王为民 (四川南充市龙门中学 邮编 637103)

英国物理学家吉伯 (WilliamGilbert) 于1600 年首次证实地球存在地磁场。

在近似情况下，地磁场和一均匀磁化球体或磁偶极子的磁场分布相类似，地磁场由稳定磁场和变化磁场两部分组成，其中大约 94％为稳定磁场。

关于稳定磁场的起源有多种假说，主要一种假说认为地核中物质对流动所形成的涡流是偶极子磁场的形成原因。变化磁场主要起因于电离层中存在的电流和太阳喷射出来的带电粒子流。

经笔者对地磁场研究后认为，地磁场的真正来源是地球温差电的自转相对运动产生的电磁场，其中的磁场就是地磁场。

一、地球的温差电现象

如果我们在一绝缘金属棒的一端加热，实验表明，此时在金属棒的两端便会形成一个电位差，产生这一现象的原因可解释为：金属棒中的自由电子好象气体一样，当温度不均时会产生热扩散，自由电子将从高温端扩散到低温端，从而在导体内形成电场。此时在金属棒内形成电位差，直至这种非静电力的热扩散与导体内电场相平衡为止，从而使金属棒内高温端带正电，低温端带负电。这就是温差电现象。

二、地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论

由于地球内部温度约 4000~5000 ℃ ，而地球表面温度较低，因此，地球存在一个温差电电场。地球的温差电电场将在地球发生自转的过程中产生出地球的温差电电磁场，其中的磁场就是地磁场，这一学说就是地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论。

自转着的地球，除围绕观测者所在地点的转轴上的点以外，地球上其他任意一点处都在围绕观测者做圆周运动。由于温差电的存在，温差电围绕观测者做圆周运动必然产生电磁场，其中的磁场就是地磁场。

观测者的坐标系原点可以取在地心，或者地球表面，也可以在地球以外的任何地点观测，不论怎样，地球的温差电自转相对运动产生电磁场始终存在。

三、电四极子自转相对运动产生电磁场的现象

为简化地球的温差电电荷相对运动产生电磁场中的磁场部分的理解，可以设想出一个双电偶极子 (电四极子 )绕重叠中心由西向东旋转，产生电磁场的情况作类比。让电四极子的正电荷在内侧中心重合（类似地心），负电荷分开在外侧（类似地球表面）。通过简单的计算发现，不论观测者静止在正电重叠中心观察，还是固定静止于电四极子负电边缘的一端观察或是在其它位置观察，总会得到一个总电量为零，而电磁场不为零的结果，这和地球温差电电荷自转产生电磁场情况相似。

四、地球电磁场的计算

下面对地球的电磁场的电磁场强度计算如下：

1、一般表达式

除围绕观测者所在地点的转轴上的点以外，地球每一点处的温差电电荷都在围绕地球表面或内部的观测者，作匀速圆周运动，用毕奥 -萨伐尔定律进行计算如下：

假设 J(x′ )表示地球 x′点处的温差电的电流密度， dV′为地球的体积元， r为观测者的观测点 P(x)到地球 x′点的距离，那么，在地球表面观测点 P(x)点处的磁感应强度为

B(x)=u ∫{J(x ′) ×r /4π r³}dV ′

其中u 为磁导率，积分遍及整个地球温差电电荷分布区域。

而地球电磁场的电场强度为

E(x)= ∫{ ρ(x′ )r /4πε r³}dV ′

其中，ρ(x ′) 表示地球x ′点的温差电的电荷密度。

上述有关具体数值计算，还需要实验来确定有关参数。

2、简单表达式

由于地球的温差电自转相对运动产生电磁场情况非常复杂，这是因为地球的形状不太规则，温差电电荷在整个地球上的分布不均匀，所以，用一些简化的模型来类比，进行计算，还是可取的办法。

（ 1）、为了简化计算，笔者认为在地球表面的观测者可以用自转着的均匀带正电的球体来代替地球的温差电，对地球电磁场的大小和方向进行计算。

为此，作如下几个假定：

① 、把地球的温差电现象产生的内正外负的电荷分布，用均匀带正电的球体来代替。

②、进一步假定均匀带正电的球体可以用集中在球心的等效点电荷 Q来代替。

③、在地球表面的观测者可以假定自己处于静止状态，而带正电的球心处于运动状态。所以，带正电的地球球心在围绕地球表面的观测者一定距离处做匀速圆周运动，它必然产生电磁场。

