lang=ca|miniatura|Diagrama esquemàtic d'un canó electromagnètic. miniatura|Diagrama mostrant el tall d'un canó electromagnètic alemany.
Un canó electromagnètic (de l'anglès rail gun) és una arma elèctrica que per mitjà d'un camp magnètic dispara projectils metàl·lics a alta velocitat.
Cal no confondre-ho amb el canó Gauss, una arma electromagnètica basada en principis totalment diferents del canó electromagnètic.
Descripció general El funcionament de l'arma es basa en el principi del motor homopolar: un parell de conductors paral·lels (els rails) són alimentats per un corrent elèctric. El projectil es col·loca fent contacte amb tots dos, per tancar el circuit. El corrent que es produeix interactua amb els forts camps magnètics generats pel pas de l'electricitat a través dels conductors i això accelera el projectil linealment en l'adreça dels rails.
La idea original d'aquest dispositiu va ser la d'usar-ho per disparar projectils a alta velocitat amb finalitats militars. No obstant això resulta difícil usar-ho com a arma a causa de l'enorme quantitat d'energia requerida per funcionar amb un mínim d'eficiència i a causa que l'espai que ocupen les fonts d'alimentació i condensadors que utilitzen per generar el camp magnètic fa que sigui molt difícil de transportar per a la infanteria. Així i tot, l'Armada dels Estats Units va anunciar una prova realitzada el 31 de gener de 2008 amb la finalitat d'equipar a les seves naus amb aquest tipus d'armes.
Història miniatura|Diagrames del canó electromagnètic alemany. Durant 1918, l'inventor francès Louis Octave Fauchon-Villeplee va inventar un canó elèctric que té una gran semblança amb el motor lineal. Va presentar una sol·licitud de patent als Estats Units l'1 d'abril de 1919, la que li va ser concedida al juliol de 1922 amb el núm. 1.421.435, com un "Aparell Elèctric per Propulsar Projectils". En el seu dispositiu, dues barres conductores paral·leles estan connectades per les aletes del projectil, i tot l'aparell està envoltat per un camp magnètic. En passar corrent per les barres i el projectil, s'indueix una força la qual impulsa el projectil al llarg de les barres i cap a l'exterior de l'aparell.
Durant la Segona Guerra Mundial la idea va ser ressuscitada per Joachim Hänsler de l'Oficina d'Armaments alemanya, i es va proposar un canó antiaeri elèctric. Per a la fi de 1944 s'havia treballat prou en el camp teòric per a permetre al Comando Antiaeri de la Luftwaffe emetre una especificació, la qual incloïa una velocitat de 2.000 m/s i un projectil contenint 0,5 kg d'explosius. Les armes serien muntades en bateries de 6 canons disparant 12 trets per minut i s'utilitzaria l'afuste existent del 12,8 cm FlaK 40. Mai es va construir. Quan la documentació va ser descoberta després de la guerra va despertar molt interès i es va fer un estudi més detallat, finalitzant amb un informe de 1947 que va concloure que era teòricament factible, però cada canó necessitaria energia suficient per a il·luminar la meitat de Chicago.
Durant 1950, Sir Mark Oliphant, un físic australià i primer Director de l'Escola d'Investigació d'Enginyeria i Ciències de la Física en la nova Universitat Nacional d'Austràlia, va iniciar el disseny i construcció del generador homopolar més gran del món (500 MJ). Aquesta màquina va ser usada per alimentar un canó electromagnètic de gran escala que va ser usat com a instrument científic.
Teoria i construcció Un canó electromagnètic consisteix en dos rails de metall paral·lels (d'aquí el nom) connectats a un subministrament de corrent elèctric. Quan un projectil conductor és inserit entre els rails (en l'extrem connectat a la font de corrent), aquest completa el circuit. Els electrons flueixen del terminal negatiu de la font d'energia al rail negatiu, creua el projectil, baixa pel rail positiu, i torna al subministrament de corrent.
