2. MAGNETISCHE UND ELEKTRISCHE FELDER IM

WELTRAUM

2.1 DIE STÄRKE VON GRAVITATION UND ELEKTRISCHEN KRÄFTEN

Gravitation    ist    eine    relativ    schwache    Kraft.    Die    elektrische    Coulomb-Kraft zwischen   einem   Proton   und   einem   Elektron   ist   in   der   Größenordnung   10^39   (das   ist eine 1 mit 39 Nullen danach) stärker als die Gravitation zwischen ihnen.

Wir   können   eine   Vorstellung   von   der   Stärke   elektromagnetischer   Kräfte   bekommen,   wenn   wir   einen   kleinen Magneten    nutzen,    um    einen    eisernen    Gegenstand,    z.B.    eine    Kugellagerkugel,    anzuheben.    Obwohl    die    ganze Schwerkraft   der   Erde   auf   die   Kugellagerkugel   einwirkt,   überwindet   der   Magnet   diese   sehr   leicht,   wenn   er   der Kugellagerkugel    nahe    genug    ist.    Im    Weltraum    ist    Gravitation    nur    an    solchen    Plätzen    von    Bedeutung,    wo    die elektromagnetischen Kräfte abgeschirmt oder neutralisiert werden.

Bei   kugelförmigen   Massen   und   Ladungen   nehmen   beide,   die   Gravitation   und   die   elektrische   Coloumb-Kraft, mit    dem    Quadrat    der    Entfernung    ab    und    verringern    sich    so    mit    wachsender    Distanz    rapide.    Bei    anderen Geometrien/Konfigurationen   verringern   sich   die   Kräfte   mit   der   Entfernung   langsamer.   So   nimmt   beispielsweise   die Kraft   zwischen   zwei   relativ   langen   und   dünnen   elektrischen   Strömen,   die   sich   parallel   zueinander   bewegen,   mit   der ersten Potenz der Entfernung zwischen ihnen ab. Elektrische   Ströme   können   Energie   über   gewaltige   Entfernungen   transportieren,   bevor   diese   Energie   genutzt wird,   um   ein   sichtbares   Resultat   zu   erzeugen,   so   wie   wir   unsere   Energie   von   einem   weit   entfernten   Kraftwerk   nutzen, um    einen    Kessel    voll    Wasser    in    unserer    Küche    zu    kochen.    Das    bedeutet,    dass    über    große    Entfernung elektromagnetische    Kräfte    und    elektrische    Ströme    zusammen    viel    wirksamer    sein    können    als    die    mickrige Schwerkraft oder sogar die stärkere elektrostatische Coulomb-Kraft. Es   sei   daran   erinnert,   dass,   um   das   Verhalten   der   Materie,   welche   wir   wahrnehmen   können,   zu   erklären,   sich das   Gravitationsmodell   vierundzwanzig   Mal   mehr   Materie   vorstellen   muss   als   wir   sehen   können,   an   ganz   bestimmten Stellen   und   von   einem   ganz   besonderen,   unsichtbaren   Typ.   Es   erscheint   viel   logischer   zu   sein,   zu   untersuchen,   ob die   bekannte   Physik   der   elektromagnetischen   Kräfte   und   elektrischen   Ströme   die   beobachteten   Effekte   zustande bringen kann anstatt etwas erfinden zu müssen, was nicht existieren kann.

