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。但你想过没有，它究竟是如何识别方向的呢？ 

　　撰文/杨华礼、伊晓辉、杨翠、董玉权 

　　迅速普及的智能手机，为我们带来了极大的方便。在使用手机时，有人也许注意到，它还能当指南针用。 

　　那么，手机是怎么知道哪个方向是南、哪个方向是北的呢？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存在于想象中的“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？ 

　　认真说起来，其中蕴含的道理，很可能比你想象的还要复杂得多呢！为了更深入地理解它的原理，还是让我们从指南针开始讲起吧。 

源远流长指南针 

　　早在我国的战国时代，就已经出现了一种可以指示方向的器具“司南”，意思就是“指南”。人们将天然的磁石磨成勺状，磁石的南极被磨制成勺柄，然后把这个磁勺放在青铜制成的光滑的盘面上。轻轻旋转磁勺，当它停止转动时，勺柄指向的就是南方。可以说，司南是最早的利用地磁场辨别方向的仪器，也是现代指南针的原型。随着社会（特别是航海业）的不断发展，人们对指示方向的需求越来越迫切。到了北宋，人们将薄铁片裁剪成鱼形，然后用地磁场将它磁化，这就是所谓的“指南鱼”。行军时，将指南鱼随身携带；使用时，让它浮在水面上就可以指南。后来，人们又用磁石来摩擦钢针使之磁化，由此制成指南针，后来又一步步演化成现代指南针的形状。 

　　其实，不管是司南、指南鱼还是指南针，它们之所以能够定向，都是因为它们与地球的磁场之间存在着相互作用力的缘故。在这个微弱的力的作用下，易被外力左右的司南、指南鱼或指南针就可以被推动，直到指示的方向趋于稳定时，这个作用力也就逐渐消失了。这时，它所指的就是地磁的南北方向。 

　　地球表面是有磁场的，这个磁场的南北极与地球地理意义上的南北极正好相反：地球的南极对应地磁场的北极（磁北极），地球的北极对应地磁场的南极（磁南极）。也就是说，指南针的南极，指示的其实是磁北极的方向。不仅如此，地理意义上的南（北）极和地磁场的北（南）极还并不重合，而存在着一个11°左右的夹角。研究表明，地球的磁南极和磁北极的位置并不固定，而是会移动的。尽管如此，地磁场的南北极在不太长的时间段内还是比较稳定的，因此，我们可以通过探测地磁场来获得关于地理方位的精确信息。 

　　手表指南法 

　　在野外，白天看太阳、晚上找北极星，都不难判断方向。更高级一些的方法，则要用到手表（仅适用于有表盘的手表）和太阳。比如现在是早上8点，那么将这个“8”除以2，得到了“4”；再将手表表盘上“4”的刻度位置指向太阳，那么此时表盘上“12”的刻度指向的就是北方。如果是下午4点，先要换算成16时，再将这个“16”除以2所得的“8”对准太阳，那么“12”所指的就是北方。  

　　在指南针中，被磁化的小磁针在地磁场的作用力下会发生偏转，最终磁针会沿着地磁场的南北方向排列，从而为我们指明方向。那么，手机也是靠磁针偏转来进行定向的吗？ 

　　答案是否定的。原来，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【图3】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。由于很多人对此都比较陌生，这里我们就多用一些篇幅来介绍它吧。 

　　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。 

　　各向异性磁电阻效应 

　　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。你大概想不到，这个连想一想都觉得很复杂的现象，居然早在1857年就被发现了！ 

　　当时，英国物理学家威廉·汤姆孙让一根带电的导线在磁场中摆动时，发现导线的电阻居然发生了变化！他在实验记录中写道：“将铁置于磁场中时，如果铁中的电流方向与磁化线（即磁场线）方向平行，铁的电阻值会增到最大；如果铁中电流方向与磁化线方向垂直，铁的电阻值就会降到最低。” 

　　这就奇怪了：为什么材料的电阻值的大小，会依赖于电流方向和磁化方向的夹角呢？ 

　　要回答这个问题，我们还得复习一下电子运动的基本知识。我们知道，电子是物质的重要组成部分，它围绕着原子核不停地运动着。在讲述磁电阻效应时，我们要用到电子的两个重要特性。 

