Бессиловое магнитное поле
В физике плазмы бессиловое магнитное поле — это магнитное поле , в котором сила Лоренца равна нулю, а магнитное давление плазмы значительно превышает давление , так что немагнитными силами можно пренебречь. В бессиловом поле плотность электрического тока либо равна нулю, либо параллельна магнитному полю.
Определение
[ редактировать ]Когда магнитное поле аппроксимируется как бессиловое, всеми немагнитными силами пренебрегают, и сила Лоренца исчезает. Для пренебрежения немагнитными силами предполагается, что отношение давления плазмы к магнитному давлению — плазмы β — много меньше единицы, т. е. . В этом предположении магнитное давление преобладает над давлением плазмы, так что последним можно пренебречь. Предполагается также, что магнитное давление доминирует над другими немагнитными силами, такими как гравитация , так что этими силами можно аналогичным образом пренебречь.
В единицах СИ условие силы Лоренца для статического магнитного поля может быть выражено как
где
плотность тока и это вакуумная проницаемость . Альтернативно это можно записать как
Эти условия выполняются, когда ток равен нулю или параллелен магнитному полю. [1]
Нулевая плотность тока
[ редактировать ]Если плотность тока тождественно равна нулю, то магнитное поле представляет собой градиент магнитного скалярного потенциала :
Замена этого на приводит к уравнению Лапласа , которую часто можно легко решить, в зависимости от точных граничных условий. В этом случае поле называется потенциальным полем или вакуумным магнитным полем .
Ненулевая плотность тока
[ редактировать ]Если плотность тока не равна нулю, то он должен быть параллелен магнитному полю, т. е. где — скалярная функция, известная как бессиловый параметр или бессиловая функция . Это означает, что
Бессиловой параметр может быть функцией положения, но должен быть постоянным вдоль силовых линий.
Линейное бессиловое поле
[ редактировать ]Когда бессиловый параметр везде постоянно, поле называется линейным бессиловым полем (ЛБФП). Константа позволяет вывести векторное уравнение Гельмгольца
взяв ротор из ненулевых уравнений плотности тока, приведенных выше.
Нелинейное бессиловое поле
[ редактировать ]Когда бессиловый параметр зависит от положения, поле называется нелинейным бессиловым полем (НБФП). В этом случае уравнения не имеют общего решения и обычно должны решаться численно. [1] [2] [3] : 50–54
Физические примеры
[ редактировать ]В Солнца верхней хромосфере и нижней короне плазма β локально может быть порядка 0,01 или ниже, что позволяет аппроксимировать магнитное поле как бессиловое. [1] [4] [5] [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Вигельманн, Томас; Сакураи, Такаши (декабрь 2021 г.). «Солнечные магнитные поля без сил» (PDF) . Живые обзоры по солнечной физике . 18 (1): 1. дои : 10.1007/s41116-020-00027-4 . S2CID 232107294 . Проверено 18 мая 2022 г.
- ^ Беллан, Пол Мюррей (2006). Основы физики плазмы . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521528003 .
- ^ Паркер, EN (2019). Космические магнитные поля: их происхождение и активность . Оксфорд: Кларендон Пресс. ISBN 978-0-19-882996-6 .
- ^ Амари, Т.; Али, Джей-Джей; Лучани, Дж. Ф.; Бульмезауд, Теннесси; Микич, З. (1997). «Реконструкция солнечного коронального магнитного поля как бессилового магнитного поля» . Солнечная физика . 174 : 129–149. Бибкод : 1997SoPh..174..129A . дои : 10.1023/А:1004966830232 .
- ^ Лоу, Британская Колумбия; Лу, YQ (март 1990 г.). «Моделирование магнитных полей, свободных от солнечной силы». Астрофизический журнал . 352 : 343. Бибкод : 1990ApJ...352..343L . дои : 10.1086/168541 .
- ^ Питер, Х.; Варнеке, Дж.; Читта, LP; Кэмерон, Р.Х. (ноябрь 2015 г.). «Ограничения экстраполяции бессилового магнитного поля: пересмотр основных предположений» . Астрономия и астрофизика . 584 . arXiv : 1510.04642 . Бибкод : 2015A&A...584A..68P . дои : 10.1051/0004-6361/201527057 .