脚下的电磁学 ——— 浅谈地磁场 学生：杨丽指导教师：张子平 学号： PB 系别：信息管理与决策科学系 系别：信息管理与决策科学系 （ 15 系）

一 初识地磁场 二 地磁场起源说 三 地磁场要素及特点 1 ．地磁要素 2 ．地磁分布 3 ．地磁变化 4 ．地磁异常 5 ．地球磁层 四 地磁场的翻转 五 结束语

一 初识地磁场 人类对于电磁现象的认识开始很早。 人类对于电磁现象的认识开始很早。 公元前人们就已经知道摩擦过的琥珀会吸引丝 线，磁化的物体会相互吸引或相互排斥。 公元前人们就已经知道摩擦过的琥珀会吸引丝 线，磁化的物体会相互吸引或相互排斥。 在我国东汉时代，王充在《论衡 · 乱龙篇》中有 “ 顿牟缀芥，磁石引针 ” 的记载。十一世纪北宋 科学家沈括在《梦溪笔谈》中第一次记载了指 南针，他写道 “ 方家以磁石磨针锋，则能指南， 然常微偏东，不全南也。 ” 在我国东汉时代，王充在《论衡 · 乱龙篇》中有 “ 顿牟缀芥，磁石引针 ” 的记载。十一世纪北宋 科学家沈括在《梦溪笔谈》中第一次记载了指 南针，他写道 “ 方家以磁石磨针锋，则能指南， 然常微偏东，不全南也。 ” 在西方哲学史上也有过类似的记载。米利都人 泰勒斯（ Thales ，约公元前 600 年）最早注意 到摩擦后的琥珀吸引轻小物体和磁铁吸铁等现 象。 在西方哲学史上也有过类似的记载。米利都人 泰勒斯（ Thales ，约公元前 600 年）最早注意 到摩擦后的琥珀吸引轻小物体和磁铁吸铁等现 象。

一 初识地磁场 近代关于电磁现象的实验研究可以说是从英国 的吉尔伯特（ W.Gilbert ， 1544—1603 ）开始 的。他曾经用一个球形磁石模拟地球做实验， 考察放在球面上小磁针的指向。于是他发现小 磁针的行为与它们在地球上时一样，从而得出 了地球本身是一个巨大磁石的结论。经过 400 多年，我们对于地磁场的认识当然更进了一步 ，不过基本特征仍然如此。 近代关于电磁现象的实验研究可以说是从英国 的吉尔伯特（ W.Gilbert ， 1544—1603 ）开始 的。他曾经用一个球形磁石模拟地球做实验， 考察放在球面上小磁针的指向。于是他发现小 磁针的行为与它们在地球上时一样，从而得出 了地球本身是一个巨大磁石的结论。经过 400 多年，我们对于地磁场的认识当然更进了一步 ，不过基本特征仍然如此。

一 初识地磁场 地球是一块大磁铁，它具有磁场。如果将一枚磁针用 茧丝把它悬挂起来，让它自由运动，我们会发现，当 磁针静止下来的时候，它的一端总是指南，而另一端 总是指北。地磁两极位置与地理两极并不重合，且随 时间有缓慢的移动。目前地磁北极目前在北纬 78.2º ， 西经 68.8º 处，而地磁南极在南纬 78.2º ，东经 111.2º 的 地方。另外，地球虽然是一个巨大的磁体，但其表面 的磁场却很弱。两极附近的强度约为 0.6—0.7 高斯 [1] ；赤道附近约为 0.3—0.4 高斯。我们还知道，地磁场可 分为稳定磁场和变化磁场两部分。后者主要起因于电 离层中存在的电流和太阳喷射出来的带电粒子流。对 于前者，即对于约占地磁场 94 ％的稳定磁场部分起因 的认识目前仍未解决，对此人们虽已经提出了多种假 说。 地球是一块大磁铁，它具有磁场。如果将一枚磁针用 茧丝把它悬挂起来，让它自由运动，我们会发现，当 磁针静止下来的时候，它的一端总是指南，而另一端 总是指北。地磁两极位置与地理两极并不重合，且随 时间有缓慢的移动。目前地磁北极目前在北纬 78.2º ， 西经 68.8º 处，而地磁南极在南纬 78.2º ，东经 111.2º 的 地方。另外，地球虽然是一个巨大的磁体，但其表面 的磁场却很弱。两极附近的强度约为 0.6—0.7 高斯 [1] ；赤道附近约为 0.3—0.4 高斯。我们还知道，地磁场可 分为稳定磁场和变化磁场两部分。后者主要起因于电 离层中存在的电流和太阳喷射出来的带电粒子流。对 于前者，即对于约占地磁场 94 ％的稳定磁场部分起因 的认识目前仍未解决，对此人们虽已经提出了多种假 说。

