Prądy jonowe i naturalne zjawiska magnetyczne

Jeśli naładowane cząstki poruszają się w gazie w obecności zewnętrznego pola magnetycznego, mogą swobodnie opisywać znaczną część swojej trajektorii magnetronowej. Jednak każda trajektoria niekoniecznie kończy się całkowicie. Może zostać przerwany przez zderzenie poruszającej się cząstki z dowolną cząsteczką gazu.

Takie zderzenia czasami tylko zmieniają kierunek ruchu cząstek, przenosząc je na nowe trajektorie; jednak przy wystarczająco silnych zderzeniach możliwa jest również jonizacja cząsteczek gazu. W okresie pozderzeniowym prowadzącym do jonizacji należy wziąć pod uwagę istnienie trzech naładowanych cząstek – pierwotnej cząstki poruszającej się, jonu gazowego i uwolnionego elektronu. Na ruchy cząstki jonizującej przed zderzeniem, jonu gazu, uwolnionego elektronu i cząstki jonizującej po zderzeniu wpływa Siły Lorentza.

Oddziaływanie jonizujących i zjonizowanych cząstek z polem magnetycznym, gdy cząstki te poruszają się w gazie, powoduje różne naturalne zjawiska magnetyczne - zorzę polarną, śpiewający płomień, wiatr słoneczny i burze magnetyczne.

Zorze polarne

Zorza polarna to blask na niebie, który czasami można zobaczyć. rejon bieguna północnego Ziemi. Zjawisko to występuje w wyniku dejonizacji cząsteczek atmosfery po ich zjonizowaniu przez promieniowanie słoneczne. Podobne zjawisko na południowej półkuli Ziemi nazywa się południowymi światłami. Słońce emituje duże ilości energii w wielu różnych formach. Jedną z tych form są naładowane, szybkie cząstki różnego rodzaju, promieniujące we wszystkich kierunkach. Cząstki poruszające się w kierunku Ziemi wpadają w pole geomagnetyczne.

Wszystkie naładowane cząstki z przestrzeni pozaziemskiej, które wpadają w pole geomagnetyczne, niezależnie od początkowego kierunku ruchu, poruszają się po trajektoriach odpowiadających liniom pola. Ponieważ wszystkie te linie sił wychodzą z jednego bieguna Ziemi i wchodzą do przeciwnego bieguna, poruszające się naładowane cząstki kończą się na jednym lub drugim biegunie Ziemi.

Szybko naładowane cząstki wchodzące w ziemską atmosferę w pobliżu biegunów napotykają cząsteczki atmosferyczne. Zderzenia cząstek promieniowania słonecznego z cząsteczkami gazu mogą prowadzić do jonizacji tych ostatnich, a z niektórych cząsteczek wybijane są elektrony. Ze względu na fakt, że zjonizowane cząsteczki mają więcej energii niż zdejonizowane, elektrony i jony gazu mają tendencję do rekombinacji. W przypadkach, gdy jony ponownie łączą się z utraconymi wcześniej elektronami, emitowana jest energia elektromagnetyczna. Termin „aurora” jest używany do opisania widocznej części tego promieniowania elektromagnetycznego.

Obecność pola geomagnetycznego jest jednym z czynników sprzyjających wszelkim formom życia, ponieważ pole to służy jako "dach" chroniący centralną część globu przed ciągłym bombardowaniem przez szybkie cząstki pochodzenia słonecznego.

Śpiewający płomień

Płomień umieszczony w zmiennym polu magnetycznym może generować dźwięki o częstotliwości pola magnetycznego. Płomień składa się z produktów gazowych o wysokiej temperaturze powstających podczas niektórych reakcji chemicznych. Kiedy pod wpływem wysokiej temperatury elektrony orbitalne zostaną oddzielone od niektórych cząsteczek gazu, powstaje bogata mieszanina wolnych elektronów i jonów dodatnich.

W ten sposób płomień generuje zarówno elektrony, jak i jony dodatnie, które mogą służyć jako nośniki do utrzymania prądu elektrycznego. Jednocześnie płomień tworzy gradienty temperatury, które powodują konwekcyjne przepływy gazów tworzących płomień.Ponieważ nośniki ładunku elektrycznego są integralną częścią gazów, przepływy konwekcyjne są również prądami elektrycznymi.

Te konwekcyjne prądy elektryczne występujące w płomieniu, w obecności zewnętrznego pola magnetycznego, podlegają działaniu sił Lorentza. W zależności od charakteru interakcji między prądem a polem, przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego może zmniejszyć lub zwiększyć jasność płomienia.

Ciśnienie gazów w płomieniu oddziałujących ze zmiennym polem magnetycznym jest modulowane przez siły Lorentza działające na przepływy konwekcyjne. Ponieważ wibracje dźwiękowe powstają w wyniku modulacji ciśnienia gazu, płomień może służyć jako przetwornik przetwarzający energię elektryczną na dźwięk.Płomień, który ma opisane właściwości, nazywany jest śpiewającym płomieniem.

Magnetosfera

Magnetosfera to obszar środowiska Ziemi, w którym dominującą rolę odgrywa pole magnetyczne. Pole to jest sumą wektorów własnego pola magnetycznego Ziemi lub pola geomagnetycznego oraz pól magnetycznych związanych z promieniowaniem słonecznym. Jako przegrzane ciało podlegające silnym zaburzeniom termicznym i radioaktywnym, Słońce wyrzuca ogromne ilości plazmy składającej się w przybliżeniu z połowy elektronów i pół protonów.

Chociaż osocze jest wyrzucany z powierzchni Słońca we wszystkich kierunkach, znaczna jego część, oddalając się od Słońca, tworzy ślad skierowany mniej więcej w jednym kierunku pod wpływem ruchu Słońca w przestrzeni. Ta migracja plazmy nazywana jest wiatrem słonecznym.

Dopóki elektrony i protony tworzące wiatr słoneczny poruszają się razem, mając równe stężenia, nie tworzą pola magnetycznego. Jednak wszelkie różnice w ich prędkości dryfu generują prąd elektryczny, a różnice w stężeniu generują napięcie zdolne do wytworzenia prądu elektrycznego. W każdym przypadku prądy plazmy generują odpowiednie pola magnetyczne.

Ziemia znajduje się na ścieżce wiatru słonecznego. Kiedy jego cząstki i związane z nimi pole magnetyczne zbliżają się do Ziemi, oddziałują z polem geomagnetycznym. W wyniku interakcji oba pola ulegają zmianie. Zatem kształt i charakterystyka pola geomagnetycznego są częściowo zdeterminowane przez przechodzący przez nie wiatr słoneczny.

Aktywność radiacyjna Słońca jest niezwykle zmienna zarówno w czasie, jak iw przestrzeni — na całej powierzchni Słońca.Kiedy słońce obraca się wokół własnej osi, wiatr słoneczny jest w stanie strumienia. Ze względu na to, że Ziemia również obraca się wokół własnej osi, charakter interakcji między wiatrem słonecznym a polem geomagnetycznym również ulega ciągłym zmianom.

Podstawowe przejawy tych zmieniających się oddziaływań nazywane są burzami magnetosferycznymi w wietrze słonecznym i burzami magnetycznymi w polu geomagnetycznym. Inne zjawiska związane z oddziaływaniem cząstek wiatru słonecznego z magnetosferą to wspomniane wyżej zorze polarne oraz prąd elektryczny płynący w atmosferze wokół Ziemi ze wschodu na zachód.