Lanciatore di anelli elettromagnetici

Sajjad Haidar | 21 novembre 2016

C'è una dimostrazione molto comune nei musei della scienza e nelle aule di fisica chiamata "Jumping Ring" o "Lanciatore di anelli elettromagnetici". L'esperimento prevede un nucleo di ferro cilindrico lungo diversi centimetri inserito in un grande solenoide e un anello di rame che scorre attraverso il nucleo di ferro esteso. Quando il solenoide è alimentato dalla rete CA, l'anello salta fuori dal nucleo.

Ci sono varie ragioni per cui l'esperimento è così popolare e così significativo nella scienza e nell'ingegneria. In primo luogo, è interessante osservare un anello di metallo che salta fuori o si libra. In secondo luogo, utilizza la legge di induzione di Faraday, la legge di Lenz, la mutua induttanza e le forze dovute all'induzione elettromagnetica per rendere possibile all'anello di librarsi o saltare. Il problema principale con questo tipo di lanciatore ad anello convenzionale è la sua dimensione e peso ingombranti, poiché richiede un gran numero di spire di filo di rame spesso per il solenoide e un nucleo di ferro pesante all'interno. Inoltre, poiché funziona con la tensione di rete (115 V o 230 V, CA), non è sicuro da utilizzare. I calcoli mostrano che il lancio dell'anello è molte volte più efficiente a frequenze molte volte superiori a quella della rete CA (50/60Hz).

In questo progetto ho utilizzato un generatore di onde quadre con frequenza regolabile da 700 Hz a 18 kHz impiegando un timer IC 555; la cui uscita pilota un MOSFET di potenza. Il MOSFET aziona una piccola bobina di ~50 – 60 spire avvolta su un cilindro di ferrite lungo 10 cm invece che su un nucleo di ferro. Un anello di rame è posizionato attraverso la parte estesa del cilindro di ferrite. Un condensatore a film da 16 micro Farad è posizionato in parallelo alla bobina per ottenere una risonanza parallela. Alla risonanza la corrente attraverso la bobina può essere molte volte superiore a quella fornita dalla fonte di alimentazione. Utilizzando un filo di rame spesso (AWG #14) per realizzare la bobina, la resistenza della bobina viene ridotta, il che rende elevato il fattore di qualità (Q) della bobina. L'elevato Q della bobina mantiene una corrente quasi 8 volte superiore a quella fornita dall'alimentatore. L'elevata corrente primaria è essenziale per indurre un'elevata corrente nell'anello di rame, il campo interagente fa levitare l'anello. Il circuito necessita solo di 24 V CC per levitare, librarsi e sparare all'anello. Un resistore da 10 Ohm viene utilizzato in serie con l'alimentazione a 24 V, poiché la frequenza dell'oscillatore aumenta lentamente, la corrente di alimentazione diminuisce gradualmente. Alla frequenza di risonanza la corrente di alimentazione raggiunge il minimo (~1,2 A), e anche a questo punto l'anello di rame levita e si libra a metà sull'asta di ferrite estesa. Un altro interruttore viene utilizzato per cortocircuitare la resistenza da 10 Ohm; quando è in cortocircuito, l'anello salta di qualche centimetro fuori dall'asta. Ora, mantenendo la resistenza da 10 Ohm in cortocircuito, se l'alimentatore è acceso, l'anello salta decine di centimetri sopra l'asta. Questo video mostra questi effetti.

Le istruzioni complete per la costruzione e l'elenco delle parti continuano di seguito:

Il circuito:

Il circuito è costituito da un oscillatore ad onda quadra implementato da un IC timer 555, un MOSFET di potenza e un circuito driver MOSFET (Fig.1). Il circuito necessita di due alimentatori, un alimentatore da 15 V, 0,8 A per fornire energia all'oscillatore e al driver MOSFET e un alimentatore da 24 V, 4 A per alimentare la bobina.

Per ottenere un ciclo di lavoro vicino al 50%, si sceglie R1 da 180 Ohm, che è un valore molto più piccolo rispetto a R2+R7 (minimo ~ 4,7 k). Variando R2 da 100K a 0 Ohm si ottiene un'uscita ad onda quadra da 700Hz a 18 kHz. Questa uscita a onda quadra sul pin 3 del CI timer 555 non deve essere utilizzata direttamente per pilotare il MOSFET (Q3), per la capacità di gate. Un driver MOSFET è implementato utilizzando due transistor, Q1 e Q2. Per limitare la corrente di gate alta iniziale, viene utilizzato R5. Per pilotare la combinazione bobina-condensatore viene utilizzato un MOSFET ad alta potenza e corrente elevata (Q3). Un diodo a recupero rapido, D1, viene utilizzato per lasciare libero il circuito LC durante il periodo di spegnimento del MOSFET. Un induttore da 5 micro Henry (L1) viene utilizzato per limitare l'elevata corrente iniziale, quando il MOSFET è acceso. Questo L1 può essere realizzato facilmente avvolgendo circa 40 spire su un pezzo di tubo di plastica di 1 cm di diametro. Quando il MOSFET è acceso, l'energia viene erogata al circuito LC, quando il MOSFET è spento, l'energia immagazzinata nel condensatore C e nella bobina L inizia a fluire tra L e C.