Maximización de la fuerza del acelerador de masas magnético

Question

Estoy planeando construir una pistola de bobina para disparar pequeños imanes de neodimio fuera de un tubo. Para ello estoy planeando utilizar un gran condensador de 400 farad de 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 momento la resistencia bajará 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.

Aunque sé que esto aumentará la fuerza del electroimán, no estaba seguro de si frenaría el proyectil al pasar por la ferrita debido a su atracción hacia ella.

Por último, me preguntaba qué diodo debería utilizar para proteger el condensador de la tensión generada por el campo magnético.

Por favor, díganme si esto no será lo suficientemente fuerte para cumplir con mis necesidades.

No necesito que el proyectil viaje muy rápido sin embargo me gustaría que el proyectil pudiera viajar a través del un poco para la prueba del concepto.

Answer 1

En primer lugar, no creo que se pueda utilizar un imán de neodimio como proyectil.

Coilgun

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

Deberías centrarte más en la energía cinética del proyectil cuando sale del tubo. Un condensador de 400 faradios y 2,7 V almacena 1450 julios de energía, lo que, con una eficiencia del 1%, se traduce en 14,5 julios de energía del proyectil. Introduciendo esto en la ecuación de la energía cinética \$E = \frac{1}{2}mv^2\$ nos da una velocidad de salida 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 se pueda bombear a través de la bobina. Esta fuerza mínima será enorme, porque el proyectil debe alcanzar la velocidad de la boca del cañón en la mitad de la bobina. (La bobina también debe estar descargada en ese momento, o el proyectil se ralentizará).

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

¿Qué significa esto? Necesitas un proyectil fuerte, sin duda, y tu condensador debe proporcionar una gran cantidad de energía.

Tomando los parámetros anteriores, el tiempo antes de que el proyectil impacte en el centro del cañón es de 0,23 milisegundos, que puedes calcular mediante la ecuación cinemática \$x = \frac{1}{2}at^2\$ . Dividiendo la energía total por el tiempo nos da una necesidad de potencia de 6,5 MW para ser descargada.

Así es. 6,5 MW .

Con un condensador de 2,7 voltios, la resistencia debe ser inferior a 1 micro-ohmio. 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 él y de la tensión.

Una vez que tengas eso puedes calcular el número de vueltas necesarias, y eso te da la resistencia de la bobina. Puedes sumarla a la resistencia del condensador y del diodo para obtener la resistencia total. Ésta debe ser inferior a la resistencia mínima que has calculado.

Tenga cuidado. 1500 julios es mucha energía.

Answer 2

No se me dan bien las matemáticas, ni la electrónica.

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

Si tiene la capacidad de configurar los interruptores adecuadamente, podría hacer que su bobina de conducción de masa atraiga el proyectil de imán permanente hasta que llegue muy cerca del centro del campo de la bobina, y luego invierta la polaridad para que la bobina repela el neo imán al salir. La sincronización de los interruptores debe hacerse casi a la perfección.

Los neoimanes son, por supuesto, frágiles y caros. Yo consideraría la posibilidad de utilizar el neo imán como un "trineo" que empuje a un mejor candidato a proyectil, como una bala de plomo. Podrias frenar y finalmente detener el iman con un tubo de cobre y eventualmente un campo magnetico debil a cierta distancia del cañon, mientras la bala continua.