第七章 電與磁
人類對電現象的初步認識很早就有記載，早在公元前585年，古希臘哲學家塞利斯，已經發現了摩擦過的琥珀能吸引碎草等輕小物體。中國在東漢時期的王充在《論衡》一書中提到「頓牟掇芥」等問題，所謂頓牟就是琥珀，掇芥意即吸引菜籽，就是說摩擦琥珀能吸引輕小物體。中國西漢末年，有關於「玳瑁」吸（細小物體之意）的記載，以及「元始中（公元三年）……矛端生火」，即金屬制的矛的尖端放電的記載。晉朝（公元三世紀）還有關於摩擦起電引起放電現象的記載：「今人梳頭，解著衣，有隨梳解結，有光者，亦有聲。」
在對電與磁現象的早期研究中，最早進行系統研究的首推英國醫生威廉·吉爾伯特，他在文章中說：「隨便用一種金屬製成一個指示器……在這個指示器的另一端，移近一個輕輕摩擦過的琥珀或者是光滑的磨擦過的寶石這指示器就會立即轉動」，並且發現不僅摩擦過的琥珀有吸引輕小物體的性質，而且其它物質像金剛石、水晶、硫磺、硬樹脂、明礬等也有這種性質，他把這種性質稱為電性。
磁體能夠吸引鋼鐵一類的物質。它的兩端吸引鋼鐵的能力最強，這兩個部位叫做磁極。在科學歷史上，電與磁是分別發現和研究的。後來，電與磁之間的聯繫被發現，如奧斯特（H.C.Oersted）發現的電流磁效應和安培發現的電流與電流之間相互作用的規律。再後來，法拉第提出了電磁感應定律，這樣電與磁就逐步連成一體了。
電與磁現象是不可分割的，簡單地說，就是電生磁、磁生電。
§1 對電的研究
蓋利克(Van de Graaff 1602～1686)德國物理學家和工程師。曾經表演過著名的馬德堡半球實驗的科學家，於1660年發明了第一臺能產生大量電荷的摩擦起電機，他用硫磺製成形如地球儀的可轉動物體，用乾燥的手掌擦著乾燥的球體使之停止可獲得電，蓋利克的摩擦起電機經過不斷改進，在靜電實驗中起著非常重要的作用。
18世紀中葉，電學實驗逐漸在歐洲普及，在法國和荷蘭有不少人公開表演以為娛樂。1731年，英國牧師格雷在實驗中發現，由摩擦產生的電在玻璃和絲綢這類物體上可以保持下來而不流動，而有的物體如金屬，它們不能由摩擦而產生電，但卻可以用金屬絲把房裡摩擦產生的電引出來繞花園一周，在末端仍具有對輕小物體的吸引作用，他第一次分清了導體和絕緣體，並認為電是一種流體。
電既是一種流體，而流體若如水是可以用容器來蓄存的，1745年，德國牧師克茉斯脫，試用一根釘子把電引到瓶子裡去，當他一手握瓶，一手摸釘子時，受到了明顯的電擊。1746年，荷蘭萊頓城萊頓大學的教授彼得·馮·慕欣布羅克無意中發現了同樣的現象，用他自己的話說：「手臂和身體產生了一種無形的恐怖感覺，總之，我認為自己的命沒了」。就這樣穆欣布羅克公布了自己意外的發現：把帶電的物體放進玻璃瓶裡，就可以把電保存起來，這就是著名的萊頓瓶。
萊頓瓶的發明使物理學第一次有辦法得到很多電荷，並對其性質進行研究。1746年，英國倫敦一名叫柯林森的物理學家，通過郵寄向美國費城的班傑明·富蘭克林贈送了一隻萊頓瓶，並在信中向他介紹了使用方法，這導致了1752年富蘭克林著名的費城實驗。他用風箏將「天電」引了下來，把天電收集到萊頓瓶中，從而弄明白了「天電」和「地電」原來是一回事。
1729年英國的格雷研究琥珀的電效應是否可傳遞給其它物體時，發現導體和絕緣體的區別。1733年法國的杜費把電區分為「玻璃的」和「樹脂的」兩種，他得到：帶相同電的物體互相排斥，帶不同電的物體彼此吸引。他把電想像為二元流體，當它們結合在一起時，彼此中和。當初規定：用毛皮摩擦過的玻璃所帶電荷為正電荷，用毛皮所帶電荷為負電荷。後來演變成，原子的質子帶正電，電子帶負電。
十八世紀後期，貝內特發明驗電器，這種儀器一直沿用到現在，它可以近似地測量一個物體上所帶的電量。另外，1785年，庫侖(C A de Coulomb 1736～1806)發明扭秤，用它來測量靜電力，推導出庫侖定律，並將這一定律推廣到磁力測量上。科學家使用了驗電器和扭秤後，使靜電現象的研究工作從定性走上了定量的道路。
庫侖定律是在無限大真空中，兩個點電荷q1與q2間作用力的定律，是電磁場理論的基本定律之一。它說明q1對於q2的作用力F與它們之間距離r的平方成反比，與電量q1、q2分別成正比。庫侖定律是法國物理學家庫侖於1785年通過扭秤實驗得出的。他使用扭秤測量了作用力，但是當時的實驗精度不高。通過間接的方法,可以檢驗平方反比律中指數2的精確程度。J.C.麥克斯韋得出,若令公式中r的方次為2+δ,δ為誤差，則δ的上限為|δ|≤1/21600。1936年，S.J.普林頓和W. E.勞頓通過實驗得出：|δ|＜2×10-9。1971年,E.R.威廉斯、J.E.費勒和H.A.希爾求得δ的極限值為(2.7±3.1)×10-16 。此外，E.盧瑟福所做的原子核對α粒子散射的實驗證明:在帶電粒子間近至10-12cm的核尺度上,庫侖定律仍保持有效。但對於比這小的距離,定律則不成立。
§2 電與磁的相互作用
在吉爾伯特思想的影響下，磁學研究和電學研究是各自獨立地進行著，早期的電現象、磁現象的研究曾得出電與磁互不相干的結論。
1750年富蘭克林已經觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化與退磁。之前的1640年，有人觀察到閃電使羅盤的磁針旋轉。可是，直到19世紀初，科學界仍普遍認為電與磁是兩種相互獨立的現象。與這種主流觀念相反，丹麥物理學家奧斯特一直堅信相信電、磁、光、熱等現象相互存在內在聯繫，尤其是富蘭克林曾經發現萊頓瓶放電能使鋼針磁化，更堅定了他的信念。
1820年4月的一個夜晚，在丹麥哥本哈根大學任教的奧斯特(Hans Christian Oersted，1777～1851) 在講學中實驗，他將導線的一端和電池正極連接，導線沿南北方向平行地放在小磁針的上方，當導線另一端連到負極時，磁針立即指向東西方向。把玻璃板、木片、石塊等非磁性物體插在導線和磁針之間，甚至把小磁針浸在盛水的銅盒子裡，磁針照樣偏轉。奧斯特認為在通電導線的周圍，發生一種「電流衝擊」。這種衝擊只能作用在磁性粒子上，對非磁性物體是可以穿過的。磁性粒子受到這些衝擊時，阻礙它穿過，於是就被帶動，發生了偏轉。他認為電流衝擊是沿著以導線為軸線的螺旋線方向傳播，螺旋方向與軸線保持垂直。這就是形象的橫向效應的描述。這實驗證明電與磁的現象存在聯繫，使歷來相信電與磁無關的科學家大為震動。電流磁效應的發現揭示了電與磁的內在聯繫，為電與磁的研究方向帶來了一次飛躍。
1820年10月20日，在法國科學院的一次會議上，畢奧(Jean Baptiste Biot，1774～1862)和薩伐爾(Felix Savart 1791～1841)宣讀了題為《運動的電傳遞給金屬的磁化力》的論文，報告了他們對電流磁效應精確分析的結論，即畢奧—薩伐爾定律：直線電流對磁極的作用力正比於電流的強度，反比於它們之間的距離的平方，作用力的方向則垂直於磁極到導線的垂線。
1821年9月，英國物理學家法拉第(Michael Faraday，1791～1867)在重複奧斯特的電流磁效應實驗時發現，磁針的磁極不是在磁針端點，而是在磁軸上距離磁針端點很小一段距離處。從確定磁針相對於載流直導線的位置中，法拉第發現了電磁旋轉現象。在導線近旁放一個水平磁針使之處於「自然位置」，即垂直於導線的位置，然後沿磁針的軸線方向移動磁針，例如N極趨近導線，可以看到先是 N極被導線吸引，繼續而又被排斥的現象。這與奧斯特在同樣情況下只觀察到吸引一種現象不同。法拉第不但觀察到磁極受通電導線吸引或排斥的現象，而且觀察到磁極繞電流轉動以及電流繞磁極轉動的現象，即所謂的電磁旋轉現象。
1821年12月在《英國哲學年鑑》，法拉第發表總結上述實驗成果的論文《論某些新的電磁運動和磁的理論》，探討電磁旋轉現象，聯繫到磁體周圍的鐵屑排列成的曲線，他提出了磁力線的思想。
電對磁有作用，磁對電就有反作用；電流能產生磁，則磁也一定能夠產生電流。法拉第在1823年就有了這樣的預見。然而，直到1831年8月29日，法拉第才完成第一次成功的實驗。有軟鐵環的A組，繞了三個線圈，可以串聯起來使用，也可以分開使用。在B組以同樣的方向繞了二個線圈。把B組的線圈接到檢流計上，把A組的線圈接到電池組上。當電路接通時，法拉第看到檢流計的指針立即發生明顯的偏轉、振蕩，然後回到原來的位置上。這表明線圈B中曾經出現過感應電流。當電路A斷開時，指針向相反方向偏轉。把A組的三個線圈串聯成一個線圈重作以上實驗，對磁針產生的效應比以前更加強烈。B組的感應電流是明顯的，又是瞬時的，只在A組斷開和接上電源時的瞬間產生。法拉第的這個實驗裝置很像我們現在使用的變壓器。