由此可见，在地球表面的观测者会观测到带正电的地球球心到地球表面存在一个正电位，电场方向由地心指向地表。

由于地心的正电中心由西向东转动，所以，在地球表面的观测者将观测到地磁场北极指向地球地理北极（注意，假想的地心磁棒的北极却指向地球地理南极），这和观测事实相一致。

（ 2）、在地球中心的观测者可以用自转着的均匀带负电的球体来代替地球的温差电，对地球电磁场的大小和方向进行计算比较方便。

不论是通过以上那种方式进行计算，其效果一样。

于是，用毕奥 - 萨伐尔定律把观测者所在的观测点P(x) 点处的磁感应强度可以简单地表示为

B(x)=uQ ｖ ×r /4 πr ³

其中 Q ｖ表示电流元。

地球电磁场的电场强度表示为

E(x)=Qr/4 πε r ³

（六）、地球电磁场的广义表达式

如果要进行精确计算，还应该考虑推迟势。

在洛伦兹规范下，矢势 A 和标势ф分别为

[] 表示有推迟效应，即[J]=J(x ′， t-r/c) ，[ ρ ]= ρ(x ′， t-r/c)

而

B= ▽×A

E= ▽φ-әA/әt

同时

其中，所以

这就是广义毕奥 -萨伐尔定律和库仑定律。当已知某时刻源点的 J与ρ，即可求出距离源点 r处场点在推迟时刻的场量 B与 E。

设地球表面静止观测者的坐标系为 P—xyz ，x 、y、 z的单位向量依次为 i、 j、 k ，假设i指东方、 j指北方、 k 竖直向上。所以，

磁倾角 I的大小为

I=arccosB ·k /|B|· |k|-90º

磁偏角 D的大小为

D=arccosB ·j cosI/|BcosI|· |j|

其中， D表示磁偏角， I表示磁倾角， T表示地磁强度， H表示地磁场的水平分量， Z表示地磁场的垂直分量。

五、对地磁场的解释

根据地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论，地球的温差电电场将在地球发生自转的过程中产生出地球的温差电电磁场，其中的磁场就是地磁场。

1、 等效点电荷

由观测知道，地球赤道附近的磁场强度为 0.3 奥斯特，这样可以计算出的等效点电荷Q = +3.3×10¹ ⁰ 库仑。但是，由于地球不同地理位置磁场强度不一样，所以，用这样的方法计算出的等效点电荷也各不相同，它有一个变化范围。

2 、磁偏角

根据地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论， 等效点电荷 Q的位置与地心不完全重合。所以，等效点电荷 Q围绕静止在地球表面的观测者做匀速圆周运动的磁轴与地心围绕地球表面观测者做匀速圆周运动的转轴出现偏离。磁轴与转轴有一个夹角，这个夹角就是 磁偏角。注意，围绕静止在地球表面的观测者做匀速圆周运动的转轴和等效点电荷 Q围绕静止在地球表面的观测者做匀速圆周运动的磁轴通过静止在地球表面的观测者。

目前， 指南针不正指北极，偏离地轴12 º。磁北极位于南半球，在南纬78.2 º，东经111.2 º的地方。而磁南极位于北半球，在北纬78.2 º，西经68.8 º处。

3 、磁倾角

根据 地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论，等效点电荷 Q围绕静止在地球表面的观测者做匀速圆周运动产生地磁场，这个相对运动必须在离地球表面的观测者有一个较大深度的半径处，才有可观的相对运动的线速度差，才可以形成较大的磁场强度，所以，在地球表面观测者的指南针总是指向地球的深处，从而形成 磁倾角。在北半球，指南针指北的一端向下倾斜，而指南的一端向上抬起。在南半球正好相反。

4 、磁极移动与反转

根据火成岩和某些沉积岩对古地磁的“记忆”能力。经研究发现，地磁极与现在相比，曾经发生过大幅度的移动。在 5.7亿年以前，北半球的地磁极位于赤道附近，后来，逐渐北移，才到现在的位置。

根据地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论，这是由于等效点电荷 Q的地理位置改变从而导致 磁极移动。

1906 年，一位法国物理学家B. 布罗恩斯(Brunhes) 在一些熔岩样品里观测到地磁极与现在正好相反。他断定地球的磁极在熔岩凝固时代里必定与现在相反。也就是地磁极曾经发生过倒转现象。

根据地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论，这是由于等效点电荷 Q的符号发生改变从而导致 磁极反转。

5、其它宇宙天体的磁场

宇宙天体存在磁场是一个普遍现象。宇宙天体的温差电自转相对运动产生同样产生电磁场，其中的磁场就是宇宙天体的磁场。比如恒星磁场、行星磁场、中子星磁场、脉冲星磁场，甚至太阳黑子的磁场等。宇宙天体磁场的形成与地磁场的形成是相类似的，它们都是由于温差电自转相对运动产生的电磁场。不同的是，不同的天体物理条件不一样，温差电的形成有各自的特殊性。因此，由温差电自转相对运动产生出各种宇宙天体的电磁场也不尽相同。

至此，笔者提出的地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论， 打破了一般人头脑中的关于自转着的地球上的任意两固定点间一般没有相对运动以及没有电荷分布的错误印象，揭示出了地球电磁场，又特别是地球地磁场形成的真正原因。

参考文献

王为民，地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论， 学习方法报，2003.4.8

郭硕鸿 ,电动力学 . 高等教育出版社 , 1984 .13.

梁竹健 , 张竞夫 . Jefimenko广义毕—萨定律和库仑定律 .大学物理 , 1995,10.1.