地磁学发展简史及前景展望
磁的发展史p
磁的发展简史我国是用文字记载磁现象最早的国家之一。
公元前 4 世纪战国时期成书的《管子》中已有“ 上有慈石者下有铜金” 的描述。
这是有关磁石和磁性矿的最早记载。
公元前 3 世纪的《吕氏春秋》中所写的“ 慈石召铁，或引之也” ，描述了磁石吸铁现象。
磁现象的应用，在我国古代后魏的《水经注》等书中，就提到秦始皇为了防备刺客行刺，曾用磁石建造阿房宫的北阀门，以阻止身带刀剑的刺客入内。
医书上还谈到用磁石吸铁的作用，来治疗吞针。
但磁现象早期应用方面，最光辉的成就是指南针的发明和应用，这也是我国对人类所做出的巨大贡献。
我国战国时期就发现了磁体的指南性。
最早指南的磁石是一种勺状的，叫司南，它的灵敏度虽很低，但却给人以启示：有一种地磁存在，磁石可以指向。
到北宋时期，制成新的指向仪器棗指南鱼。
在曾公亮的《武经总要》中详细记载了指南鱼的制造过程。
这里有个重大突破，就是采用了磁化的方法，使鱼形铁磁化后，成一个指向仪器。
此后，指南针的制造和安装方法在北宋沈括的《梦溪笔谈》中已有明确记载。
不久指南针与方位盘结合起来成了罗盘，为航海提供了方便而可靠的指向仪器。
后来，我国指南针传入欧洲。
到 16 世纪，欧洲出现了航海罗盘。
指南针的发明，推动了航海事业的发展，也为研究地磁三要素创造了条件。
英国人吉尔伯特在磁的研究方面做出了突出贡献。
他的著作《论磁》是人们对磁现象系统研究开始的标志，书是 1600 年出版的。
书中记录了吉尔伯特研究磁现象时所做的各种仪器，及实验过程，也记录了他从实验中所得到的结论。
他从磁性“ 小地球” 实验中，根据磁针的排列与指向，提出地球本身是一个大磁体，两极位于地理的北、南两极附近；提出了磁子午线概念；吉尔伯特还说明了磁偏角及地磁倾角的测定方法；铁的磁化及去磁概念；定性的研究磁石的吸引与推斥。
这都为磁的进一步研究开拓了道路上，为建立电磁场的理论体系打下了基础；在实践上，开创了电气化时代的新纪元。
法拉第发现电磁感应现象之后，解释了法国科学家阿拉果所做的被称之为“神密的实验——悬挂着的磁体下方放一个可自由转动的圆铜盘，当盘转动时，磁体会转动；反之，磁体转动时铜盘也会转动。
地球磁场变化与地质历史探讨
地球磁场变化与地质历史探讨地球磁场是地球内部动态和外部空间交互作用的结果，其变化不仅对地球生物发展产生深远影响，更为了解地质历史提供了重要线索。
本文将就地球磁场的形成机制、变化特征及其与地质历史之间的关系进行探讨。
一、地球磁场的形成1.1 地球内部结构概述地球内部可分为三个主要层次：地壳、地幔和外核。
地壳的厚度相对较薄，仅几公里，而地幔则是由岩石组成，延伸至约2900公里深度。
外核是由液态铁和镍构成，并且温度极高。
正是由于外核中液态金属的运动，才产生了强大的磁场。
1.2 地球自转与电流的关系地球自转带动液态外核中的金属流动，产生电动势，从而形成电流。
基于“电流产生磁场”的物理原理，随着电流的流动，便形成了地球的磁场。
这种现象称之为“发电机效应”，其机制对于理解地球磁场至关重要。
二、地球磁场的变化特征2.1 磁场的极性反转地球磁场并非一成不变。
研究显示，地球历史上曾发生多次磁极反转事件，即北磁极和南磁极互换的位置。
这些反转事件均匀分布在时间轴上，平均每25万年发生一次。
然而这并不是规律性的，有时数百万年内未发生反转，而有时短时间内频繁出现。
2.2 磁场强度与波动除了极性反转，磁场强度也存在着显著的波动。
科学家通过研究火山岩、沉积物及古磁学资料发现，过去几百万年内，磁场强度曾经历几次显著下降。
有学者提出，当前的磁场弱化可能预示着即将到来的反转现象。
2.3 地磁异常区在一些特定区域，如南大西洋地区，出现了显著的地磁异常。
这些异常区域通过对比正常区域，在测量时显示出较低的磁场强度。
这种现象通常与地下岩石结构及流体运动相关，其成因仍待深入研究。
三、地球磁场变化对生物及生态的影响3.1 动植物导航与生存许多生物在迁徙过程中依赖于地球的磁场进行导航。
例如，一些鸟类能够感知到微弱的磁信号，从而实现长途迁徙。
换句话说，任何变化都可能扰乱它们的导航系统。
此外，一些水生动物，如鲨鱼，也被认为能够利用地球的磁场定位。
3.2 磁暴影响生态系统在太阳活动高峰期间，会发生太阳风暴，对气候及环境造成影响。
