Dòng ion và hiện tượng từ trường tự nhiên

Nếu các hạt tích điện di chuyển trong chất khí khi có từ trường bên ngoài, thì chúng có thể tự do mô tả một phần quan trọng quỹ đạo máy phát điện từ của chúng. Tuy nhiên, mỗi quỹ đạo không nhất thiết phải hoàn thành hoàn toàn. Nó có thể bị phá vỡ do va chạm giữa một hạt chuyển động và bất kỳ phân tử khí nào.

Những va chạm như vậy đôi khi chỉ làm lệch hướng chuyển động của các hạt, chuyển chúng sang quỹ đạo mới; tuy nhiên, với những va chạm đủ mạnh, sự ion hóa các phân tử khí cũng có thể xảy ra. Trong giai đoạn sau va chạm dẫn đến ion hóa, cần tính đến sự tồn tại của ba hạt mang điện—hạt chuyển động ban đầu, ion khí và electron được giải phóng. Chuyển động của hạt ion hóa trước va chạm, ion khí, electron thoát ra và hạt ion hóa sau va chạm chịu tác dụng của Lực lượng Lorentz.

Sự tương tác của các hạt bị ion hóa và bị ion hóa với từ trường khi các hạt này di chuyển trong chất khí làm phát sinh nhiều hiện tượng từ tính tự nhiên—cực quang, ngọn lửa biết hát, gió mặt trời và bão từ.

Đèn cực

Đèn phía bắc là ánh sáng trên bầu trời đôi khi được nhìn thấy. vùng cực bắc của Trái đất. Hiện tượng này xảy ra do quá trình khử ion của các phân tử khí quyển sau khi chúng bị ion hóa bởi bức xạ mặt trời. Một hiện tượng tương tự ở bán cầu nam của Trái đất được gọi là ánh sáng phía nam. Mặt trời phát ra một lượng lớn năng lượng ở nhiều dạng khác nhau. Một trong những dạng này là các hạt tích điện nhanh thuộc nhiều loại khác nhau, tỏa ra mọi hướng. Các hạt chuyển động về phía Trái đất rơi vào trường địa từ.

Tất cả các hạt tích điện từ không gian ngoài trái đất rơi vào trường địa từ, bất kể hướng chuyển động ban đầu, đều chuyển động theo quỹ đạo tương ứng với các đường sức. Vì tất cả các đường sức này đi ra từ một cực của Trái đất và đi vào cực đối diện, nên các hạt tích điện chuyển động sẽ kết thúc ở cực này hoặc cực kia của Trái đất.

Các hạt tích điện nhanh đi vào bầu khí quyển của Trái đất gần các cực gặp phải các phân tử khí quyển. Sự va chạm giữa các hạt bức xạ mặt trời và các phân tử khí có thể dẫn đến sự ion hóa của chất sau và các electron bị loại khỏi một số phân tử. Do thực tế là các phân tử bị ion hóa có nhiều năng lượng hơn các phân tử bị khử ion, nên các electron và ion khí có xu hướng kết hợp lại. Trong trường hợp các ion được đoàn tụ với các electron đã mất trước đó, năng lượng điện từ được phát ra. Thuật ngữ "cực quang" được dùng để mô tả phần nhìn thấy được của bức xạ điện từ này.

Sự hiện diện của trường địa từ là một trong những yếu tố thuận lợi cho mọi dạng sống, bởi vì trường này đóng vai trò là "mái nhà" bảo vệ phần trung tâm của địa cầu khỏi sự bắn phá liên tục của các hạt nhanh có nguồn gốc từ mặt trời.

Ngọn lửa ca hát

Một ngọn lửa được đặt trong từ trường xoay chiều có thể tạo ra âm thanh ở tần số của từ trường. Ngọn lửa bao gồm các sản phẩm khí ở nhiệt độ cao được hình thành trong một số phản ứng hóa học. Khi dưới tác động của nhiệt độ cao, các electron quỹ đạo bị tách ra khỏi một số phân tử khí, một hỗn hợp giàu các electron tự do và ion dương được tạo ra.

