DEF Eindopdracht Groep 12

Wij maken een lorentztrein, gemaakt van een metalen staafje. Wij gaan dit staafje laten bewegen door middel van de Lorentzkracht, geïnspireerd door de al bestaande treinen die op deze kracht bestaan. Uiteindelijk automatiseren wij dit door een helling op de rails toe te passen, en hem hierdoor om hoog te laten gaan, dan de stroom uit te zetten dat hij weer omlaag rolt, vice versa. Dit kan dus in the

Paklijst:

Magneet 4x

Rails 2x

Plaat 1x

Staaf 1x

Isolerende plaat 1x

Blokjes 4x

Relais 1x

Kroonsteen 1x

Banaankabels 4x

Arduino 1x

Zorg ervoor dat de rails goed stevig vast zitten aan de houten plank. Wij hebben plastic plaatjes gebruikt, en nog wat ducktape aan de uiteindes voor extra stabiliteit. Pas wel op dat de ducktape niet de rails bedekt waar het staafje over moet gaan, want ducktape is niet geleidend. Let op dat deze twee staven geleidend zijn. Als deze niet nieuw zijn, is het aan te raden deze rails te schuren met schuurpapier, hierdoor wordt het "vieze" niet geleidende laagje aan de buitenkant verwijderd en kan de staaf er over rollen, terwijl deze ook een stroom creëert tussen de rails.

Nu is het tijd voor de magneten. Wij hebben vier sterke vierkante magneten er onder geplakt. Dit hebben wij gedaan door de 4 magneten in een rij recht onder de rails te plaatsen. Een paar belangrijke opmerkingen zijn:

- Zorg dat het magnetisch veld zo uniform mogelijk is. Dit kan bereikt worden door ze recht, en symmetrisch onder de rails te plaatsen (zie afbeelding)

- Zorg dat alle magneten met de goede kant naar boven staan (allemaal zelfde richting). Dit kun je voor elkaar krijgen door te kijken of ze plakken of elkaar afstoten, en dan

Wij hebben een metalen plaat tussen het hout en de magneten gezet, voor twee redenen: zodat ze makkelijk blijven plakken, en zodat het magnetisch veld verdeeld wordt en zo dus uniform is.

Nu moet de stroom hier nog doorheen lopen. Dit wordt bereikt met een power supply van 6 volt, met 1 ampère stroom. Deze 1 ampère is genoeg om de staaf te laten bewegen, maar niet zoveel dat er draden gaan afbranden of iets dergelijks. Het is slim om de plus kant aan één uiteinde van de rails te plaatsen, en de andere aan de andere kant. Dit zorg namelijk dat de stroom door de staaf zo constant mogelijk blijft. Met de power supply moet je dus minimaal 1 ampère krijgen, met genoeg power zodat er niks kapot gaat. Wij gebruikten eerst een batterij van 9 volt, maar later kwamen wij er achter dat deze na een tijd warm werd, en als wij zo door zouden gaan kapot zou gaan. Dit is dus uiteraard geen betrouwbare keuze.

Nu gaan wij experimenteren of de staaf kan bewegen. Dit doen wij simpelweg door de staaf op de rail te leggen, en de stroom aan te zetten (mits de magneten goed staan). Als het goed is zal er een kracht nu op de staaf werken en zal deze versnellen. Als dit werkt kunnen wij door naar de volgende stap: de automatisering.

Eerst moeten wij de arduino installeren om uiteindelijk met de relay een geautomatiseerd proces te hebben. De arduino zorg dat de relay voor enkele seconden stroom aan zet: dus dat de staaf beweegt. Daarna is hij weer enkele seconden uit. Wij sluiten de arduino aan op de computer en typen de volgende code:

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

int Relay = 4; // Digital pin D5

const int buttonPin = 2; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(Relay, OUTPUT); pinMode(buttonPin, INPUT);// declare Relay as output }

// constants won't change. They're used here to set pin numbers: // the number of the pushbutton pin

// variables will change: int buttonState = 0; // variable for reading the pushbutton status

void loop() { // read the state of the pushbutton value: buttonState = digitalRead(buttonPin);

// check if the pushbutton is pressed. If it is, the buttonState is HIGH: if (buttonState == HIGH) { // turn LED on: digitalWrite(Relay, HIGH); } else { // turn LED off: digitalWrite(Relay, LOW); }}

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Hoe het werkt met de relay komt in de volgende stap. Eerst willen wij ziet dat de arduino voor enkele seconden een lampje laat branden en dan enkele seconden niet.

Nu zetten wij de relay in het gehele circuit. Zie afbeelding en volg deze om het circuit goed te laten werken. Deze relay zorgt er dus voor dat de stroom voor een gecontroleerde aantal seconde aan gaat en diezelfde tijd uitgaat. In principe hoef je deze alleen maar aan te sluiten, want de arduino doet al het werk.

Nu wij alles gereed hebben, kunnen wij hem automatisch laten rollen. Zorg ervoor dat alles werkt en dat hij goed stabiel rolt. Geef de plank nu een kleine helling (zie afbeelding), en voeg aan het systeem een "stop" toe. Zorg dat deze stop zorg dat de staaf in rust is precies boven een magneet. De grootte van de helling moet je door middel van iteratie vinden: hij moet klein genoeg zijn zodat de lorentzkracht hem nog wel omhoog kan duwen, en groot genoeg dat als de stroom uitstaat hij omlaag rolt. Als het goed is heb je nu een geautomatiseerde lorentz "trein": Hij rolt op de helling door middel van de lorentzkracht, en rolt omlaag door middel van zwaartekracht. Ofwel: wij zetten elektrische energie om in kinetische energie, en zetten die om in potentiële energie, en zetten die weer om in kinetische energie.

Lorentzkracht en magnetisme over het algemeen zijn onvoorspelbare verschijnselen. Daarom is het belangrijk dat men altijd blijft itereren en kijken wat wel en wat niet werkt.