磁学研究现状与发展趋势
低维自旋相关量子结构材料的设计与可控制备
凝聚态物理重要科学发现和材料的制备密切相关，如整数量子霍尔效应、 分数量子霍尔效应、巨磁阻、高温超导等等，正所谓“谁掌握了材料谁就 控制了物理”。凝聚态物理的一个重要的发展趋势是研究的对象不断向着 低维和纳米尺寸方向延伸，研究对象形式包括量子点、量子线、超薄膜、 异质结、自组织有序纳米结构等，构成这些结构的材料可以覆盖从半导体、 超导（包括非常规超导）、磁性、铁电/压电、热电、拓扑绝缘体一直到常 规绝缘体的绝大多数材料。调控界面/电荷/轨道/自旋结构重组、电荷转移、 电声子相互作用、应力效应等微观过程，界面诱导新物态。关联自由度包 括电荷、自旋和轨道序。与表面过程相关的非平衡条件下的生长动力学， 与高分辨率高灵敏度原位表征和测量技术、理论模拟结合，是未来凝聚态 物理最有生命力的一个研究领域。新材料的发展将对前沿领域研究起到引 领作用。
磁学研究的特点与发展趋势
和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、独特的层间耦合以 及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋-轨道耦合、自旋相干性在这 里得到更突出的体现。一个典型的例子是对二维电子气系统（例如石墨稀） 自旋流的产生与输运规律研究以及通过 Rashba 效应对二维电子自旋输运行 为的调控。另外一个例子是低维磁性问题的研究。当维度降低到可以与特征 关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。
• 1924年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋-量子力学效应 • 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用 • 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型--过渡金属的非整 数磁矩
现代磁学发展简史
在基本磁学问题研究取得不断进展的同时，磁性材料的应 用也得到了快速发展。在工业化潮流的推动下，上个世纪 早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡 莫合金等软磁材料。之后，在无线电技术需求的推动下， 40年代又发展了适用于射频的磁粉介质、铁氧体材料，特 别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。和软磁材 料不同，去掉磁场后仍能保持磁性的材料称为永磁材料。 按照磁体成分划分，永磁材料的发展历程可以分为三个阶 段。第一阶段：金属磁体题，碳钢、钨钢及钴钢等；第二 阶段：铁氧体；第三阶段：稀土永磁材料。永磁材料在微 波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、国防和日 程生活等各领域的应用极为广泛。
地面核磁共振方法
120～180
180～300 300～600 600～1000
中砂层
粗砂和砾质砂层 砾石沉积 地面水体
2.反演解释提供某些水文地质参数
在SNMR方法的探测深度范围内,不打钻就 可以判断是否存在地下水并给出各含水 层的定量解释结果： 深度 厚度 单位体积含水量 含水层平均孔隙度 渗透系数
三.SNMR方法探查地下水资源的 应用实例
封土堆下方含水层的分布
排水渠仍在起作用
封土堆上含水量直方图 封土堆外含水量直方图
3.SNMR方法在环境质量检测—— 地下水污染监测方面的试验研究
近年来，我国城市地下水污染状况日趋严重，地下水 污染的主要原因是各种污染源向地下渗漏引起的，其渗漏 污染大户有垃圾填埋场、石油加油站及各类输(储)油管(罐) 和各种农业污水沟塘等。 原油或成品油的渗漏和加油站和石油管道漏油对地下 水造成污染，利用SNMR方法检测烃类物质中含有质子的 液体污染情况。俄罗斯科学家已有成功经验。根据NMR信 号的衰减时间的大小可以区分是油还是水或油＋水，同时 可以估算岩层的渗透性，并圈定地下水的污染范围。
