Магнитное поле источник поля: Магнитное поле — урок. Физика, 8 класс.

Измерено самое слабое магнитное поле в рентгеновских пульсарах

Аккреция, или падение вещества, на нейтронные звезды — один из наиболее эффективных механизмов генерации излучения в рентгеновском диапазоне. Если магнитное поле нейтронной звезды достаточно сильное, то оно способно направлять потоки вещества к магнитным полюсам. В этом случае в районе магнитных «шапок» достигаются сверхэкстремальные значения плотности и температуры — и именно там формируется основное рентгеновское излучение.  Если магнитная ось нейтронной звезды не совпадает с осью вращения, это излучение приходит к нам не постоянно, а как бы «вспышками» или импульсами, подобно маяку, поэтому такие объекты и получили название рентгеновских пульсаров.

Свойства наблюдаемого излучения во многом определяются величиной и конфигурацией магнитного поля.

Измерить магнитное поле нейтронной звезды непросто. Единственный прямой метод — обнаружить так называемые циклотронные линии поглощения в спектре ее электромагнитного излучения.

Это относительно узкие спектральные особенности, возникающие при взаимодействии излучения с электронами, движущимися вдоль силовых линий магнитного поля. Наблюдаемые энергии этих трудноуловимых особенностей пропорциональны величине магнитного поля и распределены гармонически. Это значит, что, кроме основной линии, могут наблюдаться ее гармоники на энергиях, кратных энергии основной линии.

Циклотронные линии обнаружены всего лишь у нескольких десятков пульсаров. При этом обычно наблюдается только одна линия (фундаментальная), поскольку для типичных магнитных полей энергии гармоник оказываются слишком большими, чтобы их могли обнаружить современные телескопы.

До сегодняшнего дня был известен только один пульсар, в спектре которого было обнаружено более четырех циклотронных линий. Его основная гармоника приходится на энергию ~11 килоэлектрон-вольт (кэВ) и, соответственно, его магнитное поле считалось самым слабым среди известных аккрецирующих пульсаров, магнитные поля которых были определены достоверно.

Этот рекорд был побит благодаря совместной работе ученых Института космических исследований РАН, Московского физико-технического института и их коллег из научных организаций Германии и Финляндии.

Спектр пульсара Swift J1626.6-5156 по данным обсерваторий NuSTAR и NICER. Источник:

Astrophysical Journal Letters

В марте 2021 г. в данных японского монитора MAXI на борту Международной космической станции было обнаружено, что в направлении малоизученного рентгеновского пульсара Swift J1626.6-5156 увеличивается поток излучения.

Через несколько дней наблюдения российского телескопа ART-XC им. М. Н. Павлинского на борту обсерватории «Спектр-РГ», проводящей обзор всего неба, подтвердили начало рентгеновской вспышки и то, что она происходит именно в системе Swift J1626.6-5156. Этот рентгеновский пульсар с периодом примерно 15 секунд был открыт в 2005 году во время вспышки, по окончании которой находился в состоянии «покоя» более 15 лет.

Результаты телескопа ART-XC послужили триггером для проведения по заявке российских ученых немедленных наблюдений этого источника американскими орбитальными обсерваториями NuSTAR и NICER, которые работают в широком диапазоне энергий с высокой чувствительностью и хорошим энергетическим разрешением.

При анализе энергетического спектра Swift J1626.6-5156 были обнаружены четыре гармонически распределенные особенности в поглощении на энергиях, кратных 4.9 кэВ. Эти особенности были интерпретированы как фундаментальная циклотронная линия и три ее высшие гармоники, что соответствует величине магнитного поля на поверхности нейтронной звезды ~4×1011 Гаусс.

«Это в разы меньше типичных значений и сегодня является наименьшим среди всех известных рентгеновских пульсаров, — говорит Сергей Мольков, первый автор статьи, старший научный сотрудник ИКИ РАН и сотрудник МФТИ. — Наше открытие позволит существенно расширить знания о магнитных полях в нейтронных звездах. Кроме того, оно оказалось очень «своевременным» в свете того обстоятельства, что на осень 2021 года запланирован запуск обсерватории IXPE (NASA, ESA), а еще через четыре года в космос отправится обсерватория eXTP (Китай, ESA)».

