Stardust Memory

ความตั้งใจจริงคืออยากจะเล่าเรื่องว่าที่ห้องแลบของผมทำวิจัยเรื่องอะไรกันบ้าง แต่ถ้าไม่ปูพื้นฐานเลยเดี๋ยวพาลจะไม่เข้าใจกัน เลยต้องเอาเรื่องพื้นฐานกันตั้งแต่สนามแม่เหล็กกำเนิดมาจากอะไร แล้วค่อยๆ ไล่เรียงไปหาดวงอาทิตย์ก่อนจะพากลับมาที่ผลกระทบของอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ที่ส่งผลกระทบต่อโลก   เนื่องจากการใส่สมการค่อนข้างยุ่งยากพอสมควร ดังนั้นผมจะอธิบายฟิสิกส์ โดยไม่ใช้สมการคณิตศาสตร์เลยก็แล้วกัน  เพราะเนื้อแท้ของฟิสิกส์ไม่มีคณิตศาสตร์ เพียงแต่หยิบยืมคณิตศาสตร์มาใช้เพื่อความสะดวกในการสื่อสาร พิสูจน์ หรือคำนวณประมวณข้อมูลเชิงปริมาณ

 กำเนิดของสนามแม่เหล็กนั้นมีหลักการนิดเดียวครับ คือกระแสเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (ดูเรื่องกฎของ Biot-Savart, กฎของ Ampere เพิ่มเติม)  ซึ่งกระแสไฟฟ้านี้แท้จริงคือการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ทั้งในหรือนอกตัวนำก็ได้นั่นเอง

  credit: www.leonics.com

การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า  โดยกระแสอิเลคตรอนจะมีทิศทางตรงกันข้ามกับกระแสไฟฟ้าเพราะเราพิจารณาว่ากระแสไฟฟ้าคือการเคลื่อนที่ของประจุบวก แต่ในความเป็นจริงแล้ว สำหรับวงจรไฟฟ้าในเส้นลวด(ซึ่งเป็นของแข็ง) อนุภาคที่เคลื่อนที่คืออิเลคตรอน แล้วเราก็วัดกระแสไฟฟ้าเสมือนที่กลับทิศกับอิเลคตรอนนั้น   ส่วนในของเหลว ก๊าซ หรือพลาสมานั้น ประจุบวกและลบ สามารถเคลื่อนที่ได้อิสระกว่า ดังนั้นกระแสไฟฟ้าในสสารสถานะทั้งสาม จึงเกิดขึ้นจากทั้งการเคลื่อนที่ของประจุบวกอย่างไอออนบวก และ โปรตอน  ตลอดจนประจุลบอย่าง ไอออนลบ และอิเลคตรอน

credit:hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

แล้วกระแสไฟฟ้า(I) ก็ำเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กวนรอบๆ แนวการเคลื่อนที่ของกระแส ตามกฎอำพล ลำพูนหรือกฎมือขวานั่นเอง(Right hand Rule)

credit: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magcur.html#c1

ทีนี้กระแสไฟฟ้านั้นไม่จำเป็นต้องเกิดในสายไฟเสมอไปครับ แม้แต่ในอะตอมก็มีกระแสไฟฟ้า!!!!  มาดูภาพกัน

credit:parallel.park.org

อิเลคตรอนที่วิ่งอยู่ในวงโคจรรอบนิวเคลียสนั้น ก็ทำตัวเสมือนหนึ่งว่าเป็น "กระแสอิเลคตรอน"  แล้วทิศทางของกระแสไฟฟ้า  จะสวนทางกับทิศทางของอิเลคตรอนนะครับเพราะอิเลคตรอนเป็นประจุลบ แต่เราคิดเสมือนว่าประจุไฟฟ้าเป็นประจุบวก  ดังนั้นในภาพด้านบนก็เสมือนว่ากระแสไฟฟ้าวิ่งไปในทิศตรงข้ามกับทิศที่อิเลคตรอนวิ่งรอบนิวเคลียสของอะตอม 

credit: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

 ภาพกระแสไฟฟ้าที่วิ่งวนเป็นบ่วง  ก็จะเกิดสนามแม่เหล็กดังภาพตามกฎมือขวา เมื่อเรากำกระแสโดยให้หัวแม่โป้งชี้ไปในทิศทางเดียวกับกระแส แล้วนิ้วที่เหลือจะชี้ตามทิศของสนามแม่เหล็ก  จะเห็นว่าสนามพุ่งเข้าบ่วงกระแสทางซ้ายมือแล้วออกทางขวามือ  เรานิยามว่าทิศทางที่กระแสออกจากบ่วงเป็นขั้วเหนือ(North) และทิศที่สนามแม่เหล็กพุ่งเข้าบ่วงกระแสเป็นขั้วใต้(South) ดังนั้นในภาพการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนในอะตอม  ขั้วแม่เหล็กเหนือ(สนามแม่เหล็กพุ่งออก)จึงอยู่ด้านล่าง

