地球磁场成因的探讨
众所周知，地球存在磁场，其磁场北极（N极）和南极（S极）恰好与地球南极和北极相对应。不过二者并不重合，而是有一个夹角。到目前为止，对地球磁场成因，科学界也不十分清楚，各种观点也是众说纷纭。
在探讨地球磁场成因之前，有必要再认识一下原子。从物理学中我们知道，原子是组成物质的最小颗粒，用物理化学方法是不能把原子分开，只有在核反应过程中原子才能被分裂或聚合。原子由原子核（核子）和电子构成，原子核由带正电荷的质子和不带电的中子组成。电子在原子中按一定的轨道绕原子核旋转的同时又自旋（壳层模型），电子绕核子旋转的最小半径约为核子半径的两千倍，电子质量小于质子（或中子）质量的亿分之一。所以，原子的体积取决于电子绕核子旋转的最大轨道半径，原子的质量几乎就等于原子核质量。实际上原子是非常小，在1立方毫米体积的物质中原子有数亿个之多。科学家们已经发现原子有许多物理化学性质，我们所关注的磁性就是其中之一。
奥斯特发现电流周围存在磁场。安培认为磁起源于电。这异曲同工的发现，今天都已得到验证。按此推理，我们在探讨地球磁场成因时不得不去寻找地球能产生电流的“电源”，那么它会在哪里呢？是雨天闪电？人为发电？还是宇宙来电？肯定都不是。因为它们都发生在一定范围内的局部现象，构不成影响整个地球。所以，只有从地球本体物质结构入手，才有可能找出解决问题的答案。其理论基础就是科学家们的发现以及今天已经得到证实的设想。
法国物理学家安培认为：在原子、分子、或由它们构成的原子团、分子团微粒内部，存在着一种环形电流（统称安培电流或分子电流）。现在已经证明，这种安培电流就是原子中的电子在绕核子旋转的同时又自旋产生的。奥斯特发现了电流周围存在磁场，则安培电流周围也必然有磁场存在。而且这种安培电流就相当于一个小磁体。换言之，我们可以把原子、分子、原子团、分子团就看成一个个小磁体。但是，在宏观上我们并没有发现物质中由于有这些小磁体的存在而表现出磁性。这是因为，在地球上除了少量磁铁矿外，绝大多数物质都是非铁磁物质。在这些物质中电子绕核子旋转轨道平面以及它自旋的轴向都是任意取向的，由此产生的安培电流方向也是随意的。因此，每个小磁体极性是杂乱无章的排列，以至于它们各自呈现的磁性相互抵消，从宏观上看这些物质是不显示磁性。另一方面，对核内粒子而言，虽然它们具有强相互作用或弱相互作用以及质子自旋也会产生磁性等等，但就整个核子而论，各种作用综合使原子核始终保持在动平衡状态。所以在以地球作为参照系里原子核可以看成相对静止和稳定的。
但是，当以太阳作参照系时，地球在绕太阳公转，另一方面它又不停地自转（自旋），这时地球上所有物质，或者说地球上所有原子都在以地轴为中心做圆周运动。只是各处物质的线速度不同，共中赤道地区线速度最大（约500米/秒）。此时，我们从微观上看原子中带电粒子的物理特性：首先是电子，由于它的运动规律仍然是测不准的，其运动轨道不受地球转动而改变。如前面所述，它们在宏观上是不显出磁性的。其次是质子，此时它再也不是静止不动的，而是按一定的线速度在以地轴为中心做圆周运运。依据安培的设想，做圆周运动的电荷就会产生环形电流即安培电流进而引起磁场。由于地球上所有质子运动方向是相同的，故安培电流方向也相同，相对应的小磁体极性也相同，这样它们非但不能互相抵消，反而互相迭加，最终在宏观上合成一个巨大的磁场，这就是地球磁场。
当地球绕太阳公转又以逆时针方向自转时，质子所带的正电荷同样为逆时针方向运动，所以安培电流也为逆时针方向。根据右手螺旋定则，很容易判断出磁力线方向，即四指曲向为安培电流方向，大姆指所指就是磁力线（S极）方向，与之相对应的是地球北极。大姆指反向为磁场N极，相对应的是地球南极。由于地壳结构呈不均匀分布，有的地方密度大，有的地方密度小，这就导致质子密度产生差异，相对应安培电流强度不同，结果使各地区磁场强度分布不均，迭加后合成磁场方向即地球磁场N、S极不能完全和地球南北极相重合，出现一个小偏角。
从理论上讲，凡是具有自旋运动的天体都会存在磁场，其大小与该天体的质量及自旋速度成正比关系。比如，以地球和月球为例，地球和月球的质量比为81：1，自旋速度比为27.5:1，则地球磁场强度和月球磁场强度比为2227:1左右，可见月球磁场是非常微弱的，测量也很困难。
大家知道，今天我们所认识的电流绝大多数是导体中原子外层电子（自由电子）在电场力作用下导致电子位移的结果，它可以被传输，进行能量转换。然而我们这里探讨的质子正电荷运动是由于质子（载体）运动引起正电荷的“广义”运动形成的安培电流，此电流不能被传输，但可以进行能量转换，即安培电流所具有的电能转换成磁场能。这种现象和电子绕核子旋转产生的效应是一样的。
物理学告诉我们，物体运动具有动能，电荷运动形成电流而具有电能，这都是能量转换的结果。但是，电能是不能直接储存的，它必须转换成其他形式的能量，如光能、机械能、磁场能等等，从而实现能量守恒。因此，我们有理由说：由于地球自转——质子运动——正电荷运动——安培电流——小磁体——合成磁场——地球磁场。这就是能量守恒，也是地球磁场的成因。
赵德昌
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二00七年十二月十四日
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