地球电磁现象物理学共63页

m =1
M
= A0 +
∑ Cm sin( mt + α m )
∝
f (t ) = (ω ) = f
−∝ ∝
∫
f (ω )e iωt dω
− iωt
−∝
∫ f ( t )e
dt
用一月地磁记录 所做的磁静日傅 立叶分析
用一天地磁记录所做的磁静日傅立叶分析
(2) 动态谱分析(时间-频率分析)
地磁脉动的动 态谱
二、变化磁场的分类
平静变化： Sq, L 扰动变化：磁暴，亚暴， 湾扰，钩扰，脉动
注意：地磁扰动按形态学分类与按物理成 因分类并不一一对应，有时，不同类型的 扰动是同一物理过程产生的，有时，不同 物理过程在某些地区产生类似的扰动。
太阴日（Lunar day)
月球周日视动周期。自转和公转是月球的真实运 动，运行方向是自西向东的。而月球周日运行的方向 是自东向西的，这不是月球的真实运动，而是地球自 转运动的反映，故称做月球的周日视运动。月球周日 视动周期是24时50多分钟，称做太阴日。它是地球自 转和月球公转两种运动的叠加。一个太阳日平均是24 小时，地球自转一个太阳日之后，月球也公转了13° 多。这样，地球必须再自转13°多，才能完成一个太 阴日。地球自转1°需要4分钟，自转13°多就需要50 多分钟。这就是太阴日与太阳日长短不等的原因。
) =1
k 1
k = 1,2,..., p
k 2 k T m
表示第k种因素的归一化 “振型”，类似于付氏级 数中的三角函数 表示第k种因素对m个样 本的贡献，类似于付氏 级数中三角函数的振幅
A = (a , a ,⋅ ⋅ ⋅a )
k
（3）总的变化磁场= p种因素贡献之和

磁场在医学领域的发展趋势
随着技术的进步，磁场在医学领域的应用将更加广泛和深入。
06
磁场磁现象的研究前 沿
高磁场技术的研究进展
磁场产生机制
高磁场技术是磁场磁现象研究的重要方向，主要研究如何 产生更强大、更稳定的磁场，以满足不同领域的应用需求 。
磁场测量技术
高磁场技术的研究也包括如何精确地测量和表征磁场，以 及如何解决高磁场环境下存在的测量难题。
太阳能是一种无限可再生的能源，磁现象在太阳能利用中也发挥着重要作用，如太阳能磁 力发电、太阳能热利用等。
磁现象在海洋能中的应用
海洋能是一种具有巨大潜力的可再生能源，磁现象在海洋能利用中也具有广泛的应用前景 ，如海洋能发电、海水淡化等。
磁现象在信息科技领域的研究
磁现象在计算机硬件中的应用
计算机硬件是信息科技的基础，磁现象在计算机硬件中扮演着重要角色，如硬盘 、内存等。
磁场的方向
磁场的方向与磁感线方向 相同，规定小磁针静止时 北极所指的方向为该点磁 场的方向。
磁场的大小
磁场的大小用磁感应强度 B表示，B越大表示磁场越 强。
磁现象的历史与发现
古代发现
古代人类就已发现磁石吸 引铁的性质，发明了指南 针等应用磁现象的器具。
近代研究
近代科学家研究磁现象， 发现磁场与电流的关系， 进而产生电磁感应等重要 理论。
05
磁场磁现象的应用实 例
磁性材料的应用
磁性材料分类
01
永磁材料、软磁材料、功能性磁性材料（如磁致伸缩材料、磁
致冷材料等）。
磁性材料的应用领域
02
电子工业、汽车工业、医疗器械、航空航天等。
磁性材料的发展趋势
03
高性能永磁材料、低成本软磁材料、新型功能性磁性材料等。

