磁場

磁場

磁場所屬現代詞,指的是對放入其中的小磁針有磁力的作用的物質。磁場是一種看不見,而又摸不著的特殊物質,磁場不是由原子或分子組成的,但磁場是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性。磁鐵周圍存在磁場,磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流,電流是電荷的運動,因而概括地說,磁場是由運動電荷或電場的變化而產生的。

基本信息

漢語解釋

基本信息

拼音:cíchǎng
注音:ㄘㄧˊㄔㄤˇ

解釋

受到磁性影響的區域顯示出穿越該區域的電荷或置於該區域中的磁極會受到機械力的作用。

定義

磁場磁場
對放入其中的小磁針有磁力的作用的物質叫做磁場。磁場是一種看不見,而又摸不著的特殊物質。磁體周圍存在磁場,磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流,電流是電荷的運動,因而概括地說,磁場是由運動電荷或變化電場產生的。

引用解釋

1.傳遞實物間磁力作用的場。
2.借指有巨大吸引力的場所。《花城》1981年第6期:“離開祖國已有兩個半月,那邊有我的依戀,我怎么能留下呢?但這裡卻出現了一個磁場。”

基本概述

英文:magneticfield
簡易定義:對放入其中的磁體有磁力的作用的物質叫做磁場。
磁場磁場
磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力,磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源於此。而現代理論則說明,磁力是電場力的相對論效應。

與電場相仿,磁場是在一定空間區域內連續分布的矢量場,描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B,也可以用磁感線形象地圖示。然而,作為一個矢量場,磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產生的磁場,或兩者之和的總磁場,都是無源有鏇的矢量場,磁力線是閉合的曲線族,不中斷,不交叉。換言之,在磁場中不存在發出磁力線的源頭,也不存在會聚磁力線的尾閭,磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零,即磁場是有鏇場而不是勢場(保守場),不存在類似於電勢那樣的標量函式。

磁感應強度:與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數目,又叫磁力線的密度,也叫磁通密度,用B表示,單位為特(斯拉)T。

磁場磁場

磁通:磁通是通過某一截面積的磁力線總數,用Φ表示,單位為韋(伯)Wb。通過一線圈的磁通的表達式為:Φ=B*S(其中B為磁感應強度,S為該線圈的面積。)

磁場方向:規定小磁針的北極在磁場中某點所受磁場力的方向為該電磁場的方向。

磁感線:在磁場中畫一些曲線,使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同,這些曲線叫磁力線。磁力線是閉合曲線。規定小磁針的北極所指的方向為磁力線的方向。磁鐵周圍的磁力線都是從N極出來進入S極,在磁體內部磁力線從S極到N極。

電磁場是電磁作用的媒遞物,是統一的整體,電場和磁場是它緊密聯繫、相互依存的兩個側面,變化的電場產生磁場,變化的磁場產生電場,變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播,具有可交換的能量和動量,電磁波與實物的相互作用,電磁波與粒子的相互轉化等等,都證明電磁場是客觀存在的物質,它的“特殊”只在於沒有靜質量。

磁現象是最早被人類認識的物理現象之一,指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的,地球,恆星(如太陽),星系(如銀河系),行星、衛星,以及星際空間和星系際空間,都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程,必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中,處處可遇到磁場,發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀表等無不與磁現象有關。甚至在人體內,伴隨著生命活動,一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。地球的磁級與地理的兩極相反。

歷史

最早出現的幾副磁場繪圖之一,繪者為勒內·笛卡兒,1644年。最早出現的幾副磁場繪圖之一,繪者為勒內·笛卡兒,1644年。
雖然很早以前,人類就已知道磁石和其奧妙的磁性,最早出現的幾個學術性論述之一,是由法國學者皮埃·德馬立克(Pierre de Maricourt)於公元1269 年寫成[notes 3]。德馬立克仔細標明了鐵針在塊型磁石附近各個位置的定向,從這些記號,又描繪出很多條磁場線。他發現這些磁場線相會於磁石的相反兩端位置,就好像地球的經線相會於南極與北極。因此,他稱這兩位置為磁極[2]。幾乎三個世紀後,威廉·吉爾伯特主張地球本身就是一個大磁石,其兩個磁極分別位於南極與北極。出版於1600 年,吉爾伯特的巨著《論磁石》(De Magnete)開創磁學為一門正統科學學術領域。

於1824年,西莫恩·泊松發展出一種物理模型,比較能夠描述磁場。泊松認為磁性是由磁荷產生的,同類磁荷相排斥,異類磁荷相吸引。他的模型完全類比現代靜電模型;磁荷產生磁場,就如同電荷產生電場一般。這理論甚至能夠正確地預測儲存於磁場的能量。

儘管泊松模型有其成功之處,這模型也有兩點嚴峻瑕疵。第一,磁荷並不存在。將磁鐵切為兩半,並不會造成兩個分離的磁極,所得到的兩個分離的磁鐵,每一個都有自己的指南極和指北極。第二,這模型不能解釋電場與磁場之間的奇異關係。

於1820年,一系列的革命性發現,促使開啟了現代磁學理論。首先,丹麥物理學家漢斯·奧斯特於7月發現載流導線的電流會施加作用力於磁針,使磁針偏轉指向。稍後,於9月,在這新聞抵達法國科學院僅僅一周之後,安德烈-瑪麗·安培成功地做實驗展示出,假若所載電流的流向相同,則兩條平行的載流導線會互相吸引;否則,假若流向相反,則會互相排斥。緊接著,法國物理學家讓-巴蒂斯特·畢奧和菲利克斯·沙伐於10月共同發表了畢奧-薩伐爾定律;這定律能夠正確地計算出在載流導線四周的磁場。

1825年,安培又發表了安培定律。這定律也能夠描述載流導線產生的磁場。更重要的,這定律幫助建立整個電磁理論的基礎。於1831年,麥可·法拉第證實,隨著時間演進而變化的磁場會生成電場。這實驗結果展示出電與磁之間更密切的關係。

