Für Anfänger

gibt es eine Einführung in die Thematik des kosmischen  Plasmas unterstützt durch Youtube Movies

Der Leitfaden

der Elektro- dynamik ist die Voraussetzungen, um die Eigen- schaften des Plasmas, des Aggregatzustandes, in dem sich der Kosmos zu mehr als 99% befindet, zu verstehen..  

Missverständnisse

sind der Grund, warum viele Leute die Ideen des Elektrischen Universums ablehnen. Hier wird mit den Missverständnissen aufgeräumt.

Unter dem Menüpunkt

      Blogs/ Ideensammlung

werden archeologische Artefakte

und mythologische Überlieferungen

von  David Talbott in einer

Podcastserie gedeutet.

SpaceNews

In Kurzfilmen mit deutschen  Untertiteln werden die neuesten  Erkenntnisse über den Kosmos  dargestellt.

Neu: siehe SpaceNews 2016

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Elektrische Universum

letzte Änderung: 26.04.2017 

2. Fortsetzung

2.6 EINFÜHRUNG IN ELEKTRISCHE FELDER

Eine elektrische Ladung besitzt eine Polarität. Das bedeutet, dass sie entweder positiv oder negativ ist.  Nach Übereinkunft entspricht die elementare (kleinste) Einheit einer Ladung der eines Elektrons (-e) oder eines  Protons (+e). Die elektrische Ladung ist gequantelt, sie ist immer ein ganzzahliges Vielfaches von e.    Die Grundeinheit einer Ladung ist ein  Coulomb (C), wobei e = 1,60×10^-19 Coulomb. In  Umkehrung des letztgenannten kleinen Wertes  entspricht ein Coloumb 6,25×10^18 einzelnen  geladenen Teilchen. Ein Ampere (A) eines  elektrischen Stromes ist ein Coloumb pro Sekunde.  Ein 20A-Strom bedeutet deshalb, dass 20 C einer  Ladung pro Sekunde oder das 1,25×10^20  Elektronen pro Sekunde einen bestimmten Punkt  passieren.  Jede Ladung führt ein sie begleitendes  elektrisches Feld mit sich. Ein elektrisches Feld  ähnelt einem magnetischen Feld darin, dass es  erzeugt wird durch die grundlegende Kraft der  elektrischen Wechselwirkung und deren  “Reichweite” oder Wirkungsbereich, der unendlich  oder unendlich groß ist. Das ein einzelnes  geladenes Teilchen umgebende elektrische Feld ist  kugelförmig, wie das Feld der Gravitations-  beschleunigung um eine kleine Punktmasse oder eine große Kugelmasse herum. Die Stärke eines elektrischen Feldes an einem bestimmten Punkt definiert sich als Kraft in Newton (N), die  von einer positiven Testladung von 1 Coloumb, die an diesem Punkt platziert ist, ausgeübt wird. Wie bei  Gravitation ist die Kraft dieser Ladung umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zu dieser (oder einer  anderen) Ladung. Das Wichtigste besteht bei der Definition einer Testladung als positiv darin, konsequent die Richtung der  Kraft, die eine Ladung auf eine andere Kraft ausübt, zu definieren. Da gleiche Ladungen, so wie Magnetpole, sich  abstoßen und ungleiche sich anziehen, tendieren die vorgestellten elektrischen Feldlinien dahin, von positiven  Ladungen weg in Richtung auf negative Ladungen zu zeigen. Siehe das kurze Youtube-Video über das elektrische  Feld hier. Hier sieht man eine anwendergesteuerte Demonstration von zwei Ladungen und die sie umgebenden Linien der Kraft in dieser Mathematica-Anwendung Man muss dazu den Mathematica-Player von der verlinkten Webseite herunterladen (nur einmal und das  gratis) um die Demo abzuspielen. Nach Installation von Mathematica Player auf “Download Live Demo” klicken.  Man kann die Stärke und Polarität der Ladung (+ oder -) mit den Gleitreglern bestimmen und die geladenen  Teilchen über den Schirm ziehen, muss aber den Feldlinien Zeit geben, sich zwischen den Änderungen zu  beruhigen. Elektromagnetische Kräfte wirken gewöhnlich stärker auf Plasma im Weltraum als Gravitationskräfte.  Elektromagnetismus kann abgeschirmt werden, während das bei Gravitation nicht funktioniert, soweit wir wissen.  Das übliche Argument des Standardmodells besteht darin, zu sagen, dass die meisten Elektronen in einer Region  oder einem Körper mit Protonen in den Kernen der Atome und Moleküle gepaart sind, so dass die resultierenden  Kräfte der positiven und negativen Ladungen sich so perfekt aufheben, dass für “große Körper Gravitation  dominieren kann” (Link: Wikipedia, Fundamental Interactions, unter dem Untertitel Electromagnetism).  