หลักการทำงานของ เครื่องตรวจจับโลหะ

7 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

เครื่องตรวจจับโลหะ

โดย Chris Woodford เมื่อ 31 กรกฎาคม 2017

ภาพนี้คือ นาวิกโยธินของสหรัฐ กำลังใช้เครื่องตรวจจับโลหะ เพื่อตรวจหาอาวุธที่ซ่อนอยู่
ตรวจระเบิด

“ บี๊บๆ บี๊บๆ !” ยังมีอะไรที่น่าตื่นเต้นไปกว่าการค้นพบแหล่งสมบัติหรือเปล่า? มีผู้คนมากมายนับล้านทั่วโลก กำลังสนุกสนานกับการใช้ เครื่องตรวจจับโลหะ (Metal detectors) เพื่อหาของเก่ามีค่าที่ยังคงฝังตัวอยู่ใต้ดิน แน่นอนว่าเทคโนโลยีการใช้เจ้าเครื่องนี้ ก็เป็นเทคโนโลยีเดียวกัน กับที่ใช้ในทางการทหาร และใช้ในระบบการรักษาความปลอดภัย จากปืนหรือมีดที่ซุกซ่อนไว้ในตัวบุคคล วิทยาศาสตร์ของเครื่องตรวจจับโลหะ มีพื้นฐานมาจากหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้า ไปดูกันเถอะว่า เจ้าเครื่องตรวจจับโลหะนี้มันมีหลักการทำงานอย่างไร!

เมื่อแรงแม่เหล็กกับกระแสไฟฟ้ามาพบกัน

เราคงเคยทำการทดลองสมัยเด็กๆ ที่สร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นมา จากการนำเอาขดลวดมาพันรอบตะปู แล้วใช้แบตเตอรี่มาเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า จะทำให้เราทราบว่าแรงแม่เหล็กกับกระแสไฟฟ้านั้น เหมือนคู่รักสูงวัย ที่แต่งงานกันมานานแล้ว หากว่าพบตัวใดตัวหนึ่ง ก็เป็นอันว่าจะต้องพบอีกหนึ่งตัวอยู่ไม่ไกลจากกัน

พวกเราได้ใช้หลักการนี้ทุกวินาทีในชีวิตประจำวัน ทุกครั้งที่เราใช้เครื่องใช้ไฟฟ้านั่นก็คือเราได้พึ่งพาการเชื่อมต่อกัน ระหว่างกระแสไฟฟ้าและแรงแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าที่เราใช้ มาจากแหล่งพลังงานต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นโรงไฟฟ้า หรือว่าแหล่งพลังงานทดแทนอย่างกังหันลมก็ตาม ตัวที่ผลิตกระแสไฟฟ้านั้น มันคือขดลวดทองแดงขนาดมหึมา ที่หมุนด้วยความเร็วสูงผ่านสนามแม่เหล็ก ไม่น่าเชื่อเลยว่า จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นมาในสนามนั้น ให้มนุษย์เราไปควบคุมและนำมันมาใช้ประโยชน์ได้ ในตัวเครื่องของเครื่องใช้ไฟฟ้าตามบ้านเรือนของเราทุกๆอย่าง จะมีมอเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้หลักการกลับกันกับตัวที่สร้างกระแสไฟฟ้านี้ โดยมันจะเปลี่ยนเอากระแสไฟฟ้า ย้อนกลับไปทำให้สนามแม่เหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลง แล้วผลักเอาแม่เหล็กให้เคลื่อนที่ นั่นคือเหตุผลที่ว่า ทำไมกระแสไฟฟ้าถึงทำให้มอเตอร์หมุนและเครื่องใช้ไฟฟ้าก็ทำงานได้

สรุปสั้นๆเลยก็คือ เราสามารถใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อสร้างแรงแม่เหล็ก และสามารถใช้แรงแม่เหล็กสร้างกระแสไฟฟ้า ทฤษฎีนี้ไม่ได้ถูกมโนขึ้นมา แต่ว่ามาจากการคิดค้นและเผยแพร่สมการทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า Maxwell’s equations ทั้ง 4 สมการ ในปี 1860 ของ James Clerk Maxwell นักฟิสิกส์ชาวสก๊อตแลนด์ผู้ชาญฉลาด หนึ่งในสมการนั้นบอกกับเราได้ว่า เมื่อใดก็ตามที่เราเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ก็จะมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก เกิดขึ้นพร้อมกันด้วย สิ่งที่ Maxwell บอกจริงๆก็คือ กระแสไฟฟ้าและแรงแม่เหล็ก เป็นสองส่วนประกอบหลัก ของสิ่งๆเดียวกัน ซึ่งสิ่งนั้นก็คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism)

รู้อย่างนี้แล้ว เราก็จะเข้าใจการทำงานของเครื่องตรวจจับโลหะได้ดีขึ้น

นักฟิสิกส์ชาวสก๊อตแลนด์

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เครื่องตรวจจับโลหะทำงานได้อย่างไร ?

