可以利用地球磁场发电吗（磁是可以发电的）

文：科普小卫星

磁可以生电，这是人们都知道的一大规律。但是为何人们不能用地球自身磁场发电呢？这引起了人们的思考。这就要先去认识一下电和磁力。

电和磁是分开的，但又是相互联系的现象，与电磁力有关。它们共同构成了电磁学的基础，电磁学是一门重要的物理学科。除了重力引起的行为外，日常生活中几乎每一件事情的发生都源于电磁力。它负责原子间的相互作用和物质与能量之间的流动。其他的基本力是弱核力和强核力，它们控制着放射性衰变和原子核的形成。既然电和磁是非常重要的，那么从基本了解它们是什么以及它们如何工作开始是一个好主意。

电是一种与静止电荷或运动电荷相联系的现象。电荷的来源可以是一个基本粒子，一个电子是带负电荷，一个质子是带正电荷，一个离子，或任何更大的具有正负电荷不平衡的物体。正电荷和负电荷相互吸引，而同种电荷相互排斥。人们熟悉的电的例子包括闪电、来自电源插座或电池的电流和静电。常见的国际标准单位的电力包括电流安培,电荷的库仑, volt 电位差,欧姆电阻,瓦特。静止点电荷有一个电场，但如果电荷运动起来，它也会产生一个磁场。

磁性被定义为移动电荷产生的物理现象。此外，磁场可以诱导带电粒子移动，产生电流。电磁波既有电成分又有磁成分。波的两个分量沿同一方向运动，但彼此成直角。像电一样，磁力在物体之间产生吸引和排斥。虽然电是基于正电荷和负电荷，但不存在已知的磁单极子。任何磁粒子或物体都有一个"北"极和一个"南"极，其方向取决于地球磁场的方向。类似磁铁的两极互相排斥，例如，北极排斥北极，而相反的两极相互吸引。磁学的常见例子包括指南针对地球磁场的反应，条形磁铁的吸引和排斥，以及电磁铁周围的磁场。

然而，每个移动的电荷都有一个磁场，所以原子的轨道电子产生一个磁场;有一个与电力线相联系的磁场;硬盘和扬声器依靠磁场工作。磁性的关键SI单位包括特斯拉表示磁通量密度，韦伯表示磁通量，安培每米表示磁场强度，亨利表示电感。

电磁学一词是由希腊语elektron和magnetis lithos两词组合而成的。古希腊人对电和磁很熟悉，但认为它们是两种不同的现象。这种被称为电磁学的关系直到1873年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发表了一篇关于电和磁的论文才被描述出来。麦克斯韦的著作包括20个著名的方程，这些方程后来被浓缩成4个偏微分方程。

方程所表示的基本概念如下:同种电荷相斥，异种电荷相吸。引力或斥力与它们之间距离的平方成反比。磁极总是以南北对的形式存在。同极相斥，异极相吸。导线中的电流在导线周围产生磁场。磁场的方向取决于电流的方向。这就是"右手定律"，如果你的拇指指向电流的方向，磁场的方向会跟随你右手的手指。向磁场方向或向磁场方向移动一圈导线，导线中就会产生电流。电流的方向取决于运动的方向。麦克斯韦的理论与牛顿力学相矛盾，但实验证明了麦克斯韦方程组。爱因斯坦的狭义相对论最终解决了这一矛盾。

经典的电磁理论似乎没什么令人惊讶的地方，但两位研究人员认为，公认"正确"的一个方面却是错误的。它们在理论上表明，一个被动地坐在地球表面的设备，可以通过与地球磁场的相互作用产生电流。该装置产生的电能将以纳米瓦为单位进行测量，但原则上可以按比例放大。

一个世纪前的实验表明，如果任何具有圆柱形对称的电磁铁绕其长轴旋转，但其磁场不会旋转。地球磁场中有一个分量是绕旋转轴对称的，所以根据这个老原理，轴对称分量不旋转。地球表面的任何静止物体扫过这个在任意纬度上都是恒定的磁场分量。电磁学的另一个基本结论是，在一个通过均匀磁场运动的导体内不会产生电流。材料内部的电荷受到侧向力，原则上可以产生电流。但是电子和原子核的位移很快就形成了一个与磁力相反的静电场。电磁力之间的平衡很快就建立起来了，所以在微小的初始重新排列之后就没有电荷的净运动了。

这一原理似乎否定了地球表面的静止装置在地球磁场的非旋转部分以恒定速度运动时可以产生任何电力的想法。但是普林斯顿大学的克里斯·奇巴和加州帕萨迪纳喷气推进实验室的凯文·汉德看到了前进的道路。为了在导体中产生电流，他们需要在电子上产生一个不能完全被电力抵消的磁力。在他们所称的传统不可能性论证的漏洞中，理论家们证明了磁场的某些构型是不能被电消掉的;但是，这些配置需要特殊的条件。研究人员表明，这种磁场结构可能存在于一个由具有不同寻常磁性的材料制成的导体圆柱壳中。

首先，他们指出，放置在地球表面的这种外壳内部的磁场——比如说，垂直于地球表面的磁场要比外部的磁场要小得多。当这个物体扫过地球的磁场时，它不断地与地球的均匀磁场对抗，并将其扭曲成某种不均匀的结构，使磁场被压制在内部空间。如果外壳材料的磁性能阻止入射场的快速变形，那么磁场就永远不会达到它静止时的状态。

Chyba和Hand认为产生的磁力不能被产生的电场抵消。研究小组表明，在这种情况下，电流可以在圆柱壳内的某些闭合路径上流动。电极可以利用这种电源——Chyba和Hand证明，这种电源最终来自地球自转的能量。为了设计他们的新设备，Chyba和Hand需要一种具有这种不同寻常的磁性反应的导电材料——这是一个困难的组合。

作为这种材料的一个例子，他们发现了一种名为MN60的锰锌铁氧体，它具有正确的性能，正如Chyba所说，它是"一个糟糕的导体，导电性只有海水的十分之一。"在很大程度上，由于电导率低，该团队预测的功率很小。一个长20厘米，宽2厘米的圆柱体可以产生几十纳米瓦特的几十微伏的能量。Chyba认为，可能有办法增加这些数字，但他强调，第一顺序的业务是一个实验测试，以表明该机制真的工作。密歇根大学安娜堡分校的射电天文学家菲利普·休斯通过研究天体的磁流体动力学，他说Chyba和Hand的机制是"基于声音物理学"，但他对扩大规模的可能性不那么乐观。

磁场本身并不能产生电。变化的磁场会。虽然地球的磁场确实会有一点变化，但还不足以产生很大的变化。另一种选择是在磁场中移动感应器。然而，地球的磁场在短距离内是相当均匀的，所以线圈需要移动得很快，而且要很远才能产生很多。这将消耗比它所产生的更多的能量。至少在现有条件下Chyba和Hand的机制是行不通的，地球自身的磁场仍然是不能发电的。