地磁场是物理哪个学的知识

A. 古地磁学的基本原理

古地磁学研究的核心内容，在于通过测定保存在岩石中的剩余磁性来获得地质时期地球磁场的方向与强度，进而了解地球磁场的演化历史，以及解决有关的地质、地球物理等学科中的许多实际问题。因此，只有掌握必要的地磁学与岩矿磁学的基础知识，才有可能理解古地磁学研究的一般原理。

（一）地磁要素

地球是个近似球形的大磁体，地球磁场是一个矢量场。通常采用直角坐标系或球柱坐标来表示地球磁场的总强度矢量Hr和它的各个分量。现以直角坐标系为例加以说明。

图3-53 地磁要素示意图

如图3-53所示，取坐标系中X轴沿地理子午线方向，令X向北为正；Y轴沿纬圈方向，令向东为正；Z轴沿铅直的上下方向，令向下为正。

由图显而易见，Hr在X、Y、Z各轴上的投影就是Hr的北向分量、东向分量与垂直分量。而Hr在水平面上的投影OB称为水平分量。Hr所在的垂直面BOA称为磁子午面。地理子午面XOZ与磁子午面BOZ之间的夹角∠BOX称为磁偏角，习惯上用符号D表示，其向东为正，向西为负；矢量Hr的方向与水平面之间的夹角AOB称为磁倾角，用符号I表示，在北半球当矢量Hr由地表指向下时，磁倾角为正。

磁倾角I、磁偏角水平分量H、垂直分量Z、东分量Y、北向分量X以及总磁场矢量Hr统称为地磁要素。其中，X、Y、Z和水平分量H称为地磁场的强度分量；D和I称为地球磁场的角分量。

地磁要素间具如下关系：

基岩潜山油气藏储集空间分布规律和评价方法

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

处于地表任意一点上的地磁要素不是固定不变的，它们随时间与空间不同而不断变化，称之为地磁要素的变化。

（二）地磁场基本特征

按照高斯理论的一级近似，地磁场可看作一个位于地球中心的偶极子磁场。根据近期测定，地磁场的偶极距M=7.92×10²²Am²，地磁偶极子轴与地球旋转轴的交角约为 11.5°。如果把地磁轴与地球旋转轴看成重合，有下式关系成立：

基岩潜山油气藏储集空间分布规律和评价方法

式中：θ——地磁余纬度，而地磁纬度L=90°-θ，所以

基岩潜山油气藏储集空间分布规律和评价方法

这个公式表达了磁倾角与地理纬度的关系，就是偶极子磁场的磁力线分布的表达式，是求取地磁极位置的重要公式。

（三）岩矿磁性

岩石是天然矿物的集合体，岩石中的磁性也是组成岩石和各种矿物的磁性的总和，起主导作用的是其中所含的铁磁性矿物。岩石在天然状态下获得并保留下来的磁性矢量称之为岩石天然剩余磁性。由于自然界中影响天然剩余磁性形成的因素很多，所以其磁性组成也十分复杂，既有在岩石形成时获得的原生组分，也有形成后在漫长地质年代中受温度、压力、时间、化学等因素作用而获得的次生组分。对于不同岩石类型获得的原生剩磁组分的方式也是截然不同的，主要有热剩磁（TRM）、碎屑剩磁（DRM）、化学剩磁（CRM）等。一般岩浆岩的原生剩磁主要是TRM。碎屑沉积岩的剩磁主要为DRM，部分为化学剩磁CRM。变质岩由于其形成条件、物质组成和所经历地质过程的复杂性，其原生剩磁的生成机制也较岩浆岩与沉积岩的磁性复杂，尚不能轻易地断言其为哪一种生成方式，必须根据实际情况作具体分析才能确定。

除原生剩磁外，岩石在形成之后，在漫长的地质时代中，在各个时期的地磁场作用下，又不断地受到各种因素，诸如氧化还原环境，特别是强烈的构造运动与热作用的影响，又会附上新的剩磁，形成次生剩磁。其方向是受后期地磁场方向的影响，往往与原生剩磁的方向不一致。后期形成的次生剩余磁性有时还能掩盖原生剩磁组分的方向。在这里要特别提及的是一种完全依赖于时间因素的等温剩磁，在弱的磁场（如强度约为0.5奥斯特的地磁场）中，它的方向平行于外磁场方向，而它的大小与时间的对数成正比关系，这种剩余磁性称之为粘滞剩磁（VRM）。特别是地球磁场最后一次倒转的73万年以后所形成的粘滞剩磁组分，它具有与现代地磁场一致的方向，利用它可以有效地确定井中岩心方向。

B. 地磁场是怎样形成的

地磁场起源 origin of the main geomagnetic field

地球物理学的基本问题之一。自1600年英国的吉伯(W.Gilbert)提出“地球是一个巨大的磁石”开始,有关地磁场起源的推测已有近400年的历史,但至今仍未获得圆满解决。

简史 地磁场的主要部分犹如一个近似沿自转轴方向均匀磁化的球体的磁场。因此“永久磁石说”就成为地磁场成因最早和最自然的猜测。当地球物理学家提出地核可能是由铁、镍等强磁性物质组成的时候，这种猜测似乎得到了支持。然而地球内部的温度远超过铁的居里点（见岩石磁性），所以这个假说不能成立。继而有人曾企图借助于带电地球的旋转、回转磁效应、温差电流以及感应电流等物理效应来解释地磁场，但其量值都远远不够大。例如根据回转磁效应，地球由于自转获得的磁化强度约为10-10电磁单位，比与地磁场相当的均匀磁化球体的磁化强度7.2×10-2约小 9个数量级。鉴于从已有的物理规律找不到答案，有人开始探索新的规律。1947年英国物理学家布莱克特（P.M.S.Blackett）发现，当时测定的太阳、室女星座78号星和地球 3个天体的磁矩M和角动量P满足关系，其中G为万有引力常数,c为光速，β为比例常数，约为0.25。布莱克特把这个关系设想为物理学的一个新定律，作为地磁场起源的解释，称为“巨大转体说”。由于有 3个天体的支持，这个假说曾一度引起广泛的关注。为证实这一结果，布莱克特专门设计了一种测弱磁场的高灵敏度仪器，但实验结果是否定的，所以布莱克特本人声明放弃他的假说。

