三个探究实验检测地磁场

牟晓东

地磁场的存在是毋庸置疑的，只不过其磁场强度非常弱，为50～60μT，平时我们根本无法感知它的存在，如何更有效地证明地磁场的存在并对其强度进行测量呢？本文通过设计三个探究实验，分别借助于微电流传感器、智能手机的Phyphox和掌控板的地磁传感器进行地磁场检测及数值大小测量，并进行一定范围的拓展应用。

虽然地球的磁场非常微弱，但当穿过闭合线圈的地磁场的磁通量发生变化时，仍有感生电流产生。根据“磁生电”的原理，可以借助数字探究实验中的微电流传感器等装置将利用地球磁场产生的微电流检测出来，从而证实地球磁场是确实存在的。

实验装置包括数字实验数据采集器、微电流传感器、感应线圈、USB连接线及传感器1394连接线，先将微电流传感器通过1394数据线接入数据采集器（注意红线接感应线圈的红色接口、黑线接黑色接口），再通过USB数据线将数据采集器与电脑连接，并且插入电源变压器;然后将电脑开机，再打开数据采集器的电源开关，点击选择“数据转发”功能项：“通过USB线连接计算机，可在PC上进行单机平台或DAS实验”（如图1）。

正常情况下，微电流传感器的绿色指示灯应该处于闪烁状态。在电脑上操作进入数字实验软件平台，点击“设备连接”按钮进行传感器的查找连接，当出现“传感器连接成功！”提示后再点击“返回”按钮，将开关由OFF切换至ON，开始实验数据的采集。

依次进行以下四种情况的实验检测：

第一，将感应线圈垂直放置，然后绕其垂直轴进行匀速和变速360°正反向旋转;第二，将其水平放置，然后绕其东、西方向的水平轴再进行匀速和变速360°正反向旋转;第三，同样为水平放置，然后绕其南、北方向的水平轴再进行匀速和变速360°正反向旋转;第四，分别将感应线圈放置为垂直和水平状态进行匀速和变速平移，包括东西南北四个方向以及上下两个方向，同时也可再将感应线圈进行各种方向倾向后再进行各方向的平移。需要注意的是：在进行感应线圈的旋转或平移操作时，一定要仔细观察电脑屏幕上微电流传感器所产生的感应电流曲线，必要时可改变运动速度或重复操作。

经过多次实验后发现，上述四种情况中的第一、第二种会显示有较大幅度的波形曲线，且随感应线圈旋转速度的大小而有相应的大小变化;第三、第四种情况则显示为较为平衡的小幅波形曲线，基本无变化（如图2）。

由此，不难得出实验结论：地球磁场确实存在，只要穿过闭合的感应线圈中的磁通量发生变化（闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动），感生电流就会产生并被微电流传感器检测到并经数据采集器转至电脑软件上显示出来，也验证了电磁感应定律。

值得一提的是，如果在实验平台中加载测量磁感应强度的软件模板，并且将微电流传感器进行精准校正调零操作，同时要尽量消减弱化实验环境中的各种电磁源，这样就能更为准确地反应出地磁场强度大小。

Phyphox是一款基于传感器设计开发的物理实验智能手机APP，它能够显示传感器的直接测量值，并且具有一定的数据处理和分析功能。目前的智能手机均集成有三轴磁力计，对应短边、长边及垂直于正面向外的方向分别是X、Y和Z轴三个方向的磁场方向。

需要用到的实验装置包括安装有Phyphox的智能手机和摄影三脚架，同时再借助于橡皮筋将智能手机分别以水平和竖直方向固定于三脚架上，注意三脚架要提前进行水平调整。在智能手机中运行Phyphox，点击“原始传感器”项中的“磁力计”，准备开始实验（如图3）。

首先进行X、Y轴的水平实验（智能手机的正面向上）。点击“磁力计”界面右上方的运行按钮后，尽量匀速地转动三脚架操作把手，至少进行两周的旋转，同时注意观察Phyphox的界面（可同步于电脑的浏览器：http：//192.168.1.105：8080）。

在第一项“图表”项中，X轴和Y轴的磁力计方向上会生成两条相似的正弦曲线，而Z轴磁力计则是较密集的变化度不大的数值;在第二项“绝对值”和第三项“多方向”中，Phyphox记录产生的是同步数据，其中的横坐标均为时间（单位：秒），纵坐标则为磁场值（单位：微特斯拉），“绝对值”是测量得到的地磁场总强度：“44.01微特斯拉”（如图4）。

然后進行Y、Z轴的水平实验，将智能手机竖直，X轴保持不变，同样也是匀速旋转至少两周，得到类似的曲线和数据。其中，显示的地磁场“绝对值”是：“48.41微特斯拉”（如图5）。

