电磁场与电磁波有关文献论文

电磁学计算方法的研究进展和状态摘 要：介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态，对几种富有代表性的算法做了介绍，并比较了各自的优势和不足，包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词：矩量法；有限元法；时域有限差分方法；复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论（高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在）和实验的基础上建立了统一的电磁场理论，并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律，这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式，最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧，甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法发展起来，并得到广泛地应用，相对于经典电磁理论而言，数值方法受边界形状的约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点，一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，常需要将多种方法结合起来，互相取长补短，因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况，对常用的电磁计算方法做了分类。2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等，频域技术发展得比较早，也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑，某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时，频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算，然后做傅里叶反变换才能求得解答，计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化，采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法，如GTD，UTD和射线理论。 从求解方程的形式看，可以分为积分方程法（IE）和微分方程法（DE）。IE和DE相比，有如下特点：IE法的求解区域维数比DE法少一维，误差限于求解区域的边界，故精度高；IE法适合求无限域问题，DE法此时会遇到网格截断问题；IE法产生的矩阵是满的，阶数小，DE法所产生的是稀疏矩阵，但阶数大；IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题，DE法可直接用于这类问题〔1〕。3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出，在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为： 应用变分原理，把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D的剖分、插值，离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，进而得到一组多元的代数方程组，求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤： ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D，并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题，得到如下一组代数方程组：其中：Kij为系数（刚度）矩阵；Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式（2），即可得到待求边值问题的数值解Xi（i＝1，2，…，N） （2）矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕： L（f）＝g（3）其中：L是线性算子，f是未知的场或其他响应，g是已知的源或激励。 在通常的情况下，这个方程是矢量方程（二维或三维的）。如果f能有方程解出，则是一个精确的解析解，大多数情况下，不能得到f的解析形式，只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1，f2，f3，…，fn的线性组合：其中：an是展开系数，fn为展开函数或基函数。 