地磁学1-1_110905

地球电磁现象物理学(1-1)PHYSICSOFELECTROMAGNETICPHENOMENAOFTHEEARTH2011.09.05，教学楼715，周一8:00-10:30考试形式：堂上开卷主要参考书目•1.Akasofu,S.-I.,andChapman,S.,Solar-TerrestrialPhysics,ClarendonPress,oxford,1972.2.Akasofu,S.-I.,PhysicsofMagnetosphericSubstorms,D.ReidelPublishingCompany,Dordrecht,1977.3.Campbell,W.H.,IntroductiontoGeomagneticFields,CambridgeUniversityPress,1997.4.Chapman,S.&Bartels,J.,Geomagnetism,Oxford,1940.5.Dubrov,A.P.,TheGeomagneticFieldandLife—Geomagnetobiology,PlenumPress,NewYorkandLonDon,1978.6.Egeland,A.,Holter,O.,Omholt,A.,CosmicalGeophysics,Universitetsforlaget,1973.7.Hargreaves,J.K.,TheUpperAtmosphereandSolar-TerrestrialRelations,VanNostrandReinholdCompany,NewYork,1979.8.Jackson,J.D.,ClassicalElectrodynamics,JohnWiley&Sons,Inc.,NewYork,London,Sydney,Toronto,1975.9.Jacobs,J.A.,Geomagnetism,AcademicPress,vol.1,1987,vol.2,1987,vol.3,1989,vol.4,1991.10.Jacobs,J.A.,ReversalsoftheEarth’sMagneticField,AdamHigerLtd,Bristol,1984.11.Jacobs,J.A.,TheEarth’sCoreandGeomagnetism,PergamonPress,NewYork,1963.12.Kan,J.R.,Potemra,T.A.,Kokubun,S.,andIijima,T.,MagnetosphericSubstorms,AmericanGeophysicalUnion,Washington,D.C.,1991.13.Kivelson,M.G.andRussell,C.T.,IntroductiontoSpacePhysics,CambridgeUniversityPress,NewYork,1995.14.Krall,N.A.andTrivelpiece,A.W.,PrinciplesofPlasmaPhysics,McGraw-HillBookCompany,NewYork,1973.15.Lui,A.T.Y.,MagnetotailPhysics,TheJohnsHopkinsUniversityPress,BaltimoreandLondon,1987.16.Matsushita,S.,Campbell,W.H.,PhysicsofGeomagneticPhenomena,AcademicPress,NewYork,1967.17.Merrill,R.T.,McElhinny,M.W.,andMcFadden,F.L.,TheMagneticFieldoftheEarth,Paleomagnetism,theCore,andtheDeepMantle,AcademicPress,1996.18.Parkinson,W.D.,IntroductiontoGeomagnetism,ScottishAcademicPress,1983.19.Parker,E.N.,CosmicalMagneticField-TheirOriginandTheirActivity,ClarendonPress,1979.20.Parks,G.K.,PhysicsofSpacePlasma,Addison-WesleyPublishingCompany,California,1991.21.Rikitake,T.,ElectromagnetismandEarth’sInterior,ElsevierPublishingCompany,1966.中文参考书1.地球物理学基础傅承义等，科学出版社19852.太阳十讲胡文瑞,赵学溥，科学出版社，1987。3.日地空间物理学涂传诒等，科学出版社，1988。4.磁场重联王水,李罗权，安徽教育出版社，1999。5.地磁学杨诺夫斯基，刘洪学译，地质出版社，19826.高空大气物理学赵九章科学出版社，北京，1965。7.空间电学庄洪春科学出版社，1995。8.太空物理学刘振兴等哈尔滨工业大学出版社，20059.地球电磁现象物理学徐文耀.中国科技大学出版社，200910.地磁学徐文耀.地震出版社，200311.