Projenin Amacı

Bu projede sargılı elektromanyetik fırlatıcı kuramının açıklanması, küçük boyutlarda sargılı tip elektromanyetik fırlatıcı yapılması, formülasyon ve görseller yardımıyla elektromanyetik fırlatıcının deneysel verilerinin elde edilmesi amaçlanmaktadır.

Manyetik Alanın Üretimi

Üzerinden akım geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan oluşur.Bu durumda manyetik alan iletkenden geçen akımla doğru orantılıdır.Buna Amper yasası denir ve aşağıdaki formülle gösterilir.

Burada H: akımı tarafından üretilen manyetik alan şiddeti ve dl ise integrasyon yolu boyunca uzunluğun diferansiyel elemanıdır. SI birim sisteminde; I amper olarak verilirse; H, metre başına amper-sarım olarak elde edilir.


Manyetik alan şiddeti H, bir anlamda manyetik akının oluşmasında akımın gösterdiği etkinin bir ölçüsüdür. Çekirdekte üretilen manyetik alan akısının şiddeti çekirdek malzemesine de bağlıdır.Bir malzemedeki manyetik akı yoğunluğu B ve manyetik alan şiddeti H arasındaki bağıntı aşağıdaki gibi verilir.



Elektromanyetik Fırlatıcılar Kuramı

Elektromanyetik fırlatıcıların çalışmasının temel ilkeleri elektromanyetik kurama dayanır.Gerçekleştirilmek istenen durum, değişen ya da hareket eden güçlü bir elektromanyetik alan oluşturarak, hareket ettirilecek ya da fırlatılacak nesnenin bu elektromanyetik alanı takip etmesini sağlamaktır. Kuramsal olarak elektromanyetik alanın hareket etme hızında bir sınır olmadığı için, itici kuvvetin hızına ulaşması beklenen durumda, hızlandırılan nesne için de bir hız limiti yoktur.

Bu fırlatıcı türünde asenkron motorlarda olduğu gibi, elektromıknatıslara benzer bir yapı kullanılmaktadır. Bir sargıdan akım aktığında sargının çevresinde manyetik alan oluşturacaktır. Sargının iç hacminde bu manyetik akı yoğunlaşacaktır. Metalik bir cisim(mermi) sargının yakınına yerleştirilecek olursa manyetik akı, düşük relüktanslı olması nedeniyle bu cisim içinden akmayı tercih edecek ve manyetik indüksiyon oluşturarak cismi içine çekecektir. Aşağıdaki şekilde sargılı fırlatıcının ilkesel gösterimi verilmiştir.



​
Tek bir sargı kullanmak yerine, yan yana dizilmiş belirli sayıda sargılar kullanıldığında ve içinde hareket eden cismin hızına da bağlı olarak uygun bir hızda “elektrik akımın tetiklenmesi” gerçekleştirildiğinde, fırlatma işlemi yapılmış olacaktır.Üstteki şekildeki sargıdan akım geçirildiğinde sargı içinde oluşan elektromanyetik alan mermiyi içine doğru çekmek isteyecektir.Bu noktadan hareketle, yan yana dizilmiş ve sıra ile akım verilen sargılar mermiyi içlerine çekerek hızlandıracaklar ve sargının bittiği yerde kazandığı kinetik enerji ile mermi dışarı fırlatılacaktır.

Bu fırlatıcının eşdeğer devresi temelde bir anahtar üzerinden paralel olarak bağlanmış bir sargı ve bir kondansatörden ibarettir.Bu elektriksel devre aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.


Üstteki şekildeki devre oldukça sade olup, sargıdan tekrar kondansatöre akacak ters(negatif) akım, aynı devreden birden fazla bağlanması durumunda, tetikleme zamanının ayarlanması gibi ihtiyaçlardan dolayı devreye bazı ilave elemanlarında bağlanmasını zorunlu kılar.

Sargılı Elektromanyetik Fırlatıcılar

Sargılı fırlatıcılar ardışık sürücü sargılar kullanılarak oluşturulan elektriksel itme kuvveti ile bu sargılar arasındaki cismin fırlatılması ilkesine dayanır.Sargılı fırlatıcılar daha çok orta hızlarda fakat büyük kütleli cisimlerin fırlatılmasında önemli rol oynamaktadırlar. Aşağıdaki şekillerde sargılı fırlatıcıların genel yapısı ile örnek bir fırlatıcı tabanca prototipi gösterilmiştir.




