Магнитные поля в космосе
ГБОУ лицея № 395 |
Магнитные поля в космосе. |
Лагута Вероника |
11Б класс
|
Учитель физики |
Баркова Елена Юрьевна
Санкт-Петербург
2012 |
Содержание:
Общие сведения о магнетизме. 3
Начало изучения космического магнетизма. 4
Откуда берется магнетизм. 4
Магнетизм и возникновение звезд. 7
Жизнь после смерти. 8
Пульсары и магнетары. 9
Спирали и Эллипсы. 11
Гелиосферный токовый слой. 12
Магнитное поле Земли. 13
Заключение 15
Терминология. 16
Список используемой литературы и сайтов. 18
Общие сведения о магнетизме.
Магнетизм является
универсальным свойством
Плазма не относится
к сильномагнитным веществам, но
заряженные частицы космической
плазмы, а через них и вся
плазма, очень тесно связаны с
магнитными полями, Во многих случаях
влияние магнитных полей на процессы,
протекающие в космической
В Космосе какой-либо заметной магнитной упорядоченности не встречается, и магнитные поля порождаются токами, текущими в космической плазме. Из-за огромных размеров космических объектов магнитное поле, возникнув однажды, способно существовать без поддерживающих сил очень долго — иногда многие миллиарды лет. Для их поддержания достаточно совершенно ничтожных, незаметных токов, В результате для космической плазмы обычна ситуация, когда крупномасштабные электрические поля исчезающе слабы, а магнитные — сильны.
После запуска первого
искусственного спутника Земли в 1957
г. появилась возможность
Начало изучения космического магнетизма.
В 1949 году американские астрономы Уильям Хилтнер и Джон Холл обнаружили слабую поляризацию звездного света в нашей Галактике. В поисках объяснений этого явления Хилтнер связал эту поляризацию с действием магнитного поля на пылевые частицы. Через год сотрудники Калтеха Леверетт Дэвис и Джесси Гринстайн оценили величину этого поля. Позднее Хилтнер обнаружил этот же эффект в галактике М31 (она же туманность Андромеды) и тем самым положил начало изучению космического магнетизма.
Магнитные поля изрядно потрудились во время формирования Солнца и его окружения. Они поддерживают стабильность галактических структур, воздействуют на космические лучи и управляют потрясающими по мощи процессами в нейтронных звездах и их окрестностях. Космический магнетизм правит бал на всех уровнях организации нашей Вселенной.
Откуда берется магнетизм.
Происхождение галактических
магнитных полей объясняют две противоборствующие
концепции. Энрико Ферми после публикации
первых результатов Хилтнера выдвинул
гипотезу реликтового магнетизма, возникшего
в скорости после Большого взрыва. По его
мнению, галактики захватили и усилили
эти магнитные потоки, в результате чего
возникли поля, которые мы наблюдаем сегодня. Английский
астроном Фред Хойл выступил с серьезными
возражениями, а американский астрофизик
Юджин Паркер объяснял галактический
магнетизм круговыми движениями плазмы
в галактиках и их скоплениях. Позднее
эту модель галактического динамо развивали
различные ученые (в том числе и в СССР).
В феврале 2006 года японские астрофизики опубликовали модель рождения реликтовых магнитных полей.
По словам астрофизика из Принстона, Анатолия Спитковского, всплески возникают вследствие сильнейшего разогрева плазменной оболочки, окружающей магнетар. Из разлома коры вырывается огненный шар, излучающий гамма - кванты и рентгеновские фотоны. Поскольку магнетар быстро вращается, эти лучи уходят в разных направлениях и могут в виде гамма - всплесков задеть нашу планету. Спитковский смоделировал этот процесс на компьютере и получил серию изображений.
