Come funziona il magnetometro dello smartphone

Gli smartphone contengono una serie di rivelatori sensibilissimi che avrebbero fatto impazzire di gioia gli scienziati del passato. Il fatto che siano usati soprattutto per giocarci non ne impedisce usi più scientifici. Il magnetometro dello smartphone è uno di questi strumenti (basato su tecnologia  MEMS, come l’accelerometro di cui avevamo parlato qui) che permette di misurare l’intensità e la direzione dei campi magnetici, con varie App gratuite che visualizzano le tre componenti del campo magnetico e le sue variazioni nel tempo e nello spazio (vedi sotto la nota pizzosa sulla definizione del  campo magnetico).

Ponendo vicino al telefono una calamita è possibile misurare l’intensità del campo magnetico, o più correttamente il vettore induzione magnetica. Ruotando la calamita si può vedere come la direzione e il segno del campo magnetico cambiano di conseguenza. Allontanando la calamita il campo decresce rapidamente, ma non raggiunge mai lo zero.

smartphone magnetometri

A sinistra, uno smartphone-bussola che indica il nord magnetico; a destra, il magnetometro del campo magnetico mostra l’intensità del campo lungo i tre assi del telefono

Il valore residuo misurato, pari a circa 30-40 microTesla, è dovuto al campo geomagnetico. Per confronto, una risonanza magnetica genera un campo di qualche Tesla, cioè circa 100,000 volte più grande!  Il campo magnetico terrestre è originato dalle correnti elettriche che fluiscono nel sottosuolo, anche se l’esatto meccanismo è ancora oggetto di studio. Come nel caso di quello solare, anche il campo geomagnetico è soggetto a periodiche inversioni di polarità. Questi cicli sono registrati dalle rocce vulcaniche, che contengono materiale ferromagnetico. Il magma fuso consente ai microscopici dipoli magnetici di orientarsi parallelamente alla direzione del campo. Quando la lava solidifica, i dipoli rimangono bloccati nella direzione del campo all’epoca dell’eruzione. Dallo studio di queste rocce sappiamo le che le oscillazioni non sono regolari come quelle del sole, che ha una inversione di polarità ogni 11 anni, ma hanno una periodicità intorno a qualche centinaio di migliaia di anni.

Diapositivas

Il campo magnetico terrestre punta verso l’interno della terra.

Il campo magnetico terrestre può essere immaginato come una immensa calamita:

  1. invertita: le linee di forza escono dal polo sud ed entrano al nord, quindi in realtà il polo nord geomagnetico è il polo sud della calamita.
  2. inclinata: il polo nord magnetico non coincide con quello di rotazione terrestre ed è inclinato di circa 11 gradi. Inoltre, la posizione si sposta – anche se di poco- ogni anno, a tal punto che le vecchie carte militari riportano non solo l’intensità del campo magnetico, ma la sua derivata in funzione del tempo, per poter ‘fare il punto’, ossia trovare la nostra posizione sulla carta,  anche a distanza di decenni dalla loro stesura.
  3. traslata di qualche centinaia di km rispetto al centro della terra. Ciò fa sì che il campo sia più debole in Sud America che in Cina. Al suolo la differenza è quasi irrilevante, ma nello spazio sposta la fascia interna di radiazione, composta dai protoni intrappolati nel campo geomagnetico. Il risultato è che nella regione del Brasile – detta appunto Anomalia del Sud Atlantico – la fascia di radiazione si trova più in basso di qualche centinaio di chilometri. Quando gli astronauti nella Stazione Spaziale Internazionale passano attraverso questa regione, sono soggetti a una dose di radiazione che ammonta a circa un terzo del totale (i restanti due terzi sono dovuti alla radiazione cosmica galattica).  

Una classica bussola ad ago punta verso il Nord (o meglio il Sud magnetico), ma le linee di forza del campo geomagnetico non sono parallele alla superficie terrestre (lo sono solo all’equatore), ai poli sono ortogonali e a latitudine intermedie hanno una inclinazione di qualche grado. Con lo smartphone è possibile verificare anche questo fenomeno: se  poniamo il telefono sul tavolo vedremo, infatti, che la componente z (perpendicolare allo schermo) è diversa da zero. Per visualizzare l’inclinazione del campo magnetico possiamo orientare il telefono in maniera che la sola componente Y sia non nulla.  

Ponendo poi il telefono vicino a un materiale ferromagnetico è possibile vedere come l’intensità del campo aumenti. Grazie a questo fenomeno, che discuteremo in un prossimo post, è possibile anche trovare tubi o cavi elettrici sotto le pareti (c’è un’App anche per questo).

Nota. Quello indicato impropriamente come campo magnetico nell’articolo è in realtà il vettore induzione magnetica. Si indica di solito con il simbolo B e si misura in Tesla (in onore del fisico croato). In assenza di correnti macroscopiche coincide con la magnetizzazione della calamita (che ha il suo vettore, M).

Il campo magnetico propriamente detto si indica con H e ha come misura le amperspire/metro. In assenza di correnti macroscopiche è nullo

bbbb

Con μr  permeabilità magnetica relativa del mezzo. 

