Прообраз современного металлоискателя — индукционный баланс Хьюза

Человек всегда хотел проникнуть в то, что невозможно для невооруженного глаза и одним из наиболее интересовавших его областей — было разработать некоторый способ для нахождения металлов в недоступных зрению ^[1] местах, так как их имеется весьма большое количество и разнообразие: например, под землёй, в теле человека, в стенах и т.д. 

Трудно переоценить важность этой задачи, которая привела к появлению примечательного изобретения, в дальнейшем, с последующими модификациями, широко распространившегося и применяющегося повсеместно — да, речь пойдёт об металлоискателе, но не о том, что всем известно, а о том, что, пожалуй, легло в основу всего направления… 

Первый прообраз металлоискателя увидел свет ещё в XIX веке, благодаря трудам англо-американского изобретателя Дэвида Эдварда Хьюза ^[2]*:

*Строго говоря, он не был самым первым ^[3], но остановимся мы именно на нём, так как именно его изобретение имело явные последствия, дошедшие до наших дней.

Несмотря на то, что родился в музыкальной семье и имел слабое естественно-научное образование ^[4]*, Хьюз тяготел, судя по всему, именно к естественно-научному направлению, так как отличился достаточно прорывными разработками — первым в мире телеграфом, печатающим не точки и тире азбуки Морзе, а настоящий текст, на бумажной ленте:

А также своей версией микрофона (на базе угольного стержня): 

И даже экспериментировал с искровыми радиопередатчиками ^[5], обнаружив передачу радиоволн, за 7 лет до Герца:

*Кстати, уже не первый раз встречаю, исследуя исторические разработки, что невероятно часто то, что написано в дипломе, не совпадает с тем, в какой области человек добивается успеха. 

Тоже, повод «на подумать» и не закапывать свой талант в землю, если есть тяга к чему-либо, но она расходится с официальной записью в дипломе… ;-) 

Как, помню, достаточно давно, на Хабре была известная статья (2011 года примерно), если память ^[6] не изменяет, то под названием «я переучиваю людей на java-программистов», где человек констатировал, если, опять же, всё правильно помню, что одним из самых его успешных учеников стал бывший учитель истории… :-)

Таким образом, даже бегло ознакомившись с областью интересов Эдварда Хьюза, становится понятно, что это был довольно выдающийся практический экспериментатор, в связи с чем, не является уже удивительным, что именно он и изобрёл первый в мире прообраз металлоискателя. 

Но до рассмотрения его изобретения, следует немного отвлечься и ещё раз кратенько вспомнить, что такое «токи Фуко» ^[7] (это поможет нам в дальнейшем понимании), суть которых можно вкратце и обобщённо охарактеризовать примерно следующим образом: при воздействии на проводник внешнего электромагнитного или магнитного* поля, в этом проводнике возникают замкнутые кольцевые токи, обладающие своим собственным полем, которое начинает воздействовать на изначальное (индуцировавшее) поле:

Причём, по картинке выше мы видим, что наблюдаются два замкнутых тока, направленных в разные стороны и имеющих, соответственно, разнонаправленные магнитные поля (навстречу набегающему краю магнита, или попутно убегающему). 

В ходе этого процесса, так как, замкнутые кольцевые токи в проводнике, по большому счёту, представляют собой короткое замыкание в толще материала, выделяется большое количество тепла, что обычно используется в современных устройствах, с целью нагрева, и широко распространено, применяясь как для целей плавки/закалки металлов, так и для нагрева дна токопроводящей кухонной посуды с помощью индукционных плит. 

От частоты этого индуцирующего магнитного/электромагнитного поля зависит то, насколько близко к поверхности будут расположены эти кольцевые токи: в общем случае, чем выше частота — тем ближе к поверхности располагаются кольцевые токи. Называется это скин-эффектом ^[8].

*Кстати говоря, если, в основном, в современном мире, мы сталкиваемся с электромагнитным принципом возбуждения ^[9] токов Фуко, то стоит упомянуть, что принципиально, в качестве альтернативы этому способу —  ничто не мешает их вызывать и быстрым перемещением постоянного магнита мимо проводника, где при этом, также, выделяется большое количество теплоты, например, можно расположить медную трубку-змеевик около пластины с вращающимися мощными неодимовыми магнитами, сквозь которую прокачивать воду — вода будет кипеть и очень активно. 

Теперь, если эту конструкцию приделать к какому-либо двигателю (на видео ниже показан электродвигатель, но никто не мешает приделать и бензиновый) — то мы получаем что? А вот что: источник горячей воды, где угодно в полях! ;-) 

Без какого-либо тяжёлого и массивного электрогенератора: всего лишь медная трубка и магниты! 

Прямой перевод магнитного поля в тепло? Почему бы и нет: 

А теперь, вооружившись этими знаниями, обратимся к разработке Эдварда Хьюза, информацию о которой он опубликовал в 1879 году в своей статье ^[10], где привёл схему и описание принципа действия собранного им устройства. 

Изучим его повнимательнее, опираясь на схему оригинала и его описание:

До рассмотрения схемы надо отметить, что это скорее лабораторный стенд, для отработки принципов действия, а не собственно металлоискатель, в той форме, к которой мы привыкли.

