地磁场

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年著的《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，太阳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。地磁真的会消失吗？

地磁场的三要素

孟昭辉

地球是个大磁体，在地球周围空间存在着磁场，即地磁场。实验证明，地磁极和地理的南北极并不完全相合，而且地磁场磁感线的两个汇集点并不在地面上，而是在地面下。它们间的距离比地球直径短，而且两个磁极的连线不经过地

心。

由于地球的磁极与地理两极并不相合，所以磁针所指的南北方向仅仅是近似的。磁针静止时所指的方向跟实际南北方向之间的夹角叫磁偏角，用表示，如图

6－1所示。各地的值不同。

地磁场的磁感线一般不与地面平行，而与水平面交成一定的角度，这个角叫磁倾角，用θ表示，它可以用磁倾测量仪测出来。各地磁倾角不同，在地磁极处，θ＝90°。磁偏角和磁倾角只能确定地磁场的方向，而不能表明地磁场强弱。磁场的强弱是用磁感应强度表示的，它的方向就是磁感线的切给方向。某一点处磁

感应强度的水平分量很容易测量，通常就用水平强度来表示某处地磁场的强弱。知道了某地的磁偏角、磁倾角和水平强度，该点的地磁场就完全了解了。所以这

三个量叫做地磁场的三要素。

地磁场的研究在生产和科学上都有重大意义。例如地磁异常现象可以帮助找矿，因为地磁异常往往是因为地下埋藏着大量的磁铁矿引起的。又如地震也往往伴随着地磁异常现象。因此测量地磁的变化是预测地震的一个重要手段。

地磁三要素及地磁场的效应

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（电子或离子）。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，使生物体免遭危害的天然保护伞。

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”。

地磁场的形成和反转

广东海洋大学

地球磁场拦截了太阳辐射来的带电粒子，还有来自宇宙的射线，使它们未能冲到地面，而是留在高空，环绕地球流动。所以，地磁场的存在，对生物的生存与繁衍具有重要的作用[Merrill, et. al., 1996; Parker, 1979]。

地磁场的成因，至今还没有定论，是地球物理学重大理论难题之一。人们对地磁场的成因作过各种各样的探讨，创立了众多的假设。其中较重要的有三种：铁磁体假说、热电假说和发电机假说[Merrill, et. al., 1996; Moffatt, 1978; Stevenson, 2003]。

根据地球的平均比重大，地壳、地幔的比重小，及陨石资料（铁是陨石中含量最大的重金属），一般认为地核由铁、镍等重金属物质构成。而铁又是产生磁性的重要物质。所以，铁磁体假说出现。它认为地核本身就是一个大磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特性的磁场。但因为地核的温度远超过居里点，所有的铁磁性物质，在这一温度下都将丧失其磁性，所以，这一假说是不可能成立的。

地磁场具有快速变化（几十年至2000年）的特点，这说明地磁场的形成肯定与地壳和地幔无关，因为地壳、地幔主要呈固态的特性，决定了其中各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十年或几百年的明显变化。而外核为液态，具有快速反应外部激励和变化的能力。而铁、镍等物质，又是电的良导体。从而提出由于带电物质热对流造成地磁场的热电假说。但是，要产生如今强度的地磁场，需要109A的电流强度，外核液态铁能否产生如此大的电流，引起怀疑。同时，这种热对流也难以形成偶极性特征的磁场。所以，这种假说也慢慢被放弃。

目前为止获得最多支持的假说，是发电机假说[Stevenson, 2003]。由于液态外核主要为具有高导电性能的铁镍构成，这些物质在地核外磁场中的相对运动，及与磁场相互作用，就有可能产生电流；这种电流又会产生磁场。在一定条件下，当新产生的磁场和原磁场叠加，就产生自激作用，像一台发电机一样，产生地磁场。这种假说刚产生时提出的“单圆盘发电机假说”，尚不能解释地磁场反转问题。后来又出现“非稳定发电机假说”、“双圆盘发电机假说”等多种发电机假说，用以解释磁场的相关问题[Kutzner and Christensen, 2000; Buffett and Bloxham, 2002; Loper, 1978; Jones, 2000; Buffett and Bloxham, 2002; Christensen and Aubert, et al., 2001; Glatzmaier, 2002; Roberts and Glatzmaier, 2000]。

这种理论自20世纪40-50年代发展起来，到目前为止，可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点，越来越受到多数人的支持。但这个假说最大的问题是磁流体“发电机”的能量来源问题。不少人试图用外核中液态物质的热对流、物质分异、放射性蜕变、核幔自转轴向运动差异等来解释[Kutzner and Christensen, 2000; Loper, 1978; Jones, 2000; Buffett and Bloxham, 2002; Glatzmaier, 2002; Wahr, 1988; Le Mou?l, 1992; Yoshida and Hamano, 1995]，但总不能得到满意的结果。所以，地磁场的形成和反转问题，一直是悬而未决的地球物理学重大难题[Stix and Roberts, 1984; Jault and Le Mou?l, 1989; Jault and Le Mou?l, 1990; Love and Bloxham, 1994; Holme, 199]。

1 冰川形成和消融对地球自转的作用

下面，我们以双极冰川为例，具体说明冰川的形成和消融对地球自转的影响。

我们假设冰川形成前，地球处于均衡状态（见图1，a）。当冰川形成时，海洋里的水逐渐转移至两极，使水圈变薄，而极地冰川则越来越厚大（见图1，a-b）。这样，以南、北极为轴（地轴），地球的半径缩短。因为地轴和地球自转轴基本一致，这样，就造成以地球自转轴为轴心的地球自转半径缩短。

图1：冰川形成和消融对地球自转的影响（所有图为通过两极的剖面图）。

A，冰川；B，北极；C，水圈；D，固体地球；E，南极。a，未形成冰川时均衡状态的地球；b，冰川在两极形成，但均衡调整尚未开始；c，处于均衡平衡的地球；d，两极冰川消融，均衡调整尚未开始；e，冰川消融后地球恢复a的均衡状态。

因为冰川形成前后地球的质量没有变化，所以，冰川形成前后地球的自转总动量应不变，即：

∑P=∑v+∑ω=C （1）（∑P，总动量；∑v，总线动量；∑

ω，总角动量；C，常数）。

因为，对于地球上绕自转轴自转的某一质点，则有：

ω=Δφ/Δt=2π/T=2πf （2）

v=Δs/Δt=2πr/T=2πrf （3）

v=ωr （4）（ω，角速度；r，自转半径；v，线速度）。由（4）式可知，若角速度不变时，绕自转轴旋转的某一质点的线速度与它的自转半径成正比。

所以，当海水从赤道或中纬度地区转移至两极形成冰川时，假设地球自转的角速度不变，随着其自转半径的缩短（主要由水圈变薄造成），线速度将减小。这样，地球自转的总线动量（∑v）也将减小。

因为∑P=∑v+∑ω=C，所以，当∑v减小时，∑ω必然增大。∑ω增大，地球自转的角速度也就必然增大，也即地球的自转必然加快。

简单地说就是，当赤道或中纬度地区的海水转移至极地形成冰川时，导致整个地球的线动量减小，将引起地球自转的角动量增加，使地球自转加快。

冰川形成后，由于大量的冰川质量加于极地地壳上，将造成冰川区域重力正异常（也即大地水准面负异常）。由于地球的均衡作用，在冰川重力的作用下，冰川将和冰川下的地壳一道下陷。由于地球具有软流圈，地球具有固体潮，所以，可以说地球具有一定的流体性。软流圈外是固态的岩石圈。所以，可以把地球看成一个由固态岩石圈圈闭的流体球。根据流体力学原理，液体是不可能压缩的。所以，当冰川和其下的岩石圈下沉时，必然造成地球的膨胀（见图1，b-c）。若是单极冰川的形成，单极冰川缓慢作用于地球这个塑性球，将造成冰川所在半球中纬度区域膨胀，相对半球的中纬度地区收缩。若是形成双极冰川，在两极冰川的挤压下，则造成赤道地区膨胀（水圈厚度不变,膨胀主要由固体地球膨胀造成）。总之，不管形成的是单极冰川或双极冰川，都将导致地球赤道及中纬度区域总体上膨胀。由于地球赤道及中纬度区域膨胀，地球自转半径增大，造成线动量增大，这样，要维持总动量不变，角动量将减小，即地球的自转减慢。

当冰川期结束，大气温度升高，极地冰川消融。大量的极地冰川融化流入赤道或中纬度的海洋，将使赤道和中纬度海洋上升。由于海洋上升，使水圈厚度增大，而固体地球没有变化，导致地球的半径增大（见图1，c-d），线动量增大，相应地，地球自转的角动量将减小，也即地球自转将减慢。

冰川消融后，冰川区域，由于大量的冰川质量移出，将造成冰川区重力负异常（也即大地水准面正异常）。由于地球的均衡作用，冰川消融后的地区，将逐渐反弹性上升（如现在的斯堪的纳维亚及北美大湖地区）[Stacey, 1992]。由于冰

川消融后地壳的上升，地球这个由岩石圈圈闭而成的液体球，体积将缩小，直至恢复冰川形成前的均衡状态（见图1，d-e）。由于体积的缩小，地球的自转半径将减小（主要由固体地球缩小造成）。这样，地球的线动量减小，将导致地球角动量增加，也即地球的自转加快。

这样，地球经冰期和间冰期形成一个循环，地球的自转变化也经历一个循环。即：自冰川已形成后，冰川及冰川下地壳一道下降，引起均衡下沉开始作为起点，直至冰川消融后，冰川区地壳反弹性回升开始时为止，这一段时间，为地球赤道及中纬度区域不断膨胀（包括固体地球和水圈），半径不断增大的过程。在这段时间内，地球的自转不断减慢，称为地球自转减慢期

自冰川消融后，冰川区地壳反弹性回升开始时为起点，直至冰川已形成，但冰川及冰川下地壳尚未由于均衡作用而下降时为止，这一段时间，为地球赤道及中纬度不断收缩，半径不断缩短的过程。在这段时间内，地球的自转不断加快，称为地球自转加快期。