แม้ว่าเครื่องตรวจจับโลหะจะมีหลักการทำงานที่จำเพาะต่างกันออกไปตามจุดประสงค์ของการใช้งาน โดยพื้นฐาน เครื่องตรวจจับจะต้องมีขดลวด คือเป็นลวดที่พันรอบโครงสร้างลักษณะค่อนข้างกลมแบน ที่ด้านปลายของเครื่อง เราเรียกว่าขดลวดปล่อยสัญญาณ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในขดลวด จะเกิดเป็นสนามแม่เหล็กอยู่รอบๆ เมื่อเรากวาดจานตรวจจับไปมาเหนือพื้น สนามแม่เหล็กก็จะถูกย้ายตำแหน่งตามไปด้วยเช่นกัน หากว่าเรากวาด จนกระทั่งเครื่องตรวจจับอยู่เหนือวัตถุโลหะสักชิ้นนึง อะตอมในวัตถุโลหะนั้นจะตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก ที่มาจากเครื่อง โดยอิเล็กตรอนในวัตถุโลหะจะเกิดการเคลื่อนที่ ถ้าเราเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กในวัตถุโลหะ ก็แน่นอนว่า จะต้องเกิดกระแสไฟฟ้าในโลหะนั้นด้วย กล่าวคือ เครื่องตรวจจับโลหะจะสร้าง(หรือเหนี่ยวนำ) ให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในวัตถุโลหะ และถ้าหากว่ามีกระแสไฟฟ้าไหลอยู่ในวัตถุโลหะ มันก็จะเกิดสนามแม่เหล็ก ที่รอบๆวัตถุโลหะเช่นกัน ดังนั้น เมื่อเรากวาดจานตรวจจับไปอยู่เหนือวัตถุโลหะเมื่อใด สนามแม่เหล็กที่ปล่อยจากเครื่องตรวจจับโลหะ ก็จะไปทำให้เกิดเป็นสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆวัตถุโลหะด้วย

สนามแม่เหล็กรอบวัตถุโลหะที่เกิดขึ้นตามมานั้น เป็นสนามแม่เหล็กทุติยภูมิ ซึ่งเครื่องตรวจจับจะสามารถพบได้ เพราะเครื่องตรวจจับจะมีขดลวดอีกหนึ่งชุดที่เรียกว่า ขดลวดรับสัญญาณ ที่เชื่อมต่ออยู่กับวงจรเพื่อส่งเสียงเตือน ทำให้เราทราบถึงการตรวจพบได้ เมื่อเครื่องตรวจจับไปอยู่เหนือโลหะ สนามแม่เหล็กที่ถูกสร้างขึ้นรอบโลหะ จะแผ่ออกมาที่ขดลวด เมื่อเราเคลื่อนที่ไป สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงก็จะทำให้เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้นมาได้ (ดังที่ได้กล่าวไปในหัวข้อแรก) พอมีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นที่ขดลวดรับสัญญาณ ไฟฟ้าก็จะไหลในวงจรไปยัง ลำโพงหรือระบบการเตือน ให้ส่งเสียงบอกเรา “เห้!”เครื่องตรวจจับโลหะได้กระตุ้นบอกคุณ และนั่นหมายความว่า คุณจะได้พบกับบางสิ่ง ยิ่งคุณนำเอาขดลวดตรวจจับไปใกล้วัตถุเท่าไหร่ จะยิ่งมีความเข้มของสนามแม่เหล็กมาก จากขดลวดปล่อยสัญญาณไปสู่วัตถุโลหะมาก และก็จะยิ่งทำให้เกิดสนามแม่เหล็กจากวัตถุโลหะมากเช่นกัน และนั่น ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ขดลวดรับสัญญาณมาก ส่งไปยังลำโพงให้เกิดเสียงที่ดังขึ้น

ต้องขอบคุณ James Clerk Maxwell มากๆเลย ที่ช่วยทำให้เราเข้าใจการทำงานของเครื่องตรวจจับโลหะมากขึ้น คือการที่เครื่องตรวจจับโลหะใช้กระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา แล้วสนามแม่เหล็กที่ถูกสร้างขึ้นมานั้น ก็ไปสร้างกระแสไฟฟ้าอีกทอดหนึ่ง

รูปนี้ เป็นเครื่องตรวจจับที่พัฒนาให้เป็นแบบเดินผ่านได้ ใช้ในห้องทดลอง พวกเขาใช้คลื่นในการตรวจจับอาวุธ ที่เป็นพลาสติกและเซรามิก ซึ่งเครื่องตรวจจับโลหะทั่วไปตรวจไม่พบ

ส่วนเครื่องนี้ เป็นรูปแบบของเครื่องตรวจจับโลหะสมัยใหม่ คิดค้นโดย Charles Garrett ในปี คศ 1970 เราจะเห็นขดลวด 2 วง ที่เป้นสีแดงและน้ำเงิน, เห็นตัวกล่องสีส้ม เหนือที่จับสีเขียว มีวงจรควบคุมการทำงาน มีแบตเตอรี่ มีลำโพงหมายเลข 24, ปุ่มปรับระดับเสียง 27 และอื่นๆ

คิดค้นโดย Charles Garrett

เรามาดูกันคร่าวๆตามส่วนประกอบต่างๆดีกว่า ว่าเครื่องตรวจจับโลหะมีขั้นตอนการทำงานอย่างไร และทำไม เราจึงต้องพยายามให้เครื่องตรวจจับนั้น เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาที่ตรวจจับ

การปล่อยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของขดลวด