee

Aperçu

Le concept d'un railgun consiste à propulser un objet conducteur le long de 2 rails conducteurs grâce à une force magnétique et une force électrique. La direction de la force de propulsion est due à des champs électromagnétiques appelés force de Lorentz.

Une particule chargée se déplaçant à une vitesse [V], à travers un champ électrique perpendiculaire à un champ magnétique [B], subira une force [F], comme illustré dans le diagramme de droite. Ce diagramme illustre la direction de la force de Lorentz avec l'utilisation de la règle de la main droite.

Dans le cas de cette expérience, le mouvement de particules chargées à travers un champ électrique est le flux de charge électrique se déplaçant à travers un fil de cuivre. Le champ magnétique est induit avec des aimants néodyme très puissants.

L'équation est donc le produit vectoriel: [F] = Il X [B]

I – courant

l – longueur du fil

les pièces

Grands aimants rectangulaires en néodyme (Lee's PID: 60012)

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

Batterie 12V (PID de Lee: 81036)

Pinces crocodiles (PID de Lee: 690)

Couteau Exacto (PID de Lee: 5457)

Coupe diagonale (PID de Lee: 10383)

Carton (bac de recyclage de Lee)

Facultatif: boussole numérique (PID de Lee: 98411)

Pièces améliorant la conception

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

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

Transformateurs isolés abaisseurs/montants 60 VA (PID de Lee: 10501)

Cordon d'alimentation (PID de Lee: 2995)

Fil de raccordement 26 AWG (Lee's PID: 224007) ou plusieurs pinces crocodiles

Ruban électrique (PID de Lee: 10564)

Super Glue (PID de Lee: 4327)

Perle de ferrite (PID de Lee: 10812)

Mastic silicone (Lee's PID: 16028)

Multimètre numérique (PID de Lee: 10924)

Étape 1: dénudage des fils de cuivre 12AWD et placement des rails

À l'aide du couteau exacto, découpez la gaine en plastique du fil de cuivre. Coupez deux bandes de fils à 2 pieds de long avec la pince coupante diagonale. Coupez une autre bande de fil de 2 pouces de long qui servira d'objet propulseur. Le cuivre est choisi car c'est un bon conducteur d'électricité.

Découpez 2 petits cercles dans le carton et percez un trou au centre du cercle. Attachez-le aux extrémités du fil de 2 pouces pour le maintenir sur le chemin des tiges pendant qu'il est tiré.

Essayez de ne pas plier les fils lorsque vous les ramenez à la maison afin de pouvoir les redresser en tant que « rails ». Soutenez-les avec quelque chose qui ne conduit pas l'électricité afin qu'ils ne court-circuitent pas. J'ai utilisé 2 règles, mais vous pouvez utiliser le carton trouvé dans le bac de recyclage de Lee. Clipsez une pince crocodile en laissant l'autre extrémité libre à chaque extrémité des rails.

Étape 2: Induire le champ magnétique (1)

Avec la hauteur des règles que j'ai utilisées, je peux installer 5 des aimants rectangulaires en néodyme sous les rails. Plus vous avez empilé d'aimants, plus la force magnétique est forte. Assurez-vous que les aimants ne touchent pas les fils de cuivre car cela raccourcira à nouveau les rails.

Étant donné que les aimants en néodyme se composent d'un pôle nord d'un côté et d'un pôle sud de l'autre côté, empilez les faces vers le haut.

Gardez les aimants dans la même direction tout au long de cette expérience. Retirez une pile d'aimants à la hauteur désirée et placez-les sous et entre les deux rails. Placez une autre pile aussi près que possible le long des rails. La force magnétique entre ces empilements d'aimants s'opposera. Je les ai tenus en place avec les deux règles.

Étape 3: Induire le champ magnétique (2)

À ce stade, nous ne savons pas si la force magnétique est dirigée vers le haut ou vers le bas. Cela n'a pas d'importance non plus. Cependant, vous pouvez déterminer la direction avec la boussole. Le pôle nord de la boussole sera dirigé vers le pôle sud de l'aimant. Cela vous indiquera également la direction de la force magnétique.

IMPORTANT: il est très difficile de manipuler ces aimants et s'ils s'entrechoquent, ils se briseront et se briseront facilement.