对于精确解式（2）通畅是无限项之和，且形成一个基函数的完备集，对近似解，将式 （2）带入式（1），再应用算子L的线性，便可以得到： m＝1，2，3，…此方程组可写成矩阵形式f，以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中，散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较，则可以采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响，有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的，因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比（N为离散点数），而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧，如采用小波展开，选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 （3）时域有限差分方法 时域有限差分（FDTD）是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的，这些年以来，时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性，尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程，利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式，这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置，这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着，反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式，通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算，在执行到适当的时间步数后，即可获得所需要的结果。 在上述算法中，时间增量Δt和空间增量Δx，Δy和Δz不是相互独立的，他们的取值必须满足一定的关系，以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件：其中：（对非均匀区域，应选c的最大值）〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散，即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等，因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域，这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数，在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象，对此也应该进行定量的研究，以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间，而由于计算机内存总是有限的，只能模拟有限空间，因此差分网格在某处必将截断，这就要求在网格截断处不引起波的明显反射，使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件，使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射，当然不可能达到完全没有反射，目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求，如Mur所导出的吸收边界条件。 （4）复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式，在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位，从而直接得出局部不均匀波（凋落波）的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于：通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束／射线束（Bundle ofrays）分析模型；通过费马原理及其延拓，由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术，构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如，复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间，利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索，从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播，因此，提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索，这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情，他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化，得到通用的计算程序，而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长，由于他是区域性解法，分割的元素数和节点数较多，导致需要的初始数据复杂繁多，最终得到的方程组的元数很大，这使得计算时间长，而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题，有限元产生的是带状（如果适当地给节点编号的话）、稀疏阵（许多矩阵元素是0）。