二 地磁场的起源 关于地球磁场的来源， 早期历史上曾有来自北 极星的传说，但是到公 元 17 世纪初就已经认识 到地球本身就是一个巨 大的磁体，不过当时仍 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 场的来源先后提出了 10 多种学说。 关于地球磁场的来源， 早期历史上曾有来自北 极星的传说，但是到公 元 17 世纪初就已经认识 到地球本身就是一个巨 大的磁体，不过当时仍 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 场的来源先后提出了 10 多种学说。

二 地磁场的起源 (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； (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，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在 ； (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，简写作 1900) ，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； (3) 电荷旋转学说 ( 公元 1900 年，简写作 1900) ，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；

二 地磁场的起源 (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 (10-3) ； (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 (10-3) ； (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 (10-11) ； (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 (10-11) ； (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； (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；

二 地磁场的起源 (7) 发电机学说 (1946 － 1947) ，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； (7) 发电机学说 (1946 － 1947) ，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； (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； (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；

二 地磁场的起源 (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； (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 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。 (11) 电磁感应学说 (1956) ，认为由太阳的强烈 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。

三 地磁场要素及特点 描述地磁场的大小、方向的 要素是：地磁场强度、分水 平分量、垂直分量、磁偏角 和磁倾角。 描述地磁场的大小、方向的 要素是：地磁场强度、分水 平分量、垂直分量、磁偏角 和磁倾角。 地磁场是非均匀场，由赤道 到两磁极逐渐增加。在地球 上一些地区地磁场在逐年增 大，而在另一些地区地磁场 在逐年减小。 地磁场是非均匀场，由赤道 到两磁极逐渐增加。在地球 上一些地区地磁场在逐年增 大，而在另一些地区地磁场 在逐年减小。 在地球上许多地区人们已经 发现当地的地磁场变化具有 几十年或几百年的周期性。 在地球上许多地区人们已经 发现当地的地磁场变化具有 几十年或几百年的周期性。 在地球上某些地区，地磁场 常常发生异常变化. 在地球上某些地区，地磁场 常常发生异常变化.

1 ．地磁要素 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。

1 ．地磁要素 D 表示磁偏角， I 表示磁倾角， T 表示地磁强度， H 表示 地磁场的水平分量， Z 表示地磁场的垂直分量。它们之 间的关系是： D 表示磁偏角， I 表示磁倾角， T 表示地磁强度， H 表示 地磁场的水平分量， Z 表示地磁场的垂直分量。它们之 间的关系是： T = ( H² + Z² )½ tgI = Z/H D = A – M （磁场强度的单位是奥斯特） 把地球看成一个圆柱状磁铁或者看成一个均匀磁化的 球体都是比较恰当的。如果把地球看成一个均匀磁化 的球体，那么有： 把地球看成一个圆柱状磁铁或者看成一个均匀磁化的 球体都是比较恰当的。如果把地球看成一个均匀磁化 的球体，那么有： T = M( 1 + 3sin²ф )½/R³ Z = 2Msinф/R³ H = Mcosф/R³ M = ml （ M 表示磁矩， m 是质量， l 是磁体长度， R 是磁化球体 到观测点的距离， φ 是磁体的纬度） （ M 表示磁矩， m 是质量， l 是磁体长度， R 是磁化球体 到观测点的距离， φ 是磁体的纬度）

