W astrofizyki The teorii efektu dynamo dotyczy przypadków, w których przewodzący przedmiot , A ciało niebieskie lub planeta generuje pole magnetyczne , kiedy ciągnie się za pomocą prądu elektrycznego . Podstawowa teoria fizyczna jest analogiczna do tej, która opisuje efekt dynamo w elektrotechnice .
Te indukcyjne zjawiska pozwalają wyjaśnić powstawanie pola magnetycznego wokół gwiazdy, takiej jak Ziemia , przez efekt ziemskiej dynama , na Słońcu , przez dynamo słoneczne lub wokół innych planet lub gwiazd .
Postępy w tej dziedzinie mogą zapewnić lepsze zrozumienie pewnych problemów magnetohydrodynamicznych i wyjaśnić pewne właściwości Słońca i magnetarów (pewnego typu gwiazdy neutronowej ).
W de Magnete (en) opublikowanej w 1600 roku William Gilbert stwierdza, że Ziemia ma magnetyzm stały, podobny do magnetytu . Obserwacja ziemskiego dipola magnetycznego , który stanowi dużą część ziemskiego pola magnetycznego i który, zgodnie z obserwacjami w tamtym czasie, wydawał się być ustalony z odchyleniem około 11 stopni od osi obrotu Ziemi, potwierdziła tę ideę.
W 1919 roku Joseph Larmor zasugerował, że pole może wygenerować dynamo . Jednak stara się to wyjaśnić w odniesieniu do pola magnetycznego Słońca. Larmor nie przekonuje swoich rówieśników. Zastosowanie teorii Carla Friedricha Gaussa do obserwacji magnetycznych pokazuje, że ziemskie pole magnetyczne jest raczej wewnętrzne niż zewnętrzne.
Inni naukowcy oferują alternatywne wyjaśnienia. Einstein przypuszcza, że może istnieć asymetria między ładunkami elektronu i protonu, który w skali całej Ziemi wytwarzałby swoje pole magnetyczne. W międzyczasie Patrick Blackett podjął serię eksperymentów, aby znaleźć podstawową zależność między momentem pędu a momentem magnetycznym , ale nic nie dało.
Walter M. Elsasser , uważany za „ojca” obecnej teorii na temat efektu dynama na Ziemi, argumentuje, że magnetyzm jest generowany przez prądy elektryczne indukowane w zewnętrznym płynnym jądrze Ziemi. Był jednym z pierwszych, którzy zbadali orientację magnetyczną minerałów w skałach, określając w ten sposób zmiany pola magnetycznego Ziemi w czasie.
Aby utrzymać pole magnetyczne przed rozpraszaniem omowym (które wystąpiłoby dla pola dipolowego za 20000 lat), rdzeń zewnętrzny musi podlegać ruchom konwekcyjnym .
Jak dotąd cyfrowe modelowanie pola magnetycznego Ziemi nie zostało jeszcze pomyślnie zademonstrowane, ale wydaje się to wykonalne. Pierwsze modele koncentrują się na generowaniu pola w wyniku ruchów konwekcyjnych w płynnym jądrze planety. Można było zademonstrować wytwarzanie pola tak silnego jak Ziemia, gdy model zakładał jednolitą temperaturę na powierzchni rdzenia i niezwykle wysoką lepkość płynnej magmy . Obliczenia, które obejmują bardziej realistyczne parametry, dają wartości pola magnetycznego, które są niższe niż zmierzone, ale także otwierają drogę do udoskonalenia obecnych modeli, które ostatecznie mogą doprowadzić do powstania pojedynczego, precyzyjnego modelu analitycznego. Tak więc bardzo małe zmiany temperatury powierzchni jądra Ziemi , rzędu kilku milikelwinów , powodują duży wzrost strumienia konwekcyjnego i wytwarzają bardziej realistyczne pole magnetyczne.
Teoria efektu dynamo opisuje proces, w którym obrót z ruchem konwekcyjnym w przewodzącym płynie działa w celu utrzymania pola magnetycznego. Teoria ta służy do wyjaśnienia obecności długotrwałych pól magnetycznych w ciałach astronomicznych. W przypadku ziemskich płynem przewodzącym jest płynne żelazo znajdujące się w rdzeniu zewnętrznym. W przypadku dynamo słonecznego jest to gaz zjonizowany tachokliną . Teoria dynamo ciał astrofizycznych wykorzystuje równania magnetohydrodynamiczne do badania, w jaki sposób płyn może w sposób ciągły regenerować pole magnetyczne.
Aby dynamo działało, muszą być spełnione trzy warunki:
W przypadku Ziemi pole magnetyczne jest indukowane i stale aktualizowane przez konwekcję ciekłego żelaza w rdzeniu zewnętrznym. Rotacja różnicowa w rdzeniu zewnętrznym jest zapewniana przez siłę Coriolisa wywołaną obrotem Ziemi. Siła Coriolisa ma zatem tendencję do napędzania ruchu płynów i prądów elektrycznych w kolumnach (in) ustawionych w osi obrotu.
Pole magnetyczne (B) zależy od prędkości (u), czasu (t), przenikalności magnetycznej ( ) i dyfuzyjności magnetycznej ( ) zgodnie z równaniem indukcji:
Stosunek między drugim członem po prawej stronie a pierwszym członem to magnetyczna liczba Reynoldsa .
Siły pływowe pomiędzy ciałami niebieskimi na orbicie powodują tarcie, które ogrzewa ich wnętrza i pomaga zjednoczyć czynniki efektu dynama, pod warunkiem, że to wnętrze przewodzi. Na przykład siły pływowe, którym poddawane są satelity Enceladus z Saturna i Io z Jowisza, są wystarczające do upłynnienia wnętrza tych gwiazd, nawet jeśli niekoniecznie są wystarczająco przewodzące. Pomimo niewielkich rozmiarów Merkury ma pole magnetyczne, ponieważ ma przewodzący płynny rdzeń, podczas gdy wystarczające tarcie wynika z jego bardzo eliptycznej orbity . Jedna teoria, poparta magnetycznymi skałami księżycowymi, sugeruje, że Księżyc miał kiedyś pole magnetyczne.
W kinematycznej teorii dynamo, zamiast być zmienną dynamiczną, wyznaczane jest pole prędkości . Ustala się ją za pomocą równań Maxwella sprzężonych z prawem Ohma .
Najbardziej interesującą cechą kinematycznej teorii dynamo jest to, że można ją wykorzystać do sprawdzenia, czy pole prędkości jest w stanie wytworzyć efekt dynama, czy też nie.
Przybliżenie kinematyczne staje się nieważne, gdy pole magnetyczne staje się wystarczająco silne, aby wpływać na ruchy płynu. W tym przypadku na pole prędkości wpływa siła Lorentza, a równanie indukcji nie jest już liniowe. W tej sytuacji modele cyfrowe służą do symulacji w pełni nieliniowych dynama.