　　电子的第一个重要特性，是它带有电荷（一个电子具有的电荷约为-1.6×10-19库仑）。正是这个特性，使得人们可以利用导电材料来进行电荷的传输。在材料中，大部分电子都被带正电的原子核牢固吸引而无法移动，还有一部分电子受到的原子核的吸引力比较弱，有可能在材料中移动。如果材料里面没有可以移动的电子，那么这种材料一般就是绝缘体；如果材料中可以移动的电子很少，那么这种材料就是半导体；如果材料中具有大量可以自由移动的电子，那它就是导体了。在导体中，运动的电子会跟原子等发生碰撞，因此导体材料会有一定大小的电阻。如果电子在材料中运动时不发生碰撞，那么这种材料的电阻就是零，通常称为超导体。 

　　电子的第二个重要特性，是它的运动轨道具有不确定性。现代量子力学表明，电子在特定时刻对应原子核外的位置是无法确定的，只能知道电子处于原子核外某一位置的概率。核外电子的概率分布看起来像一片云雾，被人们形象地称为电子云。电子云是具有一定形状的，比如说s电子的电子云是球形的，p电子的电子云是哑铃形的，等等。 

　　在铁磁金属中，移动并构成电流的主要是4s电子，它在运动过程中会跟3d电子发生碰撞，这也是产生电阻的主要原因。事实上，3d电子云是具有一定形状的，并且这个形状会随着磁化方向（M）的改变而改变。如图4所示，当电流方向（I）与铁磁金属磁化方向平行时，4s电子与3d电子云发生碰撞的概率最大，所以材料的电阻就会增大。当电流方向与铁磁金属的磁化方向垂直时，4s电子与3d电子云发生碰撞的概率最小，材料的电阻就会减小。实验结果表明，在室温下，坡莫合金（即铁镍合金）的各向异性磁电阻值约为2%左右。 

　　【各向异性磁电阻效应的原理，其中黑色箭头为磁矩的取向，蓝色虚线为电流的流向】 

　　巨磁阻效应 

　　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。1986年，德国的彼得·格鲁恩伯格（Peter Grünberg）教授将没有磁性的金属铬（Cr）薄膜置入两个具有铁磁性的铁（Fe）薄膜之间，构成了一个厚度在10-9米量级的三层膜（Fe/Cr/Fe）结构。他发现，在磁场作用下，这个三层膜结构的电阻可以变化大约6%，高于前面介绍的各向异性磁电阻效应。1988年，法国南巴黎大学的阿尔伯特·菲尔特（Albert Fert）教授团队利用一种特殊设备，成功地生长出了质量非常高的金属多层薄膜。他们发现，当施加外磁场时，多层膜的电阻变化率竟然高达50％，比前面提到过的在镍铁合金中的各向异性磁电阻数值（约2%）高出了一个数量级。由于其数值极高，人们把这种效应称为巨磁电阻效应。 

　　那么，巨磁阻效应产生的原因是什么呢？ 

　　前面我们介绍过，电子具有两个重要的特性。除此之外，电子还有一个非常重要的特征，叫做自旋。电子的自旋是一个非常神奇的东西，它跟我们通常认为的“自转”是不一样的，很难直观地想象出来。在材料内部有着两种自旋的电子，习惯上称之为“自旋向上”和“自旋向下”的电子。这两种电子好比人的左手和右手，既有相同点又有不同点。材料中电子的自旋与磁性之间有着非常紧密的联系，在磁性导体中运动的电子，其自旋向上和自旋向下的数目往往是不一样的。打个比方说，这就好像在一群人中，惯用左手的人和惯用右手的人的数目往往是不一样的。 

　　那么，这种由铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属（FM1/NFM/FM2，即格鲁恩伯格教授发现的Fe/Cr/Fe结构）构成的三层膜，对应于不同自旋的电子，究竟会构造出一个什么样的世界呢？ 

