Chắc hẳn việc truy tìm những kho báu sẽ là một chuyện rất thú vị, đúng không? Hàng triệu người trên thế giới hiện tại đang sử dụng máy dò tìm kim loại để tìm ra những vật có giá trị bị chôn vùi dưới lòng đất. Loại máy này cũng thường được sử dụng trong quân đội và dịch vụ an ninh, giúp phát hiện súng, dao hay bom mìn còn sót lại sau chiến tranh. Máy hoạt động dựa trên khoa học về điện từ học, cùng tìm hiểu nhé!

Điều gì xảy ra khi từ tính gặp điện?

Nếu bạn từng thực hiện thí nghiệm quấn một đoạn dây điện quanh một chiếc đinh và kết nối với pin, bạn sẽ thấy rằng từ trường và điện có một mối quan hệ rất “mật thiết”: ở đâu có từ trường, ở đó có điện, và ở đâu có điện, ở đó có từ trường!

Chúng tôi đã làm những thí nghiệm tương tự và áp dụng vào trong thực tế. Các thiết bị điện hoạt động đều dựa vào mối liên hệ chặt chẽ giữa điện và từ tính, điện được sử dụng hàng ngày được cung cấp từ các nhà máy điện, chúng được tạo ra bởi một máy phát điện có kết cấu tương tự như mô hình “cuộn dây và chiếc đinh”. Khi bật máy phát điện, cuộn dây sẽ quay rất nhanh trong từ trường, và điện được tạo ra một cách thần kì bên trong nó. Các thiết bị điện chúng ta sử dụng (từ máy giặt đến máy hút bụi) đều chứa các động cơ điện hoạt động hoàn toàn ngược lại với máy phát điện: khi dòng điện chạy vào máy móc sẽ tạo ra một từ trường thay đổi trong cuộn dây, chúng đẩy ngược lại từ trường của nam châm vĩnh cữu, giúp động cơ hoạt động.

Tóm lại, chúng ta có thể dùng điện để tạo ra từ tính và dùng từ tính để tạo ra điện. Vào những năm 1860, một nhà vật lí học tài ba của Scotland tên là James Clerk Maxwell (1831–1879) đã tổng kết tất cả những nghiên cứu của mình trong 4 công thức toán học đơn giản mà ngày nay còn được gọi là “Phương tình Maxwell”. Một trong số đó nói rằng bất cứ khi nào điện trường thay đổi thì từ trường cũng sẽ thay đổi. Điện và từ là hai phần không thể tách lìa của một điện từ, đó là những gì mà Maxwell muốn giải thích, điều này giúp chúng ta hiểu chính xác hơn cách thức hoạt động của máy dò tìm kim loại.

Cách điện từ học cung cấp năng lượng cho máy dò tìm kim loại

Có nhiều loại máy dò tìm kim loại và mỗi loại máy có một phương thức hoạt động khác nhau. Loại cơ bản nhất của máy dò tìm kim loại bao gồm một cuộn dây quấn quanh đầu tròn cuối tay cầm, còn được gọi là cuộn dây phát. Khi quét máy dò trên mặt đất, từ trường cũng sẽ chuyển động xung quanh, nếu gặp phải một vật kim loại, từ trường chuyển động sẽ ảnh hưởng đến các nguyên tử bên trong kim loại, chính là các hạt electron. Và theo như những gì James Clerk Maxwell đã để lại, nếu chúng ta có một từ trường thay đổi trong kim loại, chắc chắn sẽ có một dòng điện chạy trong đó. Nói cách khác, máy dò tìm kim loại tạo ra một số hoạt động điện trong kim loại, và tạo ra từ tính, nên khi bạn di chuyển máy dò trên một vật kim loại, từ trường phát ra ở máy dò sẽ tạo ra một từ trường khác xung quanh kim loại ấy.

Đó được xem là từ trường thứ 2, là từ trường xung quanh kim loại mà máy dò thu nhận được. Máy dò kim loại có chứa một cuộn dây khác, được kết nối với mạch chứa loa, khi chúng ta di chuyển máy quanh kim loại sẽ tạo ra từ trường, có dòng điện chạy qua và dẫn truyền đến mạch loa làm cho máy kêu bíp bíp. Khi di chuyển đến càng gần kim loại thì từ trường sẽ càng mạnh, do đó dòng điện chạy qua loa càng nhiều và loa sẽ càng kêu to.

