地磁场的结构与应用

邢台学院2013届本科毕业论文本科毕业论文论文题目： 地磁场的结构与作用研究姓 名：王凯学 号：2009061101系（部）：物理系专 业：物理学班 级：2009级1班指导教师： 孟艳完成时间： 2013 年 4 月摘 要 地磁场是一个大的磁场，地理上的北极是地磁上的南级,地理上的南极是地磁上的北极。在地磁场中运动的带电粒子会受到力的作用。地磁场在生活上的应用也是十分广泛的。因此研究地磁场有非常重要的意义。 本论文围绕地磁场展开论述，主要研究内容有以下几个方面。第一，地磁场起因的几种假设，支持几种假设的理论知识，以及几种假设与现实不相符的部分。第二，对地磁场的三要素：地磁场的强度、磁倾角、磁偏角进行了详细论述，并给出地磁场的分布图。第三，详细介绍了地磁场的几种应用方面，主要包括地磁测震、地磁探矿、地磁导航，利用地磁场解释磁暴、极光等自然现象。关键词：地磁场；地磁场强度；地磁应用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 录前言11.地磁场的产生 11.1地磁的发现11.2地磁场起源的几种假说22.地磁场的结构32.1 地磁场模型32.2 地磁场的三要素43、地磁场的应用63.1 地磁探矿63.2地磁测震 63.3 解释自然现象73.4地磁学应用的设想 7结论8谢辞 9参考文献 10前 言众所周知，地球是一个很大的磁性球体，地磁场是基本的物理场。地理上的北极是地磁上的南极，地理上的南极是地磁上的北极，在它的周围空间布满了磁场。指南针总是指向南北极的事实，是地磁场存在的有力证据1。地磁场的存在直接影响该场中带点物体和带磁物体的活动。地磁场是地球物理学的课题之一。本文对地磁场发现过程和地磁场起因的几种假设进行了简单介绍，了解地磁场的历史和发展过程。地磁场的起因目前有几种假说2，主要包括永久磁体假说3、电荷自旋假说、温差电效应、热压电效应、发电机假说4等。永久磁体假说是人们最开始认识地磁场时提出的假说，而发电机假说是当前人们普遍认同的假说。这些假说让我们对地磁场的本源有了较清晰的认识。 地磁场的发现已经有几百年的历史，是人类社会进步的一个重大表现。随着人们对地磁场的认识在不断的进步, 在生活中的应用也越来越广泛。地磁探矿、地磁测震、地磁导航等与我们的生活息息相关。同时也利用地磁场解释自然界一些特殊的自然现象，例如磁暴、极光等5，为我们了解自然提供重要的知识基础。地磁场在空间的分布与条形磁体类似6，可以通过条形磁体在空间的分布情况来分析地磁场的分布情况7。地磁场有三要素，地磁场强度、磁倾角、磁偏角8。分析这三要素，能让我们对地磁场有深刻的认识，为地磁场的应用打下坚实的基础9。1.地磁场的产生 1.1地磁的发现 我国是世界上最早发现磁石和地磁现象的国家。早在公元前六、七世纪时，我国就有有关磁的记载：“上有磁古者，其下有铜金”。中国宋代科学家沈括在公元1086年写的梦溪笔谈中，最早记载了地磁偏角“方家以磁石磨针锋，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。勤劳聪明的中国人，认识到地磁场这一现象，发明了四大发明之一的指南针，在航海事业上作出了巨大的贡献。成就了郑和下西洋，哥伦布发现新大陆。提出较完整的磁场理论的是英国人吉尔伯特（15441603），他是著名的医生，物理学家。他在所著的论磁一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记录下来-磁石的吸引与推斥；磁针指向南北等性质；烧热的磁铁磁性消失；用铁片遮住磁石，它的磁性将减弱等。吉尔伯特把小磁针排列的指向标化成一条条线，画成许多圈，与地球经线相像，也和地球一样有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。吉尔伯特提出：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，提出地磁场的排列规律。总之，在磁现象的研究方面，吉尔伯特的成就是光辉的，贡献是巨大的。1.2地磁场起因的几种假说 地球的起源问题，是地球物理学中一个至今尚未有定论的问题。随着地磁场的观测和地球内部结构的研究不断深入，提出很多种假说的问题，至今没有圆满解决，被爱因斯坦认为是物理学尚未解决的五大难题之一。