Zašto bi neko želio da detektuje metal? Oh, ne znam… možda želiš da pronađeš neko zlato u zemlji. Mogao bi da iskopavaš SVU zemlju, ili bi mogao da otkriješ mjesto gdje se zlato nalazi prije nego što kopaš. Ili možda tražiš zakopane metalne meteoritne komade. Možeš čak koristiti detektor metala da pronađeš onaj prsten koji si izgubio na plaži. Ovi uređaji su prilično korisni.
Ali znaš li kako oni funkcionišu? Aha! Kad se zamisliš, to nije očigledno. Postoje različite vrste detektora, ali svi koriste istu zanimljivu fiziku električnih i magnetskih polja. Hajde da zavirimo, hoćemo li?
Pusti da ide svojim tokom
Prvo, šta čini metale drugačijim od drugih materijala? Svaki čvrsti predmet je napravljen od atoma, od kojih svaki ima negativno naelektrisane elektrone koji zuje oko pozitivnog jezgra. U nemetalima poput plastike ili stakla, elektroni uglavnom ostaju vezani za svoj prvobitni atom.
U metalu poput bakra, međutim, spoljašnji elektroni slobodno „plivaju“ i dijele se među svim atomima. Zato kroz metal može da teče električna struja—ako primijeniš električno polje, elektroni će se kretati u određenom pravcu, što nazivamo električnom strujom. Metali su provodnici.
Faradejev zakon
Pa, kako stvoriti električno polje? Najjednostavniji način je da jednostavno dodamo naelektrisanje na površinu metalnog predmeta dodavanjem elektrona—to je ono što baterija radi. Naravno, za naše potrebe to ne bi funkcionisalo. Trebalo bi da imaš pristup metalu prije nego što ga pronađeš, što nema smisla.
Ali postoji drugi način. Ispostavlja se da promjenljivo magnetsko polje takođe stvara električno polje. Ovo je osnovna ideja Faradejevog zakona. Ako pomjeriš magnet blizu metalnog provodnika, kretanje stvara promjenljivo magnetsko polje koje proizvodi električno polje. Ako je to električno polje u metalu—bum: dobijaš ono što nazivamo vrtložnom strujom (eddy current).
I obrnuto
Važi i obrnuto: baš kao što promjenljivo magnetsko polje stvara električnu struju, električna struja stvara magnetsko polje. Sjećaš se onog starog naučnog projekta sa sajmom, gdje si obmotao žicu oko gvozdene eksera i spojio krajeve na bateriju? Kada struja poteče, ekser privremeno postaje magnetan i može da podiže spajalice.
Ali, kao što smo upravo vidjeli, baterija ti nije potrebna. Promjenljivo magnetsko polje stvara vrtložne struje u metalu, a te vrtložne struje zatim stvaraju svoja magnetska polja. Čekaj! Još je luđe. Pošto ove vrtložne struje stvaraju magnetska polja, dolazi do interakcije između metala i objekta koji stvara promjenljivo magnetsko polje.
Sada si spreman za svoj prvi, vrlo jednostavan detektor metala. Da bismo stvorili promjenljivo magnetsko polje, koristićemo jednostavno pokretni magnet. U demonstraciji ispod, stavio sam magnet na vrh novčića i brzo ga povukao nagore. Kretanje stvara vrtložne struje u novčiću, a te struje prave magnetsko polje koje reaguje s magnetom. Vidiš? Novčići poskoče.
Da bude jasno, kada su magneti u kontaktu s četvrtinama i nepomični, ne dolazi do nikakvog privlačenja. Te četvrtine ne sadrže magnetske metale. Ali kada pomjerim magnete, to stvara vrtložne struje u novčićima koje ih privremeno čine magnetnim.
Zašto novčić ispred pokazuje jači efekat? To je četvrtina iz 1959. godine, koja je uglavnom od srebra. Drugi je moderna četvrtina od bakarne legure. Pošto srebro ima manji električni otpor od bakra, promjenljivo magnetsko polje stvara jaču vrtložnu struju u tom novčiću. Super! Ovo nije samo detektor metala, već onaj koji može da razlikuje bakar od srebra.
