地磁場是物理哪個學的知識

A. 古地磁學的基本原理

古地磁學研究的核心內容，在於通過測定保存在岩石中的剩餘磁性來獲得地質時期地球磁場的方向與強度，進而了解地球磁場的演化歷史，以及解決有關的地質、地球物理等學科中的許多實際問題。因此，只有掌握必要的地磁學與岩礦磁學的基礎知識，才有可能理解古地磁學研究的一般原理。

（一）地磁要素

地球是個近似球形的大磁體，地球磁場是一個矢量場。通常採用直角坐標系或球柱坐標來表示地球磁場的總強度矢量Hr和它的各個分量。現以直角坐標系為例加以說明。

圖3-53 地磁要素示意圖

如圖3-53所示，取坐標系中X軸沿地理子午線方向，令X向北為正；Y軸沿緯圈方向，令向東為正；Z軸沿鉛直的上下方向，令向下為正。

由圖顯而易見，Hr在X、Y、Z各軸上的投影就是Hr的北向分量、東向分量與垂直分量。而Hr在水平面上的投影OB稱為水平分量。Hr所在的垂直面BOA稱為磁子午面。地理子午面XOZ與磁子午面BOZ之間的夾角∠BOX稱為磁偏角，習慣上用符號D表示，其向東為正，向西為負；矢量Hr的方向與水平面之間的夾角AOB稱為磁傾角，用符號I表示，在北半球當矢量Hr由地表指向下時，磁傾角為正。

磁傾角I、磁偏角水平分量H、垂直分量Z、東分量Y、北向分量X以及總磁場矢量Hr統稱為地磁要素。其中，X、Y、Z和水平分量H稱為地磁場的強度分量；D和I稱為地球磁場的角分量。

地磁要素間具如下關系：

基岩潛山油氣藏儲集空間分布規律和評價方法

諸地磁要素可以看成是矢量Hr在不同坐標系中的分量：X、Y、Z是矢量Hr在直角坐標系的坐標，Hr、D、I是球坐標系中的坐標，Z、H、D則是柱坐標系中的坐標。

處於地表任意一點上的地磁要素不是固定不變的，它們隨時間與空間不同而不斷變化，稱之為地磁要素的變化。

（二）地磁場基本特徵

按照高斯理論的一級近似，地磁場可看作一個位於地球中心的偶極子磁場。根據近期測定，地磁場的偶極距M=7.92×10²²Am²，地磁偶極子軸與地球旋轉軸的交角約為 11.5°。如果把地磁軸與地球旋轉軸看成重合，有下式關系成立：

基岩潛山油氣藏儲集空間分布規律和評價方法

式中：θ——地磁余緯度，而地磁緯度L=90°-θ，所以

基岩潛山油氣藏儲集空間分布規律和評價方法

這個公式表達了磁傾角與地理緯度的關系，就是偶極子磁場的磁力線分布的表達式，是求取地磁極位置的重要公式。

（三）岩礦磁性

岩石是天然礦物的集合體，岩石中的磁性也是組成岩石和各種礦物的磁性的總和，起主導作用的是其中所含的鐵磁性礦物。岩石在天然狀態下獲得並保留下來的磁性矢量稱之為岩石天然剩餘磁性。由於自然界中影響天然剩餘磁性形成的因素很多，所以其磁性組成也十分復雜，既有在岩石形成時獲得的原生組分，也有形成後在漫長地質年代中受溫度、壓力、時間、化學等因素作用而獲得的次生組分。對於不同岩石類型獲得的原生剩磁組分的方式也是截然不同的，主要有熱剩磁（TRM）、碎屑剩磁（DRM）、化學剩磁（CRM）等。一般岩漿岩的原生剩磁主要是TRM。碎屑沉積岩的剩磁主要為DRM，部分為化學剩磁CRM。變質岩由於其形成條件、物質組成和所經歷地質過程的復雜性，其原生剩磁的生成機制也較岩漿岩與沉積岩的磁性復雜，尚不能輕易地斷言其為哪一種生成方式，必須根據實際情況作具體分析才能確定。

除原生剩磁外，岩石在形成之後，在漫長的地質時代中，在各個時期的地磁場作用下，又不斷地受到各種因素，諸如氧化還原環境，特別是強烈的構造運動與熱作用的影響，又會附上新的剩磁，形成次生剩磁。其方向是受後期地磁場方向的影響，往往與原生剩磁的方向不一致。後期形成的次生剩餘磁性有時還能掩蓋原生剩磁組分的方向。在這里要特別提及的是一種完全依賴於時間因素的等溫剩磁，在弱的磁場（如強度約為0.5奧斯特的地磁場）中，它的方向平行於外磁場方向，而它的大小與時間的對數成正比關系，這種剩餘磁性稱之為粘滯剩磁（VRM）。特別是地球磁場最後一次倒轉的73萬年以後所形成的粘滯剩磁組分，它具有與現代地磁場一致的方向，利用它可以有效地確定井中岩心方向。

B. 地磁場是怎樣形成的

地磁場起源 origin of the main geomagnetic field

地球物理學的基本問題之一。自1600年英國的吉伯(W.Gilbert)提出「地球是一個巨大的磁石」開始,有關地磁場起源的推測已有近400年的歷史,但至今仍未獲得圓滿解決。

簡史 地磁場的主要部分猶如一個近似沿自轉軸方向均勻磁化的球體的磁場。因此「永久磁石說」就成為地磁場成因最早和最自然的猜測。當地球物理學家提出地核可能是由鐵、鎳等強磁性物質組成的時候，這種猜測似乎得到了支持。然而地球內部的溫度遠超過鐵的居里點（見岩石磁性），所以這個假說不能成立。繼而有人曾企圖藉助於帶電地球的旋轉、回轉磁效應、溫差電流以及感應電流等物理效應來解釋地磁場，但其量值都遠遠不夠大。例如根據回轉磁效應，地球由於自轉獲得的磁化強度約為10-10電磁單位，比與地磁場相當的均勻磁化球體的磁化強度7.2×10-2約小 9個數量級。鑒於從已有的物理規律找不到答案，有人開始探索新的規律。1947年英國物理學家布萊克特（P.M.S.Blackett）發現，當時測定的太陽、室女星座78號星和地球 3個天體的磁矩M和角動量P滿足關系，其中G為萬有引力常數,c為光速，β為比例常數，約為0.25。布萊克特把這個關系設想為物理學的一個新定律，作為地磁場起源的解釋，稱為「巨大轉體說」。由於有 3個天體的支持，這個假說曾一度引起廣泛的關注。為證實這一結果，布萊克特專門設計了一種測弱磁場的高靈敏度儀器，但實驗結果是否定的，所以布萊克特本人聲明放棄他的假說。

與上述各種推測同時出現的是「自激發電機說」。1919年拉莫爾（J.Larmor）首先提出了旋轉的導電流體維持自激發電機的可能性，這是關於地磁場起源的自激發電機說的最早概念。而較為系統的論述，則是40年代末和50年代初由埃爾薩塞 (W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)等人完成的，稱為埃爾薩塞－帕克模型和布拉德過程。隨著大型計算機的應用，使更復雜的磁流體動力學的計算成為現實。60年代後期發現，布拉德過程是不穩定的。這使得曾被認為極有希望的「自激發電機說」陷入了危機。直到1970年，利利(F.E.M.Lilley)修正了布拉德過程的運動模式，才使得穩定的「自激發電機說」再度有了可能。60年代古地磁學的數據肯定了地磁場在漫長的地質時期經歷了多次倒轉的事實，地磁場極性的正向與反向的歷史並沒有顯示出哪種極性更具有特殊性。這是除「自激發電機說」以外，其他關於地磁成因的假說所難以解釋的。地球具有磁場在天體中並不特殊，太陽系九大行星中至少有木星、水星具有與地球磁場相類似的內源磁場。太陽和許多恆星也具有磁場。60～70年代帕克的研究說明，地磁場起源的模式可能對其他天體也適用。據此，人們現在認為「自激發電機說」是解釋地磁成因的最有希望的理論。