水利部牧区水利科学研究所 利用NUMIS＋在内蒙古开展了找水工作。 几百个NUMIS＋ 测深点，几十口出水井 2002年5月20日在内蒙古牧区：发射／接收天线为边长100m的大方形。 工区地处沙漠区，电磁噪声小于100 nV。。
为油田探查水源地
工区地处塔里木河下游泛滥冲积平原和渭干河冲积平原的结合部。有
4.固体废料场选址及场地评价--评价地下水的状况和水力通道
单一的第四纪沉积层出露。根据工区的地质和地球物理条件，投入方法 ：
瞬变电磁测深（使用TEM-67仪器） 地面核磁共振测深（使用NUMIS系统） 混合场源的频率测深（使用EH-4电导率成像系统） 电阻率测深法（VES）。 普查面积800多平方公里，共完成测线230多公里，物理点230个。
穿越遨游——磁铁的过去、现在和未来
穿越遨游——磁铁的过去、现在和未来有据可查，两千多年前战国末期成书的《管子·地数篇》和《吕氏春秋》记载，中国人就发现山上的一种石头具有吸铁的神奇特性，他们管这种石头叫做慈石。
另有传说第一个发现天然磁石的是古希腊时代的一位名叫玛格乃斯牧羊人，一天他把羊群赶到艾达山坡，忽然，他拿着的铁棍和钉有铁钉的靴子被山石吸住了。
泰勒斯用灵魂解释这种磁石吸铁的现象，给石头取名字magnette。
还有说法称磁石这个词，是古罗马自然哲学家和诗人卢克莱修从磁铁矿的产地，小亚细亚的地名 Magnesia 得来的。
指南针是中国举世瞩目的四大发明之一，因而，除《管子》和《吕氏春秋》记载之外，中国古文中另有大量关于磁石和司南的记录。
——磁（慈）石春秋战国-韩非子（约公元前280 年—公元前233 年）【韓非子有度】“......故先王立司南，以端朝夕......”春秋战国-淮南子【淮南子·说山训】中记载：“慈石能吸铁，及其于铜则不行也”。
汉-王充【论衡是应】“......司南之杓，投之於地，其柢指南......”。
晋-杨方【合欢诗五首】“磁石引长针//阳燧下炎烟......”。
唐-戴叔伦【赠徐山人】“......针自指南天窅窅//星犹拱北夜漫漫......”。
宋-彭龟年【寄黄商伯兼简詹元善】“......滔滔迷所往，莫望指南针”。
宋-文天祥【扬子江】“几日随风北海游//回从扬子大江头//臣心一片磁针石//不指南方不肯休”。
宋-沈括【梦溪笔谈卷四杂志一】“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。
《梦溪笔谈》的《补笔谈》第三卷中《药议》中又记载道：“以磁石磨针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不同。
”——司南春秋战国-鬼谷子【鬼谷子·谋篇第十】中有“故郑人取玉也，载司南之车，为其不惑也。
夫度材量能揣情者，亦事之司南也”。
唐-徐铉【和江西萧少卿见寄二首】“亡羊岐路愧司南，二纪穷通聚散三......”。
磁现象发展历程
“磁现象”发展历程12级物理二班朱琛1207020080 【摘要】磁现象从古代发展到现代经历了很多变化，不同的科学家都为磁现象的发展做出了伟大的贡献。
磁现象发展至今经历无数科学家坚持不懈的探索，本文主要按时间顺序将磁现象的发展过程作一个简单的介绍。
【关键字】磁现象发展探索时间顺序一、磁铁的发现公元前650—前550年,古希腊人发现摩擦琥珀可使之吸引轻物体,发现磁石吸铁。
磁铁不是人发明的，是天然的磁铁矿。
古希腊人和中国人发现自然界中有种天然磁化的石头，称其为“吸铁石”。
这种石头可以魔术般的吸起小块的铁片，而且在随意摆动后总是指向同一方向。
早期的航海者把这种磁铁作为其最早的指南针在海上来辨别方向。
最早发现及使用磁铁的应该是中国人，也就是“指南针”，是中国四大发明之。
经过千百年的发展，今天磁铁已成为我们生活中的强力材料。
通过合成不同材料的合金可以达到与吸铁石相同的效果，而且还可以提高磁力。
在18世纪就出现了人造的磁铁，但制造更强磁性材料的过程却十分缓慢，直到20世纪20年代制造出铝镍钴(Alnico)。
随后，20世纪50年代制造出了铁氧体(Ferrite),70年代制造出稀土磁铁[包括铁硼(NdFeB)和钐钴(SmCo)]。
至此，磁学科技得到了飞速发展，强磁材料也使得元件更加小型化。
二、磁铁石的排斥作用（《磁铁》的出版）公元前一世纪，罗马卢克莱修最先记载了磁铁石的排斥作用和铁屑实验。
1600年，英国吉尔伯特出版《磁铁》，用铁磁体来说明的地球的磁现象。