法拉第把產生感應電流的情況概括成五類：變化著的電流；變化著的磁場；運動的穩恆電流；運動的磁場；在磁場中運動的導體。
1833年，生於德國的俄國物理學家楞次(Heinrich Friedrich Emile Lenz 1804～1865)發現，在電磁感應中，感生電動勢阻止產生這一感應的磁鐵或線圈的運動，表明電磁現象遵守能量守恆和轉化定律。此結論於1839年發表，後被稱為楞次定律。
為了解釋電磁感應現象，法拉第提出了力線的思想。在1852年1月11日發表的《關於磁力的物理線》一文中，他強調力線是一種物理存在：「茲舉太陽施加給地球的照明或熱力為例。在這情況中，射線(即力線)通過中間的空間；但是我們也可以在它們的路徑中間用不同介質來影響它們。」在談到磁力線的物質承載者時，他指出：「它可能像光線一樣靠以太而存在。光與磁已經聯在一起了。它的存在可能取決於與磁力密切有關的某種張力狀態，振動狀態或與電流有關的其它狀態。」他認為磁力線依賴於物質才能存在。他又寫道：「如果我們假定它須靠以太才能存在而承認以太是屬於物質種類的話，那末這種力線可能要靠物質的某些作用才能存在。」
法拉第認為：「……磁作用的傳播需要時間，即當一個磁鐵作用於另一個遠處的磁鐵或者一塊鐵時，產生作用的原因(我以為可以稱之為磁)是逐漸地從磁體傳播開去的；這種傳播需要一定的時間，而這個時間顯然是非常短的。」這表明，在法拉第那裡已經孕育著電磁作用傳播的波動性質以及它們傳播的非瞬時性思想。
法拉第關於力線和場的概念對於電磁學的發展以及整個物理學的發展影響深遠。幾十年後，約·湯姆遜(J．J．Thomaon，1856～1940)評論說：「在法拉第的許多偉大的貢獻之中，最偉大的一個就是力線概念了，我想電場和磁場的許多性質藉助於它就可以簡明而富有啟發性地表示出來。」場的概念和力線的模型，對當時的傳統觀念是一個重大的突破，從此超距作用的觀念逐漸衰敗，場距作用觀念日益強化及完善。
電磁感應現象是電磁學研究中最重大的發現之一，是法拉第所獲得的最偉大的實驗成果。這一發現進一步揭示了電與磁的相互聯繫和轉化。電磁感應定律是電磁理論和電磁測量的基石，是發電機的理論基礎，指引人類邁入了利用電能的新時代。
在法拉第發現電磁感應現象的1831年，英國蘇格蘭的古都愛丁堡誕生了一位偉大的科學家—詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clark Maxwell，1831～1879)。
當時，有關電磁相互作用存在兩種相互對立的觀點。一種是超距作用學說，是自英國科學家牛頓以來形成的觀點，以庫侖、W.韋伯、F.E.諾埃曼、安培等人為代表，認為兩個電荷之間相互作用力，不需要媒介參與，可以超越空間距離而互相作用。另一種是媒遞作用學說，是自法國科學家笛卡兒以來形成的觀點，認為空間存在一種能傳遞電力的媒質（稱作以太），電荷間通過媒質互相作用。法拉第通過實驗揭示了空間媒質的重要作用，認為在空間媒質中充滿了電力線，即通過場來傳遞，但媒遞作用學說缺乏數學基礎，不易為人接受。麥克斯韋不相信電磁相互作用超距的觀點，嘗試以數學形式來表達法拉第的思想。
1856年2月，24歲的麥克斯韋在劍橋哲學學報上發表論文《論法拉第力線》，建立一種假想流體的力學模型，試圖用數學語言表述法拉第的力線思想，蘊含了他有關電磁理論的新思想，提出了感生電場的概念：「力線的切線方向就是電場力的方向，力線的密度表示電場力的大小」麥克斯韋的這種假想流體模型：一是沒有慣性，因而也就沒有質量；二是不可壓縮；三是可以從無產生，又可消失。
1862年，麥克斯韋在英國《哲學雜誌》第4卷23期發表了《論物理力線》一文，設計了電磁作用的力學模型，試圖用力學觀點解釋電量和磁量之間的關係。麥克斯韋突破了法拉弟的電磁觀念，創造性地提出了自己理論的核心部分—位移電流的概念，構造了一個與以前的流體力學模型不同的、新的電磁以太理論模型。
以傳統的電磁學和動力學的思想，交變電流通過含有電容器的電路時，電荷不能在電容器極板之間移動，傳導電流將中斷，這與電流可以通過電容器的事實相矛盾。麥克斯韋認為在交變電流電路中，電容器一個極板上變化的電場會引起感生磁場，變化的磁場又會在電容器的另一極板上引起感生電場，產生交變電流，所以變化電場的作用就相當於傳送電流。不過，這不是電荷的傳導，而是電荷的位移。麥克斯韋在無導體存在的磁場中引入了「位移電流」的概念。位移電流和傳導電流迭加起來，在電容電路中的總流線是閉合的。位移電流概念的引入，是麥克斯韋理論的關鍵所在，也是他的重要假設，即假設電場變化激發磁場變化。法拉第的電磁感應定律，是說明磁場變化激發電場現象的。麥克斯韋把變化的電場和磁場以對稱的形式聯繫起來，使法拉弟的電生磁、磁生電的思想精確化和完善化。
麥克斯韋把磁旋轉概念與法拉第的力線思想相聯繫，設想了一個「分子渦旋」模型，假設渦旋繞磁力線旋轉，即從S極到N極沿磁力線看去，渦旋在順時針方向旋轉，由於旋轉引起的離心力使每個渦旋在橫向擴張，從而縱向收縮，因而磁力線在縱向表現為張力，就像繩上的拉力一樣。橫向表現為壓力。
之前，「以太旋渦」的思想已經出現。1856年，威廉姆·湯姆遜從研究光的偏振面在磁場中的旋轉效應得出磁具有旋轉的特徵，認為磁致旋光效應可以歸結為以太振動和分子旋轉運動之間的耦合。麥克斯韋受到啟發，認為磁是一種旋轉的現象，構建出分子渦旋模型，假設電磁場介質中充滿著渦旋分子，在這些渦旋分子之間夾著許多小的電粒子。渦旋軸代表磁力線的方向，渦旋旋轉速度表示磁場強度的大小。在兩個同向旋轉的分子中間的電粒子起著惰性輪的作用，這些電粒子只會轉動而不會產生平移；在兩個異向旋轉的分子間，電粒子不發生轉動而產生平動，從而形成電流。
以分子渦旋假設，麥克斯韋解釋磁場作用於磁極上的力。假設有一組磁力線是從左向右的平行線，放置在磁場中的磁北極N向外發出力線，在N極的右邊與原磁場方向一致，使磁場得到加強；在N極的左邊與原磁場方向相反，使磁場受到削弱。因此這個場的渦旋的轉速在N極的右邊將加快，在N極的左邊將減慢。從而使N極右邊的張力將比左邊的張力大，所以磁北極將沿著場的方向被拉向右邊。類似的，南極將被拉向左邊。
以分子渦旋假設，麥克斯韋這樣解釋磁場作用在電流上的力。假設一個垂直於紙面的長直電流放在一個垂直向上的均勻磁場中，由電流產生的磁力線使它右邊的磁場加強，而使左邊的磁場削弱。因此在導線右邊的渦旋轉速加快，給導線向左的壓力加大；在導線左邊，渦旋轉速減慢，給導線向右的壓力減小，其結果將把導線推向左邊。
麥克斯韋認為，在電場變化著的電介質中也存在電流，並稱之為「位移電流」。麥克斯韋在計算出這種電流的速度時，驚奇地發現：位移電流的速度(每秒310740千米)恰好等於光速。1856年，德國人韋伯(Wilhelm Eduard Weber, 1804～1891)和柯爾勞斯(Rudolph Kohlrausch，1809～1858)測量出這一值為 3.1074×108m/s，這正是μ=1的渦旋介質中波的傳播速度。這個值與A.H.L.斐索(Fizeau1819～1896)在1849年用齒輪法測定的光在空氣中的速度3.14858×108m/s符合得很好。因此，在論文裡，麥克斯韋認為，光應是一種電磁波。他寫道：「我不能迴避這樣的推論，光是起源於電磁現象的，在媒質中傳播的橫振動。」
1865年，麥克斯韋在《倫敦皇家學會學報》發表了《電磁場的動力學理論》，認識到分子渦旋運動只是一種力學運動，用它去解釋複雜的電磁現象是不夠的，放棄了自己提出的力學模型轉向場論的觀點，論述了光現象和電磁現象的統一性。
麥克斯韋提出了電磁場的概念：「我提出的理論可以稱為電磁場理論，因為它與帶電體或磁體附近的空間有關；它也可以稱為動力學理論，因為它假定在該空間中有運動的物質，從而產生了我們所觀察到的電磁現象。」這是一種革命性的思想!
