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. Diese

Deutungen sind jedoch physikalisch

nicht haltbar.

SpaceNews

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

Neu: siehe SpaceNews 2016

unterstützt von  Mugglebibliothek.
© Dr. M. Hüfner 2015
Wer Interesse an der Unterstützung dieser Website hat, melde sich bitte bei     jasta72s@gmail.com

Willkommen bei einer

Stimme für das

Elektrische Universum

l etzte Änderung: 01.11.2017

3. PLASMA

3.1 EINFÜHRUNG IN DIE PLASMA-PHYSIK

Es   ist   bekannt,   dass   der   Weltraum   mit   Plasma   gefüllt   ist.   Plasma   ist   tatsächlich   der   im   Universum   am weitesten   verbreitete   Aggregatzustand.   Es   ist   zu   finden   in   einem   breiten   Bereich   von   Feuer,   Neonlichtern   und Blitzen   auf   der   Erde   ebenso   wie   in   galaktischen   und   intergalaktischen   Räumen.   Der   einzige   Grund   dafür,   dass   wir mit    Plasma    nicht    besser    vertraut    sind,    besteht    darin,    dass    die    Menschheit    in    einer    dünnen    Biosphäre    aus Feststoffen,   Flüssigkeiten   und   Gasen   lebt,   auf   die   unsere   Sinne   abgestimmt   sind.   So   nehmen   wir   beispielsweise Feuer   nicht   als   Plasma   wahr;   wir   sehen   eine   helle   Flamme   und   fühlen   Hitze.   Nur   wissenschaftliche   Experimente können uns zeigen, dass Plasma in der Flamme anwesend ist.

Während Studien von Plasma sich auf einzelne Themen wie die Erzeugung

von Fusionsenergie konzentriert, erwartet Lernende mit einem breiteren

Interesse auch das Verständnis dafür, wie das Universum funktioniert.