Оба упомянутых проекта предназначены для измерения поляризации излучения в мягком рентгеновском диапазоне энергий 2–10 кэВ. Образно говоря, эти миссии должны открыть «новое окно» для изучения и понимания физических процессов, происходящих в окрестностях нейтронных звезд и черных дыр. Учитывая рабочий энергетический диапазон поляриметров, именно рентгеновские пульсары с малыми магнитными полями (т.е. с циклотронными линиями на энергиях ниже 10 кэВ) представляют особый интерес.

Благодаря обнаруженной циклотронной линии на энергии 4.9 кэВ пульсар Swift J1626.6-5156 станет практически уникальным объектом для миссии IXPE, наблюдая  который можно будет проверить модели формирования излучения рентгеновских пульсаров и глубже понять физику высокоэнергичных процессов в магнитных полях.

Работа была поддержана Российским научным фондом, грант 19-12-00423.

Теги

Физика и космос

Физика лекции / Магнитное поле

Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.

Свойства магнитного поля

:

1. Магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током.

2. Магнитное поле действует на любой проводник с током. В результате этого действия прямой проводник двигается в сторону действия силы, а проводник, замкнутый в кольцо (контур), поворачивается на некоторый угол.

3. Магнитное поле не имеет границ, но действие его уменьшается при увеличении расстояния от проводника с током, поэтому действие поля не обнаруживается на больших расстояниях.

4. Взаимодействие токов происходит с конечной скоростью в м/с.

Характеристики магнитного поля:

Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил. В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуется

моментом сил.

, где l – плечо пары сил (расстояние между точками приложения сил).

При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией.

, где – магнитный момент контура с током.

Единица измерения магнитной индукции – Тесла [Тл].

Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется по правилу правого винта: правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура.

За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле.

Линия магнитной индукции – линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, никогда не пересекаются.

Линии магнитной индукции прямого проводника с током имеют вид окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление линий магнитной индукции определяют по правилу правого винта. Линии магнитной индукции кругового тока (витка с током) также имеют вид окружностей. Каждый элемент витка длиной можно представить как прямолинейный проводник, который создаёт своё магнитное поле. Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции (независимого сложения). Суммарный вектор магнитной индукции кругового тока определяется как результат сложения этих полей в центре витка по правилу правого винта.

Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным. Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называют постоянным.

Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле.

, где Н/А²; Гн/м – магнитная постоянная вакуума,

– относительная магнитная проницаемость среды,

– абсолютная магнитная проницаемость среды.

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:

1. Парамагнетики – вещества, у которых , то есть при помещении их в магнитное поле магнитная индукция увеличивается. При удалении парамагнетиков из магнитного поля их намагниченность не сохраняется.

2. Диамагнетики – вещества, у которых , при помещении их в магнитное поле магнитная индукция уменьшается, намагниченность не сохраняется.

3. Ферромагнетики – вещества, у которых , при удалении этих веществ из магнитного поля их намагниченность сохраняется, и эти вещества становятся постоянными магнитами. Между полюсами подковообразного магнита создаётся однородное магнитное поле (магнитные поля, созданные проводниками с током – неоднородные).

При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.

.

Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды.

Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

, где l – длина проводника, – угол между вектором магнитной индукции и направлением тока.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90⁰ большой палец укажет направление силы Ампера.

Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.

Если = 90⁰, то F = max, если = 0⁰, то F = 0.

Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.

, где q – заряд, v – скорость его движения, – угол между векторами напряжённости и скорости.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии.

Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов.

Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции.

, где – угол между магнитной индукцией и нормалью (перпендикуляром) к площади S.

Единица измерения – Вебер [Вб].

Способы измерения магнитного потока:

1. Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)

2. Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле

3. Изменение силы тока, создающего магнитное поле

4. Изменение расстояния контура от источника магнитного поля

5. Изменение магнитных свойств среды.

