地球电磁现象物理学第六章 变化磁场起源和空间电流体系 .ppt

地球物理电磁现象物理物理物理地球电磁现象，地磁风向标(2011年11月14日)，第6章变化磁场和空间电流系统的起源。带电粒子在第一磁场中的运动，第二磁流体中的电流，第三电离层和磁层电流系统中的电流，第四磁层中的顶部电流，第五赤道环中的电流，第六磁尾中的电流，第七磁场中的电流，第八电离层中的电流，带电粒子在6.1磁场中的运动，变化的磁场是由空间电流产生的， 电流是带电粒子微分运动的宏观表现，磁场对电荷运动有重要影响。 (1)带电粒子在均匀磁场中的回旋运动，(2)洛伦兹力，(3)洛伦兹力性质：垂直于速度，因此它对粒子不起作用；它垂直于磁场，所以磁场方向上的粒子速度分量不会改变。粒子在洛伦兹力作用下的圆周运动，其大小不变，并垂直于拉莫尔运动(回旋运动)中粒子的速度。洛伦兹力是带电粒子圆周运动的向心力，因此带电粒子回旋运动的方向往往会减小磁场，即回旋运动具有反磁效应。圆周向心力、拉莫尔半径(回转半径)、角频率、回转周期、带电粒子的回转运动相当于圆形电流、电流强度、圆形电流面积、圆形电流的磁矩，在均匀的外力和磁场中，带电粒子受到两种力，均匀的外力F和洛伦兹力。在均匀磁场B和与其垂直的均匀力场F中，带电粒子的运动方程为分量方程、圆周运动(拉莫尔运动)、均匀运动(漂移运动)，vx和vy的二阶齐次线性微分方程的解如下：1。如果力场是由均匀电场E产生的，带电粒子的电场漂移是，2。如果力场是引力场，引力漂移是，与电荷的符号无关，正电荷和负电荷以相同的速度漂移，没有电流产生。漂移速度与电荷有关，并产生电流。3.带电粒子在非均匀磁场中的漂移运动。磁场的不均匀性表现为：磁场梯度和磁力线弯曲磁场梯度的作用相当于：一个力使磁力线向负梯度方向弯曲相当于：使沿磁力线运动的带电粒子感受到离心力的作用，将相当于磁场梯度的：力引入漂移运动公式：1。在正电荷粒子漂移的情况下，梯度漂移与电荷符号有关，因此产生电流和磁场梯度漂移。2.在弯曲磁力线的情况下，当带电粒子具有平行于磁场的速度分量时：如果磁力线是直的，粒子在磁力线方向的运动状态与没有磁场的情况完全相同。这时，粒子在均匀磁场中的回旋运动变成了螺旋运动。如果磁力线是一条曲线(如地磁场磁力线)，粒子在沿磁力线运动时会受到离心力的影响。如果磁力线的曲率半径是Rc，并且平行于和垂直于磁力线的粒子的速度分量是，那么离心力是，曲率漂移，曲率半径Rc等于曲率k的倒数，并且k是曲线的切线方向角相对于弧长的旋转速率。当K0曲线凹向曲线法线的正方向时，反之，凹向曲线法线的负方向。让e1沿着磁力线的方向，e2沿着磁力线的法线(沿着指向曲率中心的Rc的反方向)。然后，E1、E1、E1、S、RC、E1、E1、E1=E1-E1、，只考虑磁力线弯曲，不考虑磁场强度变化。曲率漂移与电荷符号有关，因此电流、梯度漂移、曲率漂移、梯度曲率漂移、3。并考虑列坐标。1.磁铁当它降到零时，粒子停止向前运动，并在梯度力的作用下开始向相反的方向运动，就像被反射回来一样。洛伦兹力对粒子不起作用，因此粒子的动能保持不变，即当粒子在磁镜中来回反弹时，回转磁矩保持不变，dB/dt是粒子因空间位置变化而经历的磁场变化，但磁场本身不随时间变化。改变粒子在电场中的漂移。当电场随时间缓慢变化时(电场改变频率粒子回旋频率)，除了电场漂移vE之外，粒子还会有一个额外的漂移“极化漂移”。施加电场后，正离子的第一个反应是沿E方向运动，而洛仑兹力只有在离子有一定速度时才感觉到。如果电子不随时间变化，那么离子在均匀的力(电)场中进行回旋漂移运动。然而，当电场改变时(例如，方向相反)，由于电场改变，将会有瞬时漂移，因此这是由惯性引起的“起始漂移”。洛伦兹力垂直于粒子的速度，所以磁场本身对粒子不起作用。然而，当磁场改变时，伴随它的感应电场可以对粒子做功并改变粒子的能量。粒子动能的变化等于电场对粒子所做的功。根据麦克斯韦定律，在缓慢变化的磁场中，回旋粒子的动能变化是斯托克斯公式。因此，一个周期内粒子回旋轨道的动能变化与磁场大小的变化成正比。