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手机中的指南针是如何"指南"的?带你了解其中奥秘

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刘晓楠

2019-09-1908:44  来源:人民网-科普中国
 

随着科技的进步,手机功能越来越强大,手机中的指南针大家都不陌生。通过指南针我们可以准确判断方向。那么,它是如何做到的呢?

首先,我们来看看传统指南针是如何“指南”的。地理南北极与地磁南北极相反,地磁的南极在地理的北极附近,地磁的北极在地理的南极附近。传统指南针就是一块小磁铁,因此指南针的北极会被地磁的南极吸引,而指向地理的北极,同理指南针的南极指向地理的南极。所以,从本质上说,指南针显示的其实是地磁场的方向。

目前,手机中内置的指南针,更准确的说,应该称之为“电子罗盘”,它是一种基于霍尔效应的磁传感器,可以测量地磁场的方向,进而为我们指示地理南北极。

霍尔效应是电磁效应的一种。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场,从而在半导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

电流方向、磁场方向、电场方向满足左手定则,所以当已知电流方向,手机又测得附加电场方向,就可以算出磁场方向。在电流和磁场一定时,霍尔效应的强弱与导体在磁场中的方位有关,导体与磁场的夹角越大,霍尔效应越强。

由于我们的手机不单单平行于地面使用,所以,还需要在三维空间内找到地球磁场的方向,因此目前手机的电子罗盘基本都是三轴的,即结合重力(加速度)传感器,在三维空间内测算出磁场方向。

或许有人会问,现在手机都有GPS定位功能了,还有必要装个“电子罗盘”吗?其实很有必要,如果在深山老林或大厦林立的地方,卫星信号将变得微弱,手机很可能会失去GPS信号,而地球磁场是无处不在的。

另外,如果我们处于静止或是非常缓慢移动的状态,GPS只能判断我们所处的位置,并不能指示方向,打开导航地图会发现你所在位置显示是一个小圆点。而装有电子罗盘的手机圆点周围会显示箭头,可以随着手机的方位旋转。因此,“电子罗盘”并不是可有可无的传感器,它是GPS定位的重要补充。

不过,电子罗盘虽然强大,却也有它的缺点,它容易收到周围磁场环境的影响。比如,有时当你打开指南针后,会发现指针不停的旋转,手机会提示你进行校正。这就是因为手机周围的磁场环境过于复杂而产生紊乱了,必须要进行手动校正,校正原理就是通过其它传感器捕捉手机运动,同时记录各方向的磁场数据。具体操作非常简单,我们只需要挥动几下手机,就可以解决磁场问题了。

本文由北京邮电大学计算机科学与技术研究专业副教授张忠宝进行科学性把关。

(责编:王绍绍、张希)
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