Dabei wird übersehen, dass mit der gelegentlichen Ausnahme von relativ kühlen, stabilen und fast-  neutralen Planetenumgebungen, wie der auf der Erde gefundenen, die meiste Materie im Universum aus Plasma  besteht, d.h. geladene und neutrale Teilchen bewegen sich in der komplexen Symphonie von Ladungstrennung  und elektrischen und magnetischen Feldern, die sie selbst geschaffen haben. Gravitation, obwohl immer  vorhanden, ist typischerweise nicht die dominierende Kraft.  Da sie weit entfernt davon entfernt sind, mehrheitlich aus neutralen Ladungen und schwachen  magnetischen und elektrischen Feldern sowie sie begleitenden schwachen Ladungen zu bestehen, können  elektrische Felder und Ströme in Plasma im Weltraum oft sehr groß und kraftvoll werden. Das Elektrische Modell  besteht darauf, dass Phänomene im Weltraum wie Magnetosphären, Birkeland-Ströme, Sterne, Pulsare, Galaxien,  galaktische und stellare Jets, planetare Nebel, “Schwarze Löcher”, energetische Teilchen wie Gammastrahlung  und Röntgenstrahlung und andere grundsätzlich elektrische Ereignisse der Plasma-Physik sind. Sogar felsige  Körper – Planeten, Asteroiden, Monde und Kometen und die Gaskörper in einem Sonnensystem – existieren in  der Heliosphäre ihrer Sterne und sind nicht ausgenommen von elektromagnetischen Kräften und deren  Wirkungen. Jedes separate, geladene Teilchen trägt zum elektrischen Gesamtfeld bei. Die resultierende Kraft an jedem  Punkt in einem komplexen elektromagnetischen Feld kann mittel Vektoren berechnet werde, wenn die Ladungen  als feststehend angenommen werden. Wenn geladene Teilchen sich bewegen (und das tun sie immer), dann  “schaffen” sie – sind sie begleitet von – Magnetfeldern und das verändert die magnetische Konfiguration.  Änderungen in einem Magnetfeld wiederum schaffen elektrische Felder und beeinflussen deshalb die Ströme  selber, so dass Felder, die mit sich bewegenden Teilchen beginnen, sehr komplexe Wechselwirkungen,  Rückkopplungsschleifen und chaotische Mathematik repräsentieren.   Ladungen im Weltraum können in jeder Konfiguration räumlich verteilt sein. Wenn, anstatt eines Punktes  oder einer Kugel, die Ladungen in linearer Weise verteilt sind, so dass die Länge des geladenen Gebietes viel  länger ist als ihre Breite oder ihr Durchmesser, dann kann gezeigt werden, dass die elektrischen Felder die lineare Form wie Zylinder gleichen Kraftpotentials umgeben, und dass das Feld aus dieser Konfiguration mit steigender  Entfernung von der Achse des Körpers proportional abnimmt (nicht mit dem Quadrat der Entfernung).Das ist  wichtig für das Studium der Effekte von elektrischen und magnetischen Feldern in filamentären Strömen wie  Blitzschlägen, einem Plasmafokus oder großen Birkelandstömen im Weltraum.  Erinnert sei daran, dass die Richtung der auf eine positive Ladung ausgeübten Kraft bei der positiven  Ladung beginnt und an der negativen Ladung endet, oder, wenn sie die negative Ladung verfehlt, sich unendlich  weit erstreckt. Sogar ein kleines Ladungsungleichgewicht mit, sagen wir, mehr positiv geladenen Teilchen hier  und mehr negativ geladenen Teilchen ein Stück entfernt, führt zu einer Region der Kraft oder elektrischen Feldern  zwischen den Bereichen getrennter ungleicher Ladungen. Die Bedeutung dieser Verteilung wird bei der  Diskussion von Doppelschichten in Plasma weiter unten noch deutlicher werden.  Man stelle sich einen elektrischen Kondensator vor, in dem es zwei getrennte, entgegen gesetzt geladene  Platten oder Schichten gibt, vergleichbar zu den zwei geladenen Platten “B” in der Abbildung oben. Es gibt ein  elektrisches Feld zwischen den zwei Schichten. Jedes geladene Teilchen, das sich zwischen den beiden  Schichten bewegt oder platziert ist, wird durch die entgegengesetzt geladene Schicht beschleunigt. Elektronen  (welche negativ geladen sind) beschleunigen in Richtung der positiv geladenen Schicht und positive Ionen in  Richtung der negativ geladenen Schicht.
Das elektrische Feld um eine positive Ladung (L) und zwischen zwei geladenen Platten. Die Pfeile deuten die Richtung der Kraft an einer positiven Ladung an. Man beachte, dass dieselbe Kraft in die entgegen gesetzte Richtung wirkt bei einer negativen Ladung.

