Come costruire un fucile elettromagnetico

I cannoni della prossima generazione – che si stanno sviluppando in segreto nei laboratori di molte Forze armate – useranno intensi campi elettromagnetici per spingere i proiettili a velocità incredibili, non raggiungibili con le moderne armi a gas. Naturalmente, avranno bisogno di una quantità sufficiente di energia immagazzinata, il che li rende poco utili per i fucili da campo. In questo articolo, invece, mostreremo proprio il progetto di costruzione di un semplice fucile elettromagnetico, in grado di “sparare” proiettili innocui, ma di essere un dimostratore divertente di questa tecnologia.

Un fucile elettromagnetico a bobina utilizza un solenoide (cioè delle bobine di filo avvolto insieme) per creare un campo magnetico. Quest’ultimo attrae un materiale ferromagnetico – il proiettile – durante una forte e breve scarica di corrente (di solito prodotta da un condensatore). Idealmente, la corrente che sostiene il campo si dovrebbe spegnere quando il proiettile si trova nel centro del fucile, permettendo al proiettile di continuare a viaggiare lungo la canna e poi fuori, verso il bersaglio.

In pratica, il fucile elettromagnetico a bobina è una sorta di acceleratore a impulso. Se l’impulso è fornito dal circuito di un flash per fotocamera, il proiettile vuole andare – e rimanere – nel mezzo del solenoide a causa del campo magnetico indotto, ma nel momento in cui arriva al centro della bobina, il condensatore è completamente scarico e non esiste più alcun campo magnetico. Pertanto, il proiettile non si ferma, ma continua a viaggiare attraverso il solenoide invece di fermarsi nel mezzo di esso.

Il più semplice fucile elettromagnetico

Ora illustreremo, pertanto, il semplice progetto di un fucile elettromagnetico che usa un elettromagnete autocostruito e il circui del flash di una fotocamera usa e getta per realizzare un campo magnetico impulsivo, sufficiente per lanciare degli innocui proiettili.

Il circuito del flash di una macchina fotografica”usa e getta”.

Il materiale occorrente è il seguente:

  • Tubo in PVC da 0,5 cm (o una penna Bic trasparente)
  • 30 mt di filo di rame smaltato (e dunque isolato) da 0,5 mm
  • Un po’ di cavetti elettrici colorati per i collegamenti
  • Un pulsante e un interruttore da pannello
  • Nastro isolante elettrico
  • Dadi piccoli e ferromagnetici (che entrino bene nel tubo)
  • Fotocamera “usa e getta” dotata di flash

Come filo di rame, più largo lo si prende e meglio è, perché riduce la resistenza nel sistema, il che aumenta l’efficienza del fucile elettromagnetico. Ad ogni modo, serviranno almeno 30 metri di filo per una bobina con uno spessore di almeno 7 strati. Quindi acquistatene un rocchetto della lunghezza opportuna. Ricordate però che deve essere smaltato, altrimenti si verificheranno cortocircuiti.

Ora siamo pronti per partire nella costruzione del fucile elettromagnetico. Realizza una bobina con il filo di rame attorno a una delle due aperture del tubo in PVC. Se preferisci usare la penna Bic trasparente, togli la punta con il tubetto per l’inchiostro e crea la bobina dal lato del fondo della penna, dal quale non devi togliere il tappino (il caricamento avverrà infatti dall’altro lato).

Un semplicissimo fucile elettromagnetico realizzato con una penna Bic.

In pratica, avvolgi il filo di rame intorno a detta apertura 150 volte. Fai iniziare la bobina sul bordo e falla finire a 5-7 cm da esso, in modo che sia lunga 5-7 cm. Se non rimane ferma, usa la colla per incollarla in posizione mentre la arrotoli. Rendila spessa (1 cm è abbastanza, ma più grande è la bobina, più potente sarà il proiettile una volta sparato). Assicurati di lasciare le due estremità del filo di rame della bobina facili da usare e scoperte (mentre il resto della bobina deve essere elettricamente isolato).

Gli avvolgimenti dovrebbero essere molto stretti e spessi solo uno strato. Dopo aver completato uno strato della bobina, mettete del nastro isolante sopra l’avvolgimento completato e inizia a creare un secondo avvolgimento della bobine sulla parte superiore del nastro che copre il primo strato. Continua a farlo fino a quando hai circa 7-10 strati sulla bobine, che puoi aiutarti a tenere ferma anche con delle rondelle alla sua estremità fissate in precedenza con una colla a caldo.

