Akcelerator magnetycznyspis treści

Akcelerator magnetyczny jest prostą zabawką ilustrującą metody sukcesywnego przyspieszania poprzez sekwencyjne działanie sił przyspieszających. Zabawka ta może także służyć ilustracji zderzeń sprężystych a nawet – w przypadku wyższych klas lub ambitnych uczniów – omówieniu studni i bariery potencjału.

Zasada działania

Akcelerator magnetyczny zwany też czasami strzelbą magnetyczną jest zestawem kilku elementów przyspieszających opartych na silnych magnesach (zazwyczaj neodymowych). Aby zrozumieć zasadę działania – rozważmy pojedynczy element przyspieszający składający się z pojedynczego magnesu oraz dwu kulek.

Kulka zbliżająca się do magnesu jest przyspieszana dzięki oddziaływaniu magnesu z metalem z jakiego jest zbudowana. Siła oddziaływania w pobliżu magnesu jest bardzo duża co pozwala kulce nabrać dość sporej prędkości. W momencie zderzenia z magnesem, kulka ma już znaczny pęd który przekazuje magnesowi a następnie kulkom po jego drugiej stronie w niemal idealnym zderzeniu sprężystym. Kulka po drugiej stronie jest oddalona od magnesu na odległość równą jej średnicy dzięki drugiej identycznej kulce. Jej energia potencjalna w polu magnetycznym magnesu jest mniejsza niż energia kinetyczna kulki która była przyspieszana. W zderzeniu, ponieważ masy są identyczne następuje całkowite przekazanie pędu (oraz energii) kulce która potrzebuje znaczniej mniejszej energii by się wydostać z pod działania siły magnesu. Jest ona oczywiście trochę spowalniana w polu magnetycznym, ale traci ona mniej energii niż zyskała kulka przyspieszana.

Jeżeli złożymy teraz kilka stopni przyspieszających, na końcu możemy uzyskać całkiem spore prędkości gdyż w każdym stopniu przyspieszającym energia kinetyczna będzie rosła.

Rys 1. Energia w pojedynczym układzie przyspieszającym – kulka jest przyciągana do ścianki magnesu. Uderzając w nią przekazuje swój pęd poprzez serię zderzeń sprężystych kulce która znajduje się w pewnej odległości od magnesu, a więc mającą większą (mniej ujemną) energie potencjalną

Rys. 2. Kaskada układów przyspieszających pozwana na uzyskanie dość sporych energii kinetycznych.

Budując kaskadę elementów przyspieszających warto pamiętać, że przy dużych energiach kinetycznych straty będą na tyle duże , że dodawanie kolejnych magnesów nie będzie dawać żadnego efektu.

Spis elementów

Element cena szt. dostępność
Listwa drewniana4 zł20 cmmarket budowlany
Kątownik drewniany, PCV lub aluminiowy, Może być także inny profil o ile mamy pomysł na zamocowanie magnesów.3-10 zł1 m-,,-
Kulki stalowe1 zł11 szt.sklep z łożyskami kulkowymi
Magnesy neodymowe4-8 zł5 szt.giełda elektroniczna
Klej do metalu lub taśma izolacyjna8 zł1 op.supermarket

Budowa

W trakcie budowy warto pamiętać o tym, że magnesy powinny być zamocowane w miarę trwale, leć elastycznie. W czasie konstruowania akceleratora wypróbowano wiele sposobów mocowania oraz różne konstrukcje szyny. Bardzo dobrze sprawiał się kątownik drewniany z magnesami przymocowanym taśmą izolacyjną. Można użyć także kątownika lub płytkiego ceownika aluminiowego i przykleić magnesy klejem silikonowym lub obejmami stosowanymi przy mocowaniu węży gumowych (tzw. cybantami) , lecz warto pamiętać ze magnesy przenoszą spore energie w czasie zderzeń, i po kilkunastu, kilkudziesięciu pokazach – mogą pęknąć, więc powinniśmy mieć możliwość ich wymiany.

Konstrukcja akceleratora nie jest krytyczna jednak warto pamiętać o tym, że jako szynę nie wolno stosować materiałów ferromagnetycznych. Ponadto dobrze jest dobrać jednakowy rozmiar magnesów i kulek. Jeżeli rozmiary będą różne – to kulka nie będzie przyciągana dokładnie wzdłuż szyny, a dodatkowe składowe prędkości będą w czasie zderzeń generowały momenty sił działające na magnesy zmniejszając ich trwałość i powodując straty energii.