麥克斯韋假設，產生電磁現象的作用力是在空間媒質中和在電磁物質中進行的，在真空中有以太媒質存在，瀰漫整個空間，滲透到物體內部，具有能量密度，並能夠以有限速度傳播電磁作用。當電介質極化時，在分子範圍內發生微觀電荷移動的現象，這種微觀電荷移動產生一種瞬息電流。麥克斯韋假設，在真空中，由於以太媒質的存在，電場變化時同樣也有位移電流出現。位移電流和傳導電流一樣，也按照畢奧—薩伐爾定律的規律產生磁場。位移電流和傳導電流疊加起來的總電流（即全電流）線是閉合的。
在真空位移電流概念的基礎上，麥克斯韋建立了由20個變量、20個方程組成的電磁場方程組，概括了各種電磁學的實驗規律，是已知的各種電磁規律的總結，又遠遠超出已有的實踐。
麥克斯韋還採用法國數學家、力學家拉格朗日（1736～1813）與愛爾蘭數學家、物理學家哈密頓（1805～1865）的數學方法，推導出電磁場的波動方程，表明，電場和磁場以波動形式傳播，二者相互垂直並都垂直於傳播方向。若在空間某一區域中的電場發生了變化，在它鄰近的區域就會產生變化的磁場；這個變化的磁場又會在較遠的區域產生變化的電場，變化的電場與變化的磁場不斷相互產生，就會以波的形式在空間散開，即以波的形式傳播，稱為電磁波。電場與磁場具有不可分割的聯繫，是一個整體，即電磁場。麥克斯韋引入了一個電磁場能量方程，指出，在超距作用理論中，能量只能存在於帶電體、電路和磁體中，而根據新的理論，能量則存在於電磁場和這些物體中。這樣，能量就被定域於整個電磁場空間，揭示了電磁場的物質實在性，說明電磁波就是能量的傳播過程。
1868年，麥克斯韋發表了一篇論文《關於光的電磁理論》，明確地創立了光的電磁學說：「光也是電磁波的一種，光是一種能看得見的電磁波。」麥克斯韋把原來相互獨立的電、磁和光都統一起來。
1873年麥克斯韋出版《電學和磁學通論》(也稱《電磁學通論》(Treatiseon Electricity and Magnetism))，對電磁理論作了系統、嚴密的論述，從數學上證明了方程組解的唯一性，表明麥克斯韋方程組能夠反映電磁場的客觀運動規律。變化的電場和變化的磁場互相激發，組成一個統一的電磁場的整體。變化的磁場激發變化的渦旋電場，變化的電場激發變化的渦旋磁場。這就是麥克斯韋電磁場理論的基本思想。至此，經幾代人的努力，電磁場理論的大廈終於建立起來。
《電學和磁學通論》雖然搶購一空，麥克斯韋的電磁理論又具有內在的完美性，並和已知的電磁現象相符，卻在相當長的時間裡沒有得到認可，許多科學家都抱著懷疑的態度。主要原因是，麥克斯韋的電磁理論觀點新穎，數學深奧；電磁波是檢驗電磁理論的關鍵，麥克斯韋預言存在的電磁波一直沒有得到實驗的驗證。
1879年11月5日，年僅49歲的麥克斯韋因患癌症去世。1888年，德國物理學家赫茲(Heinrich Rudolf Hertz, 1857～1894)根據電容器放電的振蕩性質，設計製作了電磁波源和電磁波檢測器，檢測到電磁波，測定了電磁波的波速，與光波一樣。之後，科學家們才開始重視麥克斯韋的理論，公認他是「牛頓以後世界上最偉大的科學家」。《電學和磁學通論》成為一部可以同牛頓的《自然哲學中的數學原理》、達爾文的《物種起源》和萊伊爾的《地質學原理》相媲美的物理裡程碑式的著作，具有劃時代的意義。
義大利科學家馬可尼（Guglielmo Marconi 1874～1937）首先想到利用電磁波來傳遞信息，根據電報密碼來按發報機的電鍵進行無線電報通信。1897年5月，他第一次實現了距離9英裡的無線電聯繫。1899年，實現了橫跨英吉利海峽之間的無線電通訊，這是人類第一次用電磁波傳送信息，電文是：「你的來電收妥無誤，而且很清楚。」1901年，他成功地從英國科爾努埃爾發出電報，越過大西洋上空，與加拿大紐芬蘭建立了聯繫。馬可尼因此成為世界上第一位發現電磁波可以傳遞信息，並實現了無線電通訊的科學家。人類的生活因為電磁波的廣泛應用發生巨大的改變。
麥克斯韋以高斯、奧斯特、法拉第等人的實驗成果和理論思想為基礎建立的電磁理論，被認為是電動力學世界觀對牛頓力學世界觀的一次進步，它指示人們用場的概念來想問題。
牛頓力學的物質觀(對物質結構的認識)是所謂「機械論」，它認為「現象世界」的五光十色的運動形式都可以歸結為原子的機械運動（即位置移動）。古希臘的原子論哲學家德謨克裡特對這種世界觀作或許是最早的表述：「按照意見存在著溫暖，按照意見存在著寒冷，按照意見存在著顏色、甜味、苦味；但按照真理，則只存在原子與虛空。」1842年，機械論的基本觀點才獲得第一次證實。「熱的唯動說」把熱現象歸結為分子的機械運動，形成了把一切運動歸結為機械運動的狂熱。可是，把電磁運動歸結為機械運動的嘗試失敗了。法拉第和麥克斯韋的電磁場論卻把電磁現象統一於一組場數學方程。
1895年，荷蘭物理學家、數學家洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz 1853～1928）提出了後人稱為「經典電子論」的思想，認為電具有「原子性」，電的本身是由微小的實體組成的(後稱為「電子」)，電子是基本的帶電粒子，作為電磁場的場源，它激發一個電磁場，這是電子的「固有電磁場」，是電子的自身的組成部分。電子是一個帶電粒子與一個電磁場的統一體。帶電粒子的運動是機械運動，而電磁場的運動則是電磁運動，兩者統一於「電子的運動」。電子論把一切物理運動歸結為機械運動與電磁運動，把一切運動歸結為電子的運動。電流可以看作電子的一種運動的集合。
作為基本假設，洛倫茲引入了洛倫茲力，認為運動電荷在電磁場中會受到力的作用。洛侖茲力垂直於電荷的運動方向，不改變電荷速度的大小，只改變電荷速度的方向；洛侖茲力不做功，只是充當了電荷在磁場中運動的向心力。
洛倫茲用波動方程（非齊次波動方程，也稱達朗貝爾方程）取代泊松方程來描述電磁過程。泊松方程表示電磁作用是「瞬時」的超距作用，與牛頓、庫侖、安培等人的思想吻合；波動方程則表示電磁作用是接觸作用，與笛卡爾、法拉第、麥克斯韋等人的思想吻合。泊松方程遵循的伽利略變換，波動方程則遵循洛倫茲變換，伽利略變換表現牛頓力學的時空觀，洛倫茲變換則表現電動力學的時空觀。因此，用波動方程取代泊松方程來表現電磁過程已經蘊含著物理學史上的一次空前的大變革。
§3 關於磁的性質
奧斯特發現電流的磁效應之後，有些物理學家認為，有些物質(如鐵)所表現的宏觀磁性也來源於電流。(那時還未發現電子。)1822年，安培提出分子電流假說來解釋物質的磁性。磁性物質的分子中，存在著迴路電流，稱為分子電流(「安培電流」)。分子電流的磁效應相當於一個小磁針。當分子處於雜亂無章的狀態，各個分子之間磁效應相互抵消，對外不表現磁性；當分子處於有序狀態，各個分子之間磁效應相互加強，對外表現磁性。物質磁性決定於物質內的分子電流。電流是磁現象起源的思想影響至今。
十九世紀上葉，法拉第發現，物質在磁場的作用下都表現出一定程度的磁性，除了極少數像鐵那樣的強磁性物質外，一般物質的磁化率的絕對值都很小，具體可以分為兩類。一類物質的磁化率是負的，稱之為抗磁性物質。這類物質在磁場中獲得的磁矩方向與磁場方向相反，故在不均勻磁場中被推向磁場減弱的方向，即被磁場排斥。另一類物質的磁化率是正的，在不均勻磁場中被推向磁場增強的方向，即被磁場吸引，法拉第稱之為順磁性物質。像鐵那樣強的磁性顯然是特殊的，應另屬一類，後稱鐵磁性物質。
在法拉第以後的近百年時間裡，物質的磁性就這樣分成三大類。直到1932年，法國科學家尼爾（Louis Eugene Felix Neel, 1904～）增加了第四類：反鐵磁性。他提出了一種晶格模型，它由兩套格子交錯而成，而其磁場以相反方向作用，使可觀察到的場互相抵消。他還證明，這種有序狀態在某一溫度時會消失(反鐵磁性物質磁性特徵是磁化率幾乎為零。這種現象的存在與溫度有關，只在某個溫度以下才出現)，這個溫度現在稱為尼爾點，與鐵磁現象中的居裡點相類似。1948年，尼爾解釋了在鐵氧體材料中發現的強磁現象。他把鐵氧體材料稱為亞鐵磁鐵，認為在這些物質中，晶格可能具有不同的強度，因而會產生外場。例如在磁鐵礦(Fe3O4)中，有三個鐵原子、四個氧原子，其中兩個鐵原子的影響互相抵消，而第三個給出了可觀測到的磁場。由於亞鐵磁鐵物質的弱導電性，在電話學、磁帶塗層、計算機的記憶磁芯和低損耗的高頻率技術中都極其有用。