2 冰川形成和消融对地核自转的作用

在2900公里处，高速传播的地震横波突然消失，高速传播的纵波也突然减慢，这说明，内地幔是固态，而外核是液态。过渡层和内核又有横波出现，这说明过渡层和内核(简称内核)呈固态。这样，地球就呈现出地幔是固态，内核是固态，而内核和地幔之间的外核是液态的结构。

地核和地幔之间为液态的外核，当地幔的自转速度变慢时，由于惯性的作用，地核仍保持原来的速度自转。这样，就造成地核自转速度比地幔快。地核有一个相对于地幔的自转运动，方向和地球自转方向一致。这就是很多研究者发现内核自西向东相对地幔差异自转[Song and Richards, 1996; Poupinet, et. al., 2000; Souriau and Poupinet, 2000]的原因。地球自转变慢的速度越大，地核相对于地幔的自转速度也就越大。

根据以上相同的原理，当地球自转变快时，由于惯性的作用，地核仍保持原来的速度自转。这样，就造成地核自转速度比地幔慢。地核有一个相对于地幔的自转运动，方向和地球自转方向相反。地球自转速度变快得越快，地核相对于地幔的自转速度也就越大。

3 地核感生电动势的形成原理及过程

我们先假设地核外有一个地理南极为N极，地理北极为S极的地核外磁场（和现今的地磁场方向一致）。

图2为以地轴垂直的地核剖面北面观。左下方为一个感生电动势形成示意图：假设IJ导线，位于这个地核剖面，且和这个地核剖面的半径长度相等，方向一致；GH相当于地核相对于地幔的自转方向。假设左下方示意图中磁场的方向，和地核外磁场的方向一致（和地轴平行）。这样，我们可以把这个平面看成一个和地轴垂直的地核导电圆盘。地核也可以看成是由很多个这样的和地轴垂直的导电圆盘组合而成的。由于地核外的内地幔是由固态的硅酸盐岩构成，导电性相对地核来说相当弱，可以看成是绝缘体[Voorhies, 1991]。所以，地核相对于地幔的运动，可以看成是导电圆盘在绝缘环境里的运动。

图2 地核相对于地幔自转时，在地核外磁场的作用下，感生电流形成示意图。A，核-幔界面；B，地核相对地幔的自转方向；C，外核；D，内核；E，地轴；GH，地核相对地幔转动方向；IJ，相当于导线的地核

圆盘半径。

当地球处于自转减慢期，地核相对于地幔自转加快，也就是地核有一个相对于地幔自西向东的自转（和地球的自转方向一致，见图2，B）。根据右手定则，大姆指指向IJ导线运动方向（见图2，G→H，即地核相对于地幔运动的方向），掌心面对地核外磁场的N极（向上），其余四指与导线的方向一致，则四指所指向的方向，就是感生电流的方向（见图2，I→J；即从核幔界面处指向地轴，见图3，a、b，C，）。所以，当地核在地核外磁场里相对于地幔自西向东转动时，组成地核的每个导电圆盘，都会产生由核、幔界面处指向地轴的感生电流（见图3，a、b，C），形成感生电动势。这样，就在每一个导电圆盘的地轴和核、幔界面之间，形成电势差。地轴为正，核、幔界面为负，且地核赤道面上的核、幔界面与地轴之间的电势差最大。

若地球自转加快，地核相对地幔自转减慢，形成感生电动势时，原理和上面的分析一样，只是地核相对于地幔自转方向改变，由自西向东改为自东向西（见图3，c、d，A）；这样，右手四指所指的方向，则变成了由地轴指向核、幔界面（见图3，c、d，C）。这同样会在每一个导电圆盘的地轴和核、幔界面之间产生感生电流，形成感生电动势，只是地轴为负，核幔界面处为正（见图3，c、d，C）。地球自转加快，地核相对地幔自转变慢时，地核感生电动势的形成，同样可以图2说明，只是地核相对地幔自转和电流方向刚好和图中箭头所示方向相反（见图3，a和c；及b和d）。

图3. 地核在地核外磁场里做相对运动时，感应电流的形成示意图。a、b示地核相对地幔自转加快时产生的感生电流；c、d示地核相对于地幔自转速度减慢时产生的感生电流；a、c 示地轴纵切面；b、d示垂直于地轴的横切面北面观。A，地核相对于地幔的自转方向；B，地理北极；C，感生电流方向；D，地轴；E，地理南极；F，核-幔界面。

4 外核物质的运动及地核螺旋管磁场的形成

4.1 地球自转减慢时地核螺旋管磁场及地磁场的形成

由地震波可知，内地幔为刚性相当强的固态物质，内核也为固态物质构成。而在内地幔和内核之间，则为液态的外地核。由于地核（特别是内核）的比重大，相同体积所占的质量比也比较大，所以，惯性也较大。当地球自转速度变慢时，由于惯性作用，地核将相对地幔自转加快。

当地球自转尚没有变慢时，构成地核的质点在其重力的作用下做匀速圆周运动，则有：

F= =mω2R （5）（F为向心力；m为质量；R为圆周半径；ω为地核自转的角速度）。这时，向心力由重力提供，即：

W=F （6）

ΔF=W-F=0 （7）（W为重力）。当地球自转速度减慢时，由于地核由液态的外核和固态内核共同构成，地核相对于地幔自转速度将加快。但整个地核相对地幔的自转速度并不是一样的。以赤道面为例，固体内核由于相对质量大，减少的速度不大，仍保持原来的速度（相对地幔速度最大）；和固态内核接触的液态外核速度次之，和地幔接触的液态外核自转速度减小最大（相对于地幔的速度最小）。即在赤道面上，从核内液、固界面至核、幔界面，减慢的速度越来越大。因为地核的m没有变化，外层液态外核的重力没有变化，但ω减小，维持圆周运动所需的向心力（F）减小。这样，

W>F （8）

ΔF =W-F>0 （9）越是外层外核，自转速度（ω）减小越大，ΔF也就越大。在这个ΔF的作用下，外核的液态物质，将做向地轴运动。

当外核液态物质向地轴运动时，遇到固态的内核阻挡，受力情况见图4。由图4，a可见，当向轴力F作用于固态内核的O点时，可以分解为在x轴和y轴方向上的F2和F1。因为F2和固态内核对液态外核的反作用力大小相等，方向相反，它们正、负抵消。所以，F受到固态内核的作用，将转化为F1。

F1=F×Sinα（10）（α为x轴和赤道面的夹角）。

一旦这个F1产生，可将其分解为x’轴和y’轴方向上的F3和F4。在这个

F4的作用下，液态外核物质将做向极运动（见图4，b）。向极力F4的大小由向轴力和该点所在半径与赤道面的夹角的大小来决定：

F4= F1×Cosα（11）

= F×Sinα×Cosα（12）因为α大小在0o-90o之间，Sinα的大小随x轴与赤道面的角度增大而增大；随x轴与赤道面的角度减小而减小。当α=0o时，即当该点位于赤道面上时，因为Sinα等于0，所以向极力为0；当α=90o时，即当该点位于赤道面上时，因为Cosα等于0，所以向极力为0。只有当α=45o，向极力最大。

图4 通过南、北极的地核剖面观，示液体外核物质的向极运动。a，示地核内固-液界面处切线方向的F1力的形成；b，示F1导致向极分力F4的形成。A，地轴与核-幔界面北极的交点；B，地轴与核-幔界面南极的交点；A’，地轴与核内固-液界面北极的交点；B’，地轴与核内固-液界面南极的的交点；O，坐标轴原点（位于核内固-液界面上）；O’，地心；F，外核液体的向地轴作用力；F1，F在内核表面切线方向的分力；F2，F在地核半径方向的分力；F3，F1在垂直于地轴方向的分力；F4，F1在地轴方向的分力；x轴与地核半径一致，方向由地心指向核-液界面；y轴与内核表面切线一致，方向指向北方；x’轴与垂直于地轴的圆盘平面一致，方向由地轴指向核-幔界面；y’轴与地轴平行，方向指向北方。

所以，液态外核物质，除做向地轴运动之外，还做向地极运动。这样，地核赤道处的物质越来越少，而地核两极处的物质却越来越多。因为和液态外核相界的内地幔为刚性相当强的固态物质，不易产生形变，所以，地核赤道处的物质越来越少，压力也就越来越小。因为地球内部物质的固、液态性由该物质的熔点、温度和压力共同决定，由于地核赤道处的温度没有变化，物质性质也没有变化（熔点未变），随着压力减小，物质的液态性加强，刚性减弱。相反，地核两极处的物质越来越多，压力增加。同样，温度和物质性质也没有发生变化，所以，地核两极处的物质的液态性减弱，刚性增强。这样，地核的刚性就不是一个以地心为中心的辐射对称，而成为一个赤道区域刚性较弱，而两极区域刚性较强的以地轴为轴的轴对称。这就是为什么内核地轴位置地震波速度增大，内核呈现各向异性[Kuznetsov, 2001; Clement and Stixrude, 1995; Souriau, et. al., 2003; Giardini, et. al., 1987; Deuss, et. al., 2000]的原因。地核的这种性质变化，随着地核相对于地幔的自转速度变化的减弱而减弱。当地核的自转速度和地幔一致时，这种性质的变化也将逐渐消失，这时，地核的刚性，又将变成以地心为中心的辐射对称。

因赤道处物质做向轴、向极运动时，本身又在相对地幔自西向东自转。这样，就呈图5（a，b）所示的向轴、向极螺旋运动。就好像相对地幔加快自转的固态内核带动液态外核做向轴、向极螺旋运动一样（见图5，a，b）。这已得到实验室结果证实[Aurnou, et. al., 2003]。

