实验电磁炮

1. 青少年《电子通》 实验电磁炮 上海青少年《电子通》教学研究中心

2. 青少年《电子通》电磁炮 实物图

3. 第一部分 写在前面 让我国青少年认识电磁力的巨大威力，是我们推出“电磁炮”的主要目的。 “电磁炮”，是一种用电磁力替代火药爆炸力的发射系统。 它能把炮弹射 速提高到极大的速度，一颗质量仅为50克的子弹，可以加速到足以穿透25毫 米以上的装甲钢板！ 电磁炮可用于天基反导系统——摧毁卫星 、拦截导弹 ；又可用于防空和 反装甲；还可改善火炮使之大大提高射程。 航母采用 “电磁弹射技术” 可以使舰载机起飞大大提速，从而极大提升航 母的战斗力；电磁力还可以发掘更多更大的潜能。 * * * * * * * * * * * * * * * 在第一部分，我们将把“电磁炮”的原理做一些简要的介绍，希望指导老师 引导学生耐心看完全文；有些概念可能只在大家的头脑中留下一个名称，但是 这将为你开启一道进入科学宫殿的门缝。

4. L1 4T D1 L3 D2 DW 15~18T R1 1K L2 4T B AN C R2 4.7K* 1000uF 100V DC3V D3 Ls （1）电源 （5）发射装置 （2）逆变电路 （3）升压整流 （4）限压充电 电磁炮原理图

5. _ + 3V电池盒 Ls R1 1K L2 L1 D1 L3 C D3 D2 + AN R24.7K 1000uF/100V DW 电磁炮安装图

6. 电磁炮电路由五部分组成，下面进行简要讲解——电磁炮电路由五部分组成，下面进行简要讲解—— 一、电源： 采用2节五号干电池，标称串联电压为3伏，新买来的干电池空载测量 有时候每节略微超过1.5伏，串联后就会超过3伏，这是正常的。电池用久 了电压会有所下降，但是只要后面的逆变电路能够工作，一般对发射没有 明显的影响，只对充电时间长短有较大关系。 如果你采用高于3伏的电源，那么后面的一系列电路参数都要跟着一起 调整，这需要你具备足够的理论知识和实践经验。 5号干电池品种很多，尽量选用质量好的产品。还有可充的镍镉电池和 镍氢电池，它们每一节的标称电压是1.25伏，两节串联后是2.5伏。它们也 可以正常使用在电磁炮的电路中，因为这种电池除了可以充电而反复多次 使用外，还有内阻小的特点，放电量比较大。 总之，电源是电路的能量之源，也是决定电路设计参数的基本条件，我 们理应认真对待。

7. 二、逆变电路： 实际上是电子振荡电路。之所以称它“逆变电路”，主要因为它 把电源由直流电转变为交流电。历史上，有很多电路都是把交流电 变成直流电来供终端用户使用的；但是在我们这类电路中则反过来， 它把直流电转变为交流电，有“逆向”转换的意思。 简言之 ，直流电是电压恒定不变的；而交流电的电压是随时间 不断变化的，不但大小变化，而且流向也不断改变的。 交流电波形

8. 逆变电路工作的关键，是要让三极管和电感线圈互相配合，使逆变电路工作的关键，是要让三极管和电感线圈互相配合，使 之构建成一个正反馈电路。好像玩秋千，当你荡到一定高度快即将 下来的时候适当用力推一下，如此反复，秋千就荡起来了。这个一 推的时机和用力的大小是很重要的 。 推得太早或太迟都是帮倒忙 ， 没荡几下就结束了。 在振荡电路中，三极管和电感线圈的连接是关键问题。 三极 管的ebc 和磁环线圈的六个端头，只要一个接反了，不是振荡电 路不工作，就是后面没有高压交流电输出，逆变电路就不能达到 预期的目的，这是制作中需要特别注意的地方。后面，结合制作 过程，我们还将详细讲解这个问题。

