Cómo hacer un cañón de riel (explicación científica): 17 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

ADVERTENCIA: Lea los pasos "IMPORTANTES" para no lastimarse ni electrocutarse si decide hacer la versión mejorada del cañón de riel

Creado por: Duncan Yee

Visión general

El concepto de un cañón de riel consiste en impulsar un objeto conductor a lo largo de 2 rieles conductores debido a una fuerza magnética y una fuerza eléctrica. La dirección de la fuerza propulsora se debe a campos electromagnéticos llamados fuerza de Lorentz.

Una partícula cargada que se mueve con una velocidad [V], a través de un campo eléctrico perpendicular a un campo magnético [B], experimentará una fuerza [F], como se muestra en el diagrama de la derecha. Este diagrama ilustra la dirección de la fuerza de Lorentz con el uso de la regla de la mano derecha.

En el caso de este experimento, el movimiento de partículas cargadas a través de un campo eléctrico es el flujo de carga eléctrica que se mueve a través de un alambre de cobre. El campo magnético se induce con imanes de neodimio muy potentes.

Por tanto, la ecuación es el producto cruzado: [F] = Il X [B]

Yo - actual

l - longitud del cable

Partes

Imanes de neodimio rectangulares grandes (PID de Lee: 60012)

Cable de cobre 12AWD (PID de Lee: 22498)

Batería de 12 V (PID de Lee: 81036)

Pinzas de cocodrilo (PID de Lee: 690)

Exacto Knife (PID de Lee: 5457)

Cortador diagonal (PID de Lee: 10383)

Cartón (papelera de reciclaje de Lee)

Opcional: brújula digital (PID de Lee: 98411)

Piezas que mejoran el diseño

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

Puente rectificador de 600 V 35 A (PID de Lee: 71096)

Transformadores aislados elevador / descendente de 60 VA (PID de Lee: 10501)

Cable de alimentación (PID de Lee: 2995)

Cable de conexión de 26 AWG (PID de Lee: 224007) o más pinzas de cocodrilo

Cinta aislante (PID de Lee: 10564)

Super Glue (PID de Lee: 4327)

Perla de ferrita (PID de Lee: 10812)

Sellador de silicona (PID de Lee: 16028)

Multímetro digital (PID de Lee: 10924)

Paso 1: pelar los cables de cobre 12AWD y colocar los rieles

Con el cuchillo exacto, corte la cubierta de plástico del alambre de cobre. Corta dos tiras de cables de 2 pies de largo con el cortador diagonal. Corte una tira más de alambre de 2 pulgadas de largo que se utilizará como objeto propulsor. Se elige el cobre por ser un buen conductor de electricidad.

Recorta 2 círculos pequeños del cartón y haz un agujero en el centro del círculo. Adjunte esto a los extremos del cable de 2 pulgadas para mantenerlo en el camino de las varillas mientras se dispara.

Trate de no doblar los cables cuando los lleve a casa para que pueda enderezarlos como los "rieles". Apóyelos con algo que no conduzca la electricidad para que no se queden cortos. Usé 2 reglas, pero puedes usar el cartón que se encuentra en la papelera de reciclaje de Lee. Clip una pinza de cocodrilo dejando el otro extremo libre en cada extremo de los rieles.

Paso 2: Inducción del campo magnético (1)

Con la altura de las reglas que he usado, puedo colocar 5 de los imanes rectangulares de neodimio debajo de los rieles. Cuantos más imanes haya apilado, más fuerte será la fuerza magnética. Asegúrese de que los imanes no toquen los cables de cobre, ya que esto volverá a provocar un cortocircuito en los rieles.

Dado que los imanes de neodimio consisten en un polo norte en un lado y un polo sur en el otro lado, apile las caras.

Mantenga los imanes mirando en la misma dirección a lo largo de este experimento. Retire una pila de imanes a la altura deseada y colóquelos debajo y entre los dos rieles. Coloque otra pila lo más cerca posible a lo largo de los rieles. La fuerza magnética entre estas pilas de imanes se opondrán entre sí. Los mantuve en su lugar con las dos reglas.

Paso 3: Inducción del campo magnético (2)

En este punto, no sabemos si la fuerza magnética se dirige hacia arriba o hacia abajo. Tampoco importa. Sin embargo, puede determinar la dirección con la brújula. El polo norte de la brújula se dirigirá al polo sur del imán. Esto también le dirá la dirección de la fuerza magnética.