Aquest corrent transforma al canó electromagnètic en un electroimant, creant un potent camp magnètic al voltant dels rails fins a la posició del projectil. El camp magnètic circula al voltant de cada conductor segons la regla de la mà dreta. Atès que el corrent està en adreça oposada al llarg de cada rail, el camp magnètic net entre els rails (B) és dirigit verticalment. En combinació amb el corrent (I) que creua el projectil, això produeix una força de Lorentz, que accelera el projectil al llarg dels rails. Existeixen també altres forces que empenyen el rail en altres sentits, però a causa que aquests estan muntats fermament, no poden moure's. El projectil es llisca al llarg dels rails, des de l'extrem que està connectat al subministrament d'energia, cap a l'altre.
Un enorme subministrament d'energia elèctrica, de l'ordre dels milions d'amperes crearan una tremenda força en el projectil, accelerant-ho a velocitats de diversos quilòmetres per segon (km/s). 20 km/s han estat aconseguits amb projectils petits injectats dins del canó electromagnètic. A pesar que aquestes velocitats són teòricament possibles, la calor generada en propulsar els projectils és suficient per erosionar els rails ràpidament. A causa d'això, seria necessari reemplaçar els rails freqüentment, o utilitzar materials resistents a la calor que puguin ser conductors per produir el mateix efecte.
Consideracions en el disseny del canó electromagnètic Materials Els rails i els projectils han de ser construïts de materials forts i conductors; els rails han de sobreviure a la violència d'un projectil accelerat, i a la calor producte de les friccions i el pas del corrent elèctric. La força de reculada que s'exerceix sobre els rails és igual i oposada per força que impulsa el projectil. La ubicació de la força de reculada és encara objecte de debat. Les equacions tradicionals prediuen que la força de reculada actua en la "recambra" del canó. Una altra escola de pensament invoca la Llei d'Ampere i afirma que actua al llarg dels rails (que és el seu eix més fort).<ref>[http://adsabs.harvard.edu/abs/2001phrve..63i8602C Reply to ``Electrodynamic force law controversy]</ref> Els carrils també es repel·leixen entre ells a través d'una força lateral causada pel camp magnètic, igual que el projectil. Els rails necessiten sobreviure a això sense doblegar-se, i han d'estar muntats en forma segura.
Consideracions de disseny La font d'energia ha de ser capaç de lliurar un corrent molt gran, sostinguda i controlada, per un lapse de temps utilitzable. La mesura més important de l'eficàcia de la font d'energia és el corrent que pot lliurar. Al febrer del 2008, la energia més gran coneguda i utilitzada per a la propulsió d'un projectil d'un canó electromagnètic va ser de 32 milions de joules.Electromagnetic Railgun Blasts Off
Els rails han de suportar enormes forces de repulsió durant el tret, i aquestes forces tendeixen a empènyer-los contra direcció i lluny del projectil. Quan s'incrementa la folgança entre el projectil i els rails es formen arcs elèctrics, la qual cosa provoca la ràpida vaporització i danys en la superfície dels rails i en els aïllants. Això limitava als primers investigadors a un únic tret entre reparacions del canó electromagnètic.
La inductància i la resistència dels rails i de la font d'energia limita l'eficiència d'un disseny de canó electromagnètic. Actualment, diferents tipus de rails i configuracions de canons estan sent provats, sent els més notables els de l'Armada dels Estats Units, l'Institut de Tecnologia Avançada i BAE Systems.
