脚下的电磁学解析讲课稿.ppt

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1、脚下的电磁学解析一初识地磁场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。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。一初识地磁场近代关于电磁现象的实验研究可以说是从

2、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

3、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

4、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；(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)

5、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)；(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、)；(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；(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

7、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；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；(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

8、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。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.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