人類為什麼不利用地球磁場來發電呢？

自從擁有了強大的航天科技之後，人們就經常把一些奇奇怪怪的東西送上太空，比如說玩具、唱片甚至是跑車，今天我們要講的是，在1992年，科學家曾將1根2萬米的金屬線送上太空，大家不妨來猜猜他們想幹啥？

我們都知道，地球有一個很強的磁場，正是有了它，地球的大氣層才不會被太陽風“吹走”，我們還知道，根據電磁感應原理，當導體在做切割磁場的磁感線的運動時，這個導體兩端就會產生感應電動勢，在這種情況下，如果它處於一個閉合電路中，那麼就會產生電流（這就是發電機的基本原理）。

將這兩點聯絡起來，我們就很容易聯想到一個問題，那就是地球磁場能發電嗎？從理論上來講，地球磁場確實是能用來發電的，但正所謂“事實勝於雄辯”，雖然這在理論上行得通，但是不做個實驗來確認一下，這個推測始終不是太讓人信服。

看到這裡相信大家已經猜到了，事實上，為了對這個假想進行驗證，在過去日子裡科學家曾用衛星做了一個實驗，而在1992年，科學家將1根2萬米的金屬線送上太空，正是這個實驗中的一部分。那麼這個實驗結果怎麼樣了呢？下面我們就來介紹一下。

實驗的思路非常簡單，就是在衛星和太空梭之間拉一條的金屬線，然後再從太空梭上拉一條金屬線進入地球大氣的電離層，這樣就形成了一個通路。當它們執行在繞地軌道上時，這條金屬線就可以因為切割地球磁場的磁感線而產生電流，再透過相關檢測，科學家就可以知道這樣做到底能不能發電，以及能夠發多少電。

這個實驗說起來容易，真正要做其實是很難的，大約在1970年代這個計劃就被提了出來，但一直到1992年才得以實施。這個被命名為“繩系衛星系統”（Tethered Satellite System ，簡稱TSS）的任務由“亞特蘭蒂斯”號太空梭執行，然而在執行任務的過程中，這根2萬米的金屬線僅僅放出了200米左右就卡住了，導致了該任務沒有成功。

儘管如此，科學家還是在金屬線上檢測到了大約3A的電流，這就證明了地球磁場確實是能發電的。由於這次實驗不太成功，在4年以後，也就是1996年，不甘心的科學家們又將這個實驗重複了一次。第二次任務由“哥倫比亞”號太空梭執行，剛開始的時候一切順利，但令人鬱悶的是，在太空梭成功地釋放出了衛星之後不久，它們之間的金屬線就斷了……

雖然第二次任務算不上是圓滿成功，但是和第一次任務相比，此次任務給人們提供了更多的資料，科學家據此得出，地球磁場不但能發電，而且在實驗中產生的感應電動勢以及電流轉換速率還比預計的高出了不少，在最高峰的時候，其功率可以達到3500W。

其實科學家也並沒有指望利用地球磁場在太空中發電，而人們之所以花費了大量的人力物力來完成這個實驗，是因為科學家希望在未來能夠反向利用這個現象，從而實現人造天體在近地軌道上的加速和減速。

當運動的電荷在磁場中運動的時候，磁場就會對其產生一種力，這種力被稱為“洛倫茲力”，很明顯，如果驗證了地球磁場能發電，那麼就說明了地球磁場也會對其中的運動電荷產生相應的洛倫茲力。

按照這個原理，科學家只需要控制近地人造天體中的電流大小和方向（注：人造天體中的電流可以來自於太陽能電池板），就能夠非常方便地利用地球磁場很方便地實現加速和減速，而上述實驗的主要目的就是為科學家提供相關的實測資料。

順便講一下，這個想法雖然很不錯，但因為種種原因，到目前為止這種技術並沒有得到應用。

總而言之，地球磁場是能發電的，但是由於科技水平的限制，我們現在暫時還不能使用這種資源，也許在未來人類把太空電梯建設好了，利用地球磁場發電的方式才能得到一定的應用。

人類為什麼不利用地球磁場來發電呢？

地球之所以能夠孕育並演化出形形色色的生命，除了處於宜居帶、擁有液態水、適宜的大氣層和一定濃度的氧氣之外，還與擁有穩定的磁場密不可分。大量來自宇宙空間的高能粒子和來自太陽的伽馬射線、X－射線，在到達地球外圍的磁場空間後，就會被反彈出去或者引導到地球的兩個磁極區域，從而最大限度地減弱了對地球表面的高能衝擊，為地表上生存的各種生物的正常生存和發展提供了安全的環境。大家都知道，透過切割磁力線可以產生電流，那為什麼我們不應用地球的磁場來發電呢？

