地球磁场的起源.pdf
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1、地球磁场的起源03420701 20071447 裴晓苏摘要：地磁场的存在对于人类和所有以地球作为家园的生物来说都是极其重要的。地磁场的强度虽然很小。但是它的作用范围却很大，将整个地球都包裹了起来，使处在地球上的生物免受来自宇宙的各种致命的射线的干扰。可以说，没有地磁场无时无刻的保护，地球上的各种生命都将是十分脆弱且不堪一击的。然而时至今日，在科学已经如此发达的今天，人类对这个保护神的了解还是很少，对于它的起源和变化规律还没有一个较为肯定的理论。已有的一些假说，在解释某一类现象和问题时，比较准确，与实际的观测结果符合较好，但对整体的描述效果还不甚理想。相信随着科学理论的继续发展和相关技术的不断
2、进步，人类一定能在不久的将来对地磁场的起源与变化规律做出完整的解释与描述。关键词：内部电流，外部感应，磁场的本质，电偶极性历史上，第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600 年提出一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。1893 年，数学家高斯在他的著作地磁力的绝对强度中，从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法，从而使地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。现在科学家们已基本掌握了地
3、磁场的分布与变化规律，但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。关于地球磁场的起源，历史上曾有来自北极星的传说。到公元17 世纪初，人们就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过时至今日仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的起源先后提出了十多种学说。(1)永磁体学说，是最早提出的一种学说，认为地球内部存在巨大的永磁体，由这永磁体产生地球磁场，但后来认识到地球内部温度很高，不可能存在永磁体。(2)内部电流学说，认为地球内部存在巨大的电流，形成巨大电磁体产生地球磁场，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大
4、电流也会很快衰减，不会长期存在。(3)电荷旋转学说(公元 1900 年)，认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷，由地球自转而形成闭合电流，由此电流产生磁场，但这学说缺乏理论和实验基础。(4)压电效应学说(1929)，认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一。(5)旋磁效应学说(1933)，认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一。(6)温差电效应学说(1939)，认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这
5、样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合。(7)发电机学说(19461947)，认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生地球磁场。(8)旋转体效应学说(1947)，是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一个无科学根据的常数，5 年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了。(9)磁力线扭结学说(1950)，认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场。(10)霍尔效应学说(1954)，认为在地球内部由于温度不均匀产生的
6、温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场。(11)电磁感应学说(1956)，认为由太阳的强烈电磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。(12)自由电子旋转学说（2006），是根据分子、原子学，结合地震波提供的地球深处高清图像提出的崭新学说。在这些学说中，只有发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。事实表明，不管是地球的整体主磁场，还是地球的局部块体磁场，其生成和变化原因都是十分复杂的。也许从有关磁场的最基本
7、理论入手，探寻地磁场生成和变化的规律，能让我们对这一问题有更深的认识和理解。磁场是由带电物质相对于某个实施测量的参照系的运动所产生的一种效应。完全电中性的物质不具有磁性。从物质磁场的起源来看，物质能够产生磁场必须具备两个条件：一个是物质必须具有电性，一个是电性物质必须相对于观测者运动。对于一般的中性物体，它的内部是由两种异性电荷组成的，所以中性物体运动时也必然会产生磁场。运动的中性物体产生的磁场表现为两种：整体上对外显示磁性的排列有序的显性磁场和整体上对外不显示磁性的排列无序的杂乱隐性磁场。当一个中性物体内部的两种异性电荷产生的磁场相互叠加合成之后还存在剩余磁场时，那么它对外就显示出一种磁性，
8、这就是中性物体的显性磁场；当一个中性物体内部的两种异性电荷产生的磁场相互叠加合成之后不存在剩余磁场，那么它对外就不显示磁性，但是两种异性电荷各自的磁场仍然是存在的，这就是中性物体的杂乱隐性磁场。那么中性物体在什么样的条件下会产生剩余的显性磁场呢？像地球这样的整体上不带电的中性物体是怎样产生或表现出磁场的呢？这是因为整体上呈现电中性的物体，并不一定是物体内部的各个地方都呈现电中性，只要物体内部有一个地方对外呈现电性，那么它就为磁场的产生提供了一个必要条件。整体上呈现电中性的物体产生磁场只有三种情况：一是中性物体或原子内部带负电粒子和带正电粒子的杂乱无章运动，这种情况是造成物体内部各个地方都存在磁
9、场的原因。但是这种情况，由于正负电性粒子产生的磁场相互抵消，物体在文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10
10、A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4F7U2Q1D6 ZJ1G7E10I8I7文档编码:CM5C2O3L10A1 HA4
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