Fluxrør - Flux tube

Diagram over et fluksrør som viser magnetfeltlinjene i rørveggene. Den samme mengden magnetisk fluks kommer inn i røret gjennom overflaten som forlater røret gjennom overflaten

En fluks rør er et generelt rørlign ( sylindrisk ) region av rom som inneholder et magnetisk felt , B, slik at de sylindriske sider av røret er overalt parallelt med de magnetiske feltlinjer . Det er et grafisk visuelt hjelpemiddel for å visualisere et magnetfelt. Siden ingen magnetisk fluks passerer gjennom sidene av røret, er fluksen gjennom et tverrsnitt av røret lik, og fluksen som kommer inn i røret i den ene enden er lik fluksen som forlater røret i den andre. Både rørets tverrsnittsareal og magnetfeltstyrken kan variere langs rørets lengde, men den magnetiske fluksen inne er alltid konstant.

Som brukt i astrofysikk betyr et fluxrør generelt et romområde som et sterkt magnetfelt passerer gjennom, der materiens oppførsel (vanligvis ionisert gass eller plasma) er sterkt påvirket av feltet. De finnes ofte rundt stjerner , inkludert solen , som har mange strømningsrør fra titalls til hundrevis av kilometer i diameter. Solflekker er også forbundet med større strømningsrør med en diameter på 2500 km. Noen planeter har også fluksrør. Et velkjent eksempel er fluksrøret mellom Jupiter og månen Io .

Definisjon

Den fluks av et vektorfelt som passerer gjennom en hvilken som helst lukket orienterbart overflate er den overflate integralet av feltet over overflaten. For eksempel, for et vektorfelt som består av hastigheten til et væskevolum i bevegelse, og en imaginær overflate inne i væsken, er fluks volumet av væske som passerer gjennom overflaten per tidsenhet.

Et fluksrør kan defineres som passerer gjennom en lukket , orienterbar overflate i et vektorfelt , som settet av alle punktene på feltlinjene som går gjennom grensen til . Dette settet danner et hulrør. Røret følger feltlinjene, muligens snu, vri og endre tverrsnittsstørrelse og form når feltlinjene konvergerer eller divergerer. Siden ingen feltlinjer passerer gjennom rørveggene, er det ingen fluks gjennom rørets vegger, så alle feltlinjene kommer inn og går gjennom endeflatene. Dermed deler et fluksrør alle feltlinjene i to sett; de som passerer gjennom innsiden av røret, og de som er utenfor. Tenk på volumet som er avgrenset av røret og eventuelle to overflater og som skjærer det. Hvis feltet har kilder eller synker i røret, vil fluksen ut av dette volumet være null. Imidlertid, hvis feltet er divergenceless ( magnets , ) deretter fra den divergensteoremet summen av fluksen fra volumet gjennom disse to overflater vil være null, slik at den retter fluksen fra igjennom vil være lik den fluks som trer inn gjennom . Med andre ord er fluksen inne i røret gjennom en hvilken som helst overflate som krysser røret lik, røret omslutter en konstant mengde fluks langs lengden. Styrken (størrelsen) til vektorfeltet og rørets tverrsnittsareal varierer langs dets lengde, men overflatens integral av feltet over en hvilken som helst overflate som spenner over røret er lik.

Siden fra Maxwells ligninger (spesielt Gauss lov for magnetisme ) er magnetfelt forskjellige, har magnetiske fluxrør denne egenskapen, så fluxrør brukes hovedsakelig som et hjelpemiddel for å visualisere magnetfelt. Imidlertid kan fluksrør også være nyttig for å visualisere andre vektorfelt i områder med null divergens, for eksempel elektriske felt i områder der det ikke er ladninger og gravitasjonsfelt i områder der det ikke er masse.

I partikkel-fysikk , de hadron partiklene som utgjør all materie, for eksempel nøytroner og protoner, er sammensatt av flere grunnleggende partikler kalt kvarker , som er bundet sammen ved hjelp av tynne fluks-rør av sterke kjernekraften felt. Fluksrørmodellen er viktig for å forklare den såkalte fargebegrensningsmekanismen , hvorfor kvarker aldri blir sett separat i partikkeleksperimenter.

Typer

  • Flux tau: Twisted magnetisk fluksrør.
  • Fibrilfelt : Magnetisk fluksrør som ikke har et magnetfelt utenfor røret.

Historie

I 1861 ga James Clerk Maxwell konseptet om et fluksrør inspirert av Michael Faradays arbeid med elektrisk og magnetisk oppførsel i sitt papir med tittelen " On Physical Lines of Force ". Maxwell beskrev fluxrør som:

"Hvis vi trekker en lukket kurve på en hvilken som helst overflate som kutter væskelinjene, og hvis vi tegner bevegelseslinjer fra hvert punkt i denne kurven, vil disse bevegelseslinjene generere en rørformet overflate som vi kan kalle et rør med væskebevegelse . "

Flux -rørstyrke

Fluksrørets styrke,, er definert som den magnetiske fluksen gjennom en overflate som krysser røret, lik overflateintegralet av magnetfeltet over

Siden det magnetiske feltet er solenoidisk , som definert i Maxwells ligninger (spesielt Gauss' lov for magnetisme ): . styrken er konstant på enhver overflate langs et fluxrør. Under forutsetning av at det tverrsnittsareal , , av fluksen røret er liten nok til at det magnetiske felt er tilnærmet konstant, kan tilnærmes som . Derfor, hvis tverrsnittsarealet til røret minker langs røret fra til , må magnetfeltstyrken øke proporsjonalt fra til for å tilfredsstille tilstanden til konstant fluks F.