磁場發電的原理

根據電荷守恆定律，在任何一種環境下，電荷都不會平白無故地產生，也不會無緣無故地消失，只能從一個物體上轉移到另一個物體上，或者從物體的一部分轉移到該物體的其它部位。大家看，這個守恆定律是不是和質量守恆、能量守恆定律的表述差不多，可見，守恆定律是物理學中的一個普遍規律。

物體都是由微觀粒子構成的，而原子是最基本的組成部分，原子是由帶正電荷的原子核及核外帶負電的電子所構成，正常情況下，兩者所帶的正、負電荷量是相等的，因此處於平衡狀態，對外不顯示帶電性。而當外界環境發生變化，使得原子核外的電子發生轉移，使得原子核與核外電子所帶的電量不相等時，原子本身對外就會表現出帶電性。

金屬導線裡面都含有自由電子，在沒有電場或者磁場影響時，這些自由電子都在做著無規則的運動，而電流的形成需要電荷的定向流動，因此在這種情況下導線裡面是形成不了電流的，導線上也不會出現電勢差。

而當金屬導線垂直於磁力線的方向作定向移動時，也就是我們常說的切割磁力線，那麼自由電子就會因磁場的作用，受到同一方向的作用力進行著相同方向的運動，在物理學中這個因磁場產生的作用力，稱之為洛倫茲力。自由電子的統一運動方向，是由磁場方向和切割磁力線的方向共同決定的，遵循著“右手法則”規律。在自由電子同方向的運動之下，就會在導線中形成電勢差。

如果導線是獨立非閉合狀態，則這種電勢差產生的電流是不可持續的，最終正、負電荷分別會在導線的兩端聚集，在導線內部形成洛侖茲力和內建電場力的平衡狀態，不會再產生新的電流。而當導線處於閉合狀態時，透過切割磁力線形成的正、負電荷會在磁場以外的區域發生中和，導線內部將不會形成內建電場，新的正、負電荷也將源源不斷地產生，於是感應電流就形成了。

利用地磁場形成感應電流的嘗試

知道了利用磁場進行發電的原理之後，還需要了解一個問題，那就是影響感應電流大小的因素都有哪些。透過先前科學家的理論和實踐研究，在理想狀態下，一個長度為L的導線，在磁感應強度為B的均勻磁場中，做著以相對速度為v的切割磁力線運動，那麼產生的感應電動勢值E=BLv。也就是說，磁感應強度越大、導線長度越長、速度越快，產生的電動勢強度也就越大。

科學家們在掌握這一規律之後，為了便於更直觀和有效地瞭解能否利用地球磁場進行發電，將目標瞄準了太空，因為在做這個實驗的時候，如果在地面將會受到諸多複雜因素的影響，無論是導線的長度還是運動速度，都將會受到嚴重製約。

在1992年的時候，美國科學家在利用阿特蘭蒂斯號太空梭運載相關衛星升空時，順便攜帶了一根長度達2萬米的金屬線，然後在太空中用這顆金屬線將太空梭和衛星連線在一起，以便做高速的切割地球磁力線的操作，結果真的發出了電，電流強度為3A左右，不過實驗不是很成功，金屬線發生了斷裂。後來在1996年時又做了一次相同的實驗，結果也不盡如人意。不過，透過這兩次實驗，人們意識到，透過切割地球磁力線，的確是可以產生電流的。

那為何不利用地磁場進行大規模的發電呢？

這裡關鍵有個發電成本的問題。剛才提到了，決定著切割磁力線產生感應電動勢的決定因素有3個，其中導線長度這個在地球上很好解決，長點就可以了，因此導線的運動速度和地球磁感應的強度就成為了能否大規模應用的關鍵。

首先來看一下最為“致命”的因素，那就是地球磁感應的強度是非常弱的。在地球附近區域的磁感應強度僅為500毫高斯左右，也就是5*10^（-5）特斯拉，一個小型的磁鐵的磁感應強度，都是地球這個值的幾千倍。地球這麼低的磁感應強度，即使將導線弄得很長，也意義不大，轉化後的電動勢數值太低。

