Der größte Elektromagnet. Neue Ideen und alte Illusionen. Der stärkste Magnet für den Hausgebrauch
Permanentmagnete aus Neodym erfreuen sich heute großer Beliebtheit. Ein hochwertiger, leistungsstarker Seltenerdmagnet kann für verschiedene Zwecke verwendet werden. Viele Menschen führen beispielsweise gerne Experimente aller Art mit diesen Magneten durch. So können Sie sich an die Physik aus der Schule erinnern und die Grundlagen der Mechanik beherrschen. Neodym-Magnete sind bei der Befestigung von Hochzeitsdekorationen an Autos oder bei der Befestigung modularer Möbel zu sehen.
Aber weiß jeder, dass es illegal ist, Neodym-Magnete in der Nähe von Messgeräten zu lassen? Schließlich hören die meisten spezifischen Modelle unter dem Einfluss der enormen Kraft eines starken Magneten einfach auf, die verbrauchten Kilowatt oder Ressourcenwürfel zu zählen. Dies bedeutet, dass sich herausstellt, dass Strom, Gas oder Wasser in einem bestimmten Haus oder einer bestimmten Wohnung einfach gestohlen wurde. Allerdings erfreuen sich Neodym-Magnete in allen Formen, Größen und Haftstärken auf dem Markt, insbesondere im Internet, großer Beliebtheit.
Ein Neodym-Magnet ist die stärkste Version von Permanentmagneten, die der Menschheit heute bekannt ist. Diese Produkte verschaffen insbesondere den bekannten schwarzen Ferritmagneten einen Vorsprung. Ein Neodym-Magnet kann mehr als das 200-fache seines Eigengewichts heben. Interessant ist, dass Neodyme, obwohl sie erst vor relativ kurzer Zeit auf den Markt kamen, schnell enorme Popularität erlangten. Sie werden in der Industrie aktiv eingesetzt und das Produkt kann hauptsächlich im Internet erworben werden.
Es gibt zwei wichtige Punkte, die Menschen kennen sollten, die gerade den Kauf eines Neodym-Magneten planen. Zunächst müssen Sie verstehen, dass ein so spezifisches Produkt nicht sehr billig sein kann. Wenn Ihnen Neodym für praktisch ein paar Cent angeboten wird, ist dieses Produkt von sehr schlechter Qualität und entmagnetisiert sich recht schnell. Und zweitens ist ein starker Magnet aufgrund möglicher Verletzungen gefährlich, insbesondere wenn er in Verbindung mit einem anderen ähnlichen Produkt verwendet wird. Dennoch ist das eine Kraft, oft mehr als einhundert Kilogramm. Es wird dringend empfohlen, Kinder nicht mit solchen Magneten spielen zu lassen.
Der stärkste Magnet
Permanentmagnete bestehen aus Ferromagneten mit starker Hysterese der Magnetisierungskurve. Ferritmagnete können ein Feld von 0,1 erzeugen. 0,2 Tesla an der Oberfläche, Neodym, Alnico und Samarium-Kobalt – deutlich mehr, bis zu 0,4. 0,5 Tesla an der Oberfläche. Magnetfelder mit deutlich höherer Induktion werden durch Elektromagnete entweder mit ferromagnetischem Kern oder ohne Kern, mit supraleitenden Wicklungen, erzeugt.
Neodym-Magnet – der stärkste Magnet der Welt
Neodym-Magnete sind hinsichtlich remanenter Magnetisierung, Koerzitivkraft und spezifischer magnetischer Energie mit Abstand die stärksten Magnete der Welt. Derzeit sind sie in tragbaren Größen und Formen erhältlich und können kostenlos erworben werden.
Neodym-Magnete werden in der modernen Technik häufig eingesetzt. Die Stärke des Magnetfelds von Neodym-Magneten ist so groß, dass ein auf Neodym-Magneten aufgebauter elektrischer Generator ohne Feldspulen und ohne Eisenmagnetkerne hergestellt werden kann. In diesem Fall wird das Losbrechmoment auf ein Minimum reduziert, was den Wirkungsgrad des Generators erhöht.
Neodym-Magnete sind Magnete, die aus chemischen Elementen wie Neodym – Nd, einem Seltenerdelement, Eisen – Fe und Bor – B, hergestellt werden.
Etwa 77 % der Seltenerdmetallproduktion gehört China. Daher werden dort auch die meisten Neodym-Magnete hergestellt. England, Deutschland, Japan und die USA sind die größten Abnehmer chinesischer Neodym-Magnete. Sie können dies überprüfen, indem Sie hier klicken
Neodym-Magnete werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften einer hohen Restmagnetisierung des Materials und auch aufgrund ihrer Fähigkeit, einer Entmagnetisierung über einen langen Zeitraum zu widerstehen, häufig verwendet. Sie verlieren in 10 Jahren nicht mehr als 1-2 % ihrer Magnetisierung. Das Gleiche gilt nicht für die Magnete, die früher hergestellt wurden.
Der stärkste Permanentelektromagnet der Welt, der über längere Zeit ein Magnetfeld von 25 Tesla erzeugen kann, wurde in den USA geschaffen und löste von diesem Sockel den 1991 von den Franzosen geschaffenen Magneten ab, der in der Lage ist, ein Magnetfeld von 25 Tesla zu erzeugen Magnetfeld von 17,5 Tesla. Der amerikanische Magnet wurde von Spezialisten des National Laboratory of High Magnetic Fields an der University of Florida hergestellt; die gesamten Herstellungskosten beliefen sich auf 2,5 Millionen US-Dollar, die von der National Science Foundation für diesen Zweck bereitgestellt wurden. Damit Sie sich die Stärke dieses Magneten vorstellen können, ist es erwähnenswert, dass das vom Magneten erzeugte Magnetfeld das Erdmagnetfeld um das 500.000-fache übersteigt, während die gesamte Kraft des Magnetfeldes auf einen kleinen Raum konzentriert ist, den Wissenschaftler nutzen können führen ihre Experimente durch.
Der neue Magnet hat gegenüber seinen Vorgängern eine Reihe von Vorteilen. Es erzeugt nicht nur ein um 43 % stärkeres Magnetfeld, sondern bietet auch 1.500-mal mehr Raum dort, wo das stärkste Magnetfeld vorhanden ist, was Wissenschaftlern die Durchführung einer größeren Bandbreite unterschiedlicher Experimente ermöglicht. Der Magnetkörper verfügt auf verschiedenen Seiten über 4 Löcher mit einer Größe von 6 x 15 Zentimetern, durch die Laserlichtstrahlen durch den Raum des Magneten geleitet werden können und in Echtzeit wissenschaftliche Daten von Proben empfangen werden, die unter dem Einfluss eines Magnetfelds stehen.
Bei der Herstellung eines neuen Magneten haben Wissenschaftler und Ingenieure verschiedene technische Probleme gelöst. Der Magnet selbst besteht aus zwei Teilen, die mehrere Zentimeter voneinander entfernt sind. Die Kraft, mit der diese Magnethälften voneinander angezogen werden, beträgt 500 Tonnen. Um die Integrität der Struktur zu gewährleisten, war es notwendig, spezielle Materialien zu verwenden und ungewöhnliche Designlösungen zu finden. Der Strom, der durch die Wicklungen des Elektromagneten fließt, beträgt 160 Kiloampere, und um die Struktur zu kühlen, werden mehr als 13.000 Liter Wasser pro Minute durch sie gepumpt.
Die Herstellung eines neuen Magneten eröffnet völlig neue Perspektiven für die Forschung in den unterschiedlichsten Bereichen, etwa der Nanotechnologie, der Optik und der Halbleiterforschung. Vor allem aber ist der Magnet für Experimente im Zusammenhang mit optischen Messungen der Eigenschaften verschiedener Materialien gedacht. Zukünftige Entdeckungen mit dem neuen Magneten werden dazu genutzt, die Qualität und Eigenschaften von Materialien zu verbessern, die es ermöglichen, neue Arten von Halbleitern und Chips für nächste Computergenerationen zu erhalten. Mit dem neuen Magneten können neue Experimente in verschiedenen Bereichen der Physik, Chemie und Biochemie durchgeführt werden.
Der stärkste Magnet ist in der Lage, ein Feld mit einer Induktion von mehr als 100 Tesla zu erzeugen
Die Schaffung eines konstanten Magnetfelds mit einer Kraft von 100 Tesla ist seit fast anderthalb Jahrzehnten eines der Probleme, die Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory lösen. Und erst vor kurzem gelang ihnen dies: Ein riesiger Elektromagnet, bestehend aus sieben Spulensätzen mit einem Gesamtgewicht von 8200 Kilogramm, angetrieben von einem riesigen elektrischen Generator mit einer Leistung von 1200 Megajoule, erzeugte einen Magnetfeldimpuls von 100 Tesla. Zum Vergleich ist anzumerken, dass dieser Wert 2 Millionen Mal größer ist als die Stärke des Erdmagnetfeldes.
