地磁场的发现
沈括是历史上从理论角度研究磁偏现象的第一人。
提出系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。
他在1600年写的《磁铁》一书中，记录了当时许多关于磁铁性质的事实，创造性地做了一个划时代的实验:把一块天然磁铁磨成一个大磁球，把一根小铁丝做成的小磁针放在枢轴上，放在磁球附近，发现这个磁球上的小磁针的各种行为和我们在地球上看到的指南针一模一样。
吉尔伯特用粉笔在小磁针的方向上做了标记，画出了许多子午线圈，类似于地球的子午线，还有一条赤道，小磁针在那里与球体平行。
所以吉尔伯特提出了一个理论，地球本身就是一个巨大的磁铁，磁子午线与地球相对的两端，即磁极相遇。
地球为什么会有磁场，目前还不得而知，一般认为是地核内液态铁流动造成的。
最有代表性的假说是发电机理论。
65438年至0945年，美国物理学家埃尔萨瑟根据MHD发生器原理，认为液态外核在初始弱磁场中运动时，像MHD发生器一样产生电流，电流的磁场加强了原有的弱磁场，使外核物质与磁场相互作用，不断加强原有的弱磁场。
由于摩擦热的消耗，磁场增大到一定程度并趋于稳定，形成了现在的地磁场。
还有一种假设是
铁磁性会在770℃(居里温度)的高温下完全消失。
在地层深处的高温状态下，铁会达到并超过其熔点成为液态，永远不会形成地球磁场。
用“磁现象的电本质”来解释，认为根据物理研究的结果，物质的原子在高温高压下的核外电子会被加速向外逃逸。
因此，在6000K的高温和360万个大气压的环境下，大量电子会从地核逃逸，地幔之间会形成负层。
根据麦克斯韦电磁理论:电产生磁，磁产生电。
所以，要形成地球南北极的磁场，就要形成旋转电场，地球的旋转必然引起地幔负层的旋转，也就是旋转负电场，磁场由此而生。
地磁场的起源主要地磁场的起源。
地球物理学的基本问题之一。
从1600年英国的W·吉尔伯特提出“地球是一块巨大的磁铁”开始，关于地磁场起源的猜测已有近400年的历史，但一直没有得到圆满解决。
简史地磁场的主要部分就像一个球体的磁场，沿着旋转轴方向近似均匀磁化。
因此，“永磁体理论”成了地磁场起源最早、最自然的猜测。
当地球物理学家提出地核可能由铁和镍等铁磁性物质组成时，这一推测似乎得到了支持。
但是地球内部的温度远远超过铁的居里点(见岩石磁学)，所以这个假设不能成立。
接着，有人试图借助带电地球的自转、旋磁效应、温差电流、感应电流来解释地磁场，但它们的量级还远远不够大。
例如，根据旋磁效应，地球因自转而产生的磁化强度约为10-10电磁单位，比相当于7.2×10-2地磁场的均匀磁化球体的磁化强度小9个数量级左右。
鉴于现有的物理规律没有答案，一些人开始探索新的规律。
1947年，英国物理学家布莱克特发现当时测得的太阳、处女座78和地球的磁矩m和角动量p满足关系式，其中G为引力常数，C为光速，β为比例常数，约为0.25。
布莱克特将这种关系设想为一种新的物理定律，并作为地磁场解释的起源，它被称为“大扭曲理论”。
因为有三个天体的支撑，这个假说一度引起广泛关注。
为了证实这一结果，布莱克特专门设计了一种测量弱磁场的高灵敏度仪器，但实验结果是否定的，于是布莱克特自己放弃了自己的假设。
在上述推测的同时，出现了“自激电机理论”。
1919年，拉莫尔首先提出了通过旋转导电流体维持自励电机的可能性，这是关于地磁场自励电机起源的最早概念。
比较系统的论述是由埃尔萨瑟(W.M.Elsasser)、帕克(E.N.Parker)和布拉德(E.C.Bullard)在40年代末50年代初完成的，称为埃尔萨瑟-帕克模型和布拉德过程。
随着大型计算机的应用，更复杂的磁流体力学计算成为现实。
20世纪60年代末，人们发现布拉德过程是不稳定的。
这让一度被认为很有前途的“自励电机理论”陷入危机。
直到1970年，F.E.M.Lilley才修正了Brad process的运动方式，使稳定的“自激运动理论”再次成为可能。
20世纪60年代的古地磁数据证实了地磁场在漫长的地质时期经历了多次倒转的事实，地磁场正负极性的历史并没有显示哪一个极性更特殊。
这是除自励电机理论外，其他关于地磁起源的假说难以解释的。
地球的磁场在天体中并不特殊。太阳系九大行星中至少木星和水星有类似地球磁场的内生磁场。
太阳和许多恒星也有磁场。