日地环境指南上出洋介著，徐文耀译,科学出版社2010第一章地磁学概述§1.1电磁场—普遍存在的宇宙物质§1.2地磁场—地球固有的基本特性§1.3外地核—地球主磁场的发源地§1.4岩石圈—局部地磁异常的起源§1.5电离层与磁层—地球环境的重要组成部分§1.6太阳—变化磁场的根本来源§1.7地磁学—古老而未成熟的学科几种常见的磁场及磁力线示意图§1.1电磁场——普遍存在的宇宙物质自然界的电磁场自然界的磁场人脑磁场：10-12T0.000000000001星系间空间：10-12T0.000000000001心脏磁场：10-10T0.0000000001银河系空间：10-10T0.0000000001日光磁场：10-6T0.000001太阳普遍磁场：10-4T0.0001地球磁场：10-4T0.0001常用仪表中的磁铁：10-2~10-1T0.01磁星磁场：10-2T~1T0.01太阳黑子磁场：10-1T0.1大型电磁铁：1T1低温超导磁体：10T10激光引爆：102T100白矮星：103T1000中子星磁场：108～1010T100000000中子星SGR1806－20：1011T100000000000这些强度相差达到20几个数量级的磁场居然遵循同样的物理定律，受控于同一组麦克斯韦方程组——科学史上最美的方程太阳系几种天体的磁场行星磁场太阳系中，火星是离地球较近的一颗行星，其特征在许多方面与地球极为相似。40多年来，包括前苏联、美国、欧洲和日本的一些国家已发射了40多个火星探测器以对火星进行探测。太阳系行星的磁场日心距(AU)半径(km)自转周期(h)磁矩(ME)赤道磁场(G)最大磁场(G)最小磁场(G)磁轴与地轴的夹角(o)日下点磁层顶水星0.3924391407.51/15000.00414.01.4Rm金星0.7260555832.0？地球1.00637223.910.310.680.2410.811Re火星1.52339824.61/30000.0006-15.0木星5.20713989.0200004.2814.303.20-9.745Rj土星9.556033010.75800.220.840.18-0.021Rs天王星19.192555917.2490.230.960.08-5927Ru海王星30.072476416.1270.140.900.10-4726Rn冥王星39.521350153.3？注：1.AU是天文单位(地球到太阳的距离)，1AU=km8105.12.地球磁矩MAmE790610222.3.Re、Rj、Rs、Ru、Rn分别是各行星的半径日球层磁场恒星际风？磁场突增，速度突降低能粒子通量最低。预言超音速太阳风存在的E.N.Parker在《宇宙磁场》一书中说到：看来，使宇宙连续不断发生扰动的根本因素是磁场，......磁场就象是宇宙中的‘有机体’，它从星体和星系获得能量，而微弱磁场的存在会引起一小部分能量转移，并形成较强的磁场。这一能量转移是太阳系、银河系和宇宙不停活动的原因......磁场虽然不能改变和停止宇宙膨胀和蜕化这一总的进程，但它使星球和星系的局部演化大为复杂。电磁场的一般特性从物理本质上来讲，一切磁场起源于电荷的运动-电流。安培总结了大量的观测事实，揭示了电流和作用力之间的普遍关系，即安培定律12011223()4LLIdIdrllrF上式可分解为两部分：1、电流2产生磁场2、磁场对电流1作用如果把真空磁导率μo归入磁场产生，则得到磁感应矢量B和相应的毕奥-沙伐尔定律：202234LIdrlrB111LIdFlB把μo归入磁场对电流的作用，则得到磁场强度矢量H以及相应的作用力公式：222314LIdrlrH0111LIdFlH显而易见，B和H的关系为：那么得到磁场对电流作用的安培公式：H只与源电流强度、方向位置有关，而B还与反映源电流周围的介质特性的磁导率μo有关实验常数的引入1、所有物理量的量纲和单位已定，参数由实验数值直接确定。如万有引力定律2、有的物理量的量纲和单位未定，如静电实验，电量单位事先没给定，通过一定的规定确定参数221rmmGF221rmmF221rqqF121222qqqqFkrr规定在q1=q2情况下，当r=1cm和F=1dyn电荷为1个单位，即：电磁单位制CGS:40emu电磁单位制)/(/42220cmscGauss单位制MKS:)m/H(10470SI国际单位制μo＝4π×10-7NA2＝4π×10-7WbA-1m-1＝4π×10-7Hm-1E.A.Desloge,Ann.J.Phys.52,312,1984介质中的磁场如果磁场中存在磁性介质，则介质会被磁化，磁化介质产生的磁场迭加在原磁场之上，改变了原来磁场的分布，总磁场等于原来的磁场和介质磁化所产生的磁场的矢量和实验表明，磁性介质在磁场中获得的磁化强度M正比于外加的磁场强度H——磁化率电磁场的普遍规律——麦克斯韦方程sDjlHsBsBlEsDdtdddtddvdff00ffttDBEBDHj自由电荷体密度传导电流体密度位移电流密度DEBHjEf介电常数电导率nDDnEEnBBnHHa()()()()2121212100ff两种介质分界面上自由电荷面密度分界面上传导电流面密度介质1指向介质2的单位法向矢量标量磁位考虑没有电流和磁性物质的空间，那么有：即磁场强度可以写成标量位的梯度标量函数的梯度无旋类似的，磁感应强度也可写成标量位的梯度类似的有：球坐标系中的标量磁位在求坐标系中Laplace方程的物理内涵拉氏方程泊松方程扩散方程波动方程磁场的矢量位（有电流区）20AJ2Q14QrdvAJ04rdv与标量泊松方程对比可得矢量泊松方程解0002/()/()(0)()()0HJBABHBBAAAAA可取采用库仑规范，即令磁场矢量位满足的矢量泊松方程地磁场观测点坐标系及地磁场7要素§1.2地磁场——地球固有的基本特性地磁场7要素Comparisonwithsphricalsysteme2222222/sin/tan/sin/tanZYXZHFFZIHZIHYDXYDYXH磁照图：HDZ（高纬度区也用XYZ）；绝对观测：HDI或FDI；理论研究：BrBθBλ或XYZ地磁场的组成，成分场源位置最大强度nT形态特征时间特征测量应用内