腳下的電磁學(xué)淺談地磁場(chǎng)課件

1、腳下的電磁學(xué) 淺談地磁場(chǎng)學(xué)生：楊麗指導(dǎo)教師：張子平學(xué)號(hào)：PB04204101 系別：信息管理與決策科學(xué)系（15系）一 初識(shí)地磁場(chǎng) 二 地磁場(chǎng)起源說 三 地磁場(chǎng)要素及特點(diǎn) 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 四 地磁場(chǎng)的翻轉(zhuǎn) 五 結(jié)束語(yǔ) 一 初識(shí)地磁場(chǎng) 人類對(duì)于電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)開始很早。公元前人們就已經(jīng)知道摩擦過的琥珀會(huì)吸引絲線，磁化的物體會(huì)相互吸引或相互排斥。在我國(guó)東漢時(shí)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(jì)北宋科學(xué)家沈括在夢(mèng)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。”在西方哲學(xué)史上也有過類似的記載。米利

2、都人泰勒斯（Thales，約公元前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(shí)地磁場(chǎng)近代關(guān)于電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究可以說是從英國(guó)的吉爾伯特（W.Gilbert，15441603）開始的。他曾經(jīng)用一個(gè)球形磁石模擬地球做實(shí)驗(yàn)，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?cè)诘厍蛏蠒r(shí)一樣，從而得出了地球本身是一個(gè)巨大磁石的結(jié)論。經(jīng)過400多年，我們對(duì)于地磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)當(dāng)然更進(jìn)了一步，不過基本特征仍然如此。一 初識(shí)地磁場(chǎng) 地球是一塊大磁鐵，它具有磁場(chǎng)。如果將一枚磁針用繭絲把它懸掛起來，讓它自由運(yùn)動(dòng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁針靜止下來的時(shí)候，它的一端總是指南，而另一端總是指北。地磁兩

3、極位置與地理兩極并不重合，且隨時(shí)間有緩慢的移動(dòng)。目前地磁北極目前在北緯78.2，西經(jīng)68.8處，而地磁南極在南緯78.2，東經(jīng)111.2的地方。另外，地球雖然是一個(gè)巨大的磁體，但其表面的磁場(chǎng)卻很弱。兩極附近的強(qiáng)度約為0.60.7高斯1；赤道附近約為0.30.4高斯。我們還知道，地磁場(chǎng)可分為穩(wěn)定磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩部分。后者主要起因于電離層中存在的電流和太陽(yáng)噴射出來的帶電粒子流。對(duì)于前者，即對(duì)于約占地磁場(chǎng)94的穩(wěn)定磁場(chǎng)部分起因的認(rèn)識(shí)目前仍未解決，對(duì)此人們雖已經(jīng)提出了多種假說。 二 地磁場(chǎng)的起源關(guān)于地球磁場(chǎng)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(jì)初就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到地球本身就是一個(gè)巨大的磁

4、體，不過當(dāng)時(shí)仍不清楚地球磁場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)于地球磁場(chǎng)觀測(cè)和地球結(jié)構(gòu)的研究不斷增多和深入，對(duì)地球磁場(chǎng)的來源先后提出了10多種學(xué)說。二 地磁場(chǎng)的起源(1)永磁體學(xué)說，是最早提出的一種學(xué)說，認(rèn)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(chǎng)，但后來認(rèn)識(shí)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(xué)說，認(rèn)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(chǎng)，但是既未觀測(cè)到這種巨大電流，而且巨大電流也會(huì)很快衰減，不會(huì)長(zhǎng)期存在；(3)電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(公元1900年，簡(jiǎn)寫作1900)，認(rèn)為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，

5、但這學(xué)說缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；二 地磁場(chǎng)的起源(4)壓電效應(yīng)學(xué)說(1929)，認(rèn)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。但理論計(jì)算出這樣的磁場(chǎng)僅有地磁場(chǎng)的約千分之一(10-3)；(5)旋磁效應(yīng)學(xué)說(1933)，認(rèn)為地球內(nèi)的強(qiáng)磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約千億分之一(10-11)；(6)溫差電效應(yīng)學(xué)說(1939)，認(rèn)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鳎@樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但理論估計(jì)也同地球磁場(chǎng)不符合；二 地磁場(chǎng)的起源(7)發(fā)電機(jī)學(xué)說(19461947)，

6、認(rèn)為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流，由這電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)； (8)旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說(1947)，是根據(jù)少數(shù)天體觀測(cè)得到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)為具有角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)物體都會(huì)產(chǎn)生磁矩，因而產(chǎn)生磁場(chǎng)。這一學(xué)說需要使用一無(wú)科學(xué)根據(jù)的常數(shù)，5年后又被提出這一學(xué)說的科學(xué)家根據(jù)精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以否定了；(9)磁力線扭結(jié)學(xué)說(1950)，認(rèn)為在地球磁場(chǎng)磁力線的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn)，會(huì)使原始微弱的地球磁場(chǎng)放大，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)；二 地磁場(chǎng)的起源(10)霍爾效應(yīng)學(xué)說(1954)，認(rèn)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(chǎng)的同時(shí)使用下，會(huì)由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)；(11)

