Eine Coilgun nutzt eine oder mehrere Spulen, um ein ferromagnetisches Projektil in einem Lauf zu beschleunigen. Damit das Magnetfeld und daher auch die Beschleunigung groß ist, muss durch diese Spulen über sehr kurze Zeit ein sehr hoher Strom fließen. Dies setzt man am besten mittels Kondensatorentladungen um.
Eine Anziehung des Projektils erfolgt ja nur im äußeren Bereich der Spule, wo das Magnetfeld inhomogen ist. Im inneren, homogenen Bereich würde ein noch so starkes Magnetfeld keinerlei Beschleunigung mehr bewirken. Hat das Projektil die Spule passiert, darf natürlich auch kein Strom mehr fließen, denn sonst würde eine bremsende Kraft auf dieses wirken.
Über sog. Thyristoren gesteuerte Kondensatorentladungen verfügen über genau diese Bedingungen. Bei mehrspuligen Aufbauten wie bei meiner coilgun wird die erste Kondensatorentladung mittels Schalter ausgelöst. Die weiteren Entladungen werden dann mittels Lichtschranken ausgelöst. Dabei ist eine ideale Position der Lichtschranken vor den jeweiligen Spulen experimentell zu ermitteln.
Die Kapazität der einzelnen Kondensatorbänke nimmt mit zunehmender Stufe ab. Dies ist deshalb notwendig, da die Entladungen mit zunehmender Stufe immer kürzer sein müssen, da das Projektil ja bereits eine immer größere Geschwindigkeit besitzt.
Der Schaltplan meiner coilgun basiert auf jener von Thomas Rapp: https://www.rapp-instruments.de/accelerator/Coilgun/images/gun.PDF
Sie besitzt 3 Stufen mit folgenden Kapazitäten: 4200 µF, 3500 µF und 2800 µF. Als Kondensatoren kommen Elkos mit je 700 µF/360 V zum Einsatz. Diese konnte ich sehr günstig um nur 1 Euro/Stück besorgen.
Als Thyristoren kann ich die 2N6509 empfehlen. Diese sind günstig und ihre Leistungsdaten (800V, surge current 250 A) können überzeugen. Ich habe aber pro Stufe immer mehrere parallel geschaltet, um deren Belastung möglichst gering zu halten.
Aufgeladen werden die Kondensatorbänke jeweils mit gleichgerichteter Netzspannung, also mit maximal 325 V. Die gespeicherte Gesamtenergie E = 1/2 · C · U² beträgt somit 555 J.
Im Rahmen des Physiklabors verstellen meine Schüler jeweils systematisch die Positionen der Lichtschranken, um maximale Geschwindigkeit des Projektils zu erzielen. Dabei wird zu Beginn nur die erste Kondensatorbank aktiviert, dann kommt die zweite dazu und erst zum Schluss werden alle 3 Kondensatorbänke eingesetzt.
Die erzielbaren Geschwindigkeiten liegen so um die 270 km/h. Damit können ohne Probleme Getränkedosen durchschossen werden.