Ein Magnetfeld mit einer Stärke von einem Tesla entspricht dem Magnetfeld, das in der Wicklung eines durchschnittlichen Lautsprechers erzeugt wird. Ein hochauflösender Magnetresonanztomograph (MRT) erzeugt eine Feldstärke von etwa 10 Tesla. Am anderen Ende des Spektrums in Bezug auf die Magnetfeldstärke befinden sich Neutronensterne, deren Magnetfeldstärke eine Million Tesla überschreiten kann. Von einem Neutronenstern sind die Wissenschaftler aus Los Alamos also noch sehr weit entfernt, doch ihr 100-Tesla-Magnet befindet sich bereits im Bereich extrem starker Magnetfelder.
Es ist sehr wichtig, dass im Magneten von Los Alamos die stärksten Impulse des Magnetfelds nicht zur Zerstörung oder Beschädigung der Integrität der Struktur des Magneten selbst führen. Der Rekordwert der Magnetfeldstärke, die von einem während des Experiments zusammengebrochenen Elektromagneten erzeugt wurde, beträgt 730 Tesla, und mit einem speziell entwickelten Magneten und Sprengstoff mit einem Gewicht von etwa 180 Kilogramm gelang es sowjetischen Wissenschaftlern einst, einen Magnetfeldimpuls mit einer Kraft von zu erzeugen 2800 Tesla.
Für welche Zwecke werden solch starke Magnete eingesetzt? In der Pressemitteilung des Labors von Los Alamos findet sich kein Wort über eine Superwaffe oder ein Mittel zur Beeinflussung des Klimas auf planetarischer Ebene. Ich stelle mir vor, dass die stärksten Magnetfelder verwendet werden, um die Eigenschaften verschiedener Materialien und Quantenphasenübergänge zu untersuchen und um andere wissenschaftliche Forschungen im Zusammenhang mit starken Kernwechselwirkungen durchzuführen.
Quellen: neodim-ural.ucoz.ru, www.bolshoyvopros.ru, joy4mind.com, www.dailytechinfo.org, www.nanonewsnet.ru, www.agroserver.ru, www.ngpedia.ru
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Magnete sorgen nicht nur dafür, dass unsere Notizen sicher am Kühlschrank befestigt werden. Magnete helfen uns dank Magnetresonanztomographie, in das Innere unseres Körpers zu blicken.
Der stärkste Magnet der Welt wird im National High Magnetic Field Laboratory nahe der Florida State University in Tallahassee gebaut. Der Impulselektromagnet wird nach seiner Fertigstellung eine magnetische Flussdichte von 100 Tesla entwickeln. Dieser Wert ist 67-mal höher als bei der Magnetresonanz-Introskopie.
Aber warum wird ein so hoher Indikator benötigt? Dies ist die einzige Methode, um die Eigenschaften neu erfundener Hochtemperatur-Supraleiter zu testen, die die Leistung von Magnetresonanztomographen und Hochspannungsleitungen verbessern und gleichzeitig deren Kosten senken könnten.
Der 100-Tesla-Magnet wird auch Schwerelosigkeitsexperimente ermöglichen, ohne dass eine Reise in den Weltraum erforderlich ist, und die Entwicklung magnetischer Antriebssysteme ermöglichen, die Raketentriebwerke ersetzen, die Treibstoff verbrennen.
Wissenschaftler haben bereits eine magnetische Induktion von 90 Tesla erreicht und versuchen, noch mehr zu erreichen, ohne den Magneten zu zerstören. Dieser Magnet besteht aus 9 ineinander verschachtelten Drahtwindungen. In der Mitte der beiden inneren Windungen erzeugt die Lorentzkraft einen Druck, der 30-mal größer ist als am Meeresboden.
Bis zu diesem Zeitpunkt wurden bereits Magnete entwickelt, die 100 Tesla entwickelten, deren Zweck jedoch darin bestand, die maximale magnetische Induktion zu testen. Ihr normaler Betrieb erfolgt mit weniger Kraftaufwand, da sie bei 100 Tesla aus eigener Kraft platzen können.
Die Kosten für die Entwicklung des Magneten werden 10 Millionen US-Dollar betragen. Es ist auch erwähnenswert, dass eine magnetische Induktion von 100 Tesla der Explosionskraft von 200 Dynamitstangen entspricht.
In der Russischen Föderation kann der weltweit stärkste Forschungsmagnet entstehen
Die Umsetzung des Projekts ist auf 10 Jahre ausgelegt und beinhaltet den Bau eines separaten Gebäudes bei FIAN für einen rekordverdächtigen 100-Tesla-Magneten.
MOSKAU, 30. Mai RIA Nowosti. Der weltweit stärkste Magnet zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie auf molekularer und atomarer Ebene soll in Russland im Rahmen eines von Wissenschaftlern des Lebedew-Physikalischen Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften und des Massachusetts Institute of Technology vorgeschlagenen Projekts gebaut werden. berichtet der FIAN-Pressedienst.
Die Umsetzung des Projekts ist auf 10 Jahre ausgelegt und beinhaltet den Bau eines separaten Gebäudes bei FIAN für einen rekordverdächtigen 100-Tesla-Magneten. Derzeit gibt es weltweit nur drei wissenschaftliche Zentren, die starke Magnetfelder von etwa 40 Tesla erzeugen. Dabei handelt es sich um hochleistungsfähige Feldlabore in Tallahassee, Grenoble und Nijmegen. Vor dem Bau des russischen Supermagneten könne innerhalb von drei bis fünf Jahren ein 40-Tesla-Magnet entstehen, glauben die Autoren des Projekts.
Wenn man sich die Liste der Nobelpreise anschaut, wurden sehr viele davon aufgrund der Tatsache erhalten, dass Wissenschaftler Zugang zu starken Magnetfeldern hatten. Wenn wir in Russland Zugang zu einer Quelle starker Magnetfelder von 40 Tesla und später haben , 100 Tesla, das wird uns eine Tür zur Zukunft öffnen, bemerkte der Projektmanager von russischer Seite, Leiter der Abteilung für Hochtemperatursupraleitung und Nanostrukturen des Lebedew-Physikalischen Instituts, Wladimir Pudalow, der in der Mitteilung zitiert wird.
Um den Magneten selbst herzustellen, benötigen Sie eine große Menge Spezialband aus langlebigem und supraleitendem Material, dessen Herstellung in Russland bereits möglich ist. Somit könne das gesamte Projekt vollständig mit russischen Technologien und Materialien umgesetzt werden, heißt es in dem Bericht.
Neodym-Magnet
Der Neodym-Magnet ist mit Abstand der stärkste Magnet der Welt durch Restmagnetisierung, Koerzitivkraft und spezifische magnetische Energie. Derzeit sind sie in tragbaren Größen und Formen erhältlich und können kostenlos erworben werden.
Neodym-Magnete werden in der modernen Technik häufig eingesetzt. Die Stärke des Magnetfelds von Neodym-Magneten ist so groß, dass ein auf Neodym-Magneten aufgebauter elektrischer Generator ohne Feldspulen und ohne Eisenmagnetkerne hergestellt werden kann. In diesem Fall wird das Losbrechmoment auf ein Minimum reduziert, was den Wirkungsgrad des Generators erhöht.
Neodym-Magnete sind Magnete, die aus chemischen Elementen wie Neodym Nd, einem Seltenerdelement, Eisen Fe und Bor B, hergestellt werden.
Etwa 77 % der Seltenerdmetallproduktion gehört China. Daher werden dort auch die meisten Neodym-Magnete hergestellt. England, Deutschland, Japan und die USA sind die größten Abnehmer chinesischer Neodym-Magnete.
Neodym-Magnete werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften einer hohen Restmagnetisierung des Materials und auch aufgrund ihrer Fähigkeit, einer Entmagnetisierung über einen langen Zeitraum zu widerstehen, häufig verwendet. Sie verlieren in 10 Jahren nicht mehr als 1-2 % ihrer Magnetisierung. Das Gleiche gilt nicht für die Magnete, die früher hergestellt wurden.
Der bisherige Rekord gehört Spezialisten des National Laboratory of High Magnetic Fields in Tallahassee. Im Dezember 1999 brachten sie einen Hybridmagneten auf den Markt. Es wiegt 34 Tonnen, ist fast 7 Meter hoch und kann ein Magnetfeld von 45 Tesla erzeugen, das etwa eine Million Mal stärker ist als das der Erde. Dies reicht bereits aus, um die Eigenschaften gewöhnlicher elektronischer und magnetischer Materialien deutlich zu verändern.
Dieser vom NHMFL entwickelte Magnet stellt einen sehr wichtigen Meilenstein beim Bau der ISS dar, sagt Laborleiter Jack Crow.
Das ist kein Hufeisen für Sie
Wenn Sie sich ein riesiges Hufeisen vorgestellt haben, werden Sie enttäuscht sein. Der Florida-Magnet besteht eigentlich aus zwei, die im System arbeiten. Die äußere Schicht ist ein unterkühlter, supraleitender Magnet. Es ist das größte seiner Art, das jemals geschaffen wurde. Es wird ständig auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Hierzu kommt ein System mit supraflüssigem Helium zum Einsatz – das einzige in den USA, das speziell für die Kühlung dieses Magneten ausgelegt ist. Und in der Mitte des Geräts befindet sich ein massiver Elektromagnet, also ein sehr großer Widerstandsmagnet.
