Теорія динамо описує генерацію та поведінку магнітних полів в електропровідній речовині (плазмі). Вона є частиною магнітогідродинаміки (МГД).
«Ефект динамо», тобто генерація магнітних полів, спричинена електромагнітною індукцією внаслідок взаємодії між конвекцією в електропровідній речовині та її обертанням.
Магнітні поля Землі, Сонця та інших астрономічних об'єктів можна пояснити теорією динамо. Щоб краще відрізнити їх від технічних динамо (електричних генераторів), такі динамо також називають магнітогідродинамічними або МГД-динамо.
Історія теорії Коли Вільям Гілберт опублікував працю «Про магніт» в 1600 році, він дійшов висновку, що Земля магнітна, і запропонував першу гіпотезу щодо походження цього магнетизму: постійний магнетизм, подібний до того, що знаходиться в магнетиті. У 1822 році Андре-Марі Ампер припустив, що внутрішні струми відповідають за магнетизм Землі. У 1919 році Джозеф Лармор припустив, що магнітне поле може генерувати динамо. Reprinted in Engineering, vol. 108, pages 461ff (3 October 1919). Однак, навіть після того, як він висунув свою гіпотезу, деякі відомі вчені запропонували альтернативні пояснення. Лауреат Нобелівської премії Патрік Блекетт провів серію експериментів, шукаючи фундаментальний зв'язок між кутовим моментом і магнітним моментом, але не знайшов жодного. claim that in 1905, shortly after composing his special relativity paper, Albert Einstein described the origin of the Earth's magnetic field as being one of the great unsolved problems facing modern physicists. However, they do not provide details on where he made this statement.
Вальтер М. Ельзассер, якого вважають «батьком» сучасної теорії динамо як пояснення магнетизму Землі, припустив, що це магнітне поле виникає внаслідок електричних струмів, індукованих у рідкому зовнішньому ядрі Землі. Він розкрив історію магнітного поля Землі, ставши піонером у вивченні магнітної орієнтації мінералів у гірських породах.
Щоб підтримувати магнітне поле проти омічного розпаду (що мало б статися з дипольним полем через 20 000 років), зовнішнє ядро має бути конвекційним. Конвекція, ймовірно, є певною комбінацією теплової та композиційної конвекції. Мантія контролює швидкість, з якою тепло витягується з ядра. Джерела тепла включають гравітаційну енергію, що вивільняється при стисканні ядра, гравітаційну енергію, що вивільняється при відторгненні легких елементів (ймовірно, сірки, кисню або кремнію) на внутрішній межі ядра під час його зростання, приховану теплоту кристалізації на внутрішній межі ядра та радіоактивність калію, урану та торію.
На початку 21 століття числове моделювання магнітного поля Землі далеко не точне. Початкові моделі зосереджені на генерації поля конвекцією в рідкому зовнішньому ядрі планети. Було можливо показати генерацію сильного, подібного до Землі, поля, коли модель припускала рівномірну температуру ядра та поверхні та надзвичайно високу в'язкість рідини ядра. Розрахунки, що включали більш реалістичні значення параметрів, дали магнітні поля, менш схожі на земні, але вказували на те, що уточнення моделі може зрештою призвести до точної аналітичної моделі. Незначні коливання температури ядра та поверхні, в діапазоні кількох мілікельвінів, призводять до значного збільшення конвективного потоку та створюють більш реалістичні магнітні поля.
Формальне визначення Теорія динамо описує процес, за допомогою якого обертова, конвекційна та електропровідна рідина підтримує магнітне поле. Ця теорія використовується для пояснення наявності аномально довгоживучих магнітних полів в астрофізичних тілах. Провідною рідиною в геодинамо є рідке залізо в зовнішньому ядрі, а в сонячному динамо — йонізований газ на тахокліні. Теорія динамо астрофізичних тіл використовує магнітогідродинамічні рівняння для дослідження того, як рідина може безперервно регенерувати магнітне поле.
Колись вважалося, що диполь, який становить значну частину магнітного поля Землі та зміщений вздовж осі обертання на 11,3 градуса, був викликаний постійною намагніченістю матеріалів Землі. Це означає, що теорія динамо спочатку використовувалася для пояснення магнітного поля Сонця у його взаємозв'язку з магнітним полем Землі. Однак ця гіпотеза, яку вперше запропонував Джозеф Лармор у 1919 році, була модифікована завдяки обширним дослідженням вікових варіацій магнітного поля, палеомагнетизму (включаючи зміни полярності), сейсмології та великої кількості елементів у Сонячній системі. Також застосування теорій Карла Фрідріха Гаусса до магнітних спостережень показало, що магнітне поле Землі має внутрішнє, а не зовнішнє походження.
Існують три необхідні умови для роботи динамо:
Електропровідне текуче середовище Кінетична енергія, що забезпечується обертанням планети Внутрішнє джерело енергії для приведення в дію конвективних рухів у рідині.
Примітки