与上述各种推测同时出现的是“自激发电机说”。1919年拉莫尔（J.Larmor）首先提出了旋转的导电流体维持自激发电机的可能性，这是关于地磁场起源的自激发电机说的最早概念。而较为系统的论述，则是40年代末和50年代初由埃尔萨塞 (W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)等人完成的，称为埃尔萨塞－帕克模型和布拉德过程。随着大型计算机的应用，使更复杂的磁流体动力学的计算成为现实。60年代后期发现，布拉德过程是不稳定的。这使得曾被认为极有希望的“自激发电机说”陷入了危机。直到1970年，利利(F.E.M.Lilley)修正了布拉德过程的运动模式，才使得稳定的“自激发电机说”再度有了可能。60年代古地磁学的数据肯定了地磁场在漫长的地质时期经历了多次倒转的事实，地磁场极性的正向与反向的历史并没有显示出哪种极性更具有特殊性。这是除“自激发电机说”以外，其他关于地磁成因的假说所难以解释的。地球具有磁场在天体中并不特殊，太阳系九大行星中至少有木星、水星具有与地球磁场相类似的内源磁场。太阳和许多恒星也具有磁场。60～70年代帕克的研究说明，地磁场起源的模式可能对其他天体也适用。据此，人们现在认为“自激发电机说”是解释地磁成因的最有希望的理论。

原理 地核内磁流体动力学的研究思路是导电流体和磁场的相互作用如何改变原始的磁场和运动状态，这是“自激发电机说”的基础。

导电流体和磁场的相互作用，在数学上也就是电磁场方程与流体运动方程的耦合。在磁场中运动的导电流体，根据法拉第电磁感应定律，将在随流体运动的回路里产生感应电动势。若导体是电导率为无穷大的理想导体，感应电流将为无穷大，这显然是不可能的。如果任意运动回路中的磁通量不变，磁力线必然随流体一起运动，犹如磁力线与流体牢固地粘在一起。这个现象称为磁场的“冻结”效应，即磁场与流体完全冻结起来。这时磁场所满足的方程称为“冻结方程”。当流体的电导率为有限时，除不断有焦耳热损耗外，磁场还将不断由强的区域向弱的区域扩散。因此在一般情况下，导电流体中的磁场既受冻结效应的控制，又将不断扩散。这时满足的方程称为“扩散冻结方程”。冻结和扩散两种效应，除与电导率（λ）有关外，还与流体的速度（v）和尺度 (L)有关。在电磁流体力学中，定义无量纲常数为磁粘滞系数。RM>>1时，流体中冻结效应将是主要的；RM<<1时，扩散现象将占优势。

由于磁场的存在，流体运动方程中除原有的作用力外，还将增加电磁力。运动和磁场方程相互耦合的媒介就是电磁力。

导电流体在磁场中运动,将产生感应电流,从而改变原有磁场。如果运动适当，有可能维持某种稳定的磁场。这个过程如同通常的发电机，导电流体相当于发电机的线圈，因此把维持磁场的这种假说称为“发电机说”。当然除这种简单的相似外，两者的过程是完全不同的。在磁流体过程中,由于运动和磁场的耦合,电磁方程和流体运动方程都将成为非线性方程。至今求解这样复杂的非线性方程组仍然是困难的。为此通常把运动和磁场的耦合作为微扰处理，分别求解运动方程和电磁方程。这时两个方程仍为线性方程，相应于方程的“发电机”则称为“线性发电机”。

若地核中产生的地磁场被激发后自由衰减，其衰减寿命约为104年。但古地磁学中已经测到的最老的磁性岩石年龄接近109年，这说明地磁场的寿命远远超出它的自由衰减寿命。为维持这样长寿命的地磁场，必须不断提供能量以补偿焦耳热损耗。地核中的能量来源，以及提供的能量维持怎样的运动才能获得长时间稳定的地磁场，是发电机说要回答的两个基本问题。

地核的电导率是地球内部电导率最高的，约为 3×10-6电磁单位。地磁非偶极场成分的西向漂移表明,非偶极场源有相对于地幔的运动，其速度量级为20公里每年。这要比被地质现象所证实的固体地壳的运动高 5个量级，因此从焦耳热损耗和运动量级考虑，液体地核是地磁发电机最有利的场所。

发电机的能量图像 根据液核中磁流体动力学原理可知,发电机的能量转换过程是运动能与磁能的转换,其转换媒介是电磁力。运动反抗这种电磁力做功将对系统提供能量，其中一部分用来补偿焦耳热损耗，剩余的用来增加系统的磁场能量和向核外输送电磁能从而改变核内与核外的磁场。这一过程可以用方程 ：

表示。方程式右端为电磁力，其中j 为电流密度； （对整个液核积分）代表运动(V)反抗电磁力做功；WH为液核中的总磁能；Jσ为液核中的焦耳热损耗率；FE为单位时间内通过液核表面向外输送的电磁能。对于稳定发电机，核内和核外磁场不随时间变化，方程变为： Jσ=AH,

即运动反抗电磁力做功所提供的能量全部用来补偿焦耳热损耗。

运动能量提供的方式与作用力有关。产生运动的力除电磁力外，主要是重力与流体静压力，液核内力学能量的转换方程为： ,

其中为液核总动能的减少率;FP为流体静压力通过液核表面向核内的能量输送率，重力做功在核内和表面上都将产生位能的释放；FG是在液核表面上由于质量交换所产生的位能释放率，例如地幔物质由于重力分异落入地核产生的能量交换即属此类；Gτ是由于沿着介质运动方向密度不均匀性产生的位能释放，热对流即属此类。发电机过程中流体运动反抗电磁力做功，或者以系统的动能减少为代价，或者由重力位能的释放和表面流体静压力做功来提供，当然也可以是几种因素的综合效果。当系统稳定时， FP+FG+Gτ=AH=Jσ,

这时重力位能的释放与流体静力做功全部用来补偿焦耳热损耗。非稳定状态下的能量转换方程则是： ,

由地核内磁场的总能量(WH)和磁场的自由衰减时间，可以估计液核中焦耳热损耗 (Jσ)约为1017尔格／秒。很显然，这个量级应是维持发电机所必需的最低限度的能量提供率。

能量来源 早期埃尔萨塞和布拉德都假定，长寿命放射性元素所维持的热对流是发电机能量的提供者。由Gτ可以估计,要提供1017尔格／秒的能量，则地核中单位质量的生热率需高达 100尔格／（克·秒）。而由地面总热流计算地壳中放射性元素的生热率仅有10-3～10-1尔格／（克·秒），两者相差几个量级，显然是不合理的。有人主张内核是由液态核凝固而成，这个过程至今还在继续，它所放出的潜热将维持热核的热对流，这同样会遇到量级上的困难。1968年马尔库斯(W.V.R.Malkus)由实验证实，在地球的进动过程中由于地幔与地核动力扁度的差异（见地球自转），两者将有不同的进动角速度，前者快于后者。由于地球是一个扁球体，地幔将迫使地核有相同运动的趋势，这时地幔通过FP对地核提供能量，可以维持地磁发电机。近年也有人对此提出异议，认为其量级远远不够。还有人主张若地球深部的化学分异和重力分异仍在进行,则重力位能的释放(Gτ,FG)将提供能量。可见，地核中的各种可能的能量来源，无不涉及地球演化与地球内部的物理状态等地球物理基本问题，在目前要得到满意的解答是困难的。