三、电离层发电机理论
二维电离层的广义欧姆定律可以表示成
电离层的层电导率
这相当于将电离层近似为一个薄的球壳层，而层电导 率∑和电流 I 是在这个球壳上相应电导率和电流的积分。 静电场 感应电场
Iθ Iλ
∂Φ ∂Φ = Σθθ Br uλ − − Σθλ Br uθ + r∂θ r sin θ∂λ ∂Φ ∂Φ = − Σθλ Br uλ − − Σ λλ Br uθ + r∂θ r sin θ∂λ
平行电场分 量
电离层电导率特点
在得到电离层中性和电离成分的密度、温度等参 数后，可以通过以上的公式得到电离层的电导率。 σ // >> σ p ,σ H
E //一般小于 E⊥ 在高纬，磁力线 近似垂直电离层， 因此电场基本是水 平的(垂直于磁力线)； 在中低纬，水平电 E // < E ⊥ 场是控制电流的主 要因素 ( 忽略进出电 中纬度夏季正午电离层电导率随高度变化 离层电流)
假定地磁场为偶极场(偶极矩为M)，仅考虑赤 道面内的情况，那么磁场只有θ分量。在球坐标下 该θ分量为：
于是
2 B B ∂ 3 B 3 ˆˆˆ ˆˆ Bθ θ × ( θ = B Bθ θ ) r −( )λ B×∇ = × θ= r r r ∂r
只考虑
v ∇B − c
(即粒子速度垂直磁场)的情形
漂移贡献 回旋贡献
此处E表示整个环电流粒子的总能量，M为地球磁矩。
• 来源磁尾等离子片 和电离层的带电粒 子 • 地磁场捕获后，粒 子发生回旋、反弹 运动和周向漂移 • 周向漂移形成环电 流
被地球偶极磁场所捕获的电子与质 子的运动
§6.6 磁尾电流

2、常用处理方法——简化
略去N-S方程中的次要项，产生了2种不同的磁流体 发电机模型. 2.1 强场发电机(环型场>>极型场) 如果洛仑兹力~科里奥利力，则洛仑兹力会显著 地影响流场，这样的发电机模型叫做“强场发电机 模型”，即意味着磁场强大，它通过洛仑兹力对流 体运动产生显著影响。
考虑到地核流体运动中，科里奥利力比粘滞力 和惯性力重要，因此略去粘滞力和惯性力。 那么N-S方程简化为所谓的磁地转方程：
vT 1
6 QS (r ) P22 cos 2λ r2 0 2 1 dQS (r ) ∂ ( P2 cos 2λ ) 2 0 , vS c = 2 ∂θ Q (r ) dP r dr 1 − T 1 1 dQS (r ) ∂ ( P22 cos 2λ ) r dθ ∂λ r sin θ dr
ω效应
α效应
发电机类型
αω-发电机: 不论初始磁场是环形还是极形场，如果α 和ω效应足够强，使得磁场可以维持或增强。 α2-发电机： α 既可作用于极形场，产生环形磁场；又 可作用于环形场，产生极形磁场，因此仅由α 效应 控制的发电机过程称为α2-发电机。 α2ω -发电机：如果α效应和ω效应在发电机过程中，
保持不变？(不要求速度场满足流体动力学方程，
一、运动学发电机理论的基本方程
磁感应方程和不可压缩假设
∂B = ∇ × ( v × B ) + ηm∇ 2 B ∂t
(*) 给定流场；不考 虑磁场对流场的 反馈作用
∇⋅v = 0
如果流体静止，磁场将按幂指数衰减
衰减的时间常数
L2σµ = Td = = 2 γ 4π η 4π 2 1 L2
极型矢量场的 几种低阶图案