Taglia il tubo all’estremità opposta per ottenere una sua lunghezza di circa 15 cm. Per sapere se questa lunghezza va bene fai la seguente prova. Accendi la bobina collegandola ad una batteria. Taglia un pezzo di filo d’acciaio. Metti il dado vicino alla bobina e guarda quanto lontano puoi collocarlo e vederlo ancora attratto. Taglia il tubo in PVC a quella distanza (se è inferiore a quella del tubo).

Smontate la fotocamera. Estraete il circuito del flash. C’è una batteria in questo circuito. Toglietela e non toccate nessuna parte metallica (in particolare le due estremità del condensatore, progettato per tensioni di circa 300 V). Dopodiché, fai toccare le due estremità del condensatore fra loro con un cacciavite per scaricarlo. Se il condensatore non ha carica, non accadrà nulla. Se c’è un piccolo “bang”, allora era carico ma ora è scarico e sicuro da toccare, altrimenti vuol dire che non era carico.

Schema del fucile elettromagnetico realizzato con la fotocamera.

Fatto questo, trova il condensatore, che è un componente cilindrico, più grande della maggior parte dei componenti del circuito. Taglia altri due fili di rame. Isolane le estremità e collegale a ciascun filo che fuoriesce dal condensatore. Attacca l’altra estremità di uno di questi due fili ad un’estremità di uno dei due fili della bobina. Gli altri due fili (l’altro cavo del condensatore e l’altro filo della bobina) saranno collegati, tramite un pulsante, ogni volta che si vuole “sparare” con il fucile elettromagnetico.

Ora sei pronto a provarlo. Metti la batteria che avevi tolto dove si trovava. Trova il pulsante che attiva il circuito del flash. Premilo e aspetta un minuto. Dopodiché, carica il tuo proiettile (ad es. un piccolo dado) e premi sul pulsante aggiunto da te. Ci dovrebbe essere una scintilla e il proiettile dovrebbe venire sparato. Quando hai finito, estrai la batteria e tocca le terminazioni metalliche (specialmente quelle del condensatore) con un cacciavite per scaricare qualsiasi carica residua.

Alcune possibili migliorìe al progetto

Innanzitutto, puoi divertirti a provare vari tipi di proiettili, con forme e pesi diversi. In pratica, prendi nota della distanza raggiunta da ciascun tipo e riassumi i dati in una tabella per poi trarre le conclusioni. Se puoi, usa, proiettili fatti dello stesso materiale. Una volta individuata la forma ed il peso ideali, prova proiettili di altri materiali ferromagnetici e compila una nuova tabella, ottimizzando così il fucile.

Se volete divertirvi, usate un sistema di due opto-interruttori per misurare la velocità del proiettile. A tale scopo, potete anche semplicemente usarli in combinazione con un oscilloscopio e un paio di resistenze. In pratica, dovete misurare il tempo tra il momento in cui ciascuno degli opto-interruttori è stato bloccato dal proiettile, dandoci così la velocità del proiettile stesso. Potete implementare il circuito di questo sistema anche con Arduino, come descritto nel nostro articolo Gli opto-interruttori: due impieghi con Arduino.

Come collegare un opto-interruttore a un oscilloscopio.

In questo caso specifico, le misurazioni della velocità possono essere effettuate utilizzando opto-interruttori distanziati di 1,5 cm direttamente all’estremità della canna del fucile. La tensione in uscita dagli opto-interruttori può venire inviata a un oscilloscopio, dopodiché basta misurare il tempo tra le due “buche”, corrispondenti ad altrettante cadute in tensione di ciascun opto-interruttore, che è il tempo (t) necessario a un proiettile per percorrere lo spazio (s) tra i due opto-interruttori, che viene utilizzato per calcolare la velocità v (v = s/t).

