|
| |
|
Главная
>
Природа электромагнитных процессов природа электромагнитных процессов Чтобы осмыслить электромагнитyst явления и построить физические теории, объясняющие их, необходимо прежде всего помнить, что наши современные знания в области физики базируются главным образом на опыте, приобретенном в лабораториях. Когда мы пытаемся Ш1менихь.к космическим явлениям теорию, в ко- торой сконцентрирован этот опыт, мы допускаем чрезмерную экстраполяТГию, законность которой можно проверить только сравнением теоретических результатов с наблюдениями. В свое время весьма успешной оказалась экстраполяция классической механики в область астрономии, и только наиболее тонкие наблюдения последних десятилетий обнаружили явления, для которых она переставала быть справедливой. Столь же успешным оказалось применение к космическим исследованиям атомной теории, в частности спектроскопии. Классическая механика и спектроскопия явились неоценимым орудием исследования окружающей нас вселенной. Классическая электродинамика, развитая на протяжении XIX столетия, была применима непосредственно только к некоторым частным проблемам космической физики. Более общие приложения стали возможны только после того как классиче-екая электродинамика была объединена с гид родинамикой, в ре-зультате чего появилась J!J£stmTHaHjjwod которая впо- следствии в совокупности с физикой плазмы способствовала более глубокому пониманию электромагнитных явлений в космической физике. На ранней стадии изучения электромагнетизма в космической физике внимание исследователей привлекали некоторые явления, такие, как постоянное магнитное поле Земли и образование космических лучей, казавшиеся настолько таинственными, что для их объяснения некоторые авторы считали необходимым привлечь новые законы природы. Дальнейшие исследования не подтвердили эту точку зрения, и сейчас мы имеем, по крайней мере, качественно правдоподобные теорииэтих явлений. В настоящее время практически нет оснований сомневаться в том, что все общие физические законы справедливы на расстояниях . порядка радиуса вселенной и в интервале времени порядка возраста вселенной , т. е. в пределах, установленных общей теорией относительности. Электромагнитные яв.ления в космической физике играют столь важнуюроль главным образом потому, что в космическом пространстве существуют магнитные поля, которые влияют н двJшeниe заряженных частицГ При определенных условиях электромагнитные силы значительно превосходят гравитационные. Для иллюстрации этого факта предположим, что в неко-, торой точке земной орбиты (вектор положения Rj) нахо- 107. Таким образом, для ионизованного вещества межпланетные и межзвездные магнитные поля гораздо более существенны, чем гравитационные. Поскольку магнитные силы f, действующие на электроны и ионы, направлены в противоположные стороны, то во многих случаях они могут компенсировать друг друга. Если рассмотреть, например, ионизованное облако, содержащее одинаковое число электронов и ионов, то результирующая магнитная сила, действу1оная на облако, в первом приближении обращается в нуль. (Эффекты второго порядка, вызванные, например, неоднородностью магнитного поля, тем не менее могут быть значительны.) Движение ионизованного облака в магнитном поле приводит к разделению ионов и электронов, но возникающая вследствие этого поляризация создает электрическое поле, ко-торое препятствует разделениИдядов. При определенных условиях электричёскоёполе может создавать токи в окружающей проводящей среде, что приводит к весьма сложным явлениям. Приведенные примеры показывают, с одной стороны, важность электромагнитных сил в космической физике, а с дру-Г6¥~ сл0ЖГОсхь электр Следующие разде- лы этой главы посвящаются рассмотрению магнитных и электрических полей в космической физике. В гл. 2 мы рассмотрим движение отдельной заряженной частицы в Таких полях. Обычно дится частица, движущаяся с орбитальной скоростью Земли v. Если эта частица - нейтральный атом водорода, то на нее действует только притяжение Солнца (влиянием магнитного поля на возможный магнитный момент атома мы пренебрегаем). Пусть М - масса Солнца, т - масса атома, а у - гравитационная постоянная; тогда эта сила равна f = 2-. Если атом однократно ионизовать, то на ион, так же как и на электрон (заряд в=+4,8 10 ** ед. CGSE), будет действовать сила вызванная межпланетным магнитным полем, которое вблизи земной орбиты равно В. Имея в виду, что напряженность меж-планетиоп5~1гат1ПТТй[ог6 поля составляет величину порядка Ю * гс, получаем в космических условиях электромагнитные поля и движение заряженных частиц оказываются взаимосвязанными [1]. Эта связь приводит к сложным магнитогидродинамическим явлениям, которые мы рассмотрим в гл. 3. Если электрически проводящая среда представляет собой ионизованный газ (плазму), то тепловое движение отдельных частиц приводит к ряду важных явлений (диамагнетизм, амбиполяриая диффузия и т. д.). Подобные явления выходят за рамки магнитной гидродинамики и обсуждаются в главах, посвященных физике плазмы (гл. 4 и 5). Электромагнитные явления, вероятно, играли решающую роль в процессе формирования солнечной системы. Эта проблема рассмотрена в отдельной монографии Альвена [2], а также в статьях [3, 4]. 1.2. Магнитные поля в космической физике Поскольку геомагнитное поле подобно полю магнитного диполя, мы сформулируем в данном разделе некоторые свойства поля диполя, которые нам понадобятся в дальнейшем. Выберем  Рис. 1.1. Магнитная силовая линия диполя а. сферическую систему координат (г, 0, ф) с центром в диполе и с осью, параллельной магнитному моменту а (рис. 1.1). Введем также широту Х=(я/2)-0. Магнитное поле в таком случае дается следующим выражением: . 8== -grad\?, (1) аг а sin X ,о\ Ф = = -(2)
|