　　为了更好地说明问题，我们需要对比两种情况，如下图所示。 

　　【巨磁阻效应原理示意图】 

　　第一种情况对应于FM1跟FM2的磁化方向相同的情况。这里，我们让FM1与FM2的磁化方向均向上，如图5-A所示（都向下，结论也是一样的）。从导体中流过来的电子中，自旋向上和向下的数目相等，当经过三层膜结构时，自旋向下的电子（图示红色）能够顺利地通过FM1和FM2层，自旋向上的电子（图示绿色）通过FM1和FM2层时则都会受阻。这就好像一个惯用右手的人突然跑到到惯用左手的世界里，结果处处都不方便。 

　　第二种情况对应于FM1和FM2的磁化方向相反的情况。这里，我们让FM1的磁化方向向上，FM2的磁化方向向下，如图5-B所示（反过来，结论也是一样的）。从导体中流过来的电子中，自旋向上和向下的数目相等，当经过三层膜结构时，自旋向下的电子（图示红色）能够顺利地通过FM1层，但在通过FM2层时受阻；而自旋向上的电子（图示绿色）在通过FM1层时受阻，但是能够顺利地通过FM2层。 

　　对比这两种情况我们会发现，当两层铁磁层磁化方向相同时，整个结构的电流最大，因而电阻值最低；而当两个铁磁层的磁化方向相反时，整个结构的电流最小，因而电阻值最高。 

　　在实际应用中，还可以利用“交换偏置效应”，让FM1的磁化方向保持在一个特定方向，使之即便在外磁场的作用下，磁化方向也不会发生变化。与此同时，FM2的磁化方向则会受到外磁场的影响。当我们将其在地磁场中旋转的时候，地磁场就会引起这种三层膜结构的电阻值发生变化。 

　　我们已经知道，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。 

　　　　巨磁阻效应催动硬盘发展 

　　其实，“手机中的指南针”还只是巨磁阻效应的众多应用之一，它还可以用于磁场传感和磁力计、电子罗盘、线性和角位置传感器、车辆探测、GPS导航等等。更令人惊叹的是，它居然可以和信息存储扯上关系——在你的电脑硬盘里，巨磁阻（GMR）磁头已经是不可或缺的标配了。没有了它，现在动辄以T（太字节）为单位的大容量硬盘根本就无从谈起。 

　　在电脑中，用于存储信息的磁性单元，是通过不同的磁化方向来表示二进制的0和1的。因此，想要存储更多的信息，可以从两个方向着手：要么增加磁性单元的数量，要么努力缩小每个磁性单元的体积。但是，硬盘的总体尺寸是有限制的，磁性单元的数量不可能无限制地增加下去；而缩小了每个磁性单元的体积后，它们的磁化强度就会变得更弱，这就对读写磁性单元的磁头的性能提出了更高的要求。 

　　基于巨磁阻效应开发的磁头，不仅体积小，而且非常灵敏，可以感应到极其微弱的磁信号，由此就可以将微小的磁性变化转变为电流，进而实现对储存信息的读写操作。这样，每个磁性存储单元的体积就可以做得更小，从而使得硬盘的存储容量大大提升，由此带来了信息存储产业的技术革命。在2000年年初，装机市场上单块硬盘的最大容量仅有75G（吉字节），而在14年后的今天，这个数字已经翻到了6T（太字节），容量增长了80倍。这其中，存储介质的发展固然贡献良多，但决定性的因素还是越来越精良的巨磁阻磁头。 

　　【巨磁阻磁头和硬盘】 

　　2007年，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖颁给了正文提到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，奖励他们发现了巨磁阻效应，为信息存储技术做出了重大贡献。诺贝尔奖评委会主席用一台1954年生产、体积占满整间屋子的电脑，和一块如今非常普通、手掌般大小的硬盘做对比，以此来说明发现巨磁阻效应的重大意义。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据巨磁阻效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用，你的电脑硬盘也正得益于此。 

“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，竟然蕴藏着这么多的科学知识，你想到了吗？ 

　　 （原载于《科学世界》 2014-8 技术版 74-77页 撰文：磁材事业部 责任编辑/赵燕枫）