图5. 地核相对于地幔自转加快时，液态外核物质的运动及相应电流形成示意图。a，自赤道面横切的地核剖面北面观，示地核液态外核物质的向地轴螺旋运动情况；b自赤道面处将地幔切开，露出北半球地核的球面观，示液态外核物质的向地轴、向地极螺旋运动；c自赤道面横切的地核剖面北面观，示地核液态外

核物质运动导致的电流离地轴螺旋流动；d，自赤道面处将地幔切开，露出北半球地核的球面观，示液态外核物质导致的电流的离地极、离地轴螺旋流动。A，部分固态地幔；B，液态外核物质的运动方向或电流方向；C，固态内核；D，液态外核；E，地心；F，地轴。

由图3 （a，b）可知，地球自转变慢时，由于地核外地磁场的作用，感生电动势为地轴为正，核、幔界面处为负。因为越接近地核赤道处的地核半径越长，所以，这里的感生电动势越大，越接近地轴处的地核的半径越小，所产生的感生电动势也就越小。当液态外核带负电的物质做向轴、向极的螺旋运动时，就产生方向和物质运动方向相反的螺旋电流（因为是带负电的物质流动）（见图5，c，d）。这种螺旋电流，就相当于以地轴为中空管的螺旋管。当电流在螺旋管中流动时，肯定会产生磁场。根据右手螺旋管定则，四指的方向，指向电流螺旋的方向（见图5，c，d），大姆指所指的方向，就是螺旋管的磁场的N极。这样，就形成地理南极为N极，地理北极为S极的地核螺旋管磁场。这说明，当地球自转减慢时，地核磁场的方向和地核外磁场方向一致。因为地核磁场和地核外磁场的方向一致，这就增强了感生电流产生的磁场，也就增大了感生电流的强度，从而达到自激作用。这样，整个地球的磁场越来越强，达到现今的或更大的地磁场的强度，形成地磁场。

4.2 地球自转加快时地核螺旋管磁场及地磁场的形成

地球自转加快时，地核相对地幔自转减慢，液态外核物质的运动情况，和地球自转减慢时的基本原理相似，只是情况刚好相反，如：

W

ΔF = W-F<0 （14）当地球自转速度增大，而地核由于惯性作用，仍保持原来的自转速度变化不大。这样，以赤道面为例，自核、幔界面至地核内液、固界面处，自转速度越来越慢，固态内核的自转速度最慢。越是外层外核，ω减小越少，ΔF也就越小；越是内层外核，ω减小越大，ΔF也就越大。这样，因为重力不变，而需要的向心力增大，而重力不能提供足够的向心力，液态外核物质将产生离地轴运动。

当外核液态物质离地轴运动时，遇到固态的内地幔的阻挡，受力情况见图5。由图5，a可见，当向轴力F作用于固态内核的O点时，可以分解为在x轴和y 轴方向上的F2和F1。因为F2和固态内地幔对液态外核的反作用力大小相等，方向相反，它们正、负抵消。所以，F受到固态内地幔的作用，将转化为F1。

F1=F×Sinα（15）（α为x轴和赤道面的夹角）。

一旦这个F1产生，可将其分解为x’轴和y’轴方向上的F3和F4。在这个

F4的作用下，液态外核物质将做向赤道面运动（见图6，b）。向极力F4的大小由离轴力和该点所在半径与赤道面的夹角的大小来决定：

F4= F1×Cosα（16）

= F×Sinα×Cosα（17）同样，因为α大小在0o-90o之间，Sinα的大小随x轴与赤道面的角度增大而增大；随x轴与赤道面的角度减小而减小。当α=0o时，即当该点位于赤道面

上时，因为Sinα等于0，所以向赤道面力为0；当α=90o时，即当该点位于赤道面上时，因为Cosα等于0，所以向极力为0。只有当α=45o，向极力最大。

图6 液体外核物质的向赤道面运动示意图。a，示地核-幔界面处切线方向的F1力的形成；b，示F1导致向赤道面分力F4的形成。A，地轴与核-幔界面北极的交点；B，地轴与核-幔界面南极的交点；A’，地轴与核内固-液界面北极的交点；B’，地轴与核内固-液界面南极的的交点；O，坐标轴原点（位于核-幔界面上）；O’，地心；F，外核液体的离地轴作用力；F1，F在核表面切线方向的分力；F2，F在地核半径方向的分力；F3，F1在垂直于地轴方向的分力；F4，F1在地轴方向的分力；x轴与地核半径一致，方向由地心指向核-幔界面；y轴与外核表面切线一致，方向指向北方；x’轴与垂直于地轴的圆盘平面一致，方向由地轴指向核-液界面；y’轴与地轴平行，方向指向北方。

所以，液态外核物质，除做离地轴运动之外，还做从地极向赤道面的运动。这样，地核赤道核-幔界面处的物质越来越多，而地核两极处的物质却越来越小。地核赤道核-幔界面处的物质越来越多，压力越来越大，物质的液态性越强，刚性越弱。相反，地核两极处的物质越来越少，压力降低，物质的液态性增强，刚性减弱。

同样，两极处物质在离地轴和向赤道面运动时，本身又在相对地幔自东向西自转。在每一个垂直地轴的圆盘内，越是离地轴近的外核液态物质，相对地幔自转越快；越是离核-幔界面近的外核液态物质，相对地幔自转越慢。这样，就呈图7（a，b）所示的离地轴、向赤道面螺旋运动。就好像内核相对不动，相对内核自转的地幔带动液态外核物质离极、离地轴向赤道面螺旋运动一样（见图7，a，b）。这样，地核将形成赤道区域刚性强，液态性弱，而两极区域刚性弱，液态性强的以地轴为轴的轴对称球体。

图7. 地核相对于地幔自转变慢时，液态外核物质的运动及相应电流形成示意图。a，自赤道面横切的地核剖面北面观，示地核液态外核物质的离地轴螺旋运动情况；b自赤道面处将地幔切开，露出北半球地核的球面观，示液态外核物质的离地极、离地轴螺旋运动；c自赤道面横切的地核剖面北面观，示地核液态外核物质运动导致的电流向地轴螺旋流动；d，自赤道面处将地幔切开，露出北半球地核的球面观，示液态外核物质导致的电流的向地极、向地轴螺旋流动。A，部分固态地幔；B，液态外核物质的运动方向及电流方向；C，固态内核；D，液态外核；E，地心；F，地轴。

由图3 （c，d）可知，地球自转加快时，由于地核外地磁场的作用，感生电动势为地轴为负，核、幔界面处为正。因为越接近地核赤道处的地核半径越长，所以，这里的感生电动势越大，越接近地轴处的地核的半径越小，所产生的感生动势也就越小。当液态外核带负电的物质做离极、离地轴向赤道面螺旋运动时，就产生方向和物质运动方向相反的螺旋电流（因为是带负电的物质流动）（见图7，c，d）。根据右手螺旋管定则，就形成地球南极为N极，地理北极为S极的地核螺旋管磁场。这说明，地球自转加快时，地核磁场的方向和地核外磁场方向一致。这就增强了感生电流产生的磁场，也就增大了感生电流的强度，从而达到自激作用。地核磁场和地核外磁场一道，共同构成地磁场。

4.3 地核螺旋管磁场的变化规律

地球自转减慢时，地球自转减慢得越多，地核相对地幔自转加快得也就越多，地核相对地幔自转的速度也就越大，地磁场就越强。相反，地球自转减慢得越小，地核相对地幔自转加快得也就越小，地核相对地幔自转的速度也就越小，地磁场就越弱。

当地球自转减慢停止，由于液体外核的粘性作用，地核相对地幔的运动也就越来越小，最终消失；地磁场也就越来越小，最终地核磁场消失，只剩下地核外磁场。

地球自转加快时，地球自转加快得越多，地核相对地幔自转减慢得也就越多，地核相对地幔自转的速度也就越大，地磁场就越强。相反，地球自转加快得越小，地核相对地幔自转减慢得也就越小，地核相对地幔自转的速度也就越小，地磁场就越弱。当地球自转加快停止，由于液体外核的粘性作用，地核相对地幔的运动也就越来越小，最终消失；地磁场也就越来越小，最终地核磁场消失，只剩下地核外磁场。

地球自转减慢时，地磁场增强，地球自转减慢停止后，地磁场将逐渐减弱。当地球自转减慢后，地球自转又加快，这时地磁场又增强，地球自转加快停止后，地磁场将逐渐减弱。只要地核外磁场存在，且方向不变，地球自转的减慢或加快，都会使地磁场增强，且方向和地核外磁场方向一致。

当地球自转速度变慢或变快时，地核这种相对于地幔自转速度变快或变慢所能维持的时间，与外地核液体的粘性有关。外核液体的粘性越强，地核相对地幔自转变快或变慢的维持时间越短，外核液体的粘性越弱，地核相对地幔自转变快或变慢的维持时间越长。

不管外核液体的粘性如何，它总有一定的粘性，在这个粘性作用下，地核相对地幔的这种自转速度变化，总会越来越小，最终自转速度会和地幔一致。

综上所述，地球的自转加快或减慢，都能影响地核螺旋管磁场的强弱。因为地磁场主要由地核螺旋管磁场构成，所以，地球自转的快慢变化，将影响地磁场强弱的变化。但是，地磁场的方向，总与地核外磁场的方向一致。也就是说，地球的自转变化，不会直接导致地磁的反转。

5 地核外磁场及地磁反转

最初的地核外磁场，可能形成于熔融的地球开始凝固成地壳时。由于地球的热辐射，熔融的地球不断降温形成地壳[Walter and Tr?nnes, 2004]。由于太阳的磁场及太阳风的作用，当地壳的温度降至居里点以下时，地壳里的铁等磁性物质，被磁化后按一定的方向固定下来，就形成了一定的磁场[Parker, 1979]。这可能是地球最初的地核外磁场，也是地球磁场的最终来源[Parker, 1979]。