原理 地核內磁流體動力學的研究思路是導電流體和磁場的相互作用如何改變原始的磁場和運動狀態，這是「自激發電機說」的基礎。

導電流體和磁場的相互作用，在數學上也就是電磁場方程與流體運動方程的耦合。在磁場中運動的導電流體，根據法拉第電磁感應定律，將在隨流體運動的迴路里產生感應電動勢。若導體是電導率為無窮大的理想導體，感應電流將為無窮大，這顯然是不可能的。如果任意運動迴路中的磁通量不變，磁力線必然隨流體一起運動，猶如磁力線與流體牢固地粘在一起。這個現象稱為磁場的「凍結」效應，即磁場與流體完全凍結起來。這時磁場所滿足的方程稱為「凍結方程」。當流體的電導率為有限時，除不斷有焦耳熱損耗外，磁場還將不斷由強的區域向弱的區域擴散。因此在一般情況下，導電流體中的磁場既受凍結效應的控制，又將不斷擴散。這時滿足的方程稱為「擴散凍結方程」。凍結和擴散兩種效應，除與電導率（λ）有關外，還與流體的速度（v）和尺度 (L)有關。在電磁流體力學中，定義無量綱常數為磁粘滯系數。RM>>1時，流體中凍結效應將是主要的；RM<<1時，擴散現象將占優勢。

由於磁場的存在，流體運動方程中除原有的作用力外，還將增加電磁力。運動和磁場方程相互耦合的媒介就是電磁力。

導電流體在磁場中運動,將產生感應電流,從而改變原有磁場。如果運動適當，有可能維持某種穩定的磁場。這個過程如同通常的發電機，導電流體相當於發電機的線圈，因此把維持磁場的這種假說稱為「發電機說」。當然除這種簡單的相似外，兩者的過程是完全不同的。在磁流體過程中,由於運動和磁場的耦合,電磁方程和流體運動方程都將成為非線性方程。至今求解這樣復雜的非線性方程組仍然是困難的。為此通常把運動和磁場的耦合作為微擾處理，分別求解運動方程和電磁方程。這時兩個方程仍為線性方程，相應於方程的「發電機」則稱為「線性發電機」。

若地核中產生的地磁場被激發後自由衰減，其衰減壽命約為104年。但古地磁學中已經測到的最老的磁性岩石年齡接近109年，這說明地磁場的壽命遠遠超出它的自由衰減壽命。為維持這樣長壽命的地磁場，必須不斷提供能量以補償焦耳熱損耗。地核中的能量來源，以及提供的能量維持怎樣的運動才能獲得長時間穩定的地磁場，是發電機說要回答的兩個基本問題。

地核的電導率是地球內部電導率最高的，約為 3×10-6電磁單位。地磁非偶極場成分的西向漂移表明,非偶極場源有相對於地幔的運動，其速度量級為20公里每年。這要比被地質現象所證實的固體地殼的運動高 5個量級，因此從焦耳熱損耗和運動量級考慮，液體地核是地磁發電機最有利的場所。

發電機的能量圖像 根據液核中磁流體動力學原理可知,發電機的能量轉換過程是運動能與磁能的轉換,其轉換媒介是電磁力。運動反抗這種電磁力做功將對系統提供能量，其中一部分用來補償焦耳熱損耗，剩餘的用來增加系統的磁場能量和向核外輸送電磁能從而改變核內與核外的磁場。這一過程可以用方程 ：

表示。方程式右端為電磁力，其中j 為電流密度； （對整個液核積分）代表運動(V)反抗電磁力做功；WH為液核中的總磁能；Jσ為液核中的焦耳熱損耗率；FE為單位時間內通過液核表面向外輸送的電磁能。對於穩定發電機，核內和核外磁場不隨時間變化，方程變為： Jσ=AH,

即運動反抗電磁力做功所提供的能量全部用來補償焦耳熱損耗。

運動能量提供的方式與作用力有關。產生運動的力除電磁力外，主要是重力與流體靜壓力，液核內力學能量的轉換方程為： ,

其中為液核總動能的減少率;FP為流體靜壓力通過液核表面向核內的能量輸送率，重力做功在核內和表面上都將產生位能的釋放；FG是在液核表面上由於質量交換所產生的位能釋放率，例如地幔物質由於重力分異落入地核產生的能量交換即屬此類；Gτ是由於沿著介質運動方向密度不均勻性產生的位能釋放，熱對流即屬此類。發電機過程中流體運動反抗電磁力做功，或者以系統的動能減少為代價，或者由重力位能的釋放和表面流體靜壓力做功來提供，當然也可以是幾種因素的綜合效果。當系統穩定時， FP+FG+Gτ=AH=Jσ,

這時重力位能的釋放與流體靜力做功全部用來補償焦耳熱損耗。非穩定狀態下的能量轉換方程則是： ,

由地核內磁場的總能量(WH)和磁場的自由衰減時間，可以估計液核中焦耳熱損耗 (Jσ)約為1017爾格／秒。很顯然，這個量級應是維持發電機所必需的最低限度的能量提供率。

能量來源 早期埃爾薩塞和布拉德都假定，長壽命放射性元素所維持的熱對流是發電機能量的提供者。由Gτ可以估計,要提供1017爾格／秒的能量，則地核中單位質量的生熱率需高達 100爾格／（克·秒）。而由地面總熱流計算地殼中放射性元素的生熱率僅有10-3～10-1爾格／（克·秒），兩者相差幾個量級，顯然是不合理的。有人主張內核是由液態核凝固而成，這個過程至今還在繼續，它所放出的潛熱將維持熱核的熱對流，這同樣會遇到量級上的困難。1968年馬爾庫斯(W.V.R.Malkus)由實驗證實，在地球的進動過程中由於地幔與地核動力扁度的差異（見地球自轉），兩者將有不同的進動角速度，前者快於後者。由於地球是一個扁球體，地幔將迫使地核有相同運動的趨勢，這時地幔通過FP對地核提供能量，可以維持地磁發電機。近年也有人對此提出異議，認為其量級遠遠不夠。還有人主張若地球深部的化學分異和重力分異仍在進行,則重力位能的釋放(Gτ,FG)將提供能量。可見，地核中的各種可能的能量來源，無不涉及地球演化與地球內部的物理狀態等地球物理基本問題，在目前要得到滿意的解答是困難的。