Die Flamme einer Kerze in einem elektrischen Feld zwischen ungleich geladenen

Platten bewegt sich seitwärts, weil die Flamme teilweise aus ionisiertem Plasma

besteht. Sie reagiert deshalb stärker auf die elektrische Kraft zwischen den Platten

als auf die vertikalen thermischen Kräfte in einem Schwerkraftfeld.

Dem Newtonschen Gesetz zufolge führen Kräfte zur Beschleunigung. Deshalb ergibt sich aus elektrischen  Feldern die Aufnahme von Geschwindigkeit durch geladene Teilchen. Entgegengesetzt geladene Teilchen werden sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Ein elektrischer Strom ist per Definition die Bewegung einer  Ladung nach einem Punkt. Elektrische Felder verursachen daher elektrische Ströme, indem sie geladene  Teilchen beschleunigen. Wenn ein elektrisches Feld stark genug ist, dann werden die geladenen Teilchen durch das Feld auf sehr  große Geschwindigkeiten beschleunigt. Zum weiteren Studium über elektrische Felder siehe hier.

2.7 ENTDECKUNG ELEKTRISCHER FELDER UND STRÖME IM WELTRAUM

Elektrische Felder und Ströme sind viel schwieriger zu entdecken, wenn man kein Messinstrument direkt  an das Feld anlegen kann, aber wir haben elektrische Ströme im Sonnensystem durch die Nutzung von  Raumfahrzeugen festgestellt. Eines der ersten war der auf einer niedrigen Umlaufbahn fliegende Satellit TRIAD,  der Ströme entdeckte, die mit der oberen Atmosphäre der Erde wechselwirken. 1981 beschrieb Hannes Alfén ein  heliosphärisches Strommodell in seinem Buch Cosmic Plasma.  Seither wurde eine Region elektrischer Ströme, genannt Heliosphärische Neutralschicht (heliospheric oder  heliocentric current sheet oder kurz HCS) entdeckt, die die positiven und negativen Regionen des Magnetfeldes  der Sonne von einander trennt. Sie ist etwa 15 Grad zum Sonnenäquator geneigt. Während einer Hälfte des  Sonnenzyklus liegen die nach außen zeigenden Magnetfelder über der HCS und nach innen zeigende  Magnetfelder darunter. Dann kehren sich die Verhältnisse um, wenn das Magnetfeld der Sonne nach der Hälfte  des Sonnenzyklus seine Polarität wechselt. So wie die Sonne sich dreht, dreht sich die HCS mit ihr, und “zieht”  ihre Wellenbewegungen mit sich in einer, von der NASA so genannten, “Standard-Parkerspirale”. Einige Links zu Webseiten, die sich mit der heliosphärischen Neutralschicht befassen, befinden sich bei  Wikipedia, NASA, dieser Mathematica-Demonstration und der UK Solar Physics Webseite. 

Darstellung der um die Sonne herum liegenden heliozentrischen Neutralschicht (HCS)  mit den

typischen, zu einer Spiralenform gezogenen Wellenformen.  