9. 三、升压整流电路 升压电路实际上是前面逆变电路中的一个部分。通过交流电在电感 线圈中的互感作用达到升高电压的目的，这也是我们要把直流电源转化 为交流电的目的。升高以后的的电压也是交流电，通过整流二极管（我 们采用1N4148） 把交流电又变成直流电， 这种直流电已经和原来电压 只有3伏的直流电源完全不是同一个概念了。 有两点需要说明： 1、经过整流以后得到的直流电，实际上是“脉动的直流电”，那是 一种大小变化而方向不变的直流脉冲；这一点和原来平稳的直流电是不 一样的。 2、它们在数量级上差别也很大，原来是3伏，现在脉冲幅度可以达 到100伏以上。输出的直流脉冲幅度大小主要决定于电感绕组 L3 ；但是 实践证明，片面增加L3的匝数有时候反而使输出脉冲幅度下降。 经过D1整流后的波形 L3输出电压波形

10. 四、限压充电电路： 经过二极管D1整流以后输出高压直流脉冲，再经过充电指示灯D2， 对电容器C进行充电 ；D2 发光的时候，说明有充电电流流过，充电在 进行中；这时候，C上的电压慢慢升高，最后接近100伏 。于是，稳压 管被反向击穿而导通，有电流从电容C中“溢出”而流向电阻R和限压警 示灯 D3，D3 发光说明电容C的充电电压已经达到它能承受的最大耐压， 这时候即使继续充电，只要Dw参数和R阻值选择恰当，C两端的电压就 不可能继续升高，达到了动态平衡。 通电以后，首先看到D2发绿光，C充电开始；过后一会儿，D3发红 光，表示C被充电压接近100伏，可以进行发射 ；如果不发射就断开电 源，不应该继续充电。 五、发射装置： 磁弹放入导管，按下发射开关即可完成发射。按下开关前应观察周 边情况让导管瞄准空旷的发射方向。如果斜射，最好前面有铁质的屏障， 如铁做的安全门、 （书写用的）白板等，磁弹碰到以后能被吸住，便于 寻找。

11. 第二部分 制作要点 电子线路有一个最大的特点：“一步走错，全局皆输” 电磁炮一共12个器件13个接点，没有一个是允许你随便乱接的。 “要点” 大致有以下几个： A、逆变电路中电感线圈的连接： 如果连接错误，振荡电路不起振，升压就别说了，发射问题更 不要谈了。 B、特别注意几个元件的“极性”： 三极管9013的ebc（e发射极 b基极 c集电极） 二极管1N4148的正负极、稳压二极管DW的正负极 充电指示灯D1（绿色）、限压警示灯D2（红色）和大电解电 容器的正负极 C、发射线圈首尾连接位置，必须和磁弹极性正确配合 以上三点我们将结合制作顺序逐一讲解

12. 第三部分 制 作 顺 序 以下叙述的制作顺序仅供指导老师和同学们 参考；大家可以按照自己对电路的理解以及工具拥有和使用等具体情况，自行制定制作方案。

13. 3-001 安装电池盒： 电池盒在螺孔板上可以选择两个位置，现在图中的位置比较靠上和靠左，这使留下的空间比较大，便于其它元器件的安装，但有时候略微超出螺孔板边界。 如果你希望安装紧凑些，也可以用图中标有圆圈的螺孔。建议用第一种。

14. 3-002 电池盒 三极管9013 平面朝向 c b 每个螺孔都有四 条垂直向下槽口 e 三条引脚紧靠槽口 插入相应的螺孔 e b c b c e：发射极 b：基极 c：集电极 e 平面朝向 用接点螺丝适当固定引脚

15. 3-003 A、B是电路导电的触点 当螺丝拧紧时，A、B两 处紧密接触，既固定元 器件，又使电流通过金 属螺丝互相导通；所以 要适当拧紧螺丝有利电 路接触良好。 A 导线或元件引脚 导线或元件引脚必须插 入图中紫色斜槽，这样 当你拧螺丝时既使导线 不会“跟转”， 又可以增 加电流导通的触点；尤 其在连接其它引脚而必 须重新起高螺丝时，原 先安装的导线或引脚就 不易从螺孔中脱出。 B

16. 3-004 安装电阻 电路采用2个电阻，R1阻值1K，色环标志是“棕黑黑棕 棕”； R2阻值是4.7K，它的色环标志是“黄紫黑棕 棕”。 我们现在安装的是R1，请不要选错。 R1 1K R2 4.7K R1 1K