下面对几种常见的假说做一下简单的介绍说明。 永久磁体假说：英国的物理学家吉而伯特（W.Gilbert）在1600年提出地球是一个巨大的永久磁石，地磁场是一个近似沿自转轴方向均匀磁化的球体磁场。当物理学家提出地核是铁，镍等铁磁性物质组成时，这种假说似乎得到支持，但是从实验中得知，铁磁性物质的磁化与温度有关，随着温度的升高，磁化能力逐步减弱。当温度高于居里温度（770）时，铁磁性就完全消失了。地核内部的温度在2000以上，远远高于居里温度，铁镍等铁磁性材料磁性消失了，所以无法满足这一假说。 电荷旋转假说：这种假设认为，外地核的温度达到4000左右，处于液体状态。地球的自转使液体流动，形成了强大的电流从而产生了磁场。电离的液体同时存在正负离子，且两种电荷等量，因此在地球自转时，正负电荷产生的磁场方向相反，相互抵消,所以这个假设也不能解释地磁场的起源。热压电效应：地核是超温度、超高压的。在巨大的压力作用下，电子克服原子核引力束缚，在地核和地幔之间形成了电子壳层，宏观上地核处于带正电状态,地核与地幔的交界面处于带负电状态。由于太阳和月亮的引力作用以及地球自转等作用,会使得电子壳层运动起来形成电流从而产生场。从表面上看来,这个假说符合许多的观测事实,但根据这样的理论计算出的磁场仅有地磁场的千分之一,所以,这个假说仍然不是地磁场起源的真正原因。温差电效应：自由电子在温度不均匀的导体中,会发生热扩散现象.电子从高温一端扩散到低温的一端,从而在整个金属棒内产生了电流，将这个现象称为温差电效应。这个现象同样适用于地球。地球相当于一个大导体，内外温差很大。因此，內地核温度高而带正电，地球表面温度低而带负电。地球表面的电子因地球的自转而产生磁场。地核内部的正电荷分布在地球中心，随着地球的自转,它们基本不动，从而无法形成电流，所以无法产生磁场。这种理论无法解释地磁场为什么会发生倒转现象。发电机假说：拉莫尔1919年首先提出了旋转的导电流体维持自激发发电机，是最早提出的自激发电机理论的科学家。二十世纪四十年代末五十年代初，埃尔萨塞、帕克、布拉德等人完成了埃尔萨塞帕克模型和布拉德过程。他们认为，地核温度较高，铁磁性材料处于液体状态，地核的内测区和外侧区之间存在温度差。内部的液态铁加热向外部运动，而上升到外部的铁冷却后变重，又落回到内部，使得液态铁对流形成涡流。这种铁流体在微弱场中运动，涡流中就会产生感应电流，感应电流产生的磁场会加强原来的磁场，使磁场增强引起感应电流增强，从而进一步加强磁场。如此，磁场就能增强到地磁场的数值。磁场增强引起感应电流增强，从而进一步加强磁场。如此反复，磁场就能增强到地磁场的数值。由于摩擦生热的消耗,当磁场增大到一定程度时便会稳定下来,形成现在我们这样的地磁场。发电机学说是一个比较成功的假说,能解释较多的地磁现象，受到广泛关注，是目前被研究和应用得较多的地球磁场模型。这个假说能够解释地磁场的倒转以及磁场强度的变化等许多现象,但同时也面临着巨大的质疑。以上是几种比较有名的假说，但是没有一种假说能完整的解决地磁场成因问题。但这些假说开阔了我们的视野，丰富了我们的知识。地磁场起因之谜终将会解开。2. 地磁场的结构 2.1地磁场的模型地球在磁场空间分布的一般观念中，认为地磁场的分布类似一条条形磁铁。条形磁铁两端磁性最强，称为磁极。把条形磁铁悬挂起来自由旋转，磁棒指北的一端称为北极(N极)，指南的一端称为南极(S极)，磁感线由S极指向N极方向，如图1所示.地球像一条条形磁铁，也存在s极和N极，地球的南极是地理的北极，地球的北极是地理的南极，如图2所示。图1条形磁体外磁场分布图 图2地球外部磁场的空间分布图 2.2 地磁场的三要素 地磁场的三要素：地磁场的强度、磁偏角、磁倾角。地磁场的强度为磁场磁性的强弱。磁倾角为地球某处地磁场的方向与水平方向的夹角。磁偏角为地磁子午线与地理子午线的夹角，或者说磁针静止时北极和地理上的北极的夹角。如图3，地磁场强度为B，磁偏角为，磁倾角为10。 图3 地磁场强度、磁偏角、磁倾角 地磁场强度：要定量的研究磁场就需要找到一个描述磁场的适当的物理量，为此引入了磁感应强度B。B是描述磁场每点性质的物理量。点电荷在磁场中运动，受力情况由下式确定 (2-1) 地磁场的强度按照高斯定理进行分布.