Фарадей регистрировал электрический ток в контуре, не содержащим источника, но находившемся рядом с другим контуром, содержащим источник. Причём ток в первом контуре возникал в следующих случаях: при любом изменении тока в контуре А, при относительном перемещении контуров, при внесении в контур А железного стержня, при движении относительно контура Б постоянного магнита. Направленное движение свободных зарядов (ток) возникает только в электрическом поле. Значит, изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, которое и приводит в движение свободные заряды проводника. Это электрическое поле называют индуцированным или вихревым.

Отличия вихревого электрического поля от электростатического:

1. Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.

2. Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.

3. Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.

4. Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.

. Измеряется в Вольтах [В].

Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле.

Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.

ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.

.

Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток.

Закон Фарадея для электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Токи Фуко – вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках больших размеров, помещённых в изменяющееся магнитное поле. Сопротивление такового проводника мало, так как он имеет большое сечение S, поэтому токи Фуко могут быть большими по величине, в результате чего проводник нагревается.

Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём.

Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока.

, где L – коэффициент пропорциональности, индуктивность.

Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].

Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды.

Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень.

Закон Фарадея для самоиндукции: .

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.

ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней.

Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения.

.

Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.

Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Условия возникновения колебаний:

1. Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:

.

2. Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.

3. Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.

Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называют свободными.

Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе.

Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону.

Напряжение на конденсаторе: .

Сила тока в контуре: .

Величина – амплитуда силы тока.

. Отличие от заряда на .

Период свободных колебаний в контуре:

Энергия электрического поля конденсатора:

Энергия магнитного поля катушки:

Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю.

Полная энергия колебательной системы: .

В идеальном контуре полная энергия не изменяется.

В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля.

Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называют затухающими.

Закон Ома примет вид:

При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания:

При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):

1. В контуре нет конденсатора, т. е. ёмкостное сопротивление контура равно нулю, а электроемкость стремиться к бесконечности. Значит:

2. В контуре отсутствует индуктивность, т.е. она стремиться к нулю.

Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.

3. Зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДС также происходит по экспоненциальному закону:

Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивление R при прохождении тока выделяется теплота.

Переходный процесс – процесс, возникающий в электрических цепях при переходе от одного режима работы к другому. Оценивается временем (), в течение которого параметр, характеризующий переходный процесс изменится в е раз.

Для контура с конденсатором и резистором: .

Теория Максвелла об электромагнитном поле:

1 положение:

Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле.

Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком.

Плотность тока смещения: . Плотность тока направлена в сторону изменения напряжённости.

Первое уравнение Максвелла: – вихревое магнитное поле порождается как токами проводимости (движущимися электрическими зарядами) так и токами смещения (переменным электрическим полем Е).

2 положение:

Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.

Второе уравнение Максвелла: – связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряжённости электрического поля, возникающего при этом.

Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле. Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле.

Магнитное поле вихревое, так как линии магнитной индукции всегда замкнуты. Величина напряженности магнитного поля Н пропорциональна скорости изменения напряжённости электрического поля . Направление вектора напряжённости магнитного поля связано с изменением напряжённости электрического поля правилом правого винта: правую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения напряжённости электрического поля, тогда согнутые 4 пальца укажут направление линий напряжённости магнитного поля.

Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле, линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля.

Величина напряжённости Е вихревого электрического поля зависит от скорости изменения магнитного поля . Направление вектора Е связано с направлением изменения магнитного пол Н правилом левого винта: левую руку сжать в кулак, большой палец направить в сторону изменения магнитного поля, согнутые четыре пальца укажут направление линий напряжённости вихревого электрического поля.

Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле. Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны.

Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.

Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.

Уравнение электромагнитной волны:

– циклическая частота электромагнитных колебаний

t – время от начала колебаний

l – расстояние от источника волны до данной точки пространства

– скорость распространения волны

– время движения волны от источника до данной точки.

Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.

Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны.

Свойства электромагнитных волн:

1. Все электромагнитные волны – поперечные

2. В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью, которая зависит от свойств среды:

– относительная диэлектрическая проницаемость среды

– диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/м, Кл²/нм²

– относительная магнитная проницаемость среды

– магнитная постоянная вакуума, Н/А²; Гн/м

3. Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют.

4. Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:

5. Плотность потока энергии волн – интенсивность волны:

– вектор Умова-Пойнтинга.

Все электромагнитные волны расположены в ряд по частотам или длинам волн (). Этот ряд – шкала электромагнитных волн.

