地磁場的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

邢臺學(xué)院2013屆本科畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文論文題目： 地磁場的結(jié)構(gòu)與作用研究姓 名：王凱學(xué) 號：2009061101系（部）：物理系專 業(yè)：物理學(xué)班 級：2009級1班指導(dǎo)教師： 孟艷完成時間： 2013 年 4 月摘 要 地磁場是一個大的磁場，地理上的北極是地磁上的南級,地理上的南極是地磁上的北極。在地磁場中運動的帶電粒子會受到力的作用。地磁場在生活上的應(yīng)用也是十分廣泛的。因此研究地磁場有非常重要的意義。 本論文圍繞地磁場展開論述，主要研究內(nèi)容有以下幾個方面。第一，地磁場起因的幾種假設(shè)，支持幾種假設(shè)的理論知識，以及幾種假設(shè)與現(xiàn)實不相符的部分。第二，對地磁場的三要素：地磁場的強度、磁傾角、磁偏角進行了詳細論述，并給出地磁場的分布圖。第三，詳細介紹了地磁場的幾種應(yīng)用方面，主要包括地磁測震、地磁探礦、地磁導(dǎo)航，利用地磁場解釋磁暴、極光等自然現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：地磁場；地磁場強度；地磁應(yīng)用Abstract The geomagnetic field is a large magnetic field, the geographic North Pole is the level of the South geomagnetic , the geographical South Pole on the geomagnetic North Pole. The movement of charged particles in the earths magnetic field will be subject to force. Geomagnetic field in the application of life is also very extensive. Therefore the study of the geomagnetic field has a very important significance. This paper focuses on the geomagnetic field, the main contents include the following parts. Firstly, several assumptions about the earths magnetic field are introduced. Furthermore, we explain the theoretical knowledge supporting on these assumptions, and point out some assumptions do not match to the reality. Secondly, the three elements of the geomagnetic field: the strength of the earths magnetic field, the magnetic inclination and the magnetic declination, are discussed in detail. We also provide the distribution map of the earths magnetic field. Thirdly, the geomagnetic field has many applications, for example, geomagnetic seismic, geomagnetic prospecting, geomagnetic navigation, etc. Moreover, we explain some natural phenomena, magnetic storms, auroras, through the theory of the geomagnetic field. Keywords: geomagnetic field, the intensity of the geomagnetic field, geomagnetic applications目 錄前言11.