Dynamo magnetohydrodynamiczne
Z Wikipedii
Teoria Dynama Magnetohydrodynamicznego zwana teorią dynama jest teorią opisującą istnienie pola magnetycznego ciał niebieskich w tym też Ziemi.
Spis treści |
[edytuj] Wstęp historyczny
Początkowo sądzono, że pole magnetyczne Ziemi pochodzi od namagnesowanych pokładów związków żelaza szczególnie jądra Ziemi (ferromagnetyków), pod koniec XIX w zwrócono uwagę, że temperatura jądra Ziemi jest wysoka, a substancje w wysokich temperaturach przestają być ferromagnetykami (temperatura Curie). W 1908 roku odkryto, że pole magnetyczne występuje również na Słońcu, w następnych latach na innych gwiazdach.
[edytuj] Magnetohydrodynamiczne dynamo
Gwiazdy zbudowane są z plazmy, ruch plazmy bez uwzględnienia pola magnetycznego i elektrycznego rozpatruje dziedzina fizyki hydrodynamika. Plazma jest silnie zjonizowanym gazem i nie można pominąć wpływu pola magnetycznego i elektrycznego na zachowanie się plazmy. Teoria ruchu plazmy z uwzględnieniem wpływu pola magnetycznego na ruch plazmy jest nazywana magnetohydrodynamiką w skrócie MHD.
Teoria dynama magnetohydrodynamicznego zakłada, że w wyniku lokalnego zaburzenia w niewielkim obszarze plazmy powstaje pole magnetyczne. Jeżeli w tym obszarze plazma porusza się, to w plazmie będzie generowany prąd elektryczny tak jak w prądnicy (zwanej dawniej dynamem). Wytworzony w ten sposób prąd będzie wytwarzał pole magnetyczne, które będzie generowało prąd w coraz to rozleglejszych obszarach poruszającej się plazmy. Przy rozprzestrzenianiu i wzmacnianiu pola magnetycznego w teorii dynama rozpatruje się plazmę jako obwód elektromechaniczny, w którym pole magnetyczne wpływa na ruch cząstek obdarzonych ładunkami elektrycznymi a ruch ładunków elektrycznych wywołuje zmiany w polu magnetycznym.
[edytuj] Historia
Teorię dynama zapoczątkował w 1919 roku Joseph Larmor (11 lipca 1857 - 19, 1942) który zasugerował, że pole magnetyczne Słońca powstaje w wyniku ruchu wirowego substancji przewodzącej prąd elektryczny (plazmy) podobnie jak pole magnetyczne wytwarza obracająca się tarcza w dysku Faradaya. Elsasser (1946), Bullard (1949) jako pierwsi przedstawiają modele powstawania ziemskiego pola magnetycznego w wyniku ruchu płynu we wnętrzu Ziemi. W tym samym czasie Frankel (1945), Gurevich i Lebedinskij (1945) podają ideę że prądy konwekcyjne wywołują pole magnetyczne Ziemi i w plamach słonecznych. Parker (1955 i w 1971) przedstawia mechanizm generowania pola magnetycznego w wirze, mechanizm proponowany przez niego zostaje nazwany alfa-omega dynamo, uważa on że głównym mechanizmem odpowiedzialnym za generowanie pola są turbulencje w spiralnie opadającej masie. Mechanizm porządkowania się pól wytworzonych przez lokalne wiry ma porządkować się poprzez globalny wir w globalne pole magnetyczne w mechanizmie zwanym efektem alfa (rodzaj rekoneksji magnetycznej). Busse (1971,1977) w celu przełamania głosów krytyki, twierdzi że do wytworzenia pola magnetycznego potrzebna jest zarówno konwekcja, jak i wirowanie. W tym samym czasie upowszechnia się pogląd, że w funkcjonowaniu dynama ważną rolę odgrywa odkryty przez Alfv´ena efekt wmrozenia pola w przewodzący płyn. W 1972 Zeldovich wprowadza ideę (stretch-twist-fold (STF) dynamos) wyjaśniającą mechanizm "prostowania" linii pola magnetycznego w pierwotnie przypadkowych kierunkach pola tworzonych przez różne nieuporządkowane wiry. Efekt ten jest podobny do efektu wmrożenia pola magnetycznego.