1895年，法國物理學家皮埃爾·居裡(Pierre Curie,1859～1906)在實驗中發現，鐵磁性存在臨界溫度。鐵的強磁性隨溫度上升而減弱，在某一溫度以上鐵會失去其強磁性（這一溫度稱為居裡點，後稱居裡溫度）。大量實驗表明，順磁體的磁化率不依賴於磁場強度而與絕對溫度成反比(這被稱為居裡定律)；抗磁體的磁化率不依賴於磁場強度且一般不依賴於溫度。純鐵的居裡溫度為770℃。
鐵磁性物質的最明顯的特點是易於磁化，它的磁化率比強順磁物質要高几個數量級，並隨磁場強度而變。磁化強度有飽和現象，即在一定溫度下達到某強度時有不再隨磁場的增強而增強的趨勢。
鐵磁物質還存在磁致伸縮現象，即在磁化過程伴隨著磁化狀態的變化會產生長度和體積的變化，可以用這一效應產生超聲波。第一次世界大戰期間，應用超聲波原理，研製成水下信號發射和超聲回聲探測器，即聲納，可以搜索水下的潛水艇，這一方法很快在軍事和其他科學研究中得到廣泛應用。現在超聲原理也用在醫學、及工業探傷。
1905年，皮埃爾·居裡的學生朗之萬（Paul Langevin1872～1946）將洛侖茲1895年提出的電子論應用到磁性研究，提出關於磁性的理論，證明抗磁性的普遍性，認為抗磁性與溫度無關。根據磁矩在磁場中的取向作用，對順磁性也作了理論分析，提出了朗之萬理論和朗之萬函數。朗之萬用原子內部作軌道運動的電子在外磁場下的拉莫爾進動來解釋抗磁性。由於原子內部電子的運動不易受溫度影響，因而抗磁性很少隨溫度變化（金屬鉍除外，對此朗之萬和J.J.湯姆遜一樣把它歸之於自由電子的效應）。他還用經典統計法計算了順磁介質的磁化強度隨溫度的變化關係。當分子磁矩的取向能與熱運動能相比小得多時，可得出磁化率與絕對溫度成反比，與實驗上的居裡定律相一致。
1907年，法國物理學家外斯（Pierre Weiss, 1865～1940）以朗之萬理論的思想為基礎，提出了分子場假說和磁疇假說。原子都由帶電粒子組成，而磁性又總是與電荷聯繫在一起的。外斯於是認為，鐵磁物質內部存在強大的「分子場」，即使無外加磁場，其內部各區域也已經自發磁化了。外磁場的作用僅僅是將各區域的磁矩方向調整到外磁場方向上，使它們沿一個方向排列起來，整塊鐵就成了一個大磁體。因此，在很弱的外磁場下，鐵磁質即可達到飽和磁化狀態。磁疇假說認為，鐵磁體內部自發磁化分為若干區域（磁疇），每個區域都自發磁化致飽和，未加磁場時，各區域磁矩方向雜亂無章，故磁性相互抵消，宏觀上不顯磁性。在這兩個假說的基礎上建立的理論稱為分子場理論。分子場理論對鐵磁性物質的磁性的解釋得到了許多科學家的認可，它說明了鐵磁物質的自發磁化，給出的磁化強度與溫度的關係與實驗也基本相符，並導出了居裡溫度和居裡—外斯定律。
分子場理論的成功促使人們去尋找分子場的起源。但是這一問題在經典力學的框架內根本無法解決。分子場不可能由原子磁矩產生，因為原子磁矩產生的磁場比分子場小了3個數量級。β粒子通過鐵磁體的偏轉實驗也證明，鐵磁體內部並不存在磁性質的分子場。在量子力學建立之前，沒有人能對分子場的起源做出過合理的解釋。
1928年，德國科學家海森伯(Werner Karl Heisenberg , 1901～1976)根據氫分子的結合能與電子自旋取向有關的量子力學計算結果，提出了鐵磁體的自發磁化來源於量子力學交換作用的海森伯模型。海森伯應用量子力學中電子的交換效應來解釋鐵磁體內磁有序現象的產生，認為分子場實際上就是電子之間交換作用的一種平均場近似。這一模型的建立，為鐵磁性量子理論的發展奠定了基礎。
鐵磁性材料存在「磁疇」結構。磁疇是磁矩方向一致的小區域，含有若干個原子。各磁疇之間存在有一定寬度的疇壁。磁疇的形成是由於近鄰原子間的交換作用。交換作用是指處於不同原子的、未被填滿殼層上的電子之間發生的特殊相互作用。在晶體內，參與這種作用的電子已不再局限於原來的原子，而是「公有化」了，原子間好像在交換電子，故稱為交換作用。這種交換作用相當於一個強磁場作用於各原子磁矩，使其平行排列，在鐵磁體內部自發地形成了磁化到飽和的小區域－磁疇。鐵磁體的這種磁化不是依賴外磁場的作用，因此稱為自發磁化。自發磁化是鐵磁物質的一個基本特性。是其與順磁物質的區別所在。由這種交換作用所產生的交換能與晶格的原子間距有密切關係。當原子間距離很大時，交換能接近於零,隨著距離的減小,相互作用增加。當原子間距a與未被填滿的電子殼層的半徑r之比大於3時,交換能為正值,材料呈現鐵磁性;當a /r<3時,交換能為負值,材料呈現反鐵磁性。
鐵磁體在外磁場作用下的磁化過程主要是疇壁的移動和磁疇內磁矩的轉向，這樣一種磁化過程使得鐵磁體只需在很弱的外磁場條件下就能得到較大的磁化強度。當溫度高於居裡溫度時，由於原子熱振動加劇而使磁疇消失，鐵磁性也就消失了。
迄今，科學家傾向於相信，一切磁現象的根源是電流，磁現象起源於電荷的運動。環形電流都會產生磁場，具有磁矩。物質的磁性來源於電子的運動。電子繞原子核運動，產生電子軌道磁矩；電子本身自旋，產生電子自旋磁矩。實驗證明，電子的自旋磁矩比軌道磁矩要大的多，每個電子自旋磁矩的大小近似等於一個玻爾磁子。原子核也自旋，由於其質量大，運動速度只是電子自旋速度的幾千分之一，其磁矩與電子相比可以忽略。因此，物質的原子磁矩就等於核外所有電子的自旋磁矩與軌道磁矩之代數和。不同原子的核外電子分布不同，原子磁矩各異。如果原子各層能級被電子填滿，則電子磁矩互相抵消，就不顯出磁性。而鐵原子,原子序數26, 核外有26個電子,分布為1s22s22p63s23p64s23d6。除3d層外的其他層均被電子填滿，自旋磁矩抵消。在3d層上有5個軌道，電子首先儘可能填充到不同的軌道上,並且它們的自旋儘量在同一方向上，所以3d層的6個電子有5個自旋方向一樣，有一個是相反的方向，這樣有一對電子的磁矩可以抵消, 最終鐵原子有4個電子的原子矩陣。
某些物質即使沒有外加磁場的作用也可以產生磁場（例如永久磁鐵）。我們在稍後將得知，這些所謂的"自發"磁矩也可以由電子自旋產生。在某些晶體中，電子自旋按一定方式排列，因此產生一個淨磁場。這種磁矩，如果通過某些機制固定下來，就能記錄古磁場。這種剩餘磁化強度就是古地磁場的基礎。
一個孤立的電荷能夠產生電場，並以電荷為中心向外發散。因為電力線沒有迴路。對於電荷周圍的電場，不為零。
一個電荷及其產生的向外發散的電場。可由一個通向虛線代表之外的淨通量。其值與內部的源成正比。磁偶極子，沒有單獨的磁荷。在任意空間內，任何磁通量流進，又流出，因此淨磁通量為零。
磁場與電場不同。電荷可以獨立存在，但是磁極子卻不能，正負磁極子總是成雙存在（磁偶極子）。因此，磁力線從一個磁極出發，必然要回到與之對應的另一個磁極，這樣，淨磁通量為零。因此，磁場不具有發散性。這性質可以描述為麥克斯韋方程組之一。
§4 地磁場的基本特質
地球磁場，簡言之是偶極型的，近似於把一個大磁鐵棒放到地球中心，使它的N極大體上對著南極而產生的磁場形狀。當然，地球中心並沒有磁鐵棒，而是通過電流在導電體中的發電效應產生的地磁場。但是，地核發電產生的磁鐵棒體太短，所以地磁場不是由地核導體發電效應產生的。
地球磁場不是孤立的，宇宙飛船早已探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的帶電粒子流，主要成分是電離氫和電離氦。太陽風的作用產生了地球磁場。
高斯係數是由某段時間的磁測或衛星觀測的磁場數據通過擬合得到的。在某段時間內國際（或權威的）地磁參考場可以是一系列的高斯係數以及它們的時間導數。
起始應用地磁勢場，在於可以用來估算源區之外任何地方的磁場強。依據1980年的IGRF估算地幔內部的磁力線。由此可以看出，從核幔邊界到地表，地磁場變得並非簡單地套用，只是像偶極子場。
一、地心軸向偶極子（GAD）和其他類型的極子
作為一階項，地球磁場很像一個處於地球中心、和地轉軸一致的巨大條形磁鐵產生的磁場。如果地球磁場的確是地心軸向偶極子場（GAD），那麼從極區穿過的磁力線沿著自轉軸是對稱的，從而無論選擇那個截面都是一樣的；換句話說，磁力線總是指向北極的。但是，磁力線和地球表面的夾角（磁傾角I）總會在赤道的0度和極區的90度之間變化。此外，極區的磁力線要比赤道處的顯得更密（極區磁通量更高），從而極區的場強是赤道處的兩倍。