地磁場的產(chǎn)生 11.1地磁的發(fā)現(xiàn)11.2地磁場起源的幾種假說22.地磁場的結(jié)構(gòu)32.1 地磁場模型32.2 地磁場的三要素43、地磁場的應(yīng)用63.1 地磁探礦63.2地磁測震 63.3 解釋自然現(xiàn)象73.4地磁學(xué)應(yīng)用的設(shè)想 7結(jié)論8謝辭 9參考文獻 10前 言眾所周知，地球是一個很大的磁性球體，地磁場是基本的物理場。地理上的北極是地磁上的南極，地理上的南極是地磁上的北極，在它的周圍空間布滿了磁場。指南針總是指向南北極的事實，是地磁場存在的有力證據(jù)1。地磁場的存在直接影響該場中帶點物體和帶磁物體的活動。地磁場是地球物理學(xué)的課題之一。本文對地磁場發(fā)現(xiàn)過程和地磁場起因的幾種假設(shè)進行了簡單介紹，了解地磁場的歷史和發(fā)展過程。地磁場的起因目前有幾種假說2，主要包括永久磁體假說3、電荷自旋假說、溫差電效應(yīng)、熱壓電效應(yīng)、發(fā)電機假說4等。永久磁體假說是人們最開始認識地磁場時提出的假說，而發(fā)電機假說是當(dāng)前人們普遍認同的假說。這些假說讓我們對地磁場的本源有了較清晰的認識。 地磁場的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有幾百年的歷史，是人類社會進步的一個重大表現(xiàn)。隨著人們對地磁場的認識在不斷的進步, 在生活中的應(yīng)用也越來越廣泛。地磁探礦、地磁測震、地磁導(dǎo)航等與我們的生活息息相關(guān)。同時也利用地磁場解釋自然界一些特殊的自然現(xiàn)象，例如磁暴、極光等5，為我們了解自然提供重要的知識基礎(chǔ)。地磁場在空間的分布與條形磁體類似6，可以通過條形磁體在空間的分布情況來分析地磁場的分布情況7。地磁場有三要素，地磁場強度、磁傾角、磁偏角8。分析這三要素，能讓我們對地磁場有深刻的認識，為地磁場的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)9。1.地磁場的產(chǎn)生 1.1地磁的發(fā)現(xiàn) 我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)磁石和地磁現(xiàn)象的國家。早在公元前六、七世紀(jì)時，我國就有有關(guān)磁的記載：“上有磁古者，其下有銅金”。中國宋代科學(xué)家沈括在公元1086年寫的夢溪筆談中，最早記載了地磁偏角“方家以磁石磨針鋒，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(xiàn)象的人。勤勞聰明的中國人，認識到地磁場這一現(xiàn)象，發(fā)明了四大發(fā)明之一的指南針，在航海事業(yè)上作出了巨大的貢獻。成就了鄭和下西洋，哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸。提出較完整的磁場理論的是英國人吉爾伯特（15441603），他是著名的醫(yī)生，物理學(xué)家。他在所著的論磁一書中，把當(dāng)時許多有關(guān)磁體性質(zhì)的事實都記錄下來-磁石的吸引與推斥；磁針指向南北等性質(zhì)；燒熱的磁鐵磁性消失；用鐵片遮住磁石，它的磁性將減弱等。吉爾伯特把小磁針排列的指向標(biāo)化成一條條線，畫成許多圈，與地球經(jīng)線相像，也和地球一樣有一條赤道，小磁針在赤道上則平行于球面。