Как мы видим, схема конструктивно разделена на две части: так называемый «сонометр» (Sonometer) и «индуктивный баланс» (Induction Balance) — это два отдельных контура, переключение между которыми происходит с помощью нажимного переключателя (Switch-key), и они не могут работать одновременно. 

Так как, дело происходило в XIX веке, а на схеме ниже справа мы видим головной телефон Белла (грубо говоря, «наушник», если по-нашему), то, понятно, что система требует генерации переменного тока, некоей звуковой частоты. 

Однако, так как на дворе был XIX век, то с этим явно были «некоторые проблемы» :-) и изобретатель здесь выкрутился интересным образом: мы видим, что посередине схемы находятся обычные часы и, рядом с ними, слева расположен микрофон, включённый в цепь электропитания постоянного тока (как и наш «наушник») — таким образом, микрофон постоянно улавливал тиканье часов, генерируя в этой цепи пульсации постоянного тока, что, соответственно, отражалось в виде появления звука и в «наушнике»! 

Далее, если мы опустим свой взгляд чуть ниже часов, то там мы увидим четыре катушки: внизу расположены катушки (a-a’), подключенные последовательно и находящиеся в цепи постоянного питания и микрофона, а прямо над ними расположены точно такие же катушки (b-b’), также подключенные последовательно, только в противофазе — в их цепи, как мы видим, находится и «наушник». 

Итак, как это работало: в цепи микрофона постоянно возникали пульсации синхронно тиканью часов, которые, приводили к протеканию такого же импульсного тока в катушках a-a’, вызывая появление электромагнитного поля в них, которое, воздействуя на катушки сверху них (b-b’) вызывало появление в них такого же импульсного электрического тока. 

Так как катушки были подключены в противофазе — этот импульсный ток, только появившись, взаимно обнулялся, и, таким образом, несмотря на то, что катушки снизу (a-a’) постоянно пытались вызвать протекание электрического тока в цепи, где находились катушки b-b’ и «наушник» — этот ток постоянно обнулялся. 

Так как любая механическая конструкция обладает неточностями сборки, и требует точной настройки — катушка b’ была подвешена с использованием микрометрического винта, вращая который, можно было добиться тишины в «наушнике». 

Теперь, если попробовать поместить какой-либо кусочек металла (в оригинале эксперименты проводились с монетой), например, в середине катушек a и b — то это вызывало возникновение в монете токов Фуко, и, соответственно, появлению в наушнике звука, так как изначально идеально настроенный баланс (чтобы в «наушнике» была тишина) — нарушался.

Как мы видим по схеме, по умолчанию была запитана именно эта цель, а нажимая на переключатель можно было переключиться на верхнюю цепь, где были расположены катушки c-d-e. 

Однако, как мы знаем, разные металлы обладают разной электропроводностью, и Хьюз придумал, как можно замерить электропроводность конкретного металла: для этого, нужно было нажать на переключатель и в качестве нижних катушек (a-a’) начинали работать уже верхние катушки (c-e), перемещая между которыми среднюю катушку d, находящуюся в цепи «наушника» нужно было на слух*(!) добиться примерно того же звука, который был, когда работала нижняя цепь катушек. 

Так как эта катушка перемещалась по градуированной горизонтальной линейке — то, глядя на соответствующий показатель, на котором была установлена катушка для достижения аналогичного звука, как при подключении нижней цепи, можно было получить хоть какую-то цифру электропроводности для конкретного металла.

*Сразу видим и критическую проблемность такой системы — крайняя примерность и субъективность восприятия ^[11] результатов разными людьми!

Тем не менее, это была первая попытка и, она сыграла свою роль, так как показала практическую возможность подобного рода систем, что привело к дальнейшему улучшению и новым разработкам… 

Однако, и это особенно интересно: если мы захотим ознакомиться с историей развития металлоискателей, ^[3] то обнаружим для себя любопытное открытие: что, по большому счёту, несмотря на все нововведения, появившиеся в этом устройстве за последние более чем 100 лет: менялась аппаратная база, конструктивные решения, и даже появилась компьютеризация — несмотря на всё это, суть самого устройства сводится к одному и тому же: изначальной балансировке двух катушек, где одна из катушек является излучающей, а другая — приёмной и их поля взаимно компенсируются, а любой метал, появляющийся в зоне действия полей — нарушает эту настройку…

То есть, другими словами, можно сказать, что Эдвард Хьюз опередил своё время, найдя оптимальное решение в составе своего лабораторного стенда — так как, по большому счёту, мы видим, что современные решения используют существенно упрощённую его версию — вместо всего того, что мы видели на схеме выше, — взяли всего лишь пару катушек, например a и b (если сказать упрощённо, не вникая слишком в детали реализации современных решений, вроде систем double-d) ^[12]!

Считается, что одним из наиболее существенных изобретений в этой области является появление системы дискриминации ^[13] — то есть, грубо говоря, возможности работы на разных частотах, что позволяет «отстроиться от ненужного и настроиться на нужное» — то есть, например, устанавливая более низкую частоту пульсации электрического тока на передающей катушке, можно находить более электропроводные металлы, например, такие как серебро или медь, а устанавливая более высокую частоту, — менее электропроводные, например, как железо. 

Однако, кроме указанного типа, существуют и другие, например, однокатушечные (в том числе импульсные, попеременно служащие то передатчиком, то приёмником) и другие виды ^[14].

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.