Die Physik der Railgun, WIRED
Diese Demo ist sicher für Sie zu Hause versuchen - wenn Sie eine tatsächliche Magnetkompass haben.
Eine herkömmliche Kanone hat eine Art von Schale in einem Rohr. Die Schale wird dann durch die Expansion des explodierenden Schießpulver eingeführt. Was ist mit einer Railgun? Diese Waffe kann ein Geschoss mit enormer Geschwindigkeit schießen, ohne auch nur ein expandierendes Gas verwendet. Aber wie funktioniert es?
Lassen # x27; s einige der grundlegenden Prinzipien für die Railgun gehen zu arbeiten.
Elektrische Ströme Magnetic Fields Make -------------
Hier ist ein einfaches Experiment. Sie haben wahrscheinlich die Materialien, so dass Sie diese zu Hause ausprobieren können. Nun, Sie könnten nicht einen Magnetkompass - aber man sollte man irgendwie erhalten (Ihr Telefon hat # x27; t Arbeit in einer Zombie-Apokalypse). Nehmen Sie als nächstes einen Draht (jeder leitende Draht sollte wahrscheinlich funktionieren) und legen Sie den Draht, so dass sie entlang einer Nord-Süd-Linie über den Kompass ausgerichtet ist. So was:
Wenn Sie diesen Draht an eine Batterie anschließen, wird der magnetische Kompassnadel unter dem Draht sieht ein wenig bewegen. Wie viel er sich bewegt, hängt ab, wie viel Strom durch den Draht läuft (und wie nahe die Nadel an den Draht ist). Don # x27; t den Draht hält an der Batterie zu lange, wird es heiß.
Diese einfache Kompass Demos zeigt etwas sehr Wichtiges. Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder. Diese Magnetfelder interagieren mit dem Kompass und machen es zu bewegen.
Das Muster dieses Magnetfeldes ist ebenfalls wichtig. Wenn man sich die Richtung des Magnetfeldes sehen waren ein verschiedenen Orten rund um den Draht, es würde wie folgt aussehen:
Screen-Capture von einem VPython Programm zeigt die Berechnung des magnetischen Feldes.
Magnetic Fields Drücken Sie auf elektrische Ströme --------------
Wenn etwas ein Magnetfeld macht, dann wird die gleiche Sache eine Kraft erfahren, wenn in einem äußeren Feld platziert. Hier ist eine weitere kurze Demo.
Der Draht mit Strom ist in der Nähe des Magneten. Wenn Strom durch den Draht ausgeführt wird, gibt es eine magnetische Kraft auf den Draht, der es zu schwingen verursacht. Was ist mit der Richtung der Kraft? Diese Kraft ist senkrecht zu sowohl die Richtung des Stroms und die Richtung des Magnetfeldes. In diesem Beispiel (aus dem Video), ist der Strom auf der linken Seite und das Magnetfeld nach oben. Es gibt nur zwei Richtungen, die senkrecht zu diesen beiden Vektoren. Eine Richtung ist, in die Richtung, der Draht schwingt.
Setzt man diese beiden Ideen zusammen, können Sie eine Railgun machen. Das Gerät ist einfach im Design. Sie haben zwei parallele Schienen und eine bewegliche Geschosses (also ein railgun genannt), die auch wie ein Draht ist. Ein elektrischer Strom geht nach unten einen Draht, über das Projektil und dann wieder nach unten der anderen Schiene. Zwischen den beiden parallelen Schienen, die beide der Magnetfelder aufgrund der Schienen in der gleichen Richtung und ein stärkeres Magnetfeld machen. Dieses Magnetfeld drückt dann auf dem Projektil mit dem laufenden durch sie es aus dem Railgun zu treiben. Boom. Ein Projektil.
Screen-Capture eines VPython Programm zeigt die Kraft, die auf einem Draht.
Die cyan Pfeile repräsentieren die Magnetfelder, die von den beiden Schienen. Die roten Pfeile sind elektrischer Strom und der graue Pfeil ist der Kraftvektor an dem beweglichen Draht der zwei Schienen kreuzen. Das # x27; s Ihre Railgun.
Könnten Sie ein Railgun bauen? ---------
Hier ist die Demonstration railgun ich mit gestartet.
Bild: Rhett Allain
Die beiden dickeren Schienen werden in eine parallele Position mit einigen Lego Stücken gehalten und an eine Stromversorgung angeschlossen ist. Über die Schienen ist ein dünner Draht als „Geschoß“ wirkt. Ich mit einer Metallkugel auf den Schienen tatsächlich begonnen. Ich dachte, der Ball besser rollen würde und Kühler aussehen.
Ich habe mich geirrt. Diese didn # x27; t Arbeit. Ich drehte sogar die Stromversorgung, so dass es 10 Ampere von elektrischem Strom über die Schienen läuft. Nichts ist passiert.
Hier ist der ideale Ort für eine Back-of-the-Umschlag Berechnung. Die Idee ist, einige grundlegende Annahmen zu treffen, eine grobe Schätzung für den Wert der Kraft auf den Draht zu erhalten. Es spielt keine # x27; t eine perfekte Schätzung sein, nur in einer Größenordnung fein wäre.
Hier sind meine Annahmen:
- Das Magnetfeld zwischen den beiden Schienen einen konstanten Wert hat. Dies ist natürlich falsch, aber ich # x27 don t kümmern.
- Das Magnetfeld in der Mitte der beiden Schienen kann aufgrund eines langen Draht unter Verwendung der Formel für das Magnetfeld berechnet werden. Auch das ist falsch. Die „langen Draht“ Formel vorausgesetzt, dass Sie in der Mitte eines langen Draht sind. In diesem Fall gibt es keinen elektrischen Strom in der Schiene vorbei am Kreuz über Draht.
Jetzt für die Berechnung. Das Magnetfeld aufgrund einer langen geraden Draht wäre:
0 über 4π ist nur eine Konstante. r ist der Abstand von der Mitte des Drahtes ist. Wenn ich einen Abstand von 2 cm und einen Strom von 10 Ampere verwenden, erhalte ich ein Magnetfeld von 2 × 10 -4 Tesla.
Nun, wenn ich den gleichen 10 Amp Strom habe Laufen durch die 2 cm langen Quer über Draht (Projektil) kann ich die Verwendung nach der Kraft, die auf einem Draht mit Strom zu berechnen:
Da das Magnetfeld und der Strom senkrecht ist, ist dies einfach, die Größe der Kraft zu berechnen. Ich bekomme einen Wert von 4 × 10 -5 Newton.
Das # x27; s nicht eine sehr große Kraft. Was passiert, wenn ich den Strom erhöht? Eigentlich, da sowohl die Kraft und das Magnetfeld proportional zum Strom ist, würde die aktuelle Verdoppelung erhöht die Kraft um den Faktor 4. Ok, # x27 lassen; s sagen, dass ich in meiner Schiene 100 Ampere habe. Dies würde die Kraft nur 4 x 10 -3 N. Des # x27 erhöhen; s immer noch nicht genug. Auch gibt es keine Möglichkeit, meine Stromversorgung zu 100 Ampere aufstehen kann.
Was etwa 1000 Ampere? Ja, das könnte es tun. Wirklich, die einzige Möglichkeit, dass hohe ein Strom mit irgendeiner Art von Kondensatorbank, die sehr schnell entladen werden können. Aber warte! Wenn ich 1000 Ampere in den Schienen haben, gewann # x27; t auch die Schienen aufeinander schieben? Ja.
Wie ich schon sagte, ich # x27; würde nicht eine Demoversion eines Railgun bauen.
Bauen Sie Ihre eigene Railgun.
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