一旦地壳里形成了一定的地核外磁场，通过以上的地核磁场形成原理，经不断的自激作用，就可以不断加强这个磁场，从而形成地磁场。

当地磁场形成后，地球会不断有火山喷发，也会不断有洋中脊的岩浆涌出，还会有含铁的沉积物不断地沉积。岩浆喷发或涌出时，岩浆里的铁等磁性物质在地磁场的作用下，会形成一定的定向磁性。当岩浆冷却至居里点以下时，这些定向磁性就被保存下来。含铁等磁性物质的沉积物，在地磁场的作用下，也会形成一定的定向磁性，当它们沉积下来后，这些定向磁性也会被保存下来。

由岩浆和沉积物在地磁场里形成的定向磁性，总是与地磁场相反。即以现今为例，地磁场为地理南极为N极，地理北极为S极为例，则地壳里形成的这些磁性物质的磁性，总是N极朝向北极，S极朝向南极。这样，由地壳里这些物质共同构成的磁场（简称地壳磁场）的方向，总是和地磁场的方向相反。当地磁场固定一个方向的时间越长，或岩浆喷发或涌出越多，形成的这种磁性物质越多，地壳磁场也就越强，且方向和地磁场方向相反。

通过上面的地核磁场的形成过程可以看出，地核磁场的形成，必须有一个地核外磁场。而这个地壳磁场的方向刚好和地核外磁场的方向相反。这样，地壳磁场越强，地核外磁场将越弱。当地壳磁场强度超过地核外磁场时，将使地核外磁场反转。但这时，地磁场强度远大于地壳磁场，只要地球的自转还处在加快或减

慢过程中，地磁场仍将很强。这样，地壳磁场方向和地磁场方向相反，仍将不断加强。

只有当地核外磁场已经反转后，由于地球的自转加快或减慢消失，地核相对地幔的运动也逐渐消失，地核磁场逐渐消失时，地壳磁场的增强（也就是地核外磁场的反向增强）才停止。当下一次地球再出现自转加快或减慢时，将出现和反向了的地核外磁场方向一致的地核磁场，这个磁场经不断的自激作用，逐渐形成反转的地磁场。这样，就完成了一次地磁场的反转。

因为地壳磁场主要由岩浆冷却和沉积物沉积而成。整个地质历史时期，沉积物的量变化不太大，而岩浆物质的涌出或喷发呈现周期性，且岩浆物质里含有大量的铁等磁性物质。这样，可以推论，岩浆物质大量涌出或喷发期，将是地壳磁场的强烈形成期。由于地壳磁场的形成作用强，地核外磁场发生反转的可能性就大，这样，也就容易造成地磁场的反转。这些时期，将是地磁场反转的濒发期。

6 地磁场的能量来源

从以上的分析可以知道，地磁场形成的直接能量来源，是地核相对于地幔的自转运动。而这种自转的变化，是由冰川的形成和消融引起的。冰川能得以形成，是由于海洋里的水变成水蒸汽，并被风吹至极地区域而形成。而水蒸汽形成和风的能量，均来自太阳，所以，地磁场形成和反转的能量，最终来自太阳能。

地磁模型

三维立体图像地

利用图1.1立体图象可以向同学展示地磁场的大体分布特点.这是理解地磁场的基本出发点,同时我们可以利用图1-2中地磁场磁感线分布图形来形象描述它。图形中要注意磁感线的方向,及其疏密分布特点，利用此图可以解释指南针的原理和极光。

2．侧剖面图象

图2.1是我们从宇宙空间角度看地球的侧剖面,构建出的磁感线图像。在地球表面分析处理问题时，我们可以近似认为磁感线贴近地球表面，由此我们可以绘制图2.2，此图象最常用,但这里要注意的是地理空间方

位的东南西北与图象上下左右之间的结合。当我们身处地球北半球位置时，磁感线的方向可以分解为水平向北和竖直向上;当在南北半球位置时，磁感线方向可以分解为水平向北和竖直向下;其中赤道平面的磁感线方向只有是水平向北的方向。在图2-2中，垂直纸面向里是东,向外是西.

例题1：来自宇宙空间的质子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质子在进入地球周围的空间时，将

A.竖直向下沿直线射向地面

B.相对与预定地点向东偏转

C．相对与预定地点稍向西偏转D：相对与预定地点稍向北偏转

由图2.2利用左手定则,分析可以得选择项目是“B”。

IGRF(国际地磁参考场)资料在地磁学的基础研究中得到广泛的应用.利用IGRF国内外学者研究了高斯分析、地球磁场模型及其源场可能位置、重磁关系、核幔耦合、地磁场能量、地球非偶极子磁场以及长期变化场的西向漂移等,研究了IGRF在我国地区的误差以及产生的原因.在研制中国地磁等值图中也得到某些应用.

利用IAGA(国际地磁与高空物理学协会)编制的IGRF(国际地磁参考场)研究了20世纪地磁场变化规律. 20世纪地磁长期变化场的四极子(n=2的高斯系数所表示)变化最为显著,与主磁场相比长期变化...

国际地磁参考场与局部地磁场模型的研究，具有深远的学科意义与巨大的实用价值。研究好地磁场模型，将可以提供准确的地磁场信息，丰富“数字地球”的数字化与可视化的程度。

从1900～2000年国际参考地磁场球谐模型系列出发, 建立一种新的地磁场模型──自然正交分量模型, 简称NOC模型. 首先, 由IGRF1900-2000的高斯系数求出地磁场的本征模; 然后, 以此作为基函数系, 将每一年代的磁场展开, 求出各本征模的强度系数, 即可得到表示地球主磁场空间结构和时间变化的NOC模型. 对NOC模型的收敛特征和基函数的稳定性进行了数值检验, 结果表明, 与传统的IGRF球谐模型相比, NOC模型具有级数短、收敛快的特点;在所研究的100年内, 低阶NOC基函数比较稳定, 而高阶基函数有较大的变化. 讨论了NOC模型基函数的物理内涵, 并揭示了地磁场的空间结构及其长期变化之间的内在联系.

地磁倒转是地球磁极在地质时期中的交替现象。

地球磁场看来从150年前就开始走下坡路，磁场的强度至今已经削减了10%～15%，它的衰弱速度最近有增无减。

如果地磁发生倒转，主磁场会变弱乃至消失，然后以相反的极性再出现。之后，指南针指示的方向将颠倒，天上地下的许多事物难免变得面目全非。

磁场倒转会摧毁电网，伤害宇航员和人造卫星，扩大大气臭氧层空洞，将极光反射到赤道，鸟类、鱼类和其他迁徙动物将因此迷失方向。所幸，虽然有一些人发出世界末日的预言，并称找到了过去磁场倒转和物种灭绝间的联系，专家们说事情还不至于那么恐怖。

【地磁日益严重弱化】

英国科学杂志《自然》2002年4月11日刊登一篇论文详述了地磁场日益严重的弱化，引起了科学界对这个问题的普遍关注。

通过比较分析1979年和1980年美国“马格塞特”号人造卫星的数据，佐以1999年发射的丹麦“阿斯泰兹”号人造卫星收集的最新资料，科学家们发现了磁场弱化问题。巴黎地球物理研究所胡洛博士等人发现北极和南非一个地区的磁场已经变得特别弱。

胡洛博士在采访中提到，地磁场南部比其他地区要弱30%左右。因为来自太阳的带电粒子能够穿透薄弱的磁性防护，一些人造卫星已经出现电子故障。

罗彻斯特大学地球物理学教授约

翰·塔多诺博士说：“磁场变弱的速度之快令人深思，它看起来就像我们在电脑里看到的模拟磁场倒转一样。”

磁场变化在上个世纪五六十年代就有显著表现。那时的科学家通过牵引船后的磁场传感器发现满是岩石的海床出现了奇怪的磁化带。后来人们知道，海底熔岩流在地球磁场的不断倒转中会交替磁化，海床就像一个巨大的录音机，记录发生的一切。陆地上古老火山的岩层中也有同样的记录。

岩石的“记忆”是怎么形成的呢？熔岩流里含有微小的矿物颗粒，它们是无数的指南针或小型磁铁，自由地指向当时的磁场。当熔岩冷却，其中的小指南针就固定在原地，就算磁场改变，它们也不能再移动，专家们称它为古地磁。

古地磁研究表明，地磁场大约每50万年倒转一次，但是以一种随机的方式进行，初期变化模式更是混乱。比如说，在恐龙生活的3500万年里没有发生一次倒转。

辐射爆发，谁能幸存？

从全球范围看，磁场保护地球免受太阳风和致命的粒子风暴的伤害。地磁场的崩溃会导致辐射的爆发，带来各种各样的破坏。

美国航空和宇宙航行局戈达德太空飞行中心的大气科学家查尔斯·杰克曼博士和他的欧洲同事们一起用计算机模拟磁场倒转可能带来的变化。他们去年12月份公布报告说，变弱的磁场会让太阳粒子风暴袭击大气层，破坏大量的臭氧，而臭氧是保护地球免受紫外线侵害的。

来自太阳的紫外线辐射会伤害地球上的生命，降低农作物产量，增加癌症发病率，导致皮肤癌和白内障。杰克曼博士

3月1日，印度媒体爆出一大惊人新闻：2012年，地球与太阳的磁极将同时颠倒，这可能将引发混乱——零磁力危机威胁地球，这个颠倒过程将在地球生物圈中引发一系列的灾难。

印度方面的报道称，得到这一结论的是印度的一组天体和物理学家。他们与一些计算机科学家共同研究、以计算机模拟而发现这一结果。

地磁确实在变化

若干年前科学家们发现，最近150年来，地球南北极所产生的磁场，正在持续地急剧衰减(现在的地磁场强度比150年前减低了约10%)。有科学家担忧，如果以这种速度发展下去，地磁场将在下个千年的某个时期彻底消失。英国的《自然》杂志和美国的《科学》杂志近几年都相继发表相关的文章，对这一现象进行探讨。

实际上，地磁场会发生倒转这一现象在更早的时候就已经被科学家发现了。在最近几百万年间，地磁场至少发生了三次倒转，每两次倒转之间，最短的间隔是70万年，最长的则有150万年。

