地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(14)
用以形象地描绘磁场分布的一些曲线。早年,M.法拉第曾在玻璃板上洒布铁粉,并轻轻敲击使板振动,则铁粉联成许多细小线段,从而显示出永久磁铁或电流导线周围的磁场分布。这是由于铁粉在磁场中受力并互相吸引而形成的,所以称为磁力线。因此,磁力线可以定义为磁场中一些假想的磁力联线。
法拉第在力线的启示下,提出了场是真实的物理存在,场的作用不是突然发生的“超距作用”,而是经过力线逐步传递的空间作用。这些概念对电磁场理论的发展有着重大推动作用。
现在的人们了解到,磁场、电场都是一种特殊形态的场物质,实际也并不需要力线的解释。相关力线的解释必然是受到机械观念的限制。但是用磁力线(包括电力线)作为场的一种思想模型,使用比较抽象的场概念得到形象的直观表示,不仅历史上起过很好的作用,而且仍然为现在的人们所沿用。
被太阳风赋予能量的地磁场磁力线,经过南北磁极进入地球,在其变换的磁场周围会产生电场,产生电场的导体中自由电子在电场力作用下作定向移动而产生电流即感应电流;然后磁力线再从另一端的磁极出来在磁层中闭合。地球磁场磁力线可以把太阳风的能量传递到导电体上产生地球电场。
导电体必须是闭合回路。依据第一章地球有地核和地壳是导电体描述。地球导电体参与地磁场作用不可能是地球的地核,因为内外地核虽然具有良好的导电性,但是在它们的外面包裹有一层巨厚的不导电和导磁性不大好的地幔,地幔具有2900千米的厚度,即使内外地核有发电机功能,有地幔阻隔,地核所表现的现象也不会在地面上表达。
地壳的导电性也不是太好,因为有了水圈的存在,地壳的导电性就大大的提高了。所以是地壳和水圈参与了地磁场系统的活动。
我们可以看到,根据实际测定,在寻常的日子里,平坦的旷野上,从地面垂直向上每米增加电势为100伏。这样在地面附近的大气中就有一个竖直向下的100伏/米的电场强度。而且是一个稳定电场。测量结果还表明:大气电场随着高度的增加逐渐减弱,在约50公里的高度上这个电场强度变得十分微弱。众所周知,稳定电场中的电位本来就具有相对的意义的,其绝对值决定于电位零点的选择;地球表层可视为一个大导体,其电位可视为一个恒量。因此,为合理起见,可以选择大地的电位就是零电压。
匀变的磁场产生的是恒定的电场,因为,只有变化的电场产生磁场,所以恒定的电场不产生磁场。同理,匀变的电场产生的是恒定的磁场,恒定的磁场不产生电场。有磁力线对地磁场的驱动,有导体的存在还是不能够产生地磁场,其它的条件我们放在下一章去讨论。
依据以上情况我们可知,地球的地壳有一层很好的导电层。磁力线是从北极穿入地球沿着地壳运行的,然后再从地球南极穿出返回磁层。磁力线作用在地壳导体上,使其中自由电子的定向移动积累正、负电荷而产生电势差—地磁场感应电动势。
电磁场是电磁作用的媒递物,是个统一的整体,电场和磁场是它们紧密联系、相互依存的两个侧面,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播,具有可交换的能量和动量,电磁波与实物的相互作用,电磁波与粒子的相互转化等等,都证明电磁场是客观存在的物质,它的“特殊”只在于没有静止质量。
电生磁,也就是说在没有磁场的情况下电场是怎么样生成磁场、生成什么样磁场的问题。毕奥-萨伐尔定律告诉了我们答案。我们在关于毕奥-萨伐尔定律的研究中已经说明它生成的磁场是可以用电场来描述的,也可以说他生成的是类似于磁场的电场。当然在麦克斯韦方程组中有一个全电流生成磁场的公式,但不论是电流还是变化的电场生成磁场它本质上都是点电荷库仑力的的叠加。电生磁的本质是电生电(一种电场生成另一种电场)。
磁生电,也就是说在没有电场的情况下磁场是怎么样生成电场、生成什么样电场的问题。电磁感应定律和互感定律告诉我们:通过闭合回路的磁通量发生变化,而在回路中产生电动势的现象称为电磁感应。我们在关于电磁感应和互感的研究中。磁生电的本质是磁生磁(一种磁场生成另一种磁场)。地球磁场就是这样一个过程,只是转换过程的导体不是良好均质的,所以产生偶极子磁场和非偶极子磁场。
在电场和磁场都存在的时候,究其受力情况,其实际这种状况都可以用洛伦兹力来解释的。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html