Devre Şeması




Malzeme Listesi

# 4 ADET 9V BATARYA
# 1 ADET 5.1V 5W ZENER DİYOT (D1)
# 2 ADET SWITCH
# 1 ADET 100Ω 0.5W DİRENÇ (R3)
# 1 ADET 2.7KΩ 0.5W DİRENÇ(R2)
# 1 ADET 100Ω 5W DİRENÇ(R1)
# 1 ADET LED DİYOT(D2)
# 8 ADET 4700μF 35V ELEKTROLİTİK KONDANSATÖR
# 1 ADET BT151 TRİSTÖR
# 1 ADET 6M 0.50 mm BOBİN TELİ (6 metrede sınırlı kalmayabilirsiniz ancak sarım sayınıza göre hesaplamalarda değişiklikler olacaktır.)




Kondansatörler

Elektromanyetik fırlatıcı yüksek akımlara ateş etme anında ihtiyaç duymaktadır.Bu yüksek ve ani akımı elde etmek için uygulamada kondansatör kullanılmıştır.Sistemimizde 8 adet 4700μF 35V kondansatör paralel bağlanarak 37.600μF 35V değerinde yani 0.037 F’lık kondansatör grubu oluşturularak yüksek akım kaynağı sağlanmıştır.


Kondansatörler güç kaynağına bir seri direnç ile bağlandığı için başlangıç akımı V/R ile sınırlanır ve R direncine bağlı olarak şarj süresi değişir.Sistemimizde bu direncin değeri 100Ω’dur. Şarj süresi aşağıdaki denklemden hesaplanabilir.

τ=RxC
Burada τ (to) zaman sabitidir ve birimi saniyedir.

R=100Ω ve C=0.037F olduğundan sistemin zaman sabitesi τ=3.7 sn olarak bulunur.
Buna göre DC kaynak ile kondansatör grubu yaklaşık 5τ sürede yani yaklaşık 20 saniyede şarj olacaktır.

Doğru akım kaynağına bağlı kondansatör grubundaki zamana bağlı gerilim değeri aşağıdaki denklemle hesaplanabilir.



​
Burada
V=40V
τ=3.7 sn
t=20 sn olarak alınacak olursa;

20 sn sonunda kondansatör grubundaki gerilim değeri (t)=39.8V olarak bulunur.
Kondansatörü bir DC kaynağa bağladığımızda kondansatörden doluncaya kadar akım akar. Kondansatör dolduğunda uçları arasındaki gerilim maksimum değerine ulaşır.Bu gerilim, kendisini besleyen kaynağın gerilimine eşittir.Dolduğunda kondansatör uçları ve kondansatörü besleyen kaynağın uçları arasında potansiyel fark sıfır olacağı için devreden akım akmaz. Dolayısıyla dolma zamanı dışında bir kondansatör DC gerilim altında açık devre davranışı gösterir.

Sistemimizde 20 sn sonra kondansatör grubu dolacak ve açık devre davranışı gösterecektir. Dolayısıyla akım 100Ω ve 2.7KΩ’luk paralel bağlı dirençlerden geçerek bobin üzerine düşecektir.Bobin üzerine düşecek akımı hesaplayacak olursak;

Reş=(0.1kΩx2.7kΩ)/(0.1kΩ+2.7kΩ) = 96Ω

V=IxR formülünden V=39.8V ve R=96Ω yazılacak olursa bobin üzerine düşecek olan akım;
0.41A olarak bulunur.

Bobin

İndüktör olarak da isimlendirilirler.Bobin; farklı şekillerde sarılmış iletkenlarden oluşan devre elemanlarıdır.

Sistemimizde bobin aşağı resimde görüldüğü gibi sarılmış ve sarım sayısı
N=120’dir.



Kuvarslı cam boru (yada plastik herhangi bir nesnede olabilir örn: içi çıkarılmış kalem) etrafına sarılmış bobinin boyutları aşağıda şekilde gösterildiği gibidir.




​
Manyetik Alan Şiddeti

​
Formülünden N=120, =0.41A, l=0.023m ise H=(120x0,41)/(0,023) buradan.
H=2139.13 A.s/m bulunur.

Manyetik Alan

µ=B/H formülünden

ve H=2139.13 A.s/m yerine yazılırsa

B=0.00268T olarak hesaplanır.









(Uygulamanın gerçekleştirilmiş görüntüsü)
​
Not: Devreyi kurduktan ve çalıştırdıktan sonra devre 2. kez çalışmayabilir bu durumda kondansatöleri boşaltmanız gerekmektedir. Kondansatörler tekrardan yüklendiğinde devre ikinci kez çalışacaktır.