Фотонный ветер
Они рассмотрели механизм,
который мог генерировать эти
поля в промежутке между эрой первичного
нуклеосинтеза и появлением нейтральных
атомов. Обычная материя тогда
была горячей плазмой, состоящей
из протонов с небольшой добавкой
ядер дейтерия, гелия и лития, электронов
и высокоэнергетичных фотонов. В
этой плазме возникали потоки фотонного
ветра, дувшего из областей с высокой
концентрацией квантов в зоны,
где их было меньше. Фотонные струи
увлекали за собой электроны, но практически
не влияли на тяжелые носители положительного
заряда. Движение электронов рождало
вихревые токи, которые и создали
первичные магнитные поля протяженностью
в миллионы световых лет. Этот механизм
прекратил работать через 400 ООО
лет после Большого взрыва, когда
свободные электроны
Теории реликтовых полей подчас выглядят весьма элегантно, и некоторые даже могут оказаться верными. Однако, чтобы это выяснить, необходимо точно измерить межгалактический магнетизм, а это еще никому не удавалось. Иное дело поля внутри галактик и галактических кластеров. Их появление хорошо описывается теорией, предложенной 60 лет назад немецким астрофизиком Людвигом Бирманном. Этот механизм называется батареей Бирманна. Магнитные поля могут возникать при вращении плазмы, падающей на черную дыру. У природы есть немало способов усилить эту намагниченность – например, посредством сжатия космической плазмы ударными волнами. Такие процессы постоянно происходят в спиральных галактиках, что и обеспечивает стабильность их внутреннего магнетизма.
Батарея Бирманна
Выделим в пространстве куб, заполненный
электронно-протонной плазмой. Допустим,
что по правую сторону куба сила
тяготения и температура выше,
нежели по левую. Примем также, что горизонтальный
температурный градиент нарастает
при движении от верхней грани
куба к нижней. Такие ситуации вполне
обычны в звездных окрестностям. Что
же произойдет? Гравитационное поле тянет
электроны и протоны вправо, а
перепад температур создает давление,
смещающее их к левой грани. Это
давление не зависит от массы частиц,
а вот сила тяготения ей пропорциональна.
Получается, что электроны мигрируют
влево быстрее протонов. Это приводит
к возникновению
Однако попытки измерить
межгалактический магнетизм могут
оказаться вполне успешными. Всего
через полторы недели после беседы
с профессором Цвейбел
Магнетизм и возникновение звезд.
Галактические
магнитные поля связаны и с процессами
рождения звезд. Давно известно, что звезды
возникают в результате гравитационного
сгущения холодных и сравнительно плотных
облаков космического газа. Такие облака,
в каждом кубическом сантиметре которых
содержится от десятка до миллиона частиц,
подчас простираются на сотни световых
лет. Особо плотные и обширные облака могут
дать начало сотням и даже тысячам звезд.
Процессы рождения звезд, по всей видимости,
завершаются весьма быстро, максимум за
10–15 млн. лет. Но детали этого процесса
пока не ясны.
Почти все астрофизики
согласны с тем, что типичная звезда возникает
в четыре этапа. Сначала газовое (или газопылевое)
облако фрагментируется и в нем образуются
сгустки вещества повышенной плотности.
Затем каждый из сгустков сжимает сила
тяготения, причем гравитационный коллапс
начинается в центре сгустка и распространяется
к периферии. Так формируются сферические
прото - звезды, окруженные вращающимися
плоскими дисками.
Но протозвезда
не станет светилом, пока не позаимствует
у диска изрядную долю его вещества. Если
такое произошло (это уже третья стадия),
протозвезда быстро приобретает дополнительную
массу, еще больше сжимается и сильно разогревает
собственное ядро. В конце концов его температура
достигает нескольких миллионов градусов
и начинается термоядерное горение водорода.
Протозвезда превращается в звезду.
Как рассказала профессор
астрономии Мэрилендского университета
Ева Острикер, галактические магнитные
поля играют немаловажную роль в этих
процессах. Чтобы вещество диска
аккретировало (падало) на протозвезду,
оно должно потерять часть своего
вращательного момента. Этому как
раз и способствует магнитное
поле. Уже на стадии образования
диска оно искривляет пути протонов,
которые сталкиваются с нейтральными
молекулами и также изменяют их траектории.
Это магнитное торможение приводит
к возникновению внутреннего
трения, уменьшающего вращательный момент.
Позднее, когда диск обретает форму,
вращение замедляется за счет другого
физического механизма, магнито - ротационной
неустойчивости, который связывает между
собой внутренние и внешние пояса диска
и заставляет первые вращаться медленней,
а вторые быстрее.
Жизнь после смерти.