Trotz der gigantischen Größe des am NHMFL gebauten Systems ist der Versuchsstandort äußerst klein. Normalerweise werden Experimente an Objekten durchgeführt, die nicht größer als die Spitze eines Bleistifts sind. In diesem Fall wird die Probe in eine Flasche, ähnlich einer Thermoskanne, gegeben, um die Temperatur niedrig zu halten.
Wenn Materialien ultrahohen Magnetfeldern ausgesetzt werden, passieren ihnen sehr seltsame Dinge. Beispielsweise „tanzen“ Elektronen auf ihren Bahnen. Und wenn die magnetische Feldstärke 35 Tesla überschreitet, werden die Eigenschaften von Materialien unsicher. Beispielsweise können Halbleiter ihre Eigenschaften hin und her ändern: In einem Moment leiten sie Strom, in einem anderen nicht.
Crowe sagt, dass die Leistung des Florida-Magneten über einen Zeitraum von fünf Jahren schrittweise auf 47, dann 48 und schließlich 50 Tesla erhöht wird, und die Forschungsergebnisse haben bereits seine kühnsten Erwartungen übertroffen: „Wir haben alles bekommen, was wir uns erhofft hatten, und noch viel mehr.“ Unsere Kollegen überhäufen uns nun mit Bitten, auch ihnen die Möglichkeit zum Experimentieren zu geben.“
Quellen: hizone.info, ria.ru, joy4mind.com, pikabu.ru, www.innoros.ru
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Der stärkste Magnet der Erde wurde im Loss Alamos National Laboratory, USA, hergestellt. Es kann ein Magnetfeld von 100,75 Tesla (Tesla) erzeugen, das 2 Millionen Mal stärker ist als das Erdmagnetfeld, das 0,00005 Tesla beträgt. Aber dieser Wert ist nichts im Vergleich zu der mächtigen Naturgewalt, die in den Tiefen des Weltraums den stärksten Magneten schuf, der jemals vom Menschen entdeckt wurde.
Dieser Magnet ist eine Art Neutronenstern, der Magnetar genannt wird. Ein Neutronenstern entsteht, wenn ein massereicher Stern, der am Ende seines Lebens Schichten verschiedener chemischer Elemente angesammelt hat, in einer Supernova-Explosion explodiert. Der nach der Explosion verbleibende Kern wird unter dem Einfluss der Schwerkraft so stark komprimiert, dass Elektronen buchstäblich in die Atomkerne „eindringen“ und Protonen in Neutronen verwandeln. Dadurch besteht fast der gesamte neugeborene Stern aus einem Neutronenkern, der oben von einer sehr dünnen Elektronenhülle umgeben ist.
Der Durchmesser eines Neutronensterns beträgt etwa 20 km – nichts im kosmischen Maßstab. Der kollabierte Stern könnte einen Radius von mehreren Millionen Kilometern haben, sodass die resultierende Substanz eine unvorstellbare Dichte hat – millionenfach dichter als Wasser: Ein Tropfen dieser Substanz wiegt mehrere zehn Millionen Tonnen. Ein solch scharfer Übergang von der großen zur kleinen Größe erhöht die Rotationsfrequenz des Neutronensterns und sein Magnetfeld auf verblüffende Werte.
Neutronensterne, die über ein besonders starkes Magnetfeld verfügen, werden Magnetare genannt.
Das ist interessant: Das Magnetfeld von Magnetaren ist so stark, dass es dem menschlichen Blut aus einer Entfernung von mehreren tausend Kilometern das gesamte Eisen entziehen kann.
Diese Art kollabierter Sterne wurde theoretisch 1992 entdeckt, die Existenz von Magnetaren wurde jedoch erst 1998 in der Praxis nachgewiesen, als einer der Magnetare mit einem starken Röntgenstrahlungsausbruch im Sternbild Aquila zutage trat. Mit der Entwicklung der Technologie war es möglich, die Existenz von Dutzenden von Magnetaren in unserer Galaxie zu bestätigen, aber einer von ihnen – SGR 1806-20 – verfügt über ein ungewöhnlich starkes Magnetfeld von 10 11 Tesla (zehn hoch elfte Potenz), das ist billiardenmal stärker als das Erdmagnetfeld. Zusätzliche Studien haben gezeigt, dass sich der Magnetar 50.000 Lichtjahre von der Erde entfernt befindet, sein Durchmesser 20 km wahrscheinlich nicht überschreitet, er eine Umdrehung um seine Achse in 7,5 Sekunden durchführt und seine Rotationsgeschwindigkeit 30.000 km/h beträgt!
Am 28. Dezember 2004, SGR 1806-20, war der Einfluss eines zwanzig Kilometer langen Magnetars, der sich 50.000 Lichtjahre vom Sonnensystem entfernt befindet, für unsere Erde vollständig spürbar – Gammastrahlung einer Explosion auf der Oberfläche des Magnetars erreichte seine Umgebung . Es wird geschätzt, dass SGR 1806-20 in weniger als einer halben Sekunde eine Energiemenge freisetzte, die der Energiemenge entspricht, die die Sonne in 100.000 Jahren freisetzt. Wenn ein Mensch im Gammastrahlenbereich sehen könnte, wäre die Explosion auf der Oberfläche von SGR 1806-20 am Nachthimmel heller als der Vollmond. Wäre der Magnetar fünfmal näher an der Erde, würde unsere Ozonschicht zerstört. Das heißt aber nicht, dass das nicht in jeder Sekunde passieren kann – schließlich ist der erdnächste Magnetar 13.000 Lichtjahre entfernt.
Seine Leistung und sein Anwendungsbereich hängen von diesem Indikator ab. Die Stärke von Magneten wird in der Einheit Tesla (T) gemessen. Das heißt, um herauszufinden, welcher Magnet der stärkste ist, müssen Sie verschiedene Materialien anhand dieses Indikators vergleichen.
Der stärkste Elektromagnet
Wissenschaftler in verschiedenen Ländern versuchen, den stärksten Magneten der Welt zu erschaffen und erzielen dabei teilweise sehr interessante Ergebnisse. Den Status des stärksten Elektromagneten hat heute die Installation im Los Alamos National Laboratory (USA). Das Riesengerät, bestehend aus sieben Spulensätzen mit einem Gesamtgewicht von 8,2 Tonnen, erzeugt ein Magnetfeld mit einer Stärke von 100 Tesla. Diese beeindruckende Zahl ist zwei Millionen Mal so stark wie das Magnetfeld unseres Planeten. Bemerkenswert ist, dass die Magnetspule des rekordverdächtigen Magneten aus einem russischen Kupfer-Niob-Nanokomposit besteht. Dieses Material wurde von Wissenschaftlern des Kurchatov-Instituts mit Unterstützung des nach ihm benannten Allrussischen Forschungsinstituts für anorganische Materialien entwickelt. A. A. Bochvara. Ohne diesen ultrastarken Verbundwerkstoff hätte der neue stärkste Magnet der Welt den Rekord seines Vorgängers nicht übertreffen können, da die größte technische Schwierigkeit beim Betrieb von Anlagen dieses Niveaus darin besteht, die Integrität bei Einwirkung der stärksten Magnetimpulse aufrechtzuerhalten. Die maximal aufgezeichnete Feldstärke des Elektromagneten, der während des Experiments durch Impulse zerstört wurde, betrug 730 Tesla. In der UdSSR gelang es Wissenschaftlern, mithilfe eines speziell entwickelten Magneten und Sprengstoffs einen Impuls von 2800 Tesla zu erzeugen.Die in Laboren gewonnenen Magnetimpulse sind millionenfach stärker als das Erdmagnetfeld. Aber selbst der stärkste Magnet, der bisher gebaut wurde, ist millionenfach schwächer als Neutronensterne. Magnetar SGR 1806−20 hat ein Magnetfeld von 100 Milliarden Tesla.
Der stärkste Magnet für den Hausgebrauch
Natürlich sind die Magnetkraft von Sternen und die Experimente von Wissenschaftlern interessant, aber die meisten Anwender möchten wissen, welcher Magnet für die Lösung konkreter Anwendungsprobleme am stärksten ist. Dazu müssen Sie die Stärke des Magnetfelds verschiedener Magnettypen vergleichen:
1) Ferritmagnete– 0,1..0,2 T.
Der stärkste Magnet ist also Seltenerd-Supermagnet, dessen Hauptbestandteile Neodym, Eisen und Bor sind. Die Stärke seines Feldes ist vergleichbar mit der Leistung von Elektromagneten mit Ferritkern. Die Neodym-basierte Magnetlegierung zeichnet sich durch eine unübertroffene Leistung in den folgenden wichtigen Parametern aus:
Um das starke Magnetfeld eines Neodym-basierten Seltenerd-Supermagneten aufrechtzuerhalten, sollten Sie sich seiner Schwachstellen bewusst sein. Insbesondere weist das Material eine Pulverstruktur auf, so dass starke Stöße und Stürze zum Verlust seiner Eigenschaften führen können. Außerdem wird die Legierung beim Erhitzen auf +70 ⁰ C entmagnetisiert (hitzebeständige Versionen der Legierungen halten bis zu +200 ⁰ C aus). Berücksichtigen Sie einfach diese Eigenschaften und dann werden Ihnen die Produkte möglichst lange Freude bereiten.