地心偶極子的矢量和也是一個偶極子，但是它和地球自轉軸有11.2度的夾角。這個所謂的最佳擬合偶極子軸穿透地表。這個點及其對應點稱為地磁極（geomagnetic poles）。它們和地理極不同，地理極是地球自轉軸在地表處的交點。把大於約10000年的古代地磁極數據平均後就得到古地磁極（paleomagnetic pole）。
二、虛地磁極
我們經常問到底是否地磁極本身改變了，還是地殼的某些部分相對於地磁極發生了偏轉。我們在某個區域觀測到的只是當地的磁場矢量方向。所以，需要一種方法將觀測到的方向轉變為等效的地磁極。
為了去除地球磁場方向對觀測點的依賴性，我們可以假想一個地心偶極子場。虛地磁極（VGP）就是這個假想的地心偶極子場的磁極。
三、虛偶極矩
全球磁場強度的變化和傾角很相似。經常將古地球磁場的強度值轉換為等效的地心偶極子磁矩。這一等效磁矩可以在觀測點產生相同的地球磁場強度，所以叫做虛偶極子磁矩（VDM）。首先，根據測得的傾角和偶極計算出磁（古）餘緯，然後再計算VDM。
我們了解到一些關於現今地球磁場的知識。為了探究以前的地球磁場行為，我們將不得不利用一些偶然的記錄，比如存在於巖石、沉積物或者考古遺蹟等材料中的信息。但是，這些材料是如何被磁化的？他們記錄的磁信息與地球磁場當時是怎樣的關係？
四、原子水平的磁性
物質一般通過產生自己的磁場來感應外界磁場；部分物質在無外磁場的情況下也能產生自發磁化。所以，可以把物質的磁化強度分成兩部分：只有在外磁場時才存在的磁化強度（感應磁化強度）和零場時也可以存在的磁化強度（剩餘磁化強度）。
正如我們在之前了解到的，電流可以產生磁場。在原子水平上，電流是電子圍繞原子核的運動：包括電子軌道和電子自旋。我們首先考慮電子軌道的作用。
五、剩磁
當沒有外磁場存在的時候，有些物質也會產生磁場。這個磁化強度稱為剩餘磁化強度或自發磁化強度，這種現象即為鐵磁性。剩磁是在某些晶體中鄰近電子自旋很強的相互作用引起的。
根據不同的晶格結構，當電子自旋平行或反平行排列的時候，交換能就會達到最小。交換能是由於泡利不相容原理產生的。過渡元素中，由於形狀和未配對的自旋電子，3d軌道最容易受交換相互作用的影響。或者說剩磁是某些包含3d軌道未填充的過渡元素晶體的特性。
我們從經典物理的角度討論了鐵磁性，但從量子力學的角度考慮的時候，這個處理過程嚴格來說是不正確的。這裡的經典推導和量子力學的推導最主要的區別在於，量子力學中磁矩僅能沿著特定的方向。經典處理已經足夠可以作為巖石磁性的基礎。
六、鐵磁性的類型
低於居裡溫度的時候，某些晶體會由於未配對的電子自旋在晶體內的大面積定向排列而產生一個永久磁性（剩磁）。電子自旋可以平行或反平行排列；其定向排列完全受晶格結構的控制。與這個現象相關的能量形式是交換相互作用。有三種類型的自旋排列：鐵磁性（狹義），亞鐵磁性和反鐵磁性。
對於狹義的鐵磁性，當所有的自旋平行排列的時候，交換能達到最小，純鐵就是個例子。當所有的自旋完全反平行排列的時候，將不會出現淨的磁矩，如鈦鐵礦。有時，反鐵磁性的電子自旋沒有完全的反平行定向排列，但是有一個小角度的偏轉。這個電子自旋的偏轉將會產生一個很弱的淨磁矩，赤鐵礦是一個例子。同樣，當自旋因為晶格缺陷而沒有完全得到補償的時候，反鐵磁材料也會產生一個磁矩。
七、交換能
由於量子機制，一些晶體具有鐵磁性。在一些晶體中，相鄰的電子軌道「互知」彼此的狀態。為了避免兩個相同的旋轉狀態共享一個軌道(泡利不相容原理)，這些電子自旋按照一定方式排列。根據它們的相互作用狀態，它們或者平行或者反向平行。磁交換能密度是自發磁化強度的源。
八、磁應力各向異性能
因為磁交換能強烈依賴於相鄰原子間電子軌道的物理相互作用，改變這些原子的相互位置必然會影響到它們之間的相互作用關係。同樣，改變晶體的攜帶的磁化強度也能夠通過原子軌道的形狀從而改變其晶體形狀。這一現象叫做磁致伸縮（magnetostriction）。
還有一種重要的磁各向異性能的來源：形狀。在理解為什麼晶體形狀能夠控制磁能之前，我們需要了解被磁化了的晶體內部的退磁場。在晶體外部，產生了一個與磁矩正相關的外磁場。這個外磁場等效於由一系列分布在晶體表面上自由極子產生的磁場。這些面極子不但產生外磁場，而且在晶體內部也一樣產生磁場這種內部的磁場叫做退磁場。
九、磁疇的基本理論
到此為止我們討論了均勻磁化的磁性顆粒。我們注意到有一個與磁性顆粒產生的外場相關的能量。這個自發能（self energy）密度。具有強磁化強度的顆粒(如磁鐵礦)其自發能隨著體積增大能夠迅速增大。事實上，在某些非常小的顆粒中，這些電子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，並被稱為單磁疇(single domain, SD)。在更大的顆粒中，自發能能夠超越磁交換能和磁疇的晶體各向異性能，因此不存在單一磁化。
有很多機制都能夠有效地減小自發能。數值方法(微磁方法)能夠算出顆粒能量處於最小狀態時內部磁化的分布形態。因此這種方法能夠使我們深入了解顆粒內部的磁化強度狀態。
十、動態平衡的概念
假設我們處在高於絕對零度的環境裡，在原子尺度上一切事物都在運動，事物的狀態因此而不停地改變。但是，在更大的尺度上一切似乎又固定不變。假想某一時刻，在一個場地上有好多羊，場地中間被柵欄分開，這些羊可以隨意地越過柵欄到另一邊去取食。如果柵欄兩邊的環境條件相同，隨著時間的推移，柵欄兩邊羊的數目將趨向相同。如果柵欄的一邊在下雨，那麼更多的羊將會跳向陽光充足的另一邊。漸漸地，有陽光一邊的羊會更多些，這就是動態平衡的基本概念。
在零場條件下，一塊具有單軸各向異性的磁鐵將趨向於在兩個「易」磁化方向被磁化。為了克服磁各向異性能，從一個易磁化方向轉到另外一個，這塊磁鐵的內部熱能必須大於各向異性能。所以，在一個特定的時間裡，磁矩能夠獲得足夠的熱能來驅使電子克服能壘，從而磁化強度從一個易磁化方向而轉到另一個。
十一、熱剩磁
對應值為102～103秒的溫度定義為阻擋溫度（blocking temperature, Tb）。當溫度等於或高於Tb，但是低於Tc時，顆粒具有超順磁性質。當溫度繼續降低，馳豫時間增大，磁化強度便被有效地阻擋住，巖石也因此而獲得了熱剩磁（TRM）。
在火山熔巖流中，磁矩可以在不同的易磁化方向之間跳轉，在統計意義上和外界磁場保持最小的一個角度。所以，超順磁顆粒的均衡磁化強度並不完全和外界磁場趨於一致，而是有一個很小的偏差。當磁場很低的時候，比如地球磁場，這個一致的程度是外界磁場的線性函數。當磁場很高的時候，磁化強度趨於飽和。
當在外磁場中通過Tb冷卻的時候，隨機分布的磁性顆粒集合所獲得的剩磁和外界磁場平行。熱剩磁的強度和冷卻時的外加磁場的強度線性相關（對地球磁場而言）。
十二、化學剩磁
巖石和沉積物中的磁性礦物在形成以後經常會因為環境的變化而發生變化。紅層是一種常見的沉積相，因其含有在沉積後生成染色能力強的赤鐵礦而呈現紅色。赤鐵礦是一種磁性礦物，它在低溫生長時所攜帶的剩磁被稱為顆粒生長型化學剩磁（grain growth chemical remanent magnetization, g-CRM）。
新生成的CRM和外界磁場的關係很複雜。它與先前的磁性礦物相關，又可能會強烈地受到外界磁場的影響，或者是受這些因素共同影響。下面首先是最簡單的CRM，即g-CRM。
十三、碎屑剩磁
在沉積環境中，巖石被磁化的過程和火山巖中的熱剩磁行為完全不同。實際上，在被沉積前，碎屑顆粒已經被磁化（主要為熱剩磁），這和火山巖中晶體處於它們的居裡溫度點之上不同。磁性碎屑顆粒在水中沉積的時候會和外界磁場保持一致，於是能夠保持一個碎屑剩磁（DRM）。但是，磁性顆粒在沉積後會由於生物擾動或其他擾動重新排列，稱為沉積後剩磁（pDRM）。
關於DRM理論，理論上預測DRM為飽和磁化強度，而實驗觀測到其和外場成正比。後來很多工作都試圖調和這種矛盾。
十四、沉積後剩磁
古地磁學中一般的觀點是，DRM在水和沉積界面之下由於生物的擾動會重新排列。僅當磁矩是自由的或者粘附於凝絮物以及小球時（它們足夠小能夠物理重排），磁矩才會和外磁場（重）排列。簡單來說就是顆粒必須被重新懸浮。所以，物理重新定向只能發生在最上面的沉積層中，這也是經常被重新懸浮的地帶。
通過初始的生物擾動，底流等的再懸浮，沉積物在表面層獲得剩磁。再懸浮的可能性從某些沉積物序列非常低（約0％）到其他的非常高（大於90％）之間變化。對於後者，通過放射性或穩定的同位素測得的年齡和磁化強度本身的年齡有很大的差別。