IMPORTANTE: es muy difícil manipular estos imanes y si chocan entre sí, se romperán y romperán fácilmente.

Paso 4: inducir el flujo de carga eléctrica

Coloque el cable de cobre de 2 pulgadas enderezado a lo largo de los rieles sobre uno de los imanes. Esto creará un cortocircuito en los rieles, pero aquí es donde queremos que fluyan las cargas eléctricas.

Conecte los extremos libres de las pinzas cocodrilo, uno al extremo negativo del terminal de la batería de 12 V y el otro al extremo positivo. La varilla de 2 pulgadas ahora se moverá. La dirección del movimiento se puede determinar mediante las fuerzas descritas anteriormente utilizando la regla de la mano derecha. Si no usó una brújula para determinar la dirección de la fuerza magnética, puede cambiar fácilmente la dirección de la varilla propulsora intercambiando las conexiones al terminal de la batería. Nuevamente, esto se puede confirmar con la ilustración de la regla de la mano derecha.

Retire una de las conexiones de la pinza de cocodrilo del terminal de la batería de 12V.

Paso 5: Disparar el Railgun

Coloque el cable a propulsar en un extremo del riel aproximadamente 1 cuarto por encima de la primera pila de imanes. Vuelva a conectar la pinza de cocodrilo al terminal de la batería de 12 V y el cable disparará.

… Esto no se disparará de manera impresionante, ya que puede ver que el cable solo se impulsará hacia el siguiente imán y no tendrá fuerza que lo impulse entre los imanes. Pero..

- - - - - - - - - - - - Mejora del Railgun - - - - - - - - - - - - - - - - -

Paso 6: Inducción del campo magnético

Con una varilla de metro resistente hecha de material no conductor (madera, plástico), pegue la pila de imanes en uno de sus lados con superpegamento y envuélvala en su lugar con cinta aislante. Espera a que se seque. Con los imanes en la misma dirección que el diseño original, repita con otra pila de imanes justo al lado de la primera pila. Esto puede resultar un poco difícil ya que los imanes se opondrán entre sí. Consiga a alguien fuerte para hacer esto.

Nuevamente, espere a que se seque y repita hasta que la fila de imanes alcance la longitud de los rieles. Coloque la varilla del medidor debajo y entre los 2 rieles con los imanes en el lado opuesto. Esto inducirá un campo magnético a lo largo de toda la longitud de los rieles permitiendo que el cable continúe siendo impulsado hacia adelante.

Paso 7: Configuración del proyectil

Coloque la perla de ferrita sobre una superficie plana y llene la mitad de la perla con sellador de silicona y espere a que se seque. Pegue los extremos del cable que se está propulsando al centro de la silicona y péguelo en su lugar con superpegamento. Asegúrese de que el cable sea lo suficientemente largo para mantener el contacto con los rieles. Esto mantendrá el proyectil en la trayectoria de los rieles con menos fricción en comparación con el cartón utilizado originalmente.

NOTA: Es posible que deba usar una perla de ferrita más grande para aumentar el peso del proyectil si termina volando cuando se dispara.

Paso 8: Configuración de los condensadores

Los condensadores elegidos se pueden considerar como una batería más grande. La batería, como un condensador, tiene una carga que se cae muy rápido en comparación con las baterías normales que se usan comúnmente (AA, AAA, etc.). Esta tasa de descarga depende de la constante de tiempo; cuanto mayor sea la constante de tiempo, más tiempo mantendrá la carga el condensador.

La fórmula para la constante de tiempo es: [T] = R * C

[T] = constante de tiempo

R = resistencia

C = capacitancia (del condensador)

Dado que la resistencia del cobre no puede cambiar drásticamente, para aumentar la constante de tiempo permitiendo que la carga se mantenga por más tiempo, podemos aumentar la capacitancia de los capacitores conectándolos en paralelo con el cable 26 AWG. La tira a lo largo del condensador elegido muestra un signo negativo (-) lo que significa que el poste más cercano a él es el poste negativo. Conéctelos en paralelo conectando el poste negativo de un capacitor al poste negativo del siguiente. Repite con la publicación positiva. Esto será equivalente a usar 1 "batería" como fuente de energía, siendo la capacitancia la suma de la cantidad de capacitores que elija conectar.