從1861年到1865之間,詹姆斯·麥克斯韋將經典電學和磁學雜亂無章的方程加以整合,發展成功麥克斯韋方程組。最先發表於他的1861年論文《論物理力線》,這方程組能夠解釋經典電學和磁學的各種現象。在論文裡,他提出了“分子渦流模型”,並成功地將安培定律加以延伸,增加入了一個有關於位移電流的項目,稱為“麥克斯韋修正項目”。由於分子渦包具有彈性,這模型可以描述電磁波的物理行為。因此,麥克斯韋推導出電磁波方程。他又計算出電磁波的傳播速度,發現這數值與光速非常接近。警覺的麥克斯韋立刻斷定光波就是一種電磁波。後來,於1887年,海因里希·赫茲做實驗證明了這事實。麥克斯韋統一了電學、磁學、光學理論。

雖然,有了極具功能的麥克斯韋方程組,經典電動力學基本上已經完備,在理論方面,二十世紀帶來了更多的改良與延伸。阿爾伯特·愛因斯坦,於1905年,在他的論文裡表明,電場和磁場是處於不同參考系的觀察者所觀察到的同樣現象(幫助愛因斯坦發展出狹義相對論的思想實驗,關於其詳盡細節,請參閱移動中的磁鐵與導體問題)。後來,電動力學又與量子力學合併為量子電動力學

類型

1、恆定磁場 磁場強度和方向保持不變的磁場稱為恆定磁場或恆磁場,如鐵磁片和通以直流電的電磁鐵所產生的磁場。

2、交變磁場 磁場強度和方向在規律變化的磁場,如工頻磁療機和異極鏇轉磁療器產生的磁場。

3、脈動磁場 磁場強度有規律變化而磁場方向不發生變化的磁場,如同極鏇轉磁療器、通過脈動直流電磁鐵產生的磁場。

4、脈衝磁場 用間歇振盪器產生間歇脈沖電流,將這種電流通入電磁鐵的線圈即可產生各種形狀的脈衝磁場。脈衝磁場的特點是間歇式出現磁場,磁場的變化頻率、波形和峰值可根據需要進行調節。

恆磁場又稱為靜磁場,而交變磁場,脈動磁場和脈衝磁場屬於動磁場。磁場的空間各處的磁場強度相等或大致相等的稱為均勻磁場,否則就稱為非均勻磁場。離開磁極表面越遠,磁場越弱,磁場強度呈梯度變化。

電磁場

電磁場electromagneticfield

有內在聯繫、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱。隨時間變化的電場產生磁場,隨時間變化的磁場產生電場,兩者互為因果,形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起,也可由強弱變化的電流引起,不論原因如何,電磁場總是以光速向四周傳播,形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物,具有能量和動量,是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特徵及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。

地磁場

磁場磁場
地磁場geomagneticfield

從地心至磁層頂的空間範圍內的磁場。地磁學的主要研究對象。人類對於地磁場存在的早期認識,來源於天然磁石和磁針的指極性。磁針的指極性是由於地球的北磁極(磁性為S極)吸引著磁針的N極,地球的南磁極(磁性為N極)吸引著磁針的S極。這個解釋最初是英國W.吉伯於1600年提出的。吉伯所作出的地磁場來源於地球本體的假定是正確的。這已為1839年德國數學家C.F.高斯首次運用球諧函式分析法所證實。

地磁的磁感線和地理的經線是不平行的,它們之間的夾角叫做磁偏角。中國古代的著名科學家沈括是第一個注意到磁偏角現象的科學家。

地磁場是一個向量場。描述空間某一點地磁場的強度和方向,需要3個獨立的地磁要素。常用的地磁要素有7個,即地磁場總強度F,水平強度H,垂直強度Z,X和Y分別為H的北向和東向分量,D和I分別為磁偏角和磁傾角。其中以磁偏角的觀測歷史為最早。在現代的地磁場觀測中,地磁台一般只記錄H,D,Z或X,Y,Z。

近地空間的地磁場,像一個均勻磁化球體的磁場,其強度在地面兩極附近還不到1高斯,所以地磁場是非常弱的磁場。地磁場強度的單位過去通常採用伽馬(γ),即10高斯。1960年決定採用特斯拉作為國際測磁單位,1高斯=10^(-4)特斯拉(T),1伽馬=10^(-9)特斯拉=1納特斯拉(nT),簡稱納特。地磁場雖然很弱,但卻延伸到很遠的空間,保護著地球上的生物和人類,使之免受宇宙輻射的侵害。

地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分,它們在成因上完全不同。基本磁場是地磁場的主要部分,起源於地球內部,比較穩定,變化非常緩慢。變化磁場包括地磁場的各種短期變化,主要起源於地球外部,並且很微弱。地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分,其強度約占地磁場總強度的90%,產生於地球液態外核內的電磁流體力學過程,即自激發電機效應。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域,平均強度約占地磁場的10%。地磁異常又分為區域異常和局部異常,與岩石和礦體的分布有關。

地球變化磁場可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個太陽日為周期的太陽靜日變化,其場源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等,場源是太陽粒子輻射同地磁場相互作用在磁層和電離層中產生的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時發生的強烈磁擾,持續時間約為1~3天,幅度可達10納特。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區內。除外源場外,變化磁場還有內源場。內源場是由外源場在地球內部感應出來的電流所產生的。將高斯球諧分析用於變化磁場,可將這種內、外場區分開。根據變化磁場的內、外場相互關係,可以得出地球內部電導率的分布。這已成為地磁學的一個重要領域,叫做地球電磁感應。

地球變化磁場既和磁層、電離層的電磁過程相聯繫,又和地殼上地幔的電性結構有關,所以在空間物理學和固體地球物理學的研究中都具有重要意義。

模擬地球磁場

磁場磁場
電腦模擬系統破解地球磁場南北顛倒之謎

美國國家地理雜誌》發表文章解釋了地球磁場“南北顛倒”的原因。1845年德國數學家卡爾·高斯開始記錄地球磁場數據,與那時相比,今天的磁場強度減弱了近10%左右。而且這種勢頭還將繼續。