Жизнь звезд главной
последовательности завершается превращением
в компактные объекты – белые карлики,
нейтронные звезды и черные дыры. Последние
не имеют собственного магнитного поля,
обладая лишь массой, угловым моментом
и электрическим зарядом, а вот у остальных
магнитные поля могут достигать фантастических
значений.
Белый карлик
образуется после гравитационного коллапса
исчерпавшей топливные запасы звезды,
которая в молодости тянула максимум на
8–10 солнечных масс. Из обнаруженных в
нашей Галактике 2500 белых карликов более
чем 90% не обладают поддающимся измерению
магнитным полем. Зато остальные намагничены
весьма сильно – от 0,5 до 500 МГс. Этим они
обязаны коллапсу уже намагниченной материнской
звезды, который плотно сжимает ее магнитные
силовые линии и тем самым в тысячи раз
усиливает магнитное поле.
Но абсолютные рекордсмены
по магнитной части – нейтронные звезды.
Обычно величина магнитного поля вблизи
поверхности составляет у них 1012 Гс, а иногда в сотни и тысячи
раз превышает эту величину. Звезды с полями
в 1014–1015 Гс называются магнетарами.
Общее количество выявленных магнетаров
и претендентов на это звание сейчас превышает
пару десятков.
Магнитные поля обычных
нейтронных звезд, как и поля белых карликов,
возникают при коллапсе звезды-родительницы,
но при неизмеримо большем сжатии. Магнитный
поток такой звезды замкнут внутри сферы
радиусом около 10 км (вместо нескольких
тысяч километров у белого карлика), поле
при подобной компрессии значительно
сильнее. Откуда же берется магнетизм,
если у нейтронов нет электрического заряда? Правда,
у них есть магнитный момент, но он дает
совершенно мизерный вклад в магнитное
поле. Дело в том, что такие звезды сложены
не из одних только нейтронов. Их поверхностные
слои, скорее всего, состоят из обычной
материи, да и в глубинах имеются заряженные
частицы – протоны и электроны. Они могут
участвовать в конвективных процессах,
порождающих в недрах звезды токи, которые
и становятся источником столь сильного
магнитного поля. В недрах нейтронной
звезды, происходящей от сильно намагниченной
звезды главной последовательности и
вращающейся со скоростью более тысячи
оборотов в секунду, в первые мгновения
жизни включается мощнейшее динамо, которое
разгоняет величину магнитного поля до
гигантских значений.
К такому выводу 18 лет назад
пришли принстонские физики Роберт Дункан
и Кристофер Томпсон, которые и придумали
термин «магнетар». Согласно их теории,
недра такой нейтронной звезды всего за
несколько секунд остывают настолько,
что конвекция прекращается и динамо перестает
работать. Однако сверхсильное магнитное
поле сохраняется еще долго, поскольку
оно вморожено в сверхтекучую жидкую среду,
которая обладает чрезвычайно высокой
электропроводностью (не исключено даже,
что это сверхпроводник). Магнитное поле
отбирает у звезды часть кинетической
энергии и отдает ее в виде радиации и
выбросов частиц.
Поэтому период вращения магнетара быстро растет и всего за 10 000 лет достигает нескольких секунд. Как раз такой угловой скоростью и обладают все известные ныне магнетары.
Пульсары и магнетары.
Магнитная
мощь нейтронных звезд превращает их в
источники непрерывного направленного
радиоизлучения. Способ его генерации
в деталях еще не известен, но общее объяснение
таково. Вращающееся магнитное поле нейтронной
звезды индуцирует чрезвычайно сильные
электрические поля, отрывающие от ее
поверхности заряженные частицы.
