永磁铁磁极倒转实验与地磁场铁磁体假说探讨

杨光忠 夏 瑞（中国凯里556000贵州省地矿局101地质队）



永磁铁磁极倒转实验与地磁场铁磁体假说探讨

杨光忠 夏 瑞
（中国凯里556000贵州省地矿局101地质队）

摘要为了“佐证”地磁场的铁磁体“假说”，通过对铁磁体试件加热退磁，在外加磁场作用下冷却、重新磁化实验，成功实现永磁铁磁极性倒转，结合铁磁体居里点可随压强增大而提高的推理，认为地磁场的形成应由内地核铁镍物质的铁磁性引起，并主要通过（下）地幔和液态外地核圈层对的对流变动对内地核温压条件的改变，实现地磁场从具磁性→退磁→恢复磁性进程的地磁场倒转，通过进一步的高温高压模拟实验，可望揭开地磁场的形成及倒转之谜。

关键词永磁铁；磁极倒转；实验；地磁场；铁磁体“假说”

E-mail：ygzh6701@163.com

本文收到日期：2015-08-20

0 引言

关于地磁场形成的研究，存在十多种假说或猜测，其中较重要的有铁磁体假说、热电假说和双圆盘发电机假说。由于认为地球内部温度高于铁磁体的居里点而否认铁磁体假说，热电假说也因地球内部很难产生高达109A的电流（现今地磁场对电流强度的要求）而遭到质疑，而目前比较流行的双圆盘发电机假说，由于假定条件较多，亦未被广泛接受（刘本培等，2000）。

笔者曾试图探讨地球的构造原动力，通过圈层结构形成及压力传递和温度条件等综合分析，认为地球磁场的成因（解释）应为铁磁体假说（杨光忠，2007）。李安生等（2007）认为，铁磁体居里点应随压强增大而提高，地磁场应由内地核铁镍物质的铁磁性引起。李安生等（2008）进一步认为，地球失磁的可能原因是内（地）核温度升高，并提出地磁极性倒转的前提是地球失磁。对此，笔者利用一般音响的纸盆式扬声器圆环形钕铁硼永久磁铁作磁极性倒转实验，以此模拟和类比说明地磁场的倒转过程，从另一角度来“佐证”地磁场的铁磁体“假说”。

实验表明，通过温度改变即可成功实现永磁体磁极性倒转，从而推演论证地磁场源于内地核铁磁体的观点，希望永磁铁磁极性倒转实验能够成为进一步探讨地磁场铁磁体观点的实验依据或努力方向。

1 地磁场铁磁体假说

目前多认为地磁场起源于液核（即液态外地核）物质的运动，即双圆盘发电机假说。地球物理学者在自激发电机理论和计算机数值模拟及实验物理模拟方面取得一些进展（徐文耀，2005），但由于假定条件较多，未被广泛接受（刘本培等，2000）。

由于地核基本上是由铁磁体（铁和镍）所组成，地核的这种特有成分及其球状对称的形态（特征）构成铁磁体假说的基本依据。按照铁磁体假说，地核因其组成而自然成为一个磁化体，由此决定地球具有偶极特征的磁场（刘本培等，2000）。

铁磁体假说是关于地磁场形成的最早观点，易为大家接受。后来认为地球内部温度太高（4 532℃），地核内的平均温度远远超过任一种铁磁性物质的居里点，铁磁性体将在此温度下转变成顺磁性体，从而丧失其磁性（刘本培等，2000）。受铁磁体居里温度的限制及铁磁体“假说”“很难”解释地磁场的倒转问题等而基本被否认。

杨光忠（2007）和李安生等（2007，2008）认为，地球磁场的成因（解释）应该就是铁磁体“假说”，仅仅因为缺乏实验依据及其他资料引证而遭到否认，这种认识本身也缺乏科学性。对此，本文试图通过相关实验，进一步探讨地磁场的铁磁体“假说”。

2 永磁铁磁极倒转简易实验

2.1 实验材料

磁性材料类型很多，为了可能接近地球内部铁镍物质永久性铁磁体的模拟，实验使用市面上一般音响设备的纸盆式扬声器圆环形钕铁硼永久磁铁。该磁铁系应用粉末冶金工艺制造而成的一种铁基永磁材料，具有坚硬、性脆、高抗退磁性等特点。