維持地磁場的物理模式 不管地核內的動力來源如何，只要液核內存在徑向運動，由於處於深層的物質具有較小的角動量，內外層物質交換的結果，角動量守恆將使得外層轉動角速度變慢而內層變快。從與地球一起轉動的坐標系看，徑向運動受到科里奧利力的作用。這個力矩在自轉軸方向的分量是使內層和外層轉動速度發生變化的動力。為考察沿徑向的角速度差異的磁流體力學效應，將連續分布的角速度差異簡化為具有不同角速度的A和B兩層，外層A角速度為ωA，內層B角速度為ωB。設ωB>ωA,這稱為剛體液核模型。設液核中有原始的微弱磁場。考慮到星際磁場彌漫於整個星際空間，這種原始磁場的存在是有可能的。由於磁場的凍結效應，磁力線將隨地核一起運動。如圖1所示，原始磁場的磁力線將由於A、B兩層的差速轉動而被拉伸，形成沿繞緯圈方向的磁場。圖1a為相對運動從開始經過半周[[Image:]]到一周[[Image: ]]時磁力線被拉伸的過程。自然,隨著磁力線的伸長，磁力線反抗這種拉伸的張力也不斷增加。這種過程一再反復，直到磁力線張力所產生的恢復力矩與由於對流所產生的機械力矩（科里奧利力）相對平衡時，磁場成為如圖1b所示的形態，相對角速度也將維持一個穩定的常數。液核內形成如圖1b所示的磁場沒有徑向分量，磁力線完全位於同一個球面上，這種場稱為環型場。圖1b所示的環型場在南北半球方向相反。由上述兩個力矩的平衡可估計這種環型場的量級。考慮到磁場的凍結效應，傳統看法都認為核內將有很強的環型場,布拉德計算得到的環型場可高達500高斯。最近也有人對這種高強度的環型場的存在提出異議。由於環型場沒有徑向分量,不管它強度多大,對於我們感興趣的徑向分量很強的核外偶極場都不會有所貢獻。上述過程對外沒有電磁能的輸送。以上僅考慮了與徑向運動相應的差速轉動所產生的磁效應，而沒有考慮徑向運動本身的磁效應。與差速轉動相似，由於凍結效應，徑向運動與環型場相互作用又將環型場拖起或拉彎，形成如圖2所示的磁力線環。上述科里奧利力V=2r×(V×w),除有沿地球轉軸方向的力矩外（使得液核角速度改變）,還將有同轉軸方向垂直的分量,這個力矩將把磁力線環從緯度方向（圖1）扭轉到子午面內。對向上、向下的運動，所受力矩方向相反；同樣在南半球與北半球，這個力矩方向也相反。因此盡管對應於上、下運動的磁力線環方向相反，南北半球的線環方向也不同，但在這一力矩的作用下,子午面內的磁環將是同序的逆時針方向（圖3）。與環型場不同，被扭曲的磁場已經有了與初始微弱磁場同向的分量，這樣的元過程遍布液核各處，統計結果，有可能加強原始微弱磁場。上述過程稱為埃爾薩塞－帕克模型。除這個模型外，還有著名的布拉德-格爾曼-利利過程，它與埃爾薩塞模型有相似的物理圖像。無論是埃爾薩塞或布拉德模型都可通過求解線性磁流體力學方程，從數學理論上證明穩定發電機的存在。由此可知，即使是大大地簡化了的物理圖像，也涉及到地核中很復雜的過程。一般發電機過程將涉及地核中更為復雜的湍流運動，因此有人稱它為「湍流發電機」。

地磁場的倒轉屬於非穩態發電機的內容，至今還沒有如上述穩態發電機那樣全過程的描述。若液核中的對流渦旋運動受到擾動將有可能使磁場極性反轉。例如帕克曾證明，若液核中南北緯度25°之間的渦旋運動普遍消失，則地磁場將倒轉。也有人主張地磁場倒轉是非線性發電機過程的固有性質，即磁場和運動相互耦合，到一定程度線性發電機不再維持，非線性作用將有可能使地磁場倒轉。

無論穩態和非穩態發電機過程學說，目前都很不完善。關於地磁場起源問題仍處於研究階段

C. 初三物理磁學 主要學什麼

初三物理磁學主要學磁體、磁極、磁場、電流的磁場：奧斯特實驗表明電流周圍存在磁場。

1、磁體、磁極（同名磁極互相排斥，異名磁極互相吸引）

物體能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質叫磁性。具有磁性的物質叫磁體。磁體的磁極總是成對出現的。

2、磁場：磁體周圍空間存在著一個對其它磁體發生作用的區域。磁場的基本性質是對放入其中的磁體產生磁力的作用。磁場方向：小磁針靜止時N極所指的方向就是該點的磁場方向。磁體周圍磁場用磁感線來表示。地磁北極在地理南極附近，地磁南極在地理北極附近。

3、電流的磁場：奧斯特實驗表明電流周圍存在磁場。

通電螺線管對外相當於一個條形磁鐵。通電螺線管中電流的方向與螺線管兩端極性的關系可以用右手螺旋定則來判定。(這種判定方式就是著名的安培定則）

(3)地磁場是物理哪個學的知識擴展閱讀

磁學和電學有著直接的聯系。經典磁學認為如同電荷一樣，自然界中存在著獨立的磁荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而現代磁學則認為環形電流元是磁極產生的根本原因，相同的磁極互相排斥，不同的磁極互相吸引。

利用地磁場進行磁化的方法，包含有豐富的科學道理。近代科學表明，磁鐵的磁性是由磁疇的規則排列形成的，非磁鐵由於磁疇排列雜亂無章而不具磁性。魚形薄鐵片燒紅以後，內部磁疇活動加劇，沿南北方向放置，可以在強大的地磁場作用下，使磁疇順著地磁場的方向排列。

至於魚尾稍微向下傾斜，是由於地球磁場的磁傾角作用，可以增大磁化的程度，這也反映了當時中國已經發現了地球的磁傾角。歐洲人用同樣的方法進行人工磁化，比中國晚了四百多年，磁偏角的發現是哥倫布在航海探險中於1492年發現的，而磁傾角的發現則還要更晚一些時候。

D. 地磁學基本原理

岩石在形成的過程中，受當時地磁場的作用，磁性顆粒沿該磁場方向定向排列，記錄了其方向和強度，岩石形成後，一部分磁性在漫長的地質歷史時期逐漸失去，而一部分卻以非常穩定的狀態保留下來，成為研究岩石形成時地磁場狀況的直接資料。通過古地磁的研究，可以認識和勾畫地質歷史時期和人類歷史時期的地磁場，為地質研究提供磁學依據。從地磁角度去解決地質、構造等方面的問題，廣泛應用於海底擴張、大陸漂移、磁性地層學、考古磁學、古緯度等方面的研究。

1.地磁場

地球有其固有的磁性，在地球和近地空間存在著的磁場，稱為地磁場。在地球表面上所觀測到的地磁場是由偶極子場、非偶極子場、異常場、外場源及變化場構成。關於地球磁場的成因問題，一直是地球物理研究中一個懸而未決的課題。人們對地磁場成因的觀點不一，大多數學者都將地球磁場看成是均勻磁化球體磁場，認為地球磁軸與地球的旋轉軸近似重合，且地球的內部劃分為固態地殼、地幔和液態的地核，而地核的中央部分又轉變為固態核心等，以此來作為各種推斷的依據。最新地磁場研究表明，地球內核磁流體運動產生的地球磁場具有明顯的偶極子磁場特徵，佔主導地位的(約90%)地球表面磁場可以看成是一個位於地核中心的偶極子場產生的磁場(楊振宇，2002)。

2.地磁要素

地球的磁場與其他場的描述一樣，也是一個矢量。通常情況下採用直角坐標系來表示地球磁場的總強度H_t和它的各個分量(圖3-1)。

圖3-1 地磁要素示意圖(據劉椿，1991)

從圖3-1中可以看出，坐標系中X軸沿地理子午線方向，Y軸沿著緯圈方向，Z軸垂直X軸和Y軸的平面。令X向北的方向為正，Y向東的方向為正，Z向下為正。H_t

在X、Y、Z軸上的投影就是H_t的北向、東向和垂直分量。H_t所在的垂直平面BOZ(即BOA)稱為磁子午面，地理子午面XOZ與磁子午面BOZ之間的夾角BOX稱為磁偏角(D)，其向東為正，向西為負;矢量H_t的方向與水平面之間的夾角AOB稱為磁傾角(I)，在北半球，H_t由地表指向下時，I為正值，在南半球，H_t指向上時，磁傾角為負值。

磁偏角D，磁傾角I，地磁場水平分量H_h、垂直分量H_Z、東向分量H_Y、北向分量H_X及總強度H_t統稱為地磁要素。處在地球上任意一點的地球磁場各個要素是隨時間和空間的不同而不斷變化的。地磁要素之間具有如下關系:

H_X=H_hcosD，H_h²=H_X²+H_Y²，

H_Y=H_hsinD，H_t²=H_X²_X+H_Z²，

H_Z=H_htanI，tanD=H_Y/H_X，

H_t=H_hsecI=H_XcscI

E. 什麼是地球磁場

磁場
magnetic field
電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或變化電場產生的。磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源於此。
與電場相仿，磁場是在一定空間區域內連續分布的矢量場，描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B ，也可以用磁力線形象地圖示。然而，作為一個矢量場，磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產生的磁場，或兩者之和的總磁場，都是無源有旋的矢量場，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。換言之，在磁場中不存在發出磁力線的源頭，也不存在會聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零，即磁場是有旋場而不是勢場（保守場），不存在類似於電勢那樣的標量函數。
電磁場是電磁作用的媒遞物，是統一的整體，電場和磁場是它緊密聯系、相互依存的兩個側面，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質，它的「特殊」只在於沒有靜質量。
磁現象是最早被人類認識的物理現象之一，指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的，地球，恆星(如太陽)，星系（如銀河系），行星、衛星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程，必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中，處處可遇到磁場，發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。

電磁場
electromagnetic field

有內在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱 。隨時間變化的電場產生磁場 ， 隨時間變化的磁場產生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物，具有能量和動量，是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特徵及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。

地磁場
geomagnetic field
從地心至磁層頂的空間范圍內的磁場。地磁學的主要研究對象。人類對於地磁場存在的早期認識，來源於天然磁石和磁針的指極性。磁針的指極性是由於地球的北磁極（磁性為S極）吸引著磁針的N極，地球的南磁極（磁性為N極）吸引著磁針的S極。這個解釋最初是英國W.吉伯於1600年提出的。吉伯所作出的地磁場來源於地球本體的假定是正確的。這已為1839年德國數學家C.F.高斯首次運用球諧函數分析法所證實。

地磁場是一個向量場。描述空間某一點地磁場的強度和方向，需要3個獨立的地磁要素。常用的地磁要素有7個，即地磁場總強度F，水平強度H，垂直強度Z，X和Y分別為H的北向和東向分量，D和I分別為磁偏角和磁傾角。其中以磁偏角的觀測歷史為最早。在現代的地磁場觀測中，地磁台一般只記錄H，D，Z或X，Y，Z。
近地空間的地磁場，像一個均勻磁化球體的磁場，其強度在地面兩極附近還不到1高斯，所以地磁場是非常弱的磁場。地磁場強度的單位過去通常採用伽馬（γ），即10高斯。1960年決定採用特斯拉作為國際測磁單位，1高斯＝10特斯拉（T），1伽馬＝10特斯拉＝1納特斯拉（nT），簡稱納特。地磁場雖然很弱，但卻延伸到很遠的空間，保護著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害。
地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分，它們在成因上完全不同。基本磁場是地磁場的主要部分，起源於地球內部，比較穩定，變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源於地球外部，並且很微弱。
地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強度約佔地磁場總強度的90％，產生於地球液態外核內的電磁流體力學過程，即自激發電機效應。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域，平均強度約佔地磁場的10％。地磁異常又分為區域異常和局部異常，與岩石和礦體的分布有關。
地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化，其場源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等，場源是太陽粒子輻射同地磁場相互作用在磁層和電離層中產生的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時發生的強烈磁擾，持續時間約為1～3天，幅度可達10納特。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區內。除外源場外，變化磁場還有內源場。內源場是由外源場在地球內部感應出來的電流所產生的。將高斯球諧分析用於變化磁場，可將這種內、外場區分開。根據變化磁場的內、外場相互關系，可以得出地球內部電導率的分布。這已成為地磁學的一個重要領域，叫做地球電磁感應。
地球變化磁場既和磁層、電離層的電磁過程相聯系，又和地殼上地幔的電性結構有關，所以在空間物理學和固體地球物理學的研究中都具有重要意義

F. 地球磁場是怎麼產生的

一種關於地球磁場成因的假說認為：地球磁場的形成原因和其它行星的磁場的形成原因是類似的，地球或其它行星由於某種原因而帶上了電荷或者導致各個圈層間電荷分布不均勻。

這些電荷由於隨行星的自轉而做圓周運動，由於運動的電荷就是電流，電流必然產生磁場。這個產生的磁場就是行星的磁場，地球的磁場也是類似的原因產生的。這個假說和各個行星磁場的有無和強弱現象符合。

(6)地磁場是物理哪個學的知識擴展閱讀

地球磁場對於地球的生命起到非常重要的作用，它可以使我們免受紫外線、宇宙射線、太陽風暴的照射，而且它會保護地球的大氣層。

而火星它的內部由於不存在著液態金屬，使得它的磁場非常的弱小，在經過數千次撞擊後，最終它的磁場消散，不到10億年的時間，火星的大氣層就被太陽剝離了。所以火星才不具備居住生物的條件。

G. 高中物理「地磁場」的知識點歸納

地球是一個具有磁場的磁體
地球的磁極和地極相反，1.地理上是上北極下南極。而地球的磁極是上南極下北極。
2.地級是正南正北的，而地球的磁場是偏南偏北，存在磁偏角。
3.地球磁場在歷史上有過幾次互換(科學家考證過)。
由於地球有磁場，且和地極相反，那麼地球表面就有磁感線具體情況如下:
1.磁感線有地理南極發出指向地理的北極(地球內部是相反)。
2.地磁的水平分量總是地理南極指地理的北極。
3.豎直方向南半球向上，北半球向下。
4.赤道平面距地面相等高度個點，磁場強弱相同，方向水平向北。
這就是高中階段能遇見的地磁場的所有知識點，只多不少!
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H. 地磁場定義