Étape 4: Induire le flux de charge électrique

Placez le fil de cuivre redressé de 2 pouces le long des rails au-dessus de l'une des piles d'aimants. Cela créera un court-circuit sur les rails, mais c'est là que nous voulons que les charges électriques circulent.

Connectez les extrémités libres des pinces crocodiles, une à l'extrémité négative de la borne de batterie 12V et une à l'extrémité positive. La tige de 2 pouces va maintenant bouger. La direction du mouvement peut être déterminée par les forces décrites ci-dessus en utilisant la règle de la main droite. Si vous n'avez pas utilisé de boussole pour déterminer la direction de la force magnétique, vous pouvez facilement changer la direction de la tige de propulsion en intervertissant les connexions à la borne de la batterie. Encore une fois, cela peut être confirmé avec l'illustration de la règle de la main droite.

Retirez l'une des connexions de la pince crocodile de la borne de la batterie 12V.

Étape 5: tirer avec le Railgun

Placez le fil à propulser sur une extrémité du rail à environ 1 quart au-dessus de la première pile d'aimants. Reconnectez la pince crocodile à la borne de la batterie 12V et le fil tirera.

… Cela ne se déclenchera pas de manière impressionnante car vous pouvez voir que le fil ne sera propulsé que vers l'aimant suivant et qu'aucune force ne le propulsera entre les aimants. Mais..

- - - - - - - - - - - - - Amélioration du Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Étape 6: Induire le champ magnétique

À l'aide d'un mètre solide en matériau non conducteur (bois, plastique), collez la pile d'aimants sur l'un de ses côtés avec de la super colle et enveloppez-la avec du ruban électrique. Attendez qu'il sèche. Avec les aimants orientés dans la même direction que la conception originale, répétez avec une autre pile d'aimants juste à côté de la première pile. Cela peut être un peu difficile car les aimants vont s'opposer les uns aux autres. Demandez à quelqu'un de fort de le faire.

Encore une fois, attendez qu'il sèche et répétez jusqu'à ce que la rangée d'aimants atteigne la longueur des rails. Placez le mètre sous et entre les 2 rails avec les aimants du côté opposé. Cela induira un champ magnétique sur toute la longueur des rails permettant au fil de continuer à être propulsé vers l'avant.

Étape 7: Configuration du projectile

Placez la perle de ferrite sur une surface plane et remplissez la moitié de la perle avec du mastic silicone et attendez qu'elle sèche. Collez les extrémités du fil à propulser au centre du silicone et collez-le en place avec de la super glue. Assurez-vous que le fil est assez long pour garder son contact avec les rails. Cela gardera le projectile sur la trajectoire des rails avec moins de friction par rapport au carton utilisé à l'origine.

REMARQUE: vous devrez peut-être utiliser une perle de ferrite plus grosse pour augmenter le poids du projectile s'il finit par s'envoler lors du tir.

Étape 8: Configuration des condensateurs

Les condensateurs choisis peuvent être considérés comme une batterie plus grosse. La batterie, comme un condensateur, détient une charge qui chute très rapidement par rapport aux batteries normales couramment utilisées (AA, AAA, etc.). Ce débit de décharge dépend de la constante de temps; plus la constante de temps est grande, plus le condensateur conservera sa charge longtemps.

La formule de la constante de temps est: [T] = R * C

[T] = constante de temps

R = résistance

C = capacité (du condensateur)

Comme la résistance du cuivre ne peut pas changer radicalement, pour augmenter la constante de temps permettant de maintenir la charge plus longtemps, nous pouvons augmenter la capacité des condensateurs en les connectant en parallèle avec le fil 26 AWG. La bande le long du condensateur choisi montre un signe négatif (-) ce qui signifie que le poste le plus proche est le poste négatif. Connectez-les en parallèle en connectant la borne négative d'un condensateur à la borne négative du suivant. Répétez avec le message positif. Cela équivaudra à utiliser 1 « batterie » comme source d'alimentation, la capacité étant la somme du nombre de condensateurs que vous choisissez de connecter.

REMARQUE: 3 condensateurs peuvent ne pas suffire pour maintenir la charge, vous pouvez en ajouter plus à votre guise.

Étape 9: Charge des condensateurs (1)

Les condensateurs que j'ai choisis peuvent contenir un maximum de 450 volts. Pour charger ces condensateurs, nous leur appliquons 450 volts en utilisant la puissance fournie par la prise murale.