维持地磁场的物理模式 不管地核内的动力来源如何，只要液核内存在径向运动，由于处于深层的物质具有较小的角动量，内外层物质交换的结果，角动量守恒将使得外层转动角速度变慢而内层变快。从与地球一起转动的坐标系看，径向运动受到科里奥利力的作用。这个力矩在自转轴方向的分量是使内层和外层转动速度发生变化的动力。为考察沿径向的角速度差异的磁流体力学效应，将连续分布的角速度差异简化为具有不同角速度的A和B两层，外层A角速度为ωA，内层B角速度为ωB。设ωB>ωA,这称为刚体液核模型。设液核中有原始的微弱磁场。考虑到星际磁场弥漫于整个星际空间，这种原始磁场的存在是有可能的。由于磁场的冻结效应，磁力线将随地核一起运动。如图1所示，原始磁场的磁力线将由于A、B两层的差速转动而被拉伸，形成沿绕纬圈方向的磁场。图1a为相对运动从开始经过半周[[Image:]]到一周[[Image: ]]时磁力线被拉伸的过程。自然,随着磁力线的伸长，磁力线反抗这种拉伸的张力也不断增加。这种过程一再反复，直到磁力线张力所产生的恢复力矩与由于对流所产生的机械力矩（科里奥利力）相对平衡时，磁场成为如图1b所示的形态，相对角速度也将维持一个稳定的常数。液核内形成如图1b所示的磁场没有径向分量，磁力线完全位于同一个球面上，这种场称为环型场。图1b所示的环型场在南北半球方向相反。由上述两个力矩的平衡可估计这种环型场的量级。考虑到磁场的冻结效应，传统看法都认为核内将有很强的环型场,布拉德计算得到的环型场可高达500高斯。最近也有人对这种高强度的环型场的存在提出异议。由于环型场没有径向分量,不管它强度多大,对于我们感兴趣的径向分量很强的核外偶极场都不会有所贡献。上述过程对外没有电磁能的输送。以上仅考虑了与径向运动相应的差速转动所产生的磁效应，而没有考虑径向运动本身的磁效应。与差速转动相似，由于冻结效应，径向运动与环型场相互作用又将环型场拖起或拉弯，形成如图2所示的磁力线环。上述科里奥利力V=2r×(V×w),除有沿地球转轴方向的力矩外（使得液核角速度改变）,还将有同转轴方向垂直的分量,这个力矩将把磁力线环从纬度方向（图1）扭转到子午面内。对向上、向下的运动，所受力矩方向相反；同样在南半球与北半球，这个力矩方向也相反。因此尽管对应于上、下运动的磁力线环方向相反，南北半球的线环方向也不同，但在这一力矩的作用下,子午面内的磁环将是同序的逆时针方向（图3）。与环型场不同，被扭曲的磁场已经有了与初始微弱磁场同向的分量，这样的元过程遍布液核各处，统计结果，有可能加强原始微弱磁场。上述过程称为埃尔萨塞－帕克模型。除这个模型外，还有着名的布拉德-格尔曼-利利过程，它与埃尔萨塞模型有相似的物理图像。无论是埃尔萨塞或布拉德模型都可通过求解线性磁流体力学方程，从数学理论上证明稳定发电机的存在。由此可知，即使是大大地简化了的物理图像，也涉及到地核中很复杂的过程。一般发电机过程将涉及地核中更为复杂的湍流运动，因此有人称它为“湍流发电机”。

地磁场的倒转属于非稳态发电机的内容，至今还没有如上述稳态发电机那样全过程的描述。若液核中的对流涡旋运动受到扰动将有可能使磁场极性反转。例如帕克曾证明，若液核中南北纬度25°之间的涡旋运动普遍消失，则地磁场将倒转。也有人主张地磁场倒转是非线性发电机过程的固有性质，即磁场和运动相互耦合，到一定程度线性发电机不再维持，非线性作用将有可能使地磁场倒转。

无论稳态和非稳态发电机过程学说，目前都很不完善。关于地磁场起源问题仍处于研究阶段

C. 初三物理磁学 主要学什么

初三物理磁学主要学磁体、磁极、磁场、电流的磁场：奥斯特实验表明电流周围存在磁场。

1、磁体、磁极（同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引）

物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫磁性。具有磁性的物质叫磁体。磁体的磁极总是成对出现的。

2、磁场：磁体周围空间存在着一个对其它磁体发生作用的区域。磁场的基本性质是对放入其中的磁体产生磁力的作用。磁场方向：小磁针静止时N极所指的方向就是该点的磁场方向。磁体周围磁场用磁感线来表示。地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近。

3、电流的磁场：奥斯特实验表明电流周围存在磁场。

通电螺线管对外相当于一个条形磁铁。通电螺线管中电流的方向与螺线管两端极性的关系可以用右手螺旋定则来判定。(这种判定方式就是着名的安培定则）

(3)地磁场是物理哪个学的知识扩展阅读

磁学和电学有着直接的联系。经典磁学认为如同电荷一样，自然界中存在着独立的磁荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而现代磁学则认为环形电流元是磁极产生的根本原因，相同的磁极互相排斥，不同的磁极互相吸引。

利用地磁场进行磁化的方法，包含有丰富的科学道理。近代科学表明，磁铁的磁性是由磁畴的规则排列形成的，非磁铁由于磁畴排列杂乱无章而不具磁性。鱼形薄铁片烧红以后，内部磁畴活动加剧，沿南北方向放置，可以在强大的地磁场作用下，使磁畴顺着地磁场的方向排列。

至于鱼尾稍微向下倾斜，是由于地球磁场的磁倾角作用，可以增大磁化的程度，这也反映了当时中国已经发现了地球的磁倾角。欧洲人用同样的方法进行人工磁化，比中国晚了四百多年，磁偏角的发现是哥伦布在航海探险中于1492年发现的，而磁倾角的发现则还要更晚一些时候。