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散，多年来人们一直在研究这个问题，试图找到一种有效、方便的离散方法，但由于电磁场领域的特殊性，这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构，一般的剖分方法难于适用；另一方面，由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关，因而人们采用了许多方法来减少存储量，如多重网格法，但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一，采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整，在网格密集区采用高阶插值函数，以进一步提高精度，在场域分布变化剧烈区域，进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快，与其他理论相结合方面也有了新的进展，并取得了相当应用范围的成果，如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等，还包括一些尚处于探索阶段的工作，如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等，这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组，既适用于求解微分方程，又适用于求解积分方程。他的求解过程简单，求解步骤统一，应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧，如离散化的程度、基函数与权函数的选取，矩阵求解过程等。另外必须指出的是，矩量法可以达到所需要的精确度，解析部分简单，可计算量很大，即使用高速大容量计算机，计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用，已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，针对不同的研究对象，可在不同的坐标系中建模，因而具有这几个优点，容易对复杂媒体建模，通过一次时域分析计算，借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应；能够实时在现场的空间分布，精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性；计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制，其网格空间不能无限制的增加，造成FDTD方法不能适用于较大尺寸，也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多，若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸，而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合，目前这种技术正蓬勃发展，如时域积分方程／FDTD方法，FDTD／MOM等。FDTD的应用范围也很广阔，诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点，在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场，通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献，可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩（雷达舱）、（加吸波涂层）翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制，但其本身是一种高频近似计算方法，由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献，带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势，尤其是对复杂目标的处理。5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举，还有边界元素法、格林函数法等，在具体问题中，应该采用不同的方法，而不应拘泥于这些方法，还可以把这些方法加以综合应用，以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术，他横跨了多个学科，是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲，从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要，应大力进行电磁场的并行计算方法的研究，不断拓广他的应用领域，如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。参考文献〔1〕 文舸一．计算电磁学的进展与展望〔J〕．电子学报，1995，23（10）：62-69.〔2〕 刘圣民．电磁场的数值方法〔M〕．武汉：华中理工大学出版社，1991．〔3〕 张成，郑宏兴．小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕．宁夏大学学报（自然科学版），2000，21（1）：76-79. 〔4〕 王长清．时域有限差分(FD-TD)法〔J〕．微波学报,1989,(4):8-18.