另外，從切割磁力線的速度來看，要想獲得較大的感應電動勢，勢必要提升導線的運動速度，而這個很高速度的獲得需要投入大量的能量輸入，這與所轉化出來的電動勢相比，實在是入不敷出，兩者的投入產出比太低太低。

總結一下

雖然從感應電流的產生原理來看，利用地球的磁場進行發電沒有一點問題，但是受制於地球的磁感應強度實在是太低，在現有技術條件下，即使在太空中所獲取的感應電流也是微乎其微，與我們所投入的資金和能量輸入相比差距過於懸殊，得不償失。不過，隨著科學技術水平的發展，我們在突破地面與太空之間快速有效的物質傳輸（太空電梯）瓶頸，能夠利用地球自轉速度獲取穩定高速的導體切割線速度之後，在將來利用地球磁場進行大規模的發電和應用將指日可待。

理論上來說利用地球磁場來發電是完全可行的，而且科學家也曾經做過相關的實驗，但是為什麼我們現在依然要用熱電廠來發電呢？

電與磁

雖然人類在很早的時候就觀察到了電和磁，但是真正摸清它們之間的關係還要追溯到十九世紀。說到電與磁必然繞不開法拉第，作為發動機與電動機的發明人，法拉第稱得上是人類文明的改變者。

由電磁感應原理可知，放在變化磁通量中的導體，會產生電動勢。感應電動勢的大小可由公式E=BLVsin計算，公式中的B代表電磁場的強度、L代表導體在磁場中的長度、V表示導體切割磁感線的速度、Θ表示導體運動和磁場的方向夾角。

地球磁場可以用來發電嗎？

1992年7月，美國宇航局透過亞特蘭提斯號太空梭在太空進行了一場“栓系衛星系統”專案，而“太空懸繩發電”便是該專案的一部分。在該實驗中，太空梭在赤道上空自西向東飛行，同時用一根二十公里長的金屬繩連線在衛星上，太空梭與衛星和地心在一條直線上，太空梭懸放金屬絲進入電離層形成閉合迴路，在實驗過程中，科學家在金屬繩上檢測到了大約三安培的電流，因此利用地磁場發電是可行的。

為什麼人類不利用地磁場來發電？

首先來說地球的磁場強度其實是非常弱的，大約是0.5-0.6高斯，透過電磁感應公式E=BLVsin，要想獲得較強的電動勢，要麼增加切割地磁場導體的長度，要麼增加切割速度，畢竟地球的磁場強度我們是無法改變的，因此透過地球磁場來獲得人類目前需要的電能是不可能的。

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磁場是一種看不見，摸不著、傳遞實物間磁力作用的場，而我們的地球就是被磁場包圍著。

當然，包圍著地球的這個磁場也是看不見也摸不著的，不過在漫長的時光中，磁場始終保護著地球上的生物們。

我們知道法拉第電磁感應定理提到：磁可以生電。那麼既然地球有一個巨大的磁場，為什麼人類不利用這個磁場來發電呢？

地球磁場是如何的產生的？

關於地球磁場的產生並沒有一個準確的答案，不過有以下幾種主流假說:

早鐵磁體假說。

毋庸置疑的是地球由地殼、地幔和地核三部分構成，而在地核的最深處主要是由鐵和鎳兩種金屬元素組成，可以粗略的理解為地核本身是一個鐵塊，因此在早期的時候，科學家們共同認為地球磁場是由於地核自身產生的磁性產生的，這就是早期的早鐵磁體假說。

電荷旋轉假說

隨著科學家們的深入探索後，發現之前的假說並不正確，這都要歸功於皮埃爾居里先生做的實驗。

他選取了一些物質加熱到自身的居里溫度，發現它們的磁性就會消失，就比如鐵和磁鐵礦等這類磁性物質（它們的居里溫度大概是700℃），如果這些物質深入地表。

那麼在25公里以下就足以到達這個溫度，但在地球深處的物質溫度都高達4000℃，這個資料很明顯遠遠超過了磁性物質的居里溫度，這一發現足以能夠判斷出地球內部的鐵根本沒有磁性。

到了20世紀初，科學家們提出電荷旋轉假說，它主張地球上存在等量的兩種電荷，一種集中在地球內部，另一種則分佈在地球表面，並且隨著地球的自轉電荷旋轉產生環繞整個地球的圓形電流，而地球磁場的產生就是由這股電流激發出來的感應磁場。