Le due “buche” sull’oscilloscopio, dovute al passaggio di un proiettile in due opto-interruttori posti allineati a poca distanza l’uno dall’altro. (cortesia M. Thomson)

Se usate questo sistema di misura in abbinamento all’oscilloscopio, potreste osservare prima un forte picco verso il basso sullo schermo dell’oscilloscopio quando viene sparato il colpo. Il picco si verifica perché il rumore elettromagnetico viene indotto o sui fili del connettore dell’oscilloscopio o sul circuito dell’opto-interruttore (o su entrambi). Tuttavia, poiché in genere i cavi del connettore dell’oscilloscopio sono schermati, il rumore è probabilmente indotto sul circuito dell’opto-interruttore.

Se usate come proiettili dei cilindretti d’acciaio di varie lunghezze (e quindi masse) potreste ottenere una tabella simile alla seguente. Come potete vedere, la terza barra metallica più lunga ha ottenuto la massima velocità. La velocità declina quando la barra diventa troppo lunga, e dunque troppo pesante. Ciascuna delle misurazioni va eseguita più volte, e nella tabella va inserita la media. La velocità più elevata era, in questo caso, di 11 m/s, ma la massa del proiettile è così piccola che non fa male se colpisce.

La velocità del proiettile (in un fucile elettromagnetico) in funzione della sua massa.

La presenza di un involucro per il fucile è opportuna sia per ragioni estetiche sia per evitare scosse elettriche involontarie. Con del compensato o altro materiale, puoi creare un calco per simulare il profilo di un’arma, simile a una grossa pistola. Poi metti la bobina e il tubo all’interno di un tubo più grande in PVC. Metti come ​​riempitivo una schiuma poliuretanica nello spazio fra il tubo con la bobina ed il tubo esterno più largo. Crea un corpo anche per l’impugnatura e per il circuito elettronico.

Usa anche qui della schiuma, in modo da non poter entrare in contatto con parti elettriche durante l’utilizzo del fucile elettromagnetico o , ad esempio, quando cambi la pila (che deve rimanere accessibile). Inoltre, procurati un pulsante adatto da usare a mo’ di grilletto che, quando viene premuto per “sparare” il proiettile, sia in grado di far passare la corrente elevata che il circuito del flash – e in particolare il condensatore, una volta caricato – ci mette a disposizione.

Molti fucili a bobina incorporano più stadi a livelli di energia via via più bassi, poiché l’efficienza tende a calare man mano che viene usata una maggiore quantità di energia in un design a bobina singola. Nei fucili multistadio, dei sensori posti fra le bobine provvedono a comandare, al passaggio del proiettile, l’accensione della seconda bobina successiva e lo spegnimento della prima successiva.

Illustrazione di un fucile elettromagnetico multistadio.

Un circuito fai-da-te per fornire l’impulso

Infine, se non vuoi o non puoi usare una fotocamera usa e getta, hai bisogno in alternativa di uno o più condensatori e di un circuito per la loro ricarica. Il circuito di ricarica del flash, in realtà, non si spegne, fino a quando la sua piastra posteriore (la parte riflettente) non ha un’alta tensione (maggiore di 4000 V). Il circuito del flash utilizza un piccolo trasformatore per raggiungere i 4000 V per la piastra posteriore, ma esso è inutile per i nostri scopi, perché a 4000 V non ho quasi corrente.

Noi abbiamo bisogno di una corrente elevata per far funzionare bene il nostro fucile, motivo per cui il condensatore (o l’impiego di un gruppo di condensatori in parallelo per le versioni più potenti che potrete eventualmente sviluppare in un secondo tempo) è così importante. Quando una corrente attraversa una bobina di filo viene indotto un campo magnetico diretto all’interno di quella bobina, e l’intensità di questo campo magnetico risulta essere proporzionale alla corrente.

Dopo che il condensatore è completamente carico, scarichiamo il condensatore nella bobina. Ciò fornisce una grande corrente nella bobina inducendo così un forte campo magnetico. I proiettili che usiamo sono fatti di un materiale ferromagnetico, per cui il campo magnetico nella bobina allinea i momenti magnetici nel ferro, il che fa attrarre il ferro del proiettile al centro della bobina. La breve scarica del condensatore termina prima che il proiettile raggiunga il centro della bobina.