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In der Wissenschaft gibt es immer ein Element des Wettbewerbs – wer ist der Beste in einer bestimmten Sportart? Natürlich bleibt die Frage, welcher Magnet der größte ist, nicht unbemerkt. Die Antwort ist für einen Menschen, der mit der Welt der technischen Magnete vertraut ist, völlig unerwartet: Die größten Magnete, die die moderne Wissenschaft kennt, erweisen sich als Sterninseln – Spiralgalaxien. Der Riesenmagnet ist insbesondere die Galaxie, in der wir leben – die Milchstraße. Der große E. Fermi vermutete dies erstmals Ende der 40er Jahre des letzten Jahrhunderts, als er darüber nachdachte, was kosmische Strahlung in der Galaxie halten könnte. Er schätzte die Stärke des Magnetfelds der Milchstraße richtig ein und stellte sich im Allgemeinen seine Konfiguration richtig vor. Man kann die Klassiker der Wissenschaft nur um ihre Fähigkeit beneiden, aus einer sehr begrenzten Menge an Fakten korrekte Schlussfolgerungen zu ziehen und, was am wichtigsten ist, auf darauf basierende unbegründete Spekulationen zu unterlassen. Etwa zur gleichen Zeit hat der bemerkenswerte russische Astronom B.A. Vorontsov-Velyamov diese Ergebnisse von Fermi in sein Lehrbuch über Astronomie für die 11. Klasse des Gymnasiums aufgenommen und zwar so, dass sein Text praktisch ohne Bearbeitung eingefügt werden kann moderne Übersichten über die Magnetfelder von Galaxien. Aus irgendeinem Grund wird dieses Fach nicht in der Schule unterrichtet.
Die Geburt von Ideen
Generell ist Magnetismus im Weltraum weit verbreitet. Die Sonne und viele Sterne und Planeten haben ein Magnetfeld. Der Magnet ist schließlich die Erde. Man sagt üblicherweise, dass Magnetfelder in einem Himmelskörper und der kosmischen Umgebung durch die Aufspaltung der Spektrallinien der elektromagnetischen Strahlung in ihrer Gegenwart, also durch den Zeeman-Effekt, erkannt werden. So wurde das Magnetfeld der Sonne entdeckt. Allerdings ist es nur in Ausnahmefällen möglich, die Magnetfelder von Galaxien mithilfe des Zeeman-Effekts zu beobachten, und zwar in Regionen, in denen diese Felder ungewöhnlich stark sind. Tatsache ist, dass sich durch die Bewegungen der emittierenden Atome die Spektrallinien aufgrund des Doppler-Effekts verbreitern. Daher bleibt die relativ kleine Aufspaltung, die durch das Magnetfeld der Galaxie verursacht wird, normalerweise unentdeckt. Und hier kommt ein weiterer Effekt zur Rettung – der Faraday-Effekt. Es besteht darin, dass in einem spiegelasymmetrischen Medium (z. B. in einer Zuckerlösung - in organischen Substanzen gibt es nur Zucker einer von zwei spiegelsymmetrischen Konfigurationen) beim Durchgang von Licht die Polarisationsebene der Letzterer dreht sich. Es stellt sich heraus, dass das Magnetfeld das Medium auch spiegelasymmetrisch macht und die in vielen Himmelskörpern vorhandene Synchrotronstrahlung polarisiert ist. Der Drehwinkel ist proportional zur Projektion der magnetischen Feldstärke auf die Sichtlinie, der Dichte der thermischen Elektronen des Mediums, der Weglänge und dem Quadrat der Strahlungswellenlänge. Die Weglänge in Galaxien ist enorm, sodass selbst bei einem kleinen Magnetfeld eine deutliche Drehung der Polarisationsebene auftritt. Allerdings sollte diese Drehung nicht sehr groß sein, da sich dann die Polarisationsebene um ein Vielfaches dreht und die Beobachtungen schwer zu interpretieren sind. Infolgedessen stellt sich heraus, dass es am besten ist, die Faraday-Rotation im Radiobereich bei Wellenlängen im Zentimeterbereich zu beobachten.
Wenn wir sagen, dass das Magnetfeld von Galaxien schwach ist, vergleichen wir es mit dem Feld technischer Geräte oder der Erde. Tatsächlich ist dieser Vergleich nicht bezeichnend – die Welt der Galaxien hat ihre eigene Skala. Es ist besser, die Energiedichte des Magnetfelds und beispielsweise die Energiedichte zufälliger Bewegungen des interstellaren Gases zu vergleichen, in dem sich das Feld selbst befindet. Es stellt sich heraus, dass diese Energien ungefähr gleich sind. Mit anderen Worten: Das galaktische Magnetfeld ist in seiner natürlichen Größenordnung viel stärker als die meisten Magnetfelder, die wir gewohnt sind – es ist in der Lage, die Dynamik des Mediums zu beeinflussen. Dasselbe lässt sich beispielsweise auch über das Magnetfeld der Sonne sagen. Experten glauben, dass das Magnetfeld tief in der Erde auch die Strömungen im flüssigen äußeren Kern des Planeten erheblich beeinflussen kann.
Bevor wir angeben, wie groß das Magnetfeld von Galaxien quantitativ ist, muss noch ein weiterer Unterschied zwischen solchen Feldern im Weltraum und in technischen Geräten erwähnt werden. Das Phänomen des Magnetismus assoziieren wir meist mit Ferromagneten – schon im Kindesalter beginnt man, es am Beispiel eines Hufeisenmagneten zu studieren. In der Weltraumumgebung ist Ferromagnetismus sehr selten. Daher macht es keinen Sinn, zwischen Magnetfeldstärke und magnetischer Induktion zu unterscheiden, und das Magnetfeld wird normalerweise nicht in Oersted, sondern in Gauß gemessen. Das Experiment zeigt, dass ausländische Redakteure dieser Praxis gegenüber tolerant sind, inländische Redakteure jedoch nicht so tolerant. Die Magnetfeldstärke von Galaxien liegt also in der Größenordnung von mehreren Mikrogauss.
In den 30 Jahren seit Fermis Vermutung haben sich zahlreiche Daten über die Faraday-Rotation der Strahlung extragalaktischer (relativ zu uns) Radioquellen und Pulsare, also galaktische Quellen polarisierter Strahlung, angesammelt. Infolgedessen an der Wende der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts. Es eröffnete sich die Möglichkeit, die Struktur des Magnetfelds der Milchstraße mehr oder weniger detailliert zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass dieses Magnetfeld in der Ebene der Galaxie liegt, es ist ungefähr symmetrisch relativ zur Mittelebene der galaktischen Scheibe und ungefähr senkrecht zur Richtung zum Zentrum der Galaxie (Abb. 1). Diese Symmetrie ist sehr ungefähr – dem durchschnittlichen Magnetfeld sind verschiedene Störungen überlagert. Diese Struktur des Magnetfeldes scheint natürlich. Das bekannte Dipolmagnetfeld beispielsweise der Erde hat jedoch eine völlig andere Struktur – es steht senkrecht zur Äquatorialebene unseres Planeten. Mit anderen Worten: Das Magnetfeld der Milchstraße weist eher eine Quadrupol-Symmetrie als einen Dipol-Typ auf, d. h. es verläuft nicht von einem magnetischen Pol zum anderen (wie ein poloidales Magnetfeld), sondern ist fast in azimutaler Richtung gerichtet (wie ein toroidales Feld). . Tatsächlich gibt es auch Abweichungen vom toroidalen Magnetfeld, es gibt auch eine poloidale Komponente, diese sind jedoch relativ schwach.
