Maximización de la fuerza del acelerador de masa magnética

Estoy planeando construir una pistola de bobina para disparar pequeños imanes de neodimio desde una tubería. Para esto, planeo usar un capacitor grande de 400 faradios y 2.7 voltios.

Me pregunto cuántas bobinas de alambre debo hacer para lanzar el proyectil.

Sé que cuantas más bobinas, más fuerte es el campo magnético, sin embargo, no estoy seguro de en qué punto la resistencia reducirá la corriente lo suficiente como para limitar la fuerza del imán.

El condensador tiene una resistencia interna de 3,2 mOhms.

Además, me preguntaba si el electroimán debería tener un núcleo de ferrita.

Si bien sé que esto aumentará la fuerza del electroimán, no estaba seguro de si reduciría la velocidad del proyectil al pasar por la ferrita debido a su atracción por ella.

Finalmente, me preguntaba qué diodo debería usar para proteger el capacitor del voltaje generado por el campo magnético.

Por favor, dígame si esto no será lo suficientemente fuerte para satisfacer mis necesidades.

No necesito que el proyectil viaje muy rápido, sin embargo, me gustaría que el proyectil pueda viajar un poco a través de la prueba de concepto.

Hmm, ¿cómo funciona exactamente? (He visto cañones de riel con conductores con corriente perpendicular a un campo B constante). (También me preocuparía usar imanes frágiles y caros como proyectiles).
Estaba planeando enviar una corriente temporal a través de una bobina para poner el imán en movimiento y luego apagar rápidamente la corriente antes de que el imán pueda alcanzar la bobina. Planeo tener un objeto suave para absorber el impacto.
Bien, la fuerza sobre el imán dependerá del gradiente del campo magnético . Entonces, tal vez dos bobinas de Helmholtz conectadas en oposición. El tiempo de activación del campo será función de la fuerza, la masa del imán y la separación de la bobina.
@GeorgeHerold: ¿ Wikipedia: pistola de bobina explica cómo funciona una pistola de bobina?
Nunca construí una, pero investigué las pistolas de bobina hasta cierto punto en el pasado. Por el sonido de las cosas, ¿estás construyendo un arma de una sola etapa? Para maximizar la fuerza, lo ideal es tener varias etapas. Para una pistola de bobina, los dos aspectos más importantes de su funcionamiento son las etapas múltiples, cada una con una bobina lo suficientemente enrollada para maximizar su campo magnético mientras es lo suficientemente pequeña para responder... ya que el segundo aspecto importante es la sincronización adecuada de cada escenario. De hecho, un campo más fuerte le dará más aceleración, pero en su lugar logrará más con múltiples etapas pequeñas.

Respuestas (2)

En primer lugar, no creo que puedas usar un imán de neodimio como proyectil.

Pistola de bobina

Una pistola de bobinas (o pistola de Gauss, en referencia a Carl Friedrich Gauss, quien formuló descripciones matemáticas del efecto magnético utilizado por los aceleradores magnéticos) es un tipo de acelerador de proyectiles que consta de una o más bobinas utilizadas como electroimanes en la configuración de un motor lineal que acelerar un proyectil ferromagnético o conductor a alta velocidad.

Deberías concentrarte más en la energía cinética del proyectil cuando sale del tubo. Un condensador de 400 faradios de 2,7 V almacena 1450 julios de energía, lo que, dada una eficiencia del 1 por ciento, se traduce en 14,5 julios de energía de proyectil. Conectando esto a la ecuación de energía cinética mi = 1 2 metro v 2 , nos da una velocidad inicial de 170 m/s para un proyectil de 1 gramo.

Ahora pasemos a la cuestión de la fuerza.

La fuerza depende de la cantidad de energía que puedas bombear a través de la bobina. Esta fuerza mínima será enorme, porque el proyectil debe alcanzar la velocidad inicial en el medio de la bobina. (La bobina también debe estar descargada en este momento, o el proyectil se ralentizará).

Para un proyectil de un gramo, serán 729 newtons o 73 kg de fuerza, suponiendo una longitud de bobina de 4 cm. (Puedes calcular la aceleración a partir de esta ecuación - a = v 2 s donde s es la longitud del cañón y v es la velocidad).

¿Qué quiere decir esto? Definitivamente necesita un proyectil fuerte, y su condensador debe proporcionar una gran cantidad de energía.

Tomando los parámetros anteriores, el tiempo antes de que el proyectil golpee el centro del cañón es de 0,23 milisegundos, que puede calcular utilizando la ecuación cinemática X = 1 2 a t 2 . Dividiendo la energía total por el tiempo nos da un requerimiento de potencia de 6.5 MW a descargar.

Así es. 6,5 megavatios .

Con un condensador de 2,7 voltios, la resistencia debe ser inferior a 1 microohmio. Definitivamente no es posible. Con un condensador de 400 voltios, el mínimo será de 24 miliohmios. Esto es posible.

Su pregunta especifica que no está interesado en maximizar la velocidad.

En ese caso, puede realizar estos cálculos para su caso de uso específico.

El calibre del cable depende de la corriente que pasa por el cable y el voltaje.

Una vez que tenga eso, puede calcular el número de vueltas necesarias, y eso le da la resistencia de la bobina. Puede agregar esto a la resistencia del capacitor y el diodo para obtener la resistencia total. Esto debe ser menor que la resistencia mínima que calculó.

Ten cuidado. 1500 julios es mucha energía.

No soy bueno en matemáticas, ni en electrónica.

Dicho esto, por supuesto, puedes usar un imán de neodimio como proyectil.

Si tiene la capacidad de configurar los interruptores correctamente, podría hacer que su bobina de conducción masiva atraiga el proyectil de imán permanente hasta que llegue muy cerca del centro del campo de la bobina, luego invierta la polaridad para que la bobina repela el imán neo en el camino afuera. La sincronización de los interruptores debe realizarse casi a la perfección.

Los imanes Neo son, por supuesto, frágiles y caros. Consideraría usar el imán neo como un "trineo" que empuja a un mejor candidato a proyectil, como una bala de plomo. Podría reducir la velocidad con gracia y finalmente detener el imán con un tubo de cobre y, finalmente, un campo magnético débil a cierta distancia del cañón, mientras la bala continúa.

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