17. 3-005 两端剥离护套 露出1厘米裸线 从电池盒负极黑 导线剪下一段 4厘米的导线 从发射极e 引出一个 新的接点准备后面用

18. 3-006 发光二级管D2和D3，长脚是正极。 D3（红色）的负极 接到备用接点上 正极 正极 + +

19. 3-007 电解电容C，长脚是正极。 为了安装合理，我们把两脚剪成等长。 注意：圆柱体侧面白色带条上标记着 电容器的负极。 白色带条标记负极 电容器正极！ C的负极 负极 由于电容器引脚的导线比较粗，连接的时候 会有一点难度，请特别注意下一个页面的提示。

20. 3-008 特别提醒 电解电容器的引脚 比较粗，插入螺孔 时特别注意：要插 得浅一点，基本上 不进入槽口；而螺 丝拧紧的时候也要 用力适度，这样就 既可固定电容器， 又使接点的导通保 持接触良好。 粗 细 细 接点螺丝不能完全拧紧，有 可能使较细的引脚接触不良

21. 3-009 连接电阻R2（4.7K）

22. 3-010 稳压管DW 体积比整流二极管1N4148稍大 标有黑圈的一端是负极 负极定位： 选择一个安装开关的 螺孔，把负极插进该 螺孔的槽口内，如图： 负极

23. 3-011 从电池盒正极剪下6厘米长红导线 一段（图1），两头剥离以后把其 中一端插进同一个螺孔（图2）， 在上面压上开关的一个接线端子， 然后用螺丝把三者一起拧紧（图3） 1 长6厘米 2 3 导线的另一端连接C的正极

24. 3-012 注意发射线圈两端连接位置 不难从观察知道，发射线圈绕制时，起头的 那一端线头是在绕组的里面 （图2）而绕制结尾的一端则 在绕组的外面（图3） 发射线圈：注意漆包线的绕向 起始端 为了和磁弹正确配合，我们要求在安装发射线圈时，起始端连接 发射开关。 结尾端

25. 3-013 结尾端靠近电池盒 绕组起始端靠右上方

26. 3-014 发射线圈连接之前 一定要用砂皮等有 效工具，把线端的 漆膜打磨干净，让 线端四周全部露出 导线的铜芯。 E 起始端连接 发射开关 结尾端连接三极管E极

27. 3-015 升压电感绕制： 首先用两种不同颜色的导线进行并线穿绕4匝，如图： 双线并绕（穿绕） 磁环

28. 3-016 再用漆包线穿绕15~17匝，如下图： 漆包线

29. 3-017 电磁炮升压线圈由三个线圈组成：Ｌ１和Ｌ２是双线并绕，Ｌ３ 是后来穿绕上去的。不论怎样穿绕，它们在绕成以后，如果线头 都从中间环孔中穿出分开，那么总有三个头在磁环 “上面” 一边， 而另有三个头在磁环“下面”一边，不管怎样穿绕，这是唯一的结 果，不会有第二个不同的结果。 上面 下面

30. 3-018 第二个“唯一结果”是： 如果电流都从下面的头部流进导线，都从尾部流出来，那么，电 流在所有绕组中每一圈的电流方向都是一致的！在磁环上，不论 你怎么样绕线，不可能绕成电流方向相反的绕组，除非把进出绕 组的电流方向也颠倒了。 尾 尾 尾 每一个绕组 的电流方向 全部一致 电流 头 头 头

31. 3-019 在电路图中，我们常常用小圆点表示绕组的“同名端”，凡是标有小圆点的线头要么都是绕组的头部，要么都是绕组的尾部。根据前面的分析，我们可以确定：在升压电感中，同名端都必定在磁环的同一边。 L2 L3 L1 L3 L2 L1

32. 3-020 在后面制作整个电路时，一定要按原理图把同名端正确连接到位。 L1（红色）头接A，尾接B L2（白色或黄色）头接C，尾接D L3（漆包线）头接B，尾接E L1 L2 L3 + 电源正极 D A L2 L1 L3 E B C