Leider sehen wir die Milchstraße von innen, sodass das Bild des gesamten Waldes leicht hinter den nahegelegenen Bäumen verloren geht. Es ist sehr nützlich, die Situation von außen zu betrachten, weshalb Beobachtungen externer Galaxien besonders wertvoll sind. Solche Ergebnisse erschienen in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts. Der Löwenanteil dieser Beobachtungen wurde von deutschen Radioastronomen vom Institut für Radioastronomie der Gesellschaft durchgeführt. Max Planck in Bonn. Der Verdienst ihrer Organisation gebührt R. Vilebinsky, einem äußerst schillernden Menschen, gebürtiger Pole, der die Schule für Radioastronomie in Australien besuchte und übrigens ein aktiver Unterstützer der internationalen Zusammenarbeit, zu der auch unser Land gehörte. Zu diesem Zeitpunkt hatte Deutschland bereits die sichtbarsten Wunden der Militärkatastrophe geheilt, doch die deutsche Wissenschaft war noch weit vom Vorkriegsniveau entfernt. Es galt, Bereiche zu identifizieren, in denen mit vertretbarem Aufwand Führungsqualitäten erreicht werden konnten. Insbesondere wurde in Effelsberg bei Bonn ein neues modernes Radioteleskop in Betrieb genommen (Abb. 2). Erste Beobachtungen zeigten, dass die Radioemission äußerer Galaxien polarisiert ist. Es ist synchrotronischer Natur, das heißt, es wird durch die Bewegung relativistischer Elektronen in einem Magnetfeld verursacht. Synchrotronstrahlung ist stark polarisiert (ca. 70 % Polarisation). Das Vorhandensein irgendeiner Art von Magnetfeldern in Galaxien überraschte niemanden – Astronomen sind es gewohnt, damit alles Unverständliche zu erklären. Traditionell wurde jedoch angenommen, dass diese Felder einen sehr kleinen räumlichen Maßstab haben und nicht mit der gesamten Galaxie, sondern mit einigen ihrer lokalen Objekte verbunden sind. Dann müsste die Strahlung, die aus verschiedenen Teilen der Galaxie kommt, sehr unterschiedliche Ausrichtungen der Polarisationsebene haben, so dass sie sich insgesamt als unpolarisiert herausstellte. Tatsächlich wurde eine Polarisierung beobachtet. Natürlich nicht 70 % – der Polarisationsprozentsatz betrug etwa 10 %, aber nach astronomischen Maßstäben ist das viel. Vilebinsky hat hier richtig eine vielversprechende Forschungsrichtung vermutet. Wir betonen, dass der Abstand von der Beobachtung der Polarisation bis zur Rekonstruktion der Struktur des Magnetfelds externer Galaxien groß ist. Wichtig ist, dass die Perspektive richtig erkannt wurde, und der anfängliche Impuls der Forschung erwies sich als so stark, dass er die Situation in diesem Bereich bis heute weitgehend bestimmt (obwohl natürlich nach und nach andere konkurrierende Gruppen wachsen, insbesondere in Holland).
Ein weiterer glücklicher Umstand, der die Situation bei der Erforschung der Magnetfelder von Galaxien bestimmte, war, dass zu dieser Zeit in Moskau eine Gruppe von Theoretikern intensiv arbeitete, die sich für die Entstehung solcher Felder interessierten. Der wissenschaftliche Leiter dieser Gruppe war der bemerkenswerte einheimische Physiker Ya. B. Zeldovich, um den sich junge Menschen versammelten, die sich mit verschiedenen Fragen der Astrophysik beschäftigten.
Der Ursprung der Magnetfelder von Himmelskörpern und vor allem der Sonne ist seit langem für Theoretiker von Interesse. Bereits 1919 erkannte J. Larmore, dass nichts anderes als die elektromagnetische Induktion als Mechanismus sichtbar war, der das Magnetfeld der Sonne erzeugen konnte. Tatsächlich möchte ich die Idee eines Stücks Ferromagneten im Zentrum der Sonne nicht einmal als Witz betrachten. In Analogie zu dem, was damals Dynamo genannt wurde, erhielt der Mechanismus den Namen „Dynamo“. Um zu betonen, dass dieser Mechanismus nicht das Vorhandensein von festen Leitern und anderen irrelevanten Details auf der Sonne impliziert, wird diesem Wort der Beiname beigefügt hydromagnetisch. In den frühen 1980er Jahren war die Theorie des Solardynamos zumindest einigermaßen entwickelt. Es war klar, dass es auch bei anderen Himmelskörpern selbstverständlich war, die Entstehung von Magnetfeldern mit dem Dynamomechanismus zu erklären. Es wurden mehrere Artikel darüber veröffentlicht, wie ein Dynamo in der Galaxienscheibe funktionieren könnte. Das erste davon, geschrieben von S. I. Weinstein und A. A. Ruzmaikin, wurde 1972 gleichzeitig mit der Arbeit des bemerkenswerten amerikanischen Astronomen Yu. Parker veröffentlicht – dies waren die ersten Arbeiten über den galaktischen Dynamo.
Zeldovich war ein Mensch, der auf internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit ausgerichtet war, so schwierig es auch sein mag, diese Absicht zu verwirklichen. Eines der Ergebnisse seiner Bemühungen war die Veröffentlichung des Buches „Magnetic Fields in Astrophysics“ im Verlag Gordon and Breach im Jahr 1983 in New York, das er zusammen mit seinen jungen Mitarbeitern A. A. Ruzmaikin und dem Autor dieses Artikels verfasst hatte. Es ist klar, dass wir über das geschrieben haben, was wir selbst verstanden haben, daher war ein bedeutender Teil des Buches dem galaktischen Dynamo gewidmet. Das Buch hinterließ beim Leser Eindruck. Zu dieser Zeit veröffentlichten unsere Landsleute selten Bücher sofort auf Englisch und im Ausland, aber vielleicht noch wichtiger war die Tatsache, dass die Frage nach den Magnetfeldern der Milchstraße zum ersten Mal einen solchen Platz in dem Buch einnahm. Andere in diesem Bereich tätige Gruppen haben sich mehr auf Solardynamos konzentriert.
Uns wurde auch klar, dass sich ein neues Forschungsgebiet auftut. Ich erinnere mich noch gut daran, wie wir den Bericht des bemerkenswerten Bonner Radioastronomen R. Beck hörten, der gerade die polarisierte Radioemission aus dem Andromeda-Nebel – Galaxie M31 – entdeckt hatte. Diese Strahlung verteilte sich nicht über die gesamte Scheibe der Galaxie, sondern konzentrierte sich in einem Ring (Abb. 3). Hier befindet sich wahrscheinlich das Magnetfeld dieser Galaxie. Doch warum es sich zu einem Ring zusammenballt, war den Beobachtern völlig unklar. Wir wussten, dass Sasha Ruzmaikins Student Anvar Shukurov gerade einen Aufsatz darüber geschrieben hatte, welche Art von Magnetfeldverteilung in M31 zu erwarten war – konzentriert genau im Ring, der sich genau dort befand, wo sich der Ring polarisierter Strahlung befand.
Damals war es nicht so einfach, auf einen Gast aus dem fernen Westdeutschland zuzugehen und ihm von seinen Ideen zu erzählen. Allerdings ist Sasha ein Mensch, der durch eine Mauer gehen kann, und so gelang es uns nach ein paar Monaten, unsere deutschen Kollegen auf die Forschung unserer Gruppe aufmerksam zu machen. Als Ergebnis dieser Bemühungen erhielten wir das Angebot, für den niederländischen Verlag Durnebaal Reidel aus Dordrecht ein Buch über die Magnetfelder von Galaxien (aller Arten, nicht nur der Milchstraße) zu schreiben. Zu dieser Zeit wurde die Stadt Dordrecht, wie ganz Holland, als etwas Unwirkliches wahrgenommen. Viele Jahre später landete ich dort und fuhr extra an einem freien Tag in diese Stadt, wo 1988 unser Buch „Magnetfelder der Galaxien“ von Ruzmaikin und Shukurov veröffentlicht wurde (obwohl der Verlag bereits als „Kluver“ bekannt war – den Gesetzen der Wirtschaft kann nichts getan werden). Diesmal wurde die russische Version sofort zu Hause im Nauka-Verlag veröffentlicht. Auf die russische Ausgabe des ersten Buches mussten wir ein Vierteljahrhundert warten.
Zu unserem Glück war die Theorie über den Ursprung der Magnetfelder von Galaxien kein integraler Bestandteil des Konzepts der Bonner Forscher. Daher entwickelte sich schnell eine (für damalige Verhältnisse) enge Zusammenarbeit zwischen unseren Gruppen, so dass wir bereits 1989 den ersten gemeinsamen Vorabdruck herausbrachten. Während der Perestroika wuchsen die wissenschaftlichen Verbindungen rasch und viele Mitglieder unserer Gruppe wurden ausländische Wissenschaftler. Daher wurde die nächste große Übersicht über die Magnetfelder von Galaxien, die 1996 erschien und bis heute das Standardwerk zu diesem Thema ist, von einer ziemlich großen Gruppe von Autoren aus vielen europäischen Ländern verfasst. Beachten Sie, dass es in Deutschland eine anerkannte Gruppe gab, die auf dem Gebiet des Dynamos arbeitete. Diese Gruppe arbeitete zwar in der DDR, in Potsdam. Dies schloss eine Zusammenarbeit mit Bonn nicht aus, machte es aber nicht so einfach. Darüber hinaus ist es oft einfacher, mit einem Kollegen in einem fernen Land zusammenzuarbeiten als mit dem Nachbarn. Zu den Teilnehmern der Rezension gehörte so oder so auch A. Brandenburg, der die Potsdamer Gruppe verließ und dann in Kopenhagen arbeitete. Jetzt arbeitet dieser führende Spezialist für direkte numerische Modellierung kosmischer Magnetfelder in Stockholm am Nordischen Institut für Theoretische Physik (NORDITA).
Die ersten Ergebnisse zu den Magnetfeldern von Galaxien stießen auf spürbares, wenn auch nicht immer erwartetes öffentliches Interesse. In jenen Jahren gab es kein Internet, aber es gab die Praxis, Anfragen nach Nachdrucken von Artikeln zu stellen, und es galt als unanständig, auf eine solche Anfrage nicht zu antworten. Ich erinnere mich, dass ich auf Anfrage des Kairoer Zoos einen Abzug geschickt habe.