Bildquelle: DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

Plasma   ist   eine   Ansammlung   geladener   Teilchen ,   die   kollektiv   auf   elektromagnetische   Kräfte   reagieren” (aus    dem    ersten   Absatz    in    Physics    of    the    Plasma    Universe,   Anthony    Peratt,    Springer-Verlag,    1992).    Eine Plasmaregion   kann   auch   einen Anteil   neutraler Atome   und   Moleküle   enthalten   und   ebenso   beides,   geladene   und neutrale   Verunreinigungen   wie   Staub,   Körner   und   größere   Körper,   von   kleinen   felsigen   Körpern   bis   zu   großen Planeten und natürlich Sternen. Das   entscheidende   Merkmal   ist   die   Anwesenheit   von   freien   Ladungsträgern,   das   heißt   von   Ionen   und Elektronen   und   geladenen   Staubpartikeln.   Ihre   starke   Reaktion   auf   elektromagnetische   Felder   führt   zu   einem Verhalten    von    Plasma,    welches    völlig    verschieden    zum    Verhalten    von    nichtionisiertem    Gas    ist.    Natürlich reagieren   alle   Teilchen   –   geladene   und   neutrale   –   auf   ein   Gravitationsfeld   proportional   zu   seiner   lokalen   Stärke. Da    das    Universum    vor    allem    aus    Plasma    besteht,    sind    Regionen    in    denen    die    Gravitationskraft    über    den Elektromagnetismus dominiert relativ selten. Wegen   seiner   einzigartigen   Eigenschaften   wird   Plasma   gewöhnlich   als   ein   von   den   Aggregatzuständen fest,     flüssig     und     gasförmig     unterschiedlicher     Aggregatzustand     bezeichnet.     Er     wird     oft     als     “vierter Aggregatzustand”    bezeichnet,    obwohl    er,    da    er    der    am    häufigsten    vorkommende   Aggregatzustand    ist,    als “erster” Aggregatzustand bezeichnet werden sollte. Die   Übersicht   unten   wird   normalerweise   genutzt,   um   zu   verdeutlichen,   wie   die Aggregatzustände   sich   von einem   thermischen   Gesichtspunkt   aus   verändern.   Je   höher   die Temperatur,   umso   höher   geht   es   die   Energieleiter hinauf    mit    Übergängen    aufwärts    und    abwärts    wie    dargestellt.    Allerdings    braucht    es    eine    sehr    hohe Wärmeenergie,    um    Materie    zu    ionisieren.    Doch    es    gibt    auch    andere    Mittel,    um    das    zu    erreichen    und    ein ionisierter   Zustand   mit   Ladungsungleichgewicht   kann   bei   fast   jeder   anderen   Temperatur   erzeugt   und   erhalten werden. Etwas   Festes   wie   ein   metallisches   Elektrokabel   wird,   wenn   es   mit   einem   elektrischen   Stromkreis   mit genügend   hoher   Spannungsquelle   (Batterie,   Kraftwerk)   verbunden   ist,   seine   Elektronen   vom   metallischen   Kern trennen, so dass sie sich im Draht als Strom geladener Teilchen frei bewegen können. Ein   Becher   Wasser   mit   etwas   Metallsalz,   wie   z.B.   Natriumchlorid,   wird   schnell   ionisieren.   Wenn   eine elektrische   Spannung   mit   positiv   und   negativ   geladenen   Drähten   angelegt   wird,   können   die   Wasserstoff-   und Sauerstoffatome    zu    den    entgegengesetzt    geladenen    Drähten    treiben    und    sich    bei    Raumtemperatur    als gasförmige Atome   entwickeln.   Solche   stabilen,   neutralen   Zustände   sind   Teil   des   Elektrischen   Universums,   doch dieser   Leitfaden   ist   mehr   auf   die   Untersuchung   des   Plasmazustandes   und   elektrischer   Ströme   in   größeren Maßstäben im Weltraum gerichtet. Eine   molekulare   Wolke   von   kaltem   Gas   und   Staub   kann   durch   die   Strahlung   nahe   liegender   Sterne   oder kosmische   Strahlung   ionisiert   werden,   mit   dem   Ergebnis,   dass   Ionen   und   Elektronen   Merkmale   organisierten Plasmas   annehmen,   das   in   der   Lage   ist   Ladungen   und   Doppelschichten   aufrecht   zu   erhalten,   Ladungen   zu trennen   und   elektrische   Felder   mit   sehr   großen   Spannungsunterschieden   zu   erzeugen.   Solches   Plasma   wird Ladungen    beschleunigen    und    sie    besser    leiten    als    Metalle.    Plasmaströme    können    sich    in    Schichten    und fadenförmigen Formen bilden, zwei der vielen Formen durch die die Anwesenheit von Plasma ermittelbar ist.

Vier Aggregatzustände der Materie und die Übergänge zwischen ihnen. Man beachte die

Ähnlichkeit zu den frühen griechischen “Urelementen” Erde, Wasser, Luft und Feuer. Es ist

klar, dass Plasma der energiereichste Zustand ist. Die offene Frage bleibt: Woher kommt

diese Energie im Universum?

