失传技术研究所小讲堂 篇五十八:从零开始的电磁弹射DIY教程

2019-08-05 21:25:05 41点赞 220收藏 44评论

创作立场声明:电磁弹射从一脸懵逼到最佳教学用具奖

从现在开始,咱是以失传技术研究所的身份在发表文章

其实咱之前早就有成熟的相关技术,但是主要用于教学用具方面,并曾经交付所里的同学参加教具比赛并荣获一等奖。具体是校赛还是省赛我忘了,几年前的事了。


从零开始的电磁弹射DIY教程


这是咱所自己设计的电路板,适合小功率演示使用,实际在大功率方面调整元件参数也是可以起作用的

电磁弹射的原理说来简单,其实就是用电进行质量的抛射,是一种非常常见的电力拖动技术的变种,广泛用于生产生活中。不过咱还是用《电磁弹射原理与技术》的解释来作为参考吧


从零开始的电磁弹射DIY教程


这本书比较偏军用,但是实际上直线电机在工业上也有相当广泛的应用。


从零开始的电磁弹射DIY教程


总之,咱做的模型就属于最基本的感应电磁弹射器的模型,可以用来教学应用。


从零开始的电磁弹射DIY教程


其实我们很久之前就在网络上进行电磁弹射相关的科普了,当时电子DIY界奸商当道中二遍地,随便做一个吸铁钉的电磁铁就号称电磁炮开始出套件卖钱了,虽然效率十分低下但是在储能的数量级下也可以达到可观的威力,对社会安全造成了一定的威胁,最终也终于是有一个卖家被逮捕收场,剩下的奸商问讯也就纷纷作鸟兽散了

这件事教给我们的道理就是科学技术一定是要以人为本,之前那些人做的劣质品经常会出现电器爆炸或是误触发走火伤及自身的情况,甚至还出现过漏电导致使用者触电致死的案例,虽然后来不了了之但是教训就是人还是得先学做人后学做事

上图这个电磁弹射的基本演示模型就有设计简洁安全可靠原理清晰的优点,从那个时候开始网上的用户们就越发看清了电磁动能技术的本质究竟是什么了


从零开始的电磁弹射DIY教程


就这么简单,线圈上放个导体,可以是闭合线圈,线圈通上脉冲电流(高压电源供电),导体就受到电磁感应产生作用力被弹射出去

这种方法理论上适用于任何导体,而且计算更为容易,原理易于解释,非常适合用于高中的电磁学教学使用

其实 有个UP叫估读讲的《谈电加速》就不错,有兴趣的可以上某站搜一下,虽然不敢说讲的全对,但是至少还是有启迪作用的

说到自己会制作教具也是因为有个上课喜欢日常科普的物理老师,毕竟高中课堂上能讲出电磁弹射特斯拉线圈之类的老师在我上学那个年代也是非常硬核的。其实我受到过很多优秀老师的教育,有的老师甚至当初就鼓励咱说咱只要好好学习从事研究,将来没准就会名留青史,甚至成为物理单位——在当年还没有屠呦呦的时候对于我们的鼓舞是非常大的,后来咱确实也做了一些相关的工作,就是这样的一套东西了


从零开始的电磁弹射DIY教程


要完成一套电磁弹射演示系统,咱至少需要基本的材料:无极储能电容、电容充电电源、导线和基本的线圈和开关

此外知识储备也是非常重要的,作为研究者最基本的原理要懂,上图这个电磁线圈原理和电磁动能系列丛书如今我们所已经收集了十分之九了,现在在失传技术研究所公众号的后台回复电磁即可获得相关电子资料

今早看了一下三上ミカ的本子作为珊瑚玩家坐不住了:本子男主都能为了娶老妹和妹妹一起努力学习,我却在这印本子

也许之前那个打印机可以用来打更多的书籍资料


从零开始的电磁弹射DIY教程


此外在进行研究之前进行仿真也是很重要的,我推荐各位使用ANSOFT的MAXWELL进行电磁环境仿真,正如高频电子要用HFSS,机械要用ANSYS一样,MAXWELL是专用于电磁仿真环境的软件,目前我们所也储存了一份WIN7 64BIT可用的MAXWELL14,回复MAXWELL即可获得软件用于学习目的

