איך עובד גלאי מתכות?

עקרון פעולתו של גלאי מתכות מבוסס על הקשר ההדוק שבין חשמל ומגנטיות. אנחנו מסתמכים על הקשר הזה יום-יום: החשמל שאנו צורכים מגיע מתחנות כוח, ומיוצר באמצעות גנרטור, שהוא תוף גדול העשוי מחוט נחושת. כשהגנרטור מסתובב במהירות גבוהה בתוך שדה מגנטי, עובר דרכו זרם.

מכשירי החשמל הביתיים כמו מכונות כביסה או שואב אבק, מבוססים על מנועים חשמליים, שפעולתם הפוכה בדיוק לגנרטור: כאשר עובר דרכם זרם חשמלי, הוא מייצר שדה מגנטי משתנה בלולאת תיל. מגנט קבוע דוחה את השדה הזה וגורם ללולאה להסתובב. במילים אחרות: שדה חשמלי משתנה בזמן מייצר שדה מגנטי, ושדה מגנטי משתנה בזמן מייצר שדה חשמלי. ג'יימס מקסוול ניסח זאת מתמטית במשוואותיו המפורסמות משנות ה-60 של המאה ה-19.

גלאי המתכות הידני מורכב מסוללה המעבירה חשמל דרך ידית לסליל. כאשר עובר זרם חשמלי דרך הסליל, נוצר שדה מגנטי מסביבו. כאשר סורקים את השטח משנים כמובן את מיקומו של השדה שנוצר. אם במקרה העברנו את הגלאי על פני חפץ מתכתי, יחוש הגלאי שדה מגנטי שמקורו באלקטרונים של אטומי המתכת. שתי תכונות של אלקטרונים תורמות למגנטיות: תנועתם המרחבית סביב הגרעין (תנע זוויתי) ותכונה פנימית הנקראת ספין, שהיא תופעה קוונטית ולא ניתן לדבר עליה במונחים מרחביים (זה אינו סחרור כמו בסביבון כפי שלפעמים מכנים זאת).

באטומים שמהם עשויים רוב החומרים, השדות שיוצרים האלקטרונים מבטלים זה את זה, משום שהאלקטרונים מסודרים בזוגות שבהם הספין של האחד הפוך לזה של השני (האלקטרונים מזווגים). לכן רוב החומרים אינם מגנטיים והגלאי לא יזהה אותם. עם זאת, במתכות יש אלקטרונים לא מזווגים והשדה המגנטי שיוצר כל אלקטרון אינו מבוטל. למשל באטום ברזל יש ארבעה אלקטרונים לא מזווגים, והוא מתנהג כמגנט קטן.

גלאי המתכות מכיל תיל שני שנקרא מקלט, המחובר למעגל חשמלי. השדה המגנטי שמקורו במתכת מייצר זרם חשמלי במקלט המגיע, דרך מעגל חשמלי, לחיישן המצפצף ומתריע כי אנחנו בקרבת מתכת. גלאי מתכות מתקדמים מסוגלים לגלות חומרים מוליכים עד לעומק של 30 מטר, תלוי כמובן בסוג הקרקע. 

סיכום עיקרון פעולתו של גלאי מתכות