地磁場及其應(yīng)用

1、地磁場及其應(yīng)用活動(dòng)內(nèi)容科學(xué)講座：地磁場及其應(yīng)用.活動(dòng)目的1、設(shè)計(jì)簡單實(shí)驗(yàn)粗測地磁場平均強(qiáng)度，加深對(duì)磁場物質(zhì)性的認(rèn)識(shí).2、了解磁傾角，簡單測定磁傾角，建立地磁場分布情況的空間圖景.3、介紹地磁探礦、地磁發(fā)電、地磁預(yù)報(bào)地震的知識(shí)，了解地磁場在科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)中的應(yīng)用.4、會(huì)用地磁場知識(shí)解釋地磁暴、極光等自然現(xiàn)象，了解海龜、鴿子、海豚等動(dòng)物利用地磁場導(dǎo)航的知識(shí).活動(dòng)準(zhǔn)備1、復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)原理；2、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材：小磁針、電流計(jì)(J0409型)、長約15m的銅芯雙絞線(電阻約2).如有條件可添置磁羅盤、微電流放大器(J2477型).實(shí)驗(yàn)器材如圖1781所示.活動(dòng)過程我們知道，地球是一個(gè)巨大的

2、磁體，在它的周圍空間布滿了地磁場.指南針總是指向南北的事實(shí)，是地球磁場存在的最有力的證據(jù).根據(jù)1965年的科學(xué)測定，地磁北極位于東經(jīng)1399º，南緯666º的南極洲威爾斯附近；1005º， 755º的北美洲帕里群島附近 .地磁兩極和地理兩極并不重合，地磁軸和地球自轉(zhuǎn)軸兩者大約相交11凹薪 (圖1782).這一現(xiàn)象早在十一世紀(jì)就由我國古代科學(xué)家沈括在夢(mèng)溪筆談中指出，原文為：“以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也.”這是科學(xué)史上最早對(duì)地磁偏角現(xiàn)象的正確描述.1、探測地磁場通常，我們認(rèn)為地磁場很弱，除了指南針指向南北的事實(shí)外，人們幾乎感覺不到地磁場的存

3、在.事實(shí)上，我們完全可以利用課本上學(xué)到的知識(shí)初步探測地磁場的強(qiáng)弱.動(dòng)手做將長約15 m的銅芯雙絞線兩端接在靈敏電流計(jì)上，拉開形成一個(gè)長回路.面對(duì)面站立的兩位同學(xué)像甩跳繩那樣以每秒4到5圈的頻率搖蕩半個(gè)回路(圖1783).隨著導(dǎo)線切割地磁場，回路中就有感生電流產(chǎn)生，電流計(jì)指針指示的電流最大值可達(dá)03 uA細(xì)心的同學(xué)會(huì)注意到隨著導(dǎo)線的來回?fù)u蕩，電流計(jì)的指針也在來回?cái)[動(dòng).顯然，這是由于上下?lián)u蕩半個(gè)回路時(shí)，導(dǎo)線切割地磁感應(yīng)線的方向不同，從而導(dǎo)致回路中感生電流的方向不斷變化.為進(jìn)一步準(zhǔn)確讀出感生電流的數(shù)值，可將靈敏電流計(jì)換為微電流放大器.如果用小磁針或磁羅盤事先確定好地磁方位角，轉(zhuǎn)軸(即兩同學(xué)連線)沿南

4、北方向搖蕩半個(gè)回路時(shí)產(chǎn)生的電流與轉(zhuǎn)軸沿東西方向時(shí)導(dǎo)線做同樣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流有明顯差異.通過比較可發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)軸沿東西方向上下甩動(dòng)半個(gè)回路時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流更大一些.這表明地磁感應(yīng)線是沿南北方向的，且地磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量更大一些.算一算量出面對(duì)面站立的兩同學(xué)間的距離L，L可認(rèn)為是導(dǎo)線切割地磁感應(yīng)線的有效長度；測出兩同學(xué)手臂到地面的高度h；記錄下上下?lián)u蕩半個(gè)回路的頻率f；量出銅芯雙絞線的總電阻R；記錄下電流計(jì)指示的最大電流I，即可估算出地磁感應(yīng)強(qiáng)度B來.導(dǎo)線切割地磁感應(yīng)線的有效速度為vh2hf回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢澹紹LvBLv=BLhf回路中的感應(yīng)電流I/RBL2hfR所以地磁場的平均強(qiáng)度為BIR2hfL

5、一般情況下，地理位置不同時(shí)，地磁感應(yīng)強(qiáng)度略有差異，總的地磁感應(yīng)強(qiáng)度約為5×105 T，遠(yuǎn)小于常見的永久磁鐵兩極附近04 T到07 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度.用上述方法估測出地磁感應(yīng)強(qiáng)度后，還可進(jìn)一步用小磁針測出地磁場的方向.細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)支在重心下方的小磁針與水平方向有一個(gè)小的夾角，磁針的指北端向下傾斜，指南端向上翹起.磁針與水平方向的夾角叫磁傾角.地理位置不同時(shí)，磁傾角也不同，它可在0°90°的范圍變化 .想一想·我國南沙群島附近的磁傾角接近多少度？地球兩極處磁傾角約為多少度?·在北半球，小磁針的指北端會(huì)下傾斜還是向上翹起？南半球的情況又如何?2、地