但现在印度科学家做出的这个结果却过于骇人听闻：2012年，我们中的大多数人都有机会亲历这场灾难。

根据他们的描述，地球和太阳的磁极颠倒将会引起电子故障，鸟类、鱼类等众多依靠地磁辨别方向的迁徙动物也会迷路。如果地球磁力降低为零，所造成的后果更是不堪设想：地球失去了地磁保护伞，高能宇宙粒子和太阳粒子将毁坏人造卫星，宇宙辐射还将对人类和其它动物造成毁灭性的打击，人类躲避灾难的方法只能是藏身在地壳以下。而正常情况下，这些宇宙射线在太空中就被地球磁场吞没了。

“这只能是业余科学家的结论！”

然而，中国国内研究地磁问题的专家坚决否定了印度人做出的这一结论。

“2012年发生地球磁极倒转是完全不可能的事情。”中国科学院地质与地球物理研究所研究员徐文耀多年来致力于对地球深层结构问题的研究(主要研究地磁现象)，他告诉本刊记者，地球磁场倒转是一种地质事件，

朱雀旗≌白虎令

2020年人教版九年级物理全一册第20单元：电与磁-地磁场 练习

2020年人教版九年级物理全一册第20单元：电与磁 地磁场精选题带答案 一．选择题（共13小题） 1．若假想地磁场是由地球内部一块大磁铁产生的，如图所示的四个示意图中，能合理描述这块大磁铁的是（） A．B． C．D． 2．地球是一个巨大的球体，下列图中有关地磁体的示意图正确的是（）A．B． C．D． 3．如图是我国早期的指南针﹣﹣司南，它是把天然磁石磨成勺子的形状，放在水平光滑的“地盘”上制成的。东汉学者王充在《论衡》中记载：“司南之杓，投之于地，其柢指

南”。“柢”指的是司南长柄，下列说法中正确的是（） ①司南指南北是由于它受到地磁场的作用 ②司南长柄指的是地磁场的北极 ③地磁场的南极在地球地理的南极附近 ④司南长柄一端是磁石的北极。 A．只有①②正确B．只有①④正确C．只有②③正确D．只有③④正确4．玩具小船上固定有螺线管（有铁芯）、电源和开关组成的电路，如图所示，把小船按图示的方向放在水面上，闭合开关，船头最后静止时的指向是（） A．向东B．向南C．向西D．向北 5．我国古代四大发明之一指南针之所以能指南北是因为地球周围存在着地磁场，但地理的两极和地磁场的两极并不重合略有偏离，世界上最早发现这一现象的人是（）A．法拉第B．张衡C．奥斯特D．沈括 6．下列说法正确的是（） A．地磁南极就是地理南极

B．磁感线在磁体周围真实存在 C．奥斯特实验说明通电导线周围存在磁场 D．电动机是利用电磁感应现象制成的 7．关于地磁场，下列说法正确的是（） A．地磁场的N极在地球的地理北极附近 B．地球周围的磁感线从地球地理北极附近出发，回到地球地理南极附近 C．仅在地磁场的作用下，可自由转动的小磁针静止时，N极指向地理的南极附近D．宋代科学家沈括最早发现了地磁场的两极与地理的两极并不完全重合 8．如图所示，关于指南针，下列说法中正确的是（） A．有的指南针只有一个磁极 B．自由转动的指南针，其静止时指南北是由于地磁场的作用 C．指南针的指向不会受到附近磁铁的干扰 D．指南针周围不存在磁场 9．在探究磁现象的活动中下列说法正确的是（） A．在条形磁体周围撒铁屑的目的是将原来不存在的磁场显示出来 B．用磁铁能吸起铜导线制成的通有电流的轻质螺线管 C．将条形磁体用细线悬挂起来，当它在水平面静止时北极会指向地理南方 D．把小磁针放在磁铁周围的任何位置，静止后小磁针的北极都指向地理北极

高三物理复习专题--有关地磁场类问题集锦

有关地磁场类问题集锦 1.十九世纪二十年代，以塞贝克(数学家)为代表的科学家已认识到：温度差会引起电流。安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差，从而提出如下假设：地球磁场是绕地球的环形电流引起的，则该假设中的电流的方向是( ) A.由西向东垂直磁子午线 B.由东向西垂直磁子午线； C.由南向北沿磁子午线方向 D.由赤道向两极沿磁子午线方向 注：磁子午线是地球磁场N 极与S 极在地球表面的连线 2.20世纪50时年代，科学家提出了地磁场的“电磁感应学说”，认为当太阳强烈活动影响地球而引起磁暴时，磁暴在外地核中感应产生衰减时间较长的电流，此电流产生了地磁场。连续的磁暴作用可维持地磁场。则外地核中的电流方向为（地磁场N 极与S 极在地球表面的连线称为磁子午线）（ ） A.垂直磁子午线由西向东 B 垂直磁子午线由东向西 C.沿磁子午线由南向北 D 沿磁子午线由北向南 ３.根据安培假设的思想，认为磁场是由于运动电荷产生的，这种思想如果对地磁场也适用，而目前在地球上并没有发现相对地球定向移动的电荷，那么由此可断定地球应该（ ） A.带负电 Ｂ带正电 C.不带电 Ｄ无法确定 4.一根沿东西方向的水平导线，在赤道上空自由下落的过程中，导线上各点的电势（ ） A.东端最高 B.西端最高 C.中点最高 D.各点一样高 5.在赤道附近有一竖直向下的匀强电场，在此区域内有一根沿东西方向放置的直导体棒，由水平位置自静止落下，不计空气阻力，则导体棒两端落地的先后关系是（ ） Ａ.东端先落地 Ｂ.西端先落地 Ｃ.两端同时落地 Ｄ.无法确定 6.在赤道上，地磁场可以看作是沿南北方向并且与地面平行的匀强磁场，磁感应强度是5×10－5Ｔ.如果赤 道上有一条沿东西方向的直导线，长40ｍ，载有20Ａ的电流，地磁场对这根导线的作用力大小是 （ ） Ａ.4×10－8Ｎ Ｂ.2.5×10－5Ｎ Ｃ.9×10－4Ｎ Ｄ.4×10－2Ｎ 7.关于磁通量的说法中，正确的是（ ） A.穿过一个面的磁通量等于磁感强度和该面面积的乘积 B.在匀强磁场中，穿过某平面的磁通量等于磁感应强度与该面面积的乘积 C.穿过一个面的磁通量就是穿过该面的磁感线条数 D.地磁场穿过地球表面的磁通量为零。 8.为了利用海洋资源，海洋工作者有时根据水流切割地磁场所产生的感应电动势 来测量海水的流速。假设海洋某处地磁场竖直分量为B=0.5×10－4 T ，水流是南北 流向，如图1所示，将两电极竖直插入此处海水中，且保持两电极的连线垂直水 流方向。若两电极相距L=20m ，与两电极相连的灵敏电压表读数为U=0.2mV ，则 海水的流速大小为（ ） A.10m/s B.0.2m/s C.5m/s D.2m/s 9.指南针静止时，其N 极指向如图2中虚线所示。若在其上方放置水平方向的导线，并通以直流电，则指南针转向图中实线位置。据此可知（ ） A.导线南北放置，通有向北的电流 B.导线南北放置，通有向南的电流 C.导线东西放置，通有向西的电流 D.导线东西放置，通有向东的电流 10.欧姆在探索通过导体的电流和电压、电阻关系 时，因无电源和电流表，他利用金属在冷水和热水中产生电动势 代替电源，用小磁针的偏转检测电源，具体做法是：在地磁场作 用下处于水平静止的小磁针上方，平行于小磁针水平放置一直 导线， 当该导 图1 西 东

物理初三(话说地磁场)

物理初三(话说地磁场) 地球是个巨大的磁体，它周围空间存在的磁场叫地磁场。从我国古人发明指南针以来，人们就差不多明白地球存在着南北极对称的磁场。几千年来，人们对那个磁场的存在习以为常，特别少有人对此现象做过深入的研究。最近日本的一个研究小组利用超级电子计算机成功地摸拟出地磁场。然而，观测说明，从19世纪以来，地球磁场强度减少了约一成。因此有人认为，1000年以后地磁场将消逝。也有人认为近年来地磁场强度的减小是临时的，特别快将转为强度增加。因此众说纷起，那么地磁场到底是怎么样的？对地球上的生物有什么作用呢？ 【一】地磁场的两极位置 依照科学家的研究，地磁极的大概位置是：地磁南极在东经140°、南纬67°的南极洲威尔克斯附近；地磁北极在西经100°、北纬76°的北美洲帕里群岛附近。因此地磁南北极和地理的南北极并不重合。科学家还发明，地磁南北极的地理位置不是固定不变，而是在缓慢变化着的。 【二】地磁场的起源 地球存在磁场的缘故还不为人所知，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，物理学家埃尔萨塞依照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，如此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逝。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，决可不能形成地球磁场。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。因此，地核在6000K的高温柔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。因此，要形成地球南北极式的磁场，必定需要形成旋转的电场，而地球自转必定会造成地幔负电层旋转，即旋转的负电场，磁场由此而生。 【三】地磁场对生物活动的妨碍 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，中途往往还要通过汪洋大海，然而还能测定精确的位置。科学家们发明，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。但关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明，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，也是由于地磁的关心。 【四】地磁场对地球生物的保护 地磁场并不强，但关于地球上的各种生命来说，却显得特别重要。如在地球南北极附近或高纬度地区，有时在晚上会看到一种神奇的灿烂漂亮的彩色光带──极光。当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后，在地磁场的作用下，有害带电粒子沿地磁场的磁感线做螺旋线运动，最终会落到地球两极上空的大气层中，使大气层中的分子电离发光，形成极光。

全国各地区地磁场强度表

磁场： 磁场，物理概念，是指传递实物间磁力作用的场。磁场是一种看不见、摸不着的特殊的场。磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。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电场的变化而产生的。 用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的磁场。 地磁场： 地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。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。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引力。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。 概述：