33. 3-021 安装升压电感 和安装发射线圈一样，必须把漆包线绕组的两个端头的漆膜 打磨干净。同时，把护套电线剥出裸头长约1厘米，如图。 裸头 打磨漆膜

34. 3-022 A L1（红）连接A 注意：连接到A和C的 两条导线是同名端，也 就是说，它们在磁环的 同一边。 C L2（白或黄）连接C

35. 3-023 R 4.7K D1 1N4148 D3

36. 3-024 同样作为同名端的第三条线头（L3）应该连接到三极管的集电极上 L3的另一端 Ｌ2的另一端 L3同名端 接集电极 L1的另一端 也接集电极 集电极上 接有两条

37. 3-025 升压线圈接线全图 A D L2尾 L3 头 E L1头 L1尾 L3尾 B L2头 C

38. 3-026 连接整流二极管1N4148 负极 正极

39. 3-027 连接电源正负极

40. 第四部分 发射倒计时 先观察几张实物图，仔细核对你的作品，检查器件安装和电路连接有没有问题。 升压电感 发射线圈 9013 限压警示灯 C 发射开关 充电指示灯

41. 升压电感 整流二极管 1N4148 电容器C 9013 发射线圈 DW 稳压管 R 4.7K 最容易遗漏的一段接线

42. 完成电路制作以后，把每一个接点螺丝作几次检查完成电路制作以后，把每一个接点螺丝作几次检查 螺丝刀

43. 磁弹由弹套和磁芯两部分组成 磁芯：直径为4毫米、高度 为10毫米的圆柱体 4mm 10mm

44. 判断磁芯极性 当有磁芯靠近，红端指 向的一极是磁芯的南极S 为了和发射线圈正确配合，达到 发射目的，关键是判断磁芯的极 性。可以用一个指南针，先在自 然状态下确定指针本身的指向性。 S N 指针的另一端 指向磁芯的N极 S N 指南针：在自然状态下 确定红端指向南极S

45. 如果没有指南针怎么办？ 首先，你要知道所在地的方位，也就是说知道哪一个方向是朝南？ 这样，你可以用很多方法判断磁芯的极性。 把3个磁芯互相吸成一条直线，剪一小片质地比较好的纸张，用一 个大小合适的碗或别的非铁质容器，里面盛一点水，等水面平静下 来以后把纸片漂在水面上，再把磁芯条轻轻地放在纸面中央，这时 候在一般情况下，磁芯会带动纸片在水面上慢慢旋转；等它们静止 不动了，你就可以根据磁芯所指的方向，判断哪一端是指向南方的 S极。 纸片 非铁质容器 水平面 多支吸合的磁芯

46. 按照前面发射线圈的 连接方式，磁弹的极 性应该是： S极朝向弹套的尖头 N S N S 弹套 N S S N S N N S S 所有磁弹如果互相吸合 应该组成这样的图案 N

47. 万一磁弹极性安装错误 可以用1寸铁钉把它顶 出来重新安装 铁钉

48. 我们的电磁炮，磁弹和发射线 圈之间是下图所示的关系，也 许让你有些难以理解，但是实 践证明那是正确的！ N 电容器放 电电流的 方向 发射线圈 电流方向 磁力线 磁力线 电流方向 右手定则 磁弹和发射线圈之间极性配置 你看出些“问题”来了吗？ 四指和线圈内电流方向一致 大拇指所指即为电磁场N极

49. 1 现在我们用一种不顾极性的办法来制作磁弹（1~4） 用指南针判断磁弹磁芯的极性，可以让我们知道磁芯的上端是S极，这对我们深入研究磁弹受力的原理是非常必要的。 但是，如果我们仅仅要求磁弹能从导管飞出去，那就不一定 拘泥于了解它的极性，而可以用下面介绍的办法准确无误地 把磁弹安装成功。 电磁炮加电 用手指按住导管出口 任取一个磁芯 随便放入导管

50. 2 这样将会有两种结果： 1、导管内的磁芯弹上来但被手指挡住了： 说明刚才放入磁芯的方向是对的，可 以顺着原来的方向装进弹套。 用另一只手的手指 按一下发射开关… 把磁芯从导管倒出， 按原来方向装进弹套