Эти частицы начинают двигаться
по спиралям с очень плотной намоткой,
направленным вдоль магнитных силовых
линий. Такое движение порождает
узкие пучки радиоволн, уходящих
в пространство вдоль магнитной
оси нейтронной звезды. Поскольку
эта ось не совпадает с осью
вращения, каждый пучок радиоволн
очерчивает в пространстве коническую
поверхность. При пересечении Земли
с такой поверхностью радиотелескоп
принимает радиоимпульсы, следующие
друг за другом с одинаковыми короткими
промежутками времени. Такие источники
называются радиопульсарами. Имеются
и более редкие разновидности
космических прожекторов –
Магнетары
работают иначе. Эти экзотические звезды
по несколько раз облучают космос короткими,
но чрезвычайно мощными выбросами мягкого
гамма-излучения и рентгена. Считается,
что в нашей Галактике содержится от ста
миллионов до миллиарда нейтронных звезд,
причем каждая десятая из них в младенчестве
была магнетаром. Все они покрыты твердой
кристаллической корой толщиной до 2 км,
окружающей сердцевину из жидкой вырожденной
материи, где и сконцентрировано магнитное
поле. Поля магнетаров настолько сильны,
что не в состоянии долго сохранять стабильность. Мало-помалу
они деформируются и вызывают в веществе
оболочки сильные напряжения, локализованные
на небольших участках. Когда напряжение
превышает предел прочности коры, она
лопается и ломается, причем очень быстро,
где-то за одну десятую долю секунды. Магнитное
поле в этом месте вырывается наружу и
спирально закручивается, создавая сильнейшие
возмущения магнитосферы. В результате
генерируются концентрированные пучки
высокочастотных фотонов, которые мы регистрируем
в виде всплесков мягкого гамма-излучения
и рентгена. Как правило, за первой гигантской
вспышкой следуют более слабые, магнетар
отключается постепенно.
Самый мощный из гамма - всплесков магнетарного
происхождения дошел до Земли 27 декабря
2004 года. Всего за пять минут он выбросил
в пространство без малого 1040 Дж электромагнитной энергии (Солнцу
для этого нужно полмиллиона лет), примем
примерно ее пятая часть, 1,3 х 1039 Дж, ушла в пространство
за 0,1 с. Этот же магнетар (SGR
1806-20) вспыхивал в 1979, 1980 и 1996 годах.
Спирали и Эллипсы.
Обычная (барионная) материя
космического пространства представляет
собой полностью или частично
ионизированный газ, который является
хорошим проводником и поэтому
надежно удерживает магнитные потоки,
так что в межзвездной среде
магнитные силовые линии
Измерить магнитные поля в далеком космосе можно только косвенными методами – по поляризации света или анализу синхротронного излучения.
Гелиосферный токовый слой.
Гелиосферный токовый слой пред
Форма:
В процессе вращения Солнца его магнитное поле извивается в особой формы спираль Паркера, представляющую собой вид архимедовой спирали и названную так по имени её первооткрывателя Юджина Паркера. Магнитное поле спирали разделено на две части токовым слоем, математическая модель которого была впервые разработана в начале 70-х. Завивающееся спиралью магнитное поле меняет свою полярность и приобретает сложную форму волнистых спиральных складок, более всего напоминающих многослойную юбку балерины. Причину формирования такой сложной формы иногда называют «эффектом садового шланга». Именно такую поверхность описывает струя воды, если перемещать шланг вверх-вниз и одновременно поворачиваться вокруг своей оси. В случае с Солнцем роль водяной струи играет солнечный ветер.
Магнитное поле:
Гелиосферный токовый слой вращается вместе с Солнцем, делая один оборот за 27 дней. За этот период Земля, вместе со своей магнитосферой, проходит через горбы и впадины токового слоя, взаимодействуя с ним. Магнитная индукция на поверхности Солнца составляет примерно 10·10−4тесла. Если бы магнитное поле имело дипольную форму, его сила уменьшалась бы пропорционально кубу расстояния и в районе орбиты Земли составила бы 10·10−11тесла. Существование гелиосферного токового слоя приводит к тому, что фактические показатели в районе Земли в 100 раз больше.
Магнитное поле Земли.
Читая раздел об атмосфере,
Вы, может быть, задались вопросом о
ее границах. С научной точки зрения,
можно сказать: есть и таковая. Но сначала
- о магнитном поле.
Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл - проводящее ток вещество, и
если бы существовали в жидком ядре постоянные
течения, то соответствующий электрический
ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре
существуют. Земля в некотором приближении
является магнитным диполем, т.е. своеобразным
магнитом с двумя полюсами: южным и северным.
Из-за того, что ось магнитного поля проходит
всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения
планеты, мы можем пользоваться компасом.
Только немногие помнят, что магнитная
стрелка указывает не на истинный Северный
полюс, а на Северный магнитный полюс.