帕克在20世纪60年代和70年代的研究表明，地磁场起源的模型可能适用于其他天体。
基于此，现在人们认为“自激电机理论”是最有希望解释地磁成因的理论。
磁流体力学的研究思路核心是导电流体与磁场的相互作用如何改变原有的磁场和运动状态，这是“自激电机理论”的基础
数学上是电磁场方程和流体运动方程的耦合。
根据法拉第电磁感应定律，在磁场中运动的导电流体会在随流体运动的回路中产生感应电动势。
如果导体是电导率无限大的理想导体，那么感应电流就会无限大，这显然是不可能的。
如果任何运动回路中的磁通量是恒定的，那么磁力线将不可避免地随流体运动，就像磁力线牢牢地粘在流体上一样。
这种现象被称为磁场的“冻结”效应，即磁场和流体完全冻结。
此时磁场满足的方程称为“冻结方程”。
当流体的电导率有限时，除了焦耳热损失外，磁场还会继续从强区向弱区扩散。
所以一般来说，导电流体中的磁场是受冻结效应控制的，会不断扩散。
此时满足的方程称为“扩散冻结方程”。
冻结和扩散效应不仅与电导率(λ)有关，还与流体的速度(V)和尺度(L)有关。
在电磁流体力学中，无量纲常数定义为磁粘滞系数。
RM & gt& gt在1，流体中的冻结作用将是主要的；RM & lt& lt在1，扩散现象将占上风。
由于磁场的存在，流体运动方程中除了原有的作用力外，还会增加电磁力。
运动和磁场方程的耦合介质是电磁力。
当导电流体在磁场中运动时，会产生感应电流，从而改变原有磁场。
如果运动得当，保持稳定的磁场是有可能的。
这个过程就像一个正常的发电机，导电流体就相当于发电机的线圈，所以维持磁场的假设就叫做“发电机理论”。
当然，除了这种简单的相似，两者的过程是完全不同的。
在磁流体过程中，由于运动和磁场的耦合，电磁方程和流体运动方程都会变成非线性方程。
到目前为止，求解如此复杂的非线性方程仍然是一个难题。
因此，通常将运动与磁场的耦合视为微扰，分别求解运动方程和电磁方程。
此时两个方程仍为线性方程，方程对应的“生成器”称为“线性生成器”。
如果地核内产生的地磁场被激发后自由衰变，其衰变寿命约为104年。
而古地磁检测到的最古老磁性岩石年龄接近109，说明地磁场寿命远远超过其自由衰变寿命。
为了维持这么长寿命的地磁场，需要不断提供能量来补偿焦耳热损失。
地核的能量来源，以及提供的能量能维持什么样的运动以获得长期稳定的地磁场，是发电机说要回答的两个基本问题。
地核的电导率是地球上最高的，约为3×10-6电磁单位。
地磁非偶极子场分量的西移表明非偶极子场源相对于地幔有运动，其速度为每年20公里的数量级。
这比地质现象确认的固体地壳的运动高了五个数量级，所以从焦耳热损失和运动水平来看，液体核心是最有利于地磁发生器的地方。
根据液芯磁流体力学原理，发电机的能量转换过程是动能和磁能之间的转换，转换介质是电磁力。
对抗这种电磁力的运动将为系统提供能量，其中一部分将用于补偿焦耳热损失，其余部分将用于增加系统的磁场能量，并将电磁能量输送到内核之外，以改变内核内外的磁场。
这个过程可以用下面的等式来表示:
快递。
方程右端为电磁力，其中j为电流密度；(积分整个液核)代表运动(v)对抗电磁力做功；WH是液体核心中的总磁能；Jσ是液体核心中的焦耳热损失率；FE是单位时间内通过液核表面向外输送的电磁能量。
对于稳定的发电机，内外磁场不随时间变化，方程变成:Jσ=AH，
也就是说，克服电磁力的运动所提供的所有能量都用来补偿焦耳热损失。
运动能量的提供方式与作用力有关。
产生运动的力除了电磁力以外，主要是重力和静水压力，液芯中机械能的转换方程为:
其中是液核总动能的减少率；FP是静水压力通过液核表面向核的能量传递速率，重力做功会在核内和表面释放势能；FG是质量交换在液核表面释放势能的速率，如重力分异作用导致地幔物质落入核内所产生的能量交换。Gτ是密度不均匀沿介质运动方向引起的势能释放，热对流就是如此。
发生器过程中，流体运动对电磁力做的功，要么是以系统动能的减少为代价，要么是重力势能的释放和表面静水压力所做的功，也可能是几个因素的综合作用。
当系统稳定时，FP+FG+Gτ=AH=Jσ，
这时重力势能的释放和流体静力功都用来补偿焦耳热损失。
不稳定状态下的能量转换方程为:
根据磁心磁场的总能量(WH)和磁场的自由衰变时间，可以估算出液体磁心的焦耳热损失(Jσ)约为1017 erg/s..
