금속 탐지기가 땅속의 동전을 찾아내는 원리가 무엇인지 궁금합니다.

Question

금속 탐지기가 땅속의 동전을 찾아내는 원리가 무엇인지, 탐지기 코일의 자기장 변화가 금속 내부의 자유 전자들을 움직여 맴돌이 전류를 형성하고, 이로 인해 발생하는 역자기장을 센서가 감지하는 과정으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

금속 탐지기가 땅속에 숨겨진 동전을 찾아내는 과정은 전자기 유도라는 물리학적 상호작용의 결과입니다.

​탐지기의 하단부에는 구리선이 감긴 송신 코일이 들어있습니다. 탐지기를 켜면 이 코일에 교류 전류가 흐르며 주변으로 주기적으로 방향이 변하는 자기장을 형성합니다. 탐지기를 땅 위로 휘두를 때 이 자기장은 지면을 뚫고 지나가게 됩니다.

​이때 땅속에 금속으로 된 동전이 있다면, 송신 코일이 만든 자기장이 동전을 통과하게 됩니다. 금속 내부에는 이동이 자유로운 전자들이 가득 차 있는데, 외부 자기장의 변화를 겪은 전자들은 이를 방해하려는 방향으로 일제히 움직이기 시작합니다. 이로 인해 금속 표면을 따라 소용돌이 모양의 전류가 발생하는데, 이것이 바로 맴돌이 전류입니다.

​이렇게 형성된 맴돌이 전류는 다시 자신만의 고유한 자기장을 만들어냅니다. 이 자기장은 원래 탐지기가 보냈던 자기장에 반하는 역자기장의 성질을 띱니다. 탐지기에 장착된 수신 코일은 바로 이 미세한 역자기장의 변화를 포착합니다.

​결국 탐지기는 직접 금속을 만지는 것이 아니라, 자신이 내보낸 자기장에 반응하여 금속이 스스로 만들어낸 '자기적 응답'을 감지하는 것입니다. 제어 장치는 수신 코일에 유도된 이 신호를 분석하여 소리나 화면상의 수치로 변환해 사용자에게 동전의 존재를 알려주게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

금속 탐지기가 땅속의 동전을 찾아내는 원리는 전자기 유도 현상과 맴돌이 전류에 의한 것입니다. 탐지기 내부의 코일에 교류 전류를 흘리면 시간에 따라 세기가 계속 변하는 자기장이 만들어지는데요, 이때 코일은 일종의 송신기 역할을 하며, 탐지기 아래 땅속으로 교번 자기장을 퍼뜨립니다. 자기장이 정적인 것이 아니라 지속적으로 변화하기 때문에 주변에 전기 전도성이 있는 금속 물체가 있으면 그 내부 전자들이 영향을 받게 됩니다.

땅속에 묻힌 동전이 금속으로 이루어져 있다면, 탐지기 코일에서 나온 변화 자기선속이 동전을 통과하면서 패러데이 법칙에 따라 금속 내부에 유도 전압이 생기는데요, 금속은 자유 전자가 많아 전류가 흐르기 쉬우므로, 이 유도 전압에 의해 동전 내부에서 원형 또는 소용돌이 형태의 전류가 흐르게 됩니다. 이것을 맴돌이 전류라고 부르며, 동전 전체가 하나의 닫힌 회로처럼 작용한다고 생각하시면 됩니다. 이렇게 생성된 맴돌이 전류는 다시 자기장을 만드는데요, 이 자기장은 원래 탐지기 코일이 만든 변화에 저항하는 방향으로 형성됩니다. 즉, 탐지기 코일이 만든 1차 자기장에 대해 동전은 2차 자기장, 즉 역자기장을 만들어 응답하는 셈입니다. 이후 금속 탐지기의 수신 코일 또는 동일 코일의 감지 회로는 이 역자기장 때문에 생기는 인덕턴스 변화, 위상 변화, 진폭 변화를 측정하는데요, 금속이 없을 때는 일정하던 코일의 전기적 특성이 동전이 가까워지면 달라지므로, 전자회로가 이를 신호로 해석해 소리나 화면 표시로 알려주는 것입니다. 사용자가 탐지기를 좌우로 움직일 때 특정 위치에서 삐 소리가 강해지는 이유는 그 지점 아래 금속 물체가 있어 자기장 상호작용이 최대가 되기 때문입니다. 감사합니다.