Kan en metaldetektor finde magneter?
En metaldetektor udsender et tidsvarierende elektromagnetisk felt. Virkningen på et stykke metal beskrives som dannelse af elektriske hvirvelstrømme, der selv danner et magnetfelt i modsat retning af det magnetfelt, der påvirker metallet.
Hvis metallet nu er magnetisk, som jern eller nikkel, så sker der vel også en vis midlertidig og tidsvarierende magnetisering - med samme retning som feltet der påvirker metallet ([N-S] mod [N-S]).
Har hvirvelstrømmene så mindre/ens/større betydning end magnetiseringen for feltet fra metalstykket?
Med venlig hilsen
Poul Nielsen
Svar:
Hvordan virker en metaldetektor?
En metaldetektor fungerer ganske rigtig vha. en vekselstrøm J i en spole, som ifølge Ampères lov
skaber et magnetfelt B, hvor μ₀ er en konstant der kaldes vakuumpermeabiliteten, og symbolet "∇×" beskriver, hvordan magnetfeltet går rundt om strømmen.
Strømmen skaber altså et magnetfelt, som varierer med tiden t. Denne ændring skrives "∂B/∂t" (∂'erne udtales bare som et "d", og betyder løst oversat "ændring af den variabel, der kommer lige efter, mens andre variable holdes konstante"). Ifølge Faradays lov
skaber den tilsvarende et elektrisk felt E rundt om magnetfeltet.
Figurtekst: Til venstre ses Ampères lov, som beskriver hvordan en strøm i en ledning skaber et magnetfelt, som går rundt om ledningen. Retningen er givet ved "højrehåndsreglen": Peg højre tommelfinger i strømmens retning; magnetfeltet vil "krølle rundt" i de andre fingres retning. Til højre ses Faradays lov i aktion: en stationær magnet giver ikke anledning til et spændingsfelt, men lige så snart magnetfeltet ændrer sig — f.eks. hvis du bevæger en magnet — skabes et elektrisk felt.
Hvis der ligger et materiale nede i jorden med nogle ladede partikler, kan feltet E få dem til at bevæge sig ifølge (Kirchhoffs formulering af) Ohms lov
hvor σ er ledningsevnen.
Hvad reagerer metaldetektoren på?
Et materiale som sten eller træ har en meget ringe ledningsevne, så ingen ladninger flytter sig. Men i et metal, som har høj ledningsevne, begynder elektronerne at bevæge sig og skaber en strøm J, som så skaber et nyt magnetfelt.
Metaldetektoren har en "pickup-spole", som reagerer på magnetfeltet ved at skabe en strøm, som kan måles, og f.eks. omsættes til en lyd, så du ved at det er tid til at hive skovlen frem og begynde grave.
Fidusen ved metaldetektoren er så, at du ved hvilken frekvens du udsender magnetfeltet med (f.eks. 10 kHz), mens det opsamlede magnetfelt afhænger af beskaffenheden af materialet i jorden (ledningsevne, størrelse, dybde, …). Udsenderspolens frekvens kan så filtreres fra, så detektoren kan "regne ud" hvad der ligger dernede, og f.eks. undlade at reagere på ølkapsler, skruer og andet skrald.
Ligger der en magnet nede i jorden, skaber den et "permanent" magnetfelt. Men ifølge Faradays lov giver dette i sig selv ikke noget udslag i pickup-spolen. Det er kun en ændring i magnetfeltet, der giver udslag.
Helt "usynlig" er magneten dog ikke: I dét øjeblik du bevæger detektoren ind over den nedgravede magnet, kommer du fra et ikke-magnetfelt og ind i magnetfeltet, og det er jo en ændring, så dette kan godt give et udslag. Men stopper du op, er der ikke længere nogen ændring, og så forsvinder signalet igen.
Om det "midlertidige" signal er større eller mindre end signalet fra et stykke ikke-magetisk metal, afhænger i sidste ende simpelthen af, præcis hvor store, hvor ledende og hvor magenetiske eller ikke-magnetiske de forskellige materialer er. Ved et processere de forskellige signaler, kan gode metaldetektorer muligvis godt kende forskel på magneter og ikke-magneter. En ingeniør vil nok kunne besvare dette bedre bedre, men her har du altså fysikken bag ved fænomenet :)
Bedste hilsener,
Peter Laursen, Astrofysiker og videnskabsformidler
Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet.