腳下的電磁學———淺談地磁場

1、腳下的電磁學 ———淺談地磁場,學生：楊麗指導教師：張子平學號：PB04204101 系別：信息管理與決策科學系（15系）,一 初識地磁場 二 地磁場起源說 三 地磁場要素及特點 1．地磁要素 2．地磁分布 3．地磁變化 4．地磁異常 5．地球磁層

2、 四 地磁場的翻轉 五 結束語,,一 初識地磁場,人類對于電磁現(xiàn)象的認識開始很早。公元前人們就已經(jīng)知道摩擦過的琥珀會吸引絲線，磁化的物體會相互吸引或相互排斥。在我國東漢時代，王充在《論衡·亂龍篇》中有“頓牟綴芥，磁石引針”的記載。十一世紀北宋科學家沈括在《夢溪筆談》中第一次記載了指南針，他寫道“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也?！痹谖鞣秸軐W史上也有過類似的記載。米利都人泰勒斯（Thales，約公

3、元前600年）最早注意到摩擦后的琥珀吸引輕小物體和磁鐵吸鐵等現(xiàn)象。,一 初識地磁場,近代關于電磁現(xiàn)象的實驗研究可以說是從英國的吉爾伯特（W.Gilbert，1544—1603）開始的。他曾經(jīng)用一個球形磁石模擬地球做實驗，考察放在球面上小磁針的指向。于是他發(fā)現(xiàn)小磁針的行為與它們在地球上時一樣，從而得出了地球本身是一個巨大磁石的結論。經(jīng)過400多年，我們對于地磁場的認識當然更進了一步，不過基本特征仍然如此。,一 初識地磁場,地球是一塊大磁鐵

4、，它具有磁場。如果將一枚磁針用繭絲把它懸掛起來，讓它自由運動，我們會發(fā)現(xiàn)，當磁針靜止下來的時候，它的一端總是指南，而另一端總是指北。地磁兩極位置與地理兩極并不重合，且隨時間有緩慢的移動。目前地磁北極目前在北緯78.2º，西經(jīng)68.8º處，而地磁南極在南緯78.2º，東經(jīng)111.2º的地方。另外，地球雖然是一個巨大的磁體，但其表面的磁場卻很弱。兩極附近的強度約為0.6—0.7高斯[1]；赤道附近約為

5、0.3—0.4高斯。我們還知道，地磁場可分為穩(wěn)定磁場和變化磁場兩部分。后者主要起因于電離層中存在的電流和太陽噴射出來的帶電粒子流。對于前者，即對于約占地磁場94％的穩(wěn)定磁場部分起因的認識目前仍未解決，對此人們雖已經(jīng)提出了多種假說。,二 地磁場的起源,,關于地球磁場的來源，早期歷史上曾有來自北極星的傳說，但是到公元17世紀初就已經(jīng)認識到地球本身就是一個巨大的磁體，不過當時仍不清楚地球磁場是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學的發(fā)展，對于地球磁場觀測和地球

6、結構的研究不斷增多和深入，對地球磁場的來源先后提出了10多種學說。,二 地磁場的起源,(1)永磁體學說，是最早提出的一種學說，認為地球內(nèi)部存在巨大的永磁體，由這永磁體產(chǎn)生地球磁場，但后來認識到地球內(nèi)部溫度很高，不可能存在永磁體；(2)內(nèi)部電流學說，認為地球內(nèi)部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產(chǎn)生地球磁場，但是既未觀測到這種巨大電流，而且巨大電流也會很快衰減，不會長期存在；(3)電荷旋轉學說(公元1900年，簡寫作1900)，認為地球表

7、面和內(nèi)部分別分布著符號相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場，但這學說缺乏理論和實驗基礎；,二 地磁場的起源,(4)壓電效應學說(1929)，認為在地球內(nèi)部物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離，電子在這樣的電場中運動而產(chǎn)生電流和磁場。但理論計算出這樣的磁場僅有地磁場的約千分之一(10-3)；(5)旋磁效應學說(1933)，認為地球內(nèi)的強磁物質(zhì)旋轉可以產(chǎn)生地球磁場，但這種旋磁效應產(chǎn)生的磁場只有地球磁場的大約千億分

