13. Динамо-механизм
В отличие от Сазерленда, Лармор не выдвигал каких-то гипотез. Он опирался на надежнейший фундамент — на законы классической электродинамики Фарадея и Максвелла. Или даже конкретнее, — на закон электромагнитной индукции Фарадея.
Классические опыты Фарадея по электромагнитной индукции может теперь повторить школьник. Если, например, внутрь проволочной катушки, подсоединенной к гальванометру, вдвигать постоянный магнит (или, наоборот, выдвигать его) то прибор зарегистрирует ток. Можно порождать ток в катушке (физики любят говорить «в витке») и по-другому, но общим для всех вариантов остается то, что магнитное поле, в котором находится виток, должно быть переменным. Или, точнее, переменным должен быть поток индукции магнитного поля через площадку, ограниченную витком. Впрочем, об этом уже кратко говорилось выше.
Здесь мы снова сталкиваемся со словом «поток» явно из арсенала механики. И действительно, оно пришло в физику, когда началось описание движений в жидкостях. Тогда речь шла о поле скоростей, т.е. о распределении скоростей. Зная его, можно вычислить потоки в жидкости, т. е. подсчитать, сколько жидкости протекает через любую площадку, которую можно выбрать в ней.
Понятие «поток» вскоре было перенесено и на любые поля, где на месте вектора скорости фигурирует и любой другой вектор, не имеющий ничего общего с движением вещества. Так, распределение магнитного поля в пространстве описывается «вектором индукции», указывающем силу, с которой магнитное поле воздействует на электрический ток.
Поток вектора магнитной индукции через площадку, ограниченную любым выбранным контуром в проводнике, может меняться по разным причинам: из-за изменения магнитного поля, из-за изменения формы и размеров контура, т.е. перемещением связанных с ним частиц проводника, с изменением физических параметров, определяющих его состояние, например давление и температуру, и т.д. Но какими бы ни были причины изменения потока индукции, они порождают электрический ток в контуре, а поскольку ток создает магнитное поле, движение «жидких контуров» в проводниках вызывает и появление дополнительных магнитных полей. Это действительно имеет прямое отношение к работе динамо-машин: движение проводников в магнитных полях таких машин порождает токи, которые, в свою очередь, являются источниками усиления магнитных полей. Об этом можно говорить как о переходе кинетической энергии проводящего вещества в энергию магнитного поля.
Движения проводящего вещества в недрах планет и звезд благодаря такому «эффекту динамо» и рассматривается, согласно идее Лармора, как физическая причина создания (точнее, усиления) магнитных полей в планетах и звездах.
Правда, чтобы «механизм динамо» работал, должно существовать некое «затравочное», допускающее дальнейшее усиление магнитное поле, но причины его существования нетрудно изыскать (например, флуктуации).
Идеи Лармора и «динамо-механизм» надолго заняли лидирующее положение в умах физиков, занимающихся проблемами магнетизма небесных тел. Так, в книге известных геофизиков В.Н.Жаркова и В. П. Трубицина «Физика планетных недр», изданной в 1980 г., утверждается: «В настоящее время не вызывает сомнений, что тепловая или гравитационная конвекция в земном ядре является именно той причиной, которая вызывает появление геомагнитного поля».
Еще одна цитата: в статье одного из выдающихся наших теоретиков, Я. Б. Зельдовича, опубликованной им совместно с Ф. Ф. Рузмайкиным в 1982 г., сказано: «По нашему убеждению, главные проблемы земного, солнечного и галактического магнетизма, могут быть решены только с помощью теории динамо». Это красноречивое и категоричное высказывание отражает не претерпевшие изменений и поныне умонастроения.
Конечно, теория динамо дала немало. Но нельзя не отметить и такой момент: для нахождения (теоретического предсказания!) магнитного поля небесных тел, нужно располагать знаниями о движениях вещества в его недрах. Как правило, такие знания отсутствуют, и тогда картину этих движений приходится более или менее правдоподобно постулировать — так возникают «модели кинематического динамо», которыми обычно дело и исчерпывается. Понятно, что «каково сырье, таков и продукт», так что степень надежности предсказаний зависит от правдоподобности исходных допущений. Об этом можно сказать и так: модель динамо не способна «давать числа», т.е., например, однозначно «из первых принципов» предсказывать количественно значения магнитных моментов планет и звезд.
Было бы, однако, неправильно недооценивать теорию динамо. Без нее ряд наблюдаемых явлений не получили бы (если и не количественного, то хотя бы и качественного) истолкования. Это, в первую очередь, относится к зависимости магнитных полей небесных тел от времени. На Солнце, например, где внутренние движения весьма бурны, как показывают наблюдения, это поле быстро и прихотливо изменяется. Изменения есть и на Земле, хотя масштаб и темп вариаций здесь значительно ниже (впрочем, по палеомагнитным данным, магнитное поле Земли испытывало не только вариации, но даже и инверсии, т.е. изменение полярности). Нельзя не согласиться, что эффекты динамо действительно определяют заметную долю магнетизма небесных тел. Но какую?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно обсудить, есть ли другие варианты объяснения магнетизма этих тел.
|