Wie entstehen Magnetfelder von Galaxien?
Der galaktische Dynamo funktioniert nach den gleichen Prinzipien wie der solare. Die Hauptschwierigkeit bei der Funktionsweise dieses Mechanismus besteht darin, die aus der Schule bekannte Lenz-Regel zu umgehen: Die elektromagnetische Induktion erzeugt ein neues Magnetfeld, sodass es das anfängliche, ursprüngliche Magnetfeld nicht erhöht, sondern verringert. Folglich ist es für die Selbsterregung eines Magnetfelds (und dies ist ein Dynamo) erforderlich, dass zwei Wirkkreise an dem Prozess beteiligt sind. Dann erzeugt der erste von ihnen im zweiten ein Magnetfeld, und der zweite nutzt dieses entstehende Feld und erzeugt im ersten Stromkreis ein neues. Gleichzeitig verbietet die Lenzsche Regel nicht, dass das neue Feld zum ursprünglichen Feld hinzugefügt wird.
Dynamospezialisten brauchten etwa ein halbes Jahrhundert, um zu verstehen, wie diese Möglichkeit unter natürlichen Bedingungen realisiert werden kann. Das Magnetfeld des Primärkreises kann man sich als das Feld eines magnetischen Dipols oder magnetischen Quadrupols vorstellen. Es heißt poloidal. Es wird in ein hochleitfähiges rotierendes Medium eingefroren. Bei dieser Rotation handelt es sich fast nie um einen festen Körper – feste Körper sind im Weltraum selten. Da sich verschiedene Teile der magnetischen Linie mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehen, entsteht aus dem poloidalen Magnetfeld ein toroidales Magnetfeld, das in Azimut gerichtet ist. Dieser Teil des Dynamogeräts lässt keine großen Zweifel aufkommen.
Das Problem besteht darin, wie man aus dem toroidalen das poloidale Magnetfeld rekonstruieren kann. In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde klar, dass der einzige realistische Weg hierfür unter Weltraumbedingungen darin bestand, die Spiegelsymmetrie der Konvektion (oder Turbulenz) in einem rotierenden Körper zu brechen. Aufgrund der fehlenden Symmetrie entsteht eine Komponente des elektrischen Stroms, die nicht senkrecht, sondern parallel zum Magnetfeld gerichtet ist. In einer klaren, einer quantitativen Untersuchung zugänglichen Form wurde diese Idee von den Wissenschaftlern der damaligen DDR M. Steenbeck, F. Krause und K.-H. zum Ausdruck gebracht und weiterentwickelt. Radler. Dies ist vielleicht die berühmteste und wichtigste Entdeckung ostdeutscher Physiker. Es wird Alpha-Effekt genannt. Natürlich haben die Physiker im Laufe der Zeit gelernt, den Alpha-Effekt auf der richtigen mathematischen Ebene zu beschreiben. Aber das Hauptproblem bei ihm ist immer noch psychologischer Natur. Die gesamte Erfahrung der Schul-, Universitäts- und Standardphysik im Allgemeinen entstand unter der stillschweigenden Annahme, dass wir es mit spiegelsymmetrischen Medien zu tun haben. Die Auswirkungen der Spiegelasymmetrie beginnen im Mikrokosmos eine bedeutende Rolle zu spielen. Sie wurden ungefähr zur gleichen Zeit entdeckt, als die Idee des Alpha-Effekts entstand. Dass das Verhalten von Elementarteilchen nicht in die Kategorien des gesunden Menschenverstandes passte, war den Physikern damals zwar schon vertraut, aber es war schwer vorstellbar, dass dies auch in großem Maßstab auf der Welt geschah. Tatsächlich wird die Spiegelsymmetrie durch die allgemeine Rotation des Körpers, in diesem Fall der Galaxie, verletzt. Es ist lustig, dass diese Tatsache in der Geographie als offensichtlich angesehen wird – es gibt das Gesetz von Baer: Demnach spülen Flüsse, die in entgegengesetzten Hemisphären fließen, verschiedene Ufer weg. Dynamo verwendet genau die gleiche Idee in einem völlig anderen Kontext.
Wir betonen, dass Dynamo ein Schwellenphänomen ist. Induktionseffekte müssen die ohmschen Verluste des Magnetfelds überwinden, die mit der endlichen Leitfähigkeit des Mediums verbunden sind. In der Welt der Galaxien wird diese Generationsschwelle aufgrund der enormen räumlichen Ausdehnung der Galaxien überschritten.
Aus der Sicht der Eigenschaften des galaktischen Dynamos ist klar, warum in Spiralgalaxien und einigen anderen verwandten Typen Magnetfelder entstehen – es sind diese Galaxien, die rotieren.
Es konnte auch herausgefunden werden, warum die Konfiguration der Magnetfelder von Galaxien überhaupt nicht der Struktur der Magnetfelder von Sonne und Erde ähnelt. Es stellte sich heraus, dass der Dynamo in allen Fällen in einer bestimmten Schicht arbeitet, die Winkelgeschwindigkeit in Galaxien jedoch entlang dieser Schicht und in anderen Fällen quer darüber variiert. Dass ein so scheinbar unbedeutendes Detail zu völlig anderen Ergebnissen führen würde, war, gelinde gesagt, nicht von vornherein klar. Natürlich ist es auch sehr wichtig, dass die Bedingungen für die Beobachtung von Magnetfeldern in all diesen Situationen sehr unterschiedlich sind – wir sehen zunächst einmal, was leicht zu beobachten ist.
Neue Ideen und alte Illusionen
Die ersten Modelle der Magnetfelderzeugung in Galaxien waren natürlich verallgemeinert und einheitlich. Es war natürlich ein großes Glück, dass sie sofort einen Platz für ein helles Merkmal (den Ring in M31) fanden, das auch in Beobachtungen zu sehen ist. Eine der Briefmarken der Deutschen Post war diesem Detail sogar gewidmet (Abb. 4).
In den Jahren seitdem haben Beobachter viele vielfältige und schöne Details entdeckt und Theoretiker haben mehr oder weniger gelernt, sie zu erklären.
Es stellte sich heraus, dass in einigen Spiralgalaxien (zum Beispiel in NGC 6946) Magnetfelder in besonderen Magnetarmen gesammelt werden, die sich zwischen den aus Gas und Sternen gebildeten Spiralarmen befinden (Abb. 5). Theoretiker neigen dazu, diese magnetischen Arme als eine Art Übergang zu interpretieren, also als eine magnetische Struktur, die ihren Gleichgewichtszustand noch nicht erreicht hat. Weitere Beispiele für ähnliche Transienten sind bekannt. Beispielsweise ändert das Magnetfeld unserer Milchstraße entlang des galaktischen Radius mehrmals seine Richtung. Die einfachsten Modelle galaktischer Dynamos sagen voraus, dass die letzte Entwicklungsstufe des Magnetfelds von Galaxien solche Merkmale nicht aufweisen sollte. Ihr Auftreten in realen Galaxien erklärt sich aus der Tatsache, dass diese nach menschlichen Maßstäben sehr alten Himmelskörper im magnetischen Sinne sehr jung sind. Tatsächlich stellt sich heraus, dass die charakteristische Zeit, in der ein galaktischer Dynamo das Magnetfeld in einer bestimmten Region der galaktischen Scheibe erheblich neu ordnen kann, etwa 0,5 Milliarden Jahre beträgt. Dies ist natürlich deutlich weniger als das Alter von Galaxien, vergleichbar mit 10 Milliarden Jahren, aber die Lücke zwischen den Daten ist zeitlicher Natur S Nach unserem Maßstab ist es nicht so groß. Wichtig ist auch, dass die Galaxie während ihres gesamten Lebens nicht unverändert blieb. Darin ereigneten sich verschiedene Phänomene wie Ausbrüche der Sternentstehung, das Auftauchen und Verschwinden gasförmiger Spiralarme, Wechselwirkungen mit benachbarten Galaxien usw. Der relativ gemächliche galaktische Dynamo hat keine Zeit, die Spuren dieser Ereignisse zu glätten. Dadurch entstehen in verschiedenen Teilen der galaktischen Scheibe Fragmente der endgültigen magnetischen Konfiguration, die nicht gut zueinander passen. Das sind Transienten. Ihre Entstehung wird insbesondere durch die Tatsache begünstigt, dass das Magnetfeld ein Pseudovektor ist. Dies bedeutet, dass nur die Größe des Magnetfeldvektors und die Gerade, auf der er liegt, vorhergesagt werden kann und es keinen physikalischen Grund geben kann, der die Richtung des Feldes hervorheben würde. Daher kann das Magnetfeld in verschiedenen Fragmenten der magnetischen Konfiguration entgegengesetzte Richtungen haben, und an der Verbindungsstelle der Fragmente kommt es zu langlebigen Umkehrungen des Magnetfelds.
