三個探究實驗檢測地磁場

牟曉東

地磁場的存在是毋庸置疑的，只不過其磁場強度非常弱，為50～60μT，平時我們根本無法感知它的存在，如何更有效地證明地磁場的存在并對其強度進(jìn)行測量呢？本文通過設(shè)計三個探究實驗，分別借助于微電流傳感器、智能手機(jī)的Phyphox和掌控板的地磁傳感器進(jìn)行地磁場檢測及數(shù)值大小測量，并進(jìn)行一定范圍的拓展應(yīng)用。

雖然地球的磁場非常微弱，但當(dāng)穿過閉合線圈的地磁場的磁通量發(fā)生變化時，仍有感生電流產(chǎn)生。根據(jù)“磁生電”的原理，可以借助數(shù)字探究實驗中的微電流傳感器等裝置將利用地球磁場產(chǎn)生的微電流檢測出來，從而證實地球磁場是確實存在的。

實驗裝置包括數(shù)字實驗數(shù)據(jù)采集器、微電流傳感器、感應(yīng)線圈、USB連接線及傳感器1394連接線，先將微電流傳感器通過1394數(shù)據(jù)線接入數(shù)據(jù)采集器（注意紅線接感應(yīng)線圈的紅色接口、黑線接黑色接口），再通過USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，并且插入電源變壓器;然后將電腦開機(jī)，再打開數(shù)據(jù)采集器的電源開關(guān)，點擊選擇“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”功能項：“通過USB線連接計算機(jī)，可在PC上進(jìn)行單機(jī)平臺或DAS實驗”（如圖1）。

正常情況下，微電流傳感器的綠色指示燈應(yīng)該處于閃爍狀態(tài)。在電腦上操作進(jìn)入數(shù)字實驗軟件平臺，點擊“設(shè)備連接”按鈕進(jìn)行傳感器的查找連接，當(dāng)出現(xiàn)“傳感器連接成功！”提示后再點擊“返回”按鈕，將開關(guān)由OFF切換至ON，開始實驗數(shù)據(jù)的采集。

依次進(jìn)行以下四種情況的實驗檢測：

第一，將感應(yīng)線圈垂直放置，然后繞其垂直軸進(jìn)行勻速和變速360°正反向旋轉(zhuǎn);第二，將其水平放置，然后繞其東、西方向的水平軸再進(jìn)行勻速和變速360°正反向旋轉(zhuǎn);第三，同樣為水平放置，然后繞其南、北方向的水平軸再進(jìn)行勻速和變速360°正反向旋轉(zhuǎn);第四，分別將感應(yīng)線圈放置為垂直和水平狀態(tài)進(jìn)行勻速和變速平移，包括東西南北四個方向以及上下兩個方向，同時也可再將感應(yīng)線圈進(jìn)行各種方向傾向后再進(jìn)行各方向的平移。需要注意的是：在進(jìn)行感應(yīng)線圈的旋轉(zhuǎn)或平移操作時，一定要仔細(xì)觀察電腦屏幕上微電流傳感器所產(chǎn)生的感應(yīng)電流曲線，必要時可改變運動速度或重復(fù)操作。

經(jīng)過多次實驗后發(fā)現(xiàn)，上述四種情況中的第一、第二種會顯示有較大幅度的波形曲線，且隨感應(yīng)線圈旋轉(zhuǎn)速度的大小而有相應(yīng)的大小變化;第三、第四種情況則顯示為較為平衡的小幅波形曲線，基本無變化（如圖2）。

由此，不難得出實驗結(jié)論：地球磁場確實存在，只要穿過閉合的感應(yīng)線圈中的磁通量發(fā)生變化（閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁力線的運動），感生電流就會產(chǎn)生并被微電流傳感器檢測到并經(jīng)數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)至電腦軟件上顯示出來，也驗證了電磁感應(yīng)定律。

值得一提的是，如果在實驗平臺中加載測量磁感應(yīng)強度的軟件模板，并且將微電流傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)校正調(diào)零操作，同時要盡量消減弱化實驗環(huán)境中的各種電磁源，這樣就能更為準(zhǔn)確地反應(yīng)出地磁場強度大小。