2.2 DAS “VAKUUM” DES WELTRAUMS

Bis   vor   100   Jahren   dachte   man   der   Weltraum   sei   leer.   Die   Worte   “Vakuum”   und   “Leere”   waren   austauschbar. Doch   Raumsonden   haben   gefunden,   dass   der   Raum Atome,   Staub,   Ionen   und   Elektronen   enthält.   Obwohl   die   Dichte der    Materie    im    Weltraum    sehr    niedrig    ist,    ist    sie    nicht    Null.    Deshalb    ist    der    Weltraum    nicht    ein    Vakuum    im konventionellen   Sinn,   dass   es   “dort   überhaupt   nichts   gibt”.   So   ist   zum   Beispiel   bekannt,   dass   der   solare   “Wind” (Sonnenwind)   ein   Fluss   geladener   Teilchen   ist,   der   von   der   Sonne   kommt,   die   Erde   umschweift   und   letztendlich sichtbare Effekte wie Nord- (und Süd-) Lichter verursacht. Die   Staubteilchen   im   Weltraum   werden   in   einer   Größe   von   2   bis   200   Nanometer   angenommen   und   viele   von ihnen   sind   auch   elektrisch   geladen   mit   Ionen   und   Elektronen.   Diese   Mixtur   aus   neutraler   und   geladener   Materie   wird Plasma   genannt   und   ist   gefüllt   mit   Magnetfeldern.   Wir   werden   Plasma   und   seine   einzigartigen   Wechselwirkungen   mit elektromagnetischen   Feldern   mehr   im   Detail   in   Kapitel   3   behandeln.   Die   “leeren”   Räume   zwischen   den   Planeten    oder Sternen  oder Galaxien sind sehr verschieden von dem, was die Astronomen im früheren 20. Jahrhundert annahmen. (Anmerkung   zur   Terminologie   in   den   Links:   Astronomen   bezeichnen   Materie   im   Plasmazustand   als   “Gas”, “Winde”,    “heißes,    ionisiertes    Gas”,    “Wolken”    usw.    Diese    Bezeichnungen    verkennen    die    Notwendigkeit    der Unterscheidung   zwischen   den   zwei   sich   unterschiedlich   verhaltenden   Aggregatzuständen   im   Weltraum.   Der   erstere ist   elektrisch   geladenes   Plasma   und   der   andere   elektrisch   neutrales   Gas,   welches   weit   verstreute   nichtionisierte Moleküle oder Atome sind.)