W latach 60. rozpoczęto symulacje komputerowe sprawdzające koncepcje dynama. Glatzmaier and Roberts (1995) budując model cyfrowy ziemskiego dynama i przeprowadzając trwającą 2000 godzin symulację komputerową odpowiadającą 40000 lat zmian pola magnetycznego uzyskują efekt przebiegunowania. Po tym okresie rozpoczęły się liczne symulacje komputerowe rozprzestrzeniania się pola magnetycznego.[1]
[edytuj] Równanie kinematycznego dynama
W przybliżeniu zwanym "kinematycznym dynamem" zakłada się, że własności i ruch materii wpływają na pole magnetyczne, ale pole magnetyczne jest na tyle słabe, że nie wpływa znacząco na zachowanie się materii, w której jest pole magnetyczne.
Zakładając brak źródeł siły elektromotorycznej (prądu), wyrażając prawo indukcji elektomagnetycznej i prawo Ohma w matematyce operatorów różniczkowych, eliminując wielkości pośrednie, zmiany pola magnetycznego w dowolnym miejscu ośrodka przewodzącego prąd i mogącego poruszać się opisuje równanie:
Gdzie: B - indukcja magnetyczna, u - prędkość ruchu ośrodka, n - dyfuzyjność magnetyczna, współczynnik opisujący ośrodek, współczynnik ten jest proporcjonalny do oporu właściwego ośrodka.
Ze wzoru tego wynika, że na zmianę pola magnetycznego mają wpływ dwa zjawiska, wyrażające się w tym wzorze dwoma składnikami.
Składnik drugi, poprzez współczynnik n proporcjonalny do oporu ośrodka, sprawia że pole magnetyczne zanika. Szybkość zaniku pola jest większa w ośrodkach o dużym oporze elektrycznym, w ośrodkach dobrze przewodzących prąd elektryczny składnik ten dąży do zera i można go pominąć, co oznacza, że pole magnetyczne nie maleje.
Składnik pierwszy odpowiada za przenoszenie pola magnetycznego przez poruszający się ośrodek. Jeżeli drugi składnik można pominąć, to zmiana pola magnetycznego odbywa się tylko w wyniku ruchu ośrodka i pole podąża za ośrodkiem w którym było. Zjawisko to jest zwane "wmrożeniem pola w ośrodek", a pole magnetyczne o tych właściwościach "polem wmrożonym".
Terminy te są powszechnie używane przez astronomów.
[edytuj] Dynamo a pole magnetyczne Ziemi
Teorię stosuje się też do wyjaśnienia istnienia pola magnetycznego Ziemi. Szukano przyczyny inicjującej powstanie ziemskiego pola magnetycznego, przyjmowano że zostało ono wygenerowane przez pole magnetyczne galaktyki ale porzucono ten pogląd. Obecnie przeważa pogląd, że przyczyną płynięcia prądu, który wytwarza pierwotne pole magnetyczne w Ziemi są ruchy konwekcyjne na granicy płaszcza i jądra zewnętrznego Ziemi. Ruchy konwekcyjne w połączeniu z efektem_Coriolisa porządkują się. Powstałe w ten sposób pole jest wzmacniane przez odkryty niedawno ruch jądra względem płaszcza Ziemi.
[edytuj] Krytyka MHD dynama
Teoria dynama nie wyjaśnia:
- przyczyny powstania pola magnetycznego Ziemi
- warunków utrzymywania się pola magnetycznego
- przyczyn zmian natężenia pola magnetycznego
- przyczyn zmian kierunku pola magnetycznego
- dlaczego pole magnetyczne Ziemi utrzymuje swój kierunek przez tysiące lat, a Słońce przez kilka lat.
