Was passiert, wenn Magnetfeldlinien reißen oder brechen?

Mein Verständnis ist, dass Feldlinien nur ein Visualisierungswerkzeug sind, das Punkte mit äquipotentialem magnetischem Moment zeigt, die die Linie tangieren.

Ja, Feldlinien sind nur Visualisierungswerkzeuge, die wir (Menschen) erfunden haben, sie sind keine physischen Objekte.

Ich verstehe intuitiv nicht, wie eine Äquipotentiallinie reißen oder brechen könnte oder warum dies zu einer Freisetzung von Energie führen würde.

Dies ist eine unglückliche Folge von Simulationen und teilweise auf Beschreibungen in Pressemitteilungen zurückzuführen. Im Prozess der magnetischen Wiederverbindung ändert sich zwar die Magnetfeldtopologie, aber Felder sind ein kontinuierliches Konstrukt. Was passiert ist, dass der magnetische Fluss in kinetische Energie der Teilchen umgewandelt wird. Das heißt, der Fluss durch die Wiederverbindungsregion nimmt ab und diese Energie muss irgendwo hin. Das Ergebnis ist ein induktives elektrisches Feld, das Teilchen beschleunigt. Da Magnetfelder so etwas wie eine Spannung wie in einem Draht erfahren, erfahren sie, wenn sie gebogen werden, eine Art Wirkung wie eine Kraft, die wirkt, um sie zu begradigendie Feldlinien sozusagen. Auch dies ist eine Visualisierungsart, um Dinge zu beschreiben, aber die physikalische Art ist, dass Gradienten in Feldern dazu neigen, sich in Abwesenheit anderer Kräfte von selbst zu befreien.

Ich habe Probleme, diese Frage überhaupt zu formulieren, weil das Konzept einer Feldlinienunterbrechung für mich einfach keinen Sinn ergibt. Was passiert, wenn ein Magnetfeld „einrastet“?

Ihre Verwirrung ist gerechtfertigt, wie ich oben sagte. Feldlinien reißen , brechen oder bewegen sich nicht , trotz der oft verwendeten Sprache, um diese Phänomene zu beschreiben. Es ist eine unglückliche Entscheidung, etwas zu beschreiben, von dem sie wissen, dass es physikalisch nicht wahr ist, weil es manchmal einfacher ist, als die Realität zu beschreiben. Manchmal gibt es diejenigen, die tatsächlich nicht wissen, dass Feldlinien künstliche Konstrukte sind, und sie glauben wirklich, dass es sich um physische Objekte handelt. Ich stimme offensichtlich keinem von beiden zu.

Versuchen Sie also, die Dinge auf folgende Weise zu betrachten. Das an der Wiederverbindung beteiligte Plasma fließt nach innen in Richtung des interessierenden Bereichs. Wir ignorieren Regionen in der Nähe einer Magnetfeldquelle wie Sterne oder magnetisierte Planetenkörper. In diesen Fällen sind die einzigen Quellen des Magnetfelds die Ströme, die durch die relativen Drifts zwischen entgegengesetzt geladenen Teilchen erzeugt werden. Das Magnetfeld und das Plasma sind in hochleitfähigen Plasmen durch den sogenannten eingefrorenen Zustand (dh nur eine Form der Flusserhaltung) miteinander gekoppelt, wie unter https://physics.stackexchange.com/a/551944/ beschrieben. 59023. Wenn das Plasma in zwei benachbarten Bereichen beginnt, aufeinander zu zu fließen und die Magnetfelder jedes Bereichs zumindest einen gewissen Vorsprung aufweisen, der zueinander antiparallel ist, dann kann das Plasma eine dünne Stromschicht erzeugen. Wenn die Stromschicht dünn genug und stark genug wird, kann sie durch Dinge wie Reiß- und Filamentinstabilitäten instabil werden (dh eine Stromschicht zerbricht in feine Stromstränge). Das Endergebnis ist die Zerstörung des Magnetflusses, die Abstrahlung zahlreicher elektromagnetischer Moden und letztendlich die Energieübertragung von elektromagnetischen Feldern auf Teilchen.

Ich bin im letzten Satz absichtlich vage, denn obwohl wir viel über die magnetische Rekonnektion wissen, gibt es noch viele unbeantwortete Fragen. Dies ist einer der vielen Gründe, warum die NASA die Magnetospheric Multiscale Mission gestartet hat , die dazu beigetragen hat, zu beleuchten, dass die Wiederverbindung kein fließendes Konzept ist, wie es oft in MHD- Diskussionen zu diesem Thema präsentiert wird, sondern ein kinetisches mit einer Trennung der Skalen zwischen Elektronen und Ionen .