Bildquelle: Wikimedia Commons

Der   Anteil   der   Ionen   wird   mit   dem   Ionisationsgrad   des   Plasmas   gemessen.   Der   Grad   der   Ionisation   eines Plasmas   kann   variieren   von   0,01%   bis   100%,   aber   Plasmaverhalten   kommt   wegen   der   Anwesenheit   geladener Teilchen und der für das Plasmaverhalten typischen Ladungstrennung in diesem gesamten Bereich vor. Plasma    wird    manchmal    einfach    als    ionisiertes    Gas    bezeichnet.    Obwohl    sachlich    korrekt,    ist    diese Terminologie    unvollständig    und    veraltet.    Sie    wird    genutzt,    um    den    Fakt    zu    verschleiern,    dass    Plasma    sich generell   selten   wie   ein   Gas   verhält.   Im   Weltraum   ist   es   nicht   einfach   diffus   vorhanden,   sondern   es   organisiert sich   selber   in   komplexen   Formen   und   wird   nicht   wesentlich   auf   die   Gravitationskraft   reagieren,   so   lange   nicht   die lokalen   elektromagnetischen   Kräfte   viel   schwächer   sind   als   die   lokale   Gravitation.   Plasma   ist   keine   Materie   im Gaszustand, es ist Materie im Plasmazustand . Die   gewaltigen   Massenauswürfe   der   Sonne   in   Form   von   “ionisiertem   Gas”   (Plasma)   als   Protuberanzen   und koronale    Massenauswürfe    entgegen    ihrer    eigenen,    mächtigen    Schwerkraft    verdeutlichen    dies.    Der    Sonnen- “Wind”   ist   Plasma   und   besteht   aus   sich   bewegenden   geladenen   Teilchen,   auch   bekannt   als   elektrischer   Strom. Plasma   ist   nicht   flüssig   oder   “Wind”   oder   “heißes   Gas”,   um   es   in   einfachen   Begriffen   zusagen.   Die   Nutzung anderer   Begriffe   aus   dem   Bereich   der   Fluiddynamik   dient   nur   dazu,   die   Wirklichkeit   von   elektrischen   Strömen und   Plasmaphänomenen   zu   verschleiern,   die   im   Weltraum   um   uns   herum,   so   weit   wir   es   beobachten   können, mächtiger sind als die Gravitationskraft.

Ein koronaler Massenauswurf schleudert Milliarden

Tonnen von Plasma in den inter-planetaren Raum. Die

Sonne hat die Größe des weißen Kreises auf der

verdeckenden Scheibe.

Mit freundlicher Genehmigung von SOHO public imagery

3.2 IONISATION

Wir   wissen,   dass   der   Weltraum   gefüllt   ist   mit   Feldern,   einer   Vielfalt   von   Teilchen,   von   denen   viele   elektrisch geladen   sind,   und   Ansammlungen   von   Teilchen   in   der   Größenordnung   von   Atomen   über   Planeten   bis   hin   zu Sternen   und   Galaxien.   Neutrale   Teilchen   –   das   sind   Atome   und   Moleküle,   die   dieselbe   Zahl   von   Protonen   und Elektronen   haben,   wir   vernachlässigen   Antimaterie   hier   –   bestehen   aus   entgegengesetzt   geladenen   Teilchen. Umgekehrt   können   geladene   Teilchen   von   Atomen   und   Molekülen   durch   einen   als   Ionisation   bekannten   Prozess gebildet werden. Wenn   ein   Elektron   –   eine   negative   Ladung   –   von   seinem   Atom   getrennt   wird,   dann   trägt   der   verbleibende Teil   des Atoms   eine   positive   Ladung.   Das   abgetrennte   Elektron   und   der   Rest   des Atoms   werden   von   einander   frei. Dieser   Prozess   wird   Ionisation   genannt.   Der   positiv   geladene   Rest   des   Atoms   wird   Ion   genannt.   Das   einfachste Atom,   Wasserstoff,   besteht   aus   einem   Proton   (seinem   Kern)   und   einem   Elektron.   Wenn   Wasserstoff   ionisiert   wird, dann   ist   das   Ergebnis   ein   freies   Elektron   und   ein   freies   Proton.   Ein   einzelnes   Proton   ist   der   einfachste   Typ   eines Ions. Wen   ein Atom   ionisiert   wird,   das   schwerer   als   Wasserstoff   ist,   dann   kann   es   mehr   als   ein   Elektron   verlieren. Die   positive   Ladung   dieses   Ions   gleicht   dann   der   Zahl   der   Elektronen,   die   bei   der   Ionisation   verloren   wurden. Ionisation    kann    auch    bei    Molekülen    vorkommen.    Es    kann    auch    durch    die    Zufuhr    eines    Elektrons    zu    einem neutralen   Atom   oder   Molekül   ein   negativ   geladenes   Ion   werden.   Staubteilchen   im   Weltraum   sind   oft   geladen   und das   Studium   der   Physik   staubigen   Plasmas   ist   heute   Gegenstand   der   Forschung   an   vielen   Universitäten.   Um Atome in Elektronen und Ionen zu trennen – siehe die Übersicht unten – wird Energie benötigt.