Và thực sự chúng ta phải cảm ơn Maxwell đã giúp chúng ta có được máy dò tìm kim loại, hay các máy móc nào cần thiết sử dụng trong đời sống con người ngày nay.

Nguyên lí hoạt động của máy dò tìm kim loại

Điều gì giúp cho máy dò tìm kim loại kêu liên tục khi bạn quét qua một “ kho báu” nào đó đang bị chôn vùi?

• Pin ở đầu máy dò sẽ kích hoạt mạch phát, sau đó truyền điện qua dây cáp ở tay cầm máy đến cuộn dây máy phát ở phía dưới.
• Dòng diện chạy qua cuộn dây máy phát, tạo ra từ trường quanh nó
• Khi quét máy dò trên 1 vật kim loại, từ trường từ máy dò sẽ đi qua vật
• Từ trường nhận được sẽ tạo nên một dòng điện bên trong kim loại
• Dòng điện sẽ tạo nên một từ trường khác xung quanh kim loại, nó truyền đến cuộn dây thu bên trong máy dò kim loại, truyền lên loa và tạo ra tiếng kêu.

Các loại máy dò tìm kim loại

Như chúng ta đã thấy ở trên, từ trường được tạo ra bằng cách thay đổi điện trường dao động ở một tần số cụ thể. Các tần số khác nhau cho các kết quả khác nhau dựa vào kim loại phát hiện được, độ sau của chúng và nơi chúng ta đang tìm (trên nền cát, đất hay bất kì thứ gì)

Mặc dù các máy dò kim loại đều có cách thức hoạt động như nhau (chuyển đổi điện năng thành từ tính và ngược lại), nhưng chúng vẫn được phân ra 3 loại chính. Loại đầu tiên là loại VLF (very low frequency), đây là loại dùng đơn giản nhất, phù hợp cho việc tìm các kim loại thường đến kim loại quý. Máy sử dụng tần số phát hiện cố định rất thấp, thường từ 6-20Hz (thường nhỏ hơn 30Hz). Loại tiếp theo là loại PI (pulse induction), loại này sử dụng các tín hiệu xung và tần số cao hơn. Nhìn chung thì loại này có thể tìm kiếm được các thứ nằm sâu hơn so với máy dò VLF. Loại cuối cùng là máy dò FBS (full-band spectrum), sử dụng nhiều tần số đồng thời, nên trong thực tế, nói được điều chỉnh thường xuyên tùy vào từng mục đích sử dụng.

Máy phát hiện kim loại sẽ dò tìm được sâu bao nhiêu?

Thật không may, không có câu tả lời chính xác cho câu hỏi này bởi nó phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố, gồm:

• Kích thước, hình dạng, chất liệu của vật kim loại bị chôn vùi: những vật lớn dễ xác định hơn so với vật vật nhỏ
• Hướng của vật thể: các vật được chôn bằng phẳng thường dễ tìm thấy hơn so với các vật được chôn với đầu hướng xuống dưới, một phần do nó tạo ta khu vực mục tiêu lớn hớn và cũng giúp vật thể gửi tín hiệu lại máy dò một cách hiệu quả hơn.
• Tuổi của vật thể: những đồ vật bị chôn vùi lâu ngày thường bị oxy hóa hoặc ăn mòn sẽ khó tìm hơn.
• Môi trường đất cát xung quanh nơi bạn tìm kiếm
• Loại máy dò và tần số (hoặc các tần số) nó đang sử dụng

Nói chung, máy dò tìm kim loại hoạt động ở độ sau tối đa khoảng 20-50cm (từ 8-20 in)

Máy dò tìm kim loại thường được sử dụng ở đâu?

Máy dò tìm kim loại không chỉ được sử dụng để kiếm tiền trên bãi biển. Bạn có thể thấy chúng trong các máy quét tại sân bay (được thiết kế để ngăn chặn những người mang súng và dao lên máy bay hoặc những nơi an toàn khác như nhà tù và bệnh viện) và trong trong nhiều nghiên cứu khoa học. Các nhà khảo cổ thường khá đau đầu bởi một vài người chưa qua đào tạo sử dụng các máy dò tìm này và vô tình làm xáo trộn các hiện vật cổ, nhưng, nếu được sử dụng đúng cách, máy dò kim loại sẽ trở thành công cụ có giá trị trong nghiên cứu lịch sử.

