Электромагнитная кольцевая пусковая установка

Саджад Хайдар | 21 ноября 2016 г.

В научных музеях и классах физики очень распространена демонстрация под названием «Прыгающее кольцо» или «Электромагнитная кольцевая пусковая установка». В эксперименте используется цилиндрический железный сердечник длиной несколько сантиметров, вставленный в большой соленоид, а через удлиненный железный сердечник проходит медное кольцо. При питании соленоида от сети переменного тока кольцо выскакивает из сердечника.

Существуют различные причины, по которым этот эксперимент стал настолько популярным и столь значимым в науке и технике. Во-первых, интересно наблюдать, как выскакивает или зависает металлическое кольцо. Во-вторых, он использует закон индукции Фарадея, закон Ленца, взаимную индуктивность и силы электромагнитной индукции, чтобы кольцо могло зависать или прыгать. Основной проблемой этого типа обычных кольцевых пусковых установок является их громоздкий размер и вес, поскольку для этого требуется большое количество витков толстой медной проволоки для соленоида и тяжелый железный сердечник внутри. Кроме того, поскольку он работает от сетевого напряжения (115 В или 230 В переменного тока), его эксплуатация небезопасна. Расчеты показывают, что запуск кольца во много раз эффективнее на частотах в несколько раз выше, чем у сети переменного тока (50/60Гц).

В этом проекте я использовал генератор прямоугольных импульсов с регулируемой частотой от 700 Гц до 18 кГц, используя микросхему таймера 555; выход которого управляет силовым МОП-транзистором. МОП-транзистор приводит в действие небольшую катушку из ~50–60 витков, намотанную на ферритовый цилиндр длиной 10 см вместо железного сердечника. Медное кольцо продевается через расширенную часть ферритового цилиндра. Пленочный конденсатор емкостью 16 микрофарад расположен параллельно катушке для достижения параллельного резонанса. При резонансе ток через катушку может быть в несколько раз выше, чем подаваемый источником питания. Использование толстого медного провода (AWG № 14) для изготовления катушки позволяет снизить сопротивление катушки, что повышает добротность (Q) катушки. Высокая добротность катушки поддерживает ток почти в 8 раз больший, чем может обеспечить источник питания. Высокий первичный ток необходим для индукции сильного тока в медном кольце, взаимодействующее поле заставляет кольцо левитировать. Схеме требуется всего 24 В постоянного тока для левитации, зависания и стрельбы по кольцу. Последовательно с источником питания 24 В используется резистор сопротивлением 10 Ом, поскольку по мере медленного увеличения частоты генератора ток питания постепенно снижается. На резонансной частоте ток питания достигает минимума (~1,2 А), а также в этот момент медное кольцо поднимается и зависает посередине на вытянутом ферритовом стержне. Другой переключатель используется для замыкания резистора сопротивлением 10 Ом, при его замыкании кольцо выскакивает на несколько сантиметров из стержня. Теперь, удерживая резистор 10 Ом закороченным, при включении питания кольцо подпрыгивает на десятки сантиметров над стержнем. В этом видео показаны эти эффекты.

Полные инструкции по сборке и список деталей приведены ниже:

Схема:

Схема состоит из генератора прямоугольных импульсов, реализованного на микросхеме таймера 555, силового МОП-транзистора и схемы драйвера МОП-транзистора (рис.1). Для схемы необходимы два источника питания: источник 15 В, 0,8 А для подачи питания на генератор и драйвер MOSFET, а также источник 24 В, 4 А для питания катушки.

Для достижения коэффициента заполнения около 50% резистор R1 выбирается сопротивлением 180 Ом, что намного меньше по сравнению с R2+R7 (минимум ~ 4,7 кОм). При изменении сопротивления R2 от 100 К до 0 Ом выходной сигнал прямоугольной формы получается от 700 Гц до 18 кГц. Этот выход прямоугольной формы на выводе 3 микросхемы таймера 555 не следует использовать непосредственно для управления полевым МОП-транзистором (Q3) из-за емкости затвора. Драйвер MOSFET реализован на двух транзисторах: Q1 и Q2. Для ограничения начального высокого тока затвора используется R5. Мощный и сильноточный МОП-транзистор (Q3) используется для управления комбинацией катушка-конденсатор. Диод быстрого восстановления D1 используется для того, чтобы LC-цепь оставалась свободной в течение времени ВЫКЛ полевого МОП-транзистора. Индуктор сопротивлением 5 микроГенри (L1) используется для ограничения начального высокого тока при включении МОП-транзистора. Этот L1 можно легко сделать, намотав ~40 витков на кусок пластиковой трубы диаметром 1 см. Когда МОП-транзистор включен, энергия подается в LC-цепь, когда МОП-транзистор выключен, накопленная энергия в конденсаторе C и катушке L начинает течь между L и C.