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 2019

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: 08.05.2019

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

Fortsetzung

2. Felder im Weltraum

2. Felder im Weltraum