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La capa de corriente heliosférica resulta de la influencia del campo magnético giratorio del Sol sobre el plasma en el medio interplanetario . [ 1 ] La evolución de una lámina d...

La capa de corriente heliosférica resulta de la influencia del campo magnético giratorio del Sol sobre el plasma en el medio interplanetario . [ 1 ]
La evolución de una lámina de corriente durante una erupción solar . [ 2 ]

Una lámina de corriente es una corriente eléctrica confinada a una superficie , en lugar de extenderse por todo un volumen de espacio. Las láminas de corriente son un elemento clave en la magnetohidrodinámica (MHD), un modelo de fluidos conductores de electricidad : si una corriente eléctrica atraviesa parte del volumen de dicho fluido, las fuerzas magnéticas tienden a expulsarla, comprimiéndola en finas capas que lo atraviesan.

La mayor corriente atmosférica del Sistema Solar es la denominada corriente heliosférica , que tiene  un espesor de unos 10.000 km y se extiende desde el Sol hasta más allá de la órbita de Plutón .

En plasmas astrofísicos como la corona solar , las láminas de corriente teóricamente podrían tener una relación de aspecto (ancho dividido por espesor) de hasta 100 000:1. [ 3 ] Por el contrario, las páginas de la mayoría de los libros tienen una relación de aspecto cercana a 2000:1. Debido a que las láminas de corriente son tan delgadas en comparación con su tamaño, a menudo se las trata como si tuvieran espesor cero; esto es resultado de las suposiciones simplificadoras de la MHD ideal. En realidad, ninguna lámina de corriente puede ser infinitamente delgada porque eso requeriría un movimiento infinitamente rápido de los portadores de carga cuyo movimiento causa la corriente.

Las láminas de corriente en los plasmas almacenan energía al aumentar la densidad energética del campo magnético . Muchas inestabilidades del plasma surgen cerca de láminas de corriente intensas, que son propensas a colapsar, provocando la reconexión magnética y la liberación rápida de la energía almacenada. [ 4 ] Este proceso es la causa de las erupciones solares [ 5 ] y es una de las razones de la dificultad de la fusión por confinamiento magnético , que requiere fuertes corrientes eléctricas en un plasma caliente.

Campo magnético de una lámina de corriente infinita

Una lámina de corriente infinita puede modelarse como un número infinito de cables paralelos que transportan la misma corriente. Suponiendo que cada cable transporta una corriente I y que hay N cables por unidad de longitud, el campo magnético puede derivarse utilizando la ley de Ampère : [ 6 ]

RBdl=μ0Ienc{\displaystyle \oint _{R}\mathbf {B} \cdot \mathbf {dl} =\mu _{0}I_{\text{enc}}}RBporque(θ)dl=μ0Ienc{\displaystyle \oint _{R}B\cos(\theta )\,dl=\mu _{0}I_{\text{enc}}}

R es un bucle rectangular que rodea la lámina de corriente, perpendicular al plano y perpendicular a los cables. En los dos lados perpendiculares a la lámina,Bds=0{\displaystyle \mathbf {B} \cdot d\mathbf {s} =0}desdeporque(90)=0{\displaystyle \cos(90^{\circ })=0}. En los otros dos lados,porque(0)=1{\displaystyle \cos(0)=1}, por lo tanto, si S es un lado paralelo del bucle rectangular de dimensiones L × W, la integral se simplifica a: 2SBds=μ0Ienc{\displaystyle 2\int _{S}Bds=\mu _{0}I_{\text{enc}}} Dado que B es constante debido a la trayectoria elegida, se puede extraer de la integral: 2BSds=μ0Ienc{\displaystyle 2B\int _{S}ds=\mu _{0}I_{\text{enc}}} La integral se evalúa: 2BL=μ0Ienc{\displaystyle 2BL=\mu _{0}I_{\text{enc}}} Resolviendo para B , sustituyendo I enc (corriente total encerrada en el camino R ) como K × N × L y simplificando: B=μ0Ienc2L=μ0KnorteL2L=μ0Knorte2{\displaystyle {\begin{aligned}B&={\frac {\mu _{0}I_{\text{enc}}}{2L}}={\frac {\mu _{0}KNL}{2L}}\\[1ex]&={\frac {\mu _{0}KN}{2}}\end{aligned}}} Cabe destacar que la intensidad del campo magnético de una lámina de corriente infinita no depende de la distancia a la que se encuentre.

La dirección de B se puede encontrar mediante la regla de la mano derecha .

Hoja de Harris

Un conocido equilibrio de lámina de corriente unidimensional es la lámina de Harris, que es una solución estacionaria del sistema de Maxwell-Vlasov. [ 7 ] El perfil del campo magnético de una lámina de Harris a lo largo dey=0{\displaystyle y=0}es dado por B(y)=B0tanh(yδ)incógnita^,{\displaystyle \mathbf {B} (y)=B_{0}\tanh \left({\frac {y}{\delta }}\right)\mathbf {\hat {x}},} dóndeB0{\displaystyle B_{0}}es la intensidad del campo magnético asintótico yδ{\displaystyle \delta }proporciona el espesor de la lámina actual. La densidad de corriente viene dada por J(y)=B0μ0δsech2(yδ)z^.{\displaystyle \mathbf {J} (y)=-{\frac {B_{0}}{\mu _{0}\delta }}\operatorname {sech} ^{2}\left({\frac {y}{\delta }}\right)\mathbf {\hat {z}} .} La presión del plasma viene dada por pag(y)=B022μ0sech2(yδ)+pag0,{\displaystyle p(y)={\frac {B_{0}^{2}}{2\mu _{0}}}\operatorname {sech} ^{2}\left({\frac {y}{\delta }}\right)+p_{0},} dóndepag0{\displaystyle p_{0}}es la presión asintótica.

Referencias

  1. "Representación artística de la lámina de corriente heliosférica", Observatorio Solar Wilcox, Universidad de Stanford.
  2. Zhu, Chunming; Liu, Rui; Alexander, David; McAteer, RT James (2016-04-19). "Observación de la evolución de una lámina de corriente en una erupción solar" . The Astrophysical Journal . 821 (2): L29. arXiv : 1603.07062 . Bibcode : 2016ApJ...821L..29Z . doi : 10.3847/2041-8205/821/2/L29 . ISSN 2041-8213 . S2CID 119188103 .  
  3. Biskamp, ​​Dieter (1997) Magnetohidrodinámica no lineal Cambridge University Press, Cambridge, Inglaterra, página 130 , ISBN 0-521-59918-0
  4. Biskamp, ​​Dieter (mayo de 1986) "Reconexión magnética mediante láminas de corriente" Physics of Fluids 29: pp. 1520-1531, doi : 10.1063/1.865670
  5. Low, BC y Wolfson, R. (1988) "Formación espontánea de láminas de corriente eléctrica y el origen de las erupciones solares" Astrophysical Journal 324(11): pp. 574-581
  6. Zangwill, Andrew (24 de diciembre de 2012). Electrodinámica moderna: (1.ª ed.). Cambridge University Press. §10.3.2 Una lámina uniforme de corriente. doi : 10.1017/cbo9781139034777.011 . ISBN  978-1-139-03477-7.
  7. Hughes, WJ (1990) "La magnetopausa, la magnetocola y la reconexión magnética" (del "Coloquio Rubey" celebrado en marzo de 1990 en la UCLA), págs. 227-287. En Kivelson, Margaret Galland y Russell, Christopher T. (editores) (1995) Introducción a la física espacial, Cambridge University Press, Cambridge, Inglaterra, págs. 250-251 , ISBN 0-521-45104-3