地球可視為一個磁偶極（magnetic dipole），其中一極位在地理北極附近，另一極位在地理南極附近。通過這兩個磁極的假想直線（磁軸）與地球的自轉軸大約成11.3度的傾斜。地磁場的成因或許可以由發電機原理解釋。地球的磁場向太空伸出數萬公里形成地球磁圈[1](magnetosphere)。 地球磁圈對地球而言有屏障太陽風所挾帶的帶電粒子的作用。地球磁圈在白晝區(向日面)受到帶電粒子的力影響而被擠壓，在地球黑夜區(背日面)則向外伸出。(圖片未按照比例顯示。) 為什麼磁體能指南北呢？原來地球是一個巨大的天然磁體，它的磁場與條形磁體的磁場一樣。如右圖所示。 地磁場對人類的生產、生活都有重要意義。 行軍、航海利用地磁場對指南針的作用來定向。人們還可以根據地磁場在地面上分布的特徵尋找礦藏。地磁場的變化能影響無線電波的傳播。當地磁場受到太陽黑子活動而發生強烈擾動時，遠距離通訊將受到嚴重影響，甚至中斷。假如沒有地磁場，從太陽發出的強大的帶電粒子流（通常叫太陽風），就不會受到地磁場的作用發生偏轉而直射地球。在這種高能粒子的轟擊下，地球的大氣成份可能不是現在的樣子，生命將無法存在。所以地磁場這頂「保護傘」對我們來說至關重要。 地磁場強度大約是500-600毫高斯,也就是5-6*E-5特斯拉
地磁場我國宋代科學家沈括（1034——1094）在公元1086年寫的《夢溪筆談》中，最早記載了地磁偏角「方家（術士）以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也」。沈括是歷史上第一個從理論高度來研究磁偏現象的人。提出較系統的原始理論的是英國人吉爾伯特。他在1600年著的《磁體》一書中，把當時許多有關磁體性質的事實都記了下來，同時創造性地作了劃時代的實驗：把一塊天然磁石磨製成一個大磁球，用小鐵絲制的小磁針裝在樞軸上，放到該磁球附近，在這磁球面上發現小磁針的各種行為與我們在地球上看到指南針的行為完全一樣。吉爾伯特用石筆把小磁針排列的指向標出一條條線，畫成許多子午圈，與地球經線相像，也有一條赤道，小磁針在赤道上則平行於球面。因此吉爾伯特提出了一個理論：認為地球本身就是一塊巨大的磁石，磁子午線匯交於地球兩個相反的端點即磁極上。
地球存在磁場的原因還不為人所知，普遍認為是由地核內液態鐵的流動引起的。最具代表性的假說是「發電機理論」。1945年，物理學家埃爾薩塞根據磁流體發電機的原理，認為當液態的外地核在最初的微弱磁場中運動，像磁流體發電機一樣產生電流，電流的磁場又使原來的弱磁場增強，這樣外地核物質與磁場相互作用，使原來的弱磁場不斷加強。由於摩擦生熱的消耗，磁場增加到一定程度就穩定下來，形成了現在的地磁場。 還有一種假說認為：鐵磁質在770℃（居里溫度）的高溫中磁性會完全消失。在地層深處的高溫狀態下，鐵會達到並超過自身的熔點呈現液態，決不會形成地球磁場。而應用「磁現象的電本質」來做解釋，認為按照物理學研究的結果，高溫、高壓中的物質，其原子的核外電子會被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來，地幔間會形成負電層。按照麥克斯韋的電磁理論：電動生磁，磁動生電。所以，要形成地球南北極式的磁場，必然需要形成旋轉的電場，而地球自轉必然會造成地幔負電層旋轉，即旋轉的負電場，磁場由此而生。 地磁場起源 origin of the main geomagnetic field 地球物理學的基本問題之一。自1600年英國的吉伯(W.Gilbert)提出「地球是一個巨大的磁石」開始,有關地磁場起源的推測已有近400年的歷史,但至今仍未獲得圓滿解決。 簡史 地磁場的主要部分猶如一個近似沿自轉軸方向均勻磁化的球體的磁場。因此「永久磁石說」就成為地磁場成因最早和最自然的猜測。當地球物理學家提出地核可能是由鐵、鎳等強磁性物質組成的時候，這種猜測似乎得到了支持。然而地球內部的溫度遠超過鐵的居里點（見岩石磁性），所以這個假說不能成立。繼而有人曾企圖藉助於帶電地球的旋轉、回轉磁效應、溫差電流以及感應電流等物理效應來解釋地磁場，但其量值都遠遠不夠大。例如根據回轉磁效應，地球由於自轉獲得的磁化強度約為10-10電磁單位，比與地磁場相當的均勻磁化球體的磁化強度7.2×10-2約小 9個數量級。鑒於從已有的物理規律找不到答案，有人開始探索新的規律。1947年英國物理學家布萊克特（P.M.S.Blackett）發現，當時測定的太陽、室女星座78號星和地球 3個天體的磁矩M和角動量P滿足關系，其中G為萬有引力常數,c為光速，β為比例常數，約為0.25。布萊克特把這個關系設想為物理學的一個新定律，作為地磁場起源的解釋，稱為「巨大轉體說」。由於有 3個天體的支持，這個假說曾一度引起廣泛的關注。為證實這一結果，布萊克特專門設計了一種測弱磁場的高靈敏度儀器，但實驗結果是否定的，所以布萊克特本人聲明放棄他的假說。 與上述各種推測同時出現的是「自激發電機說」。1919年拉莫爾（J.Larmor）首先提出了旋轉的導電流體維持自激發電機的可能性，這是關於地磁場起源的自激發電機說的最早概念。而較為系統的論述，則是40年代末和50年代初由埃爾薩塞 (W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)等人完成的，稱為埃爾薩塞－帕克模型和布拉德過程。隨著大型計算機的應用，使更復雜的磁流體動力學的計算成為現實。60年代後期發現，布拉德過程是不穩定的。這使得曾被認為極有希望的「自激發電機說」陷入了危機。直到1970年，利利(F.E.M.Lilley)修正了布拉德過程的運動模式，才使得穩定的「自激發電機說」再度有了可能。60年代古地磁學的數據肯定了地磁場在漫長的地質時期經歷了多次倒轉的事實，地磁場極性的正向與反向的歷史並沒有顯示出哪種極性更具有特殊性。這是除「自激發電機說」以外，其他關於地磁成因的假說所難以解釋的。地球具有磁場在天體中並不特殊，太陽系九大行星中至少有木星、水星具有與地球磁場相類似的內源磁場。太陽和許多恆星也具有磁場。60～70年代帕克的研究說明，地磁場起源的模式可能對其他天體也適用。據此，人們現在認為「自激發電機說」是解釋地磁成因的最有希望的理論。 原理 地核內磁流體動力學的研究思路是導電流體和磁場的相互作用如何改變原始的磁場和運動狀態，這是「自激發電機說」的基礎。 導電流體和磁場的相互作用，在數學上也就是電磁場方程與流體運動方程的耦合。在磁場中運動的導電流體，根據法拉第電磁感應定律，將在隨流體運動的迴路里產生感應電動勢。若導體是電導率為無窮大的理想導體，感應電流將為無窮大，這顯然是不可能的。如果任意運動迴路中的磁通量不變，磁力線必然隨流體一起運動，猶如磁力線與流體牢固地粘在一起。這個現象稱為磁場的「凍結」效應，即磁場與流體完全凍結起來。這時磁場所滿足的方程稱為「凍結方程」。當流體的電導率為有限時，除不斷有焦耳熱損耗外，磁場還將不斷由強的區域向弱的區域擴散。因此在一般情況下，導電流體中的磁場既受凍結效應的控制，又將不斷擴散。這時滿足的方程稱為「擴散凍結方程」。凍結和擴散兩種效應，除與電導率（λ）有關外，還與流體的速度（v）和尺度 (L)有關。在電磁流體力學中，定義無量綱常數為磁粘滯系數。RM>>1時，流體中凍結效應將是主要的；RM<<1時，擴散現象將占優勢。 由於磁場的存在，流體運動方程中除原有的作用力外，還將增加電磁力。