Phyphox是一款基于傳感器設(shè)計開發(fā)的物理實驗智能手機(jī)APP，它能夠顯示傳感器的直接測量值，并且具有一定的數(shù)據(jù)處理和分析功能。目前的智能手機(jī)均集成有三軸磁力計，對應(yīng)短邊、長邊及垂直于正面向外的方向分別是X、Y和Z軸三個方向的磁場方向。

需要用到的實驗裝置包括安裝有Phyphox的智能手機(jī)和攝影三腳架，同時再借助于橡皮筋將智能手機(jī)分別以水平和豎直方向固定于三腳架上，注意三腳架要提前進(jìn)行水平調(diào)整。在智能手機(jī)中運行Phyphox，點擊“原始傳感器”項中的“磁力計”，準(zhǔn)備開始實驗（如圖3）。

首先進(jìn)行X、Y軸的水平實驗（智能手機(jī)的正面向上）。點擊“磁力計”界面右上方的運行按鈕后，盡量勻速地轉(zhuǎn)動三腳架操作把手，至少進(jìn)行兩周的旋轉(zhuǎn)，同時注意觀察Phyphox的界面（可同步于電腦的瀏覽器：http：//192.168.1.105：8080）。

在第一項“圖表”項中，X軸和Y軸的磁力計方向上會生成兩條相似的正弦曲線，而Z軸磁力計則是較密集的變化度不大的數(shù)值;在第二項“絕對值”和第三項“多方向”中，Phyphox記錄產(chǎn)生的是同步數(shù)據(jù)，其中的橫坐標(biāo)均為時間（單位：秒），縱坐標(biāo)則為磁場值（單位：微特斯拉），“絕對值”是測量得到的地磁場總強度：“44.01微特斯拉”（如圖4）。

然后進(jìn)行Y、Z軸的水平實驗，將智能手機(jī)豎直，X軸保持不變，同樣也是勻速旋轉(zhuǎn)至少兩周，得到類似的曲線和數(shù)據(jù)。其中，顯示的地磁場“絕對值”是：“48.41微特斯拉”（如圖5）。

兩次實驗得到了兩個不同的地磁場強度值，如何驗證它們的實驗誤差大小呢？可以到提供查詢服務(wù)的網(wǎng)站上進(jìn)行查詢（https：//www.magnetic-declination.com），顯示有本地的地磁場強度值信息為“Magnetic field strength： 52702.4 nT”（納特斯拉），相當(dāng)于“52.70微特斯拉”（如圖6）。

考慮到實驗場所周圍不可避免地存在各種磁場因素，比如電腦、WiFi等等，而且“微特斯拉”也是一個非常小的單位，測量所獲取的兩個數(shù)據(jù)是非常不錯的。

繼續(xù)進(jìn)行多次水平和豎直實驗，同時有意在同一個房間的多個地點甚至是不同房間內(nèi)進(jìn)行測試，特別是嘗試靠近電腦主機(jī)、其他的智能手機(jī)等電子設(shè)備，或是永久磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測量獲取的“絕對值”數(shù)據(jù)開始有了較大的差別，如40.19微特斯拉、31.05微特斯拉、46.42微特斯拉和41.56微特斯拉（如圖7）。

掌控板是一款支持開源硬件可編程的高性能芯片，其內(nèi)置了MMC5983MA地磁傳感器，通過軟件mPython進(jìn)行“積木”式編程即可輸出顯示地磁場強度的大小。首先使用數(shù)據(jù)線將掌控板連接至電腦的USB接口，然后運行mPython檢測并連接好掌控板（如圖8）。

第1步：測試6次地磁場強度并將數(shù)據(jù)輸出顯示

首先定義一個名為my_list的空列表，用來存放每次測量的地磁場強度數(shù)據(jù);接著建立一個執(zhí)行6次的循環(huán)結(jié)構(gòu)，每次均獲取一個“磁場強度”數(shù)據(jù)并進(jìn)行“除以10”的操作，因為掌控板測試獲取的地磁場強度單位是“毫高斯”，“除以10”后即可將單位換算為“微特斯拉”;然后將該數(shù)據(jù)存儲至my_list列表中，并且在程序交互界面中輸出，相鄰兩次測試的間隔時間設(shè)置為2秒;最后通過掌控板的OLED顯示屏，將6次測試的地磁場強度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步輸出。

