自動連続ガウス加速器

「自動連続ガウス加速器」を作ってみました。

2年ほど前に ジャンクホビー工房の有馬さんが作られたものを見て、

ずっと作ってみたいと思っていました。

有馬さんの作品はこちらです。

https://www.youtube.com/watch?v=SYDxJ-_pPaA

いざ作ってみたものの、トラブル続出・・・

1つずつ解決して なんとか、blogにアップ出来るものとなりました。

でも まだまだ、あちこちに課題は残っています。
もう少し、技術力をつけて、いずれ改良版を作りたいと思います。

ガウス加速器については ネット上で色々と説明がありますが、
レール上に、ネオジム磁石と鋼球を並べて置き、
ネオジム磁石に別の鋼球を当てると、
一番端の鋼球が勢いよく飛び出す装置です。

＜今回作成した装置＞

左のレールから転がってきた鋼球が

木片のネオジム磁石に衝突すると、一番端の鋼球が飛び出して行きます。

ネオジム磁石は10mmφの球形のものです。

飛ばされた鋼球がピンクの受け皿に入り、

下に落ちるときに、銅パイプと鋼球が接触することで

スイッチオンとなり、モーターが回転し、

ネオジム磁石に張り付いた鋼球を、右側のレールに送ります。

モーターは たまたま家にあった「タミヤギヤードモーター 380K75」を使用しました。

トルクの大きなギヤードモーターじゃないと、

ネオジム磁石に張り付いた鋼球を引き離すことが出来ません。

電源電圧 7.2V

無負荷時回転数 242rpm

無負荷時消費電流 0.67A

最大効率時のトルク 5.0kg・cm (4.05A/202rpm)

モーターに取り付けた木の棒が、マイクロスイッチに接触すると

モーターはストップします。

レールはこんな感じで
3mmφの銅パイプやアルミパイプを使用しました。

基板です。

回路はこのようにしました。
小型リレーで自己保持回路にし、
鋼球が銅パイプを通り過ぎた後も、モーターが回転し続けます。
モーターに取り付けた棒がマイクロスイッチを押すと
モーターの回転が止まります。

乾電池は1.5V 5個を使っています。

新品の場合 約８Vですが、使用していくうちに徐々に電圧は下がります。

電池電圧が変わっても、

モーターが一定速度で回転するように可変抵抗器を入れました。

可変抵抗器は定格電力値が小さいので、トランジスタを使用しています。

(下のビデオをご参照ください。)

当初、スライドスイッチで固定抵抗器の切り替え式にしておりましたが、

青森 渡辺聰明さんにこの方法を教えて頂きました。

渡辺さん、ありがとうございます♪

動画で撮影してみました。

可変抵抗を回して、モーターの速度を調整しているところです。

冒頭に「まだまだ、あちこちに課題は残っています。」
と記載しておりましたが、
時々、ピンクの受け皿の手前で落ちてしまう不備がありました。
どうもその課題が気になって、2週間かけて改良を致しました。

改良点は
・発射台の磁石と鋼球のおさえ部分
・左の滑り台部分です。

改良後、12時間 落ちることなく飛び続けることが出来ました。
(水色のトレイの中で3回ピタッと止まってしまったのと、
場所を変えた時に、勾配調整をしなかったために 
1回ホームランのように飛んでいきました。)
電源はフル充電したニッケル水素電池を使用しましたが
弱ってきたので12時間で終了としました。

おさえ部分はダイソーでも販売されている「おゆまる」を使って、
10mmφの球形ネオジム磁石と鋼球2個をしっかりおさえるようにしました。
特にネオジム磁石は下のレールと左の壁に
強く押さえつけるように貼った方がよく飛ぶようです。

このままではみっともないので、木の壁で覆っておきました。

その後、3個目の鋼球も木片で押さえることにしました。
3個目まで「おゆまる」でおさえておいても良かったかなぁ・・・

滑り台部分は、配線カバーに変更しました。
前回、銅パイプを使ってましたが、
微妙な高さ調整をするために、先端を削っておりました。
このことが、時々落ちる原因だったのかな？と思っています。
滑り台の右端は、綺麗な切り口＆鋼球の幅に合わせることがポイントかも知れません。

滑り台の高さ調整はかなり微妙です。
ほんの 0.1mm程度変わるだけでも、飛び方は大きく違います。
最初、手でうまく調整したつもりでも、
板に固定すると、動き方が違ったりします。
この調整部分が、最も難しかったと思っています。

うまく調整できると
高く長く飛ばすことが出来ます。

机の微妙な傾きによっても、飛び過ぎたり、飛びにくかったりします。
本当に微妙な傾きでも飛び方が変わります。
場所を変えたときには、水平器を使って、
勾配調整をすると、うまく飛び続けます。