1 ．地磁要素 从公式中可看出 : 从公式中可看出 : （ 1) 均匀磁化球体的两极，即 φ=±90º 的地方，磁场强 度的水平分量 H=0, 而垂直分量与磁场强度相等，即 （ 1) 均匀磁化球体的两极，即 φ=±90º 的地方，磁场强 度的水平分量 H=0, 而垂直分量与磁场强度相等，即 Z = T = 2M/R³ 此处磁倾角 I=90º 。 Z = T = 2M/R³ 此处磁倾角 I=90º 。 （ 2) 均匀磁化球体的赤道上，即 φ=0º 处，磁场强度的 水平分量与磁场强度相等，即 （ 2) 均匀磁化球体的赤道上，即 φ=0º 处，磁场强度的 水平分量与磁场强度相等，即 T = H = M/R³ T = H = M/R³ 而垂直分量 Z=0 此处磁倾角 I=0º 在地球的两极的磁场强 度为 0.6—0.7 奥斯特，而地球赤道上为 0.4 奥斯特。 而垂直分量 Z=0 此处磁倾角 I=0º 在地球的两极的磁场强 度为 0.6—0.7 奥斯特，而地球赤道上为 0.4 奥斯特。

2 ．地磁分布 地球的磁场并不是均 匀分布的。地球的大 部分磁场仅源于地心 —— 地幔边界四个宽 广的区域。他们发现 ，磁极磁场的大部分 强度主要来源于北美 洲、西伯利亚和南极 洲沿海之下。 地球的磁场并不是均 匀分布的。地球的大 部分磁场仅源于地心 —— 地幔边界四个宽 广的区域。他们发现 ，磁极磁场的大部分 强度主要来源于北美 洲、西伯利亚和南极 洲沿海之下。

2 ．地磁分布 存在磁场反向通量的地域。其中最大的一块位 于南半球，非洲南端以下向西一直延伸到南美 洲南端。在这些存在磁场反向通量的区域，地 磁的磁性与通常相反。例如，南半球大部分区 域磁性的指向是由内而外，而在这些存在磁场 反向通量区域，磁性是由外向内指向。 存在磁场反向通量的地域。其中最大的一块位 于南半球，非洲南端以下向西一直延伸到南美 洲南端。在这些存在磁场反向通量的区域，地 磁的磁性与通常相反。例如，南半球大部分区 域磁性的指向是由内而外，而在这些存在磁场 反向通量区域，磁性是由外向内指向。 现已知在地理北极附近的地磁极处，地磁场是 垂直向下指向地面的。地磁场是非均匀场，由 赤道到两磁极逐渐增加。 现已知在地理北极附近的地磁极处，地磁场是 垂直向下指向地面的。地磁场是非均匀场，由 赤道到两磁极逐渐增加。

3 ．地磁变化 地磁场比均匀磁化球体的磁场分布要复 杂得多，而且还在不断地缓慢移动。 地磁场比均匀磁化球体的磁场分布要复 杂得多，而且还在不断地缓慢移动。 1873 年北磁极的位置在北纬 70º ，西经 96º 的地方， 1841 年南磁极的位置在南纬 73º ，东经 150º 处。 1975 年北磁极的位置 已改在北纬 76º06′ ，西经 100º 的地方，南 磁极的位置在南纬 65º48′ ，东经 139º24′ 处。 1873 年北磁极的位置在北纬 70º ，西经 96º 的地方， 1841 年南磁极的位置在南纬 73º ，东经 150º 处。 1975 年北磁极的位置 已改在北纬 76º06′ ，西经 100º 的地方，南 磁极的位置在南纬 65º48′ ，东经 139º24′ 处。

3 ．地磁变化 在地球上一些地区地磁场在逐年增大，而在另一些地 区地磁场在逐年减小。在地球上许多地区人们已经发 现当地的地磁场变化具有几十年或几百年的周期性。 比如印度孟买附近的阿利 — 巴格地磁台从 1935 年开始 对地磁要素进行观测，发现当地地磁场存在一个 11 年 和 80 年的周期。 11 年的周期被解释为太阳活动的 11 年 周期产生的太阳风的影响。而 80 年的周期的原因不明 。 在地球上一些地区地磁场在逐年增大，而在另一些地 区地磁场在逐年减小。在地球上许多地区人们已经发 现当地的地磁场变化具有几十年或几百年的周期性。 比如印度孟买附近的阿利 — 巴格地磁台从 1935 年开始 对地磁要素进行观测，发现当地地磁场存在一个 11 年 和 80 年的周期。 11 年的周期被解释为太阳活动的 11 年 周期产生的太阳风的影响。而 80 年的周期的原因不明 。 对比近几十年的地磁资料后，人们发现地磁场似乎在 逐年减小，地球的总磁矩是 8.9×1025 电磁单位。地球 的总磁矩在 100 年内减少了 1/20 。 对比近几十年的地磁资料后，人们发现地磁场似乎在 逐年减小，地球的总磁矩是 8.9×1025 电磁单位。地球 的总磁矩在 100 年内减少了 1/20 。