Ionisationsenergie von Elementen mit unterschiedlicher Atomzahl.

Bildquelle: Wikimedia Commons, ergänzt durch Temperaturen an der rechten Achse

Man   beachte   das   wiederkehrende   Muster   in   der   Darstellung:   ein   Alkalimetall   benötigt   eine   relativ   geringe Ionisationsenergie   oder   Temperaturzufuhr   (ist   einfach   zu   ionisieren).   Wenn   man   sich   nach   rechts   bewegt,   wobei die   Atomzahl    steigt    –    die    Zahl    der    Protonen    im    Kern    des   Atoms    –    ist    mehr    Energie    erforderlich,    um    die “schweren”   Atome   zu   ionisieren.   Den   Gipfel   bilden   die   Atome   von   “Edelgasen”,   gefolgt   von   einem   Abfall   zu   den nächst höheren Atomzahlen, die wieder Metalle sind. Dann wiederholt sich das Muster. Es   ist   interessant   festzustellen,   dass   Wasserstoff,   das   leichteste   Element,   in   diesem   elektrischen   und chemischen   Zusammenhang   als   “Metall”   zu   betrachten   ist,   weil   es   nur   ein   einzelnes   Elektron   auf   seiner   äußeren (und   einzigen)   Umlaufbahn   besitzt,   welches   es   bereitwillig   “abgibt”.   Die   allgemeine   Terminologie   der Astronomie bezüglich   der   in   Sternen   vorkommenden   Elemente      ist   die,   dass   Wasserstoff   und   Helium   “Gase”   sind   und   alle anderen anwesenden Elemente zusammen als “Metalle” bezeichnet werden. Es   ist   interessant   festzustellen,   dass   Wasserstoff,   das   leichteste   Element,   in   diesem   elektrischen   und chemischen   Zusammenhang   als   “Metall”   zu   betrachten   ist,   weil   es   nur   ein   einzelnes   Elektron   auf   seiner   äußeren (und   einzigen)   Umlaufbahn   besitzt,   welches   es   bereitwillig   “abgibt”.   Die   allgemeine   Terminologie   der Astronomie bezüglich   der   in   Sternen   vorkommenden   Elemente      ist   die,   dass   Wasserstoff   und   Helium   “Gase”   sind   und   alle anderen anwesenden Elemente zusammen als “Metalle” bezeichnet werden.