電腦模擬系統“助陣”科學家說,這種現象並不罕見。在過去的數十億年中,地球磁場曾多次發生翻轉,這可以在地球岩石中找到大量證據。而他們在最近幾十年中發展的電腦模擬系統,可以很好地演示這個翻轉過程。美國加州大學的地球科學和磁場專家加里·格拉茲邁爾說:“我們可以在岩石上看到翻轉的情形,可是岩石不會告訴我們為什麼。電腦模擬系統能說明這一切。”這一系統就是格拉茲邁爾和他的同事保爾·羅伯茲共同研發的。從地質記錄來看,地球磁場平均大約每20萬年翻轉一次,不過時間也可能相差很大,並不固定,上一次磁場翻轉是在78萬年前。

專家認為,地球磁場來自地球深處的地心部分。固體的地心四周是處在熔解狀的鐵和鎳液體。地心在金屬液中的運動,產生了電流,形成了地球磁場。而該磁場禁止了宇宙射線,主要是太陽風暴對地球的襲擊,保護了地球生命的延續。科學家發現,火山岩漿凝固時,其中的鐵總是按磁場方向排列。專家把這一現象稱為地球動力學,地

磁場磁場
球磁場是由地球動力支配的,他們根據這一理論發展的電腦模擬系統發現,地心周圍的液體物質,總是處在不穩定狀態,以非常緩慢的速度轉動,一般大約每年移動一度。然而在受到某種干擾時,這個速度會變得越來越快,使原有的磁場偏離極地越來越遠,最後發生南北極互換的現象。

美國約翰·霍普金斯大學的地球物理學家皮特·奧森正在嚴密關注地球磁場的變化。他說,隨著時間的推移,我們能夠追蹤到它的軌跡。就像颶風預報一樣,我們會知道翻轉現象什麼時候發生。加里·格拉茲邁爾安慰大家說:“這個現象曾發生過多次了,生命不會因此滅絕的。”新聞背景磁場顛倒將危及生物磁場顛倒將危及到生物。首先,許多依靠鑑別地球南北極而遷徙的動物將會“亂了方寸”。

幾萬年來,蜜蜂鴿子鯨魚鮭魚紅龜、辛巴威鼴鼠等動物一直依賴先天性的本能在磁場的指引下秋移春返,一旦磁場消失,它們的命運很難預測。而對於人類來說,最致命的打擊莫過於直接暴露在強烈的紫外線輻射之下。屆時,皮膚癌等各種災難都將降臨。


宇宙中大磁場

太陽磁場
太陽磁場太陽磁場

太陽普遍磁場指日面寧靜區的微弱磁場,強度約1×10-4~3×10-4特斯拉,它在太陽南北兩極區極性相反,觀測發現,通過光球的大多數磁通量管被集中在太陽表面稱作磁元的區域,其半徑為100~300千米,場強為0.1~0.2特斯拉,大多數磁元出現在米粒和超米粒邊界及活動區內。如果把太陽當做一顆恆星,可測到它的整體磁場約3×10-5特斯拉,這個磁場是東西方向的。
太陽活動區磁場
太陽黑子太陽黑子
太陽黑子磁場一般說來,一個黑子群中有兩個主要黑子,它們的磁極性相反。如果前導黑子是N極的,則後隨黑子就是S極的。在同一半球(例如北半球),各黑子群的磁極性分布狀況是相同的;而在另一半球(南半球)情況則與此相反。在一個太陽活動周期(約11年)結束、另一個周期開始時,上述磁極性分布便全部顛倒過來。因此,每隔22年黑子磁場的極性分布經歷一個循環,稱為一個磁周。強磁場是太陽黑子最基本的特徵。黑子的低溫、物質運動和結構模型都與磁場息息相關。
耀斑與磁場的關係耀斑
太陽耀斑太陽耀斑
是最強烈的太陽活動現象。一次大耀斑爆發可以釋放1030~1033爾格的能量,這個能量可能來自磁場。在活動區內一個強度為幾百高斯的磁場一旦湮沒,它所蘊藏的磁能便全部釋放出來,足夠供給一次大耀斑爆發。在耀斑爆發前後,附近活動區的磁場往往有劇烈的變化。本來是結構複雜的磁場,在耀斑發生後就變得比較簡單了。這就是耀斑爆發的磁場湮沒理論的證據。日珥的磁場
太陽日珥太陽日珥
日珥的溫度約為一萬度,它卻能長期存在於溫度高達一、兩百萬度的日冕中,既不迅速瓦解,也不下墜到太陽表面,這主要是靠磁力線的隔熱和支撐作用。寧靜日珥的磁場強度約為10高斯,磁力線基本上與太陽表面平行;活動日珥的磁場強一些,可達200高斯,磁場結構較為複雜。
太陽普遍磁場
除太陽活動區外,日面寧靜區也有微弱的磁場。整個說來,太陽和地球相似,也有一個普遍磁場。不過由於局部活動區磁場的干擾,太陽普遍磁場只是在兩極區域比較顯著,而不象地球磁場那樣完整。太陽極區的磁場強度只有1~2高斯。太陽普遍磁場的強度經常變化,甚至極性會突然轉換。這種情況在1957~1958年和1971~1972年曾兩次觀測到。太陽整體磁場如果把太陽當作一顆恆星,讓不成像的太陽光束射進磁像儀,就可測出日冕各處混合而成的整體磁場。這種磁場的強度呈現出有規則的變化,極性由正變負,又由負變正。大致來說,在每個太陽自轉周(約27天)內變化兩次。對這個現象很容易作這樣的解釋:日面上有東西對峙的極性相反的大片磁區,隨著太陽由東向西自轉,科學家們就可以交替地觀察到正和負的整體磁場。總之,太陽上既有普遍磁場,又有整體磁場。前者是南北相反的,後者是東西對峙的。
太陽系磁場結構太陽磁場的精細結構通過高解析度的觀測表明,太陽磁場有很複雜的精細結構。就活動區來說,在同一個黑子範圍內各處磁場強度往往相差懸殊;並且在一個就整體說來是某一極性(例如N極)的黑子裡,常含有另一極性(S極)的小磁結點。因此,嚴格說來,單極黑子並不存在。在橫向磁場圖上,不僅各處強度不同,方位角也不一樣。在黑子半影中,較亮條紋與它們之間的較暗區域的磁場也有明顯的差異。在活動區中,磁結點的直徑約為1,000公里,磁場強度為1,000~2,000高斯。黑子磁場的自然衰減時間是很長的。在日面寧靜區,過去認為只有微弱的磁場,其強度約為1~10高斯。可是新的觀測表明,寧靜區的磁場的強度同樣是很不均勻的,也含有許多磁結點。它們在日面上所占面積很小,卻含有日面寧靜區絕大部分的磁通量。具體說來,寧靜區磁結點的範圍還不到200公里,而它們含的磁通量竟占整個寧靜區的90%左右。由於磁通量集中,磁結點的磁場強度可達上千高斯,遠遠超過寧靜區大範圍的平均磁場強度。行星際磁場的扇形結構在磁場“凍結”的情況下,太陽風的粒子帶著磁力線跑,於是太陽磁場便瀰漫於整個太陽系空間。因為太陽在自轉,太陽風所攜帶的磁力線就不是直線,而是螺鏇線。此外,日冕上有整體磁場,相鄰磁區的極性是相反的。這些因素同時起作用,形成行星際磁場的扇形結構。它和太陽整體磁場密切相關,它們的極性幾乎完全一致。太陽整體磁場的極性一旦轉換,行星際磁場的極性立即跟著轉換。隨著太陽磁場向外擴張,它的強度也就越來越弱。在地球外圍空間,磁場強度還不到萬分之一高斯。然而由於行星際空間的氣體極為稀薄,這樣弱的磁場也能對物質運動產生支配作用。在太陽風的作用下,地磁場被壓縮在地球磁層的範圍內,不能向外延伸。人們對太陽磁場測量只限於太陽大氣。至於太陽內部磁場,還不能直接測量,只能用理論方法作粗略的估計。有人認為它可能比大氣的磁場強得多。

