Como fazer um canhão elétrico (ciência explicada): 17 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

AVISO: Leia as etapas "IMPORTANTES" para que você não se machuque ou seja eletrocutado se decidir fazer a versão melhorada da arma de fogo

Criado por: Duncan Yee

Visão geral

O conceito de canhão elétrico consiste em impulsionar um objeto condutor ao longo de 2 trilhos condutores devido a uma força magnética e uma força elétrica. A direção da força propulsora é devida a campos eletromagnéticos chamados de força de Lorentz.

Uma partícula carregada movendo-se com uma velocidade [V], através de um campo elétrico perpendicular a um campo magnético [B], experimentará uma força [F], conforme ilustrado no diagrama à direita. Este diagrama ilustra a direção da força de Lorentz com o uso da regra da mão direita.

No caso deste experimento, o movimento de partículas carregadas através de um campo elétrico é o fluxo de carga elétrica movendo-se através de um fio de cobre. O campo magnético é induzido com ímãs de neodímio muito fortes.

A equação é, portanto, o produto vetorial: [F] = Il X [B]

I - atual

l - comprimento do fio

Peças

Grandes ímãs retangulares de neodímio (Lee’s PID: 60012)

Fio de cobre 12AWD (Lee’s PID: 22498)

Bateria de 12 V (Lee’s PID: 81036)

Clipes de jacaré (Lee’s PID: 690)

Exacto Knife (Lee’s PID: 5457)

Cortador diagonal (Lee’s PID: 10383)

Papelão (lixeira de Lee)

Opcional: bússola digital (Lee’s PID: 98411)

Peças que melhoram o design

Capacitores 450V 470uF (Lee’s PID: 8604)

Retificador de ponte 600V 35A (Lee’s PID: 71096)

Transformadores Step Down / Up isolados 60VA (Lee’s PID: 10501)

Cabo de alimentação (Lee’s PID: 2995)

Fio de conexão 26 AWG (Lee’s PID: 224007) ou mais clipes de jacaré

Fita Elétrica (Lee’s PID: 10564)

Super Cola (Lee’s PID: 4327)

Ferrite Bead (Lee’s PID: 10812)

Selante de silicone (Lee’s PID: 16028)

Multímetro digital (Lee’s PID: 10924)

Etapa 1: Retirar os fios de cobre 12AWD e colocar os trilhos

Usando a faca exata, corte a cobertura de plástico do fio de cobre. Corte duas tiras de fios de 60 cm de comprimento com o cortador diagonal. Corte mais uma tira de arame de 2 polegadas de comprimento que será usada como objeto propulsor. O cobre é escolhido por ser um bom condutor de eletricidade.

Recorte 2 pequenos círculos do papelão e faça um furo no centro do círculo. Prenda-o nas pontas do fio de 2 polegadas para mantê-lo no caminho das hastes enquanto está sendo disparado.

Tente não dobrar os fios ao trazê-los para casa, para que possa endireitá-los como os 'trilhos'. Apoie-os com algo que não conduza eletricidade para que eles não entrem em curto. Usei 2 réguas, mas você pode usar o papelão encontrado na lixeira de Lee. Prenda uma pinça de crocodilo, deixando a outra extremidade livre em cada extremidade dos trilhos.

Etapa 2: Induzindo o campo magnético (1)

Com a altura das réguas que usei, posso colocar 5 dos ímãs retangulares de neodímio sob os trilhos. Quanto mais ímãs você empilhar, maior será a força magnética. Certifique-se de que os imãs não toquem os fios de cobre, pois isso causará novamente um curto-circuito nos trilhos.

Como os ímãs de neodímio consistem em um pólo norte de um lado e um pólo sul do outro lado, empilhe as faces.

Mantenha os ímãs voltados para a mesma direção ao longo deste experimento. Remova uma pilha de ímãs até a altura desejada e coloque-os sob e entre os dois trilhos. Coloque outra pilha o mais próximo possível ao longo dos trilhos. A força magnética entre essas pilhas de ímãs se oporá uma à outra. Eu os segurei no lugar com as duas réguas.