運動和磁場方程相互耦合的媒介就是電磁力。 導電流體在磁場中運動,將產生感應電流,從而改變原有磁場。如果運動適當，有可能維持某種穩定的磁場。這個過程如同通常的發電機，導電流體相當於發電機的線圈，因此把維持磁場的這種假說稱為「發電機說」。當然除這種簡單的相似外，兩者的過程是完全不同的。在磁流體過程中,由於運動和磁場的耦合,電磁方程和流體運動方程都將成為非線性方程。至今求解這樣復雜的非線性方程組仍然是困難的。為此通常把運動和磁場的耦合作為微擾處理，分別求解運動方程和電磁方程。這時兩個方程仍為線性方程，相應於方程的「發電機」則稱為「線性發電機」。 若地核中產生的地磁場被激發後自由衰減，其衰減壽命約為104年。但古地磁學中已經測到的最老的磁性岩石年齡接近109年，這說明地磁場的壽命遠遠超出它的自由衰減壽命。為維持這樣長壽命的地磁場，必須不斷提供能量以補償焦耳熱損耗。地核中的能量來源，以及提供的能量維持怎樣的運動才能獲得長時間穩定的地磁場，是發電機說要回答的兩個基本問題。 地核的電導率是地球內部電導率最高的，約為 3×10-6電磁單位。地磁非偶極場成分的西向漂移表明,非偶極場源有相對於地幔的運動，其速度量級為20公里每年。這要比被地質現象所證實的固體地殼的運動高 5個量級，因此從焦耳熱損耗和運動量級考慮，液體地核是地磁發電機最有利的場所。 發電機的能量圖像 根據液核中磁流體動力學原理可知,發電機的能量轉換過程是運動能與磁能的轉換,其轉換媒介是電磁力。運動反抗這種電磁力做功將對系統提供能量，其中一部分用來補償焦耳熱損耗，剩餘的用來增加系統的磁場能量和向核外輸送電磁能從而改變核內與核外的磁場。這一過程可以用方程 ： 表示。方程式右端為電磁力，其中j 為電流密度； （對整個液核積分）代表運動(V)反抗電磁力做功；WH為液核中的總磁能；Jσ為液核中的焦耳熱損耗率；FE為單位時間內通過液核表面向外輸送的電磁能。對於穩定發電機，核內和核外磁場不隨時間變化，方程變為： Jσ=AH, 即運動反抗電磁力做功所提供的能量全部用來補償焦耳熱損耗。 運動能量提供的方式與作用力有關。產生運動的力除電磁力外，主要是重力與流體靜壓力，液核內力學能量的轉換方程為： , 其中為液核總動能的減少率;FP為流體靜壓力通過液核表面向核內的能量輸送率，重力做功在核內和表面上都將產生位能的釋放；FG是在液核表面上由於質量交換所產生的位能釋放率，例如地幔物質由於重力分異落入地核產生的能量交換即屬此類；Gτ是由於沿著介質運動方向密度不均勻性產生的位能釋放，熱對流即屬此類。發電機過程中流體運動反抗電磁力做功，或者以系統的動能減少為代價，或者由重力位能的釋放和表面流體靜壓力做功來提供，當然也可以是幾種因素的綜合效果。當系統穩定時， FP+FG+Gτ=AH=Jσ, 這時重力位能的釋放與流體靜力做功全部用來補償焦耳熱損耗。非穩定狀態下的能量轉換方程則是： , 由地核內磁場的總能量(WH)和磁場的自由衰減時間，可以估計液核中焦耳熱損耗 (Jσ)約為1017爾格／秒。很顯然，這個量級應是維持發電機所必需的最低限度的能量提供率。 能量來源 早期埃爾薩塞和布拉德都假定，長壽命放射性元素所維持的熱對流是發電機能量的提供者。由Gτ可以估計,要提供1017爾格／秒的能量，則地核中單位質量的生熱率需高達 100爾格／（克·秒）。而由地面總熱流計算地殼中放射性元素的生熱率僅有10-3～10-1爾格／（克·秒），兩者相差幾個量級，顯然是不合理的。有人主張內核是由液態核凝固而成，這個過程至今還在繼續，它所放出的潛熱將維持熱核的熱對流，這同樣會遇到量級上的困難。1968年馬爾庫斯(W.V.R.Malkus)由實驗證實，在地球的進動過程中由於地幔與地核動力扁度的差異（見地球自轉），兩者將有不同的進動角速度，前者快於後者。由於地球是一個扁球體，地幔將迫使地核有相同運動的趨勢，這時地幔通過FP對地核提供能量，可以維持地磁發電機。近年也有人對此提出異議，認為其量級遠遠不夠。還有人主張若地球深部的化學分異和重力分異仍在進行,則重力位能的釋放(Gτ,FG)將提供能量。可見，地核中的各種可能的能量來源，無不涉及地球演化與地球內部的物理狀態等地球物理基本問題，在目前要得到滿意的解答是困難的。 維持地磁場的物理模式 不管地核內的動力來源如何，只要液核內存在徑向運動，由於處於深層的物質具有較小的角動量，內外層物質交換的結果，角動量守恆將使得外層轉動角速度變慢而內層變快。從與地球一起轉動的坐標系看，徑向運動受到科里奧利力的作用。這個力矩在自轉軸方向的分量是使內層和外層轉動速度發生變化的動力。為考察沿徑向的角速度差異的磁流體力學效應，將連續分布的角速度差異簡化為具有不同角速度的A和B兩層，外層A角速度為ωA，內層B角速度為ωB。設ωB>ωA,這稱為剛體液核模型。設液核中有原始的微弱磁場。考慮到星際磁場彌漫於整個星際空間，這種原始磁場的存在是有可能的。由於磁場的凍結效應，磁力線將隨地核一起運動。如圖1所示，原始磁場的磁力線將由於A、B兩層的差速轉動而被拉伸，形成沿繞緯圈方向的磁場。圖1a為相對運動從開始經過半周[[Image:]]到一周[[Image: ]]時磁力線被拉伸的過程。自然,隨著磁力線的伸長，磁力線反抗這種拉伸的張力也不斷增加。這種過程一再反復，直到磁力線張力所產生的恢復力矩與由於對流所產生的機械力矩（科里奧利力）相對平衡時，磁場成為如圖1b所示的形態，相對角速度也將維持一個穩定的常數。液核內形成如圖1b所示的磁場沒有徑向分量，磁力線完全位於同一個球面上，這種場稱為環型場。圖1b所示的環型場在南北半球方向相反。由上述兩個力矩的平衡可估計這種環型場的量級。考慮到磁場的凍結效應，傳統看法都認為核內將有很強的環型場,布拉德計算得到的環型場可高達500高斯。最近也有人對這種高強度的環型場的存在提出異議。由於環型場沒有徑向分量,不管它強度多大,對於我們感興趣的徑向分量很強的核外偶極場都不會有所貢獻。上述過程對外沒有電磁能的輸送。以上僅考慮了與徑向運動相應的差速轉動所產生的磁效應，而沒有考慮徑向運動本身的磁效應。與差速轉動相似，由於凍結效應，徑向運動與環型場相互作用又將環型場拖起或拉彎，形成如圖2所示的磁力線環。上述科里奧利力V=2r×(V×w),除有沿地球轉軸方向的力矩外（使得液核角速度改變）,還將有同轉軸方向垂直的分量,這個力矩將把磁力線環從緯度方向（圖1）扭轉到子午面內。對向上、向下的運動，所受力矩方向相反；同樣在南半球與北半球，這個力矩方向也相反。因此盡管對應於上、下運動的磁力線環方向相反，南北半球的線環方向也不同，但在這一力矩的作用下,子午面內的磁環將是同序的逆時針方向（圖3）。與環型場不同，被扭曲的磁場已經有了與初始微弱磁場同向的分量，這樣的元過程遍布液核各處，統計結果，有可能加強原始微弱磁場。上述過程稱為埃爾薩塞－帕克模型。除這個模型外，還有著名的布拉德-格爾曼-利利過程，它與埃爾薩塞模型有相似的物理圖像。無論是埃爾薩塞或布拉德模型都可通過求解線性磁流體力學方程，從數學理論上證明穩定發電機的存在。由此可知，即使是大大地簡化了的物理圖像，也涉及到地核中很復雜的過程。一般發電機過程將涉及地核中更為復雜的湍流運動，因此有人稱它為「湍流發電機」。 地磁場的倒轉屬於非穩態發電機的內容，至今還沒有如上述穩態發電機那樣全過程的描述。若液核中的對流渦旋運動受到擾動將有可能使磁場極性反轉。例如帕克曾證明，若液核中南北緯度25°之間的渦旋運動普遍消失，則地磁場將倒轉。也有人主張地磁場倒轉是非線性發電機過程的固有性質，即磁場和運動相互耦合，到一定程度線性發電機不再維持，非線性作用將有可能使地磁場倒轉。 無論穩態和非穩態發電機過程學說，目前都很不完善。關於地磁場起源問題仍處於研究階段