Betrachten Sie den folgenden Stabmagneten, um den herum die unphysikalischen Feldlinien gezeichnet sind. Das wirkliche magnetische Vektorfeld tangiert diese Linien und wird durch schwarze Dreiecke dargestellt (ein magnetisches Vektorfeld geht immer vom Nordpol aus und endet am Südpol, obwohl es sich im Inneren des Magneten fortsetzt):

Betrachten Sie nun das folgende Bild von zwei gleichwertigen Magnetstäben und den zugehörigen Feldlinien (in dem für jede Feldlinie nur eine Richtung des magnetischen Vektors Feldvektor durch ein sehr kleines Dreieck dargestellt ist):

Feldlinien sind immer geschlossene Linien. Dies ist beim Einzelmagneten gut zu erkennen (die Linien setzen sich im Inneren des Magneten fort). Alle Feldlinien zwischen den beiden Magneten sind verbunden (über die Linien innerhalb der Magnete), wobei die Linien ganz links und ganz rechts von den Magneten weggerichtet sind (was sie geschlossen macht, obwohl das schwer vorstellbar ist).
Wenn wir nun die Magnete voneinander wegziehen (um zwei separate Stabmagnete zu bilden), bewegen sich auch die Feldlinien zwischen den Magneten (die eigentlich nicht getrennt sind, aber man kann nicht unendlich viele Feldlinien zeichnen) auch voneinander weg , wie die Linien links und rechts der Doppelstabmagnetanordnung. Die Feldlinien ganz links biegen sich nach oben (bilden geschlossene Linien, wobei sich die rechten nach oben biegen, was ihre geschlossene Natur sichtbar macht, wie die einzelnen Linien, die bereits nach innen gebogen sind, geschlossen sind), um sich mit den Feldlinien links von den Feldlinien zu verbinden in der Mitte (bezogen auf eine vertikale Linie in der Mitte der beiden Magnete). Diese Linien in der Mitte scheinen also zu "brechen", genauso wie die geschlossenen Linien, die von links austreten und rechts eintreten, wonach sie sich wieder verbinden, um zwei geschlossene Schleifen in jedem Magneten zu bilden. Der umgekehrte Vorgang,

Weil wir die Magnete auseinanderziehen, ist die potentielle Energie, die in den Magnetfeldern zweier Stabmagnete enthalten ist, größer als in einem einzelnen (wenn die beiden Stabmagnete aus einem einzigen gemacht wurden, indem man ihn in zwei Teile zerschnitt). Sie können sich vorstellen, sie voneinander wegzuziehen, und "schnapp!", zwei Magnete mit höherer Energie werden entstehen (tatsächlich steigt die Energie durch unendliche Schnappschüsse kontinuierlich an, aber sie sehr schnell zu trennen, wird sich wie ein einziges Schnappen anfühlen).
Die Magnetfelder um die Stabmagnete werden durch die Spins ungepaarter Elektronen in der äußeren Hülle der Atome erzeugt. Jeder Spin erzeugt ein winziges Magnetfeld und in Ferromagneten (die wir hier betrachten) sind alle diese winzigen Felder, wenn die Temperatur nicht zu hoch ist, permanent ausgerichtet, was die innere Energie des Ferromagneten minimiert.

Nun, diese Art von Prozessen (in sehr verzerrter Weise und in viel größeren Maßstäben) finden auch auf der Oberfläche der Sonne statt, aber die (geschlossenen) magnetischen Vektorfelder werden durch riesige Plasmaströme erzeugt und die magnetischen Feldlinien sind geschlossene Linien um sie herum diese Plasmaströme. Diese Plasmaströme ändern sich ständig und damit auch die magnetischen Feldlinien. Dies induziert elektrische Felder, die geladene Teilchen beschleunigen, hauptsächlich Protonen, Elektronen und einen relativ kleinen Anteil Heliumkerne (kosmische Sonnenstrahlung). Wenn zwei oder mehr geschlossene Feldlinien aus einer geschlossenen Feldlinie hervorgehen (z. B. wenn sich ein Plasmastrom in zwei oder mehr aufteilt), wird das induzierte elektrische Feld plötzlich höher, und dieser plötzliche Anstieg des induzierten elektrischen Felds erzeugt einen Ausbruch hochenergetischer Protonen , Elektronen und Helium (Alphateilchen).
So wie bei zwei Magneten, die sehr schnell getrennt werden und dadurch die Magnetfeldenergie schlagartig erhöht wird, wird die plötzliche Erhöhung der Magnetfeldenergie in einen Ausbruch kosmischer Strahlung umgewandelt, der die im Magneten enthaltene Energie verringert Felder um die zwei (oder mehr) austretenden Plasmaströme (wodurch die Plasmaströme als Reaktion schwächer werden). Der Unterschied zu den beiden Magneten besteht darin, dass die erhöhte Energie im Magnetfeld der beiden Magnete (ungefähr) gleich bleibt, ohne die erhöhte Energie auf andere Dinge zu übertragen.

Man kann es mit den Linien gleichen Drucks im Wetterverlauf vergleichen. Auch diese Linien sind immer geschlossen und können sich zu neuen geschlossenen Linien mit gleichem Druck verschmelzen oder aufspalten. Die dazugehörigen Energien sind in den Winden enthalten. Beim „Schnappen“ einer geschlossenen Niederdruckleitung in zwei geschlossene Leitungen wird mehr Windenergie freigesetzt als bei einer geschlossenen Niederdruckleitung.