网上现在流传的电磁仿真计算软件确实能够根据输入的参数获得结果,但是个人认为一个只有几MB的软件仿真出来的结果能有什么价值呢?根据实测,该软件的仿真偏差一些参数最高可以大于100%,基本没有参考价值


从零开始的电磁弹射DIY教程


其实整个系统可以等效为这样一个LCR电路,制作起来也是非常的简单——成本不到50元

以前其实咱就写过教程,不过当时咱的条件比较简陋,设备比较原始,现在复刻也是因为受人委托——之前在网上一起研究特斯拉线圈的朋友,给过我们不少研究成果,还有非常廉价的产品可用,还一起怼过有点技术就不知道自己是谁到处装AC的中二。这次既然人家开口要参赛,咱也得投桃报李,做咱最拿手的事。


从零开始的电磁弹射DIY教程


首先要制造一套电磁弹射演示教具我们需要制作一个线圈,也是整个系统里面最值钱的东西。

线圈在这个系统中就好比电机于电动车中,是整个系统的核心,线圈的参数和工艺直接影响系统效率,现在电瓶车广告都会宣传自己用的电机是多么多么好的电机,同样的电瓶可以跑得更远(实际上当然也更快),咱做线圈也得一丝不苟


从零开始的电磁弹射DIY教程


1.12mm QZ-1130L级UL漆包线

线圈的制作教程其实我们以前更过视频,这次咱简单的演示一下普通的螺线管线圈的制作方法

其实线圈还有实心的蚊香线圈,离远了看着像个金丝饼,之前那个18年的图和GIF都用的那种线圈,理论上效率会高些但是不明显


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绕线圈我们需要准备模具,先用A4之类的打印纸给电池或者记号笔之类的圆柱模具套上纸然后透明胶粘好,然后直接在上面绕线就行了

绕好一层之后用强力胶固定就行了,关于强力胶我想说的就是其实502在强力胶里面算弱的,除了更强的401以外咱用的瑞士产的5400强力胶也是非常好用,实际上更强的强力胶线圈之后线圈强度失效的发生率明显低于502等蔡鸡胶水

5400之类的胶水也一瓶就不过9.9包邮,加几块钱还送解胶剂,能破也能立


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所谓一分钱一分货,线圈如果不牢那就是性能下降,上课演示的时候就可能掉链子,这种事是万万不可以发生的,所以该出手时就出手,不该省钱的地方千万别省钱。贪小失大啊


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线圈一层绕好之后拉紧上胶,因为是强力胶所以不用太多,此外强力胶干的也快,干得快的胶水反倒不容易粘手,正如菜刀越锋利越不容易伤手。

虽然电线电阻值直接与长度和线径有关,绕圈后电阻值不会变化但其形成的电感会使电线发热,就像电焊作业时如果焊线绕成圈就会出现明显的电磁场,所以电能实际上是损失了的,因此电源排线非常忌讳在电线捆扎状态下使用。当正常的金属载流时 , 将会出现电阻 ,因为电子会受到散射而改变动量 , 使载流子沿电场方向的自由加速受到阻碍。而在超导体情况下 , 组成库柏对的电子虽然会受到不断地散射 , 但是, 由于在散射过程中 , 库柏对的总动量维持不变 , 所以电流没有变化 , 呈无阻状态。


从零开始的电磁弹射DIY教程


然后给线圈扒下来就能用了。

时间长了线圈也绕不扎实了,献丑。前些日子算势能的时候单位都带错了,老了,不中用了


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然后找个硬币之类的金属片放在上面就能弹射了,迫真炮姐

最好还是用铝片或者铜片,电导率高。铁导电率低不说还还会被磁化阻碍弹射作用,所以这个实验不宜使用这点一定要记住

(以我们的实验设计来看,硬币被弹射不会获得太高的动能,仅仅会略微弹起,所以不会有损坏非流通货币的风险 目前的流通货币基本都是钢芯制所以无法使用)

