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

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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 
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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.

Die vier fundamentalen Kräfte in der Physik

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. 

Ein kleiner Magnet zieht eine Kugellagerkugel an und hält sie gegen die Anziehung der Schwerkraft

der Erde fest.

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.) 

Vorkommen von ionisiertem Wasserstoff (Plasma) am nördlichen Sternenhimmel –Bildquelle: Wiki

Commons

Die Existenz geladener Teilchen und elektromagnetischer Felder im Weltraum wird von beiden  akzeptiert, vom Gravitationsmodell wie vom Elektrischen Modell. Doch die Bedeutung, die beiden und ihrem  Verhalten beigemessen wird, ist ein entscheidender Unterschied zwischen den Modellen. Wir werden deshalb zunächst die magnetischen Felder diskutieren. 

Aurora, fotografiert von L. Zimmerman, Fairbanks, Alaska.

Mit freundlicher Genehmigung spaceweather.com, Aurora Photo Gallery

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. 

Ein von Eisenspänen umgebener Stabmagnet

verdeutlicht die Ausrichtung des

magnetischen Feldes

Magnetfeldwirkung auf einen Elektronenstrahl in einer Vakuumröhre. Bei der ersten Demonstration in einer Vakuumröhre 

wird ein Elektronenstrahl (der blaues Licht aussendet, links) gerade beschleunigt. Das durch elektrische Spulen (Zentrum) 

verstärkte magnetische Feld zwingt den Elektronenstrahl sich zu krümmen als er sich durch sie hindurchbewegt. 

Bildquelle: Clemson University, Physics On-line

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.

Sich überlagernde magnetische Feldlinien auf der Sonne in der Nähe eines koronalen Loches

und aktiver Regionen. Die Dynamik solcher Felder zu verstehen hilft, die ihnen zugrunde

liegenden Plasma-Ströme zu verstehen, die sie formten.

Bildquelle: NASA SDO / Lockheed Martin Space Systems Corp., 20.10.2010

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.

Magnetfeldlinien umgeben einen Stromleiter

in konzentrischen, gleich starken Zylindern

oder “Schalen”. Wenn man seinen rechten

Daumen in entsprechend des Richtungspfeils

des Stromes richtet, dann zeigen die ge-

krümmten Finger die Richtung des

Magnetfeldes.

Bildquelle: Wikipedia Commons,

Beschriftungen wurden ergänzt

Mit freundlicher Genehmigung von Rainer Beck und Bill Sherwood (ret.), Max-Planck-Institut für

Radioastronomie

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 sichtbar 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
Der Zeeman-Effekt, Spektrallinien-Verbreiterung oder –aufspaltung in einem magnetischen Feld. Bildquelle: www.chemteam.info/classical papers/no.38,1897– the Zeeman-Effekt. Originalfoto von Pieter Zeeman

1. Entfernung im Weltall

Fortsetzung

1. Entfernung im Weltall

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Übersetzung H. Täger