地磁基本知識(一)地球磁場

1、磁感應強度B

特斯拉是國際單位制中磁感應強度的單位。簡稱特,符號是T。將帶有1A恆定電流的直長導線垂直放在均勻磁場中,若導線每米長度上受到1N的力,則該均勻磁場的磁感應強度定義爲1T。單位是:牛頓/(安培·米),從這個單位就可以看出,它將力和位移及電流聯繫起來了,電動機就是將電轉成力,水力發電機就是將水力轉成電,可以說這個單位是第二次工業革命的基石。

        特斯拉是個牛人,爲紀念此牛人就以此人名爲磁場的單位。磁場還有另一個單位叫高斯,高斯的概念就是1米長的的導線中通有1安培的電流時,有1牛頓的作用力,地球表面的磁場大約就0.5~0.6高斯,高斯和特斯拉怎麼換算呢?1特斯拉等於1萬高斯,所以在應用磁場中特斯拉是個很大的單位,磁場已經很強了。你的問題中提到了磁場發電的問題,現有發電的工作原理一般是用動能帶動線圈在磁場中將動能轉化爲電能,但實際電機中工作的磁場也就1特斯拉左右,一般都也就零點幾特斯拉。(轉自知乎)

      醫院用的磁振造影主磁鐵常爲1.5 T及3 T最高達4 T;(對人)研究用途的最高達7 T
      太陽黑子的磁場強度爲 10 T
      化學研究上的核磁共振主磁鐵常爲11.74 T;以超導磁鐵達成者,最高磁場達25 T
      人類於實驗室(佛羅里達州立大學的美國國家高磁場實驗室,位在美國佛羅里達州塔拉哈西)中產生最強的持續磁場爲 45 T
      實驗室中產生的瞬間最強磁場的紀錄爲80 T (大阪大學 ),
     最強的人造磁場是2800 T(爆炸產生於俄國薩羅夫)

(1)磁極強度,單位是安培·米,磁極產生力,即磁感應強度B

(2)磁矩,兩極的強度與兩極的距離之乘積,單位是A·米·米

  (3)磁場強度,電流在它附近產生的磁化場H,磁化場強度單位安培/米,H的作用是是電流周圍有磁感應線,其磁通密度稱爲B場,H與B之間對於特定物質是一個定值,即磁導率

   磁導率表示物質磁化性能的一個物理量,是物質中磁感應強度與磁場強度H之比,又成爲絕對磁導率。物質的絕對磁導率和真空磁導率(設爲μ0=4*3.14*0.0000001H/m)比值稱爲相對磁導率,也就是我們一般意義上的磁導率。水和空氣的磁導率爲1

2、地磁場的正常場和異常場

   地磁場分成正常場與異常兩個部分,地磁場總強度爲

                    F=F0+F1+F2+F3

   F0是地磁場的主要部分,可以用一個均勻磁化球體的磁場(或稱偶極磁場)表示,F1表示大陸異常,它出現在廣大區域內,其分佈於大陸相關,面積達幾千平方公里;F2表示區域異常,它與構造單元有關,面積爲幾十到幾百平方公里;F3表示局部異常,僅與小構造和礦牀分佈有關,面積不過幾至幾十平方公里

  

3、地磁要素

地磁場是向量場,由三個要素才能確定它在地面任一點的方向和大小。有幾種辦法選定三要素,一種方法是取垂直分量Z、分別分量H和磁偏角D。D是水平分量的方向(磁北)和地理北之間的夾角。另一種辦法是取總場強度F,它對水平面的傾角I和磁偏角D。第三種辦法是取地磁場的北分量X、東分量Y和垂直向下分量Z。X、Y、Z、D、I、H及F都是地磁要素。它們之間的關係可以用下式和下圖來表示

 

 

上述7個要素中,只有3個是獨立的,知道其中任意3個,可以知道另外4個。在一般的地磁臺上,直接用儀器記錄的要素通常是H,Z和D。在航空磁測和衛星磁測中,通常測量的是F。

4、地球磁場的球諧分析

目前,表達地磁場的模式主要有三種:第一種是用球諧級數表示地磁場的分佈,叫作地磁場的球諧模式;第二種是用若干個偶極子表示地磁場的分佈,叫作地磁場的偶極子模式;第三種是用若干個電流環表示地磁場的分佈,叫作地磁場的電流環模式.一般地說,球諧分析方法是最常用的方法。

 

 

 

 

磁極強度單位安培*米,磁矩單位是安培*米*米,,磁化強度安培/米

球諧分析就是由磁場的觀測值求待定的高斯係數,下面是獲取全球基本磁場分佈的一般步驟:

獲取全球基本磁場分佈的步驟

 

 

5、地球磁場分佈圖

爲了描述地磁場的分佈,時常在地圖上將某一個要素相等的地點,用曲線連接起來,作爲各種等值線圖,簡稱地磁等值圖,如等磁偏角、等磁傾角、等磁力圖(即總磁場強度等值圖)。但是,一個地區的地磁測量時常不是短時期能完成的,所以製作等值圖時,還必須將不同時間的觀測值,按照地磁場隨時間的變化規律,歸算到同一指定時間,而且,由於觀測點分佈不均勻,通常採用高斯球諧分析的方法,得出高斯係數以後,按一定公式算出磁場分佈,然後繪製各種等值線。這種圖反映的是全球磁場總特徵,因而可以作爲大陸磁測或區域磁測得參考。

WMM2015的等磁傾圖

 

WMM2015等磁偏角

 

WMM2015等磁力圖

 

 6、高斯係數分析

凱因對球諧係數經過分析後認爲:

 n≤8,與地核有關

8<n≤13,與地幔有關

n>8,與地殼有關

 n≤8反映了地核的影響,佔總磁場的總值的90%。但是,不同階的球諧係數是否對應於不同深度的結構,尤其高階係數的物理意義,尚且值得推敲。由高斯係數所做的磁源分析,除低階係數由明確意義,高階係數的物理意義是不明確的。

地磁場的球諧分析表明,它的主要成分是磁偶極場。用中心偶極場模型去擬合實測資料,所得中心偶極軸與地球表面的兩點,被稱爲磁偶極,簡稱磁極。規定磁偶極位置的地理座標是:78.5N,70W(格陵蘭西北),和78.5N,110E(南極洲境內)。在地球表面上磁場垂直向下的兩點(磁傾角I=90度,水平磁場H=0),叫磁傾極

 

7、地球磁場的長期變化

(1)偶極矩的長期變化

在觀測的136年裏,偶極矩在不斷減少,由於時間過於短,偶極矩減少到一定程度上又會回升,絕不會單調地減小下去。

(2)磁偏角的長期變化

從極大值到極小值約240年,這種週期約500年的長期變化不是嚴格的,因此人們稱爲準週期變化

(3)磁極位置的長期變化

磁極的平均位置與地理極很接近,但與現代地磁極相距10°;磁極隨時間呈現向東或西的漂移,可以用磁極章動來描述,但其激發機制至今仍然是謎。

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(4)極性倒轉的長期變化

磁北極和磁南極的方向發生180度的改變。這個現象是通過古地磁和近代的海洋磁測才發現。在幾百萬年內。平均每隔二三十年地磁場倒轉一次,每次倒轉的過程比較迅速,大約幾千年就可以從一個穩定狀態轉入另一個穩定狀態。在磁場倒轉期間,磁場強度比較弱。由於偶極場比較弱,非偶極場則相對突出一些。

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