Naravno, hodati okolo s magnetom na štapu, ljuljajući ga gore-dole, bio bi zamoran i nepraktičan način traženja metala. Trebamo bolju metodu.
Gledaj mamo, bez magneta
U stvari, magneti nam čak i nisu potrebni. U sljedećoj demonstraciji imam zavojnicu žice obmotanu oko gvozdenog jezgra. Ovo je četvorostepeni proces:
-
Kada je zavojnica priključena u utičnicu, dobijamo naizmjeničnu električnu struju.
-
Ova promjenljiva struja stvara promjenljivo magnetsko polje u gvozdenom jezgru.
-
Promjenljivo magnetsko polje inducira električnu struju u aluminijskom prstenu.
-
Ova inducirana struja stvara sekundarno magnetsko polje, ali s suprotnom polarnošću, tako da stvara odbijajuću silu.
Voilà, prsten je lansiran u zrak! Kako je to kul?
Razumijete li? Prešli smo od promjenljive električne struje u zavojnici, do promjenljivog magnetskog polja u gvozdenom jezgru, do električne struje u prstenu, pa do magnetskog polja u prstenu. Zar ne bi bilo sjajno da možete natjerati zakopano zlato da iskače iz zemlje? Nažalost, ovo takođe nije praktično, ali nas usmjerava ka rješenju.
Pravi detektori metala
U stvari, većina detektora metala koristi istu ideju. U osnovi, prebacujete električnu struju iz uređaja na komad metala pod zemljom i nazad u uređaj, što uzrokuje da uređaj pišti. (I zapamtite, ovo funkcioniše jer samo metali provode električnu struju.) Način na koji se struja prebacuje je stvaranje magnetskih polja. Tako funkcionišu i bežični punjači!
Pa kako otkriti ono karakteristično magnetsko polje podzemnog objekta? Jedan način je da u uređaj dodamo drugu zavojnicu, tako da imamo emitersku i prijemnu zavojnicu. Jedini problem je što će prva zavojnica već inducirati struju u drugoj zavojnici. Ali postoje trikovi kojima možemo ukloniti ovu smetnju.
Na primjer, ako ih pozicioniramo tako da se njihova suprotna magnetska polja preklapaju i ponište, dobijamo neto nulti magnetski efekat. Ovo zovemo “izbalansirane zavojnice”. Zatim, kada se metalni predmet približi, dodatno magnetsko polje ih izbalansira, i eto detekcije.
To rezonuje sa mnom
Još jedan zabavan trik je otkrivanje metala pomoću rezonance. Ako ste ikada gurnuli dijete na ljuljašku, znate šta je rezonanca. Ljuljaška se kreće naprijed-nazad sa nekom prirodnom frekvencijom (određenom dužinom lanaca). Ako gurnete ljuljašku u istom ritmu, čak i laganim dodirom, ona će ići sve više i više. Gurnete li u pogrešno vrijeme, sve se pokvari.
Uopšteno, kod svakog oscilujućeg objekta, primjena spoljne sile na istoj frekvenciji povećava amplitudu oscilacije. To je rezonanca. Isto se dešava kada pjevač razbije čašu za vino tako što drži ton na frekvenciji koja odgovara posebnoj vibraciji te čaše. (Nije glasnoća opere u pitanju, već kontrola tona koja im to omogućava.)
Možemo iskoristiti rezonancu kao signal tako što ćemo napraviti oscilujući krug. Za to povežemo induktor (našu zavojnicu žice) i kondenzator, komponentu koja skladišti energiju u električnom polju. Sada, ako držite ovaj sistem iznad zakopanog komada metala, promijeniće frekvenciju oscilacije kruga. Ping! Blago otkriveno!
Naravno, ono na šta se nadate je nešto poput zlatnog novčića iz 13. vijeka, kojeg je jedan čovjek u Engleskoj pronašao i prodao za 850.000 dolara. Međutim, ako ste ikada stvarno koristili detektor metala, znate da je često u pitanju samo otvarač od limenke gaziranog pića. To je u redu. Zabava je u potrazi—i u otkrivanju zašto sistem funkcioniše.
(WIRED)