地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于固体地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于固体地球外部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。 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，而是直射地球。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0.5-0.6高斯，也就是5-6*E-5特斯拉（50-60μT）。

地磁场及其基本要素

第一节地磁场及其基本要素 地磁场：地球周围存在的磁场。 地磁场三要素: 磁感应强度磁偏角磁倾角 磁感应强度 为某地点的磁力大小的绝对值，（磁场强度） 是一个具有方向（磁力线方向）和大小的矢量 一般在磁两极附近磁感应强度大（约为60μT（微特拉斯）；在磁赤道附近最小（约为30μT ） 磁偏角 是磁力线在水平面上的投影与地理正北方向之间形成的夹角，即磁子午线与地理子午线之间的夹角。 磁偏角的大小各处都不相同。在北半球，如果磁力线方向偏向正北方向以东称为东偏，偏向正北方向以西称为西偏。 我国东部地区磁偏角为西偏，甘肃酒泉以西地区为东偏。 磁轴与地球自转轴的夹角现在约为11.5度，1980年实测的磁北极位于北纬78.2度、西经102.9度（加拿大北部），磁南极位于南纬65.5度，东经139.4度（南极洲）。 长期观测证实，地磁极围绕地理极附近进行着缓慢的迁移。 磁倾角 是指磁针北端与水平面的交角。通常以磁针北端向下为正值，向上为负值。 地球表面磁倾角为零度的各点的连线称为地磁赤道；由地磁赤道到地磁北极，磁倾角由0°逐渐变为+90°；由地磁赤道到地磁南极，磁倾角由0°变成-90°。

地球的磁场强度矢量余地磁要素 地磁倾角 （二）地磁场的组成 地磁场由基本磁场、变化磁场和磁异常三个部分组成。在地球中心假定的磁柱被称为磁偶极子，由它产生的偶极子磁场占地磁场成分的95%以上，是构成稳定地磁场的主体，即地球的基本磁场。基本地磁场的强度在地表附近较强，向上在空气中逐渐减弱。说明它主要为地内因素所控制。 变化磁场 表现为日变化、年变化、多年(短周期或长周期)变化以及突发性变化 主要由于来自地球外部的带电粒子的作用（非偶极磁场，叠加在基本磁场上） 太阳是这些带电粒子流的主要来源，而当它的表面出现黑子、耀斑(活动特别强烈的区域)并正对着地球时，便会把大量带电的粒子抛向地球，使迭加在基本磁场上的变化磁场突然增强，使地磁场发生大混乱，出现磁暴。地球两极常在随后出现奇异的极光，这也是太阳抛射来的带电粒子流为地磁极吸引。 地球磁层 仪器探测证实了地磁场形成一个在高层大气之外，形状类似慧星的磁性包层，这就是地球磁层。 太阳风与地磁场相持不下所形成的曲面是磁层的边界，叫做磁层顶.在朝太阳的一侧，磁层顶离地心约有5万多到7万多km远；背着太阳的一侧，可能是这些数字的100倍以上。 磁层的形成，使地球磁场拦截了太阳辐射来的带电粒子，还有来自宇宙的射线，使它们

全国各地区地磁场强度表

水平分量（高斯）重力分量（高斯）北京0.300.45上海0.350.35哈尔滨0.26 0.48南京0.34 0.36青岛0.30 0.40广州0.38 0.24香港0.37 0.22武汉0.34 0.36西安0.36 0.40郑州0.38 0.35厦门0.350.22椎骨0.260.42横滨0.300.33韩国首尔0.310.39阿曼0.350.24菲律宾马尼拉0.38 0.12越南胡志明市0.41 0.03缅甸仰光0.41 0.14泰国曼谷0.415 0.07马来西亚girongpo 0.40 -0.10新加坡0.40 -0.10印度尼西亚雅加达0.37 -0.24印度新德里0.350.30斯里兰卡科伦坡0.400.00巴基斯坦卡拉奇0.350.26伊朗德黑兰0.280.36土耳其伊斯坦布尔0.250.37黎巴嫩贝鲁特0.300.30伊拉克巴格达0.300.30以色列0.30 0.35科威特0.31 0.30利雅得0.34 0.22阿联酋迪拜0.34 0.22蒙古乌兰巴托0.22 0.54孟加拉国达卡0.38 0.24巴林0.31 0.30埃及开罗0.30 0.26尼日利亚拉各斯0.34 0.04利比亚的黎波里0.28 0.25阿尔及利亚阿尔及尔0.26 0.30苏丹喀土穆0.350.07塞内加莱达喀尔0.310.10加纳阿克拉0.3 10.04中国日本世界国家/地区亚洲和非洲著名国家的地磁场清单地区水平分量（Gauss）重力直接分量（Gauss）世界国家/地区清单-南非约翰内斯堡0.14 -0.28喀麦隆0.320.08迈阿密0.26 0.36锚地0.15 0.55檀香山0.29 0.22纽约0.17 0.53洛杉矶0.26 0.42旧金山0.26 0.44达拉斯，德克萨斯州0.250.44蒙特利尔0.150.54温哥华0.18 0.53墨西哥城0.30 0.32古巴哈瓦那0.270.40危地马拉0.31 28圣何塞哥斯达黎加0.31 0.24巴拿马巴拿马0.30 0.24牙买加0.27 0.31委内瑞拉加拉加0.28 0.25哥伦比亚波哥大0.30 0.20厄瓜多尔基多

高中物理“地磁场”教学要点

高中物理“地磁场”教学要点 高中物理“地磁场”教学要点 高中物理“地磁场”教学要点文/门道颖摘要：高中地磁知识是高考中经常出现的一类题目，从六个方面对高中地磁教学展开了详细的阐述。关键词：高中地理；地磁教学；关键点高中物理教材中对地磁场的描述只有一段话和一个插图，但是却是平时和高考中经常出现的一类题目，笔者认为对地磁场的教学应从以下几个方面去给学生进行讲述。一、地球磁场分布和条形磁铁外部磁场非常相近 地磁场的N极在地理南极附近，而地磁场的S极在地理北极附近。但二者有一个微小的偏角，叫磁偏角。在两极附近地磁场方向竖直方向，磁性最强。在赤道上方是水平方向，在南半球和北半球有两个分量：一个是水平分量，一个是竖直分量，磁性较弱。在地面附近的磁感应强度大约只有5×10-5T，而一般的永久磁体附近的磁感应强度可达0.4～0.7T。对地磁场形状和分布必须熟练掌握和应用。二、地磁场的起源问题人类很早就提出了地磁场的起源问题，为解释这个问题，历史上曾先后提出过许多观点。目前，较为成熟的是磁流体发电机学说。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。而最初的微弱磁场可能来自核内化学不均匀性形成的电磁，从而产生的弱电流。还有一种是地心的岩浆出现旋转滚动产生地磁场。由于磁流体学说能够解释较多地磁现象，受到人们重视，但地球内部构造复杂，有待进一步验证。总之，地磁起源问题目前仍处于不断发展和深入研究的阶段，此问题在20xx年新课标高考中出现了选择题。三、对宇宙射线的作用地磁场并不强，但对于地球上的各种生命来说，却显得非常重要。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生长。如果没有了这个保护盾，外来的宇宙射线将把最初出现在地球上的生命幼苗全部杀死，根本无法在地球上生存。在地球南北极附近或高纬度地区，有时在晚上会看到一种神奇的'灿烂美丽的彩色光带——极光。直到20世纪末，人造卫星和宇宙探测器的应用使人们了解到地磁场分布的特点，才解开了极光之谜。原来当太阳辐射出的带电粒子进入地磁场后，由于受到洛伦兹力的作用，带电粒子沿地磁场的磁感线做螺旋线运动，最终会落到地球两极上空的大气层中，使大气层中的分子电离发光。由于在可见光波段受激的氧原子能发出绿光和红光；电离了的氮分子发射紫色光、蓝色光以及深红色光。因此，通常肉眼看到的极光是绿色、蓝色并带有粉红色或红色的边缘。在考试中能根据带电粒子运动方向和地磁场方

实验五 地磁场测定

实验五 地磁场测定 一．概述 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场的重要参量，通过实验可以掌握磁阻传感器定标以及测量地磁场水平分量和磁倾角的方法，了解测量弱磁场的一种重要手段和实验方法，本仪器与其他地磁场实验仪(如正切电流计测地磁场实验仪)相比具有以下优点： 1．实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直。内转盘相隔ο180，具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。 2．新型磁阻传感器的灵敏度高达50V/T ，分辨率可达8710~10--T ，稳定性好。用本仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标，及用磁阻传感器测量弱磁场的方法，测量地磁场参量准确度高； 3．本仪器不仅可测地磁场水平分量，而且能测出地磁场的大小与方向，这是正切电流计等地磁场实验仪所不能达到的。 本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验。 二．仪器技术要求 1．磁阻传感器 工作电压 6V ，灵敏度50V/T 2．亥姆霍兹线圈 单只线圈匝数N=500匝，半径10cm. 3．直流恒流源 输出电流0—200.0mA 连续可调 4．直流电压表 量程0—19.99mV ，分辨率0.01mV

5．测量地磁场水平分量不确定度小于3% 6．测量磁倾角不确定度小于3% 7．仪器的工作电压AC 220±10V 三．仪器外型

FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪 (以下实验讲义和实验结果由复旦大学物理实验教学中心提供) 一．简介 地磁场的数值比较小，约510-T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的