Bildquelle: Wiki Commons

Raumfahrzeuge haben seit 1980 im Lauf der Zeit Veränderungen an verschiedenen Stellen in der  Neutralschicht gemessen. Sie haben erdnahe und ebenso Sonnenströme entdeckt. Das Gravitationsmodell  akzeptiert, dass Ströme im Weltraum existieren, nimmt aber an, dass sie ein Ergebnis des magnetischen Feldes  sind. Wir werden später auf diesen Punkt zurückkommen. 

Eine Forschungsrakete, SPIRIT II, mit ausfahrbaren Auslegern mit Langmuir-Sonden als Nutzlast, die

elektrische Felder und Ionen im erdnahen Plasma finden sollen.

Bildquelle: NASA Wallops Flight Facility und Penn State University

Elektrische Felder außerhalb der Reichweite von Raumfahrzeugen sind nicht in derselben Weise zu  entdecken wie magnetische Felder. Die Aufspaltung oder Verbreiterung von Spektrallinien kommt in elektrischen  Feldern vor, aber es ist ein asymmetrisches Aufspalten der Linien, welches die Anwesenheit eines elektrischen  Feldes anzeigt, im Gegensatz zu der symmetrischen Aufspaltung der Linien in Magnetfeldern. Außerdem ist die  Verbreiterung der Linien durch elektrische Felder abhängig von der Masse des Licht aussendenden Elements (die  leichteren Elemente sind sehr schnell verbreitert oder aufgespalten, schwerere Elemente hingegen weniger  betroffen), während die Verbreiterung nach Zeeman (magnetisches Feld) unabhängig von deren Masse ist. Die  asymmetrisch breitlinige Aufspaltung oder Verbreiterung wird als Stark-Effekt bezeichnet, nach Johannes Stark  (1874-1957). 

Die Verschiebung von Spektrallinien von Helium

wächst mit der Stärke des elektrischen Feldes,

welches es passiert. Schwere Elemente zeigen

weniger Aufspaltung der Spektrallinien als

leichtere.

Bildquelle: Journal of the Franklin Institute, 1930

Ein anderer Weg um elektrische Felder zu entdecken, ist der Rückschluss aus dem Verhalten der geladenen Teilchen,  insbesondere derjenigen, die auf hohe Geschwindigkeiten  beschleunigt werden und die Existenz elektromagnetischer  Strahlung wie Röntgenstrahlen im Weltraum, welche, wie wir  seit langer Zeit aus unserer irdischen Erfahrung wissen, durch  starke elektrische Felder erzeugt werden. Elektrische Ströme in Plasma geringer Dichte verhalten  sich wie fluoreszierendes Licht oder Crooke´sche  Vakuumröhren. In einem schwachen Ladungszustand ist  Plasma dunkel und strahlt wenig sichtbares Licht ab (obwohl  kalt, kann dünnes Plasma im Bereich der Radio- und fernen  infraroten Wellenlängen sehr stark strahlen). Wenn der Strom  größer wird, dann tritt das Plasma in den Glimmmodus ein  und strahlt einen mäßigen Betrag elektromagnetischer  Energie im sichtbaren Bereich ab. Dies wird deutlich im Bild  am Ende dieses Kapitels. Wenn elektrische Ströme in Plasma  sehr intensiv werden, dann strahlt das Plasma im  Lichtbogenmodus. Außer der Größenordnung gibt es wenig  signifikanten Unterschied zwischen Blitzen und der  strahlenden Oberfläche der Photosphäre eines Sterns. 
Das bedeutet natürlich, dass elektrische Prozesse nicht einfach auf die Teile des Sonnensystems begrenzt  sind, die für Raumfahrzeuge erreichbar sind. Das Elektrische Modell schlägt vor, dass ähnliche Prozesse auch  außerhalb unseres Sonnensystems vor sich gehen. Nach alledem wäre es seltsam, wenn unser Sonnensystem der  einzige Platz im Universum wäre, wo elektrische Effekte vorkommen.

Der Schleiernebel mit seinen durchsichtigen, glimmenden filamentären Plasmaströmen und Stromschichten dehnt sich

über Lichtjahre aus.

Bildquelle: T.A. Rector, University of Alaska, Anchorage, and Kitt Peak WIYN 0,9m telescope/NOAO/AURA/NSF

Übersetzung H. Täger

3. Das Plasma

3. Das Plasma

2. Felder im Weltraum

2. Felder im Weltraum