吉爾伯特提出：地球本身就是一塊巨大的磁石，磁子午線匯交于地球兩個相反的端點即磁極，提出地磁場的排列規(guī)律?？傊?，在磁現(xiàn)象的研究方面，吉爾伯特的成就是光輝的，貢獻是巨大的。1.2地磁場起因的幾種假說 地球的起源問題，是地球物理學(xué)中一個至今尚未有定論的問題。隨著地磁場的觀測和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究不斷深入，提出很多種假說的問題，至今沒有圓滿解決，被愛因斯坦認為是物理學(xué)尚未解決的五大難題之一。下面對幾種常見的假說做一下簡單的介紹說明。 永久磁體假說：英國的物理學(xué)家吉而伯特（W.Gilbert）在1600年提出地球是一個巨大的永久磁石，地磁場是一個近似沿自轉(zhuǎn)軸方向均勻磁化的球體磁場。當(dāng)物理學(xué)家提出地核是鐵，鎳等鐵磁性物質(zhì)組成時，這種假說似乎得到支持，但是從實驗中得知，鐵磁性物質(zhì)的磁化與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，磁化能力逐步減弱。當(dāng)溫度高于居里溫度（770）時，鐵磁性就完全消失了。地核內(nèi)部的溫度在2000以上，遠遠高于居里溫度，鐵鎳等鐵磁性材料磁性消失了，所以無法滿足這一假說。 電荷旋轉(zhuǎn)假說：這種假設(shè)認為，外地核的溫度達到4000左右，處于液體狀態(tài)。地球的自轉(zhuǎn)使液體流動，形成了強大的電流從而產(chǎn)生了磁場。電離的液體同時存在正負離子，且兩種電荷等量，因此在地球自轉(zhuǎn)時，正負電荷產(chǎn)生的磁場方向相反，相互抵消,所以這個假設(shè)也不能解釋地磁場的起源。熱壓電效應(yīng)：地核是超溫度、超高壓的。在巨大的壓力作用下，電子克服原子核引力束縛，在地核和地幔之間形成了電子殼層，宏觀上地核處于帶正電狀態(tài),地核與地幔的交界面處于帶負電狀態(tài)。由于太陽和月亮的引力作用以及地球自轉(zhuǎn)等作用,會使得電子殼層運動起來形成電流從而產(chǎn)生場。從表面上看來,這個假說符合許多的觀測事實,但根據(jù)這樣的理論計算出的磁場僅有地磁場的千分之一,所以,這個假說仍然不是地磁場起源的真正原因。溫差電效應(yīng)：自由電子在溫度不均勻的導(dǎo)體中,會發(fā)生熱擴散現(xiàn)象.電子從高溫一端擴散到低溫的一端,從而在整個金屬棒內(nèi)產(chǎn)生了電流，將這個現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)。這個現(xiàn)象同樣適用于地球。地球相當(dāng)于一個大導(dǎo)體，內(nèi)外溫差很大。因此，內(nèi)地核溫度高而帶正電，地球表面溫度低而帶負電。地球表面的電子因地球的自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生磁場。地核內(nèi)部的正電荷分布在地球中心，隨著地球的自轉(zhuǎn),它們基本不動，從而無法形成電流，所以無法產(chǎn)生磁場。這種理論無法解釋地磁場為什么會發(fā)生倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。發(fā)電機假說：拉莫爾1919年首先提出了旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電流體維持自激發(fā)發(fā)電機，是最早提出的自激發(fā)電機理論的科學(xué)家。二十世紀(jì)四十年代末五十年代初，埃爾薩塞、帕克、布拉德等人完成了埃爾薩塞帕克模型和布拉德過程。他們認為，地核溫度較高，鐵磁性材料處于液體狀態(tài)，地核的內(nèi)測區(qū)和外側(cè)區(qū)之間存在溫度差。內(nèi)部的液態(tài)鐵加熱向外部運動，而上升到外部的鐵冷卻后變重，又落回到內(nèi)部，使得液態(tài)鐵對流形成渦流。