〔5〕 阮颖诤．复射线理论及其应用〔M〕．成都：电子工业出版社，1991．〔6〕 方静，汪文秉．有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕．微波学报，2000，16(2):139-143.〔7〕 杨永侠，王翠玲．电磁场的FDTD分析方法〔J〕．现代电子技术,2001,(11):73-74.〔8〕 洪伟．计算电磁学研究进展〔J〕．东南大学学RB （自然科学版），2002，32（3）：335-339.〔9〕 王长清，祝西里．电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕．北京：北京大学出版社，1994．〔10〕 楼仁海，符果行，袁敬闳．电磁理论〔M〕．成都：电子科技大学出版社，1996． 现代电子技术

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三 电磁波在医疗上的应用在科学上，称超过人体承受或仪器设备容许的电磁辐射为电磁污染。电磁辐射分二大类，一类是天然电磁辐射，如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等，除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外，还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射，主要是微波设备产生的辐射，微波辐射能使人体组织温度升高，严重时造成植物神经功能紊乱。但是对电磁辐射，要正确认识，而且要科学防护。事实上，电磁波也如同大气和水资源一样，只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的，医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来治病健身生物电磁场保健将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电磁波。结果发现：人体红细胞膜的渗透脆性降低，韧性增强；甲状腺素、 性激素分泌增加；免疫功能提高；肾上腺皮质激素分泌无明显变化。提示：植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥，促进机体新陈代谢，增加青春活力，提高性功能，增强免疫力从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。激光治疗激光是60年代初出现的一种新光源。已广泛应用于国防、农业、卫生医疗和科学研究，也是治疗肿瘤的一种新方法。用它既能切割组织，又能同时止血，能使肿瘤组织迅速气化和雾化，从而使肿瘤在瞬间消失。激光对组织具有热、压、光和电磁场效应的作用。1、热效应：激光能使肿瘤组织在几秒种的短时间内，局部温度高达200-1000摄氏度，使其变性、凝固坏死，继而气化消失。2、压力效应：激光本身的光压和由高热导致的组织膨胀引起的二次冲击波，加深了肿瘤组织破坏。3、光效应：激光被肿瘤组织吸收后，可增强热效应，使肿瘤组织被破坏。4、电磁场效应：激光是一种电磁波。能产生电磁场，可使肿瘤组织离化、核分解而被破坏死亡，如有残癌也可自行消退，这可能与免疫有关。激光制造成激光器、激光手术刀用于治疗体表肿瘤，眼耳鼻咽喉肿瘤、神经肿瘤等。EMF系统EMF系统是由（株）日本MDM公司开发研究生产的新一代脑外科手术器械。根据其作用原理，我们俗称之为“电磁刀”。EMF系统利用高频电磁能对机体组织进行汽化，切割和凝固。因该系统外周围优良组织的热损伤小且不需要对极板，因此尤其使用于脑外等精密外科。对硬性及深部微小脑瘤的去除极为有效。EMF系统与常规的电刀相比，在原理和设计上都有很大区别。EMF系统用于汽化，切割和凝固的输出功率很小（49W以下），为一般电刀所不及。不需要对极板这一特点使单极手术刀用于脑外手术成为可能。没有烧伤感电和破坏神经系统的危险，安全性高，使用方便。与激光刀相比，不需要眼球保护镜和其它保护附件，操作时对患者和医生均无危害。手术时与患部直接接触，医生可以灵活掌握调节。与超声波刀相比，EMF系统对于硬化深部微小肿瘤的汽化治疗效果尤为显著。HandPiece非常轻便且呈弯曲状，使视野不受影响，并有利于长时间手术。刀头部分可以任意弯曲，适用于各种手术需要。微波治疗微波是指波长在1毫米至1米范围内的非电离辐射高频电磁波。70年代后期微波技术在医疗上得到应用。科学家研究发现，微波治疗有3种：一是大剂量高热治疗肿瘤，能抑制肿瘤细胞的蛋白质合成，降低肿瘤细胞分裂速度，增强化疗、放疗效果；二是用于局部生物体组织的凝固治疗，具有不炭化、不产生烟雾的特点；三是小剂量的温热治疗，可以解痉、止痛、消炎并促进伤恢复等。电磁波消毒利用电磁波的场效应和热效应，在5－l0分钟内能迅速达到国家卫生部规定的消毒要求，对成捆、成扎的纸币、成叠的毛巾、医疗器械具有穿透力强，无残留药毒性的消毒特点，是当今消毒领域的新突破。