D. 地磁学基本原理

岩石在形成的过程中，受当时地磁场的作用，磁性颗粒沿该磁场方向定向排列，记录了其方向和强度，岩石形成后，一部分磁性在漫长的地质历史时期逐渐失去，而一部分却以非常稳定的状态保留下来，成为研究岩石形成时地磁场状况的直接资料。通过古地磁的研究，可以认识和勾画地质历史时期和人类历史时期的地磁场，为地质研究提供磁学依据。从地磁角度去解决地质、构造等方面的问题，广泛应用于海底扩张、大陆漂移、磁性地层学、考古磁学、古纬度等方面的研究。

1.地磁场

地球有其固有的磁性，在地球和近地空间存在着的磁场，称为地磁场。在地球表面上所观测到的地磁场是由偶极子场、非偶极子场、异常场、外场源及变化场构成。关于地球磁场的成因问题，一直是地球物理研究中一个悬而未决的课题。人们对地磁场成因的观点不一，大多数学者都将地球磁场看成是均匀磁化球体磁场，认为地球磁轴与地球的旋转轴近似重合，且地球的内部划分为固态地壳、地幔和液态的地核，而地核的中央部分又转变为固态核心等，以此来作为各种推断的依据。最新地磁场研究表明，地球内核磁流体运动产生的地球磁场具有明显的偶极子磁场特征，占主导地位的(约90%)地球表面磁场可以看成是一个位于地核中心的偶极子场产生的磁场(杨振宇，2002)。

2.地磁要素

地球的磁场与其他场的描述一样，也是一个矢量。通常情况下采用直角坐标系来表示地球磁场的总强度H_t和它的各个分量(图3-1)。

图3-1 地磁要素示意图(据刘椿，1991)

从图3-1中可以看出，坐标系中X轴沿地理子午线方向，Y轴沿着纬圈方向，Z轴垂直X轴和Y轴的平面。令X向北的方向为正，Y向东的方向为正，Z向下为正。H_t

在X、Y、Z轴上的投影就是H_t的北向、东向和垂直分量。H_t所在的垂直平面BOZ(即BOA)称为磁子午面，地理子午面XOZ与磁子午面BOZ之间的夹角BOX称为磁偏角(D)，其向东为正，向西为负;矢量H_t的方向与水平面之间的夹角AOB称为磁倾角(I)，在北半球，H_t由地表指向下时，I为正值，在南半球，H_t指向上时，磁倾角为负值。

磁偏角D，磁倾角I，地磁场水平分量H_h、垂直分量H_Z、东向分量H_Y、北向分量H_X及总强度H_t统称为地磁要素。处在地球上任意一点的地球磁场各个要素是随时间和空间的不同而不断变化的。地磁要素之间具有如下关系:

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. 什么是地球磁场

磁场
magnetic field
电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。
与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B ，也可以用磁力线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。
电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体，电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。
磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的，地球，恒星(如太阳)，星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程，必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。

电磁场
electromagnetic field

有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称 。随时间变化的电场产生磁场 ， 随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

地磁场
geomagnetic field
从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识，来源于天然磁石和磁针的指极性。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的。这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。

地磁场是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的地磁要素。常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度F，水平强度H，垂直强度Z，X和Y分别为H的北向和东向分量，D和I分别为磁偏角和磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。在现代的地磁场观测中，地磁台一般只记录H，D，Z或X，Y，Z。
近地空间的地磁场，像一个均匀磁化球体的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯，所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马（γ），即10高斯。1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位，1高斯＝10特斯拉（T），1伽马＝10特斯拉＝1纳特斯拉（nT），简称纳特。地磁场虽然很弱，但却延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。
地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，并且很微弱。
地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90％，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程，即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10％。地磁异常又分为区域异常和局部异常，与岩石和矿体的分布有关。
地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐分析用于变化磁场，可将这种内、外场区分开。根据变化磁场的内、外场相互关系，可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域，叫做地球电磁感应。
地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关，所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义

F. 地球磁场是怎么产生的

一种关于地球磁场成因的假说认为：地球磁场的形成原因和其它行星的磁场的形成原因是类似的，地球或其它行星由于某种原因而带上了电荷或者导致各个圈层间电荷分布不均匀。

这些电荷由于随行星的自转而做圆周运动，由于运动的电荷就是电流，电流必然产生磁场。这个产生的磁场就是行星的磁场，地球的磁场也是类似的原因产生的。这个假说和各个行星磁场的有无和强弱现象符合。

(6)地磁场是物理哪个学的知识扩展阅读

地球磁场对于地球的生命起到非常重要的作用，它可以使我们免受紫外线、宇宙射线、太阳风暴的照射，而且它会保护地球的大气层。

而火星它的内部由于不存在着液态金属，使得它的磁场非常的弱小，在经过数千次撞击后，最终它的磁场消散，不到10亿年的时间，火星的大气层就被太阳剥离了。所以火星才不具备居住生物的条件。

G. 高中物理“地磁场”的知识点归纳

地球是一个具有磁场的磁体
地球的磁极和地极相反，1.地理上是上北极下南极。而地球的磁极是上南极下北极。
2.地级是正南正北的，而地球的磁场是偏南偏北，存在磁偏角。
3.地球磁场在历史上有过几次互换(科学家考证过)。
由于地球有磁场，且和地极相反，那么地球表面就有磁感线具体情况如下:
1.磁感线有地理南极发出指向地理的北极(地球内部是相反)。
2.地磁的水平分量总是地理南极指地理的北极。
3.竖直方向南半球向上，北半球向下。
4.赤道平面距地面相等高度个点，磁场强弱相同，方向水平向北。
这就是高中阶段能遇见的地磁场的所有知识点，只多不少!
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H. 地磁场定义