Etapa 3: Induzindo o campo magnético (2)

Neste ponto, não sabemos se a força magnética é direcionada para cima ou para baixo. Também não importa. No entanto, você pode determinar a direção com a bússola. O pólo norte da bússola será direcionado ao pólo sul do ímã. Isso também informará a direção da força magnética.

IMPORTANTE: é muito difícil manusear esses imãs e se eles colidirem, irão se estilhaçar e quebrar facilmente.

Etapa 4: Induzindo o fluxo de carga elétrica

Coloque o fio de cobre de 2 polegadas esticado ao longo dos trilhos acima de uma pilha de ímãs. Isso criará um curto nos trilhos, mas é para onde queremos que as cargas elétricas fluam.

Conecte as extremidades livres das pinças jacaré, uma na extremidade negativa do terminal da bateria de 12 V e uma na extremidade positiva. A haste de 2 polegadas agora se moverá. A direção do movimento pode ser determinada pelas forças descritas acima usando a regra da mão direita. Se você não usou uma bússola para determinar a direção da força magnética, pode facilmente alterar a direção da haste de propulsão trocando as conexões com o terminal da bateria. Novamente, isso pode ser confirmado com a ilustração da regra da mão direita.

Remova uma das conexões da garra jacaré do terminal da bateria de 12V.

Etapa 5: disparar a arma de fogo

Coloque o fio a ser impulsionado em uma extremidade do trilho cerca de 1 quarto acima da primeira pilha de ímãs. Reconecte a garra jacaré ao terminal da bateria de 12 V e o fio disparará.

… Isso não vai disparar de forma impressionante, pois você pode ver que o fio só será impelido para o próximo ímã e não terá nenhuma força impulsionando-o entre os ímãs. Mas..

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Etapa 6: Induzindo o campo magnético

Usando um medidor resistente feito de material não condutor (madeira, plástico), cole a pilha de ímãs em um de seus lados com supercola e embrulhe-a no lugar com fita isolante. Espere secar. Com os ímãs voltados para a mesma direção do design original, repita com outra pilha de ímãs ao lado da primeira pilha. Isso pode ser um pouco difícil, pois os ímãs ficarão opostos. Peça a alguém forte para fazer isso.

Novamente, espere secar e repita até que a fileira de ímãs alcance o comprimento dos trilhos. Coloque a régua de medição sob e entre os 2 trilhos com os ímãs no lado oposto. Isso irá induzir um campo magnético em todo o comprimento dos trilhos, permitindo que o fio continue sendo impulsionado para frente.

Etapa 7: Configurando o projétil

Coloque o cordão de ferrite em uma superfície plana e preencha metade do cordão com selante de silicone e espere secar. Cole as pontas do fio que está sendo impulsionado para o centro do silicone e cole no lugar com super cola. Certifique-se de que o fio seja longo o suficiente para manter o contato com os trilhos. Isso manterá o projétil no caminho dos trilhos com menos atrito em comparação com o carboard usado originalmente.

NOTA: Você pode precisar usar um cordão de ferrite maior para aumentar o peso do projétil se ele acabar voando quando for disparado.

Etapa 8: Configurando os Capacitores

Os capacitores escolhidos podem ser considerados uma bateria maior. O capacitor semelhante a bateria retém uma carga que cai muito rapidamente em comparação com as baterias normais comumente usadas (AA, AAA, etc.). Essa taxa de descarga depende da constante de tempo; quanto maior a constante de tempo, mais tempo o capacitor manterá sua carga.

A fórmula para a constante de tempo é: [T] = R * C

[T] = constante de tempo

R = resistência

C = capacitância (do capacitor)

Como a resistência do cobre não pode mudar drasticamente, para aumentar a constante de tempo permitindo que a carga seja mantida por mais tempo, podemos aumentar a capacitância dos capacitores conectando-os em paralelo com o fio 26 AWG. A faixa ao longo do capacitor escolhido mostra um sinal negativo (-), o que significa que o pino mais próximo a ele é o negativo. Conecte-os em paralelo conectando o pólo negativo de um capacitor ao pólo negativo do próximo. Repita com a postagem positiva. Isso será equivalente a usar 1 'bateria' como fonte de energia com a capacitância sendo a soma do número de capacitores que você escolher para conectar.