地面的平均磁感应强度约为5xT(特斯拉)=5nT(纳特)，南北磁极的磁感应强度为(6-7)xT磁偏角:磁轴和地轴不重合，磁轴与地轴间形成一个夹角为磁偏角，=11.5。但是据加拿大地震调查局测量，磁极是在不断的变化的。磁偏角亦随地点和时间而不断变化,纬度越高,磁偏角越大。全球磁偏角分布如图4所示 图4全球磁偏角等值线分布图现在磁偏角的测定主要通过现在电子罗盘进行测定。当经度一定时,磁偏角随着纬度的增大而增大。当纬度一定时，磁偏角随经度的增大先减小后增大。如表1表1磁偏角随经纬度的变化关系磁倾角:地球某处地磁场的方向与水平方向的夹角,磁倾角随着时间、地点的不同发生变化。当经度一定时，磁倾角随纬度的增大而增大,当纬度一定时,磁倾角随纬度先增大后减小。如表2表2磁倾角随经纬度的变化关系 3.地磁场的应用 我们通过地磁场结构的了解，已经明白地磁场的变化存在一定的规律。根据磁场场变化的规律，人们将这些理论运用与实践生活中,并用来解释一些特殊的自然现象。3.1地磁探矿 地磁场的分布存在规律性，小范围磁感应强度和磁倾角几乎不发生变化。在我国，向北走一公里，磁感应强度变化亿分之几特斯拉，磁感应强度变化非常小。但是在有些地方，磁场的变化非常明显，有时出现磁针反向现象，有时磁针不再指示南北了，有时指针会出现直立状态，这些磁场的剧烈变化称为地磁异常。在这些地磁异常的区域，地下会存储着丰富的铁磁矿，地理学家通过地磁异常现象来寻找铁磁矿。随着人们对地磁场研究的深入，地磁探矿的应用越来越广，地磁学家通过地磁场已找到丰富的地下资源。 1954年，我国一支地质探矿队发现，山东某个地区面积大约四平方公里的范围内，地磁的强度异常，极大值达到了3.5T。地质队员们推测，这里一定是一个储量较大的铁矿。经过钻探发掘，最终在地下450m深处发现了总厚度达6254m的磁铁矿区。 3.2 地磁预报 地壳中有许多具有磁性的的岩石，当地震发生时，这些具有磁性的岩石受力发生形变，磁性也随之发生变化。强烈地震发生的前夕，该地区的地磁感应强度、磁倾角等均发生变化，造成局部地磁异常，称为“震磁效应”。掌握震磁效应的规律，通过测量仪器对地磁变化进行检测，能对地震做出较准确的预报。地磁场参数是预测监测地震的重中之重的参数，地磁场状况真实地反映了地球的身体状况。 2008-5-12，北川中学初二（1）班，汶川地震发生前13分钟，张老师讲着“磁现象”,讲台上指南针不断快速转动,学生等了很久也没停,还逗得他们哈哈大笑，张老师接着讲下面的内容，谁也没想到,这正是灾难的前兆。 3.3解释自然现象我们知道，太阳活动如太阳黑子、耀斑等的出现具有一定周期性。长期的天文观测表明，太阳黑子总数变化的周期约为11年。当太阳黑子活动剧烈的时候，太阳喷射出大量兆电子伏能量级的带电粒子(电子、质子、离子等)。这些带电粒子在达到地球附近时,会引起地磁场的剧烈变化,这就是所谓的磁暴。在磁暴发生时,地球外围的电离层发生的剧烈变化，从而地球上无线电通讯、电视台、广播电台信号发生干扰或中断现象。 地磁暴发生时，在一些高纬度地区，尤其是极地上空会出现瑰丽壮观的极光。极光的产生时间、地点、变化情况都与磁场有密切关系。这是因为太阳喷射的高能带电微粒进入地球上空时，被地磁场“捕获”的大量带电粒子流在地磁场的偏转作用下高速运动，这些高能电子或质子撞击地球大气中大量的氧、氮及其它惰性气体原子，并把能量传给气体原子的外层电子，使这些电子、离子产生电子跃迁而发光，如氧发红光，氩发蓝光等。这就是产生极光的原因。另外，在船舶和飞机航行的时候，人类是靠罗盘测得的地磁方位角配合地磁场图来导航的。3.4地磁场应用的设想对地磁场的结构我们有了整体的了解，已经知道小范围内地磁场的强度随经纬度变化较小，磁偏角和磁倾角变化也可以忽略不计,但是有些地区却会出现磁异常现象。磁异常的地方，可能会有铁磁矿的出现，也可能是地震的高发区，同时可能会出现反常的自然现象。我国将这些磁异常现象进行全国范围内的一个勘测，对磁异常区进行监控，不仅能检测地震高发区的动态，同时能够进行科学的规划，合理的开发和利用地下资源。结 论 论文主要讲述了地磁场的起因，地磁场的结构和地磁场的应用。地磁场的起因是地磁场的结构和地磁场应用的基础，地磁场起因至今没有理论能合理的解释。该论文主要讲述了地磁场起因的几种假说，解释了几种假说的原理、合理性和与现实不相符的部分。地磁场的结构主要讲述了地磁场的磁场场度、