文：科普小衛星

磁可以生電，這是人們都知道的一大規律。但是為何人們不能用地球自身磁場發電呢？這引起了人們的思考。這就要先去認識一下電和磁力。

電和磁是分開的，但又是相互聯系的現象，與電磁力有關。它們共同構成了電磁學的基礎，電磁學是一門重要的物理學科。除了重力引起的行為外，日常生活中幾乎每一件事情的發生都源于電磁力。它負責原子間的相互作用和物質與能量之間的流動。其他的基本力是弱核力和強核力，它們控制着放射性衰變和原子核的形成。既然電和磁是非常重要的，那麼從基本了解它們是什麼以及它們如何工作開始是一個好主意。

電是一種與靜止電荷或運動電荷相聯系的現象。電荷的來源可以是一個基本粒子，一個電子是帶負電荷，一個質子是帶正電荷，一個離子，或任何更大的具有正負電荷不平衡的物體。正電荷和負電荷相互吸引，而同種電荷相互排斥。人們熟悉的電的例子包括閃電、來自電源插座或電池的電流和靜電。常見的國際标準單位的電力包括電流安培,電荷的庫侖, volt 電位差,歐姆電阻,瓦特。靜止點電荷有一個電場，但如果電荷運動起來，它也會産生一個磁場。

磁性被定義為移動電荷産生的物理現象。此外，磁場可以誘導帶電粒子移動，産生電流。電磁波既有電成分又有磁成分。波的兩個分量沿同一方向運動，但彼此成直角。像電一樣，磁力在物體之間産生吸引和排斥。雖然電是基于正電荷和負電荷，但不存在已知的磁單極子。任何磁粒子或物體都有一個"北"極和一個"南"極，其方向取決于地球磁場的方向。類似磁鐵的兩極互相排斥，例如，北極排斥北極，而相反的兩極相互吸引。磁學的常見例子包括指南針對地球磁場的反應，條形磁鐵的吸引和排斥，以及電磁鐵周圍的磁場。

然而，每個移動的電荷都有一個磁場，所以原子的軌道電子産生一個磁場;有一個與電力線相聯系的磁場;硬盤和揚聲器依靠磁場工作。磁性的關鍵SI單位包括特斯拉表示磁通量密度，韋伯表示磁通量，安培每米表示磁場強度，亨利表示電感。

電磁學一詞是由希臘語elektron和magnetis lithos兩詞組合而成的。古希臘人對電和磁很熟悉，但認為它們是兩種不同的現象。這種被稱為電磁學的關系直到1873年詹姆斯·克拉克·麥克斯韋發表了一篇關于電和磁的論文才被描述出來。麥克斯韋的著作包括20個著名的方程，這些方程後來被濃縮成4個偏微分方程。

方程所表示的基本概念如下:同種電荷相斥，異種電荷相吸。引力或斥力與它們之間距離的平方成反比。磁極總是以南北對的形式存在。同極相斥，異極相吸。導線中的電流在導線周圍産生磁場。磁場的方向取決于電流的方向。這就是"右手定律"，如果你的拇指指向電流的方向，磁場的方向會跟随你右手的手指。向磁場方向或向磁場方向移動一圈導線，導線中就會産生電流。電流的方向取決于運動的方向。麥克斯韋的理論與牛頓力學相矛盾，但實驗證明了麥克斯韋方程組。愛因斯坦的狹義相對論最終解決了這一矛盾。

經典的電磁理論似乎沒什麼令人驚訝的地方，但兩位研究人員認為，公認"正确"的一個方面卻是錯誤的。它們在理論上表明，一個被動地坐在地球表面的設備，可以通過與地球磁場的相互作用産生電流。該裝置産生的電能将以納米瓦為單位進行測量，但原則上可以按比例放大。

一個世紀前的實驗表明，如果任何具有圓柱形對稱的電磁鐵繞其長軸旋轉，但其磁場不會旋轉。地球磁場中有一個分量是繞旋轉軸對稱的，所以根據這個老原理，軸對稱分量不旋轉。地球表面的任何靜止物體掃過這個在任意緯度上都是恒定的磁場分量。電磁學的另一個基本結論是，在一個通過均勻磁場運動的導體内不會産生電流。材料内部的電荷受到側向力，原則上可以産生電流。但是電子和原子核的位移很快就形成了一個與磁力相反的靜電場。電磁力之間的平衡很快就建立起來了，所以在微小的初始重新排列之後就沒有電荷的淨運動了。

這一原理似乎否定了地球表面的靜止裝置在地球磁場的非旋轉部分以恒定速度運動時可以産生任何電力的想法。但是普林斯頓大學的克裡斯·奇巴和加州帕薩迪納噴氣推進實驗室的凱文·漢德看到了前進的道路。為了在導體中産生電流，他們需要在電子上産生一個不能完全被電力抵消的磁力。在他們所稱的傳統不可能性論證的漏洞中，理論家們證明了磁場的某些構型是不能被電消掉的;但是，這些配置需要特殊的條件。研究人員表明，這種磁場結構可能存在于一個由具有不同尋常磁性的材料制成的導體圓柱殼中。

首先，他們指出，放置在地球表面的這種外殼内部的磁場——比如說，垂直于地球表面的磁場要比外部的磁場要小得多。當這個物體掃過地球的磁場時，它不斷地與地球的均勻磁場對抗，并将其扭曲成某種不均勻的結構，使磁場被壓制在内部空間。如果外殼材料的磁性能阻止入射場的快速變形，那麼磁場就永遠不會達到它靜止時的狀态。

Chyba和Hand認為産生的磁力不能被産生的電場抵消。研究小組表明，在這種情況下，電流可以在圓柱殼内的某些閉合路徑上流動。電極可以利用這種電源——Chyba和Hand證明，這種電源最終來自地球自轉的能量。為了設計他們的新設備，Chyba和Hand需要一種具有這種不同尋常的磁性反應的導電材料——這是一個困難的組合。

作為這種材料的一個例子，他們發現了一種名為MN60的錳鋅鐵氧體，它具有正确的性能，正如Chyba所說，它是"一個糟糕的導體，導電性隻有海水的十分之一。"在很大程度上，由于電導率低，該團隊預測的功率很小。一個長20厘米，寬2厘米的圓柱體可以産生幾十納米瓦特的幾十微伏的能量。Chyba認為，可能有辦法增加這些數字，但他強調，第一順序的業務是一個實驗測試，以表明該機制真的工作。密歇根大學安娜堡分校的射電天文學家菲利普·休斯通過研究天體的磁流體動力學，他說Chyba和Hand的機制是"基于聲音物理學"，但他對擴大規模的可能性不那麼樂觀。

磁場本身并不能産生電。變化的磁場會。雖然地球的磁場确實會有一點變化，但還不足以産生很大的變化。另一種選擇是在磁場中移動感應器。然而，地球的磁場在短距離内是相當均勻的，所以線圈需要移動得很快，而且要很遠才能産生很多。這将消耗比它所産生的更多的能量。至少在現有條件下Chyba和Hand的機制是行不通的，地球自身的磁場仍然是不能發電的。

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