Sie haben Recht: Magnetfeldlinien können nicht reißen oder brechen, weil sie keine physischen Objekte sind. Sie sind eher analog zu Höhenlinien auf einer topografischen Karte oder genauer zu Linien senkrecht zu Höhenlinien: zu den Falllinien auf einer Skipiste. Sie beschreiben jedoch etwas Physikalisches, nämlich die Magnetfeldverteilung. Wenn sich die Quellen des Magnetfelds neu anordnen, können sich die "Magnetfeldlinien" diskontinuierlich ändern, und diese diskontinuierliche Änderung wird als "Schnappen" oder "Brechen" bezeichnet.

Ich habe zwei Stabmagnete mit je 4 Dipolen simuliert und die Feldlinien und Feldstärke um sie herum aufgetragen.

Hier ist, was ich beobachtet habe.

Mir ist aufgefallen, dass die Dipolkette auf beiden Seiten der Kette eine Reihe von Nullpunkten im Feld bildet. Beim Auseinanderziehen der Magnete entfernen sich zwei dieser Nullstellen (grüne Punkte) von der Trennstelle, und hier „reißen“ die Feldlinien. Was tatsächlich passiert, ist, dass sich die Feldlinien neu bilden und sich von den Feldlinien, die den kombinierten Stabmagneten umgeben, zu den Feldlinien ändern, die die beiden separaten Stabmagneten umgeben.

Die Feldlinien "schnappen" beim Durchgang durch die Nullstelle. Sie schnappen nicht wirklich, aber wenn die Feldstärke am Nullpunkt verschwindet, kann sich jede Feldlinie nahtlos in zwei neue Feldlinien umformen, die die beiden separaten Magnete umgeben. Feldlinien werden gezeichnet, um der Feldrichtung zu folgen, aber sie zeigen keine Feldstärke, sodass sie zu brechen scheinen, wenn sie durch die Nullpunkte gehen.

Wenn Material, das sich entlang einer Feldlinie bewegt, auf einen Nullpunkt trifft, wird es vom Feld befreit, und wenn das umgebende Feld zu schwach ist, um es wieder einzufangen, wird dieses Material in den Weltraum entweichen.

Machen Sie dieses Experiment. (Stellen Sie sich auf ein bisschen Aufräumen ein.)

Legen Sie einen kleinen Stabmagneten unter ein Stück steifes Papier. Eisenspäne darüber streuen. Diese „imaginären“ „Visualisierungswerkzeuge“ werden deutlich. Drehen Sie nun Papier und Magnet um, so dass die Eisenspäne unter dem Papier liegen. Bewegen Sie nun den Magneten vom Papier weg und beobachten Sie, wie die Späne herunterfallen. Zunächst üben die magnetischen Flusslinien und ihre Eigenschaften genug Kraft aus, um andere Kräfte zu überwinden und die Späne an Ort und Stelle zu halten. Wenn der Magnet von den Spänen weggedrückt wird, stimmt das irgendwann nicht mehr und die Schwerkraft übernimmt, um die Späne vom Papier "wegfliegen" zu lassen.

Stellen Sie sich nun einen von der Schwerkraft befallenen, wirbelnden, konvektiven Kernofen vor, der seine eigenen elektrischen Wirbel und starken Magnetfelder induziert. Lassen Sie uns der Einfachheit halber von einem Stern sprechen. Wenn physikalische Konvektionsströme auftreten, entwickeln sich lokalisierte Magnetfelder und manifestieren sich als Sonnenflecken, Fackeln usw.

Stellen Sie sich auch vor, dass unsere Eisenspäne jetzt Strahlen aus strömendem Plasma sind, die vielen verschiedenen Kräften ausgesetzt sind, aber kontinuierlichen Bahnen folgen, während unser Stern seinen geschmolzenen, unterirdischen, chaotischen, elektromagnetischen Tanz fortsetzt. Wenn sich neue magnetische Hotspots entwickeln, bewegen sich die Flusslinien reibungslos in neue Bahnen. (Reibungslos bedeutet nicht notwendigerweise langsam.) Wenn die Trägheit der Partikel im Strom größer wird als die Kräfte, die durch sich schnell ändernde Flusslinien ausgeübt werden, werden die Partikel zunehmend von anderen Kräften beeinflusst; B. Gravitation, Sonnenwind, die eigene Trägheit der Partikel ... Der Punkt ist, dass sich die sich bewegenden Kraftlinien schnell genug ändern können, dass ihnen plötzlich die notwendigen Kräfte fehlen, um ihre zuvor gefangenen, hochenergetischen, chromosphärischen Partikel einzuschränken.

In unserem kleinen Experiment fielen die Späne wahrscheinlich direkt auf einen Tisch und machten ein kleines Durcheinander. Überlegen Sie, was passieren würde, wenn Sie einen Lüfter in Ihrem Setup hätten.

Denken Sie über die Vektoren und Energien von plötzlich freigesetzten Plasmateilchen nach, die bis vor einem Moment mit enormer Geschwindigkeit in einem Bogen zirkulierten, der sich 10.000 km über der Oberfläche unseres Sterns erstreckte. Der Sturm der Kräfte, die im Spiel sind, könnte Ihr Wohnzimmer ziemlich durcheinander bringen. -- DR McClellan