[編輯本段]地磁場對生物活動的影響
像海龜、鯨魚、候鳥等眾多遷徙動物均能走南闖北，每年可旅行幾千公里，中途往往還要經過汪洋大海，但是還能測定精確的位置。科學家們發現，海龜能通過地球磁場和太陽及其他星體的位置來辨別方向。但對於遷徙中的海龜來說，僅有「方向感」是不夠的，它們可能還有一張「地圖」，用於明確自己的地理位置，最終到達某個特定的目的地。美國北卡羅來納大學查珀爾希爾分校的肯洛曼研究小組發現，綠海龜對不同地理位置間的地磁場強度、方向的差別十分「敏感」，它們能通過地磁場為自己繪制一張地圖。 信鴿能在遙遠的地方飛回而不迷失方向，也是由於地磁的幫助 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。 地磁場圖記錄了地球表面各點的地磁場的基本數據和它們的變化規律，它是航海、航空、軍事以及地質工作不可缺少的工具。船舶和飛機航行時，用磁羅盤測得的是地磁方位角，因此只有知道了當時當地的磁偏角數值，才能確定地理方位和航行路線。 一般來說，地磁要素的變化是很小的，但是跟太陽活動有密切聯系的磁暴現象，卻發生得十分突然。這是因為太陽黑子活動劇烈的時候，放出的能量相當於幾十萬顆氫彈爆炸的威力，同時噴射出大量帶電粒子。這些帶電粒子射到地球上形成的強大磁場迭加到地磁場上，使正常情況下的地磁要素發生急劇變化，引起「磁暴」。發生磁暴時，地球上會發生許多奇異的現象。在漆黑的北極上空會出現美麗的極光。指南針會搖擺不定，無線電短波廣播突然中斷，依靠地磁場「導航」的鴿子也會迷失方向，四處亂飛。地磁場能阻擋宇宙射線和來自太陽的高能帶電粒子，是生物體免遭危害的天然保護傘。 所以這個「超巨」的地磁場，對地球形成了一個「保護盾」，減少了來自太空的宇宙射線的侵襲，地球上生物才得以生存滋長。如果沒有了這個保護盾，外來的宇宙射線，會將最初出現在地球上的生命幼苗全部殺死，根本無法在地球上滋生。 地球上某些地區的岩石和礦物具有磁性，地磁場在這些埋藏礦物的區域會發生劇變，利用這種地磁異常可探測礦藏，尋找鐵、鎳、鉻、金以及石油等地下資源。 在發生強烈地震之前，地磁的三要素也都會發生改變，造成地磁局部異常的「震磁效應」。這是由於地殼中的岩石，有許多是具有磁性的，當這些岩石受力變形時，它們的磁性也要跟著變化，從而可以較正確地作出「震前預報」。
[編輯本段]地磁場多次翻轉
科學家們通過對海底熔岩的研究發現，地球的磁場曾經發生過多次翻轉。眾所周知，熾熱的岩漿中含有數以萬計的礦物質，就好像一個個「小指南針」。當岩漿冷卻下來後，這些「指南針」也被固定住不再發生變化。這樣，其「南北極」的指向就記錄了當時地球磁場的方向。研究表明，地球磁場平均每50萬年翻轉一次，而最近一次的翻轉發生在78萬年前。由於一百多年來磁場不斷減弱，人們不禁擔心，地球磁場的又一次「大變臉」是否即將來臨？ 科學家指出，存在於地核周圍的鐵流體（熔融體）好像一部「發動機」，不停地將巨大的機械能轉化成為電磁能，從而形成了地磁場。而鐵流體有時會形成巨大的漩渦，迫使自己的流向發生變化，這就引起了地球磁場的改變。地磁場的兩極倒轉是一個極其漫長的過程，大約需要5000到7000年才能完成。本來，這不是什麼可怕的事，但是，在此過程中，保護人類免受強烈紫外線輻射的地球磁場將會完全消失，這就將造成極其嚴重的後果。 地球磁極的變換和消失有什麼影響 對於人類和所有生物來說，地磁變換是災難性的。地磁消失後，宇宙中的各種射線都會直達地表，地球上生活的生物將失去「保護傘」，受到強烈輻射的傷害。還有科學家認為，地磁場改變導致染色體畸變，會使動植物發生變異生長，還會使一些被壓制的地殼運動提前。因此，地球磁極的變換是人類面臨的最大的威脅。地磁真的會消失嗎？ 地球磁場真的需要逆轉嗎？不！ 我們腳下的大地有電流在流動，這一現象是不爭的事實。因為我們知道，在太陽風強烈時大地里的電流可以燒壞供電設備和各類的通信設備，有時甚至可以燒毀輸油管道。地學類的本科大學生所學的《地球物理學基礎》里也有「地電學」這門學科的分支。 有人說：大地里的電流我們既看不見，也無法測量。所以我們很難對它們進行探討。可是我們從現代學科的《電磁學》里知道：「流動的電流會產生磁場，變動的磁場會生出電流。」依此，我們可以認定：大地電流在地面以上的表現就是地球磁場。由於地球磁場是已知的，我們可以假設一些邊界條件；這樣就能進行理論試算得到：大地電流的大致狀況。電場、磁場相輔相成，在地球上的也不例外。 以上所說，大地電流地磁場說應該就是地球磁場的成因。有人會問，地球磁場理論，近代科學界普遍認為是：地核相對自轉發電機理論。實際上地核發電機磁場理論是一個非常不切實際的想法。有現代科學知識的人應該知道：在無外界干擾的獨自自轉的行星級天體，無論你怎樣設計它的結構，它是不可能發出電來而形成廣大磁場的，因為它本身不具有能量來源。 上個世紀初，人們意識到：各類岩石的剩餘磁性記載著當時形成岩石時的磁場特性。在半個多世紀里，人們測遍了所有的能找得到的各種石頭。測量的結果令人震驚：大多數岩石的剩餘磁場方向和當地磁場方向正好相反，而且反向剩磁的磁傾角不再是下垂，它變成為上翹（緯度越高上翹的值越大）。為了解釋岩石剩餘磁場的反向，1928年，日本的松山基范說：是當時的地球磁場翻轉了。因為沒有人能提出更好的解釋，地磁場翻轉說就成為學界的當然解釋。反向剩磁磁傾角的上翹的現象至今卻沒有人能夠給出解釋，而且地學界甚至都不敢提及。 依據地磁場的形態，大地電流應該是一個在地殼中沿緯度方向流動的，很薄的地球層體。它在赤道附近的電流最大，在兩極處的電流很小。該電流層並不是固定在地殼某位置上不變的，地球的演化使電流層在地殼中上下波動。地球演變中，在地電流層之上冷卻的岩石是正向剩磁，磁傾角向下。在地電流層以下形成的岩石，它獲得的剩磁就是反向磁性，磁傾角上翹。在大地電流層中間形成的岩石無剩磁。用大地電流層解釋岩石剩磁反向，其可以和實際情況符合的很好。這種解釋應該就是實際發生的情況。地磁場在地球的演化過程中，不需要翻轉，也沒有翻轉機制和其他生物學表現。 就快要到2012年了，曾經的瑪雅人預言2012年人類或許有大的變故。正好依據太陽的活動周期2012年也是太陽黑子活動高峰年。先是俄羅斯科學家，然後是印度的和其他國家的科學家認為，地球磁場正在減弱的過程當中，如果地球磁場要翻轉，那麼就要翻轉了。如此，人類和地球生物將面臨巨大的災難。中國科學家馬上認為，說這話的人都是業余科學家，民眾不可相信他們的話。就好像中國科學家僅僅會說別人都是些：只是會些雞鳴狗盜之雕蟲小技的「民科」。期間好不熱鬧。 關於地球磁場近年來為何在減弱，大地電流的能量來源等問題，我在《地球磁場》一書中有著詳細地討論。希望大家有興趣。該書由中國新聞聯合出版社出版，簡介如下：令人驚奇的司南現象，讓人心驚膽戰的電閃雷鳴，使人無法理解的厄爾尼諾現象，還有神奇的百慕大三角海區失蹤事件。它們都曾經給人以無窮的遐想。實際上它們都是磁場作用在地球表面而產生的自然現象。書中給出這些自然現象的理論解釋及其試驗方法。