磁星magneticstar

“磁星”(Magnetar)是中子星的一種,它們均擁有極強的磁場,透過其產生的衰變,使之能源源不絕地釋出高能量電磁輻射,以X射線及伽瑪射線為主。磁星的理論於1992年由科學家羅伯特·鄧肯(RobertDuncan)及克里斯托佛·湯普森(ChristopherThompson)首先提出,在其後幾年間,這個假設得到廣泛接納,去解釋軟伽瑪射線復發源(softgammarepeater)及不規則X射線脈衝星(anomalousX-raypulsar)等可觀測天體。具有強磁場的恆星。通常光譜型為A,磁場可以強到3萬T(特斯拉)。磁星的磁場強度還在變化,故又稱磁變星。磁變星大多為A型特殊星。一部分磁變星,不僅磁場周期性變化,光度和光譜也變化。光變周期1~25天,變幅一般不超過0.1等。
形成當一顆大型恆星經過超新星爆發後,它會塌縮為一顆中子星,其磁場也會迅速增強。在科學家鄧肯湯普森的計算結果當中,其強度約為一億特斯拉(108Tesla),在某些情況更可達1,000億特斯拉(1011T,1015Gauss),這些極強磁場的中子星便被稱為“磁星”。而地球表面的天然地磁場強度,在赤道附近約3.5×10-5T,在兩極附近約7×10-5T。
據估計,每大約十顆超新星爆發中,便會有一顆能成為磁星,而非一般的中子星或脈衝星。在它們演變成超新星前,自身需擁有強大磁場及高自轉速度,方有機會演化成磁星。有人認為,磁星的磁場可能是在中子星誕生後首十秒左右,透過熾熱核心物質的對流所產生的,情形就如一台發動機。如果在對流現象發生期間同時擁有高自轉速度(周期約10毫秒左右),其產生的電流足以傳遍整顆天體,便足夠把其自轉動能轉為其磁場。相反,如果天體的自轉速度較慢,其核心物質的對流所產生的電流不足以傳遍整顆天體,只在局部區域流動。
短壽命一顆磁星的外層含有等離子及以鐵為主的重元素,在張力產生期間,天體會出現“星震”(starquake),這種地震能使天體釋放強大能量,包括釋出X射線暴及伽瑪射線暴,天文學家把這種天體稱為“軟伽瑪射線復發源”。如果把一顆磁星看成為“軟伽瑪射線復發源”,它們的壽命相當短暫。“星震”會釋出大量物質及能量,當中物質被困在自身的強大磁場中,繼而在數分鐘內蒸發殆盡,另外其他能以放射形式釋出的物質,其動能來自天體的角動量,使磁星的自轉速度減慢,且比其他中子星減得更快。轉速減慢會連帶其強大磁場一同減弱,到大約一萬年後磁星的“星震”停止,期間仍會釋出X射線,天文學家將之稱為“不規則X射線脈衝星”。再過大約一萬年後,其活動幾近停止。“星震”屬於一種瞬間的大型破壞,當中一些給人們直接記錄,例如2004年12月27日的SGR1806-20,隨著天文望遠鏡的精確度日高,預計在未來人們能記錄更多類似現象。
火星磁場之謎

火星磁場消失之謎有新解:行星撞擊是元兇

據國外媒體報導,火星磁場到底是如何消失的?來自加拿大多倫多大學的賈法爾·阿爾卡尼-哈梅德日前就該問題提出了一種新的觀點。 阿爾卡尼-哈梅德認為,一顆曾在火星附近運行,後來又與之發生碰撞的較大小行星是導致火星磁場消失的真正原因。在40億年之前,剛形成不久的火星也曾擁有過磁場,而且其強度還與地球磁場非常接近。不過,火星磁場在存在了短暫的時間後便神秘地消失了,