B的电流相同,由图可知A的线圈匝数多于B的线圈匝数,故A的磁性强
于B的磁性,故C正确;向右移动滑片P,滑动变阻器接入电路的电阻变大,
根据欧姆定律可知,电流减小,电磁铁A、B磁性都减弱,故D正确。 关闭
A
解析 答案
123456
3.(2017·江苏宿迁)如图所示,是某保密室的防盗报警电路,当有人闯 入保密室时会使开关S闭合。下列说法正确的是( ) A.电磁继电器与发电机工作原理相同 B.电磁继电器与电动机工作原理相同 C.电磁铁工作时,上端为S极
特点:磁感线上某一点的切线方向就是该点的磁场方向
地磁场 特点:地磁南极在地理北极附近;地磁北极在地理南极附近 应用:指南针
通电导体周围存在磁场 奥斯特实验证明了
磁场方向与电流方向有关
通电螺线管 磁场:与条形磁体周围的磁场相似 极性与电流方向的关系判定:右手螺旋定则
原理:电流的磁效应
电流强弱
磁现象 电生磁
改变电动机转向:改变电流方向或磁场方向
概念:闭合电路的一部分导体,在磁场中做切割磁感线运动产生电流的
磁生电
电磁感应现象
现象 感应电流的方向 :与导 体运动方 向、磁场 方向有 关 能量转化:机械能转化为电能
发电机 原理:电磁感应现象 结构:由转子、定子组成
123456
1.(2017·山东烟台)小红梳理反思了磁场和磁感线相关知识,她归纳
向的曲线,故②错误;磁感线是不存在的,磁感线是铁屑组成的说法错误,
故③错误;地球是一个巨大的磁体,地磁场的南极在地理北极附近,地磁
场的北极在地理南极附近,故地磁场的磁感线是从地球南极附近发出 关闭
回A 到北极附近,故④正确;故正确的是①④。
解析 答案

一、等离子体电流的一般物理概念
第 α 种粒子的电流密度 J α = nα qα vα
通过面元 dS 的电流
dI=α J α ⋅ nˆdS
积分上式， 得通过S面的电流
对各种粒子求和 得总电流
∫ = I α J α ⋅ nˆdS S
I =∑ Iα =∑ ∫ Jα ⋅ nˆˆdS = ∫ J ⋅ ndS
匀速运动 （漂移运动）
（拉莫尔运动 ）
vy
=
±iv0eiωt
−
F x y -
均匀磁场中带电粒子的回旋运动和漂移运动 左图是正电荷(上)和负电荷(下)在均匀磁场中的回旋运动， 右图是正电荷(上)和负电荷(下)在均匀磁场和力场中的漂移运动
1、如果力场是由均匀电场E产生的，则F = qE
令磁力线的曲率半径是Rc 粒子平行和垂直于磁力线的速度分量为 v// v⊥
则离心力为
F = mv//2 Rc Rc2
曲率漂移
vc
=
mv/ / 2 qB2
Rc × B Rc2
vF
=
F×B qB2
曲率半径Rc等于曲率K的倒数，而K是曲线切线方 向角对于弧长的转动率。当K>0曲线凸向曲线法线的
正方向，反之，凹向曲线法线的负方向。设e1沿磁力
系统缓慢变化：粒子在单个回旋周期内，磁场的变化 远小于原来的初始场。或者说，场变化的时间尺度比 粒子绕场漂移一周的时间长。
磁场中带电粒子 三种漂移运动的 粒子轨迹 (a) 回旋运动 (b) 反弹运动 (c) 周向漂移运动
捕获粒子在地磁场 中的运动
1. 第一绝热不变量——回旋不变量
p = mv⊥r q = θ
r =0
带电粒子绕Z轴受洛仑兹力 F= qv × B