Plasmafysikk

Bevaring av fluks

I magnetohydrodynamikk sier Alfvéns teorem at den magnetiske strømningen gjennom en overflate, for eksempel overflaten til et fluxrør, som beveger seg sammen med et perfekt ledende væske, blir bevart. Med andre ord er magnetfeltet begrenset til å bevege seg med væsken eller er "frosset inn" til væsken.

Dette kan vises matematisk for et fluksrør ved å bruke induksjonsligningen for et perfekt ledende fluid

hvor er magnetfeltet og er væskeets hastighetsfelt. Endringen i magnetisk fluks over tid gjennom en hvilken som helst åpen overflate av fluxrøret som er omsluttet av et differensiallinjeelement, kan skrives som

.

Å bruke induksjonsligningen gir

som kan skrives om ved hjelp av Stokes 'teorem og en elementær vektoridentitet på henholdsvis første og andre term for å gi

Komprimering og forlengelse

I ideell magnetohydrodynamikk , hvis et sylindrisk flussrør med lengde komprimeres mens rørets lengde forblir den samme, øker magnetfeltet og tettheten til røret med samme proporsjonalitet. Hvis en fluks rør med en konfigurasjon av et magnetisk felt av og en plasmatetthet av begrenset til røret er komprimert av en skalar verdi definert som blir den nye magnetiske felt og tetthet gitt ved:

Hvis , kjent som tverrgående komprimering, og øker og skaleres det samme mens tverrgående ekspansjon avtar og med samme verdi og andel der er konstant.

Å forlenge lengden på fluxrøret med gir en ny lengde på mens densiteten til røret forblir den samme , noe som resulterer i at magnetfeltstyrken øker med . Å redusere lengden på rørene resulterer i en reduksjon av magnetfeltets styrke.

Plasmatrykk

I magnetohydrostatisk likevekt er følgende betingelse oppfylt for bevegelseslikningen for plasmaet som er begrenset til fluxrøret:

hvor

  • er plasmatrykket
  • er den nåværende tettheten til plasmaet
  • er tyngdekraften

Når den magnetohydrostatiske likevektstilstanden er oppfylt, gis et sylindrisk fluxrørs plasmatrykk av følgende forhold skrevet i sylindriske koordinater med avstanden fra aksen radielt:

Det andre uttrykket i ligningen ovenfor gir den magnetiske trykkraften, mens det tredje uttrykket representerer den magnetiske spenningskraften . Feltlinjens vri rundt aksen fra den ene enden av lengderøret til den andre enden er gitt av:

Eksempler

Solar

Diagram over koronale sløyfer som består av plasma begrenset til magnetiske strømningsrør.

Eksempler på solstrømningsrør inkluderer solflekker og intense magnetiske rør i fotosfæren og feltet rundt solens fremtredende plass og koronalsløkker i koronaen .

Solflekker oppstår når små fluksrør kombineres til et stort fluksrør som bryter overflaten av fotosfæren . Det store fluksrøret til solflekken har en feltintensitet på rundt 3 kG med en diameter på vanligvis 4000 km. Det er ekstreme tilfeller når de store strømningsrørene har en diameter på km med en feltstyrke på 3 kG. Solflekker kan fortsette å vokse så lenge det er en konstant tilførsel av ny strøm fra små strømningsrør på overflaten av solen. Den magnetiske felt inne i røret fluks kan komprimeres ved å redusere gasstrykket på innsiden og derfor den indre temperatur i røret mens det opprettholdes et konstant trykk utenfor.

Intense magnetiske rør er isolerte fluksrør som har diametre på 100 til 300 km med en samlet feltstyrke på 1 til 2 kG og en strømning på rundt Wb. Disse fluksrørene er konsentrerte sterke magnetfelt som finnes mellom solkorn . Magnetfeltet får plasmatrykket i fluxrøret til å falle, kjent som plasmatetthetsutslettingsområdet. Hvis det er en signifikant forskjell i temperaturene i strømningsrøret og omgivelsene, er det en reduksjon i plasmatrykket, så vel som en reduksjon i plasmatettheten som får noe av magnetfeltet til å unnslippe plasmaet.

Plasma som er fanget i magnetiske fluksrør som er festet til fotosfæren , referert til som fotpunkter, skaper en sløyfelignende struktur kjent som en koronalsløyfe . Plasmaet inne i sløyfen har en høyere temperatur enn omgivelsene som forårsaker at trykket og tettheten til plasmaet øker. Disse koronale sløyfene får sin karakteristiske høye lysstyrke og former av former fra oppførselen til magnetfluksrøret. Disse fluksrørene begrenser plasma og karakteriseres som isolerte. Den begrensede magnetfeltstyrken varierer fra 0,1 til 10 G med diametre fra 200 til 300 km.

