随着科技进步,智能手机的功能日益强大,其中指南针应用尤为常见。它能精准定位方向,那么它究竟是如何做到的呢?
我们了解一下传统指南针的“指南”原理。地球南北极与地磁南北极方向相反,地磁南极位于地理北极附近,地磁北极位于地理南极附近。传统指南针是一小块磁铁,它的北极会被地磁南极吸引,从而指向地理北极,同理,指南针南极指向地理南极。本质上,指南针指示的是地磁场方向。
目前,手机内置的“指南针”更确切的叫法是“电子罗盘”。它是一种基于霍尔效应的磁场传感器,可以测量地磁场方向,从而指示地理南北极。
霍尔效应是电磁效应的一种。当电流垂直于外部磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向产生附加电场,从而在半导体的两端产生电势差,我们称之为霍尔电势差。
电流方向、磁场方向、电场方向满足左手定则。当了解电流方向,手机又测量到附加电场方向,就能计算出磁场方向。在固定电流和磁场情况下,霍尔效应强度与导体与磁场夹角有关,夹角越大,霍尔效应越强。
由于手机使用方向不限于水平,还需要在三维空间中确定地球磁场方向。现今手机的电子罗盘大多是三轴的,通过结合重力(加速度)传感器,在三维空间内计算磁场方向。
有人可能会有疑问,既然手机都有GPS定位功能,还需要“电子罗盘”吗?答案是肯定的。在深山密林或高楼林立的区域,卫星信号会变得微弱,手机可能失去GPS信号,而地球磁场却无处不在。
当我们处于静止或极低速移动时,GPS只能标示当前位置,无法指示方向。打开导航地图,你会发现你所处位置显示为一个小圆点。装有电子罗盘的手机,小圆点周围会显示箭头,可以随着手机方位旋转。“电子罗盘”并非可有可无的传感器,它对GPS定位起到重要补充作用。
电子罗盘虽强大,但也存在缺点,易受周围磁场环境影响。有时打开指南针,指针会不停旋转,手机会提示进行校正。这是因为手机周围磁场环境复杂导致紊乱,需要手动校正。校正原理是利用其他传感器捕捉手机运动,同时记录各个方向的磁场数据。操作非常简单,只需挥动几次手机即可解决磁场问题。