地球可视为一个磁偶极（magnetic dipole），其中一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。地磁场的成因或许可以由发电机原理解释。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈[1](magnetosphere)。 地球磁圈对地球而言有屏障太阳风所挟带的带电粒子的作用。地球磁圈在白昼区(向日面)受到带电粒子的力影响而被挤压，在地球黑夜区(背日面)则向外伸出。(图片未按照比例显示。) 为什么磁体能指南北呢？原来地球是一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场一样。如右图所示。 地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。 行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。 地磁场强度大约是500-600毫高斯,也就是5-6*E-5特斯拉
地磁场我国宋代科学家沈括（1034——1094）在公元1086年写的《梦溪笔谈》中，最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在1600年着的《磁体》一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记了下来，同时创造性地作了划时代的实验：把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了一个理论：认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。
地球存在磁场的原因还不为人所知，普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。1945年，物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。 还有一种假说认为：铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，决不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。 地磁场起源 origin of the main geomagnetic field 地球物理学的基本问题之一。自1600年英国的吉伯(W.Gilbert)提出“地球是一个巨大的磁石”开始,有关地磁场起源的推测已有近400年的历史,但至今仍未获得圆满解决。 简史 地磁场的主要部分犹如一个近似沿自转轴方向均匀磁化的球体的磁场。因此“永久磁石说”就成为地磁场成因最早和最自然的猜测。当地球物理学家提出地核可能是由铁、镍等强磁性物质组成的时候，这种猜测似乎得到了支持。然而地球内部的温度远超过铁的居里点（见岩石磁性），所以这个假说不能成立。继而有人曾企图借助于带电地球的旋转、回转磁效应、温差电流以及感应电流等物理效应来解释地磁场，但其量值都远远不够大。例如根据回转磁效应，地球由于自转获得的磁化强度约为10-10电磁单位，比与地磁场相当的均匀磁化球体的磁化强度7.2×10-2约小 9个数量级。鉴于从已有的物理规律找不到答案，有人开始探索新的规律。1947年英国物理学家布莱克特（P.M.S.Blackett）发现，当时测定的太阳、室女星座78号星和地球 3个天体的磁矩M和角动量P满足关系，其中G为万有引力常数,c为光速，β为比例常数，约为0.25。布莱克特把这个关系设想为物理学的一个新定律，作为地磁场起源的解释，称为“巨大转体说”。由于有 3个天体的支持，这个假说曾一度引起广泛的关注。为证实这一结果，布莱克特专门设计了一种测弱磁场的高灵敏度仪器，但实验结果是否定的，所以布莱克特本人声明放弃他的假说。 与上述各种推测同时出现的是“自激发电机说”。1919年拉莫尔（J.Larmor）首先提出了旋转的导电流体维持自激发电机的可能性，这是关于地磁场起源的自激发电机说的最早概念。而较为系统的论述，则是40年代末和50年代初由埃尔萨塞 (W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)等人完成的，称为埃尔萨塞－帕克模型和布拉德过程。随着大型计算机的应用，使更复杂的磁流体动力学的计算成为现实。60年代后期发现，布拉德过程是不稳定的。这使得曾被认为极有希望的“自激发电机说”陷入了危机。直到1970年，利利(F.E.M.Lilley)修正了布拉德过程的运动模式，才使得稳定的“自激发电机说”再度有了可能。60年代古地磁学的数据肯定了地磁场在漫长的地质时期经历了多次倒转的事实，地磁场极性的正向与反向的历史并没有显示出哪种极性更具有特殊性。这是除“自激发电机说”以外，其他关于地磁成因的假说所难以解释的。地球具有磁场在天体中并不特殊，太阳系九大行星中至少有木星、水星具有与地球磁场相类似的内源磁场。太阳和许多恒星也具有磁场。60～70年代帕克的研究说明，地磁场起源的模式可能对其他天体也适用。据此，人们现在认为“自激发电机说”是解释地磁成因的最有希望的理论。 原理 地核内磁流体动力学的研究思路是导电流体和磁场的相互作用如何改变原始的磁场和运动状态，这是“自激发电机说”的基础。 导电流体和磁场的相互作用，在数学上也就是电磁场方程与流体运动方程的耦合。在磁场中运动的导电流体，根据法拉第电磁感应定律，将在随流体运动的回路里产生感应电动势。若导体是电导率为无穷大的理想导体，感应电流将为无穷大，这显然是不可能的。如果任意运动回路中的磁通量不变，磁力线必然随流体一起运动，犹如磁力线与流体牢固地粘在一起。这个现象称为磁场的“冻结”效应，即磁场与流体完全冻结起来。这时磁场所满足的方程称为“冻结方程”。当流体的电导率为有限时，除不断有焦耳热损耗外，磁场还将不断由强的区域向弱的区域扩散。因此在一般情况下，导电流体中的磁场既受冻结效应的控制，又将不断扩散。这时满足的方程称为“扩散冻结方程”。冻结和扩散两种效应，除与电导率（λ）有关外，还与流体的速度（v）和尺度 (L)有关。在电磁流体力学中，定义无量纲常数为磁粘滞系数。RM>>1时，流体中冻结效应将是主要的；RM<<1时，扩散现象将占优势。 由于磁场的存在，流体运动方程中除原有的作用力外，还将增加电磁力。运动和磁场方程相互耦合的媒介就是电磁力。 导电流体在磁场中运动,将产生感应电流,从而改变原有磁场。如果运动适当，有可能维持某种稳定的磁场。这个过程如同通常的发电机，导电流体相当于发电机的线圈，因此把维持磁场的这种假说称为“发电机说”。当然除这种简单的相似外，两者的过程是完全不同的。在磁流体过程中,由于运动和磁场的耦合,电磁方程和流体运动方程都将成为非线性方程。至今求解这样复杂的非线性方程组仍然是困难的。为此通常把运动和磁场的耦合作为微扰处理，分别求解运动方程和电磁方程。这时两个方程仍为线性方程，相应于方程的“发电机”则称为“线性发电机”。 若地核中产生的地磁场被激发后自由衰减，其衰减寿命约为104年。但古地磁学中已经测到的最老的磁性岩石年龄接近109年，这说明地磁场的寿命远远超出它的自由衰减寿命。