Solche inneren Grenzschichten (man nennt sie auch Kontraststrukturen) sind in vielen Bereichen der Physik bekannt (z. B. in der Halbleiterphysik). Um Kontraststrukturen zu untersuchen, entwickelten die bemerkenswerte russische Mathematikerin A. B. Wassiljewa und ihre Schule leistungsstarke Berechnungsmethoden. Natürlich haben wir die Ideen dieser Gruppe umfassend genutzt, aber die formale Analogie, die zwischen Halbleitern und Galaxien entdeckt wurde, war natürlich völlig unerwartet.
Natürlich sind Spiralgalaxien nicht nur rotierende Scheiben aus Gas und Sternen. Sie enthalten unterschiedliche Strukturen. Beispielsweise ist in den zentralen Teilen einiger Galaxien eine eigenartige lineare Struktur sichtbar, die wie eine Speiche den Zentralbereich durchdringt. Von seinen Enden erstrecken sich Spiralarme, daher soll es im Russischen als Jumper bezeichnet werden, obwohl es in der realen Sprache normalerweise mit dem englischen Wort bezeichnet wird Bar. Magnetfelder in Galaxien mit Balken wurden im Rahmen eines deutsch-russischen Sonderprojekts der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung und der Deutschen Wissenschaftlichen Gesellschaft untersucht, wofür wir beiden Gründern sehr dankbar sind. Es stellte sich heraus, dass der rotierende Stab die Standardkonfiguration des Magnetfelds stark verändert und vor allem magnetische Linien entstehen, entlang derer Materie fließen und das Schwarze Loch versorgen kann, das sich offenbar im Zentrum der Galaxie befindet (Abb. 6). Bisher sind Balkengalaxien die einzige morphologische Galaxienklasse, die im Detail untersucht wurde (sowohl beobachtend als auch theoretisch).
Die Beschreibung der Ergebnisse dieser detaillierten und sorgfältigen Forschung führte zu Veröffentlichungen in verschiedenen wissenschaftlichen (und populären) Fachzeitschriften, darunter auch den renommiertesten, und die Praxis, Projektberichte zu verfassen, ermöglichte es, zu unerwarteten szientometrischen Schlussfolgerungen zu gelangen. Wir wussten bereits, dass es eine gute Idee wäre, unsere Ergebnisse in den am häufigsten zitierten Fachzeitschriften zu veröffentlichen, z. Natur. Und als die entsprechenden Ergebnisse eintrafen, taten sie dies. Die Praxis zeigt, dass (zumindest in der Astronomie) eine so prestigeträchtige Veröffentlichung an sich keinen besonderen Eindruck auf die wissenschaftliche Gemeinschaft hinterlässt und insbesondere keinen Referenzfluss hervorruft. Viel wichtiger ist es, diesen Pilotartikel durch eine konsequente detaillierte Veröffentlichung der Ergebnisse in der gesamten Reihe wissenschaftlicher Zeitschriften zu diesem Thema zu unterstützen – von einer renommierten Zeitschrift, die sich an ein breites wissenschaftliches Publikum richtet, bis hin zu eher lokalen Zeitschriften, die sich an einen Kreis enger Spezialisten richten . Dann stellt sich heraus, dass der Zitationsindex von Spezialartikeln ungefähr dem eines Artikels in entspricht Natur. Wie Fußballspieler sagen: Ordnung schlägt Klasse.
Nicht alle anfänglichen Erwartungen wurden durch die Forschung bestätigt. Beispielsweise scheint es oft so zu sein, dass das Magnetfeld von Galaxien nicht so sehr mit der galaktischen Scheibe als Ganzes, sondern mit den Spiralarmen in dieser Scheibe zusammenhängt. Tatsächlich liegen die Richtungen der magnetischen Vektoren nahe an der Richtung der Spiralarme. Nah dran, aber nicht dasselbe. Natürlich verzerren Gasarme die Verteilung des Magnetfelds, aber wie sich herausstellte, verursachen sie selbst kein solches.
Ein weiteres Missverständnis, das im Laufe der Forschung ausgeräumt wurde, ist die Vorstellung, dass das Magnetfeld von Galaxien durch die Verdrehung eines zunächst gleichmäßigen Magnetfelds entsteht, das in das Material eingefroren ist, aus dem die Galaxie entstanden ist. Ein solches hypothetisches Magnetfeld wird als Reliktmagnetfeld bezeichnet. Diese Idee schien zunächst sehr verlockend – über eine Spiegelasymmetrie und andere Schwierigkeiten musste man nicht nachdenken. Berechnungen zeigen jedoch, dass ein solches Reliktfeld in rotierenden Galaxien nicht überlebt, und wenn es durch ein Wunder überleben würde, würde sich seine Konfiguration von der beobachteten unterscheiden.
Magnetfelder im Kontext der Neuzeit
Die Entwicklung eines bestimmten Wissenschaftsgebiets wird nicht immer ausschließlich von rein wissenschaftlichen Überlegungen bestimmt. Der Bau neuer Radioteleskope, ohne die es schwierig ist, die Beobachtungsmöglichkeiten zu verbessern, ist ein komplexer und teurer Prozess, der eine sehr ernsthafte internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordert. Es ist unvorstellbar, dass ein neues leistungsstarkes Radioteleskop gebaut wird, um eine einzige wissenschaftliche Aufgabe zu erfüllen. Daher dauert die Vorbereitung auf Beobachtungen mit einem neuen Gerät mehr als ein Jahr und führt zu einer Umstrukturierung des gesamten Systems der in diesem Wissenschaftsbereich tätigen Gruppen.
Es ist jetzt klar, dass die nächsten Radioteleskope, die die Magnetfelder von Galaxien beobachten werden, die LOFAR-Teleskope (aus dem Englischen) sein werden Niederfrequenz-Array- Niederfrequenzkomplex) und SKA ( Quadratkilometer-Array- ein Komplex mit einer Fläche von einem Kilometer). Die Besonderheit der ersten, die bereits überwiegend in Holland gebaut wird, besteht darin, dass sie aus einem zentralen Kern und Nebenstationen in verschiedenen europäischen Ländern besteht. Eine dieser Stationen befindet sich in der Nähe von Krakau, in einer Festung aus dem Ersten Weltkrieg. Es ist aufschlussreich, sich die Erfahrungen dieses Observatoriums der Jagiellonen-Universität (Polen) genauer anzusehen. Als ich dieses Observatorium vor einem Vierteljahrhundert zum ersten Mal sah, verfügte es über kein einziges mehr oder weniger modernes Instrument, es gab weder Geld noch spezialisierte Beobachter, die moderne Beobachtungen durchführen konnten. Aber man war sich darüber im Klaren, dass man aus dieser schwierigen Situation nur durch eigene Anstrengungen herauskommen kann. Die Leiter dieser Gruppe, nacheinander M. Urbanik und K. Otmianowska-Mazur, etablierten in den vergangenen Jahren eine enge Zusammenarbeit zwischen Astronomiestudenten und Bonner Beobachtern, vor allem mit dem uns bereits bekannten Beck. Die jungen Leute wuchsen zu erfahrenen Forschern heran und übernahmen viele Beobachtungsprojekte von ihren deutschen Kollegen. Nach und nach wurde Geld für den Bau der LOFAR-Station gefunden, zumal eine solche Station technisch recht einfach ist. Ich erinnere mich noch gut daran, wie ich während meiner Studienzeit an einem ähnlichen Radioteleskop in der Nähe von Charkow war. Die Bemühungen der Krakauer Astronomen-Beobachter wurden von Theoretikern aus der polnischen Stadt Torun unterstützt. Infolgedessen hat Polen in diesem Bereich eine führende Position eingenommen und dafür nur minimale Ressourcen aufgewendet. Vielleicht lohnt es sich zu lernen?
Die technische Idee hinter dem LOFAR-Radioteleskop sieht Beobachtungen bei deutlich längeren Wellenlängen vor als die Radioteleskope, die die wichtigsten bestehenden Beobachtungen durchgeführt haben. Dies bedeutet, dass die Polarisationsebene der Radioemission, die von einer entfernten Galaxie kommt, viele Male eine vollständige Drehung durchführen kann. Beobachtungen bemerken diese vollständigen Umdrehungen nicht, aber um das Magnetfeld wiederherzustellen, muss ihre Anzahl bekannt sein. Eine sehr schwierige Aufgabe stellt die Entschlüsselung eines Signals dar, das mehrere Drehungen der Polarisationsebene durchlaufen hat. Die Aufgabe ist schwierig, aber nicht hoffnungslos. Radioastronomen in vielen Ländern kämpfen derzeit darum, das Problem zu lösen. Es gibt Fortschritte, aber bis zur völligen Klarheit ist es noch ein weiter Weg.
Für das SKA-Radioteleskop ist ein deutlich größerer Wellenlängenbereich geplant, der auch kurze Wellenlängen umfasst. Das ist eine sehr ermutigende Tatsache. Das einzig Schlimme ist, dass sich der Bau des Instruments immer weiter verzögert, seine Entwickler Geld sparen müssen und die Einsparungen größtenteils auf die angebliche Erforschung des Magnetismus von Galaxien zurückzuführen sind. Es ist klar, dass meine Generation nicht mehr mit SKA-Daten arbeiten muss.