Resultatet av nye vridne fluksrør fra solens indre forårsaker vridde magnetiske strukturer i koronaen , som deretter fører til solfremspring . Solfremspring er modellert ved hjelp av vridde magnetiske strømningsrør kjent som flustau.

Planetarisk

Grafikk av magnetosfæren til Jupiter med et fluxrør som forbinder Jupiter og Io vist i gult.

Magnetiserte planeter har et område over ionosfærene som fanger energiske partikler og plasma langs magnetiske felt , referert til som magnetosfærer . Forlengelsen av magnetosfæren vekk fra solen kjent som en magnetotail er modellert som magnetiske fluksrør. Mars og Venus har begge sterke magnetiske felt som resulterer i at fluxrør fra solvinden samler seg i store høyder av ionosfæren på solsiden av planetene og får fluxrørene til å forvrenges langs magnetfeltlinjene og skape fluxtau. Partikler fra solvindens magnetfeltlinjer kan overføre til magnetfeltlinjene i en planets magnetosfære gjennom prosessene for magnetisk gjenkobling som oppstår når et fluxrør fra solvinden og et fluxrør fra magnetosfæren i motsatte feltretninger kommer i nærheten av en en annen.

Flux rør som oppstår fra magnetisk omkobling skjemaer til en dipol -lignende konfigurasjon rundt kloden hvor plasmastrøm oppstår. Et eksempel på dette tilfellet er fluksrøret mellom Jupiter og månen Io omtrent 450 km i diameter på punktene nærmest Jupiter .

Se også

Referanser

  1. ^ a b c d e f g h i Parker, EN (1979). "Solflekker og fysikken i magnetiske fluksrør. I Solflettens generelle natur". The Astrophysical Journal . 230 : 905–913. Bibcode : 1979ApJ ... 230..905P . doi : 10.1086/157150 .
  2. ^ Roberts, B (1990). "Bølger i magnetiske fluksrør". Grunnleggende plasmaprosesser på solen: Proceedings of the 142nd Symposium of the International Astronomical Union avholdt i Bangalore, India, 1. – 5. Desember 1989 . Utgave 1.
  3. ^ Maxwell, JC (1861). "Om fysiske maktlinjer". Philosophical Magazine and Journal of Science . 4 .
  4. ^ a b c d e f g h i j k Priest, E. (2014). Magnetohydrodynamikk av solen . Cambridge University Press . s. 100–103. ISBN 978-0-521-85471-9.
  5. ^ Prest, ER; Forbes, TG (2001). "Magnetohydrodynamikk" (PDF) . Natur .
  6. ^ Parker, EN (1979). Kosmiske magnetfelt deres opprinnelse og aktivitet . Bristol, Storbritannia: Oxford University Press . ISBN 0-19-851290-2.
  7. ^ a b c Roberts, B. (2001). "Solar Photospheric Magnetic Flux Tubes: Theory" (PDF) . Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics . doi : 10.1888/0333750888/2255 . ISBN 0333750888.
  8. ^ a b c d Reale, F. (2014). "Coronal Loops: Observasjoner og modellering av begrenset plasma" . Levende anmeldelser i solfysikk . 11 (1): 4. arXiv : 1010.5927 . Bibcode : 2014LRSP ... 11 .... 4R . doi : 10.12942/lrsp-2014-4 . PMC  4841190 . PMID  27194957 .
  9. ^ Peter, H .; et al. (2013). "Struktur av solar coronal loops: fra miniatyr til stor skala". Astronomi og astrofysikk . 556 : A104. arXiv : 1306.4685 . Bibcode : 2013A & A ... 556A.104P . doi : 10.1051/0004-6361/201321826 . S2CID  119237311 .
  10. ^ Fan, Y. (2015). Solar Prominences . Springer. ISBN 978-3-319-10416-4.
  11. ^ Jibben, PR; et al. (2016). "Bevis for et magnetisk fluks-tau i observasjoner av et solarprominence-cavity-system" . Grenser i astronomi og romfag . 3 : 10. Bibcode : 2016FrASS ... 3 ... 10J . doi : 10.3389/fspas.2016.00010 .
  12. ^ a b c d e Kivelson, MG; Bagenal, F. (2007). "Planetary Magnetospheres" (PDF) . Encyclopedia of the Solar System . s. 519–540. Bibcode : 2007ess..book..519K . doi : 10.1016/B978-012088589-3/50032-3 . ISBN 9780120885893. Mangler eller er tom |title=( hjelp )
  13. ^ Bhardwaj, A .; Gladstone, GR; Zarka, P. (2001). "En oversikt over Io Flux Tube Footpoints i Juptiers Auroral Ionosphere". Fremskritt innen romforskning . 27 (11): 1915–1922. Bibcode : 2001AdSpR..27.1915B . doi : 10.1016/s0273-1177 (01) 00280-0 .