2.3 EINFÜHRUNG IN MAGNETFELDER

Was   meinen   wir   mit   den   Begriffen   “Magnetfeld”   und   “magnetische   Feldlinien”?   Um   das   Konzept   eines   Feldes zu verstehen, müssen wir mit einem besser bekannten Beispiel beginnen: der Gravitation. Wir    wissen,    dass    Gravitation    eine   Anziehungskraft    zwischen    zwei    Körpern    oder    Teilchen    ist,    die    Masse besitzen.   Wir   sagen,   dass   die   Schwerkraft   der   Erde   um   uns   herum   ist   auf   der   Oberfläche   der   Erde   und,   dass   sich   die Schwerkraft   der   Erde   in   den   Weltraum   hinaus   erstreckt.   Wir   können   diese   Idee   einfacher   ausdrücken,   wenn   wir sagen,   dass   die   Erde   ein   Gravitationsfeld   hat,   welches   sich   in   alle   Richtungen   des   Raums   erstreckt.   Mit   anderen Worten,   ein   Gravitationsfeld   ist   eine   Region,   wo   eine   Gravitationskraft   eine   Anziehung   zwischen   zwei   Körpern   mit Masse ausübt. Ganz   ähnlich   ist   ein   magnetisches   Feld   eine   Region,   in   der   die   magnetische   Kraft   auf   einen   magnetisierten oder   geladenen   Körper   einwirkt.   (Wir   werden   später   nach   der   Herkunft   der   Magnetfelder   sehen.)   Die   Wirkung   der Magnetkraft   wird   an   ferromagnetischem   Material   am   offensichtlichsten.   So   richten   sich   beispielsweise   Eisenspäne an der Oberfläche in einem Magnetfeld selber in Richtung des Feldes aus wie eine Kompassnadel. Da   die   Eisenspäne   dazu   neigen,   sich   selber   vom   Südpol   zum Nordpol   auszurichten,   kann   das   von   ihnen   erzeugte   Muster   als   eine Serie   konzentrischer   Linien   gezeichnet   werden,   welche   die   Richtung und – indirekt – die Stärke des Feldes an jedem Punkt anzeigen. Deshalb   sind   magnetische   Feldlinien   ein   überzeugender   Weg um    die   Ausrichtung    des    Feldes    zu    verdeutlichen    und    dienen    als Leitlinien    für    den    Bahnverlauf    von    geladenen    Teilchen,    die    sich durch   ein   Feld   bewegen   (siehe   Fundamentals   of   Plasma   Physics , Cambridge University Press, 2006, Paul Bellan, Ph.D.). Es   ist   sehr   wichtig   sich   daran   zu   erinnern,   dass   Feldlinien nicht   als   physikalische   Objekte   existieren.   Jeder   Eisenspan   in   einem Magnetfeld   agiert   wie   ein   Kompass:   man   kann   ihn   etwas   bewegen und   er   zeigt   immer   noch   den   magnetischen   Nord-   und   Südpol   aus seiner   neuen   Position   an.   Ganz   ähnlich   wird   ein   Lot   (ein   Faden   mit   einem   Gewicht   am   Ende)   immer   die   lokale Ausrichtung   des   Gravitationsfeldes   anzeigen.   Linien,   die   man   in   Längsrichtung   durch   eine   Serie   von   Loten   zeichnet, würden   einen   Satz   von   Gravitationsfeldlinien   ergeben.   Solche   Linien   existieren   nicht   wirklich,   sie   sind   nur   ein überzeugendes,   hilfreiches   Mittel   der   Visualisierung   oder   der   Darstellung   der   Richtung   der   Kraft,   die   in   einem   Feld aktiv wird. Siehe Anhang I für die weitere Diskussion dieses Themas oder hier , bei Fizzics Fizzle . Eine   Feldlinie   zeigt   nicht   notwendigerweise   die   Richtung   der   Ausdehnung   der   Kraft   an,   was   auch   immer   das Feld     verursacht.     Feldlinien     können     gezeichnet     werden,     um     die     Richtung     oder     Polarität     einer     Kraft     zu veranschaulichen   oder   können   gezeichnet   werden,   um   Bereiche   gleicher   Intensität   einer   Kraft   zu   verdeutlichen,   in der   gleichen   Weise   wie   Höhenlinien   auf   einer   Karte   Punkte   gleicher   Höhe   verbinden,   wie   z.B.   Seehöhe.   Oft   werden bei   3-dimensionalen   Körpern   mit   magnetischen   Feldern   imaginäre   Oberflächen    genutzt,   um   anstatt   der   Feldlinien Bereiche gleicher Kraft zu repräsentieren. Übereinstimmend    wird    die    Richtung    eines    magnetischen    oder    elektrischen    Feldes    von    einem    Punkt    am südlichen zum nördlichen Pol gehend definiert. In   einem   Gravitationsfeld   kann   man   sich   entscheiden,   Linien   gleicher   Schwerkraft   anstatt   Richtungslinien dieser   Kraft   zu   zeichnen.   Diese   Linien   gleichstarker   Schwerkraft   können   mit   der   Höhe   (das   heißt   mit   der   Entfernung vom   Zentrum   des   Körpers)   variieren,   eher   so   wie   Höhenlinien   auf   einer   Karte.   Um   die   Ausrichtung   der   Kraft,   die diese   Höhenlinien   nutzt,   zu   finden,   muss   man   herausarbeiten,   auf   welchem   Weg   ein   Körper   sich   bewegt.   Ein   auf   die Seite    eines    Berges    gelegter    Stein    rollt    bergabwärts,    quer    durch    die    Höhenlinien.    Mit    anderen    Worten,    die Gravitationskraft steht senkrecht zu den Feldlinien gleicher Stärke der Gravitationskraft. Magnetfelder   sind   komplizierter   als   Gravitation,   weil   sie   entweder   anziehen   oder   abstoßen   können.   Zwei Dauerstabmagneten,    deren    entgegengesetzte    Enden    (entgegengesetzte    “Pole”    oder    Nord-    und    Süd)    einander zugewandt    sind,    ziehen    sich    an     entlang    der    Richtungen,    die    durch    die    Feldlinien    des    vereinten    Feldes    beider angedeutet   wird   (siehe   Bild   oben).   Magneten   mit   derselben   Polarität   (Nord-Nord,   Süd-Süd)   stoßen   einander   ab   entlang derselben Richtungen. Magnetfelder   üben   auch   Kräfte   auf   geladene Teilchen   aus,   die   sich   in   Bewegung   befinden.   Da   die   Kraft,   die   auf das   geladenen Teilchen   einwirkt,   sich   im   rechten   Winkel   zu   beiden,   den   elektrischen   Feldlinien   und   der   Richtung   des Teilchens,   befindet,   bewegt   sich   ein   geladenes   Teilchen   quer   durch   ein   magnetisches   Feld   und   wird   durch   die Wirkung    des    Feldes    gezwungen    eine    Richtungsänderung    auszuführen    (z.B.    um    zu    beschleunigen).    Seine Geschwindigkeit    bleibt    unverändert,    um    seine    kinetische    Energie    zu    erhalten.    Die    folgenden    Bilder    zeigen    im Laborversuch,   was   mit   einem   Elektronenstrahl   in   einer   Vakuumröhre   vor   und   nach   Anlegung   eines   Magnetfeldes passiert.

Die    magnetische    Kraft    auf    ein    in    Bewegung    befindliches    geladenes    Teilchen    verhält    sich    analog    der Gyroskopkraft.   Ein   geladenes   Teilchen,   das   sich   entlang   oder   “mit”   einer   magnetischen   Feldlinie   bewegt,   wird   keiner Kraft   ausgesetzt,   die   versucht   seine   Richtung   zu   ändern,   so   wie   der   Druck   auf   ein   sich   drehendes   Gyroskop   entlang seiner Rotationsachse nicht dazu führen wird, dass es sich dreht oder „präzessiert“. Obwohl     die     Kraft     auf     verschiedene     geladene     Teilchen     variiert,     ist     das     Konzept     der     Richtung     der Magnetfeldlinien   als   ein   Satz   vorgestellter   Feldlinien   nützlich,   weil   die   Richtung   der   Krafteinwirkung   auf   jede   Art   von Material, so wie bewegte geladene Teilchen, aus der Richtung des Feldes abgeleitet werden kann.