为维持这样长寿命的地磁场，必须不断提供能量以补偿焦耳热损耗。地核中的能量来源，以及提供的能量维持怎样的运动才能获得长时间稳定的地磁场，是发电机说要回答的两个基本问题。 地核的电导率是地球内部电导率最高的，约为 3×10-6电磁单位。地磁非偶极场成分的西向漂移表明,非偶极场源有相对于地幔的运动，其速度量级为20公里每年。这要比被地质现象所证实的固体地壳的运动高 5个量级，因此从焦耳热损耗和运动量级考虑，液体地核是地磁发电机最有利的场所。 发电机的能量图像 根据液核中磁流体动力学原理可知,发电机的能量转换过程是运动能与磁能的转换,其转换媒介是电磁力。运动反抗这种电磁力做功将对系统提供能量，其中一部分用来补偿焦耳热损耗，剩余的用来增加系统的磁场能量和向核外输送电磁能从而改变核内与核外的磁场。这一过程可以用方程 ： 表示。方程式右端为电磁力，其中j 为电流密度； （对整个液核积分）代表运动(V)反抗电磁力做功；WH为液核中的总磁能；Jσ为液核中的焦耳热损耗率；FE为单位时间内通过液核表面向外输送的电磁能。对于稳定发电机，核内和核外磁场不随时间变化，方程变为： Jσ=AH, 即运动反抗电磁力做功所提供的能量全部用来补偿焦耳热损耗。 运动能量提供的方式与作用力有关。产生运动的力除电磁力外，主要是重力与流体静压力，液核内力学能量的转换方程为： , 其中为液核总动能的减少率;FP为流体静压力通过液核表面向核内的能量输送率，重力做功在核内和表面上都将产生位能的释放；FG是在液核表面上由于质量交换所产生的位能释放率，例如地幔物质由于重力分异落入地核产生的能量交换即属此类；Gτ是由于沿着介质运动方向密度不均匀性产生的位能释放，热对流即属此类。发电机过程中流体运动反抗电磁力做功，或者以系统的动能减少为代价，或者由重力位能的释放和表面流体静压力做功来提供，当然也可以是几种因素的综合效果。当系统稳定时， FP+FG+Gτ=AH=Jσ, 这时重力位能的释放与流体静力做功全部用来补偿焦耳热损耗。非稳定状态下的能量转换方程则是： , 由地核内磁场的总能量(WH)和磁场的自由衰减时间，可以估计液核中焦耳热损耗 (Jσ)约为1017尔格／秒。很显然，这个量级应是维持发电机所必需的最低限度的能量提供率。 能量来源 早期埃尔萨塞和布拉德都假定，长寿命放射性元素所维持的热对流是发电机能量的提供者。由Gτ可以估计,要提供1017尔格／秒的能量，则地核中单位质量的生热率需高达 100尔格／（克·秒）。而由地面总热流计算地壳中放射性元素的生热率仅有10-3～10-1尔格／（克·秒），两者相差几个量级，显然是不合理的。有人主张内核是由液态核凝固而成，这个过程至今还在继续，它所放出的潜热将维持热核的热对流，这同样会遇到量级上的困难。1968年马尔库斯(W.V.R.Malkus)由实验证实，在地球的进动过程中由于地幔与地核动力扁度的差异（见地球自转），两者将有不同的进动角速度，前者快于后者。由于地球是一个扁球体，地幔将迫使地核有相同运动的趋势，这时地幔通过FP对地核提供能量，可以维持地磁发电机。近年也有人对此提出异议，认为其量级远远不够。还有人主张若地球深部的化学分异和重力分异仍在进行,则重力位能的释放(Gτ,FG)将提供能量。可见，地核中的各种可能的能量来源，无不涉及地球演化与地球内部的物理状态等地球物理基本问题，在目前要得到满意的解答是困难的。 维持地磁场的物理模式 不管地核内的动力来源如何，只要液核内存在径向运动，由于处于深层的物质具有较小的角动量，内外层物质交换的结果，角动量守恒将使得外层转动角速度变慢而内层变快。从与地球一起转动的坐标系看，径向运动受到科里奥利力的作用。这个力矩在自转轴方向的分量是使内层和外层转动速度发生变化的动力。为考察沿径向的角速度差异的磁流体力学效应，将连续分布的角速度差异简化为具有不同角速度的A和B两层，外层A角速度为ωA，内层B角速度为ωB。设ωB>ωA,这称为刚体液核模型。设液核中有原始的微弱磁场。考虑到星际磁场弥漫于整个星际空间，这种原始磁场的存在是有可能的。由于磁场的冻结效应，磁力线将随地核一起运动。如图1所示，原始磁场的磁力线将由于A、B两层的差速转动而被拉伸，形成沿绕纬圈方向的磁场。图1a为相对运动从开始经过半周[[Image:]]到一周[[Image: ]]时磁力线被拉伸的过程。自然,随着磁力线的伸长，磁力线反抗这种拉伸的张力也不断增加。这种过程一再反复，直到磁力线张力所产生的恢复力矩与由于对流所产生的机械力矩（科里奥利力）相对平衡时，磁场成为如图1b所示的形态，相对角速度也将维持一个稳定的常数。液核内形成如图1b所示的磁场没有径向分量，磁力线完全位于同一个球面上，这种场称为环型场。图1b所示的环型场在南北半球方向相反。由上述两个力矩的平衡可估计这种环型场的量级。考虑到磁场的冻结效应，传统看法都认为核内将有很强的环型场,布拉德计算得到的环型场可高达500高斯。最近也有人对这种高强度的环型场的存在提出异议。由于环型场没有径向分量,不管它强度多大,对于我们感兴趣的径向分量很强的核外偶极场都不会有所贡献。上述过程对外没有电磁能的输送。以上仅考虑了与径向运动相应的差速转动所产生的磁效应，而没有考虑径向运动本身的磁效应。与差速转动相似，由于冻结效应，径向运动与环型场相互作用又将环型场拖起或拉弯，形成如图2所示的磁力线环。上述科里奥利力V=2r×(V×w),除有沿地球转轴方向的力矩外（使得液核角速度改变）,还将有同转轴方向垂直的分量,这个力矩将把磁力线环从纬度方向（图1）扭转到子午面内。对向上、向下的运动，所受力矩方向相反；同样在南半球与北半球，这个力矩方向也相反。因此尽管对应于上、下运动的磁力线环方向相反，南北半球的线环方向也不同，但在这一力矩的作用下,子午面内的磁环将是同序的逆时针方向（图3）。与环型场不同，被扭曲的磁场已经有了与初始微弱磁场同向的分量，这样的元过程遍布液核各处，统计结果，有可能加强原始微弱磁场。上述过程称为埃尔萨塞－帕克模型。除这个模型外，还有着名的布拉德-格尔曼-利利过程，它与埃尔萨塞模型有相似的物理图像。无论是埃尔萨塞或布拉德模型都可通过求解线性磁流体力学方程，从数学理论上证明稳定发电机的存在。由此可知，即使是大大地简化了的物理图像，也涉及到地核中很复杂的过程。一般发电机过程将涉及地核中更为复杂的湍流运动，因此有人称它为“湍流发电机”。 地磁场的倒转属于非稳态发电机的内容，至今还没有如上述稳态发电机那样全过程的描述。若液核中的对流涡旋运动受到扰动将有可能使磁场极性反转。例如帕克曾证明，若液核中南北纬度25°之间的涡旋运动普遍消失，则地磁场将倒转。也有人主张地磁场倒转是非线性发电机过程的固有性质，即磁场和运动相互耦合，到一定程度线性发电机不再维持，非线性作用将有可能使地磁场倒转。 无论稳态和非稳态发电机过程学说，目前都很不完善。关于地磁场起源问题仍处于研究阶段
[编辑本段]地磁场对生物活动的影响
