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    奇妙的世界:宇宙中磁性的发生

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      【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】熔融金属的流动可以产生磁场。这种所谓的发电机效应创造了宇宙磁场,就像在行星、卫星、甚至小行星上发现的那样。在接下来的几年里,研究人员正在进行一项独特的实验,在这个实验中,一个包含数吨液体钠的钢桶围绕着两个轴旋转,以证明这一效应。它将在德国独立研究实验室Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)的新DRESDYN设施中进行。最近发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一项研究报道了该实验成功的可能性。类似于自行车发电机将运动转化为电能,移动导电流体可以产生磁场。所谓的磁雷诺数(流体的流速、膨胀和电导率的乘积)主要决定了磁场是否真的产生。在实验中,Frank Stefani的团队在HZDR的流体动力学研究所的团队致力于达到发电机效应发生的关键价值。

      奇妙的世界:宇宙中磁性的发生

      HZDR计划的液态金属发电机试验中,一个岁差驱动流动应该为磁场自激励提供动力。图片版权::HZDR

      为了达到这个目的,一个直径为8吨液体钠的直径2米的钢瓶将围绕一个轴旋转10次/秒,每秒一次绕另一个轴旋转,这个轴向第一个轴倾斜。这个运动的技术术语,常被比作倾斜的陀螺,是进动。这项研究的主要作者Andre Giesecke说:我们在新德累斯顿实验室的实验旨在证明,作为流动的自然驱动力,旋进是足够产生磁场的。在他的模拟实验中,科学家们用比实验装置小六倍的模型来进行实验,科学家们研究了由前驱动的流动结构。吃惊的是,观察到在旋进率的特定范围内对称的双作用结构,这应该能提供一个在磁雷诺数430的发电机效应。地球的中心由一个由一层铁水组成的固体核心组成。“熔融金属会引起电流,进而产生磁场。共同的信念是,浮力驱动的对流,连同地球的自转,是这个地球动力的责任。然而旋进在地球磁场形成过程中所起的作用仍然是完全不清楚的。

      地球的旋转轴由其轨道平面倾斜23.5度。旋转轴的位置改变了大约2.6万年。这种通过空间的运动被认为是地球动力的可能来源之一。数百万年前,月球也有强大的磁场,就像来自阿波罗任务的岩石样本所显示的那样。专家表示,岁差可能是主要原因。HZDR的液体钠实验预计将于2020年开始。与早期的地球动力学实验室实验不同,在1999年,在拉脱维亚的Riga进行的第一次成功的发电机实验中,钢鼓内没有螺旋桨,HZDR科学家参与了这一实验。在德国的卡尔斯鲁厄和法国的Cadarache进行的其他实验为更好地理解地球动力学提供了开拓性的研究。理论上可以为在DRESDYN的实验定义三个不同的参数:旋转,旋进和两个轴之间的夹角。他和他的同事们希望能得到一个基本问题的答案,即旋进是否能在导电流体中产生磁场。此外他们感兴趣的是找出哪些流动成分负责磁场的产生,以及饱和发生的点。

      在模拟中发现静止惯性波发生在广泛的参数范围内。然而在一定范围内,现在已经注意到一个特征的双重角色结构,证明对发电机效应非常有效。在原则上,我们已经意识到这样的速度结构多亏了法国的发电机实验,它是由两个螺旋桨人工制造的,而在我们的进动实验中,它应该是自然产生的。HZDR研究人员使用特殊的超声技术来测量血流结构。对实验数据与模拟结果的吻合程度感到非常惊讶。因此对主要的DRESDYN实验有一个非常可靠的预测。例如知道发电机效应发生在哪个旋转速率,以及我们可以期待的磁场结构。与dynamos相关的科学界正在急切地等待计划实验的结果,该实验将在许多方面对技术可行性进行限制。还期望在磁场的影响下,对液态金属流动的一般动态有详细的了解。这将使我们能够得出关于工业部门流动的结论。最后但并非最不重要的是,在HZDR上开发的磁流层析成像是其发电机研究的一部分,它对许多领域的铸钢和晶体生长有兴趣。

      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:物理评论快报

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:德国研究中心亥姆霍兹协会

      • 编译:光量子

      • 审校:博科园

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