在解釋火星磁場消失的各種觀點中,最主要的一種認為:隨著火星核的冷卻,其中液態金屬的對流逐漸減弱,最終導致了磁場的消失。
為了揭開火星磁場消失的秘密,阿爾卡尼-哈梅德與同事們設計了一套新的計算機模型。他們認為,要想解釋磁場消失的原因,首先應查清它是如何出現的。
加拿大科學家表示,當年推動火星液態核心內金屬流運動的力量並非來源於火星內部,而是來自一顆被年輕的火星所俘獲的大型小行星。
根據阿爾卡尼-哈梅德等人的計算,在太陽和木星的聯合作用下,這顆小行星可能曾沿一條穩定的軌道繞火星飛行,兩者之間的距離約10萬公里。不過,在火星引力的作用下,該小行星開始逐漸地向火星靠近。當兩者的距離接近到5-7.5萬公里時,小行星所產生的引力已足夠打破火星核內部原有的平衡,並誘發其中金屬流的運動,進而產生出磁場。小行星在火星上誘發磁場的過程持續了大約5000-15000年。
在此之後,小行星仍在不斷地向火星靠近並使後者的磁場又維持了數百萬年的時間。阿爾卡尼-哈梅德認為,如果該小行星的自轉方向與火星的保持一致,或者其沿相反的方向繞火星鏇轉,那么火星磁場還有可能維持更長的時間。
最終,在火星引力的作用下,這顆小行星發生了分裂,有此產生的大量碎片落向火星並孕育出了一些龐大的環形山
隨著小行星的解體,火星磁場也隨之消失了(確切地說,應是減弱為原先的數百分之一)--火星核內部原有的對流現象太弱,不足以孕育強大的磁場。
而磁場的消失可能還在火星氣候變化的過程中發揮了極其重要的作用。據科學家們估價,在磁場消失後,火星的氣候逐漸由原先的溫暖濕潤變得寒冷乾旱。

火星磁場消失之謎有新解:火星核心被熔化

瑞士科學家們通過實驗室模擬實驗得出結論稱,數億年前就消失了的火星磁場不久後將再次恢復。據《新科學家》雜誌報導稱,科學家們研究發現,火星的部分核心被熔化是導致火星磁場消失的主要禍首。
瑞士聯邦工學院(位於蘇黎世)的安德魯-斯圖阿爾特為首的瑞士科研小組通過模擬實驗成功再現了火星核心部分地區的壓力和溫度。在此次模擬實驗中,科學家們利用填充了鐵、鎳和硫混合物的金剛石密封艙,它的壓力被調節到了40兆帕斯卡。通過實驗,研究人員成功發現,在火星核心溫度達到1500開氏度時,密封艙內的混合物應該處於液態狀。不過核心外層會出現固化現象。當然,只有在火星核心中硫的含量不超過10.6%時才會出現上述現象。科學家們稱,這可以解釋火星的磁場為何消失了,同時也可以解釋地球的磁場為何至今仍然存在。科學家們認為,地球磁場之所以至今依然存在,就是因為地核內部是固態的。固態地核內層與被熔化了含大量鐵的外層相互摩擦便產生了地球磁場,其工作原理類似於直流發電機
科學家們表示,如果火星核心被熔化了的部分能夠重新結晶變成固態形式,那么消失已久的火星磁場還將再次出現。

相關資料

地球磁極變換不會造成災難
大家都知道地球磁極要隨著時間流逝而變換,南極變北極,北極變南極。而且兩次變換之間的時間間隔不等,平均為25萬年。
科學家發現,此前的一次變換髮生在75萬年前,因此他們預料,不久還會發生新的兩極變換。這樣就產生了一個問題:地球磁極變換會不會使地球磁場短時間消失,從而失去了防止宇宙帶電粒子到達地球的能力,引起一些科幻電影所描述的嚴重自然災害呢?
德國慕尼黑大學赫拉德·勒施等人的研究發現,不會發生這樣的災難,而其中的拯救英雄就是太陽風。 赫拉德·勒施等人發現,由帶電粒子組成的太陽風,將在瞬間建立起一個新磁場。
另外,由於太陽風和地球等離子層運動速度相差很大,太陽風將很快在距離地面350公里的高度建立起一個磁保護傘,這個磁保護傘的磁場強度大致與地磁磁場強度一樣。它們可以將宇宙中的帶電粒子擋在地球大氣層外,地球上的生物依然可以高枕無憂。
自然界磁輻射對大腦夢幻的影響
在自然界中,存在著地磁和大量的宇宙空間物質射線以及太陽磁暴輻射波,這些磁波會對人類的大腦和臟器形成刺激性影響。這些磁波輻射對生物成長有一種促進作用,同時,人體與磁場也存在一定的內在關聯性。宇宙本身就是一個強大的磁場空間,沒有宇宙強大的磁場作用力,也就沒有自然界生物細胞的合成,地球上面的生物也就不會存在。人類的夢中幻覺,大部分是由於空間磁輻射所引起的,強大的磁波輻射也可以給人類造成重大的傷害,也可以引起空間的人體核磁共振效應。自然界的諸多奇異現象都存在強磁場的力作用,可造成信鴿對地理位置辨別的失效,可造成人類方向性的判別錯誤,也可造成人類大腦的噩夢幻覺聯想。

磁場公式

1.磁感應強度是用來表示磁場的強弱和方向的物理量,是矢量,單位T),1T=1N/Am
2.安培力F=BIL;(註:L⊥B){B:磁感應強度(T),F:安培力(F),I:電流強度(A),L:導線長度(m)}
3.洛侖茲力f=qVB(注V⊥B);質譜儀〔見第二冊P155〕{f:洛侖茲力(N),q:帶電粒子電量(C),V:帶電粒子速度(m/s)}
4.在重力忽略不計(不考慮重力)的情況下,帶電粒子進入磁場的運動情況(掌握兩種):
(1)帶電粒子沿平行磁場方向進入磁場:不受洛侖茲力的作用,做勻速直線運動V=V0
(2)帶電粒子沿垂直磁場方向進入磁場:做勻速圓周運動,規律如下a)F向=f洛=mV2/r=mω2r=mr(2π/T)2=qVB;r=mV/qB;T=2πm/qB;(b)運動周期與圓周運動的半徑和線速度無關,洛侖茲力對帶電粒子不做功(任何情況下);(c)解題關鍵:畫軌跡、找圓心、定半徑、圓心角(=二倍弦切角)。
註:
(1)安培力和洛侖茲力的方向均可由左手定則判定,只是洛侖茲力要注意帶電粒子的正負;
(2)磁感線的特點及其常見磁場的磁感線分布要掌握〔見圖及第二冊P144〕;(3)其它相關內容:地磁場/磁電式電錶原理〔見第二冊P150〕/回旋加速器〔見第二冊P156〕/磁性材料