NOTA: 3 capacitores podem não ser suficientes para manter a carga, você pode adicionar mais ao seu gosto.

Etapa 9: Carregar os capacitores (1)

Os capacitores que escolhi podem conter no máximo 450 volts. Para carregar esses capacitores, aplicamos 450 volts a eles usando a energia fornecida pela tomada da parede.

IMPORTANTE: verifique a tensão fornecida por seu país. Será 120 ou 220 volts AC. No Canadá, é de 120 volts, o que significa que devemos multiplicar mais ou menos por 4 para chegar a 450 volts.

Usando 2 garras jacaré, conecte as extremidades do cabo de alimentação a um transformador em 0 e 120. Usando mais 2 garras jacaré, conecte as extremidades das garras na outra extremidade do transformador em 0 e 220. Esta relação multiplicará a tensão da parede em 1,8.

Conecte as extremidades das pinças jacaré vindas do primeiro transformador para o segundo transformador em 0 e 120. Usando mais 2 pinças jacaré, conecte as extremidades das pinças na outra extremidade do transformador em 0 e 220. Isso irá multiplicar novamente o voltagem de 1,8 dando um total de 3,6.

Etapa 10: Carregar os capacitores (2)

IMPORTANTE: não toque nas pontas do cabo de alimentação ou você será eletrocutado. Enrole os fios expostos com fita isolante para que você não possa tocá-los. Não toque nas extremidades das pinças jacaré conectadas ao transformador.

Etapa 11: Carregar os capacitores (3)

Teste a tensão das extremidades das pinças jacaré conectadas às extremidades do segundo transformador com o multímetro em uma configuração acima de 450 Vca (linha ondulada próxima ao V, não a linha reta). A voltagem quando conectado na parede será menor do que o esperado devido à resistência dos fios e de tudo conectado.

Etapa 12: Carregar os capacitores (4)

Como a energia que vem da parede é CA e os capacitores precisam ser carregados com energia CC (tem uma polaridade positiva e negativa em suas extremidades), usamos o retificador de ponte para alterar a energia CA para CC. Conecte as extremidades das pinças jacaré do segundo transformador aos 2 pinos do meio do retificador em ponte, certificando-se de que as pinças jacaré não toquem em nenhum dos outros pinos.

Etapa 13: Carregar os capacitores (5)

O símbolo acima dos pinos externos da ponte retificadora será + ou -. Conecte-os às extremidades + e - dos capacitores usando mais 2 garras jacaré.

Etapa 14: Carregar os capacitores (6)

Conecte o cabo de alimentação na parede e aguarde 30 segundos ou mais para que os capacitores carreguem totalmente. Desconecte o cabo de alimentação.

IMPORTANTE: não toque nas duas extremidades dos capacitores ao mesmo tempo, caso contrário, pode doer. Teste se os capacitores estão totalmente carregados usando o multímetro em uma configuração acima de 450 Vcc (linha reta próxima ao V, não a linha irregular).

Etapa 15: Carregar os capacitores (7)

NOTA: Você pode conectar os capacitores em série (pólo negativo para pólo positivo) para aumentar a tensão da fonte de alimentação criada. Use o mesmo número de capacitores para cada um dos conjuntos de capacitores conectados em paralelo (exemplo: se 3 capacitores forem escolhidos para serem conectados em paralelo na imagem abaixo, conecte a série com conjuntos de 3 capacitores conectados em paralelo com um total de 6 capacitores)

Neste exemplo, 2 conjuntos de capacitores conectados em paralelo são conectados em série para uma fonte de alimentação de 900 volts. Cada conjunto de capacitores conectados em paralelo terá uma capacitância total de 940uF.

Etapa 16: Configurando o canhão elétrico

Configure o projétil acima de uma extremidade da haste acima de uma parte do ímã. Conecte a extremidade negativa do capacitor a uma das extremidades do trilho com uma pinça jacaré como a bateria usada anteriormente. Usando outra presilha tipo jacaré, conecte uma extremidade da presilha ao outro trilho, deixando a outra extremidade da presilha livre.

Etapa 17: disparar a arma de fogo

Conecte a extremidade positiva do capacitor à extremidade livre da garra jacaré que está conectada à outra haste e o projétil disparará.