Dissipació de la calor Enormes quantitats de calor són generades per l'electricitat que flueix a través dels rails, així com per la fricció del projectil en abandonar el dispositiu. La calor creada per la fricció pot ocasionar la dilatació dels rails i el projectil, augmentant encara més la calor per fricció. Això provoca tres problemes principals: la fusió dels equips, disminució de la seguretat del personal i la detecció per les forces enemigues. Com s'explica breument més amunt, les forces involucrades en el llançament d'aquest tipus de dispositius requereixen un material molt resistent a la calor. En cas contrari els rails, el canó i tot l'equip connectat es fondran o es danyaran irreparablement. En la pràctica els rails són, juntament amb tots els components del canó electromagnètic, erosionats amb cada tret; i els projectils poden ser objecte d'algun grau d'ablació també, i això pot limitar la vida del canó electromagnètic, en alguns casos severament.PowerLabs Rail Gun!
Fórmula matemàtica En la física del canó electromagnètic, la magnitud del vector força pot determinar-se per la Llei de Biot-Savart i com a resultat de la Força de Lorentz. Pot derivar-se matemàticament en termes de la permeabilitat constant (), el radi del rail (el qual s'assumeix de secció circular) (), la distància entre els centres dels rails () i el corrent en amperes () com segueix:
Es pot demostrar de la llei de Biot-Savart que el camp magnètic a una distància d'un cable conductor semi-infinit pel qual passa un corrent està donat per:
Així, a l'espai entre dos cables conductors semiinfinits separats per una distància , la magnitud del camp és:
Per obtenir el camp magnètic mitjà a l'espai entre els dos cables, se suposa que és petita en comparació de i calcular la integral següent:
Per la llei de la força de Lorentz, la força magnètica sobre un cable conduint corrent està donada per , per la qual cosa a causa que l'ample del projectil conductor és , hem de
La fórmula està basada assumint que la distància () entre el punt on la força () és mesurada i el començament del rail és major que la separació dels rails () per un factor de prop de 3 o 4 (). S'assumeixen altres simplificacions; per descriure les forces en forma més precisa, la geometria dels rails i del projectil han de ser considerades.
Coets S'està estudiant el llançament de coets assistits electrodinàmicament.Uranga et al. (2005) "Rocket Performance Analysis Using Electrodynamic Launch Assist" Proceedings of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (10-13 January 2005: Ren, Nevada) Les aplicacions espacials d'aquesta tecnologia implica bobines electromagnètiques especialment formades i imants superconductores.Advanced Magnet Lab, Inc. (2008) "Space and Defense" magnetlab.com S'utilitzen materials compostos per a aquestes aplicacions.Advanced Magnet Lab, Inc. (2008) "Direct Double-Helix" magnetlab.com
El canó electromagnètic com a arma miniatura|Dibuixos d'un projectil de canó elèctric. Es va començar a investigar amb el canó electromagnètic disparant projectils que no contenien explosius, però amb velocitats extremadament altes: 3.500 m/s (aproximadament Mach 10 al nivell del mar) o més (per a comparació, el fusell M16 calibre 5,56 x 45 OTAN té una velocitat en boca de 930 m/s, i el FN FAL calibre 7,62 x 51 OTAN, 840 m/s), la qual cosa li dona una energia cinètica igual o superior a la generada per un projectil amb explosiu de major massa. Això permet transportar major munició i eliminar el risc d'implicar explosius en un tanc o un vaixell de guerra. A més, en disparar a major velocitat té més abast, amb menor caiguda de la bala i menor desviació pel vent, passant per alt el cost i les limitacions físiques de les armes convencionals ? "els límits de l'expansió dels gasos prohibeixen llançar un projectil no assistit a velocitats majors d'1,5 km/s i abastos superiors als 80 km en un sistema d'arma convencional."
Si fos possible construir una arma automàtica de tir ràpid amb aquesta tecnologia, el canó electromagnètic tindria altres avantatges agregats a la velocitat de tir. El mecanisme de tret d'una arma de foc convencional ha de moure i acomodar el projectil i la càrrega propulsora, mentre que en un canó electromagnètic només és necessari moure el projectil. A més, el canó electromagnètic no necessita extreure una beina servida de la recambra, per la qual cosa pot col·locar-se una munició fresca immediatament després de fer el tret.
Proves