Bằng cách này, ngọn lửa tạo ra cả electron và ion dương, có thể đóng vai trò là hạt tải điện để duy trì dòng điện. Đồng thời, ngọn lửa tạo ra các gradient nhiệt độ gây ra các dòng khí đối lưu tạo thành ngọn lửa.Vì các hạt mang điện tích là một phần không thể thiếu của chất khí nên các dòng đối lưu cũng là dòng điện.

Những dòng điện đối lưu này tồn tại trong ngọn lửa, khi có từ trường bên ngoài, chịu tác dụng của lực Lorentz. Tùy thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa dòng điện và trường, ứng dụng của từ trường bên ngoài có thể làm giảm hoặc tăng độ sáng của ngọn lửa.

Áp suất của các khí trong ngọn lửa tương tác với từ trường xoay chiều được điều biến bởi lực Lorentz tác dụng lên các dòng đối lưu. Do các rung động âm thanh được tạo ra do sự điều biến áp suất khí nên ngọn lửa có thể đóng vai trò là bộ chuyển đổi chuyển đổi năng lượng điện thành âm thanh.Ngọn lửa có các đặc tính được mô tả được gọi là ngọn lửa biết hát.

từ quyển

Từ quyển là khu vực của môi trường Trái đất nơi từ trường đóng vai trò chủ đạo. Trường này là tổng vectơ của từ trường riêng của Trái đất hoặc trường địa từ và từ trường liên quan đến bức xạ mặt trời. Là một thiên thể quá nóng trải qua các nhiễu loạn phóng xạ và nhiệt mạnh, Mặt trời phóng ra một lượng lớn plasma bao gồm khoảng một nửa electron và một nửa proton.

Mặc dù huyết tương bị đẩy ra khỏi bề mặt của Mặt trời theo mọi hướng, một phần đáng kể của nó, di chuyển ra khỏi Mặt trời, tạo thành một vệt ít nhiều hướng theo một hướng dưới tác động của chuyển động của Mặt trời trong không gian. Sự di chuyển này của plasma được gọi là gió mặt trời.

Miễn là các electron và proton tạo nên gió mặt trời di chuyển cùng nhau, có nồng độ bằng nhau, chúng không tạo ra từ trường. Tuy nhiên, bất kỳ sự khác biệt nào về vận tốc trôi của chúng đều tạo ra dòng điện và sự khác biệt về nồng độ tạo ra điện áp có khả năng tạo ra dòng điện. Trong mỗi trường hợp, dòng plasma tạo ra từ trường tương ứng.

Trái đất nằm trên đường đi của gió mặt trời. Khi các hạt của nó và từ trường liên quan của chúng tiếp cận Trái đất, chúng sẽ tương tác với trường địa từ. Do sự tương tác, cả hai trường đều thay đổi. Do đó, hình dạng và đặc điểm của trường địa từ được xác định một phần bởi gió mặt trời đi qua nó.

Hoạt động bức xạ của Mặt trời cực kỳ thay đổi cả theo thời gian và không gian — trên bề mặt của Mặt trời.Khi mặt trời quay quanh trục của nó, gió mặt trời ở trạng thái thay đổi liên tục. Do Trái đất cũng quay quanh trục của nó, bản chất của sự tương tác giữa gió mặt trời và trường địa từ cũng liên tục thay đổi.

Những biểu hiện cơ bản của những tương tác thay đổi này được gọi là bão từ quyển trong gió mặt trời và bão từ trong địa từ trường. Các hiện tượng khác liên quan đến tương tác giữa các hạt gió Mặt trời và từ quyển là cực quang đã đề cập ở trên và dòng điện chạy trong bầu khí quyển quanh Trái đất từ ​​đông sang tây.