今回の改良により、12時間 落ちることなく
飛び続けることが出来ました。ヽ(^-^)/
(水色のトレイの中で3回ピタッと止まってしまったのと、
場所を変えた時に、勾配調整をしなかったために 1回ホームランのように飛んでいきましたが・・・)

これ以外の実験や工作も掲載していますので、

こちらも見てみて下さい。

http://www.eneene.com/omoshiro/

(Flashで作成しているため、スマホや携帯で見れない場合があります。)

電磁石シーソー

電磁石シーソーを作ってみました。

左下に置いているフェライト磁石を左右に動かすことで、
シーソーのスピードを調整することも出来ます。

①

プラスチック製のボビンに0.35mmφのポリウレタン銅線(UEW)を

300回巻き、両端にブレッドボード用の配線コードを接続しています。

②

シーソは210mm×20mm×厚み5mmのスチロールボードを使用しました。

支柱はイスペットのフリーアームを6cmに切って使用しています。

中心にはダイソーの洋蘭支柱の被覆を剥がしたものを通しています。

一方には、フリーアーム5cmをホットボンドで固定しています。

(重さのバランス調整用です。)

シーソーの裏側 (両側とも) には、

ダイソーの6mmφのネオジム磁石をホットボンドで貼り付け。

片側1個ずつでも出来るのですが、

2個にした方が リードスイッチの反応が良く、作りやすいかも知れません。

③

シーソーにスチロールボードで作った男の子と女の子を乗せてみました。

あまり重い物を乗せると、シーソーが持ち上がりません。

④

右側がほんの少しだけ重くなるように、調整します。

重さのバランス調整用の板を右に回すと、右が重くなり、

左に回すと、左が重くなり、左に傾きます。、

⑤

回路はこのようにしました。

電解コンデンサ1000μFを使用していますが、それ以外の容量でも出来ます。

(下にコンデンサ容量を変えたときの動きの違いのわかるビデオを掲載しています。)

コンデンサ容量が大きいほど、振れが大きく周期は短くなります。

リードスイッチ単独でも

コイルと磁石が反発して浮かび上がりそうですが、

少し浮かび上がったところでスイッチが切れ、

すぐに落ちて 大きな振れになりません。

上のような回路にすると、

(1)リードスイッチがオンになった瞬間にコンデンサに電荷がたまっていきます。

(2)リードスイッチがオフになっても、

コンデンサからベース電流を流すことが出来るので

コイルとシーソーに貼った磁石の反発力が保たれ大きく上昇します。

ブレッドボードに組み立ててみました。

⑥

シーソーの磁石は、コイルの中心に位置するようにしています。

(もちろん、コイルと磁石は反発する極性にしています。)

⑦

 リードスイッチは、実際に電源を入れて、

反応のいいところにセロテープで貼りました。
シーソーの裏側の磁石が、このリードスイッチに近付くと
リードスイッチがオンになります。
リードスイッチのガラス管の部分より、
ガラス管から出ている電極を磁石に近付けた方が反応がいいので、
磁石が最も近付くところ(コイルの真横)に電極部分を置いています。

⑧

左側の下に ダイソーのフェライト磁石を1個置いています。

極性はこのようにしています。

もし、フェライト磁石が、シーソーの真下にあれば、

当然のことながら くっついてしまう極性です。

しかし、横にずらすと、反発する極性になります。

さらに、フェライト磁石を左右に動かすと、

シーソーが上下するスピードを調整することが出来ます。

もし磁石がない状態では、左が下がった時に 

浮かび上がることが出来ません。 

磁石の代わりに、シーソーの下に台を置いてもいいかもしれません。

ビデオで撮影してみました。

上の映像はコンデンサ容量が1000μFですが、
100μF、470μF、1000μFと変えて、動きの違いを見てみました。



1000μFを繋いだ時の、コイル両端の電圧波形です。
ブローブの先端を＋極、グランドをコレクタに接続しています。

リードスイッチがオンになった瞬間に、

コイル両端の電圧は一瞬の間に上下変動をしています。。

これはリードスイッチの動作時間0.5m秒の間に

チャタリングが発生していることによるものだそうです。

私は当初、ベース電流の供給元が

コンデンサからリードスイッチに代わることによる

自己誘導起電力によるものかと思っていましたが

確かに波形をよく見ると、1回のみの上下変動ではなく

短い期間(恐らく0.5m秒)の間に数回上下変動しているように見えます。

ベースと正極間(リードスイッチの両端子)の波形です。

ブローブの先端を＋極、グランドをベースに接続しています。

リードスイッチがオンになった瞬間、

短絡状態となり電位差がなくなっています。

ブローブの先端をベース、グランドを－極に接続したときの波形です。

コンデンサ両端の波形でもありますが、

ベースーエミッタ間でもあります。

0.7～１Vを繰り返しています。

実際には、ピーク時の コンデンサ両端の電圧は1Vより高いかも知れません。

なぜなら、電池で実験してみたところ、このようになりました。

左の図はベースに抵抗(100Ω)を入れたとき、右は抵抗がない状態です。

(今回の装置のように抵抗がない状態では

ベース電流は定格50mAを超えているかも知れません。

トランジスタの発熱は全くありません。)

