​电磁弹射器的原理与制作

电磁弹射器的原理与制作

电磁弹射器，又名电磁炮，如果你是军事爱好者，一定不会感到陌生。

舰载电磁炮

你也许会在网上看到各种制作教程，看似简单，自己制作作起来却很难，买现成的套件好像又没什么意思。所以今天小丁带大家一起来探索电磁炮的背后的物理原理，只有当你完全了解它的工作原理之后，才能随心打造属于自己的装备。

导轨式电磁炮原理图

多级线圈式电磁炮结构图

电磁弹射的方式有很多种，今天我们采用的这种线圈式电磁炮是最容易实现的，而它的原理实际上就是电磁铁的工作原理。

通电螺线管产生的磁场分布

如上图，当螺线管通以一定的电流时，就会产生一个磁场。

这个磁场与条形磁铁相似，所以会在两极产生吸引铁磁性物质的作用力。

无限长螺线管在其中心产生的磁感应强度大小为

其中n为线圈密度，单位：匝/米；I为线圈电流，单位：安培；B为磁感应强度，单位：特斯拉。通常有限长的螺线管也可以按此计算，这里我们只要用它来估算线圈产生磁场的数量级。

虽然螺线管中心的磁场强度是最大的，但铁磁性物质在靠近中心的位置却并不会受到作用力。这是因为磁性物质受到的力不仅与磁场强度有关，也和磁场的梯度相关，即磁场梯度越大，磁场分布就越不均匀，磁体在其中受到的力越大。而螺线管的特征是其内部的磁场很均匀，所以磁体在它的内部几乎不受力。

条形磁铁的磁场分布

在螺线管的两端，磁场在离开线圈的地方骤然变小，产生了梯度很大的磁场，因而磁体在这里受力是最大的。

了解这一点之后，我们就不会把电磁炮的线圈设计得很长，因为线圈内部并不会对磁体加速贡献作用力。

制作电磁炮需要的主要材料：漆包线、大容量电容和电源。漆包线也可用带绝缘皮的导线代替，理论上电阻越小越好；电容通常采用电解电容，耐压值大于我们所用的电源；电源通常选用30V左右的直流电源，虽然电压越高产生的电流越大，但这也会增加用电的危险，同时对电容的要求也会更高。

下面准备了10米直径0.3mm的漆包铜线，四个35V2200uF的电容，还是一个5V转30V的升压模块。

这里用到的铜线是偏细的，10米的阻值大约为4欧姆，建议在实际制作时用更粗的铜线来代替。

线径0.3mm的漆包线，每厘米可以绕30圈，如果绕3层的话，线圈密度为90匝/cm，30V的电压能产生最大约8A的电流，这样根据上面的公式估算一下，能产生的最大磁场强度约为0.1 T，这只相当于一块普通小磁铁表面的磁场强度。

找一支普通的签字笔，留下笔管，锯掉靠近笔尖的一小截，保证内管壁平滑。选好缠绕线圈的位置，在两头贴上一圈双面胶，这样在绕线的时候铜线位置不易滑动。小丁这里的线圈长度为45mm，10米的铜线实际上只绕了两层。

绕好线圈之后，用胶带固定，就可以做测试了。

在测试之前，我们要选好“炮弹”。小编一开始用的铁钉、小钻头之类的铁质物品，效果并不好，因为它们质量相对于这个小线圈而言太大了。后来用掰直后的回形针做试验，效果比较满意。

简易电路图

上图是简单的电容充放电电路图。按下K1给电容充电，充满电后松开按钮。这里可以在K1旁边串联一个300欧左右的电阻，把充电的最大电流控制在0.1A，这样虽然充电速度变慢了，但可以延长元件寿命。

电容充好电后，其两端电压将与电源相同，此时按下K2，电容与线圈组成RC放电回路。电容会迅速放电产生很大的电流，使线圈产生一个强磁场，把我们的回形针”炮弹“发射出去。

这个放电过程的时间有专门的计算公式，我们这里只需要了解它的特征时间就可以了。这个特征时间即R*C，这里的线圈电阻是4欧姆，单个电容大小为2200uF，所以特征时间为8.8ms。当然特征时间并不完全是电容放电时间，但我们的“炮弹”从初始位置到达线圈中心所需的时间应与之相当。

电容充放电曲线图

如果我们用两个电容并联使用，则此时的电容值为2*2200uF，特征时间也会增加一倍。

不同质量和形状的“炮弹”，起步的加速度是不一样的，所以选取电容大小是按”炮弹“量身定制的。最好的办法就是多测试，选一个射程最远的配置。当然你选定参数后，“炮弹”是不能随意更换的。

如果你的螺线管很短，则电容放电时间需要精确设计好的，在“炮弹”到达螺线管中央时必须停止放电，否则会受到反向吸引力；而螺线管较长时，“炮弹”在螺线管内部运动的时候，电容是否在放电都不会对其运动造成影响，这样就降低了我们的制作难度。

经过测试发现用单个2200uF的电容射程最远，完善外围电路后，成品如下：

完整电路图（虚线内部为指示灯部分，去除不影响主要功能）：

完整电路图

下面来感受一下电磁炮的“威力”吧。

总结一下改进电磁炮的几个思路：

采用电阻率更小即更粗的线圈，减小线圈电阻；使用更高的电压的直流电源，提高电路电流；线圈总数不变的条件下，使螺线管更短来提高线圈密度；合理控制电容的放电时间；采用多级加速的方式。

如果你有好的建议，请在评论区留言。