8、之一(10-11)；(6)溫差電效應學說(1939)，認為地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量，使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α?，這樣產(chǎn)生溫差電動勢和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場，但理論估計也同地球磁場不符合；,二 地磁場的起源,(7)發(fā)電機學說(1946－1947)，認為是地球內(nèi)部的導電液體在流動時產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場； (8)旋轉體效應學說(1947)，是根據(jù)少數(shù)天體觀測得到的經(jīng)驗規(guī)律，認為具有角動量的旋轉物體都會產(chǎn)生磁

9、矩，因而產(chǎn)生磁場。這一學說需要使用一無科學根據(jù)的常數(shù)，5年后又被提出這一學說的科學家根據(jù)精密的實驗結果加以否定了；(9)磁力線扭結學說(1950)，認為在地球磁場磁力線的張力特性和地核的較差自轉，會使原始微弱的地球磁場放大，由此產(chǎn)生地球磁場；,二 地磁場的起源,(10)霍爾效應學說(1954)，認為在地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)生的溫差電流和原始微弱磁場的同時使用下，會由霍爾效應產(chǎn)生霍爾電動勢和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場；(11)電磁感

10、應學說(1956)，認為由太陽的強烈磁活動通過帶電粒子的太陽風到達地球后，會通過地球內(nèi)部的電磁感應和整流作用產(chǎn)生地球內(nèi)部的電流，由此產(chǎn)生地球磁場。,三 地磁場要素及特點,描述地磁場的大小、方向的要素是：地磁場強度、分水平分量、垂直分量、磁偏角和磁傾角。地磁場是非均勻場，由赤道到兩磁極逐漸增加。在地球上一些地區(qū)地磁場在逐年增大，而在另一些地區(qū)地磁場在逐年減小。在地球上許多地區(qū)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當?shù)氐牡卮艌鲎兓哂袔资昊驇装倌甑闹芷谛?。?/p>

11、地球上某些地區(qū)，地磁場常常發(fā)生異常變化.,,1．地磁要素,地磁場的強弱叫地磁感（應）強度，地磁場的磁子午線與地理子午線間的夾角叫磁偏角，地球上某處地磁場方向與地面水平方向間的夾角叫磁傾角，這三個物理量稱為“地磁三要素”。但是從地球的一個地方到鄰近的另一個地方，地磁要素的變化一般都十分微小。,1．地磁要素,D表示磁偏角，I表示磁傾角，T表示地磁強度，H表示地磁場的水平分量，Z表示地磁場的垂直分量。它們之間的關系是：T = ( H

12、8; + Z² )½ tgI = Z/H D = A – M （磁場強度的單位是奧斯特）把地球看成一個圓柱狀磁鐵或者看成一個均勻磁化的球體都是比較恰當?shù)?。如果把地球看成一個均勻磁化的球體，那么有：T = M( 1 + 3sin²ф )½/R³ Z = 2Msinф/R³ H = Mcosф/R³ M = ml

13、（M表示磁矩，m是質(zhì)量，l是磁體長度，R是磁化球體到觀測點的距離，φ是磁體的緯度）,1．地磁要素,從公式中可看出:（1)均勻磁化球體的兩極，即φ=±90º的地方，磁場強度的水平分量H=0 ,而垂直分量與磁場強度相等，即 Z = T = 2M/R³ 此處磁傾角I=90º。（2)均勻磁化球體的赤道上，即φ=0º處，磁場強度的水平分量與磁場強度相等，即 T = H = M

14、/R³ 而垂直分量Z=0此處磁傾角I=0º在地球的兩極的磁場強度為0.6—0.7奧斯特，而地球赤道上為0.4奧斯特。,2．地磁分布,地球的磁場并不是均勻分布的。地球的大部分磁場僅源于地心——地幔邊界四個寬廣的區(qū)域。他們發(fā)現(xiàn)，磁極磁場的大部分強度主要來源于北美洲、西伯利亞和南極洲沿海之下。,,2．地磁分布,存在磁場反向通量的地域。其中最大的一塊位于南半球，非洲南端以下向西一直延伸到南美洲南端。在這些存在磁場反向通

