Da studente di chimica capita spesso studiare i processi chimici considerando molecole ed atomi come sistemi fisici. Quindi comprendi ben presto che queste due discipline sono legate da un sottile filo. La stessa cosa avviene quando si utilizza un metal detector. Infatti, in questo caso facciamo interagire due sistemi, dove il primo è rappresentato dallo strumento elettronico e l’altro dalle molecole e dagli atomi che costituiscono il metallo rilevato. Parleremo dunque delle leggi fisiche che regolano il funzionamento del metal detector. Il metal detector è costituito essenzialmente da un box comandi e da una piastra di ricerca.

struttura di un meta detector

Vediamo più da vicino quali sono le caratteristiche di questi componenti. Introdurremo i metal detector con tecnologia Induction balance (Equilibrio di induzione) i quali operano a frequenze molto basse, indicati anche come VLF “Very Low Frequency” (da 1 a 30 KHz). Per la loro tecnologia sono dotati di una discreta discriminazione, quindi ideali per terreni mineralizzati. Iniziamo ad analizzare la piastra di ricerca, che come vedremo in seguito può essere di varie tipologie. La tipologia di piastra più diffusa è quella concentrica che può contenere dalle 2 alle 3 bobine. Le bobine al suo interno si distinguono in trasmittenti e riceventi.

Avvolgimento di una bobina

Piastra di ricerca concentrica 9″X8″

Con il passaggio di corrente alternata nella bobina trasmittente, si crea un campo elettromagnetico temporaneo, che andrà a colpire l’oggetto metallico rilevato producendo al suo interno una corrente elettrica (corrente parassita), che a sua volta produrrà un campo elettromagnetico di intensità minore che sarà captato dalla bobina ricevente ritrasformandolo in una corrente di ritorno, per poi essere analizzata dai circuiti del metal detector. Bisogna precisare che ogni oggetto metallico può produrre un piccolo campo elettromagnetico, il quale può essere captato dalla bobina ricevente. Ecco spiegato a volte il fenomeno dei “falsi segnali” che si possono verificare durante la ricerca in terreni altamente mineralizzati. Ovviamente con l’utilizzo di piastre di ricerca più moderne tale fenomeno si mostra molto attenuato o nullo. La domanda che spesso sento è: “Come fa un metal detector a capire il tipo di metallo rilevato?”. Per comprendere tale domanda introdurremo il concetto di discriminazione degli oggetti metallici. Per discriminazione intendiamo la capacità del nostro strumento di eliminare una o più categorie di oggetti metallici. Il cercametalli riesce ad operare tale discriminazione mediante processo fisico legato al “ritardo di fase” dell’onda elettromagnetica generata.

Esempio di un ritardo di fase “phase shift” tra il segnale trasmesso e quello ricevuto.

Spiegandolo con parole più semplici, la bobina trasmettente produce un campo magnetico che rappresenta la nostra onda, la quale interagendo con l’oggetto metallico ritorna indietro alla bobina ricevente in un determinato intervallo di tempo che può essere maggiore o minore. Il tempo che impiega il segnale per ritornare alla bobina ricevente viene detto “ritardo” di fase. Tale fenomeno di sfasamento è regolato da due proprietà importanti che sono l’induttanza e la resistenza. Entrando più nello specifico, prenderemo in considerazione un solenoide contenente aria. Premesso che “Una corrente elettrica i che scorre in un circuito elettrico produce un campo magnetico nello spazio circostante e un flusso magnetico Φ attraverso il circuito”, l’induttanza o coefficiente di induzione (B) del circuito è quindi il rapporto tra il flusso magnetico generato e la corrente passante (B = Φ/I).



Campo elettromagnetico di un solenoide al passaggio della corrente elettrica alternata

Quindi un oggetto si dice induttivo, quando conduce facilmente la corrente elettrica e di conseguenza, dotato di alta induttanza, avrà uno sfasamento maggiore. La resistenza elettrica è una grandezza fisica scalare che misura la tendenza di un corpo ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica. Dunque un oggetto che non conduce facilmente corrente elettrica lo definiremo resistente e di conseguenza il suo sfasamento sarà minore. Oggetti con alta induttanza sono quelli grossi e spessi e fatti con ottimi metalli conduttori (rame, argento ed oro). Osserveremo un ritardo di fase minore in oggetti piccoli, sottili e scarsamente conduttori.  Altro concetto fondamentale legato all’induzione è la permeabilità magnetica di un oggetto metallico, indicata col simbolo μ, la quale esprime la propensione di un materiale a magnetizzarsi, in presenza di un campo magnetico. Potremo dunque ricavare tale formula: B = μ · H ( B = induttanza, μ = permeabilità magnetica, H = campo magnetico).  La maggior parte dei metalli hanno una induttanza e una resistenza variabile, per cui non riusciremo mai ad identificare un oggetto in modo preciso, ma lo andremo ad inserire in una categoria di metalli a cui può appartenere. Discriminare non è sempre una cosa semplice, infatti lo spostamento di fase “Phase shift” di un determinato oggetto ad una certa profondità e con un certo orientamento, può essere totalmente diverso per lo stesso oggetto messo a diversa profondità e diverso orientamento. Anche la forma dell’oggetto metallico può fa variare lo spostamento di fase. Infatti in un oggetto circolare come un anello, l’induzione elettromagnetica sarà abbastanza forte a causa della corrente che passa in un circuito chiuso. Diversa sarà la situazione in un oggetto aperto (asta metallica) dove l’induzione sarà più bassa. Dunque bisogna discriminare in modo attento, infatti si può rischiare di perdere un oggetto di valore che per profondità, posizione e forma può essere interpretato come appartenete alla categoria da rifiutare.

(D.M.)