需要进一步说明的是，选取该实验材料，原因是：①该永磁铁磁性最强；②容易获取；③实验简易，主要着眼于常压下通过加热过热退磁、冷却再磁化等步骤，探讨永磁铁磁极性倒转的简易定性实验。

2.2 基本原理

本实验利用一般音响设备的圆环形钕铁硼永久磁铁，由于拆卸难度等原因，有的磁铁试件有顺磁片夹护，有的为“纯粹”的磁铁件。一块用作试件，另一块用作外加磁场。为了更具代表性和说服力，采购若干圆环形钕铁硼永久磁铁进行实验。

实验原理为：试件加热至完全退磁（温度高于其常压下居里点），在降温过程中施加一个与试件原磁场相反的具有相当强度的磁场使之重新磁化，利用地质罗盘检验其磁极性变化。

2.3 实验过程及结果

由于时间和设备有限，只进行几组实验，并分为外加强磁场反磁化和天然地磁场反磁化实验两种情况。

2.3.1 外加强磁场反磁化实验。

（1）试件Ⅰ实验。试件为“纯粹”的磁铁件，在家用燃气灶上加热，由于没有顺磁片夹护，加热至一定程度即破裂成几块，放弃进一步实验。

（2）试件Ⅱ实验1。试件有顺磁片夹护，确定试件磁极方向后，在燃气灶上加热，加热至一定程度时炸裂，但未改变原磁性，试件在顺磁片夹护下继续加热至完全退磁，移出炉灶，放在一定磁强但磁性相反的磁铁上方，试件在自然降温至常温过程中重新磁化，用罗盘磁针检查其磁极性变化情况。冷却后历时147小时，时间间隔不等地进行15次试件磁极性变化检查，结果表明：试件原磁北极变为新磁南极，原磁南极变成新磁北极（图1），但试件的磁性明显减弱。

图1　强磁场反磁化磁极性倒转实验（a）给试件加热至退磁；（b）降温过程中外加磁场重新磁化；（c）反磁化磁极倒转结果Fig.1 Experiments of reversal of magnetic polarity of strong magnetic fi eld reversal magnetization

（3）试件Ⅱ实验2。在第1次反磁化实验基础上，以相同步骤，重新进行反磁化实验，以查验反复实验磁极性变化情况。重新反磁化实验冷却后，历时334小时，不定时进行7次试件磁极性变化检查，结果表明：试件的新磁北极恢复为原磁南极，新磁南极恢复为原磁北极。

（4）试件Ⅲ实验。试件有顺磁片夹护，加热未破裂，实验过程相同，反磁化并冷却至常温后，历时325小时，不定时进行7次试件磁极性变化检查，变化结果与试件Ⅱ实验1相同。

（5）试件Ⅳ实验1。试件有顺磁片夹护，加热至一定程度炸裂。在顺磁片夹护下继续加热使其退磁。在反磁化并自然冷却至常温后，历时106小时，期间不定时进行7次试件磁极性变化检查，变化结果与试件Ⅱ实验1相同。

2.3.2 天然地磁场反磁化实验。该实验环境为：地点在北半球，地球磁力线倾斜。

（1）试件Ⅳ实验2。在该试件第1次（强磁场反磁化）实验基础上，重新加热使其退磁做天然地磁场作用下反磁化实验，要求试件磁力线方向与地磁场相反，见图2，检验试件在天然地磁场反磁化作用下试件的磁极性变化。

图2　天然地磁场反磁化实验磁极倒转示意(a)试件加热至退磁；(b)降温过程中在外加磁场中重新磁化；(c)反磁化磁极倒转结果Fig.2 Geomagnetic pole reversal of geomagnetic fi eld reversal experiments

在天然地磁场反磁化作用下，自然冷却至常温后，历时230小时，期间不定时进行7次试件磁极性变化检查，结果表明：试件在第1次实验获得的磁北极变为新磁南极，磁南极变为新磁北极。需要指出的是，由于反复实验，试件重新磁化出现磁化不均匀，甚至表现出一定的磁极偏移现象。