2.4 DIE ENTSTEHUNG VON MAGNETFELDERN

Es    gibt    nur    einen    Weg,    wie    Magnetfelder    erzeugen    werden    können:    durch    die    Bewegung    elektrischer Ladungen.   In   Dauermagneten   werden   die   Felder   von   Elektronen   erzeugt,   die   um   den   Kern   des   Atoms   kreisen.   Ein starker   Magnet   wird   geschaffen,   wenn   alle   Elektronen,   die   den   Kern   umkreisen,   eine   gemeinsame   Drehrichtung haben   und   so   eine   vereinte,   mächtige   Kraft   bilden.   Wenn   ein   Magnet   bis   zu   seiner   Curie -Temperatur   erhitzt   wird, zerbricht    die    thermische    Bewegung    der    Atome    die    ordentlichen    Drehrichtungen,    wodurch    das    resultierende Magnetfeld   stark   verringert   wird.   In   einem   von   einem   Strom   durchflossenen   Metall   wird   das   magnetische   Feld   durch Elektronen   erzeugt,   die   sich   entlang   der   Länge   des   Drahtes   bewegen.   Eine   detailliertere   Einführung   in   das   komplexe Thema Austauschwechselwirkung und Ferromagnetismus kann hier  gefunden werden. Ganz   egal   wie,   jedes   Mal,   wenn   sich   elektrische   Ladungen   bewegen,   erzeugen   sie   Magnetfelder.   Ohne   sich bewegende   elektrische   Ladungen   können   Magnetfelder   nicht   existieren.   Das   Ampèresche   Gesetz   besagt,   dass   eine sich   bewegende   Ladung   auf   einer   Ebene   senkrecht   zur   Bewegung   der   Ladung   ein   Magnetfeld   mit   kreisförmigen Feldkraftlinien erzeugt. Während     elektrische     Ströme,     die     durch     sich     bewegende elektrische   Ladungen   verursacht   werden,   unsichtbar   sein   können   und auf     große     Entfernungen     schwierig     zu     entdecken     sind,     ist     die Entdeckung   eines   Magnetfeldes   an   einem   Ort   im   Weltraum   (mit   den wohlbekannten   Methoden   der   Astronomie,   siehe   unten)   ein   sicheres Zeichen dafür, dass es von einem Strom begleitet wird. Wenn   ein   Strom   in   einem   Stromleiter   fließt,   wie   einem   langen, gerade   Draht   oder   einem   Plasma-Filament,   dann   wird   jedes   geladene Teilchen    in    seinem    Strom    von    einem    kleinen    Magnetfeld    umgeben sein.   Wenn   all   diese   individuellen   kleinen   Magnetfelder   sich   addieren, dann   ist   das   Ergebnis   ein   kontinuierliches   Magnetfeld   um   die   gesamte Länge   des   Stromleiters.   Die   Regionen   im   Raum   um   den   Draht,   wo   die Feldstärke    gleich    ist    („äquipotentiale    Oberfläche“    genannt),    sind konzentrische Zylinder um den Draht herum. Zeitabhängige     elektrische     und     magnetische     Felder     werden später behandelt (siehe Kapitel 4 und Anhang III) Die     Beantwortung     der     Frage     nach     der     Entstehung     der Magnetfelder     im     Weltraum     ist     ein     entscheidender     Unterschied zwischen dem Gravitationsmodell und dem Elektrischen Modell. Das   Gravitationsmodell   lässt   die   Existenz   von   Magnetfeldern   im Weltraum   zu,   weil   sie   regelmäßig   beobachtet   werden,   aber   sie   sollen   von   Dynamos   in   Sternen   erzeugt   werden.   Für die   meisten   Forscher   spielen   heute   weder   elektrische   Felder   noch   elektrische   Ströme   im   Weltraum   eine   wichtige Rolle bei der Erzeugung magnetischer Felder. Im    Gegensatz    dazu    argumentiert    das    Elektrische    Modell,    wie    wir    später    im    Detail    sehen    werden,    dass Magnetfelder   durch   die   Bewegung   geladener   Teilchen   im   Weltraum   in   derselben   Weise   erzeugt   werden   wie   hier   auf der   Erde.   Natürlich   akzeptiert   das   Elektrische   Modell   auch,   dass   Sterne   und   Planeten   Magnetfelder   haben,   was bewiesen   wird   durch   Magnetsphären   und   andere   Beobachtungen.   Die   neue   Ansicht   hat   eine   andere   Herkunft   für diese Magnetfelder im Weltraum zu erklären, wenn sie nicht durch Dynamos in Sternen erzeugt werden.

