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手机定向 微中有妙
Thursday, August 7, 2014 8:42
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摘自《科学世界》2014年第8期

现在的智能手机一般都带有指南针功能,给我们带来了极大的方便。那么,它究竟是如何识别方向的呢?

有人说,“那还不简单,它里头肯定有个指南针呗”。话是这么说,但就算你把手机大卸八块,也不可能在一堆元件中找到那个“针尖晃晃悠悠指向南方”的“指南针”——的确,手机里根本就没有这个东西。

那么,它是怎么知道方向的呢?

在手机内部有个特殊部件,叫做“电子指南针”。它与我们印象中的指南针不同,并不是一根细小的磁性金属,而是由一层层的薄膜构成的。它能够感应到地磁场的方向,进而将这种感应转化为智能手机可以识别的电信号,以此实现定向。这一功能可以通过两种效应实现,第一种叫做霍尔效应,第二种叫做磁电阻效应。

霍尔效应
霍尔效应是电磁效应的一种,是由美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。如下图所示,如果给一段导体施加恒定的电流(Ix),然后用电压表测量其侧面的电势差(Uy),我们会发现它将随着磁感应强度(Bz)的变化而发生线性的变化,这就是霍尔效应。


霍尔效应示意图

霍尔效应的原理并不复杂,可以用大家都学过的“洛仑兹力”来解释。我们都知道,正常时电子会沿着电流的方向流动,而在洛仑兹力的作用下,电子会沿着垂直于电流与磁场的方向偏转和聚集,从而产生电势差。在金属和半导体中都可以产生霍尔效应,在半导体中的霍尔效应尤其明显,因此常用的霍尔传感器都是基于半导体材料(例如砷化镓和砷化铟等)制成的。

磁电阻效应
磁电阻效应,则是另一种能够探测磁场的方法,很多人对此都比较陌生。

磁电阻效应其实是个统称。它主要包括两种效应,即“各向异性磁电阻效应”和“巨磁电阻效应”。基于这两种效应制作的器件,它的电阻对于外部磁场的变化十分敏感,因此只要测量出电阻的变化,就可以方便地探测地磁场方向的变化了。

所谓“各向异性磁电阻效应”,通常是指单层薄膜内的电阻随磁场方向的改变而发生变化的现象。比各向异性磁电阻效应的灵敏度更高的磁电阻效应,就是巨磁阻效应了。这个效应的发现,源于科学家对一种特殊的多层膜结构的研究。由于其数值极高,人们把这种效应称为巨磁电阻效应。发现巨磁阻效应的法国科学家阿尔伯特·菲尔特和德国科学家彼得·格鲁恩伯格还因此获得了2007年的诺贝尔物理学奖。


阿尔伯特·菲尔特和彼得·格鲁恩伯格。(谁选的照片啊……- -||)

这些电阻值的变化,直接反映着磁电阻感应元件与外界磁化方向(通常就是地磁场的方向)的关系。通过检测它的电阻值的变化,就可以知道它与外界磁化方向的关系,进而就可以计算出手机的朝向了。这样,手机也就能够判断方向了。

“手机指南”还得留神

归根结底,各种各样的电子指南针都是通过感应地磁场的方向来辨别方位的。但是,它们并不能识别外界的磁场究竟是地磁场,还是其他原因生成的磁场。从这一点上看,它与传统指南针是一样的,都很容易受到干扰。

我们知道,地磁场的强度大约为0.5~0.6高斯,属于比较弱的磁场。这个磁场强度,大概和一些家用电器(比如洗衣机、微波炉等)在1米范围附近产生的电磁场相当。所以,在附近有强磁场存在时,电子指南针的灵敏度就会明显下降,甚至只会对更强的外部磁场(而非地磁场)做出反应,导致指示方向出现错误。比如,附近如果有诸如铁矿、某些金属矿藏和大型金属构件、高压线等物体,就有可能干扰指南针,造成指向失灵。因此,当我们使用手机中的指南针时,也应该像使用传统指南针一样,尽量避免外界强磁场的干扰。

手机中并不起眼的小小指南针,竟也蕴藏着这么多的科学知识哦!

那么,“各向异性磁电阻效应”和“巨磁电阻效应”具体是怎么回事,它们又是如何发现的呢?巨磁阻效应是如何推动硬盘的发展呢?更多精彩内容,请关注《科学世界》第8期“技术”栏目文章:“手机定向,微中有妙”,将为你揭开手机定向的奥妙。

     

2014-08-07 08:39:03

原始网页: http://blog.sina.com.cn/s/blog_5b0192cd0102uzd9.html

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