知識點

一、磁場
磁極和磁極之間的相互作用是通過磁場發生的。
電流在周圍空間產生磁場,小磁針在該磁場中受到力的作用。磁極和電流之間的相互作用也是通過磁場發生的。
電流和電流之間的相互作用也是通過磁場產生的,磁場是存在於磁體、電流和運動電荷周圍空間的一種特殊形態的物質,磁極或電流在自己的周圍空間產生磁場,而磁場的基本性質就是對放入其中的磁極或電流有力的作用。
二、磁現象的電本質
1.羅蘭實驗
正電荷隨絕緣橡膠圓盤高速鏇轉,發現小磁針發生偏轉,說明運動的電荷產生了磁場,小磁針受到磁場力的作用而發生偏轉。
2.安培分子電流假說
法國學者安培提出,在原子、分子等物質微粒內部,存在一種環形電流-分子電流,分子電流使每個物質微粒都成為微小的磁體,它的兩側相當於兩個磁極。安培是最早揭示磁現象的電本質的。一根未被磁化的鐵棒,各分子電流的取向是雜亂無章的,它們的磁場互相抵消,對外不顯磁性;當鐵棒被磁化後各分子電流的取向大致相同,兩端對外顯示較強的磁性,形成磁極;注意,當磁體受到高溫或猛烈敲擊會失去磁性。
3.磁現象的電本質
運動的電荷(電流)產生磁場,磁場對運動電荷(電流)有磁場力的作用,所有的磁現象都可以歸結為運動電荷(電流)通過磁場而發生相互作用。
三、磁場的方向
規定:在磁場中任意一點小磁針北極受力的方向亦即小磁針靜止時北極所指的方向就是那一點的磁場方向。
四、磁感線
1.磁感線的概念:在磁場中畫出一系列有方向的曲線,在這些曲線上,每一點切線方向都跟該點磁場方向一致。
2.磁感線的特點
(1)在磁體外部磁感線由N極到S極,在磁體內部磁感線由S極到N極
(2)磁感線是閉合曲線
(3)磁感線不相交
(4)磁感線的疏密程度反映磁場的強弱,磁感線越密的地方磁場越強
3.幾種典型磁場的磁感線
(1)條形磁鐵
(2)通電直導線
a.安培定則:用右手握住導線,讓伸直的大拇指所指的方向跟電流方向一致,彎曲的四指所指的方向就是磁感線環繞的方向;
b.其磁感線是內密外疏的同心圓
(3)環形電流磁場
a.安培定則:讓右手彎曲的四指和環形電流的方向一致,伸直的大拇指的方向就是環形導線中心軸線的磁感線方向。
b.所有磁感線都通過內部,內密外疏
(4)通電螺線管
a.安培定則:讓右手彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致,伸直的大拇指的方向就是螺線管內部磁場的磁感線方向;
b.通電螺線管的磁場相當於條形磁鐵的磁場
五、磁感應強度
1.定義:在磁場中垂直於磁場方向的通電直導線,所受的磁場力跟電流I和導線長度l的乘積Il的比值叫做通電導線處的磁感應強度。
2.定義式:
3.單位:特斯拉(T),1T=1N/A.m
4.磁感應強度是矢量,其方向就是對應處磁場方向。
5.物理意義:磁感應強度是反映磁場本身力學性質的物理量,與檢驗通電直導線的電流強度的大小、導線的長短等因素無關。
6.磁感應強度的大小可用磁感線的疏密程度來表示,規定:在垂直於磁場方向的1m2面積上的磁感線條數跟那裡的磁感應強度一致。
7.勻強磁場
(1)磁感應強度的大小和方向處處相等的磁場叫勻強磁場
(2)勻強磁場的磁感線是均勻且平行的一組直線。
六、磁通量
1.定義:磁感應強度B與面積S的乘積,叫做穿過這個面的磁通量。
2.定義式:φ=BS(B與S垂直)φ=BScosθ(θ為B與S之間的夾角)
3.單位:韋伯(Wb)
4.物理意義:表示穿過磁場中某個面的磁感線條數。
5.B=φ/S,所以磁感應強度也叫磁通密度
七、安培力
1.磁場對電流的作用力叫安培力
2.安培力大小
安培力的大小等於電流I、導線長度L、磁感應強度B以及I和B間的夾角的正弦sinθ的乘積,即F=BIlsinθ。
注意:公式只適用於勻強磁場。
3.安培力的方向
安培力的方向可利用左手定則判斷。
左手定則:伸開左手,使大拇指跟其餘四指垂直,並且都跟手掌在一個平面內,把手放入磁場中,讓磁感線垂直穿過手心,並使伸開的四指指向電流方向,那么拇指方向就是通電導線在磁場中的受力方向。安培力方向一定垂直於B、I所確定的平面,即F一定和B、I垂直,但B、I不一定垂直。