《磁铁》英国物理学家、医师吉尔伯特(William Gilbert, 1544、5、24 –1603、11、30)是第一个用实验方法探索电磁性质，并从理论上中以概括的早期科学家，他关于磁的研究结论原型“同名极相吸，异名极相斥”被们们被人们引申并广为引用为“同性相吸，异性相斥”。
吉尔伯特对磁力现象的兴趣来源于他渴望理论控制行星运动的力，当时，哥白尼提出不久的太阳系模型还不能解释什么力在太阳和行星之间发挥作用，吉尔伯特认为或者是磁力的作用，为了检验自己的想法，他对电和磁现象进行了彻底的分析。
地磁学发展简史及前景展望资料课件
地磁场的演化与地球内部的构造、地球自转速度的变化以及地球内部的物理过 程有关。这些因素的变化会导致地磁场强度的变化和磁极的移动。
地磁场的异常和变化研究
要点一
地磁场的异常研究
地磁场异常是指地球表面某一点的磁场强度和方向与周围 地区的磁场存在显著差异。地磁场异常可能与地球内部的 构造、地质构造以及人类活动有关。研究地磁场异常有助 于揭示地球内部的物理特性和地质构造，同时也有助于预 测地震、火山等自然灾害。
地磁学在空间探测中的应用
导航与定位
空间天气预报
地磁场是天然的导航系统，通过测量 地球磁场，可以为航天器和航海器提 供定位和导航服务。
地磁场的变化与太阳活动密切相关， 地磁学的研究成果可以为空间天气预 报提供重要的参考依据。
太阳风与磁层研究
地磁场与太阳风相互作用形成地球的 磁层，通过观测地磁场的变化，可以 深入了解太阳风和磁层的结构和行为 。
地磁学与环境科学结合，研究磁场对生态系统的影响，包括植物生长、
动物迁徙、微生物分布等方面，揭示地球磁场在生态系统中的作用。
03
地磁场变化对人类活动的影响
地磁场变化对人类活动的影响是一个新兴的研究领域。研究地磁场变化
对通讯、导航、电力设施等方面的影响，为人类应对地磁场变化提供科
学依据。
地磁学与生物学、医学的交叉研究
要点二
地磁场的变化研究
地磁场的变化包括长期变化、短期变化和不规则变化。长 期变化是指数千年至数百万年的周期性变化，短期变化是 指数小时至数日的周期性变化，不规则变化则是由于太阳 风、行星际磁场等外部因素引起的非周期性变化。研究地 磁场的变化有助于了解地球内部的物理过程和地球磁场的 变化规律，同时也有助于预测地球磁场的变化对人类生活 的影响。
磁的发展史p
磁的发展简史我国是用文字记载磁现象最早的国家之一。
公元前 4 世纪战国时期成书的《管子》中已有“ 上有慈石者下有铜金” 的描述。
这是有关磁石和磁性矿的最早记载。
公元前 3 世纪的《吕氏春秋》中所写的“ 慈石召铁，或引之也” ，描述了磁石吸铁现象。
磁现象的应用，在我国古代后魏的《水经注》等书中，就提到秦始皇为了防备刺客行刺，曾用磁石建造阿房宫的北阀门，以阻止身带刀剑的刺客入内。
医书上还谈到用磁石吸铁的作用，来治疗吞针。
但磁现象早期应用方面，最光辉的成就是指南针的发明和应用，这也是我国对人类所做出的巨大贡献。
我国战国时期就发现了磁体的指南性。
最早指南的磁石是一种勺状的，叫司南，它的灵敏度虽很低，但却给人以启示：有一种地磁存在，磁石可以指向。
到北宋时期，制成新的指向仪器棗指南鱼。
在曾公亮的《武经总要》中详细记载了指南鱼的制造过程。
这里有个重大突破，就是采用了磁化的方法，使鱼形铁磁化后，成一个指向仪器。
此后，指南针的制造和安装方法在北宋沈括的《梦溪笔谈》中已有明确记载。
不久指南针与方位盘结合起来成了罗盘，为航海提供了方便而可靠的指向仪器。
后来，我国指南针传入欧洲。
到 16 世纪，欧洲出现了航海罗盘。
指南针的发明，推动了航海事业的发展，也为研究地磁三要素创造了条件。
英国人吉尔伯特在磁的研究方面做出了突出贡献。
他的著作《论磁》是人们对磁现象系统研究开始的标志，书是 1600 年出版的。
书中记录了吉尔伯特研究磁现象时所做的各种仪器，及实验过程，也记录了他从实验中所得到的结论。
他从磁性“ 小地球” 实验中，根据磁针的排列与指向，提出地球本身是一个大磁体，两极位于地理的北、南两极附近；提出了磁子午线概念；吉尔伯特还说明了磁偏角及地磁倾角的测定方法；铁的磁化及去磁概念；定性的研究磁石的吸引与推斥。
这都为磁的进一步研究开拓了道路上，为建立电磁场的理论体系打下了基础；在实践上，开创了电气化时代的新纪元。
