导电流体多了一种回弹的办法
把拉紧的绳子横拨一下,一个鼓包会沿绳跑出去。绳子的张力把偏开的部分往回拉,绳子自身的质量又让它越过原位,扰动便向前传。1942 年,Alfvén 提出,放在磁场里的导电流体也能传一种相近的波。磁场负责拉回扰动,流体提供惯性。后来它被称为 Alfvén 波。
导电流体里有可以移动、形成电流的电荷。液态金属是一例;等离子体也可以,它是含有可移动带电粒子的气体。流体在磁场中运动,会带来感应电流;电流又与磁场相互作用,反过来推流体。流动与电磁变化从此连在一起。
磁场的弯曲带来恢复力
先从最简单的情况想起:背景磁场均匀,流体原先静止。把一小块流体沿横向推开。在理想导电近似下,流体的移动也把磁场带弯,弯曲的磁场再施力,试着恢复平直。画在纸上的磁力线只是表示方向,真正的力来自流体中分布的电磁应力。
这一小块又影响旁边的小块,扰动便沿背景磁场传下去。剪切 Alfvén 波里,各处流体横着振动,波形沿磁场向前走。扰动足够小时,一阶近似下无需压缩流体;普通声波靠压强变化来恢复,最简单的 Alfvén 波则靠磁张力。
传播中,流速与磁场都在变。如果只画一群粒子上下摆动,故事还没讲全。测磁场,再测流速,会看到相关的振动;两者的正负对应,还与波沿磁场朝哪一边传播有关。
磁场越强传得越快,流体越重传得越慢
波速取决于恢复力与惯性的较量。背景磁场越强,拉回扰动的作用越强;流体密度越大,同样的力越难把它加速。在均匀理想介质中,其他条件不变,磁场加倍,Alfvén 波速也加倍;密度变成四倍,波速降为一半。
波把流体运动与磁场形变中的能量沿磁场带走。标记一小团流体,它可以一直在原位附近来回振动,而扰动已经传到很远。和绳波一样,波形走过的距离,与材料本身摆动的距离,是两件不同的事。
绳子的比喻帮助我们理解张力与质量,但磁场并不是一根实物绳。流体与磁场能在多大程度上一起动,要看导电性与带电粒子的响应。把某种等离子体看成一份理想导电流体之前,得先判断这些条件是否合适。
实验要找到波能活下来的范围
这个预言可以拿导电液体来检验。1949 年,Stig Lundquist 报告了圆柱边界中磁流体波的研究。他特别处理一个实际困难:真实液体的电导率有限,磁场扰动会扩散,能量也会损耗,不能永远理想地跟着流体走。
他的分析表明,近似理想的波只能存在于一定频率范围,范围又取决于电导率、磁场强度与装置尺寸。他比较不同液体,并介绍初步实验。难点由此很清楚:让扰动存活足够长时间、传过足够距离,才能把它与单纯衰减的电磁响应区分开。
波长较长、频率较低,流体又导电良好时,磁张力波的图景很清楚。尺度缩小、频率升高、损耗增强或扰动变大,就需要加入更多物理。有些等离子体还得把离子与电子分开描述。
来源:[2]
流体与电磁,从此可以一起研究
1970 年物理学奖表彰 Alfvén 在磁流体动力学中的基础工作及其在等离子体物理中的应用。这种波给出了一个格外直观的结果:流体惯性与磁恢复力能够配合着传递扰动。他在诺奖演讲中也强调仪器与观测怎样推动等离子体物理。实验室和空间中的测量,让这幅相连的图景不断接受检验。