地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(12)
球谐分析在地磁学与地球重力学中都得到广泛的应用。由于地球磁场与地球引力场的不同,球谐表述有所不同。地磁场的高斯分析(球谐分析)的结果表明,地磁场没有单极子,而引力场有,地磁场有内外源场之分,而地球引力场只有内源场,地磁场的球谐级数收敛快,地磁场高斯级数所用的蒂合勒让德函数是Schmidt半标准化的,而地球引力场中用的是全标准化的,地磁场的高斯系数随时间变化快,每5年产生一个IGRF(国际地磁参考场),而引力场的变化是与地质变化有关,相对于地磁场来说,是缓慢的。地磁场的高斯分析还存在一个唯一性问题。
地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分,其强度约占地磁场总强度的90%。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域,平均强度约占地磁场的10%。地磁异常又分为区域异常和局部异常,其与岩石和矿体的分布有关。
求解球谐系数。由已知通化后的磁场值建立远多于S个的方程,用最小二乘法便解得球谐系数。若有已知地磁场的长期变化值,还可求得年变率球谐系数,记为(单位 nT/年)。是由一组高斯球谐系数和年变率系数组成的,为地球基本磁场和长期变化场的数学模型,并规定国际上每五年发表一次球谐系数,及绘制一套世界地磁图。球谐系数是由准球面平均半径计算获得的,若要考虑地球形态为旋转椭球体时,则要采用国际天文协会(IAU)的国际天体椭球坐标。利用球谐系数经地心坐标转换可求得椭球体的参考场。这对于大范围磁测是应给与考虑。
????带电体系带电过程实际上就是带电体系建立电场的过程,如果带电体系,没有电流的流动,那么它所形成的就是静电场,不能形成感应磁场。带电导体所带的能量就是静电场能量。如果把带电体系看作是平行板电容器,带电体系所带的电场能量则可以看作电荷的静电场能量。从电容的负极板经过外电路搬到正极板所作的功。由此可以得到电场中单位体积中能量及能量密度,如果将电感储存的磁能看成是电感器中电感所具有的,而且把长直螺线管(地球可以近似地看成球形的螺线球管)看成是均匀的,那么静磁场能量可以是电场能量。
如果在一个体系中同时存在电场和磁场,那么它便同时具有电场和磁场能量,这个总的能量就叫做电磁场能量,其能量密度在真空中定义单位时间内通过垂直于单位面积内的电磁场能量为电磁波能量密度,也叫坡印廷矢量。
考虑到电场与电流产生的磁场成长关系,经过对坡印廷矢量的了解就不难理解:在非理想导体中一旦有电流流过,就会产生电场和磁场。电荷在电场中能产生电场能量,电流在磁场中能产生磁场能量,两者相结合就是电磁场能量,而在单位时间内穿过单位面积的电磁场能量就是坡印廷矢量。????坡印廷矢量与电阻焦耳热,可以看出坡印廷矢量是沿着半径指向导体内部的,但是由于稳恒电流的作用,只能看到能流密度流入导体,没有流出。那这流入的能量去哪了呢?根据能量守恒,问题的答案可以是:供导体产生了焦耳热。
理想导体可看成是等势体,其外部磁场线垂直于导体表面。通电导线与外部空间产生电势差,所以导体的外表面的电场有一个较大的法向分量。由非理想导体的不为零;又由两介质间切向分量的边界条件可知,两种介质在其分界面上电场的切线方向连续,故导体外的电场方向必定会包含切线方向分量的电场,所以导体外表面的总电场 是沿轴线方向斜向上的,其切向分量与导体内的场强相等。而磁力线跟导体截面为同心圆。
据坡印廷矢量与电阻焦耳热的分析,如果是非理想导体,在能量的传输过程中必定会由于发热而有能量损耗,所以坡印廷矢量必定会有垂直导体的分量,用来传入导体内作为发热的损耗,会向导体内部倾斜。而如果是理想导体,导体内部不会有电压降,传输时不会有能量的损失,所以坡印廷矢量就不需要为导体内部输入能量了,其传播方向完全平行于导体外表面。所以,导体表面空间中的电磁场才是电路中能量的传播形式,导线只是起到了定向引导电磁能量的作用。而且,我们知道电磁波在真空中的传播速度等于光速,这也就解释了电路能量为什么能传输通常人们总以为导线往远处输送的电能是由电流传递的。但事实并非如此,电能是由导线附近的电磁场流过去的,导线(同轴线、双线传输线、波导等) 只是起到定向引导电磁能量的作用。导线上的电流和周围空间的电磁场互相制约,使电磁能量在导线附近的电磁场中沿一定方向传输。所以无论电力传输或电讯传输,都必须通过空间电磁波来实现能量传送。电磁能量的传输,低频电力系统常用双线传输线。频率较高时,为避免电磁波向外辐射时损耗和避免周围环境的干扰,而采用同轴线。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html