3.3 ENTSTEHUNG UND AUFRECHTERHALTUNG DER IONISATION

Die    für    die    Entstehung    und    Aufrechterhaltung    notwendige    Energie    kann    die    kinetische    Energie    aus Zusammenstößen   zwischen   energetischen   Teilchen   (mit   genügend   hoher   Temperatur)   sein   oder   aus   genügend starker   Strahlung   stammen.   Die   durchschnittliche   zufällige   Bewegungsenergie   von   Teilchen   wird   gewöhnlich   als Temperatur   bezeichnet   und   in   einigen   Hochgeschwindigkeitsanwendungen   in   Elektronenvolt   (eV)   gemessen.   Um Temperatur   in   Kelvin   (K)   in   eV   umzurechnen,   wird   durch   11604,5   dividiert.   Umgekehrt   multipliziert   man   den   Wert in eV mit dieser Zahl, um das Wärmeäquivalent als Temperatur in K zu erhalten. Die   Darstellung   oben   repräsentiert   die   Ionisationsenergie,   die   erforderlich   ist,   um   das   erste,   äußerste Elektron   aus   einem   Atom   oder   Molekül   frei   zu   setzen.   Weitere   Elektronen   sind   enger   an   den   Kern   gebunden   und ihre   Ionisation   erfordert   noch   höhere   Energien.   Mehrere   Schichten   von   Elektronen   aus Atomen   können   in   extrem energiereichen   Umgebungen   frei   gesetzt   werden,   wenn   sie   sich   in   und   nahe   von   Sternen   und   galaktischen   Jets befinden.   Wichtig:   Diese   energiereichen   Plasmen   sind   bedeutende   Quellen   von   Elektronen   und   Ionen,   die   auf extrem   hohe   Geschwindigkeiten   beschleunigt   werden   können.   Sie   sind   Quellen   von   kosmischer   Strahlung   und Synchrotronstrahlung   auf   vielen   verschiedenen   Wellenlängen.   Über   den   Zusammenhang   kosmischer   Strahlung mit   Wolkenmustern,   die   unser   globales   Klima   beeinflussen,   wird   in   Henrik   Svensmarks   Buch   The   Chilling   Stars berichtet. Temperatur   ist   der   Maßstab   dafür,   wie   viel   zufällige   kinetische   Energie   Teilchen   haben,   was   wiederum   von der   Rate   der   Teilchenkollisionen   abhängt   und   davon   wie   schnell   sie   sich   bewegen.   Die   Temperatur   beeinflusst den   Grad   der   Plasma-Ionisation.   Im   Plasma   können   sich   (parallel)   ausgerichtete   elektrische   Felder   mit   lokalen Magnetfeldern   [(“force-free”-Bedingung)]   formen.   Teilchen,   die   in   Feldern   ausgerichtet   werden,   tendieren   dazu, sich    parallel    und    nicht    zufällig    zu    bewegen    und    unterliegen    daher    relativ    wenigen    Zusammenstößen.    Der Übergang   der   Flugbahnen   von   Teilchen   von   zufälligen   zu   parallelen   wird   “Dethermalisierung”   genannt.   Sie   haben danach   eine   niedrigere   “Temperatur”. Analogie:   man   stelle   sich   den   Verkehrsfluss   in   einem   “Zerstörungsrennen” als   “heißen”,   kollisionsanfälligen,   zufälligen   Verkehr   und   freien   Fahrzeugverkehr   auf   Bahnen   als   “kühlen”,   wenig kollisionsreichen, parallel ausgerichteten Verkehr vor. Bei    einem    Zusammenstoß    zwischen    einem    Elektron    und einem   Atom   wird   Ionisation   dann   vorkommen,   wenn   die   Energie des    Elektrons    (die    Elektronentemperatur)    größer    ist    als    die Ionisationsenergie   des   Atoms.   Gleiches   gilt,   wenn   ein   Elektron mit   einem   Ion      kollidiert.   Sie   werden   sich   nicht   wieder   vereinen, wenn   das   Elektron   genug   Energie   hat.   Man   kann   sich   das   so vorstellen,   dass   die   Elektronen   eine   Geschwindigkeit   haben,   die größer   ist   als   die   Fluchtgeschwindigkeit   des   Ions,   weshalb   sie nicht wieder in eine Umlaufbahn um das Ion gezwungen werden. Elektronentemperaturen   in   Weltraumplasmen   können   sich im   Bereich   von   Hunderten   Millionen   Kelvin   bewegen.   Plasmen können        sich        ihren        Ionisationszustand        sehr        wirksam aufrechterhalten.   Eine   Ladungstrennung   ist   in   Weltraumplasmen normal.   Andere     Quellen     von     Ionisationsenergie     umfassen     aus anderen     Regionen     kommende,     hochenergetische     kosmische Strahlen,     hochenergetische     oder     “Ionisations”-Strahlung     wie intensives    ultraviolettes    Licht,    das    auf    eine    neutral    geladene Region   mit   Gas   oder   schwach   ionisiertem   Plasma   nahe   der   Sterne   fällt.   Das   ist   eine   Begegnung   bei   der   die relative   Geschwindigkeit   die   kritische   Ionisationsgeschwindigkeit   (CIV)   überschreitet   (Hannes   Alfén,   Collission between   a   nonionized   gas   and   magnetized   plasma ,   Rev.   Mod.   Phys.,   vol.   32,   p.   710,   1960)   oder   energetische Strahlungsprozesse, die im Plasma selbst erzeugt werden.