像海龟、鲸鱼、候鸟等众多迁徙动物均能走南闯北，每年可旅行几千公里，中途往往还要经过汪洋大海，但是还能测定精确的位置。科学家们发现，海龟能通过地球磁场和太阳及其他星体的位置来辨别方向。但对于迁徙中的海龟来说，仅有“方向感”是不够的，它们可能还有一张“地图”，用于明确自己的地理位置，最终到达某个特定的目的地。美国北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的肯洛曼研究小组发现，绿海龟对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，它们能通过地磁场为自己绘制一张地图。 信鸽能在遥远的地方飞回而不迷失方向，也是由于地磁的帮助 地磁场的强弱叫地磁感（应）强度，地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角，地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角，这三个物理量称为“地磁三要素”。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方，地磁要素的变化一般都十分微小。 地磁场图记录了地球表面各点的地磁场的基本数据和它们的变化规律，它是航海、航空、军事以及地质工作不可缺少的工具。船舶和飞机航行时，用磁罗盘测得的是地磁方位角，因此只有知道了当时当地的磁偏角数值，才能确定地理方位和航行路线。 一般来说，地磁要素的变化是很小的，但是跟太阳活动有密切联系的磁暴现象，却发生得十分突然。这是因为太阳黑子活动剧烈的时候，放出的能量相当于几十万颗氢弹爆炸的威力，同时喷射出大量带电粒子。这些带电粒子射到地球上形成的强大磁场迭加到地磁场上，使正常情况下的地磁要素发生急剧变化，引起“磁暴”。发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象。在漆黑的北极上空会出现美丽的极光。指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。地磁场能阻挡宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子，是生物体免遭危害的天然保护伞。 所以这个“超巨”的地磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存滋长。如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上滋生。 地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。 在发生强烈地震之前，地磁的三要素也都会发生改变，造成地磁局部异常的“震磁效应”。这是由于地壳中的岩石，有许多是具有磁性的，当这些岩石受力变形时，它们的磁性也要跟着变化，从而可以较正确地作出“震前预报”。
[编辑本段]地磁场多次翻转
科学家们通过对海底熔岩的研究发现，地球的磁场曾经发生过多次翻转。众所周知，炽热的岩浆中含有数以万计的矿物质，就好像一个个“小指南针”。当岩浆冷却下来后，这些“指南针”也被固定住不再发生变化。这样，其“南北极”的指向就记录了当时地球磁场的方向。研究表明，地球磁场平均每50万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在78万年前。由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场的又一次“大变脸”是否即将来临？ 科学家指出，存在于地核周围的铁流体（熔融体）好像一部“发动机”，不停地将巨大的机械能转化成为电磁能，从而形成了地磁场。而铁流体有时会形成巨大的漩涡，迫使自己的流向发生变化，这就引起了地球磁场的改变。地磁场的两极倒转是一个极其漫长的过程，大约需要5000到7000年才能完成。本来，这不是什么可怕的事，但是，在此过程中，保护人类免受强烈紫外线辐射的地球磁场将会完全消失，这就将造成极其严重的后果。 地球磁极的变换和消失有什么影响 对于人类和所有生物来说，地磁变换是灾难性的。地磁消失后，宇宙中的各种射线都会直达地表，地球上生活的生物将失去“保护伞”，受到强烈辐射的伤害。还有科学家认为，地磁场改变导致染色体畸变，会使动植物发生变异生长，还会使一些被压制的地壳运动提前。因此，地球磁极的变换是人类面临的最大的威胁。地磁真的会消失吗？ 地球磁场真的需要逆转吗？不！ 我们脚下的大地有电流在流动，这一现象是不争的事实。因为我们知道，在太阳风强烈时大地里的电流可以烧坏供电设备和各类的通信设备，有时甚至可以烧毁输油管道。地学类的本科大学生所学的《地球物理学基础》里也有“地电学”这门学科的分支。 有人说：大地里的电流我们既看不见，也无法测量。所以我们很难对它们进行探讨。可是我们从现代学科的《电磁学》里知道：“流动的电流会产生磁场，变动的磁场会生出电流。”依此，我们可以认定：大地电流在地面以上的表现就是地球磁场。由于地球磁场是已知的，我们可以假设一些边界条件；这样就能进行理论试算得到：大地电流的大致状况。电场、磁场相辅相成，在地球上的也不例外。 以上所说，大地电流地磁场说应该就是地球磁场的成因。有人会问，地球磁场理论，近代科学界普遍认为是：地核相对自转发电机理论。实际上地核发电机磁场理论是一个非常不切实际的想法。有现代科学知识的人应该知道：在无外界干扰的独自自转的行星级天体，无论你怎样设计它的结构，它是不可能发出电来而形成广大磁场的，因为它本身不具有能量来源。 上个世纪初，人们意识到：各类岩石的剩余磁性记载着当时形成岩石时的磁场特性。在半个多世纪里，人们测遍了所有的能找得到的各种石头。测量的结果令人震惊：大多数岩石的剩余磁场方向和当地磁场方向正好相反，而且反向剩磁的磁倾角不再是下垂，它变成为上翘（纬度越高上翘的值越大）。为了解释岩石剩余磁场的反向，1928年，日本的松山基范说：是当时的地球磁场翻转了。因为没有人能提出更好的解释，地磁场翻转说就成为学界的当然解释。反向剩磁磁倾角的上翘的现象至今却没有人能够给出解释，而且地学界甚至都不敢提及。 依据地磁场的形态，大地电流应该是一个在地壳中沿纬度方向流动的，很薄的地球层体。它在赤道附近的电流最大，在两极处的电流很小。该电流层并不是固定在地壳某位置上不变的，地球的演化使电流层在地壳中上下波动。地球演变中，在地电流层之上冷却的岩石是正向剩磁，磁倾角向下。在地电流层以下形成的岩石，它获得的剩磁就是反向磁性，磁倾角上翘。在大地电流层中间形成的岩石无剩磁。用大地电流层解释岩石剩磁反向，其可以和实际情况符合的很好。这种解释应该就是实际发生的情况。地磁场在地球的演化过程中，不需要翻转，也没有翻转机制和其他生物学表现。 就快要到2012年了，曾经的玛雅人预言2012年人类或许有大的变故。正好依据太阳的活动周期2012年也是太阳黑子活动高峰年。先是俄罗斯科学家，然后是印度的和其他国家的科学家认为，地球磁场正在减弱的过程当中，如果地球磁场要翻转，那么就要翻转了。如此，人类和地球生物将面临巨大的灾难。中国科学家马上认为，说这话的人都是业余科学家，民众不可相信他们的话。就好像中国科学家仅仅会说别人都是些：只是会些鸡鸣狗盗之雕虫小技的“民科”。期间好不热闹。 关于地球磁场近年来为何在减弱，大地电流的能量来源等问题，我在《地球磁场》一书中有着详细地讨论。希望大家有兴趣。该书由中国新闻联合出版社出版，简介如下：令人惊奇的司南现象，让人心惊胆战的电闪雷鸣，使人无法理解的厄尔尼诺现象，还有神奇的百慕大三角海区失踪事件。它们都曾经给人以无穷的遐想。实际上它们都是磁场作用在地球表面而产生的自然现象。书中给出这些自然现象的理论解释及其试验方法。