 

@casolinomarco

 
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Author: Marco Casolino

Fisico, è Primo ricercatore presso l’Istituto nazionale di fisica nucleare, all’Università di Roma Tor Vergata e lavora presso laboratori giapponesi del Riken, ove è Team leader di un gruppo di ricerca rivolto alla fisica spaziale. Si occupa prevalentemente di fisica fondamentale (materia, antimateria e ricerca di materia oscura), di fisica delle astroparticelle di alta energia e di metodi di protezione degli astronauti dalla radiazione spaziale. Ha partecipato alla costruzione ed al lancio di una decina di strumenti e rivelatori posti a bordo di satelliti (esperimenti Pamela, NINA-1, NINA-2) delle stazioni spaziali Internazionale (esperimenti Altcriss, Sileye-3, Altea, Lazio) e MIR (Sileye-1 e 2).Ha più di 200 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali, tra cui Nature e Science. Nel 2011 ha pubblicato un saggio “Come Sopravvivere alla Radioattività” e un thriller ambientato in Giappone:”Grikon”. Cura un blog su temi scientifici: La curva dell’energia i legame.

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  • Cesare Pacifici

    Ciao Marco, sono un neofita assoluto e ciò nonostante vorrei (dovrei, devo fare una tesina per scuola) costruire una bussola elettronica utilizzando Arduino e HMC5883L. Ho fatto dei tentavi utilizzando anche i pgm di esempio forniti ma al momento non ho avuto successo. Mi puoi dare dei consigli/suggerimenti ? Grazie e auguri per il nuovo anno

    • Marco Casolino

      Ormai mi son incuriosito. L’ho ordinato da amazon. Arrivera’ il 18 (dice), Tu comunque intanto fammi sapere!

  • Cesare Pacifici

    Ciao Marco e grazie per la disponibilità. Dopo diversi tentativi ho capito che la basetta sul quale avevo messo HMC5883L gli dava fastidio (forse la base metallica). Ho realizzato una base isolata, ho scritto un nuovo pgm in base a questo video https://www.youtube.com/watch?v=tkPE6mJ0YFw ed ora riesco a leggere X e Y ma i valori sono notevolmente diversi da quelli indicati dalla bussola vera. Ripeto: sono un neofita assoluto e piano piano stò “rubando” info dalle specifiche tecniche. Oggi (non ci posso lavorare tutti i giorni) ho capito che c’è la possibilità di tarare HMC5883L ed è il prossimo passo che farò. Il mio circuito è il GY-801. Grazie ancora e a presto. https://uploads.disquscdn.com/images/8858277a03f6650f3993cc873324b7473f9835f64c5fbe5717efddd6831b29cf.jpg

    • Marco Casolino

      https://uploads.disquscdn.com/images/ccac9f6b4c8e416242721769926eb2010b53f70982e27e01600cdd6211f2d2ed.jpg Ciao, complimenti, mi sembra che hai fatto tutto giusto, la foto con il goniometro e’ bellissima.. Attento a tenere tutto lontano dal ferro, tavoli con assi in ferro ecc (controlla con il magnetometro dello smarphone che il valore non cambi) dovresti avere 30-40 microtesla..

      Ho provato con il mio che e’ finalmente arrivato ed e’ in effetti complicato calibrarlo.
      In teoria: il modulo M=radq(x^2+y^2=z^2) dovrebbe essere costante (e a me non lo e’, muovendo la basetta cambia di circa 100 nelle unita’ in figura, vuol dire che non e’ troppo preciso. Quello che ti suggerisco e’ di allineare uno degli assi (ad esempio y nella mia foto) a polo nord indicato dalla bussola (il valore deve essere negativo perche’ le linee di forza di campo escono dal polo nord). l’angolo theta e’ dato da tang(theta)=y/x (ossia theta=atan(y/x). Quindi quando X e’ zero e y e’ massimo dovrebbe essere allineato al nord.. Attento ai segni dell’arcotangente. In foto puoi vedere che il mio magnetometro ha anche gli assi male allineati, infatti non coincide con quello dello smartphone. Se e’ cosi’ anche nel tuo caso devi sottrargli la ditterenza dell’angolo.

      L’altra cosa e’ che le letture oscillano abbastanza da un valore all’altro quindi anche fare una media su una decina di valori dovrebbe aumentare la precisione.
      Faccio qualche altra prova per capire se sto sbagliando qualcosa.

      • Cesare Pacifici

        Grazie Marco per le utili e competenti info. Ripeterò anch’io le tue prove ma prima vorrei realizzare il pgm per calibrare il tutto. Ci teniamo in contatto. Grazie ancora e tanti saluti.

  • Cesare Pacifici

    Ciao Marco, ho fatto ulteriori prove e questi sono i risultati… sconfortanti:
    https://uploads.disquscdn.com/images/a1741409db734fe15f60dcf257a153a577dbe484c6983e6c12719071d6cee8d1.jpg. Tu hai potuto fare qualcosa di nuovo ? Grazie e tanti saluti, Cesare

  • Giacomo Sala

    Ciao Marco, sono uno studente di medicina e sono appassionato di fisica, sto cercando di fare degli esperimenti per vedere se si riesce ad ottenere qualche dato coi sensori MEMS sui sistemi organici, banalmente vedere se il magnetometro ha delle oscillazioni costanti quando rileva segnali dalla materia organica, hai qualche suggerimento da darmi o delle letture da consigliarmi che trattino argomenti attinenti a questo? Grazie 🙂