Für mehr Ö auf einer größeren Skala
Galaxien sind im Vergleich zur Erde sehr groß, auf kosmologischer Ebene handelt es sich jedoch um sehr kleine Objekte. Gibt es Magnetfelder mit noch b Ö größere räumliche Skalen als in Galaxien?
Es ist bekannt, dass in Galaxienhaufen Magnetfelder vorhanden sind. Diese Cluster sind von Natur aus viel größer als ihre Bestandteile. Soweit wir jetzt wissen, haben die Magnetfelder in ihnen jedoch ungefähr die gleichen räumlichen Maßstäbe wie galaktische Magnetfelder.
In der Welt der Galaxien gibt es Formationen, die mit ihren Magnetfeldern deutlich eindrucksvoller sind als Spiralgalaxien. Dabei handelt es sich um Quasare, verschiedene Jets, die von galaktischen Objekten ausgehen, und andere aktive Formationen. Viele von ihnen haben oder sollen ein Magnetfeld haben. Über die Magnetfelder solcher Formationen, die in ihrer Größenordnung mit dem gesamten Himmelskörper vergleichbar sind, gibt es jedoch noch keine gesicherten Vorstellungen. Ich hoffe wirklich, dass es solche Felder gibt, und die Erfahrung bei der Untersuchung der Magnetfelder von Spiralgalaxien wird für ihre Untersuchung nützlich sein.
Ist es möglich, auf einer noch größeren, kosmologischen räumlichen Skala über Magnetfelder zu sprechen? Auf den ersten Blick scheint es, dass es keine Hoffnung auf die Existenz solcher Magnetfelder gibt – das Universum ist homogen und mit einem sehr hohen Maß an Genauigkeit isotrop, und ein Magnetfeld würde darin eine bestimmte Richtung hervorheben und damit die Isotropie verletzen.
Tatsächlich gibt es in dieser naiven Überlegung gleich zwei Lücken, die die Existenzmöglichkeit kosmologischer Magnetfelder verschleiern. Erstens mag das kosmologische Magnetfeld nach kosmologischen Maßstäben kleinräumig sein, aber ob das Gleiche auch auf galaktischen Maßstäben zutrifft, ist im Voraus nicht klar. Forschungen von Kosmologen zeigen, dass Magnetfelder tatsächlich im frühen Universum entstanden sein könnten und offenbar auch entstanden seien. In grober Näherung ist die Logik hier wie folgt. Es wird angenommen, dass das Universum ursprünglich mit einem Vakuum gefüllt war, aus dem alle Arten von Teilchen entstanden, als sich das Universum ausdehnte und seine Temperatur sank. Im Rahmen der Quantenphysik kann das Magnetfeld auch als Teilchen interpretiert werden. Ihre Entstehung ist die Bildung eines Magnetfeldes.
Eine viel schwierigere Frage ist, ob diese Magnetfelder großräumig sind. In gewissem Sinne lautet die Antwort ja. Die Spiegelsymmetrie wird nicht nur bei rotierenden Turbulenzen, sondern auch bei Kernreaktionen gebrochen. Dies führt auch zum Alpha-Effekt und zur Ausbildung eines großräumigen Magnetfeldes. Das einzige Problem besteht darin, dass dieses Feld nur nach den Maßstäben der Geometrie, die zum Zeitpunkt seiner Entstehung existierte, großräumig ist. Gemessen an den Maßstäben moderner Galaxien erweist sich die räumliche Skala solcher Magnetfelder als sehr klein.
Natürlich ist es eine sehr schwierige Aufgabe, bis heute zu verfolgen, was mit dem Magnetfeld, das in den frühesten Lebensphasen des Universums entstand, geschieht. Hier gehen die Meinungen der Experten auseinander, dennoch erscheint es wahrscheinlicher, dass solche kosmologischen Magnetfelder nicht in direktem Zusammenhang mit den Magnetfeldern moderner Galaxien stehen. Insbesondere ist es für diese Felder schwierig, eine Zeit zu überleben, in der die Temperatur des Universums bereits gesunken ist und noch keine Galaxien entstanden sind. Zu diesem Zeitpunkt ist der galaktische Dynamo noch nicht in Betrieb und das Magnetfeld zerfällt aufgrund des Ohmschen Gesetzes bereits – der elektrische Widerstand des Mediums macht sich bemerkbar.
Zeldovich machte einmal auf eine andere, viel exotischere Möglichkeit aufmerksam. Wenn ein gleichmäßiges Magnetfeld schwach genug ist, stört es die Isotropie des Universums kaum. Natürlich kann das Magnetfeld so schwach sein, dass es für physikalische Prozesse in Galaxien überhaupt nicht von Interesse ist. Es stellt sich heraus, dass zwischen der oberen Schätzung des gleichmäßigen Magnetfelds, die aus der Isotropie des Universums gewonnen wird, und der unteren Schätzung, die den Wert des Feldes für das Leben von Galaxien erhält, eine Lücke besteht. Diese Kluft verringert sich allmählich, bleibt aber immer noch erheblich.
Bis vor kurzem verfügte die Wissenschaft nur über obere Beobachtungsschätzungen des kosmologischen Magnetfelds, sodass es schien, dass Zeldovichs Idee, obwohl sie sehr schön blieb, nur von rein akademischem Interesse war. Doch mehrere Jahre lang präsentierten die Studenten der russischen Physikschule, die heute in verschiedenen europäischen wissenschaftlichen Zentren arbeiten, A. Neronov und D. V. Semikoz, überzeugende Beobachtungsargumente für die Existenz eines kosmologischen Magnetfelds und gaben dessen niedrigere Schätzungen an. Sie sind deutlich geringer als die Stärke der Magnetfelder von Galaxien, reichen aber völlig aus, damit diese Magnetfelder weiterhin eine Rolle in der Astrophysik spielen.
Diese Schätzungen basieren auf einer recht komplexen Analyse der Reaktionen von Elementarteilchen in der kosmischen Umgebung und erlauben keine Beurteilung der räumlichen Struktur des Magnetfelds. Natürlich ist es möglich, dass dieses Feld mithilfe einiger physikalischer Prozesse aus den Galaxien selbst in den Raum zwischen Galaxien gelangt, aber im Allgemeinen hat das Problem der kosmologischen Magnetfelder eine völlig andere Bedeutung erhalten als in den Vorjahren.
Warum das alles wissen?
Unter unseren Zeitgenossen gibt es eine bestimmte Gruppe von Menschen, für die Worte gelten Magnetismus von Galaxien erscheinen an sich attraktiv genug, um eine Forschung in diesem Wissenschaftsbereich zu rechtfertigen. Dies ist nur zu begrüßen, denn die Wissenschaft als ein Feld der intellektuellen Tätigkeit der Menschen und eine Möglichkeit, die Welt zu verstehen, setzt sich keine unmittelbaren utilitaristischen Ziele; praktische Ergebnisse werden als Nebenprodukte ihrer Aktivitäten erzielt. Es ist jedoch immer noch interessant zu wissen, ob die Erforschung des Magnetismus von Galaxien irgendeinen Einfluss auf unser tägliches Leben haben wird.
Es stellt sich heraus, dass die Sache nicht so aussichtslos ist, wie man meinen könnte. Versuche, den Dynamomechanismus unter Laborbedingungen zu reproduzieren, wurden seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts unternommen. Die ersten Experimente wurden von einheimischen Wissenschaftlern und Wissenschaftlern aus der DDR durchgeführt. Als leitendes Medium, in dem der Dynamo betrieben werden sollte, wurden flüssige Metalle verwendet, vor allem Natrium, das bei relativ niedrigen Temperaturen flüssig wird. Nun ist es nicht leicht zu verstehen, warum die Entscheidung getroffen wurde, die Arbeit in Lettland zu organisieren. Die Aufgabe erwies sich technisch als sehr schwierig, doch die harte Arbeit der Spezialisten war in den letzten Wochen des vergangenen Jahrtausends von Erfolg gekrönt – es gelang ihnen, ein selbsterregendes Magnetfeld zu erzeugen. Zwar vertraten die erfolgreichen Spezialisten andere Länder, obwohl sie immer noch in der Nähe von Riga arbeiteten.
Etwa zur gleichen Zeit wurde ein russisches experimentelles Dynamoprojekt gestartet. Es wird in Perm am Institut für Kontinuumsmechanik umgesetzt. Im Rahmen dieses Projekts konnte insbesondere der Alpha-Effekt erstmals unter Laborbedingungen gemessen werden. Experimentelle Dynamoprojekte gibt es mittlerweile in mehreren Ländern: Frankreich, Deutschland, Russland, Lettland und den USA. Natürlich sind technische Geräte, die den Dynamomechanismus verwenden, noch sehr weit entfernt, aber auch für viele technische Probleme ist die Schaffung einer experimentellen Basis für die Arbeit mit flüssigen Metallströmen notwendig. Daher hat das Projekt in Perm auch eine direkte praktische Komponente, aber das ist ein Thema für eine andere Geschichte 5
