奇妙的世界：宇宙中磁性的發生

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】熔融金屬的流動可以產生磁場。這種所謂的發電機效應創造了宇宙磁場，就像在行星、衛星、甚至小行星上發現的那樣。在接下來的幾年裡，研究人員正在進行一項獨特的實驗，在這個實驗中，一個包含數噸液體鈉的鋼桶圍繞著兩個軸旋轉，以證明這一效應。它將在德國獨立研究實驗室Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)的新DRESDYN設施中進行。最近發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一項研究報道了該實驗成功的可能性。類似於自行車發電機將運動轉化為電能，移動導電流體可以產生磁場。所謂的磁雷諾數(流體的流速、膨脹和電導率的乘積)主要決定了磁場是否真的產生。在實驗中，Frank Stefani的團隊在HZDR的流體動力學研究所的團隊致力於達到發電機效應發生的關鍵價值。

HZDR計劃的液態金屬發電機試驗中，一個歲差驅動流動應該為磁場自激勵提供動力。圖片版權：：HZDR

為了達到這個目的，一個直徑為8噸液體鈉的直徑2米的鋼瓶將圍繞一個軸旋轉10次/秒，每秒一次繞另一個軸旋轉，這個軸向第一個軸傾斜。這個運動的技術術語，常被比作傾斜的陀螺，是進動。這項研究的主要作者Andre Giesecke說：我們在新德累斯頓實驗室的實驗旨在證明，作為流動的自然驅動力，旋進是足夠產生磁場的。在他的模擬實驗中，科學家們用比實驗裝置小六倍的模型來進行實驗，科學家們研究了由前驅動的流動結構。吃驚的是，觀察到在旋進率的特定範圍內對稱的雙作用結構，這應該能提供一個在磁雷諾數430的發電機效應。地球的中心由一個由一層鐵水組成的固體核心組成。「熔融金屬會引起電流，進而產生磁場。共同的信念是，浮力驅動的對流，連同地球的自轉，是這個地球動力的責任。然而旋進在地球磁場形成過程中所起的作用仍然是完全不清楚的。

地球的旋轉軸由其軌道平面傾斜23.5度。旋轉軸的位置改變了大約2.6萬年。這種通過空間的運動被認為是地球動力的可能來源之一。數百萬年前，月球也有強大的磁場，就像來自阿波羅任務的岩石樣本所顯示的那樣。專家表示，歲差可能是主要原因。HZDR的液體鈉實驗預計將於2020年開始。與早期的地球動力學實驗室實驗不同，在1999年，在拉脫維亞的Riga進行的第一次成功的發電機實驗中，鋼鼓內沒有螺旋槳，HZDR科學家參與了這一實驗。在德國的卡爾斯魯厄和法國的Cadarache進行的其他實驗為更好地理解地球動力學提供了開拓性的研究。理論上可以為在DRESDYN的實驗定義三個不同的參數:旋轉，旋進和兩個軸之間的夾角。他和他的同事們希望能得到一個基本問題的答案，即旋進是否能在導電流體中產生磁場。此外他們感興趣的是找出哪些流動成分負責磁場的產生，以及飽和發生的點。

在模擬中發現靜止慣性波發生在廣泛的參數範圍內。然而在一定範圍內，現在已經注意到一個特徵的雙重角色結構，證明對發電機效應非常有效。在原則上，我們已經意識到這樣的速度結構多虧了法國的發電機實驗，它是由兩個螺旋槳人工製造的，而在我們的進動實驗中，它應該是自然產生的。HZDR研究人員使用特殊的超聲技術來測量血流結構。對實驗數據與模擬結果的吻合程度感到非常驚訝。因此對主要的DRESDYN實驗有一個非常可靠的預測。例如知道發電機效應發生在哪個旋轉速率，以及我們可以期待的磁場結構。與dynamos相關的科學界正在急切地等待計劃實驗的結果，該實驗將在許多方面對技術可行性進行限制。還期望在磁場的影響下，對液態金屬流動的一般動態有詳細的了解。這將使我們能夠得出關於工業部門流動的結論。最後但並非最不重要的是，在HZDR上開發的磁流層析成像是其發電機研究的一部分，它對許多領域的鑄鋼和晶體生長有興趣。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理評論快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：德國研究中心亥姆霍茲協會

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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