显然，这个数量级应该是维持发电机所必需的最低供能率。
早期的Elsaser和Brad假设长寿命放射性元素维持的热对流是发电机的能量提供者。
从Gτ可以估算出，要提供1017 erg/s的能量，堆芯内单位质量的产热率需要高达100 erg/(g·sec)。
然而，以地面总热流计算，地壳中放射性元素的生热率仅为10-3 ~ 10-1 erg/(克秒)，这显然是不合理的。
有些人认为内核是由液体内核固化而成的，这一过程仍在继续。它释放的潜热会维持热核的热对流，也会遇到数量级的困难。
1968年，马尔库斯(W.V.R.Malkus)通过实验证实，由于地幔和地球核的平坦度不同(见地球自转)，它们会有不同的进动角速度，前者比后者快。
因为地球是一个扁平的球体，地幔会迫使地核有相同的运动趋势。这个时候地幔会通过FP给地核提供能量，可以维持地磁发电机。
近年来，有人对此提出异议，认为其数量级远远不够。
还有人认为，如果地球深部还在进行化学分异和重力分异，重力势能(Gτ，FG)的释放会提供能量。
可见，地核所有可能的能源都涉及到地球的演化、地球内部的物理状态等基本地球物理问题，目前很难得到满意的答案。
维持地磁场的物理模式
无论核心中的动力源是什么，只要液体核心中有径向运动，由于深层的物质角动量很小，角动量守恒就会由于内外两层的物质交换而使外层的角速度变慢，内层的速度加快。
从随地球旋转的坐标系来看，径向运动受到科里奥利力的影响。
该力矩在旋转轴方向上的分量是改变内层和外层旋转速度的驱动力。
为了考察角速度差沿径向的磁流体动力学效应，将连续分布的角速度差简化为角速度不同的两层，即外层A的角速度为ωA，内层B的角速度为ω b。
设ωB& gt；；ωa，这叫刚体流体核模型。
假设液核中存在一个原始弱磁场。
考虑到星际磁场弥漫于整个星际空间，这种原始磁场的存在是可能的。
由于磁场的冻结效应，磁力线将与磁心一起移动。
如图1，由于A层和B层的差速旋转，原磁场的磁力线会被拉伸，形成沿纬圈方向的磁场。
图1a展示了相对运动从半个周期[[Image: ]]到一个周期[[Image:]]时磁力线被拉伸的过程。
自然，随着磁力线的拉长，磁力线抵抗这种拉伸的张力也在增加。
这个过程反复进行，直到磁力线张力产生的恢复力矩与对流产生的机械力矩(科里奥利力)相对平衡，磁场变成图1b所示的形状，相对角速度也会保持一个稳定的常数。
图1b所示的液核中形成的磁场没有径向分量，磁力线完全位于同一球面上。这种场称为环形场。
图1b所示的环形场在南北半球是相反的。
这个环形磁场的大小可以根据上述两个力矩的平衡来估计。
考虑到磁场的冻结效应，传统观点认为原子核内会有很强的环形场，Brad计算的环形场可高达500高斯。
最近也有人对这种高强度环形场的存在提出异议。
因为环形场没有径向分量，所以再强也不会贡献给我们感兴趣的有强径向分量的核外偶极场。
上述过程没有电磁能量传输到外部。
上面只考虑了径向运动对应的差速旋转引起的磁效应，没有考虑径向运动本身的磁效应。
与差速旋转类似，由于冻结效应，径向运动与环形场的相互作用拉动或弯曲环形场，形成如图2所示的磁力线环。
上面提到的科里奥利力V=2r×(V×w)不仅有一个沿地轴的力矩(它改变了液核的角速度)，还有一个垂直于地轴的分量。这个力矩会把磁力线从纬度方向(图1)扭曲到子午面。
对于向上和向下运动，扭矩方向相反；同样在南半球和北半球，这个时刻是反方向的。
所以，虽然上下运动对应的磁力线环方向是相反的，南北半球的磁力线环方向也是不同的，但是在这个力矩的作用下，子午面内的磁环会以同样的顺序逆时针旋转(图3)。
与环形场不同的是，畸变磁场已经具有与初始弱磁场相同的分量，这种元过程遍布于液核。统计结果可能会加强原来的弱磁场。
上述过程被称为埃尔萨瑟-帕克模型。
除了这个模型，还有著名的Brad-german-Lilly过程，和Elsaser模型有类似的物理图像。
Elsaser模型和Brad模型都可以通过求解线性磁流体动力学方程来证明稳定发电机的存在。
因此，即使是一个大大简化的物理图像，其核心也包含了一个非常复杂的过程。
一般的发生器过程会涉及到核心更复杂的湍流运动，所以有人称之为“湍流发生器”。
属于非定常发生器的内容，至今没有像上述定常发生器那样的全过程描述。
如果液体核心中的对流涡旋运动受到干扰，磁场的极性可能会反转。
比如Parker已经证明，如果液核中南北纬25°之间的涡旋运动普遍消失，地磁场就会反转。
还认为地磁场反演是非线性发电机过程的固有性质，即磁场和运动是相互耦合的。到一定程度，线性发电机不再维持，非线性效应很可能会逆转地磁场。
目前，发电机过程的理论，无论是稳态的还是非稳态的，都还不完善。
关于地磁场的起源问题仍处于研究阶段。