知識要點

1、帶電體在複合場中運動的基本分析:
這裡所講的複合場指電場、磁場和重力場並存,或其中某兩場並存,或分區域存在,帶電體連續運動時,一般須同時考慮電場力、洛侖茲力和重力的作用。
在不計粒子所受的重力的情況下,帶電粒子只受電場和洛侖茲力的作用,粒子所受的合外力就是這兩種力的合力,其運動加速度遵從牛頓第二定律。在相互垂直的勻強電場與勻強磁場構成的複合場中,如果粒子所受的電場力與洛侖茲力平衡,粒子將做勻速直線運動;如果所受的電場力與洛侖茲力不平衡,粒子將做一般曲線運動,而不可能做勻速圓周運動,也不可能做與拋體運動類似的運動。在相互垂直的點電荷產生的平面電場與勻強磁場垂直的複合場中,帶電粒子有可能繞場電荷做勻速圓周運動。無論帶電粒子在複合場中如何運動,由於只有電場力對帶電粒子做功,帶電粒子的電勢能與動能的總和是守恆的,用公式表示為
2、質量較大的帶電微粒在複合場中的運動
這裡我們只研究垂直射入磁場的帶電微粒在垂直磁場的平面內的運動,並分幾種情況進行討論。
(1)只受重力和洛侖茲力:此種情況下,要使微粒在垂直磁場的平面內運動,磁場方向必須是水平的。微粒所受的合外力就是重力與洛侖茲力的合力。在此合力作用下,微粒不可能再做勻速圓周運動,也不可能做與拋體運動類似的運動。在合外力不等於零的情況下微粒將做一般曲線運動,其運動加速度遵從牛頓第二定律;在合外力等於零的情況下,微粒將做勻速直線運動。
無論微粒在垂直勻強磁場的平面內如何運動,由於洛侖茲力不做功,只有重力做功,因此微粒的機械能守恆,即
(2)微粒受有重力、電場力和洛侖茲力:此種情況下。要使微粒在垂直磁場的平面內運動,勻強磁場若沿水平方向,則所加的勻強電場必須與磁場方向垂直。
在上述複合場中,帶電微粒受重力、電場力和洛侖茲力。這三種力的矢量和即是微粒所受的合外力,其運動加速度遵從牛頓第二定律。如果微粒所受的重力與電場力相抵消,微粒相當於只受洛侖茲力,微粒將以洛侖茲力為向心力,以射入時的速率做勻速圓周運動。若重力與電場力不相抵,微粒不可能再做勻速圓周運動,也不可能做與拋體運動類似的運動,而只能做一般曲線運動。如果微粒所受的合外力為零,即所受的三種力平衡,微粒將做勻速直線運動。
無論微粒在複合場中如何運動,洛侖茲力對微粒不做功。若只有重力對微粒做功,則微粒的機械能守恆;若只有電場力對微粒做功,則微粒的電勢能和動能的總和守恆;若重力和電場力都對微粒做功,則微粒的電勢能與機械能的總和守恆,用公式表示為:
在上述複合場中,除重力外,如果微粒還受垂直磁場方向的其他機械力,微粒仍能沿著與磁場垂直的平面運動。在這種情況下,套用動能定理及能的轉化和守恆定律來研究微粒的運動具有普遍的意義。只有當帶電微粒在垂直磁場的平面內做勻變速直線運動時,才能套用牛頓第二定律和運動學公式來研究微粒的運動,這是一種極特殊的情況。為了防止研究的失誤,我們特別提請注意的是:
(1)牛頓第二定律所闡明的合力產生加速度的觀點仍是我們計算微粒加速度的依據。這裡所說的合力是微粒所受的機械力、電場力和洛侖茲力的矢量和。尤其注意計算合力時不要排除洛侖茲力。
(2)由於洛侖茲力永不做功,在套用動能定理時,合外力對微粒所做的功(或外力對微粒做的總功),只包括機械力的功和電場力的功。
(3)在套用能的轉換和守恆定律時,分析參與轉化的能量形式時,不僅要考慮機械能和內能,還要考慮電勢能。此種情況下,弄清能量的轉化過程是正確運用能的轉化和守恆定律的關鍵。
3、解決與力學知識相聯繫的帶電體綜合問題的基本思路:
正確的受力分析是前提:除重力、彈力外,要特別注意對電場力和磁場力的分析。正確分析物體的運動狀態是解決問題的關鍵:找出物體的速度、位置及其變化的特點,分析運動過程,如果出現臨界狀態,要分析臨界狀態。恰當地靈活地運用動力學的三個基本方法解決問題是目的:牛頓運動定律是物體受力與運動狀態的瞬時對應關係,而運動學公式只適用於勻變速直線運動;用動量的觀點分析,包括動量定理與動量守恆定律;用能量的觀點分析,包括動能定理與能量守恆定律;針對不同問題靈活地選用三大方法,注意弄清各種規律的成立條件和適用範圍。
4、帶電粒子垂直射入E和B正交的疊加場--速度選擇器原理(如圖)
粒子受力特點--電場力F與洛侖茲力f方向相反
粒子勻速通過速度選擇器的條件--帶電粒子從小孔S1水平射入,勻速通過疊加場,並從小孔S2水平射出,從不同角度看有三種等效條件:從力的角度--電場力與洛侖茲力平衡,即qE=Bqv0;從速度角度--v0的大小等於E與B的比值,即;從功的角度--電場力對粒子不做功,即;
使粒子勻速通過選擇器的兩種途徑:
當v0一定時--調節E和B的大小;當E和B一定時--調節加速電壓U的大小;根據勻速運動的條件和功能關係,有,所以,加速電壓應為。
如何保證F和f的方向始終相反--將v0、E、B三者中任意兩個量的方向同時改變,但不能同時改變三個或者其中任意一個的方向,否則將破壞速度選擇器的功能。
兩個重要的功能關係--當粒子進入速度選擇器時速度,粒子將因側移而不能通過選擇器。
5、質譜儀
質譜儀主要用於分析同位素,測定其質量,荷質比和含量比,如圖所示為一種常用的質譜儀,由離子源O、加速電場U、速度選擇器E、B1和偏轉磁場B2組成。
同位素荷質比和質量的測定:粒子通過加速電場,根據功能關係,有。粒子通過速度選擇器,根據勻速運動的條件:。若測出粒子在偏轉磁場的軌道直徑為d,則,所以同位素的荷質比和質量分別為。
6、磁流體發電機
工作原理:磁流體發電機由燃燒室O、發電通道E和偏轉磁場B組成,如圖所示。
在2500開以上的高溫下,燃料與氧化劑在燃燒室混合、燃燒後,電離為導電的正負離子,即電漿,並以每秒幾百米的高速噴入磁場,在洛侖茲力作用下,正、負離子分別向上、下極板偏轉,兩極板因聚積正、負電荷而產生靜電場,這時,電漿同時受到方向相反的洛侖茲力f與電場力F的作用。
當f>F時,離子繼續偏轉,兩極電勢差隨之增大;當f=F時,離子勻速穿過磁場,兩極電勢差達到最大值,即為電源電動勢。
電動勢的計算:設兩極板間距為d,根據兩極電勢差達到最大值的條件f=F,即,則磁流體發電機的電動勢。