十五、等溫剩磁
尼爾方程暗示磁性顆粒的矯頑力和馳豫時間有關係。如果磁場大於矯頑力，我們可以使不易改變的顆粒沿著外加磁場排列。將磁性顆粒處於強場中，將會使矯頑力小於磁場的顆粒轉到更靠近外磁場的方，結果會產生處於磁場方向的剩磁。這種類型的剩磁稱為等溫剩磁(isothermal remanent magnetization, IRM)。
十六、天然剩磁
在自然界中我們採集的巖石樣品會有一個剩磁，這些剩磁可通過不同的機制獲得。這個巖石的剩磁稱為天然剩磁（natural remanent magnetization, NRM）。NRM一般有好幾個分量，每一個分量都有自己的歷史。NRM必須被區分開，在找到來源之前也要非常小心地分析各個成分。
十七、磁滯回線
磁性顆粒置於循環的外加磁場時的情形，即磁滯回線。可以用多種儀器測量在變化的外加磁場B中磁矩m的變化，例如，振動樣品磁力儀（VSM）、變梯度磁力儀（AGFM）。用AGFM測磁滯回線時，樣品被安置在兩個大電磁鐵的磁極之間的樣品杆上。樣品的後面放置一個探頭用來測量外加磁場，也就是測量產生的變梯度磁力。樣品隨著外加磁場的變化而發生振動，振動幅度的大小與外加磁場方向的磁矩成比例。根據磁矩來測量和標定樣品杆的振動。
對於巖石樣品，其中的磁性顆粒集合體具有單軸各向異性且隨機排列，我們測得的磁滯回線實際上是成百萬的單個顆粒的小回線的疊加。如果磁場首先增加至+Bmax，所有單個顆粒的磁矩將轉向磁場方向，因此，淨磁矩等於所有單個顆粒的磁矩的總和，即飽和磁矩。當磁場減小至零，單個顆粒的磁矩將返回其易磁化軸方向，許多顆粒的磁矩將與飽和磁場呈高角度，從而磁矩相互抵消。這個飽和後的淨剩磁稱為飽和剩磁。
十八、研究地磁場行為的動機
地磁場是複雜地球系統的一個組成部分，它與大氣圈、生物圈、深部地幔相互作用。地磁場一個很有用的性質就是它的指北性（或指南性）。地磁場記錄在地球科學的許多方面起了重要作用。因此，認識地磁場的行為對所有的地球科學家都非常重要。
古地磁方法經常是地層學和大地構造研究的一個重要手段，因為古地磁數據能夠提供其它方法不能提供的時間和古地理位置的信息。因此，有必要知道從地磁場記錄能夠獲得什麼樣的信息，這些數據會不會受後期疊加或者旋轉作用的改變；同時，也有必要知道用多長時間的數據來做平均，才能獲得合理的時間平均的地磁場（TAF），並且這一磁場是否能夠用GAD模型來近似模擬。
首先指出了過去200多年地磁場強度降低的現象。導致人們懷疑地磁場可能會發生倒轉。這種可能性有多大呢？地磁場在發生倒轉前的行為會是什麼樣呢？地磁場的平均強度是多少？
為了能夠回答上面提到的一些問題，我們需要研究地磁場。地磁場變化周期短至幾十微秒，長至幾百萬年甚至幾十億年。對地磁場行為可直接精確地觀測，但是只有幾百年的觀測歷史，要想了解更長周期的地磁場行為，我們需要用古地磁學和考古磁學的研究方法。
§5 磁場和電場
磁場和電場只是外表形式上的表達不同而已，它們並沒有什麼本質上的太大差別。所以，磁性體與磁性體之間的相互作用原理與上述那電荷之間相互作用的原理也是基本差不多的，而電荷在磁場中與磁場的相互作用，其原理在本質上也與上述原理基本相同。
電場力、磁場力跟重力、彈性力、摩擦力一樣，都是物理學常見的屬性力，但在直觀感覺性上卻不盡相同，多數人感到前者比較「疏遠」，而後者比較「親近」。究其本質原因則是電場、磁場的概念部分較多，而且比較抽象，就多數人還停留在形象、直觀的思維階段。電磁相互作用力乃是帶電荷粒子或具有磁矩粒子通過電磁場傳遞著相互之間作用的理念。
電場和磁場的本質：電場是帶電體(靜電荷)周圍空間客觀存在的一種物質，磁場是磁體和電流周圍空間客觀存在的一種場量。在電場中的不同位置，電場的強弱和方向各不相同(勻強電場除外)；在磁場中的不同位置，磁場的強弱和方向也各不相同(勻強磁場除外)。對於勻強電場來說，各點的電場強弱和方向都相同；對於勻強磁場來說，各點的磁場強弱和方向也都相同。兩個完全相同相距很近相互平行帶等量異號電荷的金屬板之間的電場(除去邊緣部分)，可以「看作」勻強電場。
電場的基本特性是對置入其中的電荷有電場力的作用；而磁場的基本特性是對置入其中的小磁體、電流和運動電荷有磁場力的作用。正負電荷的區別則不過是循環體循環方向的左右旋不同而已。那正負電荷的電場，則乃區別於極性激蕩的相位剛好相反。而如果在空間裡同時放置的是同種的電荷，那麼由於同種電荷所形成的電場之感應激蕩的相位是相同的，但是由於它們倆者之間激蕩的方向相反，故相位也變成了相反。兩個帶電荷體便會被推斥開而表現出同種電荷相斥的特性來。
電場和磁場是形影不離的，這句話也不全對，前面應加一個條件，在具有良好導體的條件下，電場與磁場形影不離；而且永久磁鐵的磁場就是單獨存在的。在自然環境中，磁鐵對地電壓也不比其它良導體對地電壓高，很多的良導體對地電壓都比磁鐵高，且磁鐵的直流電阻比良導體的直流電阻大。
電場是—種物質，而磁場是另外—種物質，電場物質和磁場物質是兩種不同性質的場物質，不同物質要在特定的條件下才能轉換，在真空中是不可能轉換的。磁場物質不能轉換成電場物質，電場物質也不能轉換成磁場物質。這兩種物質只是能量或動量的傳遞，能量或動量的傳遞只能依託金屬等導電體才能發生，當然要除去震蕩轉變。
電場和磁場就好像一個硬幣兩個面，即有電場必有磁場，有磁場必有電場。跟據相對性原理，即使是靜止的點荷，只要另選一個相對運動的坐標係為參考系，該電荷也是運動的，就也會產生磁場，從以上得出：無論電荷是否運動，都會產生磁場。即—有電場一定有磁場。那麼有磁場一定有電場嗎？安培假說，磁場是由運動點荷產生的，也就是挑明了磁場離不開電場，即—有磁場必然有電場。
綜合以上所述，有電場必然有磁場，有磁場必然有電場，二者相互依存，不可分割。從宏觀上看,恆定的磁場和電場都可以獨立存在。磁場和電場最大的區別就是，磁場是對磁極起作用,電場對電荷起作用，磁場一般是由於電荷運動產生的；電場也可以由旋動的磁場產生。
電場和磁場的相同點：電場和磁場均為矢量場，即它們都具有大小及方向。
電場和磁場的不同點：電場為有源場，即散度不為零，磁場為無源場，散度為零。
電場不存在閉合的電場線，即電場是無旋場；電場具有源性的推理，存在點電荷，即單極的電場（正電場和負電場）。
磁場總是存在閉合的磁場線，即磁場為有旋場；磁場具有無源性的推論：不存在磁荷，即沒有單極磁子。
§6 地磁場球諧函數
地磁場及其時空變化包含著固體地球及地球空間環境 (大氣層、電離層、磁層 )的重要信息。它可以揭示出有關地球的地幔、地核、軟流圈、巖石圈、海洋及地球環境的廣泛物理化學過程 ,研究結果能直接為社會經濟服務。
偶極場是電磁法場源的一種形式。是在多匝空心環形線圈或磁芯棒狀線圈中，通有諧變或脈衝電流時：在其周圍空間產生的一次場。當觀測點離線圈中心的距離超過線圈直徑5倍以上時，線圈的磁場相當於一個偶極子的偶極場。偶極場的強度與供電流的大小、線圈匝數和面積成正比。場具有球面波的特徵，有明顯的方向性；在空氣中場強與距離的三次方成反比衰減，向地下傳播時衰減更快，所以穿透深度小，通過調節線圈的方向可以定向發射，對不同產狀的地下導體可以加強感應耦合作用（圖為偶極場和地磁場的比較）。
1893年，數學家高斯在他的著作《地磁力的絕對強度》中，從地磁成因於地球內部這一假設出發，創立了描繪地磁場的數學方法，從而使地磁場的測量和起源研究都可以用數學理論來表示。但這僅僅是一種形式上的理論，並沒有從本質上闡明地磁場的起源。
高斯發明了地磁場球諧函數表達式，從而提供了我們今天處理地磁數據所用的數學方法。高斯的第一次地磁場數學分析（1838年）基於84個數據點，這些數據點是從當時的地磁場元素等磁圖（isomagnetic chart）上均勻分布的網格估計的。
球諧分析在地磁學與地球重力學中都得到廣泛的應用。由於地球磁場與地球引力場的不同，球諧表述有所不同。地磁場的高斯分析(球諧分析)的結果表明，地磁場沒有單極子，而引力場有，地磁場有內外源場之分，而地球引力場只有內源場，地磁場的球諧級數收斂快，地磁場高斯級數所用的蒂合勒讓德函數是Schmidt半標準化的，而地球引力場中用的是全標準化的，地磁場的高斯係數隨時間變化快，每5年產生一個IGRF(國際地磁參考場)，而引力場的變化是與地質變化有關，相對於地磁場來說,是緩慢的。地磁場的高斯分析還存在一個唯一性問題。