6、磁場的應(yīng)用地磁發(fā)電前面的實(shí)驗(yàn)可作為地磁發(fā)電的例子.另據(jù)報(bào)道，1992年7月，美國“阿特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)進(jìn)行了一次衛(wèi)星懸繩發(fā)電實(shí)驗(yàn).航天飛機(jī)在地球赤道上空離地面約3 000 km處自東向西飛行，相對(duì)地面的速度大約651×10 ms.從航天飛機(jī)上向地心方向發(fā)射一顆衛(wèi)星，攜帶一根長20 km，電阻為800的金屬懸繩，使這根懸繩與地磁場垂直，做切割磁感線運(yùn)動(dòng).假定這一范圍內(nèi)的地磁場是均勻的，磁感應(yīng)強(qiáng)度約為4×103T，且認(rèn)為懸繩上各點(diǎn)的切割速度和航天飛機(jī)的速度相同.根據(jù)理論設(shè)計(jì)，通過電離層(由等離子體組成)的作用，懸繩上可產(chǎn)生大約3 A的感應(yīng)電流.懸繩產(chǎn)生的電動(dòng)勢可達(dá)到Lv4&#

7、215;10×20×10×65×1035 200 V懸繩兩端的電壓為UIr5 200-38002 800 V航天飛機(jī)繞地球一周懸繩輸出的電能為WUItUI2(R地h)v2 800×3×2×314×(6 4003 000)×10(65×10)76108 J實(shí)驗(yàn)取得了部分成功.地磁探礦據(jù)測算，地磁場的變化有一定的規(guī)律性.比如在我國境內(nèi)，每向北走一公里，地磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化約為一億分之幾特.小范圍內(nèi)地磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁傾角幾乎沒有什么變化.但是，有時(shí)地磁場的變化非常明顯，有的地方會(huì)出現(xiàn)磁針反?，F(xiàn)象，磁針不再

8、指向南北方向.在某些山區(qū)，磁針甚至變成直立狀態(tài).這種電磁場的劇變稱作地磁異常.顯然，出現(xiàn)地磁異常的區(qū)域，地下一定蘊(yùn)藏著豐富的磁鐵礦.我們可以根據(jù)地磁異常現(xiàn)象來探測磁鐵礦區(qū).1954年，我國一支地質(zhì)探礦隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在山東某個(gè)地區(qū)面積大約四平方公里的范圍內(nèi)，地磁感應(yīng)強(qiáng)度異常極大值達(dá)到了35×10-6 T.地質(zhì)隊(duì)員們推測，這里一定是一個(gè)儲(chǔ)量較大的鐵礦.經(jīng)過鉆探發(fā)掘，最終在地下450 m深處發(fā)現(xiàn)了總厚度達(dá)6254 m的磁鐵礦區(qū).隨著人們對(duì)地磁場研究的深入，地磁探礦的應(yīng)用越來越廣.地質(zhì)學(xué)家們已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用地磁探礦來尋找鐵、鈷、鎳、金以及石油等地下資源了.地磁預(yù)報(bào)地殼中的巖石，有許多是具有磁性的.

9、地震發(fā)生時(shí)，這些巖石受力變形，它的磁性也隨之變化.在強(qiáng)烈地震前夕，地磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁傾角等都會(huì)發(fā)生變化，造成局部地磁異常，這就是所謂的“震磁效應(yīng)”.掌握了震磁效應(yīng)的規(guī)律，利用測量儀器監(jiān)測地磁變化，就可以根據(jù)震磁效應(yīng)對(duì)地震做出較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào).解釋自然現(xiàn)象我們知道，太陽活動(dòng)如太陽黑子、耀斑等的出現(xiàn)具有一定周期性.長期的天文觀測表明，太陽黑子總數(shù)變化的周期約11年.當(dāng)太陽黑子活動(dòng)劇烈的時(shí)候，太陽噴射出大量兆電子伏能量級(jí)的帶電粒子(電子、質(zhì)子、離子等).這些帶電粒子在掠過地球時(shí)，有許多被地磁場“捕獲”.帶電粒子掠過地球時(shí)形成的磁場造成地磁場和地球外圍電離層的劇烈變化，從而出現(xiàn)無線電短波衰減和通訊中斷等異?，F(xiàn)象，這就是所謂的地磁暴.地磁暴發(fā)生時(shí)，在一些高緯度地區(qū)，尤其是極地上空會(huì)出現(xiàn)瑰麗壯觀的極光.這是由于被地磁場“捕獲”的大量帶電粒子流在地磁場的偏轉(zhuǎn)作用下，沿螺線路徑朝地球的磁極運(yùn)動(dòng)(圖1784).高速運(yùn)動(dòng)的高能電子或質(zhì)子撞擊地球大氣中大量的氧、氮及其它惰性氣體原子，并把能量傳給氣體原子的外層電子，這些電子緊接著又把獲得的能量以光的形式釋放出來，如氧發(fā)紅光，氬發(fā)藍(lán)光等.這就是產(chǎn)生極光的原因.另外，在船舶和飛機(jī)航行的時(shí)候，人類是靠磁羅盤測得的地磁方位角配合地磁場圖來導(dǎo)航的.不只人類，許多動(dòng)物的