I. 地磁场的相关知识

地磁场为什么磁体能指南北呢？原来地球是一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场一样。如下图所示。
地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。
行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。
地磁场的发现
我国宋代科学家沈括（1034——1094）在公元1086年写的《梦溪笔谈》中，最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在1600年着的《磁体》一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记了下来，同时创造性地作了划时代的实验：把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了一个理论：认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。
地磁场的起源
地球存在磁场的原因还不为人所知，普遍认为是由地核内液态铁的流动引起的。最具代表性的假说是“发电机理论”。1945年，物理学家埃尔萨塞根据磁流体发电机的原理，认为当液态的外地核在最初的微弱磁场中运动，像磁流体发电机一样产生电流，电流的磁场又使原来的弱磁场增强，这样外地核物质与磁场相互作用，使原来的弱磁场不断加强。由于摩擦生热的消耗，磁场增加到一定程度就稳定下来，形成了现在的地磁场。
还有一种假说认为：铁磁质在770℃（居里温度）的高温中磁性会完全消失。在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过自身的熔点呈现液态，决不会形成地球磁场。而应用“磁现象的电本质”来做解释，认为按照物理学研究的结果，高温、高压中的物质，其原子的核外电子会被加速而向外逃逸。所以，地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，地幔间会形成负电层。按照麦克斯韦的电磁理论：电动生磁，磁动生电。所以，要形成地球南北极式的磁场，必然需要形成旋转的电场，而地球自转必然会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。
地磁场对生物活动的影响
像海龟、鲸鱼、候鸟等众多迁徙动物均能走南闯北，每年可旅行几千公里，中途往往还要经过汪洋大海，但是还能测定精确的位置。科学家们发现，海龟能通过地球磁场和太阳及其他星体的位置来辨别方向。但对于迁徙中的海龟来说，仅有“方向感”是不够的，它们可能还有一张“地图”，用于明确自己的地理位置，最终到达某个特定的目的地。美国北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的肯洛曼研究小组发现，绿海龟对不同地理位置间的地磁场强度、方向的差别十分“敏感”，它们能通过地磁场为自己绘制一张地图。
信鸽能在遥远的地方飞回而不迷失方向，也是由于地磁的帮助
地磁场的强弱叫地磁感（应）强度，地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角，地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角，这三个物理量称为“地磁三要素”。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方，地磁要素的变化一般都十分微小。
地磁场图记录了地球表面各点的地磁场的基本数据和它们的变化规律，它是航海、航空、军事以及地质工作不可缺少的工具。船舶和飞机航行时，用磁罗盘测得的是地磁方位角，因此只有知道了当时当地的磁偏角数值，才能确定地理方位和航行路线。
一般来说，地磁要素的变化是很小的，但是跟太阳活动有密切联系的磁暴现象，却发生得十分突然。这是因为太阳黑子活动剧烈的时候，放出的能量相当于几十万颗氢弹爆炸的威力，同时喷射出大量带电粒子。这些带电粒子射到地球上形成的强大磁场迭加到地磁场上，使正常情况下的地磁要素发生急剧变化，引起“磁暴”。发生磁暴时，地球上会发生许多奇异的现象。在漆黑的北极上空会出现美丽的极光。指南针会摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子也会迷失方向，四处乱飞。地磁场能阻挡宇宙射线和来自太阳的高能带电粒子，是生物体免遭危害的天然保护伞。
所以这个“超巨”的地磁场，对地球形成了一个“保护盾”，减少了来自太空的宇宙射线的侵袭，地球上生物才得以生存滋长。如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线，会将最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上滋生。
地球上某些地区的岩石和矿物具有磁性，地磁场在这些埋藏矿物的区域会发生剧变，利用这种地磁异常可探测矿藏，寻找铁、镍、铬、金以及石油等地下资源。
在发生强烈地震之前，地磁的三要素也都会发生改变，造成地磁局部异常的“震磁效应”。这是由于地壳中的岩石，有许多是具有磁性的，当这些岩石受力变形时，它们的磁性也要跟着变化，从而可以较正确地作出“震前预报”。
地磁场曾经多次翻转
科学家们通过对海底熔岩的研究发现，地球的磁场曾经发生过多次翻转。众所周知，炽热的岩浆中含有数以万计的矿物质，就好像一个个“小指南针”。当岩浆冷却下来后，这些“指南针”也被固定住不再发生变化。这样，其“南北极”的指向就记录了当时地球磁场的方向。研究表明，地球磁场平均每50万年翻转一次，而最近一次的翻转发生在78万年前。由于一百多年来磁场不断减弱，人们不禁担心，地球磁场的又一次“大变脸”是否即将来临？
科学家指出，存在于地核周围的铁流体（熔融体）好像一部“发动机”，不停地将巨大的机械能转化成为电磁能，从而形成了地磁场。而铁流体有时会形成巨大的漩涡，迫使自己的流向发生变化，这就引起了地球磁场的改变。地磁场的两极倒转是一个极其漫长的过程，大约需要5000到7000年才能完成。本来，这不是什么可怕的事，但是，在此过程中，保护人类免受强烈紫外线辐射的地球磁场将会完全消失，这就将造成极其严重的后果。
地球磁极的变换和消失有什么影响
对于人类和所有生物来说，地磁变换是灾难性的。地磁消失后，宇宙中的各种射线都会直达地表，地球上生活的生物将失去“保护伞”，受到强烈辐射的伤害。还有科学家认为，地磁场改变导致染色体畸变，会使动植物发生变异生长。因此，地球磁极的变换是人类面临的最大的威胁。

J. 高中物理“地磁场”的知识点归纳

地球是一个具有磁场的磁体
地球的磁极和地极相反，1.地理上是上北极下南极。而地球的磁极是上南极下北极。
2.地级是正南正北的，而地球的磁场是偏南偏北，存在磁偏角。
3.地球磁场在历史上有过几次互换（科学家考证过）。

由于地球有磁场，且和地极相反，那么地球表面就有磁感线具体情况如下：
1.磁感线有地理南极发出指向地理的北极（地球内部是相反）。
2.地磁的水平分量总是地理南极指地理的北极。
3.竖直方向南半球向上，北半球向下。
4.赤道平面距地面相等高度个点，磁场强弱相同，方向水平向北。

这就是高中阶段能遇见的地磁场的所有知识点，只多不少！
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