地球的基本磁場可分為偶極子磁場、非偶極子磁場和地磁異常幾個組成部分。偶極子磁場是地磁場的基本成分，其強度約佔地磁場總強度的90％。非偶極子磁場主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個地域，平均強度約佔地磁場的10％。地磁異常又分為區域異常和局部異常，其與巖石和礦體的分布有關。
求解球諧係數。由已知通化後的磁場值建立遠多於S個的方程，用最小二乘法便解得球諧係數。若有已知地磁場的長期變化值，還可求得年變率球諧係數，記為（單位 nT/年）。是由一組高斯球諧係數和年變率係數組成的，為地球基本磁場和長期變化場的數學模型，並規定國際上每五年發表一次球諧係數，及繪製一套世界地磁圖。球諧係數是由準球面平均半徑計算獲得的，若要考慮地球形態為旋轉橢球體時，則要採用國際天文協會（IAU）的國際天體橢球坐標。利用球諧係數經地心坐標轉換可求得橢球體的參考場。這對於大範圍磁測是應給與考慮。
§7 電磁場能量與坡印廷矢量
帶電體系帶電過程實際上就是帶電體系建立電場的過程，如果帶電體系，沒有電流的流動，那麼它所形成的就是靜電場，不能形成感應磁場。帶電導體所帶的能量就是靜電場能量。如果把帶電體系看作是平行板電容器，帶電體系所帶的電場能量則可以看作電荷的靜電場能量。從電容的負極板經過外電路搬到正極板所作的功。由此可以得到電場中單位體積中能量及能量密度，如果將電感儲存的磁能看成是電感器中電感所具有的，而且把長直螺線管（地球可以近似地看成球形的螺線球管）看成是均勻的，那麼靜磁場能量可以是電場能量。
如果在一個體系中同時存在電場和磁場，那麼它便同時具有電場和磁場能量，這個總的能量就叫做電磁場能量，其能量密度在真空中定義單位時間內通過垂直於單位面積內的電磁場能量為電磁波能量密度，也叫坡印廷矢量。
考慮到電場與電流產生的磁場成長關係，經過對坡印廷矢量的了解就不難理解：在非理想導體中一旦有電流流過，就會產生電場和磁場。電荷在電場中能產生電場能量，電流在磁場中能產生磁場能量，兩者相結合就是電磁場能量，而在單位時間內穿過單位面積的電磁場能量就是坡印廷矢量。 坡印廷矢量與電阻焦耳熱，可以看出坡印廷矢量是沿著半徑指嚮導體內部的，但是由於穩恆電流的作用，只能看到能流密度流入導體，沒有流出。那這流入的能量去哪了呢？根據能量守恆，問題的答案可以是：供導體產生了焦耳熱。
理想導體可看成是等勢體，其外部磁場線垂直於導體表面。通電導線與外部空間產生電勢差，所以導體的外表面的電場有一個較大的法向分量。由非理想導體的不為零；又由兩介質間切向分量的邊界條件可知，兩種介質在其分界面上電場的切線方向連續，故導體外的電場方向必定會包含切線方向分量的電場，所以導體外表面的總電場 是沿軸線方向斜向上的，其切向分量與導體內的場強相等。而磁力線跟導體截面為同心圓。
據坡印廷矢量與電阻焦耳熱的分析，如果是非理想導體，在能量的傳輸過程中必定會由於發熱而有能量損耗，所以坡印廷矢量必定會有垂直導體的分量，用來傳入導體內作為發熱的損耗，會嚮導體內部傾斜。而如果是理想導體，導體內部不會有電壓降，傳輸時不會有能量的損失，所以坡印廷矢量就不需要為導體內部輸入能量了，其傳播方向完全平行於導體外表面。所以，導體表面空間中的電磁場才是電路中能量的傳播形式，導線只是起到了定向引導電磁能量的作用。而且，我們知道電磁波在真空中的傳播速度等於光速，這也就解釋了電路能量為什麼能傳輸通常人們總以為導線往遠處輸送的電能是由電流傳遞的。但事實並非如此，電能是由導線附近的電磁場流過去的，導線(同軸線、雙線傳輸線、波導等) 只是起到定向引導電磁能量的作用。導線上的電流和周圍空間的電磁場互相制約，使電磁能量在導線附近的電磁場中沿一定方向傳輸。所以無論電力傳輸或電訊傳輸，都必須通過空間電磁波來實現能量傳送。電磁能量的傳輸，低頻電力系統常用雙線傳輸線。頻率較高時，為避免電磁波向外輻射時損耗和避免周圍環境的幹擾，而採用同軸線。
在物理本質上，位移電流與傳導電流僅僅在激發磁場這一點上是等效的。位移電流產生變化的電場，並不涉及電荷的運動，不會產生焦爾熱；而傳導電流是自由電荷的定向移動，因而通過是會產生焦爾熱的。所以要想保持坡印廷矢量大小不變，就應當往電路中不斷補充能量。電路中能量的轉變，儲存，傳輸，都是以電磁場能量的形式進行的。 坡印廷矢量轉變為電阻焦耳熱的公式，證明在通有穩恆電場的導體內部儲存的電場能量和磁場能量，電磁場能量完全轉化為熱能量。引出了對坡印廷矢量的思考，探求了坡印廷矢量與焦耳熱之間的關係，證明了電路中的能量儲存與傳輸都是依靠電磁場進行的，認識到坡印廷矢量是一個相當重要的物理量,它的引入對於闡述電磁場與電磁波的能量傳輸及能量損耗有著十分重要的意義。
場能密度和能流密度是能量貯存於場中這種觀點的完備描述。按此觀點，即使在直流電路情形，電源中的能量也不是通過電路中的電流傳輸到負載電阻去的，而是以電路周圍電磁場能流的形式傳輸到負載電阻去的。在交流電路中，在各種電磁耦合的器件中，在電磁波的傳播以及電磁輻射中，能量無一不是通過電磁場能流的形式傳輸的。
§8 磁力線
磁力線又叫做磁感線。人們將磁力線定義為處處與磁感應強度相切的線，磁感應強度的方向與磁力線方向相同，其大小與磁力線的密度成正比。了解磁力線的基本特點是掌握和分析磁路的理論基礎。
理論和實踐均表明，磁力線具有下述基本特點：
1、磁力線是人為假想的曲線；
2、磁力線是由無數條組成的；
3、磁力線是立體分布的；
4、所有的磁力線都是不會交叉的；
5、磁力線的相對疏密表示磁性的相對強弱，即磁力線疏的地方磁性較弱，磁力線密的地方磁性較強；
6、磁力線總是從 N 極出發，進入與其最鄰近的 S 極，並形成閉合迴路。這一現象在電磁學中稱為磁通連續性定理。
同電流類似，磁力線總是走磁阻最小（磁導率最大）的路徑，因此磁力線通常呈直線或者曲線，就不存在呈直角拐彎的磁力線。任意二條同向磁力線之間相互排斥，因此不存在相交的磁力線。當鐵磁材料未飽和時，磁力線總是垂直於鐵磁材料的極性面。當鐵磁材料飽和時，磁力線在該鐵磁材料中的行為與在非鐵磁性介質（如空氣、鋁、銅等）中一樣。
由於磁力線具有這些基本特性，由此介質的磁化狀態取決於介質的磁學特性和幾何形狀。顯而易見，在通常情況下，介質都處於非均勻磁化狀態，也就是說通常介質內部的磁力線都成曲線狀態且分布不均勻；另外，由於在自然界雖存在電的絕緣體，但不存在磁的絕緣體，使得通常的磁路都存在漏磁現象。介質處於非均勻磁化狀態和磁路都存在漏磁這二個特徵，就決定了磁路的準確計算變得非常複雜。
我們可以假想，在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強弱。這種假想的曲線稱為磁力線，並規定磁力線從N極出發，最終進入S極。這樣，只要有磁極存在，它就向空間不斷地發出磁力線，而且離磁極近的地方磁力線密，而遠處磁力線稀疏。
有了磁力線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力線是我們為了理解方便而假想的，實際上並不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道，物質之間存在萬有引力，它是一種引力場。磁場與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力線數目稱為磁通量密度。
物質的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，並因此得到廣泛的研究和應用。我們的身體和周邊的物質，遠至各種星體和星際中的物質，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。世界上的物質究竟有多少種磁性呢？一般說來，物質的磁性可以分為弱磁性和強磁性，再根據磁性的不同特點，弱磁性又分為抗磁性、順磁性和反鐵磁性，強磁性又分為鐵磁性和亞鐵磁性。這些都是宏觀物質的原子中的電子微觀表現的磁性，原子中的原子核也具有磁性，稱為核磁性。但是核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低，故一般講物質磁性和原子磁性都主要考慮原子中的電子磁性。原子核的磁性很低，由於原子核的質量遠高於電子的質量，而且原子核磁性在一定條件下仍有著相對重要的應用。
