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行測量呢？本文通過設計三個探究實驗，分別借助于微電流傳感器、智能手機的Phyphox和掌控板的地磁傳感器進行地磁場檢測及數值大小測量，并進行一定范圍的拓展應用。

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

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

正常情況下，微電流傳感器的綠色指示燈應該處于閃爍狀態。在電腦上操作進入數字實驗軟件平臺，點擊“設備連接”按鈕進行傳感器的查找連接，當出現“傳感器連接成功！”提示后再點擊“返回”按鈕，將開關由OFF切換至ON，開始實驗數據的采集。

依次進行以下四種情況的實驗檢測：

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

經過多次實驗后發現，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，且隨感應線圈旋轉速度的大小而有相應的大小變化;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，不難得出實驗結論：地球磁場確實存在，只要穿過閉合的感應線圈中的磁通量發生變化（閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁力線的運動），感生電流就會產生并被微電流傳感器檢測到并經數據采集器轉至電腦軟件上顯示出來，也驗證了電磁感應定律。

值得一提的是，如果在實驗平臺中加載測量磁感應強度的軟件模板，并且將微電流傳感器進行精準校正調零操作，同時要盡量消減弱化實驗環境中的各種電磁源，這樣就能更為準確地反應出地磁場強度大小。

Phyphox是一款基于傳感器設計開發的物理實驗智能手機APP，它能夠顯示傳感器的直接測量值，并且具有一定的數據處理和分析功能。目前的智能手機均集成有三軸磁力計，對應短邊、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的智能手機和攝影三腳架，同時再借助于橡皮筋將智能手機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行水平調整。在智能手機中運行Phyphox，點擊“原始傳感器”項中的“磁力計”，準備開始實驗（如圖3）。

首先進行X、Y軸的水平實驗（智能手機的正面向上）。點擊“磁力計”界面右上方的運行按鈕后，盡量勻速地轉動三腳架操作把手，至少進行兩周的旋轉，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值;在第二項“絕對值”和第三項“多方向”中，Phyphox記錄產生的是同步數據，其中的橫坐標均為時間（單位：秒），縱坐標則為磁場值（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）。

然后進行Y、Z軸的水平實驗，將智能手機豎直，X軸保持不變，同樣也是勻速旋轉至少兩周，得到類似的曲線和數據。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的網站上進行查詢（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據是非常不錯的。

繼續進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進行測試，特別是嘗試靠近電腦主機、其他的智能手機等電子設備，或是永久磁鐵，結果發現測量獲取的“絕對值”數據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，其內置了MMC5983MA地磁傳感器，通過軟件mPython進行“積木”式編程即可輸出顯示地磁場強度的大小。首先使用數據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據輸出顯示

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據;接著建立一個執行6次的循環結構，每次均獲取一個“磁場強度”數據并進行“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”;然后將該數據存儲至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據進行同步輸出。

運行程序，而且在小范圍內不斷變換掌控板的位置，很快就獲取到6個地磁場強度的數據，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）。

這些數據也是與當地的地磁場強度值非常吻合的，之所以有10微特斯拉左右的波動，原因同樣也是受制于測試環境中的各種外磁場干擾。

第2步：連續測試地磁場強度并以波形動態顯示輸出

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個數據，是否可以進行地磁場強度的連續測試呢？其實非常簡單，借助于mPython中的“打印數據到圖表”模塊，將“磁場強度”同樣在“除以10”后進行輸出，在循環結構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“繪圖”，以波形動態顯示出測量的地磁場數據大小（如圖10）。

在這次實驗過程中，有幾處數據的波動幅度比較大，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行檢測。

由此進行發散思維：是否可以根據這個原理來嘗試制作一些具有實際意義的發明創造“小作品”呢？比如進行下面兩項創新“智造”拓展應用——“磁強度檢測儀”和“錢包守護儀”。

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進行顯示輸出。比如進行數學“映射”，將磁場強度值換算至0～100范圍內，控制OLED顯示屏輸出一個動態的“進度條”;再比如將映射值作“乘以2.5”的運算，得到的數據結果再去控制RGB燈的紅色亮度值。

運行程序，使用永久磁鐵靠近或是遠離掌控板，它的地磁傳感器所監測到的周圍磁場強度值會以進度條的形式顯示在OLED顯示屏上，磁場強度越大，進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，而且亮度也會隨進度條的增加而同步增強（如圖11）。

首先在循環結構中建立一個名為test的變量，為其賦值為每次測量到的“磁場強度”數據;接著建立選擇分支結構，對test變量的值進行“是否小于300”的判斷，條件成立的話（小于設置的臨界磁場值），說明“錢包”（內嵌永久磁鐵）與掌控板的距離已經較遠，必須觸發“報警”模塊：一是RBG燈全部發紅光，二是蜂鳴器發出“嘀嘀”的聲音，三是OLED顯示屏出現“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，則關閉所有的報警響應：RGB燈不亮、蜂鳴器不響、OLED顯示屏無顯示。

運行程序，當“錢包”與掌控板間距較小時，“錢包守護儀”無任何反應;嘗試增加二者的間距（約10cm），RGB燈閃爍發紅光，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正常（如圖12）。

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