此外这次这个线圈还是造大了,正常来说应该增大载荷尺寸,也许可以用个闭合线圈之类的,这样效率还能更高些


从零开始的电磁弹射DIY教程


整个系统组装好大概是这个样子


从零开始的电磁弹射DIY教程


整个系统其实最复杂又简单的就是电容器的充电部分,其实电容器的充电非常简单,只要有直流电就能充,咱现在用的无极电容容量大电压高,充电的时候不仅不用考虑极性,而且因为内电阻低所以充电放电的速度快损耗小,有助于提升系统效率

充电咱直接使用随处可见的倍压整流电路进行充电 倍压整流电路,可以把较低的交流电压,用耐压较高的整流二极管和电容器,“整”出一个较高的直流电压。具体的原理是利用交流电电压周期性改变方向的特性,使用电容和二极管强迫电流对电容器充电后电容器串联放电,即可得到数倍于输入电压的直流电压。但是倍压整流电路输出电流与电容器的容量有关,加大电容器容量可以增加输出电流,本实验为了安全控制了倍压整流电路的电容容量,并同时设计了充电限流电阻和泄放电阻

倍压整流电路当倍数不高的时候输出电压近似于N倍交流输入的峰值,实际当当倍数高的时候升压打破理想状态,输出电压会低于理论值。


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整个充电电路就这么简单,至于放电电路因为是电容对线圈放电所以等效于上图左侧的RLC电路,整个电路参数一旦确定就具有确定的放电特性。电路具有确定的频率,频率越高电容电感互相充放电的周期也就越短,电流的变化也就越剧烈。

回路中需要考虑的参数有电容的容量、线圈的电感、它们的等效串联电阻(ESR,也就是咱之前通俗来讲的内阻)、线路的电阻 以及电容器的等效串联电感(ESL)

值得注意的是,电路的固有频率只和电容量和电感量有关,和电路中的电压无关。电路中会消耗能量的因素有电容和线圈的ESR、线路中电容和电感触点电阻RL RC,线路中导线的电阻r,这些都会实际消耗能量。降低这部分能量损失可以利用更高的电压的办法实现,这点高中物理学过高压输电的同学都会明白。

P=UI Q=I²rt 联立为了在提升功率P的同时降低或者不升高线路热损失Q可以采取直接提升输电线路电压U降低电流I的方法就能够在保证输电功率的同时降低线路损耗。

至于电容和电感的容抗与感抗,它们并不会实际消耗能量,只会减缓震荡电路的工作速度。 交流电路中这样的感性负载和容性负载会产生无功功率,虽然不消耗电能但是会影响电路的实际功率,也是尽可能要补偿削减的。

电容器如果使用电解电容作为储能电容得话,电容器的ESR和ESL相比无极电容都会飙升,在电路中是非常不利的。ESR不用说,电容的内电阻提高肯定会严重降低效率,咱主要需要解释ESL

感应式电磁弹射电路需要在闭合导体或者闭合线圈上产生尽可能高的感应电动势以获得更高的感应电流提升效率,为此会要求电磁线圈上的电流变化更快,这样穿过闭合导体或是闭合线圈的ΔΦ/Δt才会更高,而如果电容器的ESL提升的话根据上图LCR电路的频率公式可知LCR电路的频率f也会降低,这样就会导致LCR电路的运行速度变慢穿过闭合导体或闭合线圈的ΔΦ/Δt下降电磁弹射效率降低。

电磁感应现象中感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。还可表述为:感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。这个现象最早是由俄国的科学家楞次发现的,因此叫做楞次定律。和惯性定律及勒沙特列原理共同阐述了自然界中阻碍变化的“惯性”

不过由于这个定律,感应电流的方向和电磁线圈中电流的方向永远是反的,产生的磁场也永远是反向的,因此通过磁场电磁弹射器就可以对载荷做功。根据E=nΔΦ/Δt,我们也可以得出当磁场变化越强越快的时候,穿过闭合导体的磁通量变化也同样更大更快,产生更高的感应电动势。感应电动势越大,感应电流越高,感生磁场也就越强。在输入能量不变时提高磁场的变化率就能提升系统效率。

此外提升整个电路的电压还有一个好处电压在一定区间内对人体的损伤更高风险更大,高于危险电压和低于危险电压的电压更不容易对人产生生命危险。


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《重口面面观》用电一定要注意安全!