九年级物理地磁场、电流的磁场人教四年制版知识精讲

九年级物理地磁场、电流的磁场人教四年制版 【本讲教育信息】 一. 教学内容： 地磁场、电流的磁场 二. 重点、难点： 1. 知道地磁场。 2. 知道小磁针静止时，N极指北、S极指南的原因。 3. 知道电流周围存在着磁场。 4. 知道通电螺线管对外相当于一个条形磁体。 5. 会用安培定则（右手螺旋定则）确定通电螺线管磁极的极性和螺线管中的电流方向。 三. 知识点分析： 1. 地球本身是一个巨大的磁体，地球周围的磁场叫地磁场。磁针指南北，就是因为受到地磁场作用的缘故。 2. 地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近。 注意区别地磁南极跟地理南极、地磁北极跟地理北极的概念：一是要注意地磁两极与地理两极的方位是相反的；二是要注意地磁北极与地理南极二者的位置稍有偏离，同样，地磁南极与地理北极二者的位置亦稍有偏离。 3. 由于地理两极与地磁两极并不重合，所以磁针所指的南北方向不是地理的正南正北方向，而是稍有些偏离。我国宋代的沈括是世界上最早准确记述这一现象的学者。 4. 奥斯特实验表明：通电导线和磁体一样，周围存在着磁场；电流的磁场方向跟电流方向有关。 5. 通电螺线管外部的磁场和条形磁体的磁场一样，通电螺线管的两端相当于条形磁体的两个极。 6. 通电螺线管的极性跟电流的关系。可以用安培定则来判定：用右手握螺线管，让四指弯向螺线管中的电流的方向，则大拇指所指的那端就是螺线管的北极。 怎样根据安培定则判断通电螺线管的磁场？首先应该知道，安培定则表明，决定螺线管磁极极性的根本因素是通电螺线管上电流的环绕方向，而不是螺线管的统法和电源正、负极的接法。其次，安培定则中的“电流的方向”指的是螺线管中电流的环绕方向，要让弯曲的四指所指的方向跟螺线管中电流环绕方向相一致。 具体运用时可分三步进行：①标出螺线管上电流的环绕方向；②由环绕方向确定右手的握法；③由握法确定大拇指的指向，大拇指所指的这一端就是螺线管的N极，如图所示。 【典型例题】 [例1] 在图1上标出地磁场磁感线的方向及地磁南、北极。

物理高考物理地磁场的经典题型

18.图为地磁场磁感线的示意图．在北半球地磁场的竖直分量向下．飞机在我国上空匀速巡航，机翼保持水平，飞行高度不变．由于地磁场的作用，金属机翼上有电势差．设飞行员左方机翼末端处的电势为U1,右方机翼末端处的电势为U2，则( ) A．若飞机从西往东飞，U1比U2高 B．若飞机从东往西飞，U2比U1高 C．若飞机从南往北飞，U1比U2高 D．若飞机从北往南飞，U2比U1高 （1999年全国试 题） 分析与解答： 本题的解答需要有较强的空间想像能力，为了便于分析，我们可以画出如图17-1-8所示的从上向下的俯视图可帮助分析（方位按上北、下南、左西、右东的规则）． 由图17-1-8所示的情景，根据右手定则不难判断出，不论是飞机向哪个方向飞行，相对于飞行员来讲，总是其左侧的电势较高，即总是U1比U2高，所以选项A、C正确．误点点拨： 本题的解答过程要解决好如下三个问题（这也是当年考生的“前车之鉴”）： 1．由于本题是一个涉及到地理知识的实际问题，因此需要考生能将这个实际的问题根据题目给出的具体条件（在北半球地磁场的竖直分量向下）进行简化处理，飞机水平飞行也就是“一根导体棒”沿水平方向切割磁感线． 2．本题中涉及到较为复杂的空间关系，包括地球磁场的方向、飞机飞行的方向以及飞行员的左右方机翼等．要解决好这样的复杂关系，就要求有良好的分析、思考习惯，将题目给出的四个选项所涉及到的空间关系用图形的方式分析表示出来，再用右手定则进行判断．

3．飞机的切割磁感线产生感应电动势时，飞机的机翼相当于电源内部（在电源内部电流从低电势流向高电势处），所以用右手定则判断时，四指所指示的方向电势较高． 14.具有金属外壳的人造地球卫星，在环绕地球做匀速圆周运动时 A.如果卫星沿着地球的经线绕地球运动，则在通过地磁场两极上空时，卫星的表面将产生感应电流 B.如果卫星的运动轨道经过北京和昆明的上空，则它的表面不会产生感应电流 C.如果卫星在地球同步轨道上运动，它的表面不会产生感应电流 D.如果卫星表面产生了感应电流，它的机械能将减少，轨道半径减小，运行速度也减小 答案：AC 在选项A和B中，穿过卫星的磁通量都会发生变化，卫星的表面将产生感应电流。选项C中，地球同步卫星的轨道在赤道的上方，穿过卫星的磁通量不变，卫星的表面不会产生感应电流。选项D中，如果卫星的表面产生了感应电流，它的机械能转化为电能，其轨道半径逐渐减小，运行速度逐渐变大，故D项错。 12、一架飞机做环球飞行经过我国上空后再经过地球南极上空（） A．飞机经过地球南极上空时地磁场通过飞机水平截面的磁通较大 B．飞机经过我国上空时地磁场通过飞机水平截面的磁通较大 C．飞机飞行过程中地磁场通过飞机水平截面的磁通为零 D．飞机飞行过程中地磁场通过飞机水平截面的磁通不变化

全国各地区地磁场强度表

全国各地区地磁场强度表 地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。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。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引力。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。 磁场强度和磁通密度的对比应该认识。 磁场强度和磁通密度两个物理量的磁特性进行了表征(即，磁场强度和方向)。因为磁场是由电流或运动电荷和磁性介质引起的(除超导磁绝缘以外的概念不存在，所以所有的材料是磁性介质)的磁化的磁场的源也的磁场影响叠加原理(场)。因此，磁场的强度可有两种表示方法: 万一充满均匀磁介质，包括磁介质，如果产生，包括由于磁化，磁感应强度 B 表示为特斯拉 T 台，是一个基本物理量。 (不包括在所述介质时的磁场的磁化)的充电电流或磁场所引起的磁场强度 H 的单一运动中表达的 A /平方米的单位，是一种辅助的物理量。 在各向同性的磁介质，B 和 H，即介质μ的绝对磁导率的比率。产品查询来自方面的操作定义中，磁通密度是完全只是考虑磁场电流元件的作用下，不管由磁场空间这种效果是否被影响。其

中所述介质，从而使磁磁通密度，同时通过磁场的磁场产生源的空间中填充有介质来决定。相反，磁场强度是完全反映磁场源的性质，存在的磁介质之间没有任何关系。 磁场的磁场强度是个体的性质，特征，无论其在介质中的磁感应强度考虑介质的影响(该引用在中会产生感应电场来理解)的电场，是一个综合。

地磁场测量的意义

地磁测量的重要意义 地磁场的特点 由于地球本身具有磁性，所以地球及附近的空间存在着磁场, 这个磁场就是地磁场。地磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。正是因为地磁场有如此重要应用价值，人们对地磁场的测量又迫切的需求。因此，磁场的测量已成为热点课题之一[1]。可以将地磁场近似地看作是地球中心有一个磁铁棒放，它的Ｎ极大体上对着南极，从而产生的磁场，其磁感线性状如图1.1所示。事实上，地球磁场的产生是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。 图1.1 地球磁场示意图 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们是不同的两种磁场。基本磁场是地磁场的主要组成部分，它源于地球的内部，相对来说比较稳定，变化缓慢。变化磁场起源于地球外部，并且很微弱[2]。 地磁场是一个向量场。常用的地磁参量有7个，即地磁场总强度F，地磁场的水平强度H，垂直强度Z，X和Y分别为水平强度的北向和东向分量，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。

在地磁场观测中，通常用三个参量来表示地磁场的方向和大小： (1)磁偏角A，即地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量B所在的垂直平面（地磁子午面）与地理子午面之间的夹角； (2) 磁倾角Φ，即地磁场磁感应强度矢量B与水平面之间的夹角； (3) 地磁场磁感应强度的水平分量B，即地磁场磁感应强度矢量B在水平面 上的投影[3]。 地磁场的重要应用 地磁场数值较小约0. 5 ×10- 4T，其强度与方向也随地点而异。地磁场被视 为地球的一种重要的天然磁源，它在国家科研中有着重要用途。在地球科学的研究中，作为以地球系统的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科，研究和掌握地磁场的固有特性及其变化规律是地球科学研究的重要内容。在交通运输方面，可以通过检测由于车辆干扰而引起的地磁场的变化来反应车辆本身的特点及运动情况[4]。 除此之外，地磁还可以用于石油定向斜井钻井中；在海洋中，进行地磁测量可以保证航海的安全、海洋工程建设及了解海底构造；在陆地上，人们通过大规模的地磁测量及分析地磁偏角的变化去测定强磁性铁矿床、弱磁性铁矿床以及铜、镍、铬、金刚石等各种矿石的分布；在科学研究方面，地磁测量有助于人类了解地球的成因和延边过程，掌握火山的活动规律，地震预报等[5]；在军事上，可以作为战场环境重要参数对军事斗争的前期准备、部队战斗力的发挥都具有重要意义。 目前国内外在石油开采中，大都利用地磁测量和地磁偏角进行地下储油分布及及其构造的探测。 虽然人们天天生活在地球磁场的影响下，但是我们却无法靠自身的五官来感受和估计地磁场的大小和方向。所以利用地球磁场固有特点，设计和制备应用于地磁测量的磁性传感器，这对于地球科学、航天航空、资源探测、交通运输、空间天气、测绘等诸多技术领域都拥有巨大的应用价值。