4 ．地磁异常 在地球上某些地区，地磁场常常发生异 常变化，指南针指北一端出现不是指北 ，而是指东或指西，甚至指南的现象， 这就是地磁异常。在库尔斯克地磁异常 区，磁偏角范围达 ±180º ，而正常值只有 几度。这里地磁场的垂直分量为 1——2 奥斯特。 在地球上某些地区，地磁场常常发生异 常变化，指南针指北一端出现不是指北 ，而是指东或指西，甚至指南的现象， 这就是地磁异常。在库尔斯克地磁异常 区，磁偏角范围达 ±180º ，而正常值只有 几度。这里地磁场的垂直分量为 1——2 奥斯特。

5 ．地球磁层 地球磁层从地面上空 50 公里处（相当于电离层区域） ，一直扩展到很远的边界，直到行星际空间，这个边 界叫磁层顶。 地球磁层从地面上空 50 公里处（相当于电离层区域） ，一直扩展到很远的边界，直到行星际空间，这个边 界叫磁层顶。 由于太阳风中的等离子体沿着磁力线流动，同时又使 磁力线畸变，拉着磁力线一起跑。所以，地磁场在太 阳风的压缩下，地球磁力线向着背向太阳的方向延伸 ，形成一条长长的尾巴，叫做磁尾。 由于太阳风中的等离子体沿着磁力线流动，同时又使 磁力线畸变，拉着磁力线一起跑。所以，地磁场在太 阳风的压缩下，地球磁力线向着背向太阳的方向延伸 ，形成一条长长的尾巴，叫做磁尾。 在地磁场赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边 ，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片 上的磁场强度微乎其微，厚度大约有 1000 公里。中性 片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南 面的磁力线离开地球。 在地磁场赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边 ，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片 上的磁场强度微乎其微，厚度大约有 1000 公里。中性 片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南 面的磁力线离开地球。

四 地磁场的翻转 地球磁场逆转, 是世界各 国科技界共同关注的重 大课题。 地球磁场逆转, 是世界各 国科技界共同关注的重 大课题。 翻转将影响整个自然界 地球磁极翻转将给人类 和整个自然界带来相当 严重的影响。 翻转将影响整个自然界 地球磁极翻转将给人类 和整个自然界带来相当 严重的影响。 磁场的变化经常呈波浪 形，并且通常需要漫长 的时间，所以现在还不 能判断这是地球磁极要 翻转的信号。 磁场的变化经常呈波浪 形，并且通常需要漫长 的时间，所以现在还不 能判断这是地球磁极要 翻转的信号。

五 结束语 地球为人类提供了赖以生存的环境, 而人类正以科学的 力量一步步揭开地球母亲神秘的面纱. 从法拉第发现电 磁感应现象开始, 人类便以新的视角看世界. 电磁学理论 不仅解释了许多 ” 神秘 ” 现象, 而且发现我们脚下的地球 就是一个巨大的磁场. 正是这个地磁场阻挡了太阳风的 侵袭, 使人类能在这颗蓝色星球上繁衍生息. 地球为人类提供了赖以生存的环境, 而人类正以科学的 力量一步步揭开地球母亲神秘的面纱. 从法拉第发现电 磁感应现象开始, 人类便以新的视角看世界. 电磁学理论 不仅解释了许多 ” 神秘 ” 现象, 而且发现我们脚下的地球 就是一个巨大的磁场. 正是这个地磁场阻挡了太阳风的 侵袭, 使人类能在这颗蓝色星球上繁衍生息. 但人类的发展也为地球带来了不可避免的灾难. 由于污 染、人为破坏及其他客观原因, 一些地方的高空磁层正 在变薄, 而地磁极翻转问题也被许多科学家所关注. 但人类的发展也为地球带来了不可避免的灾难. 由于污 染、人为破坏及其他客观原因, 一些地方的高空磁层正 在变薄, 而地磁极翻转问题也被许多科学家所关注. 所以, 作为大学生, 应该学以致用, 了解并关注地磁场, 用 科学的手段保护地球 ! 所以, 作为大学生, 应该学以致用, 了解并关注地磁场, 用 科学的手段保护地球 !

谢谢！