NOTA: 3 condensadores pueden no ser suficientes para mantener la carga, puede agregar más a su gusto.

Paso 9: Carga de los condensadores (1)

Los condensadores que he elegido pueden contener un máximo de 450 voltios. Para cargar estos condensadores, les aplicamos 450 voltios utilizando la energía suministrada desde la toma de corriente.

IMPORTANTE: verifique el voltaje suministrado por su país. Será de 120 o 220 voltios CA. En Canadá es de 120 voltios, lo que significa que debemos multiplicarlo aproximadamente por 4 para llegar a 450 voltios.

Con 2 pinzas cocodrilo, conecte los extremos del cable de alimentación a un transformador en 0 y 120. Con 2 pinzas cocodrilo más, conecte los extremos de los clips al otro extremo del transformador en 0 y 220. Esta relación multiplicará el voltaje de la pared por 1.8.

Conecte los extremos de las pinzas de cocodrilo que vienen del primer transformador al segundo transformador en 0 y 120. Con 2 pinzas de cocodrilo más, conecte los extremos de las pinzas al otro extremo del transformador en 0 y 220. Esto volverá a multiplicar el voltaje por 1.8 dando un total de 3.6.

Paso 10: Carga de los condensadores (2)

IMPORTANTE: no toque los extremos del cable de alimentación o se electrocutará. Envuelva los cables expuestos con cinta aislante para que no pueda tocarlos. Tampoco toque los extremos de las pinzas cocodrilo conectadas al transformador.

Paso 11: Carga de los condensadores (3)

Pruebe el voltaje de los extremos de las pinzas de cocodrilo conectadas a los extremos del segundo transformador con el multímetro en un ajuste superior a 450 V CA (línea ondulada junto a la V, no la línea recta). El voltaje cuando se enchufa a la pared será menor de lo esperado debido a la resistencia de los cables y todo lo conectado.

Paso 12: Carga de los condensadores (4)

Dado que la energía que proviene de la pared es de CA y los condensadores deben cargarse con energía de CC (tiene una polaridad positiva y negativa en sus extremos), usamos el puente rectificador para cambiar la energía de CA a CC. Conecte los extremos de las pinzas de cocodrilo del segundo transformador a las 2 clavijas del medio del puente rectificador asegurándose de que las pinzas de cocodrilo no toquen ninguna de las otras clavijas.

Paso 13: Carga de los condensadores (5)

El símbolo sobre las clavijas exteriores del puente rectificador será + o -. Conéctelos a los extremos + y - de los condensadores con 2 pinzas cocodrilo más.

Paso 14: Carga de los condensadores (6)

Enchufe el cable de alimentación a la pared y espere unos 30 segundos para que los condensadores se carguen por completo. Desenchufe el cable de alimentación.

IMPORTANTE: no toque los dos extremos de los condensadores al mismo tiempo, de lo contrario puede doler. Pruebe si los condensadores están completamente cargados con el multímetro en un ajuste por encima de 450 V CC (línea recta junto a la V, no la línea ondulada).

Paso 15: Carga de los condensadores (7)

NOTA: Puede conectar los condensadores en serie (poste negativo a poste positivo) para aumentar el voltaje de la fuente de energía creada. Utilice el mismo número de condensadores para cada uno de los conjuntos de condensadores conectados en paralelo (ejemplo: si se eligen 3 condensadores para conectarse en paralelo en la imagen a continuación, conecte la serie con conjuntos de 3 condensadores conectados en paralelo con un total de 6 condensadores).

En este ejemplo, 2 juegos de condensadores conectados en paralelo están conectados en serie para una fuente de alimentación de 900 voltios. Cada conjunto de condensadores conectados en paralelo tendrá una capacitancia total de 940 uF.

Paso 16: Configuración del cañón de riel

Coloca el proyectil sobre un extremo de la varilla sobre una parte del imán. Conecte el extremo negativo del condensador a uno de los extremos del riel con una pinza de cocodrilo como la batería utilizada anteriormente. Con otra pinza de cocodrilo, conecte un extremo de la pinza al otro riel dejando libre el otro extremo.

Paso 17: Disparar el Railgun

Conecte el extremo positivo del condensador al extremo libre de la pinza de cocodrilo que está conectado a la otra varilla y el proyectil disparará.