对地球磁场起源的探索，早在公元1600年前后就已经开始了，其主要假说有永磁体说、电流说、压电效应说、温差电效应说、发电机理论等，其中永磁体说被实验否定，电流说由于电阻问题而被人们放弃，压电效应说由于现实中的压电效应本身没有涉及温度的影响，其实验值都是在常温下获得的，据此推出的磁场强度微不足道而被人们抛弃，发电机理论由于不能说明南北磁极翻转而受到质疑。那么，地球的磁场是如何产生的呢？ 只有存在运动电荷或电流才能产生磁场，因此，地球磁场应该与地球内部的带电结构有关。但是，地球磁场的南北磁极还存在着一种小范围的低速运动，这种运动表明地球磁场不仅仅是地球内部的带电部分作旋转运动产生的，在地球内部还应该存在着一个相对稳定的内部电流。那么，地球内部为什么会长期稳定地带电、并存在一个相对稳定的内部电流呢？ 据分析，地球内部地幔的半径约为2900公里，温度大约在1500～3000℃之间，压力为50万～150万个大气压，地核的半径约为3500公里，温度在5540℃左右，压力大约为350万个大气压。在通常情况下，构成宏观物体的每个原子所带的正电量和负电量是等值的，这样，经中和后的宏观物体就不带电了。但由于地核及地幔下部物质受到的压力作用较大，温度也较高，笔者认为，一个在常温低压状态下被公认的常识，宏观物体不能自发地稳定带电的观点将不再成立，即在天体内部的高压状态下，物质都是带电量不等的离子体，高温等离子体、低温等离子体的“相等”是不可能的。 磁流体发电的实验表明，在上千度以上的温度状态下，物质中少量原子中的电子可以克服原子核引力的束缚而变成自由电子，同时原子则因失去电子变成带正电的离子，这种状态称之为低温等离子状态。地核的温度在5540℃左右，如此高的温度势必会使地核中少量原子的电子克服原子核引力的束缚，变成自由电子，同时令构成地核的少量原子失去电子变成带正电的离子，在压力不是很高的状态下，失去电子的原子及克服原子核引力束缚的自由电子通常以等离子状态存在，原子核的引力作用及热运动使自由电子不能长期与失去电子的原子脱离开来。但是，当物质是在超高压作用下以密度极大的状态存在时，克服原子核引力束缚的电子，将在地核压力产生的巨大挤压力作用下，趋于飘浮到地核与地幔的交界处，造成克服原子核引力束缚的自由电子与失去电子的原子长期脱离开来，笔者将这种现象称之为热压电效应。由于地核内部的原子总量非常巨大，可以产生大量的被分离电荷。 原子最外层电子云的分布几率，会受到邻近原子中电子的静电排斥作用，由于地核中物质所受压力作用较高，物质密度较大，受到邻近原子中电子的静电排斥作用也相应较强，原子的最外层电子云会部分地失去围绕原子核运动的空间，使原子最外层电子的分布向原子外扩张。与常压状态下金属中可自由运动的自由电子不同，在超高压压力作用下失去围绕原子核运动空间的电子，也不能在地核中其它邻近原子之间自由运动。由于整个地核的压力都较高，因此，地核中少量原子最外层电子云的分布几率将一直延伸到压力较低的地核与地幔交界处甚至地幔中上部。地核中部分以自由电子状态存在的电子在压力作用下，趋于朝压力较低的地核与地幔交界面附近甚至地幔中上部分布，使宏观的地核处于带正电状态，地核与地幔的交界面附近以及地幔中上部处于带负电状态，即发生热压电效应。 原子的基态通常处于较深的负能级状态，较弱的压力作用不能将其激发或电离，但较强的压力作用会以一种令原子最外层电子云运动空间减少的形式，改变原子最外层电子云的分布几率。由于更低的能态已经被其它电子占据，原子最外层电子云只能朝外扩张，使原子最外层电子云的分布几率可以延伸到地核与地幔的交界处甚至地幔中上部，并在地核与地幔的交界处外部形成一个电子壳层。 天体内部的热压电效应主要是将与原子分离的电子挤压出天体内部的高压区，如果电子没有与原子分离，则很难被大量地挤压出天体内部的高压区。 将地核视为一个巨大的带正电荷的原子核，将地核与地幔的交界处外部覆盖整个地核的带负电荷的电子壳层视为一个巨大的带负电荷的电子气海洋，地核所带的正电量和地核周围电子壳层所带的负电量是等值的，这样，经中和后的宏观地球外表就不带电了。电子气的比重极小，在超高压与高温共同作用产生的强大浮力作用下，地核中以离子状态存在的电子克服原子核的库仑作用，趋于飘浮到地核外部，并在浮力作用与地核中所有失去电子的原子的库仑作用相平衡的位置，也即在地核与地幔的交界面附近，形成一个覆盖地核的电子壳层。将地核与电子壳层视为一个巨大的“原子”，地球磁场的产生就与这个巨大 “原子”的存在有关。 必须强调，由于电子具有波动性，每个飘浮到地核外部的电子的分布位置并不是固定不变的，而是有一定的范围，其飘浮的范围甚至有可能一直延伸到地球表面上来，也就是说地球的表面有可能带有负电荷，在我们的周围也应该存在一个可以测量到的电势梯度，但不知为何没有被测量到。 由于电子气海洋的存在，产生了地核与地幔的交界面层。美国的科学家通过实验观察发现，地核的自转与地壳和地幔并不同步。地核与地幔之间接触面积非常巨大，按照“常识”，充满液态岩浆的地核与地幔之间接触面上产生的摩擦力应非常巨大，足以使质量巨大的地核与地幔之间的相对运动在几小时或几分钟的“瞬间”趋于同步，并将其相对运动所具有的动能转化为热能和冲击波，同时在地球内部产生巨大的震动，由于地壳的厚度只有微不足道的几十公里，地核与地幔所具有的动能足以冲破地壳，产生直冲大气层的岩浆巨浪，可地核的旋转运动竟然能在上亿年的时间里与地幔不同步，这是为什么呢？ 众所周知，当原子相互作用形成离子或分子时，有获得特殊稳定构型的倾向，其中最重要的是惰性气体结构。在通常情况下，非惰性气体结构的元素只能以原子结合成分子来形成惰性气体结构，但在大量电子以自由状态存在的电子壳层中，原子会趋于直接与电子结合成具有惰性气体结构的带电粒子，以使系统处于相对较低能量状态。原子直接与以自由状态存在的电子结合成具有惰性气体结构的带电粒子，造成电子壳层中大量原子处于特殊稳定构型的负离子状态。电子壳层中大量电子的静电屏蔽作用，还能令电子壳层中原子之间失去相互作用，不能相互结合生成分子。 根据量子力学理论，存在于具有惰性气体结构原子轨道上的电子的排列不是任意的，电子将趋于由自旋平行且反向的自由电子双双组成电子对。具有惰性气体结构的金属阴离子物质在常温常压下是不存在的，但由于地核与地幔交界面上电子壳层的存在，令地核与地幔接触面上充满了具有惰性气体结构的铁、镍等负离子物质。带有电子的铁、镍等元素的性质非常特殊，由于元素之间没有相互作用，相对运动时产生的摩擦力作用极小，具有惰性气体结构的铁、镍等负离子物质就如同是具有超流动性的液氦。