 สาเหตุที่วัสดุบางชิ้นเป็นแม่เหล็กถาวร  มีสภาพแม่เหล็กชั่วคราว หรือไม่เป็นแม่เหล็กเลยนั้น ต้องพิจารณาลึกกันถึงระดับอะตอมทีเดียวโดยกลุ่มของอะตอมที่อยู่ใกล้กันและมีขั้วแม่เหล็กไปในทิศทางเดียวกันเรียกว่า magnetic domain

magnetic domain อยู่กันเป็นกลุ่มๆ ลูกศรในภาพแสดงทิศทางของ magnetic moment โดยหัวลูกศรชี้จาก S -> N  credit: ฟิิสิกส์ราชมงคล

วัสดุที่ไม่เป็นแม่เหล็กนั้นการเรียงตัวของแต่ละ magnetic domain ในเนื้อสารจะหักล้างสนามแม่เหล็๋กของอะตอมอื่นๆ กันแบบเวคเตอร์ ดังภาพ(1)

 วัสดุที่เป็นแม่เหล็กชั่วคราวในสภาพปกติสภาพขั้วแม่เหล็กของอะตอมภายในหักล้างกันเกือบหมด แต่เมื่อให้สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไปเหนี่ยวนำให้ หันไปทางเดียวกันจนวัสดุทั้งก้อนกลายสภาพเป็นแท่งแม่เหล็กชั่วคราวดังภาพ(2)  แต่เมื่อไม่ไห้สนามแม่เหล็กภายนอกเข้าไป วัสดุนั้นก็จะค่อยๆคลายหรือสลายสภาพแม่เหล็ก หรือแต่ละ domain เริ่มเปลี่ยนทิศขั้วแม่เหล็กมาหักล้างกันเอง   ส่วนแม่เหล็กถาวรนั้นจะคงสภาพแม่เหล็กได้นานกว่าแม่เหล็กชัี่่่่วคราว

คำว่าไม่มีใครอยู่ค้ำฟ้าก็ใช้ได้กับแม่เหล็กถาวรครับ  แม่เหล็กถาวรถูกทำลายสภาพแม่เหล็กได้นะครับ อย่างเช่นการให้ความร้อนหรือให้พลังงานเข้าไปจน เนื้อสารได้รับพลังงานแล้วเรียง magnetic domain  ใหม่จนสภาพแม่เหล็กลดลงหรือหายไป

 ทีนี้หันกลับมาพิจารณาเรื่องกระแสไฟฟ้าที่วนเป็นลูป(Loop)  กันบ้าง ภายในแกนกลางของโลกเรา เป็นโลหะดังภาพด้านล่าง

credit:Lesa Project

 แล้วแกนโลหะภายในซึ่่งร้อนเีสียจนอะตอมของออกไซด์โลหะเีสียอิเลคตรอนกลายเป็นไอออน ภายในหินเหลวเหนียวหนืดของแกนโลก  ก็เคลื่อนที่จนเกิดเป็นกระแสไฟฟ้า และทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลกนั่นเอง

credit:Lesa Project

 ปัจจุบันกระแสไฟฟ้าอันเนื่องมาจากการเคลื่่อนที่ของไอออนและอิเลคตรอนในหินหลอมเหลวในแก่นโลกชั้นนอก  วิ่งสวนทางกับการหมุนรอบตัวเองของโลกทำให้ ขั้วแม่เหล็กเหนือเป็นอยู่ทางขั้วใต้ภูมิศาสตร์และขั้วแม่เหล็กใต้อยู่ทางขั้วเหนือภูมิศาสตร์ (แต่ขั้วแม่เหล็กโลกสามารถพลิกกลับได้นะครับ ซึ่งยังคงเป็นปริศนาอยู่ว่าทำไมขั้วแม่เหล็กโลกถึงพลิกกลับ มีสมมติฐานว่าเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์)

ที่นี้จะพาไปหาดวงอาทิตย์เสียที ด้วยว่าดวงอาทิตย์นั้นคือกลุ่มก้อนก๊าซและพลาสมา นั้นก็คือดวงอาทิตย์มีประจุบวกและลบวิ่งไปวิ่งมา ดวงอาทิตย์เองก็หมุนรอบตัวเองไปด้วยทำให้เกิดดูราวกับมีกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปมา และทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ตลอดจนความผันแปรของสนามแม่เหล็กที่สูงมาก  ดังภาพ

Credit: 2003 September 18 image from the SOHO Extreme ultraviolet Imaging Telescope (EIT). ESA/NASA

นอกจากการเคลื่อนที่ของพลาสมาในระดับชั้นบรรยากาศต่างๆของดวงอาทิตย์แล้ว  การที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยอนุภาคทั้งแบบเป็นกลาง มีประจุบวกหรือลบออกมา ก็ทำให้เกิดกระแสอนุภาคมีประจุที่เรียกว่าลมสุริยะ(solar wind) ซึ่งส่งผลกระทบต่อตัวสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตยเองด้วย ดังนั้น คราวต่อไปค่อยมาต่อเรื่องลักษณะต่างๆ ของสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์นะจ๊ะ

 Editเพิ่มเติม ติดตาม ตอนที่สองได้เลยจ้าแค่คลิ๊ก

edit @ 29 Aug 2008 23:57:48 by Eddalion

edit @ 30 Aug 2008 00:51:15 by Eddalion