1. Низкочастотные колебания. 0 – 10⁴ Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются

2. Радиоволны. 10⁴ – 10¹³ Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.

3. Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.

4. Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм

5. Ультрафиолетовое излучение. 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.

6. Рентгеновское излучение. 80 – 10^-5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.

7. Гамма-излучение. Возникает при распаде ядер атомов.

Откуда у Вселенной появилось магнитное поле | MIT News

Когда мы смотрим в космос, все астрофизические объекты, которые мы видим, окружены магнитными полями. Это верно не только в окрестностях звезд и планет, но и в глубоком космосе между галактиками и галактическими скоплениями. Эти поля слабы — обычно намного слабее, чем у магнита холодильника, — но они имеют динамическое значение в том смысле, что оказывают глубокое влияние на динамику Вселенной. Несмотря на десятилетия интенсивного интереса и исследований, происхождение этих космических магнитных полей остается одной из самых глубоких загадок в космологии.

В ходе предыдущих исследований ученые пришли к пониманию того, как турбулентность, вихревое движение, характерное для жидкостей всех типов, может усиливать ранее существовавшие магнитные поля посредством так называемого динамо-процесса. Но это замечательное открытие только углубило тайну еще на один шаг. Если турбулентное динамо могло только усиливать существующее поле, то откуда взялось «зародышевое» магнитное поле?

У нас не будет полного и непротиворечивого ответа на вопрос о происхождении астрофизических магнитных полей, пока мы не поймем, как возникают затравочные поля. Новая работа, проведенная аспирантом Массачусетского технологического института Муни Чжоу, ее советником Нуно Лоурейро, профессором ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, и коллегами из Принстонского университета и Университета Колорадо в Боулдере, дает ответ, который показывает основные процессы, которые генерируют поле. от полностью ненамагниченного состояния до точки, где оно достаточно сильное, чтобы динамо-механизм взял на себя управление и усилил поле до величин, которые мы наблюдаем.

Магнитные поля повсюду

Естественные магнитные поля наблюдаются повсюду во Вселенной. Впервые они были обнаружены на Земле тысячи лет назад благодаря их взаимодействию с намагниченными минералами, такими как магнитный камень, и использовались для навигации задолго до того, как люди поняли их природу или происхождение. Магнетизм Солнца был открыт в начале 20 века благодаря его влиянию на спектр света, излучаемого Солнцем. С тех пор более мощные телескопы, смотревшие вглубь космоса, обнаружили, что поля были вездесущи.

И хотя ученые уже давно научились изготавливать и использовать постоянные магниты и электромагниты, которые имели множество практических применений, естественное происхождение магнитных полей во Вселенной оставалось загадкой. Недавняя работа дала часть ответа, но многие аспекты этого вопроса все еще обсуждаются.

Усиление магнитных полей — динамо-эффект

Ученые начали задумываться над этой проблемой, рассматривая способ создания электрических и магнитных полей в лаборатории. Когда проводники, такие как медная проволока, движутся в магнитных полях, создаются электрические поля. Эти поля или напряжения могут затем управлять электрическими токами. Так вырабатывается электричество, которое мы используем каждый день. Благодаря этому процессу индукции большие генераторы или «динамо-машины» преобразуют механическую энергию в электромагнитную энергию, питающую наши дома и офисы. Ключевой особенностью динамо-машин является то, что для работы им необходимы магнитные поля.

Но во Вселенной нет очевидных проводов или больших стальных конструкций, так как же возникают поля? Прогресс в решении этой проблемы начался около века назад, когда ученые задумались над источником магнитного поля Земли. К тому времени исследования распространения сейсмических волн показали, что большая часть Земли под более холодными поверхностными слоями мантии была жидкой и что существовало ядро, состоящее из расплавленного никеля и железа. Исследователи предположили, что конвективное движение этой горячей электропроводящей жидкости и вращение Земли каким-то образом объединяются для создания земного поля.

В конце концов появились модели, показывающие, как конвективное движение может усиливать существующее поле. Это пример «самоорганизации» — свойства, часто наблюдаемого в сложных динамических системах, — где крупномасштабные структуры спонтанно вырастают из мелкомасштабной динамики. Но, как и на электростанции, вам нужно было магнитное поле, чтобы создать магнитное поле.