這種鐵流體在微弱場中運動，渦流中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場會加強原來的磁場，使磁場增強引起感應(yīng)電流增強，從而進一步加強磁場。如此，磁場就能增強到地磁場的數(shù)值。磁場增強引起感應(yīng)電流增強，從而進一步加強磁場。如此反復(fù)，磁場就能增強到地磁場的數(shù)值。由于摩擦生熱的消耗,當(dāng)磁場增大到一定程度時便會穩(wěn)定下來,形成現(xiàn)在我們這樣的地磁場。發(fā)電機學(xué)說是一個比較成功的假說,能解釋較多的地磁現(xiàn)象，受到廣泛關(guān)注，是目前被研究和應(yīng)用得較多的地球磁場模型。這個假說能夠解釋地磁場的倒轉(zhuǎn)以及磁場強度的變化等許多現(xiàn)象,但同時也面臨著巨大的質(zhì)疑。以上是幾種比較有名的假說，但是沒有一種假說能完整的解決地磁場成因問題。但這些假說開闊了我們的視野，豐富了我們的知識。地磁場起因之謎終將會解開。2. 地磁場的結(jié)構(gòu) 2.1地磁場的模型地球在磁場空間分布的一般觀念中，認為地磁場的分布類似一條條形磁鐵。條形磁鐵兩端磁性最強，稱為磁極。把條形磁鐵懸掛起來自由旋轉(zhuǎn)，磁棒指北的一端稱為北極(N極)，指南的一端稱為南極(S極)，磁感線由S極指向N極方向，如圖1所示.地球像一條條形磁鐵，也存在s極和N極，地球的南極是地理的北極，地球的北極是地理的南極，如圖2所示。圖1條形磁體外磁場分布圖 圖2地球外部磁場的空間分布圖 2.2 地磁場的三要素 地磁場的三要素：地磁場的強度、磁偏角、磁傾角。地磁場的強度為磁場磁性的強弱。磁傾角為地球某處地磁場的方向與水平方向的夾角。磁偏角為地磁子午線與地理子午線的夾角，或者說磁針靜止時北極和地理上的北極的夾角。如圖3，地磁場強度為B，磁偏角為，磁傾角為10。 圖3 地磁場強度、磁偏角、磁傾角 地磁場強度：要定量的研究磁場就需要找到一個描述磁場的適當(dāng)?shù)奈锢砹?，為此引入了磁感?yīng)強度B。B是描述磁場每點性質(zhì)的物理量。點電荷在磁場中運動，受力情況由下式確定 (2-1) 地磁場的強度按照高斯定理進行分布.地面的平均磁感應(yīng)強度約為5xT(特斯拉)=5nT(納特)，南北磁極的磁感應(yīng)強度為(6-7)xT磁偏角:磁軸和地軸不重合，磁軸與地軸間形成一個夾角為磁偏角，=11.5。但是據(jù)加拿大地震調(diào)查局測量，磁極是在不斷的變化的。磁偏角亦隨地點和時間而不斷變化,緯度越高,磁偏角越大。全球磁偏角分布如圖4所示 圖4全球磁偏角等值線分布圖現(xiàn)在磁偏角的測定主要通過現(xiàn)在電子羅盤進行測定。當(dāng)經(jīng)度一定時,磁偏角隨著緯度的增大而增大。當(dāng)緯度一定時，磁偏角隨經(jīng)度的增大先減小后增大。如表1表1磁偏角隨經(jīng)緯度的變化關(guān)系磁傾角:地球某處地磁場的方向與水平方向的夾角,磁傾角隨著時間、地點的不同發(fā)生變化。當(dāng)經(jīng)度一定時，磁傾角隨緯度的增大而增大,當(dāng)緯度一定時,磁傾角隨緯度先增大后減小。如表2表2磁傾角隨經(jīng)緯度的變化關(guān)系 3.地磁場的應(yīng)用 我們通過地磁場結(jié)構(gòu)的了解，已經(jīng)明白地磁場的變化存在一定的規(guī)律。根據(jù)磁場場變化的規(guī)律，人們將這些理論運用與實踐生活中,并用來解釋一些特殊的自然現(xiàn)象。3.1地磁探礦 地磁場的分布存在規(guī)律性，小范圍磁感應(yīng)強度和磁傾角幾乎不發(fā)生變化。在我國，向北走一公里，磁感應(yīng)強度變化億分之幾特斯拉，磁感應(yīng)強度變化非常小。但是在有些地方，磁場的變化非常明顯，有時出現(xiàn)磁針反向現(xiàn)象，有時磁針不再指示南北了，有時指針會出現(xiàn)直立狀態(tài)，這些磁場的劇烈變化稱為地磁異常。在這些地磁異常的區(qū)域，地下會存儲著豐富的鐵磁礦，地理學(xué)家通過地磁異?，F(xiàn)象來尋找鐵磁礦。