Birkeland organiserte flere ekspedisjoner til Norges breddegradsområder hvor Han etablerte et nettverk av observatorier under nordlysregionene for å samle inn magnetfeltdata. Resultatene fra Den norske Polarekspedisjonen fra 1899 til 1900 inneholdt den første bestemmelsen av det globale mønsteret av elektriske strømmer i polarområdet fra jordmagnetfeltmålinger. Oppdagelsen av Røntgenstråler inspirerte Birkeland til å utvikle vakuumkamre for å studere påvirkning av magneter på katodestråler. Birkeland la merke til at en elektronstråle rettet mot en magnetisert terrella ble ledet mot de magnetiske polene og produserte lysringer rundt polene og konkluderte med at nordlyset kunne produseres på en lignende måte. Han utviklet en teori der energiske elektroner ble kastet ut fra solflekker på soloverflaten, rettet mot Jorden, og guidet Til Jordens polare områder av det geomagnetiske feltet der de produserte den synlige aurora. Dette er i hovedsak teorien om aurora i dag.
Birkeland foreslo i 1908 i sin bok The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 at polare elektriske strømmer, i dag referert til som nordlyselektrojeter, var koblet til et system av strømmer som strømmet langs geomagnetiske feltlinjer inn i og bort fra polarområdet. Slike feltjusterte strømmer er i dag Kjent Som Birkelandstrømmer til hans ære. Han ga et diagram av feltjusterte strømmer i boken, og dette diagrammet ble gjengitt på baksiden av den norske 200 kroner 7. serien seddel i nedre høyre hjørne, og hans terrella eksperiment er vist på forsiden til venstre med et portrett Av Birkeland til høyre. Boken om 1902-1903-ekspedisjonen inneholder kapitler om magnetiske stormer på Jorden og deres forhold til Solen, opprinnelsen til Solen selv, Halleys komet og Saturns ringer.
Birkelands visjon om Det som nå kalles Birkelandstrømmene ble kilden til en kontrovers som fortsatte i over et halvt århundre, fordi deres eksistens ikke kunne bekreftes fra bakkebaserte målinger alene. Hans teori var omstridt og latterliggjort på den tiden som en utkant teori av mainstream forskere, mest notorisk Av den eminente Britiske geofysiker Og matematiker Sydney Chapman som hevdet mainstream oppfatning at strømninger ikke kunne krysse vakuum plass og derfor strømmene måtte genereres Av Jorden. Birkelands teori om nordlyset fortsatte å bli avvist av mainstream astrofysikere etter hans død i 1917. Det ble særlig fremmet Av den svenske plasmaforskeren Hannes Alfvé, Men Alfvé arbeid i sin tur ble også bestridt Av Chapman.
Bevis på Birkelands teori om nordlyset kom først i 1967 etter at en sonde ble sendt ut i rommet. De avgjørende resultatene ble hentet fra us Navy satellitt 1963-38C, lansert i 1963 og bærer et magnetometer over ionosfæren. Magnetiske forstyrrelser ble observert på nesten hver passering over de høye breddegrader regioner Av Jorden. Disse ble opprinnelig tolket som hydromagnetiske bølger, men ved senere analyse ble det forstått at de skyldtes feltjusterte eller Birkelandstrømmer.
Omfanget Av Birkelands forskningsbedrifter var slik at finansieringen ble et overveldende hinder. Erkjennelsen av at teknologisk oppfinnelse kunne bringe rikdom, han utviklet en elektromagnetisk kanon og, med noen investorer, dannet et skytevåpen selskap. Spolepistolen virket, bortsett fra de høye nesehastighetene han spådde (600 m / s), ble ikke produsert. Det meste han kunne få fra sin største maskin var 100 m / s, som tilsvarer et skuffende prosjektilområde på bare 1 km. Så omdøpte han enheten en antennetorpedo og arrangerte en demonstrasjon med det uttrykkelige målet om å selge selskapet. Ved demonstrasjonen kortsluttet en av spolene og produserte en sensasjonell induktiv lysbue komplett med støy, flamme og røyk. Dette var Den første svikt i Noen Av bæreraketter Som Birkeland hadde bygget. Det kunne lett ha blitt reparert og en annen demonstrasjon organisert.
skjebnen grep imidlertid inn i form Av en ingeniør Ved Navn Sam Eyde. På et middagsselskap bare en uke senere fortalte Eyde Birkeland at det var et industrielt behov for det største lynet som kan bringes ned Til Jorden for å lage kunstgjødsel. Birkelands svar var: «jeg har det!»Det var ikke flere forsøk på å selge våpenfirmaet, og Han jobbet med Eyde bare lenge nok til å bygge en plasmabue-enhet for nitrogenfikseringsprosessen. Paret jobbet med å utvikle prototypen ovn til et design som var økonomisk levedyktig for storskala produksjon. Det resulterende selskapet, Norsk Hydro, beriket norge enormt, Og Birkeland hadde da tilstrekkelig finansiering for forskning, hans eneste virkelige interesse.
Birkeland–Eyde-prosessen er relativt ineffektiv når det gjelder energiforbruk. På 1910-og 1920-tallet ble Den derfor gradvis erstattet I Norge av En kombinasjon Av Haber-prosessen og Ostwald-prosessen.
I 1913 kan Birkeland ha vært den første til å forutsi at plasma var allestedsnærværende i rommet. Han skrev: «Det ser ut til å være en naturlig konsekvens av våre synspunkter å anta at hele rommet er fylt med elektroner og flygende elektriske ioner av alle slag. Vi har antatt at hvert stjernesystem i evolusjoner kaster av elektriske legemer i rommet. Det virker derfor ikke urimelig å tro at størstedelen av de materielle massene i universet er funnet, ikke i solsystemene eller tåkene, men i’ tomt ‘ rom.»
I 1916 var Birkeland trolig den første personen som kunne forutsi at solvinden oppfører seg som alle ladede partikler i et elektrisk felt: «Fra et fysisk synspunkt er det mest sannsynlig at solstråler ikke er utelukkende negative eller positive stråler, men av begge slag.» Med Andre ord Består Solvinden av både negative elektroner og positive ioner.
Det første komplette kartet over den statistiske plasseringen Av Birkelandstrømmer i Jordens polarregion ble utviklet i 1974 av A. J. Zmuda Og J. C. Armstrong og raffinert I 1976 Av T. Iijima og T. A. Potemra
Som forsker med brede interesser, Ble Birkeland med i kontrollkommisjonen TIL Nsfps (=Norsk Samfunn For Psykisk Forskning). De 299 medlemmene i foreningen inkluderte, i 1922, folk som statsminister Gunnar Knudsen, samt et bredt spekter av leger, professorer og redere. Foreningen arrangerte sirkler som eksperimenterte med dansebord og automatisk skriving, men tiltrakk seg mer oppmerksomhet ved å arrangere kontrollerte eksperimenter med inviterte utenlandske medier. I 1912 var det det påståtte Mediet Etta Wriedt fra Detroit, kjent for sin «spirit trumpet», som ble avslørt som en svindel. Fru Wriedt ‘ s «trompet» skulle ha snakket med Blant Annet Hypatias» åndsstemme», Men I Norge ble» trompetblåsene » eksponert som eksplosjoner produsert av kalium og vann. Professor Birkeland utbrøt ved den anledningen :»jeg er visstnok mot alle heksebrennelser, men en bitteliten en til ære For Fru Wriedt ville ikke ha vært i veien.»