運行程序，而且在小范圍內(nèi)不斷變換掌控板的位置，很快就獲取到6個地磁場強度的數(shù)據(jù)，分別顯示至mPython程序界面和掌控板的OLED顯示屏：47.7894、47.86176、47.77854、44.24353、44.28167和55.90211，單位是微特斯拉（如圖9）。

這些數(shù)據(jù)也是與當(dāng)?shù)氐牡卮艌鰪姸戎捣浅Ｎ呛系模杂?0微特斯拉左右的波動，原因同樣也是受制于測試環(huán)境中的各種外磁場干擾。

第2步：連續(xù)測試地磁場強度并以波形動態(tài)顯示輸出

如果想再測試一次地磁場強度，需要再次運行程序，又會獲取得到6個數(shù)據(jù)，是否可以進(jìn)行地磁場強度的連續(xù)測試呢？其實非常簡單，借助于mPython中的“打印數(shù)據(jù)到圖表”模塊，將“磁場強度”同樣在“除以10”后進(jìn)行輸出，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中控制相鄰兩次測試的間隔時間為100毫秒。

運行程序，同時不斷移動掌控板的位置，此時就會在程序界面中出現(xiàn)“繪圖”，以波形動態(tài)顯示出測量的地磁場數(shù)據(jù)大小（如圖10）。

在這次實驗過程中，有幾處數(shù)據(jù)的波動幅度比較大，比如58.73微特斯拉、65.82微特斯拉，甚至還有83.23微特斯拉，其實這是特意用永久磁鐵靠近掌控板的地磁傳感器而引起的，這也直接驗證了該傳感器其實就是對它周圍的磁場進(jìn)行檢測。

由此進(jìn)行發(fā)散思維：是否可以根據(jù)這個原理來嘗試制作一些具有實際意義的發(fā)明創(chuàng)造“小作品”呢？比如進(jìn)行下面兩項創(chuàng)新“智造”拓展應(yīng)用——“磁強度檢測儀”和“錢包守護(hù)儀”。

既然掌控板的地磁傳感器能夠非常便捷地檢測其周圍的磁場強度大小，那么就可以用它再去控制掌控板的外設(shè)進(jìn)行顯示輸出。比如進(jìn)行數(shù)學(xué)“映射”，將磁場強度值換算至0～100范圍內(nèi)，控制OLED顯示屏輸出一個動態(tài)的“進(jìn)度條”;再比如將映射值作“乘以2.5”的運算，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果再去控制RGB燈的紅色亮度值。

運行程序，使用永久磁鐵靠近或是遠(yuǎn)離掌控板，它的地磁傳感器所監(jiān)測到的周圍磁場強度值會以進(jìn)度條的形式顯示在OLED顯示屏上，磁場強度越大，進(jìn)度條越靠近百分之一百;同時，掌控板上方的三個RGB燈也會同步被“點亮”為紅色，而且亮度也會隨進(jìn)度條的增加而同步增強（如圖11）。

首先在循環(huán)結(jié)構(gòu)中建立一個名為test的變量，為其賦值為每次測量到的“磁場強度”數(shù)據(jù);接著建立選擇分支結(jié)構(gòu)，對test變量的值進(jìn)行“是否小于300”的判斷，條件成立的話（小于設(shè)置的臨界磁場值），說明“錢包”（內(nèi)嵌永久磁鐵）與掌控板的距離已經(jīng)較遠(yuǎn)，必須觸發(fā)“報警”模塊：一是RBG燈全部發(fā)紅光，二是蜂鳴器發(fā)出“嘀嘀”的聲音，三是OLED顯示屏出現(xiàn)“請注意，錢包疑似丟失！”的提示。如果條件不成立，說明“錢包”是安全的，它與掌控板的間距比較小，則關(guān)閉所有的報警響應(yīng)：RGB燈不亮、蜂鳴器不響、OLED顯示屏無顯示。

運行程序，當(dāng)“錢包”與掌控板間距較小時，“錢包守護(hù)儀”無任何反應(yīng);嘗試增加二者的間距（約10cm），RGB燈閃爍發(fā)紅光，蜂鳴器“嘀嘀”聲響起，OLED顯示屏也顯示報警信息，直到間距縮小至安全距離后才恢復(fù)正常（如圖12）。

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