在地核与地幔的接触面上充满了具有超流动性润滑剂的状态下，地核的旋转运动即使与地幔不同步，地核与地幔在“接触面”上产生的摩擦力也是微不足道的。由于具有惰性气体结构的负离子物质具有超流动性，使电子壳层底部的物质不随地幔或地核作同步旋转运动。 有证据表明，地壳及地幔的旋转速度在多种因素影响下会发生变化，但影响地壳及地幔旋转速度的各种因素，有些对地核的旋转运动并不产生同样影响。此外，由于太阳和月亮的引力作用，以及地核内部的铁核、钴核中的稳定同质异能素在高温高压作用下发生同质异能素转化核反应时释放核能的不均匀性，造成覆盖地核表面的电子壳层不同区域存在较大温差，使电子壳层底部的负离子物质发生大规模定向运动，尽管巨大的负离子物质风暴的摩擦力对地核与地幔都微不足道，但由于电子气海洋中的铁、镍等金属负离子物质风暴，造成地核与地幔都不断地有大量物质与电子壳层底部中物质进行交换，并给地核与地幔的旋转运动带来不同影响，经过几十亿年的漫长岁月，就会造成地幔与地核之间的旋转运动不同步。因此，地幔与地核的旋转运动不同步，自然也就不奇怪了。 不难想象，太阳和月亮的引力作用，以及地核内部的铁核、钴核中的稳定同质异能素在高温高压作用下发生同质异能素转化核反应时释放核能的不均匀性，会造成电子壳层中具有超流动性物质的密度及分布发生巨大波动，由此产生的在地核与地幔之间的电子壳层底部中负离子物质大风暴会非常强烈，强烈的负离子物质大风暴又会产生强大的交变电磁场。 将电子壳层中的多余电子视为超自由电子，由于有大量超自由电子和自由电子的存在，按金属导电的经典电子说，电子壳层的电阻由于电子壳层中的原子与超自由电子之间不存在固有的库仑作用联结。当超自由电子和自由电子在外电场的作用下作定向运动时，超自由电子不会通过电磁相互作用将定向运动所具有的能量传递给电子壳层中的原子物质，构成电子壳层的原子物质的无规则热运动也不会影响到超自由电子在外电场的作用下的定向运动，因此，地球内部地核与地幔之间的电子壳层是一个没有电阻的高温超导地层。 根据量子力学理论，电子具有波动性，具有波动性的超自由电子在电子壳层中传播时，由于波长与电子壳层中物质自由电子相差极大，其波长要比电子壳层中物质自由电子大很多，传播时不会受到电子壳层中原子物质散射（或偏析），使超自由电子在电子壳层中的传播不会受到阻碍，因此，电子壳层中的“固有”电阻对波长与其自身的自由电子相差极大的超自由电子的影响是微不足道的。 根据量子力学理论，存在于具有惰性气体结构原子轨道上的电子的排列不是任意的，超自由电子将趋于由自旋平行且反向的电子双双组成电子对。将地核与电子壳层视为一个巨大的“原子”，电子壳层中大量的超自由电子会双双组成大量的电子对，这种电子对组态可使系统的能量降低，形成稳定的结合。于是，在电子壳层中大量的超自由电子将趋于形成电子对组态。由于电子对的惯性质量极小，其热运动不会与电子壳层中的原子产生热能交换，换句话说，超自由电子形成的电子对的热运动不受电子壳层中原子热运动的影响，故利用电子壳层中大量的超自由电子和/或超自由电子组成的超自由电子对来传输电磁场能量，则电子壳层的电阻率将与电子壳层中超自由电子组成的电子对的密度成反比。由于地核的体积极大，温度和压力又相对较高，热压电效应造成电子气海洋中超自由电子组成的超自由电子对的密度极大，电子壳层的导电率极高，堪称是高温超导地层，使得存在于其中的电流就如同存在于超导线圈中的电流那用，可以永不消失地在其中流动，也使得在地球上形成了一个磁场强度较稳定的南北磁极。如上所述，太阳和月亮的引力作用，以及地核内部释放核能的不均匀性，会造成电子壳层中具有超流动性物质的密度及分布发生巨大波动，由此产生的在地核与地幔之间的负离子物质大风暴会非常强烈，强烈的负离子物质大风暴又会产生强大的交变电磁场，使得存在于电子壳层的电流分布发生变化，造成地球磁场的南北磁极发生一种低速运动，这种低速运动在历史上曾经多次造成地球的南北磁极翻转。 天文观测表明，太阳和木星具有很强的磁场，其中木星的磁场强度大约是地球磁场的20---40倍。太阳和木星上的元素主要是氢和少量的氦、氧等这类较轻的元素，其内部并没有大量的铁磁质元素，而地球上则含有大量的铁、钴、镍等铁磁质元素，那么，太阳和木星的磁场为何比地球还强呢？ 众所周知，地核的半径约为3500公里，温度在5540℃左右，压力大约为350万个大气压。而木星内部的温度约为30000℃左右，压力也比地球内部高的多，太阳内部的压力、温度还要更高。热压电效应可在太阳和木星内部产生更加广阔的电子壳层，太阳和木星内部电子壳层的带电量也比地球内部电子壳层的带电量大的多，再加上木星的自转速度较快，其自转一周的时间为9小时56分30秒，木星内部电子壳层的运动的线速度也远高于地球内部的电子壳层，其磁场强度自然也要比地球高的多。 事实上，如果天体的内部温度超过铁、钴、镍的居里点，则天体的磁场强度与其内部是否含有铁、钴、镍等铁磁质元素无关，因为在居里点温度以上，它们的铁磁质性质会发生突变，这时它们已经转化为顺磁质元素了。 正是由于太阳、木星内部的压力、温度远高于地球，因此，太阳、木星上的磁场要比地球磁场强的多。而火星、水星的磁场比地球磁场弱，则说明火星、水星内部的压力、温度远低于地球。 此外，由于中微子具有磁矩，天体的磁场还可能与其引力作用俘获的冷中微子数量的多少有关。众所周知，在宇宙中存在着大量的中微子，其中部分中微子的运动速度相对较低，有可能被天体的万有引力作用俘获，堆积在天体的内部。对于引力较强的天体，其内部被俘获的冷中微子数量会较多，如果冷中微子在弱相互作用下，在天体的内部组合成结构较稳定的暗物质，因其不受“明”物质热运动的影响，其可在天体的内部按照一定顺序方向排列，则也会产生一定强度的磁场。