从零开始的电磁弹射DIY教程


最后说的高压电会在皮肤产生电弧的事我可以确信是真的。但是有个例外就是当电容器的储能足够低的时候能量不够维持电弧的产生。

Ec=CU²/2,国际单位

当我们使用20微法的电容的时候,即使充满电达到了1240V,能量依然非常低,只有15J,这个能量不够在人体与电源之间产生电弧的,事实上电压也不是很够。

如果条件理想,系统效率能达到10%,那么载荷就可以得到1.5J的能量,这个能量可以让1.15克的硬币在理想条件下垂直弹射到一百多米的高度Ep=mgh,显然这样的理想条件是不存在的,咱自己随便做的东西效率也没那么高(虽然还是可以吊打某宝一众“电磁炮”)。事实上能达到10米就以及很不错了

LC电路:LC电路,也称为谐振电路、槽路或调谐电路,是包含一个电感(用字母L表示)和一个电容(用字母C表示)连接在一起的电路。电容以电场的形式储存电能保存电压,因为是纯物理的没有电池一样的电化学反应所以放电的速度可以很快。电感以磁场的形式储存电能,当通过闭合回路的电流改变时,电感会出现电动势来抵抗电流的改变。当电容器与电感器连接在一起,电容对电感开始放电即会产生电磁震荡——这种电路产生了变化的电场和磁场,理论上可以有效对外辐射电磁波


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刚才我们还忽略了开关阻抗


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空气开关的内部是这个样子的,除了触点和线路的电阻以外,还存在一个电感,这个是电磁脱扣器上的,串联在开关中。这个电感的值通过测量可以发现仍然会稍微影响线路整体的频率的。频率低线圈产生脉冲磁场的速度就会降低,然后系统整体的效率也就降低了。

电磁脱扣器可以拆开空气开关手动移除也可以尽可能购买标称额定电流更高的空气开关来解决

实际上,如果有选择的话可以考虑自制开关,这个咱最后说

目前来说空气开关还是可以容许的方案


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电容器我们直接采用了空调电容,CBB65,这个示例电容是80微法,实际上20微法的电容比这小得多,然而咱用光了

标称的AC代表交流工作电压,实际上在直流环境下这样的电容器可以轻松达到1KV而不会失效 但是咱还是不建议各位养成电容器超压的习惯,即使无极电容超压因为其自愈性没有电解电容那种爆炸的风险

在大载荷环境下,我们可以提高电容器的储能来提升电弹的功率


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如果看着450V AC的电容感觉不爽,直接上1100V的电容啊。当使用1100V电容器的时候,可以手动控制充电电压在1100V时关闭充电电路,这个我们是有相应设计的


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不过这个电路因为设计的时候考虑了低储能小功率的工作环境,实际上充电的速度并不是很高,1100V420微法的电容器我们等很长时间也未必会充满


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漆包线确实可以在应急环境充当导线,但是LC电路的频率比较高,漆包线单股线存在趋肤效应因此载流能力会下降。

导线的表面等效电容更大,由于


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因此高频电路中电流更趋向于集中在导线表面


从零开始的电磁弹射DIY教程


其实电容器的充电也可以用高压包,也就是行输出变压器,其实是个铁氧体磁芯的漏磁变压器,能产生数千至上万伏的高压,适合电容器组使用。

另外尽可能不要使用左侧那种没有控制系统的不正规电路,尽可能使用具有控制器的逆变器

最后是咱之前说的自制开关


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德国DIY界发展的比我们先进,但是他们用的技术却是非常落后的火花开关

在这个电路中,开关使用的是放电管,通过触发高压低电流的第三极,可以整体触发火花开关,实现逻辑上的用小电流控制大电流的效果,颇有一种三极管的意思


从零开始的电磁弹射DIY教程


没啥聪明的,只不过这种开关会放出火花仍然略有影响系统效率因此没有被广泛使用


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不过说到线圈德国人确实也比我们多走一步,为了防止线圈在电磁力的作用下失效,德国人率先使用了3D打印模具技术,这是我们还没有的。我们虽然提升了强力胶的标号,但是没有从根本解决问题。不过就像咱说的,咱只是演示模型,又不打算弹射什么舰载机,算了吧

失传技术电磁所

20190805


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