7、電磁感應(yīng)學(xué)說(1956)，認(rèn)為由太陽(yáng)的強(qiáng)烈磁活動(dòng)通過帶電粒子的太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球后，會(huì)通過地球內(nèi)部的電磁感應(yīng)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(chǎng)。三 地磁場(chǎng)要素及特點(diǎn) 描述地磁場(chǎng)的大小、方向的要素是：地磁場(chǎng)強(qiáng)度、分水平分量、垂直分量、磁偏角和磁傾角。地磁場(chǎng)是非均勻場(chǎng)，由赤道到兩磁極逐漸增加。在地球上一些地區(qū)地磁場(chǎng)在逐年增大，而在另一些地區(qū)地磁場(chǎng)在逐年減小。在地球上許多地區(qū)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)變化具有幾十年或幾百年的周期性。在地球上某些地區(qū)，地磁場(chǎng)常常發(fā)生異常變化.1地磁要素 地磁場(chǎng)的強(qiáng)弱叫地磁感（應(yīng)）強(qiáng)度，地磁場(chǎng)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(chǎng)方向與地面水平方

8、向間的夾角叫磁傾角，這三個(gè)物理量稱為“地磁三要素”。但是從地球的一個(gè)地方到鄰近的另一個(gè)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(qiáng)度，H表示地磁場(chǎng)的水平分量，Z表示地磁場(chǎng)的垂直分量。它們之間的關(guān)系是：T = ( H + Z ) tgI = Z/H D = A M （磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是奧斯特）把地球看成一個(gè)圓柱狀磁鐵或者看成一個(gè)均勻磁化的球體都是比較恰當(dāng)?shù)?。如果把地球看成一個(gè)均勻磁化的球體，那么有：T = M( 1 + 3sin )/R Z = 2Msin/R H = Mcos/R M = ml （M表示磁矩，m是質(zhì)量，l是磁體長(zhǎng)度，R是磁化球體到觀測(cè)點(diǎn)的

9、距離，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=90的地方，磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量H=0 ,而垂直分量與磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，即 Z = T = 2M/R 此處磁傾角I=90。（2)均勻磁化球體的赤道上，即=0處，磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量與磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，即 T = H = M/R 而垂直分量Z=0此處磁傾角I=0在地球的兩極的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.60.7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(chǎng)并不是均勻分布的。地球的大部分磁場(chǎng)僅源于地心地幔邊界四個(gè)寬廣的區(qū)域。他們發(fā)現(xiàn)，磁極磁場(chǎng)的大部分強(qiáng)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(chǎng)反向通量的地域。其中

10、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(chǎng)反向通量的區(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(chǎng)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(chǎng)是垂直向下指向地面的。地磁場(chǎng)是非均勻場(chǎng)，由赤道到兩磁極逐漸增加。3地磁變化 地磁場(chǎng)比均勻磁化球體的磁場(chǎng)分布要復(fù)雜得多，而且還在不斷地緩慢移動(dòng)。 1873年北磁極的位置在北緯70，西經(jīng)96的地方，1841年南磁極的位置在南緯73，東經(jīng)150處。1975年北磁極的位置已改在北緯7606，西經(jīng)100的地方，南磁極的位置在南緯6548，東經(jīng)13924處。3地磁變

11、化在地球上一些地區(qū)地磁場(chǎng)在逐年增大，而在另一些地區(qū)地磁場(chǎng)在逐年減小。在地球上許多地區(qū)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐牡卮艌?chǎng)變化具有幾十年或幾百年的周期性。比如印度孟買附近的阿利巴格地磁臺(tái)從1935年開始對(duì)地磁要素進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)存在一個(gè)11年和80年的周期。11年的周期被解釋為太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期產(chǎn)生的太陽(yáng)風(fēng)的影響。而80年的周期的原因不明。對(duì)比近幾十年的地磁資料后，人們發(fā)現(xiàn)地磁場(chǎng)似乎在逐年減小，地球的總磁矩是8.91025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(chǎng)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

12、。在庫(kù)爾斯克地磁異常區(qū)，磁偏角范圍達(dá)180，而正常值只有幾度。這里地磁場(chǎng)的垂直分量為12奧斯特。5地球磁層 地球磁層從地面上空50公里處（相當(dāng)于電離層區(qū)域），一直擴(kuò)展到很遠(yuǎn)的邊界，直到行星際空間，這個(gè)邊界叫磁層頂。由于太陽(yáng)風(fēng)中的等離子體沿著磁力線流動(dòng)，同時(shí)又使磁力線畸變，拉著磁力線一起跑。所以，地磁場(chǎng)在太陽(yáng)風(fēng)的壓縮下，地球磁力線向著背向太陽(yáng)的方向延伸，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，叫做磁尾。在地磁場(chǎng)赤道附近，有一個(gè)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。中性片上的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的翻轉(zhuǎn) 地球磁場(chǎng)逆轉(zhuǎn),是世界各國(guó)科技界共同關(guān)注的重大課題。翻轉(zhuǎn)將影響整個(gè)自然界 地球磁極翻轉(zhuǎn)將給人類和整個(gè)自然界帶來相當(dāng)嚴(yán)重的影響。磁場(chǎng)的變化經(jīng)常呈波浪形，并且通常需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，所以現(xiàn)在還不能判斷這是地球磁極要翻轉(zhuǎn)的信號(hào)。 五 結(jié)束語(yǔ) 地球?yàn)槿祟愄峁┝速囈陨娴沫h(huán)境,而人類正以科學(xué)的力量一步步揭開地球母親神秘的面紗.從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象開