Он, кстати, медленно перемещается вместе
с самой магнитной осью из-за переменности
порождающих магнитное поле про
В идеальном и гипотетическом предположении,
в котором Земля была бы одинока
в космическом пространстве, силовые
линии магнитного поля планеты располагались
бы таким же образом, как и силовые
линии обычного магнита из школьного
учебника физики, т.е. в виде симметричных
дуг протянувшихся от южного магнитного
полюса к северному. Плотность линий
(напряженность магнитного поля) падала
бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли нах
При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущенное (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую - возмущенное поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1 000 радиусов Земли
Заключение.
Я пришли к выводу, что форма действительно зависит от магнитного поля и может быть продемонстрирована в трехмерных электромагнитных гравитациях частиц в ячейке моделирования. Тот факт, что помещенная нижняя граница магнитного поля далеко в межгалактическом пространстве, она не связана с какой-либо другой галактикой или кластером , предполагается , что там действительно был некоторый процесс, который действовал на очень широкие масштабы всей вселенной. И этот процесс имел бы место в ранней Вселенной, вскоре после Большого Взрыва. Эти магнитные поля не могли образоваться недавно и должны были бы образоваться в изначальной Вселенной.
Потенциальное воздействие электромагнитных полей на здоровье человека зависит от частоты и интенсивности поля.
Терминология.
Галактический кластер - суперструктура, состоящая из нескольких галактик.
Гелиосферный токовый слой - поверхность в пределах Солнечной системы, при пересечении которой изменяется полярность магнитного поля Солнца.
Коллапс - (От лат. collapsus — упавший) — разрушение какой-либо структуры.
Конвекция - (от лат. convectiō — «перенесение») — явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества.
Конгломераты (лат. conglomeratus — скученный, уплотнённый) — соединение чего-нибудь разнородного, беспорядочная смесь.
Магнетар - нейтронная звезда, обладающая исключительно сильным магнитным полем (до 1011 Тл).
Магнетизм - форма взаимодействия движущихся элек
Магнито - ротационная неустойчивость - это неустойчивость проводящей жидкости, вращающейся в магнитном поле.
Магнитосфера — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела.
Материя (от лат. māteria — «вещество») — фундаментальное физическое понятие.
МГц - единица измерения частоты периодически
Нейтронные звезды — астрономический объект, являющийся одним из конечных продуктов эволюции звёзд, состоящий из нейтронной сердцевины и сравнительно тонкой (∼1 км) коры вырожденного вещества, содержащей тяжёлые атомные ядра.
Ореолы - вымышленная мегаструктура.
Плазма (от греч. πλάσμα «
Поляризация (франц. polarisation, первоисточник: греч. pólos — ось, полюс) — процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов, преимущественно в пространстве.
Протозвезда — звёзды на завершающем этапе своего формирования, вплоть до момента загорания термоядерных реакций в ядре, после которого сжатие протозвезды прекращается и она становится звездой главной последовательности.
Радиопульсар - космический источник импульсного радиоизлучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов).
Спиральные галактики (обозначается S) — один из основных типов галактик, разновидность галактик в последовательности Хаббла.
Черная
дыра — область в пространстве-времени, гравит
Список используемой литературы и сайтов.
- Hoeksema, J. T. Межпланетного магнитного поля . Стэнфордский университет.
- А.Левин. ( 2005-2011). Магнетизм космоса.
- Кусенко, А. (2010). Универсальность, изначальность магнитных полей обнаруженных в глубоком космосе. Astrophysical Journal .
- Левин, А. (Ноябрь 2010). МАГНЕТИЗМ КОСМОСА: МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ.
- Н.Г., Бочкарев . (1985). Магнитные поля в космосе.
- http://ru.wikipedia.org
- http://elementy.ru
- http://biofile. org
- http://space.rin.ru
- www.youtube.com
- http://www.interfen.ru

- Магнитные поля в магнитных цепях. Приминение
- Магнитные поля внутренних органов, кожи, мышц, глаз
- Магнитные поля. Красное смещение
- Магнитные свойства вещества
- Магнитные свойства вещества
- Магнитные свойства вещества (2)
- Магнитные свойства вещества (3)
- Магнитные материалы
- Магнитные материалы
- Магнитные материалы
- Магнитные материалы
- Магнитные материалы
- Магнитные поля
- Магнитные поля