Wie funktionieren Metalldetektoren? Die Wissenschaft von Magnetismus und Metall

May 06, 2023

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Magnetismus plus Metall ergeben ein cooles – und manchmal lukratives – Hobby.

Mit Metalldetektoren bewaffnet, finden neugierige Entdecker täglich historische Objekte. Bob Podhrasky, COO, Senior Vice President und Director of Engineering beim Metalldetektorhersteller Garrett, sagte beispielsweise gegenüber Popular Mechanics, dass er einen Metalldetektor verwendet habe, um den Schlachtort am San Jacinto Monument zu erkunden, wo Texas seine Unabhängigkeit erlangte.

„Sie hatten einen Bereich, in dem eine Gruppe persönlicher Artefakte in einer Reihe stand, und sie vermuteten, dass die Soldaten dort kapitulierten und ihre Taschen auf dem Boden leeren mussten“, sagte Podhrasky.

Wie funktionieren Metalldetektoren? Erstens interagieren Metalle mit Magnetfeldern.

„Wenn Sie ein zeitlich veränderliches Magnetfeld haben, erzeugt dieses Magnetfeld im Inneren des Metalls Wirbelströme“, sagte Kamal Sarabandi, Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Michigan, gegenüber Popular Mechanics. „Das sind Ströme, die um das Magnetfeld kreisen. Im Gegenzug können die elektrischen Ströme, die in metallischen Objekten induziert werden, ihr eigenes Magnetfeld erzeugen, das vom … Metalldetektor erkannt wird.“

Jeder Detektor verfügt über einen Sender, der eine Suchspule mit Strom versorgt. Eine Empfangsspule erkennt Metallobjekte, in denen aufgrund des Feldes der Suchspule Wirbelströme auftreten.

„Diese Empfangsschleifen sind so positioniert, dass das primäre Sendefeld aufgehoben wird“, sagte Podhrasky. „Wenn also die Suchspule des Metalldetektors über ein Stück Metall fährt, wird das Magnetfeld gestört und so … erzeugt es eine Energieänderung in der Empfängerspule.“

Der Sender sei ein einfacher Schaltkreis, der normalerweise eine oszillierende Sinuswelle erzeugt, sagte Podhrasky. Das Signal vom Empfänger gelangt zu einem Vorverstärker, der unerwünschte Frequenzen herausfiltert, und wird dann in Gleichstrom umgewandelt und digitalisiert. Die Schaltung erzeugt einen hörbaren Ton. Viele Metalldetektoren verfügen mittlerweile über LCD-Displays, die ihre Einstellungen anzeigen.

Metalldetektoren können die Unterschiede zwischen verschiedenen Metallarten anhand der Art und Weise der Verzerrung der Magnetfelder erkennen, wie stark sie verzerrt sind und wie viel Energie in Form von Wärme verloren geht, sagte Podhrasky.

Podhrasky sagte, er habe eine Technologie namens „Notching“ erfunden, die es Benutzern ermöglicht, mithilfe eines Mikroprozessors die Objekttypen auszuwählen, die die Metalldetektoren beobachten sollen. „Für … das Garrett-System haben wir oben auf dem Bildschirm eine Reihe von Quadraten. Diese Quadrate erstrecken sich gewissermaßen über den Bereich von den sehr niedrigen Leitern links bis zu den sehr hohen Leitern rechts. Wir können die Pixel ausschalten.“ und weiter. Wenn das Pixel ausgeschaltet ist und ein Objekt in diesen Bereich fällt, gibt der Detektor keinen Ton von sich.“

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Dieser empfindliche und genaue Detektor ist das zusätzliche Gewicht wert.

Metalldetektorspulen sind in verschiedenen Größen erhältlich. Kleinere Exemplare reagieren empfindlicher auf kleine Objekte in der Nähe der Oberfläche, während größere Metalle in größeren Tiefen erkennen können, sagte Podhrasky. Größere Spulen sind schwerer als kleine. Koplanare konzentrische Spulen eignen sich gut für Böden mit geringerem Mineralgehalt. DD-Spulen eignen sich optimal für Böden mit hohem Mineralgehalt.

Normalerweise erfolgt die Metalldetektion unter Wasser mithilfe von Pulsinduktions-Metalldetektoren, sagte Podhrasky.

„Im Laufe der Jahre war es ein ständiger Entwicklungsprozess mit der Weiterentwicklung der Elektronik“, sagte Podhrasky. „Früher hatten Metalldetektoren Vakuumröhren, mit denen man nicht viel anfangen konnte. Sie konnten nicht unterscheiden und waren nicht sehr empfindlich. Aber im Laufe der Jahre, mit der Weiterentwicklung von Transistoren, Mikroprozessoren usw Die Fähigkeit, digitale Signalverarbeitung und geringen Stromverbrauch durchzuführen, wenn die Komplexität zunimmt, erhält man LCDs für die Anzeige. Es ist eine ständige Weiterentwicklung der Anwendung von Technologie auf die Disziplin.“

Es gibt viele Einsatzmöglichkeiten für Metalldetektoren. Menschen genießen es, Orte im Freien wie Parks, Schulen und Strände zu erkunden, um interessante oder wertvolle Objekte zu finden. Metalldetektoren werden auch zur Minenräumung auf ehemaligen Schlachtfeldern und für Sicherheitssysteme zur Waffendetektion eingesetzt. Sie werden auch verwendet, um zu verhindern, dass Metallteile in verarbeitete Lebensmittel gelangen.

Ein aus medizinischer Sicht berühmter Einsatz eines Metalldetektors war die Suche von Alexander Graham Bell nach einer Kugel, die den US-Präsidenten James Garfield verletzte. (Spoiler-Alarm: Es hat nicht funktioniert, weil Garfield auf einem Bett mit Metallfedern lag.)

Neugierige Entdecker haben Ringe, Schmuck und viele weitere Gegenstände gefunden, die möglicherweise einen finanziellen Wert haben oder dabei helfen, die Vergangenheit zu enthüllen. In einigen Ländern bestehen jedoch gesetzliche Beschränkungen, die Bedenken hinsichtlich unerwünschter Ausgrabungen hegen.

Die Technologien haben sich verändert, da Menschen versuchen, Wege zu finden, um der Metalldetektion zu entgehen. „Sie stellen die Waffen so her, dass weniger Metall verwendet wird, daher kommen diese Plastikpistolen oder Keramikpistolen auf den Markt“, sagte Sarabandi. „Und das Militär verwendet jetzt Kunststoffminen anstelle von Metallminen, sodass die Erkennung dieser Dinge sehr schwierig ist.“

Kat Friedrich ist eine ehemalige Maschinenbauingenieurin, die ihr Studium der angewandten Mathematik, Ingenieurwissenschaften und Physik an der University of Wisconsin-Madison begann. Sie hat einen Abschluss in Wissenschafts- und Umweltjournalismus und ist Herausgeberin von sieben Nachrichtenpublikationen, von denen sie zwei Mitbegründerin ist. In ihrer Freizeit lernt sie etwas über Tanz und funktionelle Fitness, liest Science-Fiction und erkundet Musikveranstaltungen.

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