I. 地磁場的相關知識

地磁場為什麼磁體能指南北呢？原來地球是一個巨大的天然磁體，它的磁場與條形磁體的磁場一樣。如下圖所示。
地磁場對人類的生產、生活都有重要意義。
行軍、航海利用地磁場對指南針的作用來定向。人們還可以根據地磁場在地面上分布的特徵尋找礦藏。地磁場的變化能影響無線電波的傳播。當地磁場受到太陽黑子活動而發生強烈擾動時，遠距離通訊將受到嚴重影響，甚至中斷。假如沒有地磁場，從太陽發出的強大的帶電粒子流（通常叫太陽風），就不會受到地磁場的作用發生偏轉而直射地球。在這種高能粒子的轟擊下，地球的大氣成份可能不是現在的樣子，生命將無法存在。所以地磁場這頂「保護傘」對我們來說至關重要。
地磁場的發現
我國宋代科學家沈括（1034——1094）在公元1086年寫的《夢溪筆談》中，最早記載了地磁偏角「方家（術士）以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也」。沈括是歷史上第一個從理論高度來研究磁偏現象的人。提出較系統的原始理論的是英國人吉爾伯特。他在1600年著的《磁體》一書中，把當時許多有關磁體性質的事實都記了下來，同時創造性地作了劃時代的實驗：把一塊天然磁石磨製成一個大磁球，用小鐵絲制的小磁針裝在樞軸上，放到該磁球附近，在這磁球面上發現小磁針的各種行為與我們在地球上看到指南針的行為完全一樣。吉爾伯特用石筆把小磁針排列的指向標出一條條線，畫成許多子午圈，與地球經線相像，也有一條赤道，小磁針在赤道上則平行於球面。因此吉爾伯特提出了一個理論：認為地球本身就是一塊巨大的磁石，磁子午線匯交於地球兩個相反的端點即磁極上。
地磁場的起源
地球存在磁場的原因還不為人所知，普遍認為是由地核內液態鐵的流動引起的。最具代表性的假說是「發電機理論」。1945年，物理學家埃爾薩塞根據磁流體發電機的原理，認為當液態的外地核在最初的微弱磁場中運動，像磁流體發電機一樣產生電流，電流的磁場又使原來的弱磁場增強，這樣外地核物質與磁場相互作用，使原來的弱磁場不斷加強。由於摩擦生熱的消耗，磁場增加到一定程度就穩定下來，形成了現在的地磁場。
還有一種假說認為：鐵磁質在770℃（居里溫度）的高溫中磁性會完全消失。在地層深處的高溫狀態下，鐵會達到並超過自身的熔點呈現液態，決不會形成地球磁場。而應用「磁現象的電本質」來做解釋，認為按照物理學研究的結果，高溫、高壓中的物質，其原子的核外電子會被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高溫和360萬個大氣壓的環境中會有大量的電子逃逸出來，地幔間會形成負電層。按照麥克斯韋的電磁理論：電動生磁，磁動生電。所以，要形成地球南北極式的磁場，必然需要形成旋轉的電場，而地球自轉必然會造成地幔負電層旋轉，即旋轉的負電場，磁場由此而生。
地磁場對生物活動的影響
像海龜、鯨魚、候鳥等眾多遷徙動物均能走南闖北，每年可旅行幾千公里，中途往往還要經過汪洋大海，但是還能測定精確的位置。科學家們發現，海龜能通過地球磁場和太陽及其他星體的位置來辨別方向。但對於遷徙中的海龜來說，僅有「方向感」是不夠的，它們可能還有一張「地圖」，用於明確自己的地理位置，最終到達某個特定的目的地。美國北卡羅來納大學查珀爾希爾分校的肯洛曼研究小組發現，綠海龜對不同地理位置間的地磁場強度、方向的差別十分「敏感」，它們能通過地磁場為自己繪制一張地圖。
信鴿能在遙遠的地方飛回而不迷失方向，也是由於地磁的幫助
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。
地磁場圖記錄了地球表面各點的地磁場的基本數據和它們的變化規律，它是航海、航空、軍事以及地質工作不可缺少的工具。船舶和飛機航行時，用磁羅盤測得的是地磁方位角，因此只有知道了當時當地的磁偏角數值，才能確定地理方位和航行路線。
一般來說，地磁要素的變化是很小的，但是跟太陽活動有密切聯系的磁暴現象，卻發生得十分突然。這是因為太陽黑子活動劇烈的時候，放出的能量相當於幾十萬顆氫彈爆炸的威力，同時噴射出大量帶電粒子。這些帶電粒子射到地球上形成的強大磁場迭加到地磁場上，使正常情況下的地磁要素發生急劇變化，引起「磁暴」。發生磁暴時，地球上會發生許多奇異的現象。在漆黑的北極上空會出現美麗的極光。指南針會搖擺不定，無線電短波廣播突然中斷，依靠地磁場「導航」的鴿子也會迷失方向，四處亂飛。地磁場能阻擋宇宙射線和來自太陽的高能帶電粒子，是生物體免遭危害的天然保護傘。
所以這個「超巨」的地磁場，對地球形成了一個「保護盾」，減少了來自太空的宇宙射線的侵襲，地球上生物才得以生存滋長。如果沒有了這個保護盾，外來的宇宙射線，會將最初出現在地球上的生命幼苗全部殺死，根本無法在地球上滋生。
地球上某些地區的岩石和礦物具有磁性，地磁場在這些埋藏礦物的區域會發生劇變，利用這種地磁異常可探測礦藏，尋找鐵、鎳、鉻、金以及石油等地下資源。
在發生強烈地震之前，地磁的三要素也都會發生改變，造成地磁局部異常的「震磁效應」。這是由於地殼中的岩石，有許多是具有磁性的，當這些岩石受力變形時，它們的磁性也要跟著變化，從而可以較正確地作出「震前預報」。
地磁場曾經多次翻轉
科學家們通過對海底熔岩的研究發現，地球的磁場曾經發生過多次翻轉。眾所周知，熾熱的岩漿中含有數以萬計的礦物質，就好像一個個「小指南針」。當岩漿冷卻下來後，這些「指南針」也被固定住不再發生變化。這樣，其「南北極」的指向就記錄了當時地球磁場的方向。研究表明，地球磁場平均每50萬年翻轉一次，而最近一次的翻轉發生在78萬年前。由於一百多年來磁場不斷減弱，人們不禁擔心，地球磁場的又一次「大變臉」是否即將來臨？
科學家指出，存在於地核周圍的鐵流體（熔融體）好像一部「發動機」，不停地將巨大的機械能轉化成為電磁能，從而形成了地磁場。而鐵流體有時會形成巨大的漩渦，迫使自己的流向發生變化，這就引起了地球磁場的改變。地磁場的兩極倒轉是一個極其漫長的過程，大約需要5000到7000年才能完成。本來，這不是什麼可怕的事，但是，在此過程中，保護人類免受強烈紫外線輻射的地球磁場將會完全消失，這就將造成極其嚴重的後果。
地球磁極的變換和消失有什麼影響
對於人類和所有生物來說，地磁變換是災難性的。地磁消失後，宇宙中的各種射線都會直達地表，地球上生活的生物將失去「保護傘」，受到強烈輻射的傷害。還有科學家認為，地磁場改變導致染色體畸變，會使動植物發生變異生長。因此，地球磁極的變換是人類面臨的最大的威脅。

J. 高中物理「地磁場」的知識點歸納

地球是一個具有磁場的磁體
地球的磁極和地極相反，1.地理上是上北極下南極。而地球的磁極是上南極下北極。
2.地級是正南正北的，而地球的磁場是偏南偏北，存在磁偏角。
3.地球磁場在歷史上有過幾次互換（科學家考證過）。

由於地球有磁場，且和地極相反，那麼地球表面就有磁感線具體情況如下：
1.磁感線有地理南極發出指向地理的北極（地球內部是相反）。
2.地磁的水平分量總是地理南極指地理的北極。
3.豎直方向南半球向上，北半球向下。
4.赤道平面距地面相等高度個點，磁場強弱相同，方向水平向北。

這就是高中階段能遇見的地磁場的所有知識點，只多不少！
你看明白了嗎？滿意嗎？滿意請給評價好嗎？謝謝！