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Coilgun Basics

Meine ersten Experimente mit Coilguns habe ich als Kind gemacht, als ich mit einem alten Türgong gespielt habe. Genauer, mit einem sog. Bim-Bam-Gong. Dieser Gong besteht aus einer Spule mit einem beweglichen, federgelagerten Kern. Das ganze ist vergleichbar mit einem Hubmagneten. Wie das ganze Funktioniert kann man sich in diesem Video verdeutlichen

Natürlich kam ich sofort auf die Idee eine der Metallplatten herauszunehmen, damit der Kern im inneren vollkommen frei beweglich ist…

Was ist eine Coilgun?
Eine Coilgun funktioniert in etwa nach dem selben Prinzip. Ein Beweglicher Kern wird durch eine oder mehrere Spulen beschleunigt, in dem man die Spulen geschickt an und aus schaltet.

Ein beweglicher Eisenkern befindet sich vor der Spule. Schalten wir nun den Strom ein, so zieht die Spule den Eisenkern an. Dabei bewegt sich der Mittelpunkt des Kerns in den Mittelpunkt der Spule.

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  • Die Kraft ist dabei von vielen Faktoren abhängig:
  • Die Stromstärke die durch die Spule fließt
  • Anzahl der Windungen der Spule
  • Dimensionen der Spule
  • Dimensionen des Eisenkerns
  • Abstand vom Kern zur Spule

Natürlich kam ich sofort auf die Idee eine der Metallplatten herauszunehmen, damit der Kern im inneren vollkommen frei beweglich ist…

Was ist eine Coilgun?
Eine Coilgun funktioniert in etwa nach dem selben Prinzip. Ein Beweglicher Kern wird durch eine oder mehrere Spulen beschleunigt, in dem man die Spulen geschickt an und aus schaltet.
Ein beweglicher Eisenkern befindet sich vor der Spule (s. Abb. 1). Schalten wir nun den Strom ein, so zieht die Spule den Eisenkern an. Dabei bewegt sich der Mittelpunkt des Kerns in den Mittelpunkt der Spule.

  • Die Kraft ist dabei von vielen Faktoren abhängig:
  • Die Stromstärke die durch die Spule fließt
  • Anzahl der Windungen der Spule
  • Dimensionen der Spule
  • Dimensionen des Eisenkerns
  • Abstand vom Kern zur Spule
Bild 2

Bild 2

Bild 3

Bild 3

Bild 4

Bild 4

Wir haben gesagt das sich der Mittelpunkt des Kernes in die Mitte der Spule bewegt. Das bedeutet wiederum, dass sich das Projektil nicht darüber hinaus bewegen kann (s. Abb. 2). Befindet sich der Kern also erst einmal im Zentrum der Spule, wird dieser von den magnetischen Kräften auch da festgehalten. Die Bewegung ist also auch schon wieder zuende.

Lässt man allerdings den Strom in genau diesem Augenblick (besser noch davor) verschwinden (wir schalten ihn aus) wird der Kern nicht länger vom Magnetfeld festgehalten und er fliegt durch seine Trägheit aus der Spule heraus. (s. Abb. 3 und Abb. 4)

In der Realität bestehen eine Reihen von Schwierigkeiten:

  • Der Maximale Strom durch die Spule

Je mehr Windungen man hat, desto länger ist der Draht aus dem die Spule gemacht ist. Dies wiederum bedeutet das der Gleichstromwiderstand höher wird. Der höhere Widerstand lässt sich mit einer höheren Spannung kontern, dies ist allerdings nur begrenzt anwendbar, da man logischerweise bei hoher Spannung und vorzugsweise hohem Strom auch extrem viel Leistung zur verfügung haben muss.

  • Das Ein- und Abschalten des Stromes.

Abgesehen davon das es nicht besonders einfach ist große Ströme nach belieben ein- und auszuschalten gibt es noch etwas zu beachten:
Spulen haben eine etwas negative Eigenschaft: Das Magnetfeld welches durch die Spule erzeugt wird, ist „träge“. Je größer die Spule (von der Induktivität her) desto träger ist das Magnetfeld. Beim Einschalten des Stromes ist das Magnetfeld nicht sofort vorhanden, sondern benötigt einen kurzen Moment bis es „da ist“. Auch braucht es eine gewisse Zeit bis das Magnetfeld wieder komplett „weg ist“ wenn man den Strom ausschaltet. Der Prozess ist als
„Induktion“ bekannt und auch sehr gut erforscht. Hier soll vorerst nicht weiter auf die physikalischen Mechanismen eingegangen werden.

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