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コンデンサ容量を変えた時の波形です。

見た目でも

1000μF方が100μFに比べ、振幅が大きく周期が短いことと、

1000μFの方が、コイルに近いところまでシーソーが落下することが

わかります。

 なぜ、振幅と周期に差が出るのか？考えてみました。

① リードスイッチがオンになった瞬間から上昇は始まるが、

その後リードスイッチがオフになっても、

1000μF方が一気に大量のベース電流を流し、

しかも長時間流すことが出来るので大きく上昇する。

② 1000μF方が大きく上昇して、高いとこから落下するので、

コイルに近付いたところで速度が速く、

リードスイッチがオンになるときには

コイルにより近いところまで落ちている。

③ コイルに近いと、より反発力が大きくなり、高いところまで上昇する。

④ 勢いよく上昇するので、周期は短くなる。

以上、私の考察で申し訳ありません。
原理のわかる方、ご意見を頂けると幸いです。

これ以外の実験や工作も掲載していますので、

こちらも見てみて下さい。

http://www.eneene.com/

箱庭イルミネーション

小さい頃、箱庭を作るのが大好きでした。

小さい箱の中に家を建てたり庭を作ったり・・・ワクワク感がありました。
大人になった今、箱庭で作ったような 我が家と庭の夢は叶わなかったけど

今回は当時の夢を想い出しながら、
木の箱にLEDをいっぱい詰めて
「箱庭イルミネーション」と名付けました。

①

ダイソーで購入した木製の箱(18cm×27cm)に詰め込むことにしました。
LEDは全部で53個使用しています。

箱の中には常時点灯型の青色LED13個を並列接続。
(青色のPPシートに穴を開け、LEDを差し込んで拡散キャップをかぶせています。)

箱のサイドはダイソーで購入した「デコレーションライト」点滅型の青色を

15個を並列接続にしています。
(箱にドリルで穴を開け、LEDを差し込んでいます。)

箱の上の半透明の板も、

ダイソーで購入した厚み1.2mmのPPシートです。

②

ツリーは3段にし、格段に、「デコレーションライト」点滅型の

赤・青・緑・黄を1個ずつ、

星には秋月で購入したイルミネーションLEDを1個入れています。

木の円錐形部分は、透明のクリアフォルダーの内側に

トレーシングペーパーを貼っています。

クリアフォルダーもトレーシングペーパーも樹に巻いた毛糸もダイソーです。(^^)v

「デコレーションライト」はそれぞれのLEDの点滅間隔が微妙に異なるので
赤・青・緑・黄 の光が混ざり合って、
様々な色を演出することが出来ます。

③

架け橋は水槽で使用するエアチューブの両端に、

点灯パターンの異なるLEDを差し込んでいます。

詳細はこちら↓をご参照ください。

http://eneene7.blogspot.jp/2015/12/led.html

④

雪だるまの首にも、エアチューブを巻いて、

両端にLEDを差し込んでいます。

男の子は青色LED、

女の子は4本足のフルカラーLEDの赤色と青色を使用してピンク色にしました。
男の子の頭には電球を使用、
胴体及び女の子はピンポン玉を使用しています。
ピンポン玉も電球もダイソーです。(^^)v

http://eneene7.blogspot.jp/2015/12/led_15.html

上の①～④のLEDは全て並列にしていますが、

それぞれ、LEDの順方向電圧及び個数と明るさに応じて抵抗を接続し、

５V電源に繋ぎました。

①常時点灯(13個)・・・75Ω、点滅(15個)・・・100Ω

②ツリー(12個) + 星(1個) ・・・ 20Ω

③架け橋(8個) ・・・ 20Ω

④雪だるま(4個) ・・・ 100Ω

①、②のLEDには 拡散キャップをかぶせています。

電源はUSBを使用しました。

スイッチはトグルスイッチにしました。

光るとこんな感じです♪

ぜひ動画でもご覧ください♪

これ以外の実験や工作も掲載していますので、

こちらも見てみて下さい。

http://www.eneene.com/