Подобный процесс происходит во всей вселенной. Однако в звездах и галактиках и в пространстве между ними электропроводящей жидкостью является не расплавленный металл, а плазма — состояние вещества, существующее при чрезвычайно высоких температурах, когда электроны отрываются от их атомов. На Земле плазму можно увидеть в молнии или неоновом свете. В такой среде динамо-эффект может усиливать существующее магнитное поле, если оно начинается на каком-то минимальном уровне.

Создание первых магнитных полей

Откуда взялось это семенное поле? Вот тут-то и появляется недавняя работа Чжоу и ее коллег, опубликованная 5 мая в PNAS, . Чжоу разработала основную теорию и провела численное моделирование на мощных суперкомпьютерах, которые показывают, как может быть создано затравочное поле и какие фундаментальные процессы здесь работают. . Важным аспектом плазмы, существующей между звездами и галактиками, является то, что она необычайно рассеяна — обычно около одной частицы на кубический метр. Это совсем другая ситуация, чем внутри звезд, где плотность частиц примерно на 30 порядков выше. Низкие плотности означают, что частицы в космологической плазме никогда не сталкиваются, что оказывает важное влияние на их поведение, которое необходимо было включить в модель, которую разрабатывали эти исследователи.

Расчеты, выполненные исследователями Массачусетского технологического института, следовали за динамикой в ​​этой плазме, которая развивалась из хорошо упорядоченных волн, но становилась турбулентной по мере роста амплитуды, и взаимодействия становились сильно нелинейными. Включив детальное влияние динамики плазмы в малых масштабах на макроскопические астрофизические процессы, они продемонстрировали, что первые магнитные поля могут спонтанно создаваться посредством общих крупномасштабных движений, таких простых, как сдвиговые потоки. Как и в земных примерах, механическая энергия преобразовывалась в магнитную энергию.

Важным результатом их вычислений была амплитуда ожидаемого спонтанно генерируемого магнитного поля. Это показало, что амплитуда поля может возрастать от нуля до уровня, при котором плазма «намагничена», то есть когда присутствие поля сильно влияет на динамику плазмы. В этот момент традиционный динамо-механизм может вступить во владение и поднять поля до наблюдаемых уровней. Таким образом, их работа представляет собой самосогласованную модель генерации магнитных полей в космологическом масштабе.

Профессор Эллен Цвайбель из Университета Висконсина в Мэдисоне отмечает, что «несмотря на десятилетия замечательного прогресса в космологии, происхождение магнитных полей во Вселенной остается неизвестным. Замечательно видеть, что современная теория физики плазмы и численное моделирование используются для решения этой фундаментальной проблемы».

Чжоу и его коллеги будут продолжать совершенствовать свою модель и изучать переход от генерации исходного поля к фазе усиления динамо-машины. Важной частью их будущих исследований будет определение того, может ли этот процесс работать в масштабе времени, согласующемся с астрономическими наблюдениями. Цитируя исследователей: «Эта работа представляет собой первый шаг в построении новой парадигмы для понимания магнитогенеза во Вселенной».

Эта работа финансировалась премией Национального научного фонда CAREER Award и грантом Future Investigators of Earth and Space Science Technology (FINESST).

Источники геомагнитного поля · Магнитная Земля

На этой странице мы изображаем радиальную (вертикальную вниз) составляющую различных моделей магнитного поля, оцениваемую на поверхности Земли. Это прогнозы магнитного поля из разных физических источников по отдельности, так что общее магнитное поле представляет собой сумму этих компонентов. Каждая модель показана в разных временных масштабах, соответствующих природе каждого источника. Сами модели получены эмпирическим путем на основе измерений магнитного поля, сделанных как на Земле, так и в космосе.