雖然這個理論很好的透過電與磁解釋了地球磁場如何產生，但卻有一個致命的缺點，如果我們計算出地球表面的電荷儲量，就可以推算出地球電荷儲量的理論值。

可是經過計算後，人們發現理論值和真實情況差入很大，總的來說就是如果要想得到地磁場這樣的磁場強度，地球的電荷儲量需要擴大1億倍才行，因此電荷旋轉假說也無法成立。

雙圓盤耦合發電機模型

直到1958年日本地磁學家利五常次在發電機假說的基礎上提出了雙圓盤耦合發電機模型，認為在地核和地幔的交界的處，液態的外核物質會形成對流，以此構成一個巨大的發電機，也許地磁場就是由發電機發出的電流而激發產生的。

如果把對流的物質看作是旋轉的圓盤，那麼兩個圓盤之間就會產生兩股方向相反的電流，並且同時激發出兩個極性相反的磁場，由於這兩個圓盤旋轉的速度不同，這時強度更大的磁場會佔據優勢。

於是在電磁耦合效應的作用下，佔據優勢的磁場會被不斷增強放大，最終形成了地球磁場，並不斷髮生變化，他巧妙地解釋了地球磁場形成和變化的原因，並且當時還得到了學界的普遍認同。

地球磁場的存在對我們有哪些影響？

地球磁場對我們人類有著至關重要的作用：

首先地球磁場能夠使羅盤對準南北方向，所以有了地球磁場的存在，就能夠使指南針指向正確的方向，為我們導航，不讓我們迷路；其次或許大家都不知道許多鳥類、海龜、鮭魚甚至果蠅都有生物羅盤，地球磁場可以為這些鳥類指明方向遷徙，為海龜尋找合適的海灘產卵；然後，極光是非常美麗的一道風景線，而極光的產生是由地球磁場通道從太陽發出的帶電粒子—太陽風—進入我們地球的大氣層中時產生的，而太陽風通常會被我們的磁層所偏轉，圍繞著南北兩極，而磁層就像漏斗一樣向內傾斜，使太陽風與我們的上層大氣互動產生極光；最後也是地球磁場最重要的作用，作為保護我們地球的一道天然的屏障，我們地球受到太陽的影響非常大，並且太陽風在離地球大約64000公里以外以每秒數百公里的速度飛向地球，不斷地衝擊著地球的外圍環境，而當太陽粒子流到達地球附近時，一部分就會受到洛侖茲力作用繞過地球，剩下的會被類似磁鏡的地磁系統所俘獲，地球磁場會攔截太陽輻射來的帶電粒子，以及對我們生命體具有危害的宇宙射線，使它們難以到達地面，而是留在地球高層大氣之外環繞地球流動。電磁感應現象的原理。

磁生電現象是由英國科學家法拉第發現的，其原理為閉合電路的一部分導體在做切割磁感線運動時，在導體上產生電流的現象叫電磁感應現象，產生的電流被稱為感應電流。

也就是說當導體的兩端接在電流表的兩個接線柱上，會組成一個閉合電路，而導體在磁場中向左或向右運動時（做切割磁力線運動），電流表的指標就會發生偏轉，這時電路中就產生了電流，這樣產生的電流就叫做感應電流，發電機的工作就是這個原理。

事實上電和磁是不可分割的，電生磁、磁生電，電和磁是始終交織在一起的。電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，揭示了電磁現象之間的相互聯絡和轉化，對麥克斯韋電磁場理論的建立有重大意義。

地球磁場可以產生電嗎？

利用地球磁場產生電，理論上是可以的，因為磁場要想產生電需要滿足:一是存在能流出又能流回來的閉合導線，即形成閉合電路；二是磁通量要發生變化，所以當閉合電路中的一段導線在做切割磁感線運動時就會在導線中產生感應電動勢：E=BLv。

比如在1992年美國就利用“阿特蘭蒂斯”號太空梭，在地球赤道軌道飛行時發射了一顆衛星，之間用金屬繩連線，之後拖著金屬繩來做切割地磁場的磁感線運動，確實發出了電，不過發出的電流僅僅為3安，最終金屬繩也斷裂了，因此利用地球磁場發電理論上是可行的。

為什麼人類不利用地球磁場來發電呢？

雖然理論上利用地球磁場發電是行得通的，但最大的問題是地球磁場的強度太弱了。因為E=Blv，而地磁場的磁感應強度特別小，僅僅只有500－600毫高斯，而低磁場強度的磁電轉化率就非常低，所以這就需要很大的l或者是很大的v來產生電流。