IMPORTANT: vérifiez la tension fournie par votre pays. Ce sera soit 120 ou 220 volts AC. Au Canada c'est 120 volts ce qui veut dire qu'il faut multiplier cela grosso modo par 4 pour atteindre 450 volts.

À l'aide de 2 pinces crocodiles, connectez les extrémités du cordon d'alimentation à un transformateur à 0 et 120. À l'aide de 2 pinces crocodiles supplémentaires, connectez les extrémités des pinces à l'autre extrémité du transformateur à 0 et 220. Ce rapport multipliera la tension du mur par 1,8.

Connectez les extrémités des pinces crocodiles provenant du premier transformateur au deuxième transformateur en 0 et 120. En utilisant 2 autres pinces crocodiles, connectez les extrémités des pinces à l'autre extrémité du transformateur en 0 et 220. Cela multipliera à nouveau le tension de 1,8 donnant un total de 3,6.

Étape 10: Charge des condensateurs (2)

IMPORTANT: ne touchez pas les extrémités du cordon d'alimentation, vous risqueriez de vous électrocuter. Enroulez les fils exposés avec du ruban électrique afin que vous ne puissiez pas les toucher. Ne touchez pas non plus les extrémités des pinces crocodiles connectées au transformateur.

Étape 11: Charge des condensateurs (3)

Testez la tension aux extrémités des pinces crocodiles connectées aux extrémités du deuxième transformateur avec le multimètre à un réglage supérieur à 450 V CA (ligne ondulée à côté du V, pas la ligne droite). La tension lorsqu'elle est branchée au mur sera plus faible que prévu en raison de la résistance des fils et de tout ce qui est connecté.

Étape 12: Charge des condensateurs (4)

Étant donné que le courant provenant du mur est CA et que les condensateurs doivent être chargés en courant continu (il a une polarité positive et négative à ses extrémités), nous utilisons le pont redresseur pour changer le courant alternatif en courant continu. Connectez les extrémités des pinces crocodiles du deuxième transformateur aux 2 broches du milieu du pont redresseur en vous assurant que les pinces crocodiles ne touchent aucune des autres broches.

Étape 13: Charge des condensateurs (5)

Le symbole au-dessus des broches extérieures du pont redresseur sera soit + soit -. Connectez-les aux extrémités + et - des condensateurs à l'aide de 2 pinces crocodiles supplémentaires.

Étape 14: Charge des condensateurs (6)

Branchez le cordon d'alimentation dans le mur et attendez environ 30 secondes pour que les condensateurs se chargent complètement. Débranchez le cordon d'alimentation.

IMPORTANT: ne touchez pas les deux extrémités des condensateurs en même temps sinon cela pourrait faire mal. Testez si les condensateurs sont complètement chargés à l'aide du multimètre à un réglage supérieur à 450 V CC (ligne droite à côté du V, pas la ligne ondulée).

Étape 15: Charge des condensateurs (7)

REMARQUE: Vous pouvez connecter les condensateurs en série (poste négatif à poste positif) pour augmenter la tension de la source d'alimentation créée. Utilisez le même nombre de condensateurs pour chacun des ensembles de condensateurs connectés en parallèle (exemple: si 3 condensateurs sont choisis pour être connectés en parallèle dans l'image ci-dessous, connectez la série avec des ensembles de 3 condensateurs connectés en parallèle avec un total de 6 condensateurs).

Dans cet exemple, 2 ensembles de condensateurs connectés en parallèle sont connectés en série pour une source d'alimentation de 900 volts. Chaque ensemble de condensateurs connectés en parallèle aura une capacité totale de 940 uF.

Étape 16: Configuration du Railgun

Installez le projectile au-dessus d'une extrémité de la tige au-dessus d'une partie de l'aimant. Connectez l'extrémité négative du condensateur à l'une des extrémités du rail avec une pince crocodile comme la batterie utilisée précédemment. À l'aide d'une autre pince crocodile, connectez une extrémité de la pince à l'autre rail en laissant l'autre extrémité de la pince libre.

Étape 17: Tirer avec le Railgun

Connectez l'extrémité positive du condensateur à l'extrémité libre de la pince crocodile qui est connectée à l'autre tige et le projectile tirera.