交换积分和微分的顺序，并考虑到粒子在缓慢变化的磁场中的回旋轨道在一个周期内变化不大，并且粒子回旋具有抗磁性(SB0)，那么，它就是粒子回旋过程中磁场大小的变化。在经典力学中，当系统有周期性运动时，一个周期的作用积分30 pdq是运动常数，其中p和q是广义动量和广义坐标。如果系统变化缓慢，使得运动不是完全周期性的，但是pdq仍然可以很好地定义，并且运动常数是常数，那么运动常数被称为绝热不变量。系统变化缓慢：在一个回旋周期内，磁场的变化远小于最初的磁场。换句话说，磁场变化的时间尺度比粒子在磁场周围漂移一周的时间尺度要长。带电粒子的绝热不变量，带电粒子在磁场中的三种漂移运动(a)回旋运动(b)反弹运动(c)圆周漂移运动，粒子在地磁场中的俘获运动，1。第一绝热不变量回旋不变量，2。第二绝热不变量纵向不变量，磁镜中带电粒子的反弹运动是另一种周期运动。3.第三绝热不变量是圆周(磁通量)不变量。带电粒子的梯度曲率漂移在地球周围有圆周漂移。它的不变量是由漂移表面包围的总磁通量。也就是说，当粒子沿着磁镜中的磁场移动时，磁矩也保持不变。6.2磁流体中的电流，磁场中带电粒子运动的两种主要形式在各种漂移运动中旋转漂移运动，一些正粒子和负粒子以相同的速度一起漂移，并且没有宏观电流(例如电场漂移)。一些正粒子和负粒子具有不同的速度和/或方向，从而产生宏观电流(例如重力漂移、梯度漂移、曲率漂移等)。)。不产生宏观电流，可能产生宏观电流，等离子体电流的一般物理概念，第一粒子的电流密度，通过平板二极管的电流，上面的积分方程，通过S平面的电流，各种粒子的总和得到总电流，电荷和电流遵循电荷守恒定律，如果体积固定，电荷守恒定律(微分形式)，稳态，空间电流的直接测量，原则上，空间电流可以由粒子探测器直接测量。可测量的量很难直接测量：1。没有完整的带电粒子光谱；2.卫星表面带电；和3。空间电流的间接测量(使用磁场)。在缓慢变化的电磁场条件下，位移电流可以忽略。因此，有，如果z是沿着场线的方向取的，y是正东垂直于磁正午，而x完成了右手系统，那么场电流密度是：与直接测量和间接测量的空间电流相比，II。各向同性压力磁流体中的电流。考虑由离子和电子组成的磁性流体介质(单流体)，忽略重力和碰撞，粒子的动量方程为：定义流体质量密度，流体速度，流体总压力，总电流，假设，总质量，总动量，将电子和离子动量方程相加，得到单流体MHD动量方程，由压力梯度(反磁电流)，加速度源(惯性电流，极化电流)，垂直于磁场的电流为， 反磁电流特性：即使流体静止，它仍然存在：磁性流体的总压力是流体的压力加上磁压力，并且它的梯度伴随着磁场的梯度和曲率，导致粒子的梯度和曲率漂移并产生反磁电流。 磁场方向的磁压力应力张量、总压力梯度和磁场方向的应力张量是平衡的。如果是/等压面的单位矢量，则可以得出等压面上的磁压力梯度与磁场方向上的张力是平衡的，即单个粒子运动产生的反磁电流的定性解释具有阻止磁场向弱区扩散的作用，因此称之为反磁电流。此外，可以证明由粒子概念得到的反磁电流表达式与由磁流体力学得到的反磁电流表达式相同，表明单个粒子的相互作用相当于流体。在各向异性压力磁流体中的电流，当考虑流体压力的各向异性时，压力用张量表示，电子流体和离子流体的运动方程是，定义流体速度，压力张量的一般表达式，压力张量的主分量被表示，并且可以分解成动量方程，并被整理出来。4.考虑到碰撞过程中磁流体中的电流，当发生碰撞时，带电粒子的漂移运动会发生变化。电离层等离子体密度高，碰撞频繁。碰撞会改变粒子的速度，导致粒子之间的动量交换。因此，碰撞影响带电粒子的传输和电流产生的方式。正离子在均匀磁场和均匀力场中的轨迹左边：粒子的回旋运动和漂移没有碰撞右边：粒子在每次碰撞后开始从静止状态移动，粒子在每次碰撞后的初始速度方向是随机的，因此可以假设粒子在每次碰撞后又开始从静止状态移动， 此时，它将首先在力的方向上移动，并在具有一定速度之后在y方向上漂移，因此粒子在力的方向上运动。只有在它具有一定速度后才在Y方向上漂移，所以粒子具有边缘力。在发生碰撞的情况下，应将碰撞项P(或粘性项)添加到磁流体动力学动量方程、动量交换、碰撞频率、6.3电离层和磁层电流系统、太阳风、磁层和电离层中的带电粒子运