Какие скрытые силы позволяют этим приборам находить зарытые сокровища?
Фотография: Hill Street Studios/Getty Images Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Зачем вам нужен поиск металла? Ой, даже не знаю… может быть, вы хотите найти золото в земле. Можно перекопать ВЕСЬ грунт или найти место, где есть золото, прежде чем копать. Или, может быть, вы ищете зарытые металлические метеориты. Можно даже использовать металлоискатель, чтобы найти то кольцо, которое вы потеряли на пляже. Эти устройства весьма полезны.
Но знаете ли вы, как они работают? Ага! Если задуматься, это неочевидно. Существуют разные типы детекторов, но все они основаны на одной и той же удивительной физике электрических и магнитных полей. Давайте разберёмся, ладно?
Плыви по течению
Во-первых, чем металлы отличаются от других материалов? Любое твёрдое тело состоит из атомов, каждый из которых содержит отрицательно заряженные электроны, вращающиеся вокруг положительно заряженного ядра. В неметаллах, таких как пластик или стекло, электроны практически остаются на своих исходных атомах.
Однако в металле, таком как медь, внешние электроны свободно перемещаются и являются общими для всех атомов. Именно поэтому электричество может течь через металл: если приложить электрическое поле, возникает поток электронов в определённом направлении, который мы называем электрическим током. Металлы являются проводниками.
Закон Фарадея
Итак, как создать электрическое поле? Проще всего — просто подать заряд на поверхность металлического предмета, добавив к нему электроны — именно так работает батарейка. Однако, очевидно, для наших целей это не подходит. Для того чтобы найти металл, вам потребуется доступ к нему, что совершенно бессмысленно.
Но есть и другой путь. Оказывается, что изменяющееся магнитное поле также создаёт электрическое поле. Это основная идея закона Фарадея. Если поднести магнит к металлическому проводнику, движение создаст изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, создаст электрическое поле. Если это электрическое поле находится в металле — бац! Возникает так называемый вихревой ток.
И наоборот
И наоборот: подобно тому, как переменное магнитное поле создаёт электрический ток, электрический ток создаёт магнитное поле. Помните тот старый проект на научной выставке, где нужно было обмотать провод вокруг железного гвоздя и подключить концы к батарейке? Когда ток течёт, гвоздь временно намагничивается и может притягивать скрепки.
Но, как мы только что видели, батарейка не нужна. Переменное магнитное поле создаёт вихревые токи в металле, которые затем создают собственные магнитные поля. Подождите! Это ещё безумнее. Поскольку эти вихревые токи создают магнитные поля, между металлом и этим предметом возникнет взаимодействие, создающее переменное магнитное поле.
Теперь вы готовы к своему первому, очень простому металлоискателю. Для создания переменного магнитного поля мы будем использовать движущийся магнит. В демонстрации ниже я положил магнит на монету и резко поднял его. Движение создаёт в монете вихревые токи, которые создают магнитное поле, взаимодействующее с магнитом. Видите? Монеты подпрыгивают.
Если говорить точнее, когда магниты находятся в контакте с монетами в 25 центов и неподвижны, притяжения вообще нет. Эти монеты в 25 центах не содержат магнитных металлов. Но когда я отдаляю магниты, в монетах возникают вихревые токи, которые временно намагничивают их.
Почему монета на переднем плане демонстрирует более сильный эффект? Это монета в 25 центов 1959 года, состоящая в основном из серебра. Другая монета — современная монета в 25 центов, изготовленная из медного сплава. Поскольку у серебра меньшее электрическое сопротивление, чем у меди, изменяющееся магнитное поле создаёт в ней более сильные вихревые токи. Отлично! Это не просто металлоискатель, а устройство, способное отличить медь от серебра.
Конечно, ходить с магнитом на палке, подбрасывая его вверх и вниз, было бы утомительно и непрактично искать металл. Нам нужен метод получше.
Смотри, мам, магнитов нет
На самом деле, нам даже не нужны магниты. В следующей демонстрации я использую катушку с проволокой, намотанную на железный сердечник. Это четырёхэтапный процесс: (1) Когда катушка подключена к розетке, мы получаем переменный электрический ток. (2) Этот изменяющийся ток создаёт изменяющееся магнитное поле в железном сердечнике. (3) Изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток в алюминиевом кольце. (4) Этот индуцированный ток создаёт вторичное магнитное поле, но противоположной полярности, поэтому возникает сила отталкивания. Вуаля, кольцо взлетает в воздух! Круто!
Понятно? Мы перешли от переменного электрического тока в катушке к изменяющемуся магнитному полю в железном сердечнике, затем к электрическому току в кольце, затем к магнитному полю в кольце. Разве не было бы здорово, если бы можно было заставить зарытое золото выпрыгивать из земли? К сожалению, это тоже непрактично, но указывает нам на решение.
Настоящие металлоискатели
Фактически, большинство металлоискателей используют ту же идею. По сути, вы передаёте электрический ток от устройства к металлическому предмету под землёй и обратно, заставляя его издавать звуковой сигнал. (И помните, это работает, потому что только металлы проводят электричество.) Передача тока осуществляется за счёт создания магнитных полей. Беспроводные зарядные устройства работают по тому же принципу!
Итак, как же обнаружить это характерное магнитное поле от подземного объекта? Один из способов — добавить в устройство вторую катушку, получив таким образом излучающую и принимающую катушки. Единственная проблема заключается в том, что первая катушка уже индуцирует ток во второй. Но есть несколько приёмов, которые позволяют устранить помехи.
Например, если расположить их так, чтобы их противоположные магнитные поля перекрывались и нейтрализовывали друг друга, можно добиться нулевого магнитного эффекта. Мы называем такие катушки «сбалансированными». Тогда, когда рядом окажется металлический предмет, дополнительное магнитное поле разбалансирует их, и вот вам и обнаружение.
Это резонирует со мной
Ещё один забавный трюк — обнаружить металл с помощью резонанса. Если вы когда-нибудь качали ребёнка на качелях, то знаете о резонансе. Качели качаются вперёд и назад с определённой частотой (определяемой длиной цепей). Если подталкивать качели с той же частотой, даже лёгким прикосновением, они будут подниматься всё выше и выше. Толкнёте не вовремя — и всё испортите.
В целом, для любого колеблющегося объекта приложение внешней силы той же частоты увеличивает амплитуду колебаний. Это и есть резонанс. Именно это происходит, когда певец разбивает винный бокал, удерживая ноту, высота которой совпадает с частотой колебаний бокала. (Оперные певцы делают это благодаря возможности управлять высотой звука, а не громкости.)
Мы можем использовать резонанс как сигнал, создав колебательный контур. Для этого мы соединяем катушку индуктивности (нашу катушку с проволокой) и конденсатор – компонент, накапливающий энергию в электрическом поле. Если поднести эту систему к закопанному металлическому предмету, она изменит частоту колебаний контура. Писк! Сокровище обнаружено!
Конечно, вы надеетесь на что-то вроде золотой монеты XIII века, найденной одним англичанином и проданной за 850 000 долларов. Однако, если вы когда-либо пользовались металлоискателем, то знаете, что зачастую это оказывается язычок от банки с газировкой. Ничего страшного. Самое интересное — это сам процесс поиска и понимание того, как это работает.
Источник: www.wired.com