Il circuito elettronico che occorre realizzare per costruire un fucile elettromagnetico senza usare alcuna fotocamera è illustrato nella figura qui sotto. Il cuore del circuito è costituito da dei condensatori elettrolitici posti in parallelo. Suggeriamo di usare almeno 4 condensatori (C1, C2, C3 e C4), la cui capacità deve essere piuttosto elevata (ad es. 10.000 μF) e la tensione di lavoro piuttosto elevata (ad es. 35 o 50 V). Quest’ultima determina la massima tensione applicabile ai loro estremi per caricarli.

Schema del circuito fai-da-te per il fucile elettromagnetico descritto nel testo.

I condensatori sono ovviamente collegati alla bobina dell’elettromagnete o induttanza (L). L’alimentazione dei condensatori può venire effettuata con un paio di pile da 9 V in serie (per un totale di 18 V), o con un alimentatore stabilizzato che fornisca almeno 12 V DC (il massimo fornibile è dato dai 35 o 50 V di lavoro dei condensatori). Un relé (RL) provvede a chiudere il circuito di ricarica quando premo un pulsante (P). Per il circuito del relé, possiamo usare una pila della tensione adatta (di solito, 9 o 12 V).

L’utilizzo del circuito è molto semplice. Quando voglio “sparare” un colpo, devo premere sul pulsante per 60 secondi, in modo da permettere la completa ricarica dei condensatori. Rilasciando il pulsante, il relé va a chiudere il circuito che scarica i condensatori sulla bobina,facendo partire il proiettile. Con questo schema circuitale, i condensatori non rimangono mai carichi, se  non per il tempo durante il quale il pulsante resta premuto, per cui il rischio di scosse accidentali è minimo.

Consigli per la sicurezza e l’ottimizzazione

In ogni caso, non dovete toccare i capi dei condensatori o del loro circuito quando sono carichi, per evitare uno shock elettrico non indifferente. Per aumentare la potenza dello “sparo”, potete provare ad aumentare il numero di avvolgimenti della bobina, oppure la tensione applicata ai condensatori o, ancora, il loro numero, aumentando quindi la capacità complessiva. In pratica, la potenza del fucile raddoppia raddoppiando la capacità e quadruplica raddoppiando la tensione.

Condensatori utilizzati da adulti esperti per realizzare fucili elettromagnetici più potenti.

Per lo scienziato dilettante, quest’esperienza è più divertente di ciò che sembri a prima vista, poiché all’esecuzione pratica si verificano molti problemi e complicazioni che insieme possono inizialmente causare una scarsa efficienza del cannone. Abbiamo già parlato delle caratteristiche del proiettile. Inoltre, dall’energia elettrica fornita solo una piccola percentuale viene convertita in energia magnetica della bobina e, infine, in energia cinetica del proiettile, con molte perdite “per strada”.

Pertanto, è divertente ottimizzare il sistema in modo che l’efficienza finale diventi la più elevata possibile. Gli adulti potranno divertirsi anche a usare condensatori con tensione di lavoro più elevata e ad alimentarli con tensioni continue (DC) più elevate: ad esempio, di qualche decina di volt. Nel nostro articolo sugli alimentatori per le medie tensioni, troveranno gli schemi costruttivi di tali alimentatori. Non vanno invece mai usate correnti alternate (AC), che sono anche molto pericolose.

Ricordiamo che, come illustrato nell’articolo Come realizzare un dato campo magnetico, il campo magnetico di una bobina è direttamente proporzionale alla permeabilità magnetica relativa (k) del nucleo del solenoide (in pratica, conviene usare proiettili con permeabilità relativa la più elevata possibile), al numero di spire (n) della bobina ed alla corrente che vi scorre (I), mentre è inversamente proporzionale alla lunghezza della bobina stessa, che dunque deve avere un valore di compromesso.

A causa del campo magnetico, il proiettile si comporta come un magnete con poli opposti a quelli della bobina. Dunque, la sua permeabilità magnetica relativa è importante.

In realtà, a parità di proiettile usato, l’energia cinetica del proiettile e la sua velocità aumentano con la tensione fino a raggiungere un punto di saturazione. La velocità del proiettile raggiunge i valori massimi a determinate tensioni. Un ulteriore aumento della tensione provoca una riduzione della velocità del proiettile. Ciò si verifica quando l’impulso elettrico impiega troppo tempo e una parte ostacola il proiettile dopo che questo ha raggiunto la posizione di equilibrio nel mezzo della bobina.

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