两次实验得到了两个不同的地磁场强度值，如何验证它们的实验误差大小呢？可以到提供查询服务的网站上进行查询（https：//www.magnetic-declination.com），显示有本地的地磁场强度值信息为“Magnetic field strength： 52702.4 nT”（纳特斯拉），相当于“52.70微特斯拉”（如图6）。

考虑到实验场所周围不可避免地存在各种磁场因素，比如电脑、WiFi等等，而且“微特斯拉”也是一个非常小的单位，测量所获取的两个数据是非常不错的。

继续进行多次水平和竖直实验，同时有意在同一个房间的多个地点甚至是不同房间内进行测试，特别是尝试靠近电脑主机、其他的智能手机等电子设备，或是永久磁铁，结果发现测量获取的“绝对值”数据开始有了较大的差别，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（如图7）。

掌控板是一款支持开源硬件可编程的高性能芯片，其内置了MMC5983MA地磁传感器，通过软件mPython进行“积木”式编程即可输出显示地磁场强度的大小。首先使用数据线将掌控板连接至电脑的USB接口，然后运行mPython检测并连接好掌控板（如图8）。

第1步：测试6次地磁场强度并将数据输出显示

首先定义一个名为my_list的空列表，用来存放每次测量的地磁场强度数据;接着建立一个执行6次的循环结构，每次均获取一个“磁场强度”数据并进行“除以10”的操作，因为掌控板测试获取的地磁场强度单位是“毫高斯”，“除以10”后即可将单位换算为“微特斯拉”;然后将该数据存储至my_list列表中，并且在程序交互界面中输出，相邻两次测试的间隔时间设置为2秒;最后通过掌控板的OLED显示屏，将6次测试的地磁场强度数据进行同步输出。

运行程序，而且在小范围内不断变换掌控板的位置，很快就获取到6个地磁场强度的数据，分别显示至mPython程序界面和掌控板的OLED显示屏：47.7894、47.86176、47.77854、44.24353、44.28167和55.90211，单位是微特斯拉（如图9）。

这些数据也是与当地的地磁场强度值非常吻合的，之所以有10微特斯拉左右的波动，原因同样也是受制于测试环境中的各种外磁场干扰。

第2步：连续测试地磁场强度并以波形动态显示输出

如果想再测试一次地磁场强度，需要再次运行程序，又会获取得到6个数据，是否可以进行地磁场强度的连续测试呢？其实非常简单，借助于mPython中的“打印数据到图表”模块，将“磁场强度”同样在“除以10”后进行输出，在循环结构中控制相邻两次测试的间隔时间为100毫秒。

运行程序，同时不断移动掌控板的位置，此时就会在程序界面中出现“绘图”，以波形动态显示出测量的地磁场数据大小（如图10）。

在这次实验过程中，有几处数据的波动幅度比较大，比如58.73微特斯拉、65.82微特斯拉，甚至还有83.23微特斯拉，其实这是特意用永久磁铁靠近掌控板的地磁传感器而引起的，这也直接验证了该传感器其实就是对它周围的磁场进行检测。

由此进行发散思维：是否可以根据这个原理来尝试制作一些具有实际意义的发明创造“小作品”呢？比如进行下面两项创新“智造”拓展应用——“磁强度检测仪”和“钱包守护仪”。

既然掌控板的地磁传感器能够非常便捷地检测其周围的磁场强度大小，那么就可以用它再去控制掌控板的外设进行显示输出。比如进行数学“映射”，将磁场强度值换算至0～100范围内，控制OLED显示屏输出一个动态的“进度条”;再比如将映射值作“乘以2.5”的运算，得到的数据结果再去控制RGB灯的红色亮度值。

运行程序，使用永久磁铁靠近或是远离掌控板，它的地磁传感器所监测到的周围磁场强度值会以进度条的形式显示在OLED显示屏上，磁场强度越大，进度条越靠近百分之一百;同时，掌控板上方的三个RGB灯也会同步被“点亮”为红色，而且亮度也会随进度条的增加而同步增强（如图11）。

首先在循环结构中建立一个名为test的变量，为其赋值为每次测量到的“磁场强度”数据;接着建立选择分支结构，对test变量的值进行“是否小于300”的判断，条件成立的话（小于设置的临界磁场值），说明“钱包”（内嵌永久磁铁）与掌控板的距离已经较远，必须触发“报警”模块：一是RBG灯全部发红光，二是蜂鸣器发出“嘀嘀”的声音，三是OLED显示屏出现“请注意，钱包疑似丢失！”的提示。如果条件不成立，说明“钱包”是安全的，它与掌控板的间距比较小，则关閉所有的报警响应：RGB灯不亮、蜂鸣器不响、OLED显示屏无显示。

运行程序，当“钱包”与掌控板间距较小时，“钱包守护仪”无任何反应;尝试增加二者的间距（约10cm），RGB灯闪烁发红光，蜂鸣器“嘀嘀”声响起，OLED显示屏也显示报警信息，直到间距缩小至安全距离后才恢复正常（如图12）。

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