柯林电导率
柯林电导率是赤道电急流所对应的电导率。 这是因为在赤道附近的电离层中，地磁场基本沿水 平方向，并且电导率高度变化呈现一峰值，在峰值 上面和下面电导率很快下降，霍尔效应使得上下边 界积累异号电荷，产生铅直方向极化电场。该电场 所产生的霍尔电流大大地加强了水平电流，从而产 生了赤道电急流。
电离层中的发电机效应
太阳大气 压缩地磁场
边界面电流 view from the Sun
目前普遍接受的模型： （1）太阳风持续存在， 充满整个行星际空间；（2）磁层顶是太阳风和地磁 场的分界面，C-F电流是持续存在的电流。
太阳风总压与磁层总压力在磁层顶达到平衡。由 于磁层顶内偶极场远大于行星际磁场，而磁层顶外太 阳风的速度远大于磁层顶内的等离子体速度，因此， 忽略太阳风的磁压和磁层的动压，则太阳风的动压与 磁层的磁压在磁层顶达到平衡： 即
• 太阳风粒子压缩地 磁场形成指向昏侧 的电场
• 电 子 回 旋 半 径 ~3Re ， 只能在磁场\电场作 用下漂移，不可到 达对面，
• 质子回旋半径~11Re， 可到达对面，而电 子不行
剃度、曲率漂移对环电流的贡献
= v∇B−c
m qB4
(v/ / 2
+
v⊥2 2
)B
×
∇(
B2 2
)
设粒子的速度矢量与磁场的夹角为α
电离层与磁层等离子体的差别:
1. 密度大，碰撞不可忽略．碰撞引起动量传输，于是电 导率和焦耳加热就有意义了。
2. 中性粒子构成电离层的优势成分．中性成分的运动对 电离层等离子体的运动起着重要作用。
3. 电离层等离子体因地磁场的存在而呈现各向异性．这 种各向异性的程度和表现随高度而变化，所以，同样 的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异。

磁极
磁体上磁性最强的部分，分为 北极（N极）和南极（S极）。
磁极与磁力线ຫໍສະໝຸດ 03磁力线磁极间的相互作用
地球磁场
描述磁场分布的曲线，其切线方向表示磁 场方向，疏密程度表示磁场强弱。
同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。
地球本身就是一个大磁体，其地磁南极在 地理北极附近，地磁北极在地理南极附近 。
磁化现象
磁场具有强弱之分，即磁场中各点的磁场强度不同。
磁场方向与强度
01
磁场方向
02
磁场强度
在磁场中画一些曲线，曲线上某点的切线方向表示该点的磁场方向。 这些曲线叫做磁感线。
用磁感线疏密程度表示磁场的强弱，磁感线越密的位置磁场越强，反 之越弱。
磁场中物体受力分析
洛伦兹力
磁力矩
运动电荷在磁场中所受到的力称为洛 伦兹力。其方向由左手定则确定，大 小与电荷量、速度及磁感应强度成正 比。
法拉第电磁感应定律的内容
当穿过回路的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电 动势，感应电动势的大小与穿过回路的磁通量对时间的变 化率成正比。
法拉第电磁感应定律的公式
E=nΔΦ/Δt，其中E为感应电动势，n为线圈匝数，ΔΦ为 磁通量变化量，Δt为变化所用时间。
法拉第电磁感应定律的应用
用于计算感应电动势的大小，进而分析电磁感应现象。
线圈在均匀磁场中所受到的力矩称为 磁力矩。其方向由右手螺旋定则确定 ，大小与线圈面积、匝数及磁感应强 度成正比。
安培力
通电导线在磁场中所受到的力称为安 培力。其方向由左手定则确定，大小 与电流、导线长度及磁感应强度成正 比。
03
常见磁现象解析
地磁场与指南针原理
地磁场概述
地球本身就是一个巨大的磁体，其周围存在磁场，即地磁场 。地磁场的磁感线从地理南极附近出来，回到地理北极附近 。

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2. 把一个铜环放在匀强磁场中，使环的平面与磁场的 方向垂直，如图所示。如果使铜环沿着磁场的方向移动， 铜环中是否产生感应电流？为什么？若磁场是不均匀的， 能否产生感应电流？为什么？
B B
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楞次定律 一、问题引入 二、楞次定律 三、楞次定律与右手定则 是统一的
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c
b'
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【例1】如图所示，长直导线中的电流 I 向上，当 I 减 小时，判断矩形线圈中感应电流的方向 。 解：第一步，判断原磁场的方向。根 据安培定则，可知矩形线圈中的磁场方向 向里。 第二步，判断穿过矩形线圈的磁通量 的变化。长直导线中的电流 I 减小时，磁 场也减弱，穿过矩形线圈的磁通量减少。 第三步，根据楞次定律，矩形线圈中产生的感应电流 的磁场与原磁场方向相同，垂直屏面向里。 第四步，根据安培定则，矩形线圈中产生的感应电流 的方向为顺时针方向。
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磁感应强度
磁通量
一、安培力
二、磁感应强度
三、磁通量
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一、安培力 如图，将通电导线垂直放入匀强磁场中，导线要受到 磁场力的作用。磁场对电流的作用力叫做安培力。
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8、磁现象的电本质 安培分子电流假说 安培根据环形电流及通电螺线管的磁性与条形磁铁的 磁性相似，提出了分子电流假说。他认为，在原子、分子 等物质微粒内部，存在着一种环形电流——分子电流。

