牟曉東

地磁場(chǎng)的存在是毋庸置疑的，只不過(guò)其磁場(chǎng)強(qiáng)度非常弱，為50～60μT，平時(shí)我們根本無(wú)法感知它的存在，如何更有效地證明地磁場(chǎng)的存在并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量呢？本文通過(guò)設(shè)計(jì)三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，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(chǎng)檢測(cè)及數(shù)值大小測(cè)量，并進(jìn)行一定范圍的拓展應(yīng)用。

雖然地球的磁場(chǎng)非常微弱，但當(dāng)穿過(guò)閉合線圈的地磁場(chǎng)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，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(shí)驗(yàn)中的微電流傳感器等裝置將利用地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的微電流檢測(cè)出來(lái)，從而證實(shí)地球磁場(chǎng)是確實(shí)存在的。

實(shí)驗(yàn)裝置包括數(shù)字實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)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(kāi)機(jī)，再打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器的電源開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊選擇“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”功能項(xiàng)：“通過(guò)USB線連接計(jì)算機(jī)，可在PC上進(jìn)行單機(jī)平臺(tái)或DAS實(shí)驗(yàn)”（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(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)，點(diǎn)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(diǎn)擊“返回”按鈕，將開(kāi)關(guān)由OFF切換至ON，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

依次進(jìn)行以下四種情況的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)：

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(gè)方向以及上下兩個(gè)方向，同時(shí)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(shí)，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(shí)可改變運(yùn)動(dòng)速度或重復(fù)操作。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，上述四種情況中的第一、第二種會(huì)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(wú)變化（如圖2）。

由此，不難得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：地球磁場(chǎng)確實(shí)存在，只要穿過(guò)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(chǎng)里做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)），感生電流就會(huì)產(chǎn)生并被微電流傳感器檢測(cè)到并經(jīng)數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)至電腦軟件上顯示出來(lái)，也驗(yàn)證了電磁感應(yīng)定律。

值得一提的是，如果在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中加載測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)要盡量消減弱化實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度大小。

Phyphox是一款基于傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)智能手機(jī)APP，它能夠顯示傳感器的直接測(cè)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(jì)，對(duì)應(yīng)短邊、長(zhǎng)邊及垂直于正面向外的方向分別是X、Y和Z軸三個(gè)方向的磁場(chǎng)方向。

需要用到的實(shí)驗(yàn)裝置包括安裝有Phyphox的智能手機(jī)和攝影三腳架，同時(shí)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(yùn)行Phyphox，點(diǎn)擊“原始傳感器”項(xiàng)中的“磁力計(jì)”，準(zhǔn)備開(kāi)始實(shí)驗(yàn)（如圖3）。

首先進(jìn)行X、Y軸的水平實(shí)驗(yàn)（智能手機(jī)的正面向上）。點(diǎn)擊“磁力計(jì)”界面右上方的運(yùn)行按鈕后，盡量勻速地轉(zhuǎn)動(dòng)三腳架操作把手，至少進(jìn)行兩周的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)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(xiàng)“圖表”項(xiàng)中，X軸和Y軸的磁力計(jì)方向上會(huì)生成兩條相似的正弦曲線，而Z軸磁力計(jì)則是較密集的變化度不大的數(shù)值;在第二項(xiàng)“絕對(duì)值”和第三項(xiàng)“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(shí)間（單位：秒），縱坐標(biāo)則為磁場(chǎng)值（單位：微特斯拉），“絕對(duì)值”是測(cè)量得到的地磁場(chǎng)總強(qiáng)度：“44.01微特斯拉”（如圖4）。

然后進(jìn)行Y、Z軸的水平實(shí)驗(yàn)，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(chǎng)“絕對(duì)值”是：“48.41微特斯拉”（如圖5）。

兩次實(shí)驗(yàn)得到了兩個(gè)不同的地磁場(chǎng)強(qiáng)度值，如何驗(yàn)證它們的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)所周?chē)豢杀苊獾卮嬖诟鞣N磁場(chǎng)因素，比如電腦、WiFi等等，而且“微特斯拉”也是一個(gè)非常小的單位，測(cè)量所獲取的兩個(gè)數(shù)據(jù)是非常不錯(cuò)的。