地磁场的测定

地磁场的测定 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。所以我们研究小组将对地磁场进行一系列的测定。下面我先对地磁场进行一些简单的介绍： 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。大量的事实和证据表明，地磁场的磁极曾经互换过。 地磁场不是毫无变化的，它的强度与地磁极位置会改变。科学家发现，地磁极会周期性地逆反定向，这过程称为地磁反转。最近一次的反转是大约78万年前的布容尼斯－松山反转（Brunhes–Matuyama reversal）。对于澳大利亚红英安岩和枕状玄武岩的古地磁学（paleomagnetism）研究发现，地磁场的存在，估计至少已有35亿年之久[1]。地磁场会在太空与太阳风和其它带电粒子群流互相作用，因而形成磁层。地球磁层并不是球状的，在面对太阳的一面，其边界离地心的距离约为七万千米（随太阳风强度的不同而变化）。 磁极的位置 特性 地表上的地磁场强度并不均匀，强度因地理位置而有所变化：从0.3高斯（南美地区和南非）到0.6高斯（加拿大的磁北极附近，澳大利亚南部和一部分西伯利亚地区）。 地磁场类似磁铁棒，但是这种相似只是粗略的。磁铁棒或是其它永久磁铁的磁场是由于铁原子中的电子有序的运动而形成的。然而，地核的温度高于居里点（铁的居里点：绝对温度1043K），铁原子的电子轨道的方向会变得随机化，这样的

地磁场和磁场中的临界极值问题

地磁场和磁场中的临界极值问题 问题一、地磁场 1、下列关于地磁场的描述正确的是（） A.指南针总是指向南北是因为受到地磁场的作用 B.地磁两极与地理两极完全重合 C.地球周围的地磁场的磁感线是从地磁南极出发到地磁北极 D.我国宋代学者沈括正确找到了地磁场产生的原因 2、科考队进入某一磁矿区域后，发现指南针原来指向正北的N极逆时针转过30°（如 图的虚线），设该处的地磁场磁感应强度水平分量为B，则磁矿所产生的磁感应强度 水平分量的最小值为（） A．B B．2B 3、指南针是我国古代的四大发明之一。当指南针静止时，其N极指向如图1虚线(南北向)所示，若某一条件下该指南针静止时N极指向如图实线(N极北偏东向)所示。则判断正确的是() A．可能在指南针上面有一导线东西放置，通有东向西的电流 B．可能在指南针上面有一导线东西放置，通有西向东的电流 C．可能在指南针上面有一导线南北放置，通有北向南的电流 D．可能在指南针上面有一导线南北放置，通有南向北的电流 4、已知龙岩市区地磁场磁感应强度B约为4.0×10－5T，其水平分量约为3.0×10－5T。若龙岩市区一高层建筑安装了高50 m的竖直金属杆作为避雷针，在某次雷雨天气中，当带有正电的乌云经过避雷针的上方时，经避雷针开始放电，某一时刻的放电电流为1.0×105 A，此时金属杆受到地磁场对它的安培力方向和大小分别为() A．方向向东，大小约为150 N B．方向向东，大小约为200 N C．方向向西，大小约为150 N D．方向向西，大小约为200 N 5、每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来，地磁场可以改变射线中大多数带电粒子的运动方向，使它们不能到达地面，这对地球上的生命有十分重要的意义。假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来，在地磁场的作用下，它将( ) A．向东偏转B．向南偏转C．向西偏转D．向北偏转 6、2010年地球再次受到“太阳风暴”袭击，如图所示，在“太阳风暴”中若有一个质子以3.6×105 km/h速度垂直射向北纬60°的水平地面，经过此地面上空100 km处时，质子速 度方向与该处地磁场方向间的夹角为30°，该处磁感应强度B＝6×10－5T(e＝ 1.6×1019C)，则() A．该质子在此处受洛伦兹力方向向东，大小约为5×10－19N B．该质子一定会落到北纬60°的地面上

有趣的地磁场

有趣的地磁场 地磁场是人类生命的保护伞，神秘而有趣。公元250年，人类就开始了探究，中国人发明了指南针，沈括发现了磁偏角。尽管人类对地磁场研究了几千年，直到今天人类还没有真正弄清地磁场的起源。目前人们认为，地磁场产生的原因有永磁体理论，电荷旋转理论，热压电效应理论，温差电效应理论，自激发电机理论，范爱伦带理论等。正是这些研究的深入，人们不断地了解地球奥秘，探索未知的世界，地磁场和人类的生活联系越来越多。 1 地磁场和导航 人们利用地磁场导航已经有400年的历史了，现在发现鸽子、海鸥、蝙蝠和乌龟等大量动物都用地球磁场来导航。地球表面以及近地空间的地磁场在不同地区是不同的，这种不同性构成了不同地区的一种典型特征。利用这种特征来确定载体所在的地理位置，就是地磁导航所依据的基本原理。地磁导航具有无源性，与其他有源制导和导航方式相比，地磁制导与导航在军事领域有着无可比拟的优势。使用地磁制导的导弹抗干扰性能强，突防能力得到大大提升。近年来，地磁导航在工业部门、航空航天航海等诸多领域发挥了重要作用，越来越成为学术界关注的对象。地磁导航在导航定位、

地球物理武器、战场电磁信息对抗等领域展现了巨大的军事潜力。然而地磁场成因比较复杂，存在长期变化和短期变化。所以只要建立适时的地磁数据库，突破地磁异常问题和载体磁场对地磁场测量值的干扰，运用高效、实时地磁导航匹配算法，在高精度、快响应速度、环境适应性强的磁测量传感器的测量下，就能实现运用地磁场在全球导航。 2 地磁场和地震 地磁场预测地震是建立在长期观测和综合分析基础上的。长期观测可以知道当地地磁场活动的基本形态和变化规律，以及历史记录的地震发生之前的前兆特征。当观测到本地地磁场发生不同于以往的异常活动，且活动形态与历史地震的前期征兆相似时，综合其他前兆，考虑地震发生的可能性。科学家们观察了一段时间的地磁场DST指数，发现地磁场DST指数与地震发生频率有一定的关系。这里的DST指数是用来测量地磁场强度的。地震引起地磁场变化的原因有两个：一是地震前岩石在地应力作用下出现“压磁效应”，从而引起地磁场局部变化；二是地应力使岩石被压缩或拉伸，引起电阻率变化，使电磁场有相应的局部变化，岩石温度的改变也能使岩石电磁性质改变。基于上述理由，应该可以利用电磁手段对地震进行预测、预报。目前利用地磁预报地震的方法还在探索阶段中。影响地磁变化的原因是多方面的，干扰因素也很多，比如，仪器附近放有铁物质或者观测

全国各地区地磁场强度表

地磁： 地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。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。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引力。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。 地磁场： 地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。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。地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈引力。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。 概述： 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于固体地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于固体地球外部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。 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，而是直射地球。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0.5-0.6高斯，也就是5-6*E-5特斯拉（50-60μT）。

中考物理知识点：地磁场的奥秘

中考物理知识点：地磁场的奥秘 地磁场的奥秘 地球是个巨大的磁体，它周围空间存在的磁场叫地磁场。从我国古人发明指南针以来，人们就已经知道地球存在着南北极对称的磁场。几千年来，人们对这个磁场的存在习以为常，很少有人对此现象做过深入的研究。最近日本的一个研究小组利用超级电子计算机成功地模拟出地磁场。然而，观测表明，从19世纪以来，地球磁场强度减少了约一成。于是有人认为，1000年以后地磁场将消失。也有人认为近年来地磁场强度的减小是暂时的，很快将转为强度增加。于是众说纷起，那么地磁场到底是怎样的？对地球上的生物有什么作用呢？ 一、地磁场的两极位置 根据科学家的研究，地磁极的大概位置是：地磁南极在东经140°、南纬67°的南极洲威尔克斯附近；地磁北极在西经100°、北纬76°的北美洲帕里群岛附近。所以地磁南北极和地理的南北极并不重合。科学家还发现，地磁南北极的地理位置不是固定不变，而是在缓慢变化着的。 二、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，

地磁场水平分量的测量实验

地磁场水平分量的测量 姓名：王秋来 专业班级：物科院11级物理学 学号：37 【摘要】某一地点O 的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ，⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量x B ，⑺东向分量y B 。 确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量//B 三个独立要素。 利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量//B 地磁场水平分量为：03 2 85a u N B b R = ? 【关键字】地磁场，水平分量，正切电流计，磁偏角。 1、实验目的 （1）学习测量地磁场水平分量的方法； （2）了解正切电流计的原理； （3）学习分析系统误差的方法 2、实验室提供的仪器和用具 亥姆霍兹线圈（N=700匝），地质罗盘（DL-I 型），直流稳压电源（DF173系列），电阻箱（ZX21型），直流电流表。 3、实验原理 地磁场与地磁要素 地球是一个大磁体，地球本身及其周围空间存着磁场叫做“地球磁场”又称地磁场，其主要部分是一个偶极场。

地心偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极，如图1。地心磁偶极子的磁轴m m S N 与地球的旋转轴NS 斜交一个角度o 5.11,00≈θθ。所以地磁极与地理极相近但不相同，地球磁场的强度和方向随地点、时间而发生变化。 地球表面任何一点的地磁场的磁感应强度矢量B 具有一定的大小和方向。在地理直角坐标系中如图2所示。O 点表示测量点，x 轴指向北，即为地理子午线（经线）的方向；y 轴指向东，即为地理纬线方向；z 轴垂直于地平面而指向地下。XOy 代表地平面。B 在xOy 平面上的投影//B 称为水平分量，水平分量所指的方向就是磁针北极所指的方向，即磁子午线的方向；水平分量偏离地理真北极的角度D 称为磁偏角，也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由地理子午线起算，磁偏角东为正，西偏为负。B 偏离水平面的角度I 称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的N 极下倾，而在南半球，则磁针的N 极向上仰，规定N 极下倾为正，上仰为负。B 的水平分量 //B 在x 、y 轴上的投影，分别称为北向分量x B 和东向分量y B ；B 在Z 轴上的投影z B 称为垂直分量。故某一地点O 的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ，⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量 x B ，⑺东向分量y B 。 不难看出，它们是B 在各个坐标体系中的坐标值，比如z y x B B B ,,就是B 在直角坐标系中的坐标值，而,,//B B z D 和D 、//B 、I 则分别是B 在柱面坐标系和球坐标系中的坐标值，这三种坐标体系是彼此独立的，在它们之间，存在着如下的变换关系： z y x z y x B B B B B B tgI B B D B B D B B 2//2222//2//////,,,sin ,cos +=+==?=?= 图