同时观测到的形态类似的南极光和北极光
3. 场向电流和地磁亚暴
磁层粒子沉降不仅激发大气发光，而且增加电离 层电离度和电导率，沿极光粒子密集的夜间极 光卵形成了一个高电导带。沉降粒子所携带的 电流，即场向电流注入电离层后，集中从高电 导带流过，形成极光带电集流。引起极区地磁 场的剧烈扰动，叫做地磁亚暴。
共轴偶极场磁层粒子总漂移=电场漂移+磁场梯度漂移 =对流电场漂移 + 共旋电场漂移 + 磁场梯度漂移
电场漂移速度：vE
=
E×B B2
= v∇B 磁场梯度漂移速度：
1 2
mv⊥2
B qB4
× ∇(
B2 2
)
= µB × ∇B ≡ E × B
qB2
B2
E =−µ∇B / q, µ =mv⊥2 / 2B
地磁场近似用共轴偶极子磁场表示
B
=
B0 (
a r
)3
B0 地面赤道磁场强度
方向向北
代入上式得
Ecorot
= − ωErB20a3
λˆ × ( B )
B
= − ωErB20a3
rˆˆ= − dΦcorot
dr
r
Φ corot
=
− ωE B0a3
r
赤道面内共旋电场等位线是一系列以地心为圆 心的同心圆，电场方向指向地心，离地越远， 电场越小
0
F
中性粒子密度
500 1000 1500 2000 2500 3000
Altitude (km)
1. 电离层的形成和结构
电离层的形成决定于大气和电离源两个因素。其中电子 密度是描述电离层结构的主要参数。当电离和复合这 两个相反的过程达到平衡时，电子密度也就达到某个 稳定值。

地球地磁现象物理学
地球拥有自身的磁场,这种自然存在的磁场被称为地球磁场或地磁场。

地磁场的存在对地球及其周围环境有着重要影响,因此研究地磁现象及其物理学机制具有重要意义。

1. 地磁场的产生机制
地磁场的主要来源是地球内部液态外核中电离物质的对流运动。

根据电磁感应定律,带电粒子在导体中运动时会产生电流,而电流又会产生磁场。

地球内核中的对流运动就像一个巨大的电流环,从而产生地磁场。

2. 地磁场的特征
地磁场呈现出明显的空间分布不均匀性。

在地球两极附近,磁场线垂直于地面;在赤道附近,磁场线则与地面平行。

此外,地磁场还随时间变化,包括长期变化(百年尺度)和短期变化(日尺度)。

3. 地磁现象及影响
地磁场对于生命圈、航天器和卫星等都有重要影响。

例如,地磁场可以阻挡部分来自太阳的高能粒子,保护地球免受这些粒子的辐射。

同时,地磁场也会引导这些高能粒子进入极地区,形成极光现象。

4. 地磁学研究方法
研究地磁现象和物理学机制的主要方法包括:地磁观测站测量、航空和卫星遥感探测、模拟实验以及数值模拟等。

通过这些方法,科学家们能够更好地了解地磁场的演化规律,并探索其对地球环境的影响。

地球地磁现象物理学是一个涉及多学科交叉的领域,对于认识地球内部结构、研究行星磁场以及探索宇宙等方面都有重要意义。