相關傳說

大家都聽說過鬼屋、鬼域嗎?在這些地區,人們會做一連串的噩夢,夢中的幻覺恐怖、驚慌、錯覺等等因素都與死亡相糾纏。宇宙空間的強射線粒子波,可形成人體或者物體分子鍵的斷裂、無形的衣物裂口、人體皮膚的淺表性傷痕、無明火自燃等等。如果人在強磁場區域進入睡眠狀態,可產生較惡劣的夢幻聯想狀態。人類在夜間所做的噩夢,也有白天的聯想作用因素。假如你在白天進入到了極其恐怖的區域(其實世界上也不存在什麼恐怖的場所,是人類的思維意識在作怪,只不過是心理作用罷了),一旦到了夜晚的睡眠期,你的腦部活躍神經系統就會把你帶入夢幻的聯想中,並且再現恐怖的時空景象,從而形成人類對夢境的過度相信。
有一位年輕人和他的一位同伴,一起進入深山打獵,先前並不知道這一區域存在較強的地磁(其實說是地磁不如說是強大的磁鐵礦)。夜幕降臨,兩位獵人逐漸進入夢鄉。其中一人翻來覆去怎么也睡不著,回憶起一天的所見所聞,不知不覺也逐漸進入到了睡夢中。睡夢中的他單獨進入到一處巨大的建築群落中,破爛不堪,殘牆斷壁,到處呈現出一片淒涼恐怖的景色。不時傳來一聲聲狼嗥鬼叫,靜得可怕,感覺有一個無形的身影跟著自己,心裡怦怦地一直跳個不停。難道世間傳說的鬼蜮就在眼前嗎?心裡好怕呀!想著想著,忽然在他的前方閃過一個灰白色的身影,一跳一跳地突然不見了。媽呀!魂都給嚇出來了,他毛骨悚然,掉頭就跑,可是四肢發軟,怎么跑也跑不動。只見一個張牙舞爪、青面獠牙、吐著長長舌頭的白髮女鬼忽然出現在他面前,嚇死了!嚇得他“媽呀!媽呀”地叫個不停,這個女鬼還在不停地抓他的臉和身體。這一驚不要緊,急的他直喊救命!喊著喊著突然醒了過來。此時,他的心還在怦怦地跳個不停。他這么一喊,把旁邊的同伴吵醒了。同伴用手捅了捅他說:“嗨!醒醒吧!你咋了?”於是,他揉了揉霧蒙蒙的雙眼說:“我的媽呀!真嚇人呀!也不知怎么了,有一個女鬼在追我,還用爪子撓得我渾身是血。”“嗨!原來是這樣啊,你是不是在做噩夢?你這么大的叫喊聲,我能不醒嗎?我還用手捅了捅你。”旁邊的同伴說。兩個人說著說著又繼續睡了。
大家都聽說過在我國河南焦作封門村的靈異事件吧!這與上述的夢幻成因是一個道理。由自然環境所造成的人類夢中幻覺是很普遍的。磁輻射是一把雙刃劍,既可造福於人類,也可對人類產生傷害。倫琴射線的人體透視、核磁共振的成像機理、紅外線的疾病治療、遠距離衛星信息通訊、雷達、射電天文望遠鏡等等,無不顯示了它的神通廣大。強磁輻射會形成人體大腦的思維延伸,導致大腦的錯覺聯想判斷。電磁和自然環境的影響可使人體對社會作出傷害性行為動作。還有高層建築對人類造成的的恐怖心理,環境的嚴重污染以及社會諸多的弊端因素,都會對人類思想產生巨大的心理壓力。有效的電磁波射線頻率、波長可導致人類疾病的緩解,而那些不適合人體功能恢復和可導致腦神經系統病態升級的磁波輻射,人類應當儘量遠離。

最新套用

可降低​人類血液黏度

美國天普大學物理學家陶榮家(音譯)指出,利用磁場可降低人類血液黏度。研究論文發表在近日出版的《物理評論E輯》上。目前,稀釋血液的唯一方法是利用阿司匹林等藥物,但這些藥會帶來副作用。曾發明過用電場或磁場降低發動機或管道中油脂黏度這一方法的天普大學教授陶榮家將這種方法推廣到血液黏度的控制中,通過測試大量血液樣本後發現,利用磁場也可稀釋人類循環系統中的血液。

紅細胞含鐵

因為紅細胞含鐵,施加磁場能將紅血細胞極化,使它們以短鏈、流線運動的形式連在一起,由於這些短鏈比單個的血細胞要大,它們向著中心流下來時,與血管壁的摩擦就會減少。這種連線效果降低了血液黏度,有助於它們更加順暢地流動。給血液施加一個1.3特斯拉的磁場約1分鐘,就能將血液黏稠度降低20%到30%,且這個強度只相當於核磁共振成像的磁場強度。當磁場被移開時,血液在血管中會慢慢恢復為原來的黏稠狀態,但這要經過幾個小時。

不僅安全還可重複

“通過選擇合適的磁場強度和脈衝時間,我們就能控制紅細胞聚集成鏈的大小,由此控制血液黏度。這種磁流變的方法提供了一個有效的途徑,能在可選擇的範圍內控制血液黏度。”陶榮家解釋說,這種方法不僅安全,還可重複,可以通過多次施加磁場的方式來降低血液黏度,而且黏度降低並不影響紅細胞的正常功能。陶榮家還表示,該方法仍需要進一步研究,以此為基礎能最終開發出一種預防心臟病發作的新療法。

視頻

基本物理概念盤點(1)

科學幻想

科學是無止境的,在人們的思維中存在無窮的空間給我們去想像、去思考、去猜測,理論的提出效應的總結都無疑不是人類智慧的結晶。

相關詞條

相關搜尋