法拉第发现电磁感应现象之后，解释了法国科学家阿拉果所做的被称之为“神密的实验——悬挂着的磁体下方放一个可自由转动的圆铜盘，当盘转动时，磁体会转动；反之，磁体转动时铜盘也会转动。
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发展简史与前景展望
地磁学
地磁学发展简史
►初期地磁学 ►早期地磁学 ►现代地磁学
中国古代指南针
► “司南之杓，投之于地，其柢指南”-东汉王充（公元27～约97）《论衡》
英国汉学家李约瑟把指南针称为“中国古代四大发明”之一
中国古代指南针
► 曾公亮（1044年）《武经总要》“若遇天景曀霾，夜色螟黑，又不能辨 方向，则当纵老马前行，令识道路，或出指南车或指南鱼以辨所向。指 南车法世不传。鱼法以薄铁叶剪裁，长二寸、阔五分，首尾锐如鱼形， 置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中， 没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处，平放鱼在水而令 浮，其首常南向午也。”
地球磁场怎样变化?
► 范艾伦辐射带是在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的 大量带电粒子聚集而成的轮胎状辐射层
►场向电流
报告提纲
►地球磁场的发现 ►地球磁场的描述 ►地球磁场的起源 ►地球磁场的变化 ►地球磁场的应用 ►岩石的磁性
中国古代指南针
► 陈元靓 1264年《事林广记》记载：以木刻鱼子，，如拇指大，陷好磁石 一块子，却以蜡填满，用针一半佥从鱼子口中钩入，令没水中，自然指 南。以手拨转，又复如此。以木刻龟子一个，一如前发制造，但于尾边 敲针入去，用小板子，上安以竹钉子，如箸尾大，龟腹下微陷一穴，安 钉子上，拨转常指北。
中国古代指南针
► 北宋沈括 (1086)《梦溪笔谈》“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微 偏东，不全南也。水浮多荡摇。指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但 坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于 针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者 皆有之。”
中国古代指南针
► 北宋朱彧1101年《萍洲可谈》：舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴 晦观指南针，或以十丈绳钩，取海底泥嗅之，便知所至。海中无雨，凡 有雨则近山矣。……
► 1123年宋朝派遣使臣取海路出使朝鲜，《宣和奉使高丽图经》记载用水 浮指南针导航：是夜洋中不可住，维观星斗前迈。 若晦冥，则用指南浮 针， 以揆南北
中国古代指南针
► 元代周达观1296年《真腊风土记》：自温州开洋，行丁未针。历闽、广 海外诸州港口，过七洲洋，经交趾洋到占城。又自占城顺风可半月到真 蒲。又自真蒲行坤申针，过昆仑洋入港
► 明朝永乐年间1405-1430年随郑和下西洋的巩珍在《西洋番国志》的 《自序》中叙述应用水浮罗盘的情况：往还三年，经济大海，绵邈弥茫， 水天连接，四望迥然，绝无纤翳之隐蔽。惟日月升坠，以辨西东，星头 高低，度量远近。斫木为盘，书刻干支之字，浮针于水，指向行舟
指南针发明的意义
► 郑和（1371年－1433年）多次到达东南亚、印度洋、东非等地区 ► 克里斯托弗·哥伦布（1451年—1506年）到达西印度群岛 ► 斐迪南·麦哲伦（1480年－1521年）率领船队环航地球
磁偏角和磁倾角的发现与测量
现代地磁学的开端(1600)
De Magnete, 1600
William Gilbert (1540-1603)
地球磁场最早的描述：De Magnete
‘Magnus magnes ipse est globus terrestris’
地球是个大磁球！
小磁针
当代地磁学
高斯球谐分析ຫໍສະໝຸດ 地磁场要素地球磁场 – 屏蔽宇宙射线
地球磁场- 导航
指南针永远指南吗?