隨著人們對地磁場研究的深入，地磁探礦的應(yīng)用越來越廣，地磁學(xué)家通過地磁場已找到豐富的地下資源。 1954年，我國一支地質(zhì)探礦隊發(fā)現(xiàn)，山東某個地區(qū)面積大約四平方公里的范圍內(nèi)，地磁的強度異常，極大值達到了3.5T。地質(zhì)隊員們推測，這里一定是一個儲量較大的鐵礦。經(jīng)過鉆探發(fā)掘，最終在地下450m深處發(fā)現(xiàn)了總厚度達6254m的磁鐵礦區(qū)。 3.2 地磁預(yù)報 地殼中有許多具有磁性的的巖石，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，這些具有磁性的巖石受力發(fā)生形變，磁性也隨之發(fā)生變化。強烈地震發(fā)生的前夕，該地區(qū)的地磁感應(yīng)強度、磁傾角等均發(fā)生變化，造成局部地磁異常，稱為“震磁效應(yīng)”。掌握震磁效應(yīng)的規(guī)律，通過測量儀器對地磁變化進行檢測，能對地震做出較準(zhǔn)確的預(yù)報。地磁場參數(shù)是預(yù)測監(jiān)測地震的重中之重的參數(shù)，地磁場狀況真實地反映了地球的身體狀況。 2008-5-12，北川中學(xué)初二（1）班，汶川地震發(fā)生前13分鐘，張老師講著“磁現(xiàn)象”,講臺上指南針不斷快速轉(zhuǎn)動,學(xué)生等了很久也沒停,還逗得他們哈哈大笑，張老師接著講下面的內(nèi)容，誰也沒想到,這正是災(zāi)難的前兆。 3.3解釋自然現(xiàn)象我們知道，太陽活動如太陽黑子、耀斑等的出現(xiàn)具有一定周期性。長期的天文觀測表明，太陽黑子總數(shù)變化的周期約為11年。當(dāng)太陽黑子活動劇烈的時候，太陽噴射出大量兆電子伏能量級的帶電粒子(電子、質(zhì)子、離子等)。這些帶電粒子在達到地球附近時,會引起地磁場的劇烈變化,這就是所謂的磁暴。在磁暴發(fā)生時,地球外圍的電離層發(fā)生的劇烈變化，從而地球上無線電通訊、電視臺、廣播電臺信號發(fā)生干擾或中斷現(xiàn)象。 地磁暴發(fā)生時，在一些高緯度地區(qū)，尤其是極地上空會出現(xiàn)瑰麗壯觀的極光。極光的產(chǎn)生時間、地點、變化情況都與磁場有密切關(guān)系。這是因為太陽噴射的高能帶電微粒進入地球上空時，被地磁場“捕獲”的大量帶電粒子流在地磁場的偏轉(zhuǎn)作用下高速運動，這些高能電子或質(zhì)子撞擊地球大氣中大量的氧、氮及其它惰性氣體原子，并把能量傳給氣體原子的外層電子，使這些電子、離子產(chǎn)生電子躍遷而發(fā)光，如氧發(fā)紅光，氬發(fā)藍光等。這就是產(chǎn)生極光的原因。另外，在船舶和飛機航行的時候，人類是靠羅盤測得的地磁方位角配合地磁場圖來導(dǎo)航的。3.4地磁場應(yīng)用的設(shè)想對地磁場的結(jié)構(gòu)我們有了整體的了解，已經(jīng)知道小范圍內(nèi)地磁場的強度隨經(jīng)緯度變化較小，磁偏角和磁傾角變化也可以忽略不計,但是有些地區(qū)卻會出現(xiàn)磁異常現(xiàn)象。磁異常的地方，可能會有鐵磁礦的出現(xiàn)，也可能是地震的高發(fā)區(qū)，同時可能會出現(xiàn)反常的自然現(xiàn)象。我國將這些磁異?，F(xiàn)象進行全國范圍內(nèi)的一個勘測，對磁異常區(qū)進行監(jiān)控，不僅能檢測地震高發(fā)區(qū)的動態(tài)，同時能夠進行科學(xué)的規(guī)劃，合理的開發(fā)和利用地下資源。結(jié) 論 論文主要講述了地磁場的起因，地磁場的結(jié)構(gòu)和地磁場的應(yīng)用。地磁場的起因是地磁場的結(jié)構(gòu)和地磁場應(yīng)用的基礎(chǔ)，地磁場起因至今沒有理論能合理的解釋。該論文主要講述了地磁場起因的幾種假說，解釋了幾種假說的原理、合理性和與現(xiàn)實不相符的部分。地磁場的結(jié)構(gòu)主要講述了地磁場的磁場場度、