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隐形的磁场不仅仅只存在于我们的生活中,它还存在于天体星球中

2019-06-12来源:TOM
根据发电机理论,只要天体内部具有旋转、对流和导电流体,比如地球,其磁场是由于地球外核中熔融铁、镍的对流以及整个行星自转的科里奥利力作用造成的。任何一种导电体的流动,只要能形成片状都能成为很简单的发电机。


在这之前,我们需要先了解下什么是磁场。磁场是描述电流和磁化材料的磁影响的向量场。 在日常生活中,磁场的影响经常出现在永久磁铁(永磁体)中,磁铁吸引磁性材料(如铁)并吸引或排斥其他磁铁。 磁场因磁化材料和移动的电荷(电流)围绕而产生,例如电磁铁中使用的电荷。 磁场会对附近的移动电荷以及附近磁体上的扭矩施加力。 另外,随位置变化的磁场也会在磁性材料上施加力。 磁场的强度和方向都会随位置而变化。 因此,它是向量场的一个直观例子。

术语“磁场”用于两个截然不同但密切相关的单位,分别用符号B和H来表示。在国际单位制中,H以每米安培为单位测量,B以每米安培特斯拉或牛顿为单位测量。H和B在如何解释磁化方面不同。 在真空中,除了单位外,B和H是相同的; 但是在磁化材料中,B和H的区别在于材料中该点处材料的磁化强度M。

磁场是由移动的电荷和与基本量子性质相关的基本粒子的自旋的本征磁矩产生的。磁场和电场是相互关联的,并且都是电磁力的组成部分,电磁力是自然界的四大基本力之一。

磁场在现代技术中被广泛使用,特别是在电机工程学和电动机械学方面。 旋转磁场被用于电动机和发电机中。在磁路学科中,可以用于研究诸如变压器的电子装置中的磁场的相互作用。 磁力可以通过霍尔效应给出材料中电荷载流子的信息。我们的家地球可以产生自己的磁场,它保护了地球的臭氧层免受太阳风的影响,并且在使用指南针进行导航时也是非常重要的。


隐形的磁场不仅仅只存在于我们的生活中,它还存在于天体星球中


感受到在玻璃下方的磁铁所产生的强烈磁场,在玻璃上方的铁磁流体,会显示出正常场不稳定性。图:Gregory F. Maxwell

磁场和电流

电荷的电流都产生磁场,并且由于磁场B场而产生力。

磁场是由移动电荷和电流引起的

所有移动的带电粒子都会产生磁场。 移动的点电荷,例如电子,产生复杂但众所周知的磁场,这取决于粒子的电荷、速度和加速度。

磁力线围绕同心圆形成在圆柱形载流导体周围,例如长直导线。 这种磁场的方向可以通过使用“右手抓握规则”来确定。 磁场的强度随着与导线的距离增加而减小。 (对于无限长度的线,强度与距离成反比。)

地球的磁场

地球的磁场是通过外核中的液态铁合金的对流产生的。 在发电机过程中(发电机理论),运动驱动反馈过程,其中电流产生电场和磁场,电场和磁场又反作用于电流。

地球表面的磁场与巨型棒状磁铁位于地球中心并以离地球旋转轴约11°的角度倾斜的情况大致相同。磁罗盘针的北极大致为北的位置,也就是指向北磁极。 然而,因为磁极被吸引到其对面,所以北磁极实际上是地磁场的南极。术语的这种混淆是因为磁铁的磁极是由它指向的地理方向来定义的。

地球磁场不是恒定的,磁场的强度和磁极的位置是不同的。 此外,极点在称为地磁反转的过程中周期性地反转了它们的方向。 最近的逆转发生在78万年前。


隐形的磁场不仅仅只存在于我们的生活中,它还存在于天体星球中


地磁场示意图将地球的磁场源表示为一块大磁铁,其指南极是在地球的地磁北极下面很深的位置。图:TStein

其它天体的磁层-行星磁场

磁层是围绕天体的空间区域,其中的带电粒子会被该天体的磁场所束缚或影响。它由具有活性热铁和镍或金属核的行星产生,其运动产生行星磁场,但是这种磁场也可以通过等离子体的相互作用在恒星中发生。

在靠近行星体的空间环境中,磁场类似于磁偶极子。 此外,从太阳或附近恒星发射的导电等离子体流可以显着地扭曲场线。 例如太阳风。具有活动磁层的行星,如地球,能够减轻或阻挡太阳辐射或宇宙辐射的影响,同时也可以保护所有生物体免受潜在的有害和危险的后果。 这是在等离子体物理学、空间物理学和高空物理学的专业科学课程下进行研究的。

行星磁场

首先是水星,水星有一个在核心外围熔融的导电铁水的对流现象,因此根据发电机理论可以产生一个磁场,不过其磁场强度大约只是地球的1.1%。在1967年,金星4号发现金星有磁场,但是比地球的微弱。这个磁场是由电离层和太阳风相互作用诱导产生的,而不是像地球那样,由行星内部的发电机产生。1997年,火星全球勘测者进行气阻减速(Aerobraking)以进入环火星轨道时,就测量到了磁场,但并非地球那样的全球磁场,而是在接近地表时才测量到,是地壳磁化的残留磁场,且磁场方向、大小随地点而异。早在19世纪五十年代末期,无线电波的观测就首先推测出木星磁场的存在,先锋10号在1973年更直接测量到木星的磁场。木星内部的磁场是由液态金属氢构成的外核电流产生的。土星有一个简单的具有对称形状的内在磁场——一个磁偶极子。磁层产生的原因很有可能与木星相似——由金属氢层(被称为“金属氢发电机”)中的电流引起。至于冰巨星中的天王星和海王星,一种假说认为,不同于类地行星和气体巨星的磁场是由核心内部引发的,冰巨星的磁场是由相对于表面下某一深度的运动引起的,例如水–氨的海洋。

木星的磁层是太阳系中最大的行星磁层,在白天一面可以延伸到7000000公里,在夜间一面几乎可以延伸到土星的轨道。木星的磁层强度比地球强一个数量级,其磁矩大约是地球的18000倍。此外,冥王星是没有磁场的。


隐形的磁场不仅仅只存在于我们的生活中,它还存在于天体星球中


从木星的北极上方往下看木星的磁层,图:Ruslik0

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