• Ядро Земли («основное поле»)
• Литосфера
• Ионосфера: средние широты
• Ионосфера: высокие широты
• Магнитосфера
• и более…

Ядро Земли («основное поле»)

Основное магнитное поле создается электрическими токами внутри внешнего ядра Земли , состоящего в основном из жидкого железа. Сложное взаимодействие движения жидкости и магнитогидродинамики создает самоподдерживающееся магнитное поле посредством процесса, который мы называем геодинамо . Форма поля преимущественно диполярная, выровнена с севера на юг, так что компасы указывают примерно на север, но конкретное направление ( магнитное склонение ) меняется в зависимости от местоположения и с течением времени. Динамическая природа источника также иногда вызывает инверсию полюсов.

Радиальная компонента основного магнитного поля за последнее столетие (IGRF-13). Обратите внимание, что величина этого поля примерно в 1000 раз больше, чем у следующих полей.

Глядя на поле таким образом, можно обнаружить только незначительные изменения, хотя с геологической точки зрения это показывает лишь короткий период времени. Тем не менее, есть очевидное изменение над Южной Атлантикой и Южной Америкой (но помните, что это только радиальная составляющая вектора – общая интенсивность составляет , а не , падающая до нуля). Более поучительно смотреть на другие компоненты вектора вместе – см. Галерею основных полей . Это региональное ослабление поля оказывает влияние на космические аппараты из-за более высокого уровня приходящей радиации из космоса и связано с глобальным ослаблением (подробнее).

См. также: https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/historical_declination/

Литосфера

Литосфера или кора (в геомагнетизме мы склонны не проводить различия между ними) каменистый внешний слой планеты. Кора состоит из множества различных минералов и структур, обладающих различными магнитными свойствами, хотя в общих чертах ее можно описать как обладающую как индуцированной , так и остаточной намагниченностью (та, которая индуцируется основным полем, и та, которая сохранялась бы в отсутствие основного поля, созданного при формировании породы). Интегральное воздействие намагниченности земной коры представляет собой магнитное поле с большим количеством тонкой структуры. Чтобы получить полную картину этого поля, мы используем глобально распределенные измерения с космических аппаратов вместе с региональными и локальными съемками с использованием самолетов и кораблей. В то время как космические измерения могут дать нам глобальную модель литосферного поля, подобную той, что показана ниже, многие региональные съемки должны быть скомпилированы вместе, чтобы показать ее с более высоким разрешением (например, WDMAM) — это связано с тем, что компоненты с более короткими длинами волн растворяются, как только мы достигаем спутника. высота.

Радиальная составляющая крупномасштабных длин волн (>~100 км) литосферного поля (LCS-1)

Ионосфера: средние широты Верхняя атмосфера частично ионизирована на высоте около 50 км и называется ионосферой

, простирающейся до высоты около 1000 км. Это означает, что существуют несвязанные электроны и ионы ( заряженных частицы ), которые могут переносить электрический ток. Солнечный свет нагревает дневную сторону ионосферы, вызывая тепловое расширение в освещенном полушарии, что вызывает крупномасштабный поток (ветер) из-за создаваемого градиента давления. Этот поток проталкивает заряженные частицы через основное поле Земли, что приводит к динамо-взаимодействию и формированию структуры магнитного поля с центром в подсолнечной точке (точке на поверхности Земли непосредственно под Солнцем).

Суточная вариация	Годовое изменение

Радиальная составляющая ионосферного поля (извлеченная из модели Swarm CI)

Здесь мы показываем изменение за два разных периода. Анимация суточного хода показывает, что каждый день характеристика ионосферного магнитного поля огибает Землю по мере того, как Земля вращается под солнечным светом. Объект разделен на две противоположно ориентированные ячейки, выровненные по контурам основного поля. Анимация годового хода показывает моментальный снимок поля каждый день в полдень UTC, чтобы мы могли видеть, как магнитное поле меняется в зависимости от времени года. В течение года пиковая интенсивность смещается между северным и южным полушариями, поскольку пик солнечного света (лето) смещается между полушариями.

Ионосфера: Высокие широты

В высоких широтах другая история. Форма основного магнитного поля означает, что линии поля направлены внутрь/наружу на полюсах, вдоль которых направляются заряженные частицы (в конечном итоге солнечного ветра ), вызывая полярные сияния (северное и южное сияния). ) и система электрических токов, связанных с магнитосферой . Эти электрические токи вызываются изменениями солнечной активности и в значительной степени влияют на условия на Земле космической погодой.