地磁学教学课件.ppt

地磁学 地球的电磁现象是重要的地球物理现象之一，它可以反映上至太阳活动、行星际空间、磁层、电离层，下至地壳、地慢、地核中发生的与电磁过程有关的各种物理过程。 对地球电磁现象的实验、观测和研究，是认识高空和地球内部介质的物性、组成、运动状态 和孕震过程的重要途径之一。 本章首先介绍磁场基础知识 §1 磁场的基础知识 一、磁场、磁感应强度与磁场强度 1、磁场 磁性：物质能够吸引铁的属性叫做磁性。 磁场：我们把存在着磁力作用的空间区域叫做磁场。 场是一种看不见、摸不着的特殊的物质，但它具有动量、能量和质量，其动量、能量和质量都能够被检测出来。 对于场的物质性的认识，乃是物理学史上的一块划时代的里程碑。 天体磁场：地球和其他许多天体都具有磁性，天体及其周围的磁场叫做天体磁场。 地球磁场：地球本身及甚周围的磁场叫做地球磁场。 在地球上，悬挂起来的能在水平面内自由转动的磁针，总是静止在靠近地球的南北方向上。 人们规定:磁针指南的那个极为它的指南磁极，衡称为南磁极或负磁极，用S表示； 指北的那个极为它的指北磁极，简称北磁极或正磁极，用N表示。 磁性，起因于电荷的运动。 一切磁现象都可归结为运动着的电荷,即电流之间的相互作用。 因此，磁场的一个最基本的特点，就是对位于磁场中的运动电荷产生作用力。 从数学的角度来看，场是一个时空函数，即以位置 （x,y,z）及时间t为自变量的四元函数f(x,y,z,t)。 表征磁场性质的物理量有磁感应强度和磁位。 在场源不变的 情况下，对于确定的点和时刻，磁场的磁感应强度和磁位取定值;在不同位置或不同时刻磁场的磁感应强度和磁位取不同的值。 人们把不随时间变化，或变化非常缓慢的磁场叫做静磁场或稳定磁场; 把不随空间位置变化的磁场叫做均匀磁场。 2、磁感应强度 描述磁场的最基本的物理量是磁感应强度B，它是一个矢量。 测磁感应强度的仪器很多，如高斯计等。 对稳定磁场可用两种方法来分析: 一是分析稳定电流的磁场； 二是分析“磁荷” 的磁场。 “磁荷”是引入的辅助性概念。 两种处理方法在数学上是等效的，后者更简单。 稳定电流的磁场:通过测量场中运动电荷的受力情况，确定任意一点的磁感应强度B，并用下式来定义: 式中，q为正电荷的带电量，v为电荷的运动速度；f、v、B三者之间的方向关系，遵守右手螺旋定则。 一个速度为v(v＜＜C，C为光速)的匀速运动电荷q所激发的磁场可由下式确定: 上式中r为电荷所在点至P点的距离(矢量). 与电场中的电力线类似，常采用磁感应线 (简称磁力线)来形象地描绘磁场的空间分布。 磁感应线上任何一点的切线方向即为该点的磁场方向，在磁场强的地方磁感应线画得密些，在磁场弱的地方磁感应线画得稀些，磁感应线总是闭合曲线。 3、磁荷与磁场强度 对稳定磁场，还可仿照静电学中分析点电荷和其电场强度的思路，引入“磁荷”和磁场强度这两个辅助性概念，把N磁极当作是“正磁荷的集中点，S磁极是负磁荷的集中点，磁荷的数量与磁极强度相当。 Magnetism more complex - magnetic fields not central (like gravity) but vary with azimuth - No Magnetic Monopole (always at least a dipole). 一切磁性体的N、S极总不是孤立出现的，库仑在实验中是采用很长的细磁针，实现磁单极子效应，证明磁单板子之间力的相互作用定律是: 同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引； 磁极之间的作用力(力与磁极强度乘积成正比，与磁极间距离的平方成反比。用公式表示其模值为: 而真空中点磁极的磁场强度F定义为: 单位正试验磁极在该点所受的力。其大小和方向： 应该注意，磁场强度F与磁感应强度B这两个物理量之间既有联系，又有差别。 置于磁空间中介质的分子电流将受到磁场F的作用，导致介质分子电流定向排列，呈现磁化现象。 磁化的强弱程度用磁化强度M来表示，则总磁场的B为: B＝μ0F＋μ0M M与F之间存在一定的函数关系，记为: M＝χm F 这里χm 称为介质的磁化率。 经过简单运算，有： B＝ μ0 μrF＝ μF μr＝1＋ χm 式中， μr为介质的相对磁导率， μ称为介质的磁导率。 对真空而言，M=0，故χm =0， μr＝1， μr ＝ μ0 ，所以在真空中 B＝ μF 对于空气和其他非磁性物质来说，它们的磁导率与真空的磁导率差不多，即 μ ≈ μ0 μr＝1 例如 铝