用以形象地描繪磁場分布的一些曲線。早年，M.法拉第曾在玻璃板上灑布鐵粉，並輕輕敲擊使板振動，則鐵粉聯成許多細小線段，從而顯示出永久磁鐵或電流導線周圍的磁場分布。這是由於鐵粉在磁場中受力並互相吸引而形成的，所以稱為磁力線。因此，磁力線可以定義為磁場中一些假想的磁力聯線。
法拉第在力線的啟示下，提出了場是真實的物理存在，場的作用不是突然發生的「超距作用」，而是經過力線逐步傳遞的空間作用。這些概念對電磁場理論的發展有著重大推動作用。
現在的人們了解到，磁場、電場都是一種特殊形態的場物質，實際也並不需要力線的解釋。相關力線的解釋必然是受到機械觀念的限制。但是用磁力線（包括電力線）作為場的一種思想模型，使用比較抽象的場概念得到形象的直觀表示，不僅歷史上起過很好的作用，而且仍然為現在的人們所沿用。
§9 地球磁場的磁生電
被太陽風賦予能量的地磁場磁力線，經過南北磁極進入地球，在其變換的磁場周圍會產生電場，產生電場的導體中自由電子在電場力作用下作定向移動而產生電流即感應電流；然後磁力線再從另一端的磁極出來在磁層中閉合。地球磁場磁力線可以把太陽風的能量傳遞到導電體上產生地球電場。
導電體必須是閉合迴路。依據第一章地球有地核和地殼是導電體描述。地球導電體參與地磁場作用不可能是地球的地核，因為內外地核雖然具有良好的導電性，但是在它們的外面包裹有一層巨厚的不導電和導磁性不大好的地幔，地幔具有2900千米的厚度，即使內外地核有發電機功能，有地幔阻隔，地核所表現的現象也不會在地面上表達。
地殼的導電性也不是太好，因為有了水圈的存在，地殼的導電性就大大的提高了。所以是地殼和水圈參與了地磁場系統的活動。
我們可以看到，根據實際測定，在尋常的日子裡，平坦的曠野上，從地面垂直向上每米增加電勢為100伏。這樣在地面附近的大氣中就有一個豎直向下的100伏/米的電場強度。而且是一個穩定電場。測量結果還表明：大氣電場隨著高度的增加逐漸減弱，在約50公裡的高度上這個電場強度變得十分微弱。眾所周知，穩定電場中的電位本來就具有相對的意義的，其絕對值決定於電位零點的選擇；地球表層可視為一個大導體，其電位可視為一個恆量。因此，為合理起見，可以選擇大地的電位就是零電壓。
勻變的磁場產生的是恆定的電場，因為，只有變化的電場產生磁場，所以恆定的電場不產生磁場。同理，勻變的電場產生的是恆定的磁場，恆定的磁場不產生電場。有磁力線對地磁場的驅動，有導體的存在還是不能夠產生地磁場，其它的條件我們放在下一章去討論。
依據以上情況我們可知，地球的地殼有一層很好的導電層。磁力線是從北極穿入地球沿著地殼運行的，然後再從地球南極穿出返回磁層。磁力線作用在地殼導體上，使其中自由電子的定向移動積累正、負電荷而產生電勢差—地磁場感應電動勢。
電磁場是電磁作用的媒遞物，是個統一的整體，電場和磁場是它們緊密聯繫、相互依存的兩個側面，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉化等等，都證明電磁場是客觀存在的物質，它的「特殊」只在於沒有靜止質量。
電生磁，也就是說在沒有磁場的情況下電場是怎麼樣生成磁場、生成什麼樣磁場的問題。畢奧－薩伐爾定律告訴了我們答案。我們在關於畢奧－薩伐爾定律的研究中已經說明它生成的磁場是可以用電場來描述的，也可以說他生成的是類似於磁場的電場。當然在麥克斯韋方程組中有一個全電流生成磁場的公式，但不論是電流還是變化的電場生成磁場它本質上都是點電荷庫侖力的的疊加。電生磁的本質是電生電（一種電場生成另一種電場）。
磁生電，也就是說在沒有電場的情況下磁場是怎麼樣生成電場、生成什麼樣電場的問題。電磁感應定律和互感定律告訴我們：通過閉合迴路的磁通量發生變化，而在迴路中產生電動勢的現象稱為電磁感應。我們在關於電磁感應和互感的研究中。磁生電的本質是磁生磁（一種磁場生成另一種磁場）。地球磁場就是這樣一個過程，只是轉換過程的導體不是良好均質的，所以產生偶極子磁場和非偶極子磁場。
在電場和磁場都存在的時候，究其受力情況，其實際這種狀況都可以用洛倫茲力來解釋的。
以上我們已經對電和磁的所有情況有了介紹，它讓我們知道磁場的存在是人們在認識電場的過程中的過渡過程和解釋問題的工具，磁場的本質是電場。地球磁場是磁層磁力線驅動的，迎著太陽風的磁力線將能量帶進地殼，地殼導體將其變為電流，帶電的地殼導體再將電流產生地球偶極磁場和非偶極子磁場。非偶極子磁場成因於地殼導體的不均勻性。地球磁場的數學描述遵循麥克斯韋方程。
用麥克斯韋方程組描述地球磁場，得到它的解非常困難。因為地球磁場介質可能是一個複雜的函數，或者是無規則的變化值。在工程上處理這樣一類問題一般都採用直接實驗來理解它的實際符合情況，用理論去求解地球磁場的麥克斯韋方程組將是不太合情理的事。再說麥克斯韋方程的解有時也是個複雜的事，從均質介質的移動麥克斯韋方程組引申出來的就是狹義相對論，對狹義相對論理解演變出了許多現代物理學的故事，這其中可以爭論的東西真是太多太多。
球諧分析應用在地磁學，地磁場的高斯分析(球諧分析)的結果表明，地磁場沒有單極子，相對於地磁場來說，現在地磁場的高斯分析還存在著唯一性問題。
偶極場是電磁法場源的一種形式，觀測時，場源可以移動。理想的偶極場是在多匝空心環形線圈或磁芯棒狀線圈假想中，通有諧變或脈衝電流時：在其周圍空間產生的一次場。當觀測點離線圈中心的距離超過線圈直徑5倍以上時，線圈的磁場相當於一個偶極子的場(在線圈中心的磁偶極子，軸向與線圈面的法線方向—致)故稱為偶極場。偶極場的強度與供電流的大小、線圈匝數和面積成正比。它的特點是，場的分布不均勻，具有球面波的特徵，有明顯的方向性；在空氣中場強與距離的三次方成反比衰減，向地下傳播時衰減更快，所以穿透深度小，通過調節線圈的方向可以定向發射，對不同產狀的地下導體可以加強其感應耦合作用。
依據地球地殼地阻分布，非偶極子磁場的全球分布，計算和分析各個磁異常中心位置和強度的變化，東亞正磁異常、大洋洲負磁異常、南大西洋正磁異常、非洲負磁異常和北美洲正磁異常是分布範圍廣、異常強度大的５個磁異常。南大西洋正磁異常是強度最大的磁異常。在２０世紀９０年代以前，東亞正磁異常的強度位居第２位，９０年代以後，非洲負磁異常的強度（絕對值）超過東亞正磁異常，成為第２大磁異常。磁異常強度增長最快的是非洲負磁異常、南大西洋正磁異常和大洋洲負磁異常。南大西洋正磁異常和非洲負磁異常是磁異常中心位置變化最快的兩個磁異常。如此異常都與地球氣候變化有關。
一般來說，一個地球的物理場總是由許許多多不同的成分構成的。就地球磁場而言，從空間分布上來看，有的成分（如偶極子場）屬於行星尺度的結構，其展開範圍以地球半徑計算，有的成分（如大陸磁異常）屬於區域性結構，其尺度為千千米量級，有的僅反映局地特點，分布在幾百公裡到幾十公裡的範圍以內，還有尺度更是微小的成分；從時間變化上來看，有的成分（如局部磁異常）非常穩定，其變化的時間尺度可能是幾百萬年甚至更長，有的則是幾千年或幾萬年，還有以年或日為周期的變化成分，更有許多成分變化極為快速；從成因分析，有的成分與地球運行過程相關，有的成分決定於巖石圈電阻結構，有的則必須是由地球外部的太陽電磁過程產生。
本章重點概要
（一）物質的電結構是物質的基本性質形式。
（二）電磁場是物質世界的重要組成部分。
（三）勻變的磁場產生的是恆定的電場，因為，只有變化的電場產生磁場，所以恆定的電場不產生磁場。同樣，勻變的電場產生的是恆定的磁場，恆定的磁場不產生電場。
（四）地球的地殼有一層很好的導電層。磁力線是從北極穿入地球沿著地殼運行的，然後再從地球南極穿出返回磁層。磁力線作用在地殼導體上，是其中自由電子的定向移動積累正、負電荷而產生電勢差——地磁場感應電動勢。
（五）磁生電的本質是磁生磁（一種磁場生成另一種磁場）。地球磁場就是這個過程，只是轉換過程的導體不是良好均質的，所以產生了偶極子磁場和非偶極子磁場。
（六）用麥克斯韋方程組描述地球磁場，得到它的解非常困難。因為地球磁場介質可能是一個複雜的函數，或者是無規則的變化值。再說麥克斯韋方程的理解有時也是個複雜的事，從均質介質的移動麥克斯韋方程組引申出來的就是狹義相對論，對狹義相對論理解演變出了許多現代物理學的故事，這其中可以爭論的東西太多太多。