15、量的區(qū)域，地磁的磁性與通常相反。例如，南半球大部分區(qū)域磁性的指向是由內(nèi)而外，而在這些存在磁場反向通量區(qū)域，磁性是由外向內(nèi)指向?，F(xiàn)已知在地理北極附近的地磁極處，地磁場是垂直向下指向地面的。地磁場是非均勻場，由赤道到兩磁極逐漸增加。,3．地磁變化,地磁場比均勻磁化球體的磁場分布要復雜得多，而且還在不斷地緩慢移動。 1873年北磁極的位置在北緯70º，西經(jīng)96º的地方，1841年南磁極的位置在南緯73º，東經(jīng)

16、150º處。1975年北磁極的位置已改在北緯76º06′，西經(jīng)100º的地方，南磁極的位置在南緯65º48′，東經(jīng)139º24′處。,3．地磁變化,在地球上一些地區(qū)地磁場在逐年增大，而在另一些地區(qū)地磁場在逐年減小。在地球上許多地區(qū)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當?shù)氐牡卮艌鲎兓哂袔资昊驇装倌甑闹芷谛浴１热缬《让腺I附近的阿利—巴格地磁臺從1935年開始對地磁要素進行觀測，發(fā)現(xiàn)當?shù)氐卮艌龃嬖谝粋€11年和80

17、年的周期。11年的周期被解釋為太陽活動的11年周期產(chǎn)生的太陽風的影響。而80年的周期的原因不明。對比近幾十年的地磁資料后，人們發(fā)現(xiàn)地磁場似乎在逐年減小，地球的總磁矩是8.9×1025電磁單位。地球的總磁矩在100年內(nèi)減少了1/20。,4．地磁異常,在地球上某些地區(qū)，地磁場常常發(fā)生異常變化，指南針指北一端出現(xiàn)不是指北，而是指東或指西，甚至指南的現(xiàn)象，這就是地磁異常。在庫爾斯克地磁異常區(qū)，磁偏角范圍達±180º

18、;，而正常值只有幾度。這里地磁場的垂直分量為1——2奧斯特。,5．地球磁層,地球磁層從地面上空50公里處（相當于電離層區(qū)域），一直擴展到很遠的邊界，直到行星際空間，這個邊界叫磁層頂。由于太陽風中的等離子體沿著磁力線流動，同時又使磁力線畸變，拉著磁力線一起跑。所以，地磁場在太陽風的壓縮下，地球磁力線向著背向太陽的方向延伸，形成一條長長的尾巴，叫做磁尾。在地磁場赤道附近，有一個特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片

19、。中性片上的磁場強度微乎其微，厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向著地球，南面的磁力線離開地球。,四 地磁場的翻轉,地球磁場逆轉,是世界各國科技界共同關注的重大課題。翻轉將影響整個自然界 地球磁極翻轉將給人類和整個自然界帶來相當嚴重的影響。磁場的變化經(jīng)常呈波浪形，并且通常需要漫長的時間，所以現(xiàn)在還不能判斷這是地球磁極要翻轉的信號。,,五 結束語,地球為人類提供了賴以生存的環(huán)境,而人類正以科學的力量一步步揭

20、開地球母親神秘的面紗.從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象開始,人類便以新的視角看世界.電磁學理論不僅解釋了許多”神秘”現(xiàn)象,而且發(fā)現(xiàn)我們腳下的地球就是一個巨大的磁場.正是這個地磁場阻擋了太陽風的侵襲,使人類能在這顆藍色星球上繁衍生息.但人類的發(fā)展也為地球帶來了不可避免的災難.由于污染、人為破壞及其他客觀原因,一些地方的高空磁層正在變薄,而地磁極翻轉問題也被許多科學家所關注.所以,作為大學生,應該學以致用,了解并關注地磁場,用科學的手段保護地球