（2）试件Ⅴ实验1。试件为带喇叭框架且有顺磁片夹护的环形磁铁，如图2所示原理，加热退磁后在天然地磁场条件下做反磁化实验。在试件自然冷却至常温后，历时65小时，期间不定时进行5次试件磁极性变化检查，变化结果与试件Ⅱ实验1相同。

（3）试件Ⅴ实验2。在该试件第1次实验基础上，重复做天然地磁场条件下再反磁化实验。可能由于天然地磁场的场强较弱或常压等问题，磁性变化不明显，且试件的磁场强度更为微弱。

（4）试件Ⅵ实验。试件有顺磁片夹护，加热退磁后自然冷却至常温，历时254小时，期间不定时进行5次试件磁极性变化检查，变化结果与试件Ⅱ实验1相同。

2.4 永磁铁磁极倒转实验意义

本次做6组试件9次实验。其中，1组（次）放弃，2组4次（1组反复实验）做强磁场反磁化实验，1组2次分别做强磁场反磁化实验和天然地磁场反磁化实验，3组4次（1组反复实验）做天然地磁场反磁化实验，除1组（次）试件磁性微弱未表现明显磁极性变化外，其他实验均成功实现永久磁铁的磁极性倒转，即（常压下）只要温度条件改变，永磁铁的磁极性即可轻易实现倒转，而不需要磁体本身作180°的翻转。实验虽简易，但在某种程度上可以模拟说明地磁场的倒转问题，便于理解地磁场源于内地核铁镍物质铁磁性及其地磁极倒转不需要固体内地核作180°翻转等问题，可作为地磁场铁磁体“假说”的初步实验依据，通过进一步的高温高压模拟，或许能揭示地磁场的形成及倒转之谜，实验具有重要意义。

3 地磁场构成及倒转简析

3.1 地磁场构成

据《地球科学导论》（刘本培等，2000），地球圈层按结构及物性差异，自上而下分为地壳、岩石圈地幔、软流圈、（下）地幔、液态外地核和固态内地核等圈层。其中，内地核为刚性很高的固态铁镍物质组成，其物质组成特征正是地磁场铁磁体假说的基础。

固体地球内部存在岩石圈—软流圈、（下）地幔—液态外地核两个固体/流塑圈层对。岩石圈/软流圈圈层对共同构成对流运动，导致海底扩张、大陆漂移及碰撞造山等板块构造、岩浆活动和变质作用及成矿等一系列重大地质响应。（下）地幔/液态外地核圈层对，在结构特征上与岩石圈/软流圈圈层对类似，理应存在相类似的深层对流构造运（变）动，并因此导致地幔柱，尤其是起源于核幔边界的超级地幔柱构造，或因地幔柱、超级地幔柱的作用而引起（下）地幔/液态外地核圈层的对流变动，并因此通过温压条件调整影响内地核铁镍物质的磁性改变，进而导致地磁场倒转。

地球圈层的形成，可以这样简单理解和叙述：早期熔融状态的地球因混溶轻重物质的重力分异而构成成分分层，在地球整体变冷进程中，由表及里逐渐变冷，使表层首先冷凝成固态地壳。进一步的冷凝收缩，凝固了的圈闭地壳势必形成架空态势，使其下的圈层处于“相对低压高温”条件而延缓凝固速度，形成至今仍为“高度塑性”的软流圈；尽管软流圈之下温度高，但来自地壳及外部圈层的部分压力和软流圈的压力，以及厚大的（下）地幔自重压力作用，（下）地幔则处于“相对高压低温”条件而凝固成（相对）固体圈层；由于厚大的固态（下）地幔的强大架空庇护作用，使得地核的上半部分因承受来自上部的压力相对较小，温度又“相对较高”而呈完全熔融的液体状态；受来自液态外地核及上部各圈层的压力，以及内地核自身重力作用，内地核铁镍物质熔点应显著高于其所处温压条件而呈现刚性的固体状态。

压力条件不仅可以使内地核铁镍物质的熔点显著提高，理论上也应提高铁磁体磁性的居里点（温度），使处于“相对高压低温”条件下的内地核铁镍物质具有铁磁性而构成地磁场。李安生等（2007）认为，地球内核铁镍物质所受压强增大，使晶格间距变小，电子云重叠增大，交换能增加，从而使居里温度增高，保守估计，假如每增大1 000个大气压，居里点增加1℃，内地核压力条件将使内地核居里点超过内地核的温度条件，内地核完全或部分成为铁磁体，在某些条件作用下磁化而构成地球偶极磁场的根源。