Ai là người đã phát minh ra máy dò tìm kim loại?

Máy dò kim loại dường như có từ trước vụ bắn chết Tổng thống Mỹ James A. Garfield vào tháng 7 năm 1881. Một trong những viên đạn nhằm vào cơ thể vị tổng thống không thể tìm thấy. Lúc ấy, nhà tiên phong về điện thoại Alexander Graham Bell đã nhanh chóng chế tạo ra một thiết bị định vị kim loại điện từ được gọi là cân bằng cảm ứng, dựa trên một phát minh trước đó của nhà vật lý người Đức Heinrich Wilhelm Dove. Mặc dù viên đạn không được tìm thấy và Tổng thống sau đó đã chết nhưng thiết bị của Bell vẫn hoạt động bình thường, và nhiều người cho rằng, nó là thiết bị định vị kim loại điện từ đầu tiên.

Máy dò kim loại cầm tay sau này được phát minh bởi kỹ sư điện tử người Đức tên là Gerhard Fischer khi ông đang sống ở Hoa Kỳ, ông đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho ý tưởng này vào tháng 1 năm 1933. Ông gọi phát minh của mình là Metalloscope — một “phương pháp và phương tiện để chỉ ra sự hiện diện của kim loại bị chôn vùi như quặng, ống dẫn hoặc những thứ tương tự”. Cũng trong năm đó, ông thành lập Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Fisher, nơi sản xuất máy dò kim loại hàng đầu cho đến ngày nay. Tiến sĩ Charles L. Garrett, người sáng lập Garrett Electronics, đã đi tiên phong trong chế tạo máy dò kim loại điện tử hiện đại vào đầu những năm 1970. Sau khi làm việc cho NASA trong chương trình bay lên mặt trăng của tàu Apollo, Garrett chuyển dần sự chú ý sang lĩnh vực ưa thích của ông, chính là săn tìm kho báu nghiệp dư.  Công ty của ông đã cách mạng hóa lĩnh vực này với một loạt sáng tạo, bao gồm máy dò kim loại vi tính đầu tiên có xử lý tín hiệu kỹ thuật số, được cấp bằng sáng chế vào năm 1987.

Tìm hiểu về máy dò phi kim loại

Những người săn tìm kho báu sẽ luôn coi trọng những máy dò tìm kim loại như thế này vì trong lịch sử, những thứ có giá trị đều được làm từ kim loại. Nhưng trong lĩnh vực bảo tòa an ninh, việc chỉ dựa vào máy dò tìm kim loại có lẽ không đủ, bởi những người buôn bán vũ khí lậu biết trước được rằng phải thông qua máy dò tìm an ninh, và họ đã lựa chọn các phương pháp thay thế như dao gốm, nhựa, hoặc các loại sợi carbon, dù cho các nhà sản xuất cố gắng thêm 1 phần kim loại rất nhỏ vào cán của các thanh đao “phi kim loại”. Tuy nhiên, chẳng ai ngăn cản được việc chế tạo một con dao từ một thanh nhựa, chúng có thể gây sát thương không thua kém gì dao bằng kim loại. Vậy làm cách nào để chúng ta phát hiện ra các mối đe dọa từ các vũ khí phi kim?

Một giải pháp được các sân bay áp dụng chính là sử dụng máy quét sóng milimet (MMS) để hiển thị đồng thời các vật thể kim loại và cả phi kim loại. Về cơ bản, chúng hoạt động như các phiên bản an toàn hơn của máy X-quang: sóng sẽ truyền qua quần áo và phản xạ lại bởi cơ thể chúng ta. Mọi loại vũ khí hay bất kì đồ vật gì được mang theo trên người, trong vali, giày, mũ đều sẽ được hiển thị dưới dạng hình ảnh trên màn hình. Máy X-quang thông thường sử dụng bức xạ rất mạnh (với bước sóng khoảng nanomet hoặc phần tỉ mét) có thể gây hại cho cơ thể nếu hấp thụ quá nhiều. Với máy quét sóng milimet sẽ sử dụng các bước sóng dài hơn có kích thước từ 1-10mm (nhỏ hơn 10 lần so với vi sóng được gửi và nhận bởi điện thoại di động), có cường độ thấp hơn nhiều và do đó ít hoặc không gây rủi ro cho sức khỏe của mọi người.