Railgun Basics

Was ist eine Railgun? Eine Railgun, auch als “Schienenkanone” bezeichnet, ist ähnlich wie eine Coilgun ein Linearmotor. Allerdings nutzt sie völlig andere magnetische Kräfte.

Während bei der Coilgun der Ferromagnetismus die treibende Kraft ist, beruht die Funktionsweise der Railgun hauptsächlich auf der sogenannten Lorentz-Kraft, genauer gesagt auf der Lorentzkraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt.

Die Lorentzkraft wird durch folgende Parameter bestimmt:

• Der Strom, der durch den Leiter fließt (I in Ampere)
• Die Länge des Leiters (L in Metern)
• Die Stärke des Magnetfeldes (B in Tesla)

Die Beziehung zwischen diesen Parametern ist durch die Formel F = I x B x L gegeben, wobei:

F ⇒ Die Kraft in Newton I ⇒ Der Strom in Ampere B ⇒ Das Magnetfeld in Tesla L ⇒ Die Länge des Leiters in Metern

Das “x” steht hier für das vektorielle Kreuzprodukt, aber in der Praxis können wir die Formel auch als F = I * B * L schreiben.

Der Schlitten sollte vorzugsweise aus einem nicht-ferromagnetischen Material bestehen, also nicht aus Eisen, Nickel oder ähnlichem. Materialien wie Kupfer oder Aluminium eignen sich hierfür in der Regel am besten.

Betrachten wir zunächst den Stromfluss. In unserem Bild (siehe Abb. 1) repräsentieren die orangefarbenen Stäbe unsere Schienen, die beide an eine Stromquelle angeschlossen sind. Unser beweglicher Schlitten (in Grau dargestellt) verbindet die Schienen und schließt somit den Stromkreis, wodurch ein Stromfluss entsteht. Dieser ist durch die blauen Pfeile dargestellt.

Zurück zur Formel: Die Länge L entspricht dem Abstand zwischen den beiden Schienen oder der Breite des Schlittens. Der Strom I repräsentiert den Strom, der von einer Schiene in die andere fließt (über den Schlitten).

Nun, wenn ein Magnetfeld (B) senkrecht auf die Schienen wirkt, wird der Schlitten aus den Schienen herausgedrückt.

Die Frage ist, woher dieses Magnetfeld kommt. Normalerweise wird dieses Feld nicht von außen durch Magnete oder Elektromagneten erzeugt. Stattdessen entsteht es durch den Stromfluss selbst, der um seinen Leiter herum ein Magnetfeld erzeugt (rote Pfeile). Innerhalb der Schienen ist dieses Feld nahezu homogen, und dieses Feld ist unser B. Damit haben wir alle benötigten Größen zusammen.

Hier ist nochmals eine isometrische Darstellung des Vorgangs: Der Strom (blau) fließt durch die Schienen (orange) über den Schlitten (grau). Durch den Stromfluss entsteht ein Magnetfeld (rot), das eine Kraft auf den stromdurchflossenen Schlitten ausübt und diesen aus den Schienen bewegt (grün).