总之，地球的磁场，应源于地球内地核铁镍物质的磁性，即最早提出的铁磁体“假说”。

3.2 地磁极倒转

前已述及，岩石圈／软流圈圈层对的对流导致板块构造等一系列重大地质构造运动，结构特征类似的（下）地幔／液态外地核圈层对，理应存在类似的由各种原因导致的对流构造变动，导致地幔柱，尤其是起源于核幔边界的超级地幔柱构造作用，或因地幔柱、超级地幔柱（Senshu H et al，2009；转引自滕吉文等，2014）的作用而引起对流运（变）动及其相应地质响应等。

与岩石圈／软流圈圈层对构成的对流运动类似，（下）地幔/液态外地核圈层对也应周期性地处于对流构造运（变）动，并可简单理解为（下）地幔固体圈层的破裂、架空态势的失衡、对流变动、板片下戳及其对液态外地核及内地核施加的极高压力作用，使内地核压力条件提高，其铁镍物质铁磁性居里点提高而具磁性，由此构成地磁场。随（下）地幔圈层架空态势的重新建立，内地核压力条件降低温度相对提高而逐渐退磁。在（下）地幔和液态外地核圈层对的新一轮对流构造变动进程中，内地核压力条件提高，在地壳等上部圈层被原地磁场磁化形成的（外部）磁场作用下重新磁化，内地核的各单元磁体（场）沿该外部磁场重新定向分布，并逐渐加强而形成新的极性相反的地磁场，从而实现地磁场的倒转，见图3。图3中，粗线外圈表示岩石圈磁性体，N、S分别为磁场北、南极，带箭头细线为磁力线；粗线内圈表示内地核铁磁体，其中的小圆环代表内地核单元磁体，n、s分别为其磁北、南极。

图3　地磁场倒转形成机理（据杨光忠，2007，修改）（a）地磁场重新磁化过程；（b）地磁场重新磁化结果Fig.3 Formation mechanism of reversal of geomagnetic fi eld

4 结束语

常压下有限简易实验表明，通过加热退磁，冷却过程中反磁场磁化，可以实现永磁体磁极性的倒转。基于实验基础，结合李安生等（2007）关于铁磁体居里点应随压强增大而提高的推理等，综合认为，地磁场的形成应为内地核铁镍物质的铁磁性引起，主要通过（下）地幔／液态外地核圈层对的对流变动对内地核温压条件的改变，实现地磁场从具磁性→退磁→恢复磁性进程的地磁场倒转。通过进一步的高温高压模拟实验，或可揭开地磁场的形成及其倒转之谜。

参考文献

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杨光忠. 试论地球的构造动力[J]. 贵州地质，2007，24（1）：78-84.

About permanent magnet magnetic pole reversal experiments and geomagnetic fi eld ferromagnetic hypothesis

Yang Guangzhong and Xia Rui
(101 Geology Brigade， Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Guizhou Province，Kaili 556000， China)

Abstract

In order to evidence the ferromagnetic hypothesis of geomagnetic field， by the experiment in which ferromagnetic specimen is heated for demagnetization and then cooled in an applied magnetic field for re-magnetization， the polarity reversal of the permanent ferromagnetic is successfully achieved. Combining the inference that ferromagnetic Curie point temperature can increase with pressure raising， it is thought that the geomagnetic fi eld is formed by ferromagnetic of inner core nick-iron material， and reversed under by the change of temperature and pressure of inner core， which is in turn caused mainly by the convection change in lower mantle and the liquid outer core circles， realizing the reversal procedure of geomagnetic fi eld from magnetic to demagnetizing to re-magnetizing. Through further high temperature and high pressure simulation experiments， the mystery of the formation and reversal of the geomagnetic fi eld is expected to be uncovered.

Key words：permanent magnet，reversal of magnetic pole，experiments，geomagnetic field，ferromagnetic hypothesis

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 008

作者简介：杨光忠（1967—），男，苗族，贵州凯里人，研究员，主要从事地质找矿勘查研究工作。