2.5 ENTDECKUNG VON MAGNETFELDERN IM WELTRAUM

Seit   dem   Beginn   des   Raumfahrtzeitalters   sind   Raumfahrzeuge   in   der   Lage,   Magnetfelder   im   Sonnensystem   mit Instrumenten   an   Bord   der   Raumfahrzeuge   zu   messen.   Wir   können   Magnetfelder   außerhalb   der   Reichweite   der Raumfahrzeuge   “sehen”,   da   diese   Felder   eine   Wirkung   auf   Licht   und   andere   Strahlung   haben,   die   sie   durchqueren. Wir können sogar die Stärke dieser Magnetfelder schätzen, indem wir den Betrag dieses Effektes messen. So   oder   so,   jedes   Mal,   wenn   sich   elektrische   Ladungen   bewegen,   erzeugen   sie   Magnetfelder.   Ohne   sich bewegende    elektrische    Ladungen    können    Magnetfelder    nicht    existieren   Ampères    Gesetz    stellt    fest,    dass    sich bewegende   Ladungen   ein   Magnetfeld   erzeugen   mit   kreisförmigen   Feldlinien   auf   einer   Ebene,   die   senkrecht   zur Bewegung der Ladungen ist.

Wir   haben   über   das   Magnetfeld   der   Erde   seit   Jahrhunderten   gewusst.   Jetzt   können   wir   solche   Felder   im Weltraum   entdecken,   weshalb   das   Konzept   der   Magnetfelder   im   Weltraum   intuitiv   und   einfach   zu   verstehen   ist, obwohl die Astronomen Schwierigkeiten dabei haben, die Entstehung dieser Magnetfelder zu erklären. Magnetfelder   können   auf   vielen   verschiedenen   Wellenlängen   im   Weltraum   wahrgenommen   werden,   indem man     Anzahl     und     Art     der     Aufspaltungen     der     symmetrischen     spektographischen     Emissionslinien     oder Absorptionslinien   feststellt,   die   die   Magnetfelder   erzeugen.   Das   ist   bekannt   als   Zeeman-Effekt,   benannt   nach   einem niederländischen   Physiker   und   Nobelpreisträger,   Pieter   Zeeman   (1865-1943).   Man   beachte   auf   dem   Bild   rechts   oben wie eng die Feldrichtung an den galaktischen Armen ausgerichtet ist, die auf dem optischen Bild links s ichtbar sind. Ein       anderer       Indikator       der       Anwesenheit       eines Magnetfeldes      ist      die      Polarisation      von      synchrotronen Emissionen,     die     von     Elektronen     in     einem     Magnetfeld abgestrahlt     werden.     Sie     sind     hilfreich     bei     galaktischen Größenordnungen.   Siehe   Becks Artikel    über   Galactic   Magnetic Fields ,   in   Scholarpedia,   sowie   Beck   und   Sherwoods   Atlas    of Magnetic   Fields   in   Nearby   Galaxies .   Messungen   des   Grades der    Polarisation    machen    vom    Faraday-Effekt     Gebrauch.    Der Faraday-Effekt    wiederum    führt    zur   Ableitung    der    Stärke    der Magnetfelder durch welche das polarisierte Licht sich bewegt. Der    hochinstruktive    Artikel    von    Phillip    Kronberg    und anderen,   Measurement   of   the   Electric   Current   in   a   Kpc-Scale Jet ,   ermöglicht   eine   tiefe   Einsicht   in   die   direkte   Verbindung zwischen   dem   gemessenen   Faraday-Effekt   in   den   mächtigen „Knoten“   in   einem   großen   galaktischen   Jet,   der   resultierenden Magnetfeldstärke und dem elektrischen Strom im Jet. Magnetfelder    sind    in    beiden,    dem    Gravitationsmodell und    dem    Elektrischen    Modell,    vertreten.    Der    entscheidende Unterschied   ist   der,   dass   das   Elektrische   Modell   erkennt,   dass Magnetfelder    im    Weltraum    immer    von    elektrischen    Strömen begleitet   werden.   Wir   werden   uns   mit   elektrischen   Feldern   und Strömen als nächstes befassen. umblättern