Einfache Darstellung der Freisetzung eines

Elektrons bei der Ionisation eines Atoms

Im Nebel NGC 3603 werden hochenergetische Prozesse beobachtet: der blaue Supergigant Sher 25 mit einem

toroidalen Ring und bipolaren Jets, oben Mitte, und Plasma im Glimmmodus entlädt sich als Emissionsnebel

(gelb-weiße Gebiete); clusterförmige heiße blaue Wolf-Rayet- und junge Sterne des O-Typs mit elektrischen

Filamenten und Randgebieten in der staubigen Plasmaregion des Nebels.

Bildquelle: W. Brandner (JPL/IPAC). E. Grebel (U. of Washington), You-Hua Chou (U. of Illinois, Urbana-

Champaign) and NASA Hubble Space Telescope

In   der   Urknall-Kosmologie   wird   angenommen,   dass   es   nicht   genug   Energie   im   Universum   gäbe,   um   die signifikante    Zahl    “freier”    Ionen    und    Elektronen    durch    Ionisation    zu    schaffen    und    aufrecht    zu    erhalten    und deshalb   wird   behauptet,   dass   sie   nicht   existieren   könnten.   Doch   es   wird   immer   Energie   abgegeben,   wenn   Ionen und   Elektronen   sich   zu   Atomen   vereinen.   Im   Urknall-Modell   wird   angenommen,   dass   Protonen   und   Elektronen vor   den   Atomen   geschaffen   worden   wären,   weshalb   ein   enormer   Betrag   an   Energie   während   der   Bildung   der Atome   freigesetzt   worden   sein   muss.   So   scheint   es   möglich   zu   sein,   dass,   wenn   das   Urknall-Modell   korrekt   wäre, dann   diese   Energie   noch   zur   Re-Ionisation   großer Atomzahlen   zur   Verfügung   stünde.   Es   sei   möglich,   dass   nicht alle Protonen und Elektronen sich nach dem Urknall zu Atomen vereinten. Man   beachte,   dass   sich   das   Elektrische   Modell   nicht   auf   das   Urknall-Modell    verlässt.   Das   Elektrische Modell   sagt   einfach,   dass   wir   Ionen   und   Elektronen   überall   wahrnehmen,   wo   wir   hinsehen;   also   existieren   sie, wahrscheinlich     in     großer     Zahl.     Teleskope,     welche     hochenergetische     Protonen     “sehen”,     wie     Chandra (Röntgenstrahlen)    und    EIT,    das    Extreme    Ultraviolet    Imaging    Telescope    auf    der    der    Sonnenbeobachtung dienenden   Raumsonde   SOHO,   bestätigen   die   Existenz   ionisierender   Energiequellen   im   Universum,   nah   und   fern. Wenn   man   behauptet,   dass   frei   bewegliche   Ionen   und   Elektronen   in   großer   Zahl   nicht   existieren   können,   weil   es nicht   genug   Energie   im   Universum   gäbe,   um   sie   zu   erzeugen,   dann   ist   das   genau   so   falsch,   wie   aus   demselben Grund zu behaupten, dass das Universum daher nicht existieren könne.

Fortsetzung

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2. Felder im Weltraum

2. Felder im Weltraum