地磁基本知识（一）地球磁场

1、磁感应强度B

特斯拉是国际单位制中磁感应强度的单位。简称特，符号是T。将带有1A恒定电流的直长导线垂直放在均匀磁场中，若导线每米长度上受到1N的力，则该均匀磁场的磁感应强度定义为1T。单位是：牛顿/(安培·米），从这个单位就可以看出，它将力和位移及电流联系起来了，电动机就是将电转成力，水力发电机就是将水力转成电，可以说这个单位是第二次工业革命的基石。

        特斯拉是个牛人，为纪念此牛人就以此人名为磁场的单位。磁场还有另一个单位叫高斯，高斯的概念就是1米长的的导线中通有1安培的电流时，有1牛顿的作用力，地球表面的磁场大约就0.5~0.6高斯，高斯和特斯拉怎么换算呢？1特斯拉等于1万高斯，所以在应用磁场中特斯拉是个很大的单位，磁场已经很强了。你的问题中提到了磁场发电的问题，现有发电的工作原理一般是用动能带动线圈在磁场中将动能转化为电能，但实际电机中工作的磁场也就1特斯拉左右，一般都也就零点几特斯拉。（转自知乎）

      医院用的磁振造影主磁铁常为1.5 T及3 T最高达4 T；（对人）研究用途的最高达7 T
      太阳黑子的磁场强度为 10 T
      化学研究上的核磁共振主磁铁常为11.74 T；以超导磁铁达成者，最高磁场达25 T
      人类于实验室（佛罗里达州立大学的美国国家高磁场实验室，位在美国佛罗里达州塔拉哈西）中产生最强的持续磁场为 45 T
      实验室中产生的瞬间最强磁场的纪录为80 T (大阪大学 ),
     最强的人造磁场是2800 T（爆炸产生于俄国萨罗夫）

（1）磁极强度，单位是安培·米，磁极产生力，即磁感应强度B

（2）磁矩，两极的强度与两极的距离之乘积，单位是A·米·米

  (3)磁场强度，电流在它附近产生的磁化场H，磁化场强度单位安培/米，H的作用是是电流周围有磁感应线，其磁通密度称为B场，H与B之间对于特定物质是一个定值，即磁导率

   磁导率表示物质磁化性能的一个物理量，是物质中磁感应强度与磁场强度H之比，又成为绝对磁导率。物质的绝对磁导率和真空磁导率（设为μ0=4*3.14*0.0000001H/m）比值称为相对磁导率，也就是我们一般意义上的磁导率。水和空气的磁导率为1

2、地磁场的正常场和异常场

   地磁场分成正常场与异常两个部分，地磁场总强度为

                    F=F0+F1+F2+F3

   F0是地磁场的主要部分，可以用一个均匀磁化球体的磁场（或称偶极磁场）表示，F1表示大陆异常，它出现在广大区域内，其分布于大陆相关，面积达几千平方公里；F2表示区域异常，它与构造单元有关，面积为几十到几百平方公里；F3表示局部异常，仅与小构造和矿床分布有关，面积不过几至几十平方公里

  

3、地磁要素

地磁场是向量场，由三个要素才能确定它在地面任一点的方向和大小。有几种办法选定三要素，一种方法是取垂直分量Z、分别分量H和磁偏角D。D是水平分量的方向（磁北）和地理北之间的夹角。另一种办法是取总场强度F，它对水平面的倾角I和磁偏角D。第三种办法是取地磁场的北分量X、东分量Y和垂直向下分量Z。X、Y、Z、D、I、H及F都是地磁要素。它们之间的关系可以用下式和下图来表示

 

 

上述7个要素中，只有3个是独立的，知道其中任意3个，可以知道另外4个。在一般的地磁台上，直接用仪器记录的要素通常是H，Z和D。在航空磁测和卫星磁测中，通常测量的是F。

4、地球磁场的球谐分析

目前,表达地磁场的模式主要有三种:第一种是用球谐级数表示地磁场的分布,叫作地磁场的球谐模式;第二种是用若干个偶极子表示地磁场的分布,叫作地磁场的偶极子模式;第三种是用若干个电流环表示地磁场的分布,叫作地磁场的电流环模式.一般地说,球谐分析方法是最常用的方法。

 

 

 

 

磁极强度单位安培*米，磁矩单位是安培*米*米，，磁化强度安培/米

球谐分析就是由磁场的观测值求待定的高斯系数，下面是获取全球基本磁场分布的一般步骤：

获取全球基本磁场分布的步骤

 

 

5、地球磁场分布图

为了描述地磁场的分布，时常在地图上将某一个要素相等的地点，用曲线连接起来，作为各种等值线图，简称地磁等值图，如等磁偏角、等磁倾角、等磁力图（即总磁场强度等值图）。但是，一个地区的地磁测量时常不是短时期能完成的，所以制作等值图时，还必须将不同时间的观测值，按照地磁场随时间的变化规律，归算到同一指定时间，而且，由于观测点分布不均匀，通常采用高斯球谐分析的方法，得出高斯系数以后，按一定公式算出磁场分布，然后绘制各种等值线。这种图反映的是全球磁场总特征，因而可以作为大陆磁测或区域磁测得参考。

WMM2015的等磁倾图

 

WMM2015等磁偏角

 

WMM2015等磁力图

 

 6、高斯系数分析

凯因对球谐系数经过分析后认为：

 n≤8，与地核有关

8

n>8，与地壳有关

 n≤8反映了地核的影响，占总磁场的总值的90%。但是，不同阶的球谐系数是否对应于不同深度的结构，尤其高阶系数的物理意义，尚且值得推敲。由高斯系数所做的磁源分析，除低阶系数由明确意义，高阶系数的物理意义是不明确的。

地磁场的球谐分析表明，它的主要成分是磁偶极场。用中心偶极场模型去拟合实测资料，所得中心偶极轴与地球表面的两点，被称为磁偶极，简称磁极。规定磁偶极位置的地理坐标是：78.5N，70W（格陵兰西北），和78.5N，110E（南极洲境内）。在地球表面上磁场垂直向下的两点（磁倾角I=90度，水平磁场H=0），叫磁倾极

 

7、地球磁场的长期变化

（1）偶极矩的长期变化

在观测的136年里，偶极矩在不断减少，由于时间过于短，偶极矩减少到一定程度上又会回升，绝不会单调地减小下去。

（2）磁偏角的长期变化

从极大值到极小值约240年，这种周期约500年的长期变化不是严格的，因此人们称为准周期变化

（3）磁极位置的长期变化

磁极的平均位置与地理极很接近，但与现代地磁极相距10°；磁极随时间呈现向东或西的漂移，可以用磁极章动来描述，但其激发机制至今仍然是谜。

（4）极性倒转的长期变化

磁北极和磁南极的方向发生180度的改变。这个现象是通过古地磁和近代的海洋磁测才发现。在几百万年内。平均每隔二三十年地磁场倒转一次，每次倒转的过程比较迅速，大约几千年就可以从一个稳定状态转入另一个稳定状态。在磁场倒转期间，磁场强度比较弱。由于偶极场比较弱，非偶极场则相对突出一些。

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