繼續(xù)進(jìn)行多次水平和豎直實(shí)驗(yàn)，同時(shí)有意在同一個(gè)房間的多個(gè)地點(diǎn)甚至是不同房間內(nèi)進(jìn)行測(cè)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(cè)量獲取的“絕對(duì)值”數(shù)據(jù)開(kāi)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(kāi)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(guò)軟件mPython進(jìn)行“積木”式編程即可輸出顯示地磁場(chǎng)強(qiáng)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(yùn)行mPython檢測(cè)并連接好掌控板（如圖8）。

第1步：測(cè)試6次地磁場(chǎng)強(qiáng)度并將數(shù)據(jù)輸出顯示

首先定義一個(gè)名為my_list的空列表，用來(lái)存放每次測(cè)量的地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù);接著建立一個(gè)執(zhí)行6次的循環(huán)結(jié)構(gòu)，每次均獲取一個(gè)“磁場(chǎng)強(qiáng)度”數(shù)據(jù)并進(jìn)行“除以10”的操作，因?yàn)檎瓶匕鍦y(cè)試獲取的地磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǔ)至my_list列表中，并且在程序交互界面中輸出，相鄰兩次測(cè)試的間隔時(shí)間設(shè)置為2秒;最后通過(guò)掌控板的OLED顯示屏，將6次測(cè)試的地磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步輸出。

運(yùn)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(gè)地磁場(chǎng)強(qiáng)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?chǎng)強(qiáng)度值非常吻合的，之所以有10微特斯拉左右的波動(dòng)，原因同樣也是受制于測(cè)試環(huán)境中的各種外磁場(chǎng)干擾。

第2步：連續(xù)測(cè)試地磁場(chǎng)強(qiáng)度并以波形動(dòng)態(tài)顯示輸出

如果想再測(cè)試一次地磁場(chǎng)強(qiáng)度，需要再次運(yùn)行程序，又會(huì)獲取得到6個(gè)數(shù)據(jù)，是否可以進(jìn)行地磁場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)測(cè)試呢？其實(shí)非常簡(jiǎn)單，借助于mPython中的“打印數(shù)據(jù)到圖表”模塊，將“磁場(chǎng)強(qiáng)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(cè)試的間隔時(shí)間為100毫秒。

運(yùn)行程序，同時(shí)不斷移動(dòng)掌控板的位置，此時(shí)就會(huì)在程序界面中出現(xiàn)“繪圖”，以波形動(dòng)態(tài)顯示出測(cè)量的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)大小（如圖10）。

在這次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有幾處數(shù)據(jù)的波動(dòng)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(shí)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(yàn)證了該傳感器其實(shí)就是對(duì)它周?chē)拇艌?chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。

由此進(jìn)行發(fā)散思維：是否可以根據(jù)這個(gè)原理來(lái)嘗試制作一些具有實(shí)際意義的發(fā)明創(chuàng)造“小作品”呢？比如進(jìn)行下面兩項(xiàng)創(chuàng)新“智造”拓展應(yīng)用——“磁強(qiáng)度檢測(cè)儀”和“錢(qián)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(cè)其周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度值換算至0～100范圍內(nèi)，控制OLED顯示屏輸出一個(gè)動(dòng)態(tài)的“進(jìn)度條”;再比如將映射值作“乘以2.5”的運(yùn)算，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果再去控制RGB燈的紅色亮度值。

運(yùn)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(cè)到的周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度值會(huì)以進(jìn)度條的形式顯示在OLED顯示屏上，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，進(jìn)度條越靠近百分之一百;同時(shí)，掌控板上方的三個(gè)RGB燈也會(huì)同步被“點(diǎn)亮”為紅色，而且亮度也會(huì)隨進(jìn)度條的增加而同步增強(qiáng)（如圖11）。

首先在循環(huán)結(jié)構(gòu)中建立一個(gè)名為test的變量，為其賦值為每次測(cè)量到的“磁場(chǎng)強(qiáng)度”數(shù)據(jù);接著建立選擇分支結(jié)構(gòu)，對(duì)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(chǎng)值），說(shuō)明“錢(qián)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(bào)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(qǐng)注意，錢(qián)包疑似丟失！”的提示。如果條件不成立，說(shuō)明“錢(qián)包”是安全的，它與掌控板的間距比較小，則關(guān)閉所有的報(bào)警響應(yīng)：RGB燈不亮、蜂鳴器不響、OLED顯示屏無(wú)顯示。

運(yùn)行程序，當(dāng)“錢(qián)包”與掌控板間距較小時(shí)，“錢(qián)包守護(hù)儀”無(wú)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(bào)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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