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.

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

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Elektrische Universum

letzte Änderung: 26.04.2017 

4. ELEKTROMAGNETISMUS

5.

4.1 DIE ELEKTROMAGNETISCHEN FELDGLEICHUNGEN

Die Wissenschaft versucht physikalische Systeme mit Begriffen mathematischer Modelle zu erklären, die  das Verhalten von Systemen beschreiben und vorhersagen. Kepler zum Beispiel erklärte die Bewegungen der  Planeten mit seinen drei Gesetzen. In derselben Weise wird das Verhalten von Plasma durch elektromagnetische  Feldgleichungen bestimmt, welche die Bewegungen der geladenen Teilchen und ihr Wechselwirken mit  elektrischen und magnetischen Feldern beschreiben. Es gibt zwei Bestandteile der elektromagnetischen  Feldgleichungen: Die Maxwellschen Gleichungen und die Lorentzkraft. Diese beiden Bestandteile agieren im  Tandem als Rückkopplungsschleife:  Die Maxwellschen Gleichungen bestimmen die elektrischen und magnetischen Felder, die auf der Position  und Bewegung der geladenen Teilchen basieren. Sie bestimmen auch die Wechselwirkung elektrischer und  magnetischer Felder, wenn eines davon sich ändert. Die Lorentzkraft bestimmt die elektrischen und magnetischen Kräfte zwischen geladenen Teilchen, die sich  durch diese Felder bewegen. Diese Kraft veranlasst jedes Teilchen sich in Übereinstimmung mit dem  Newtonschen Gesetz zu bewegen (zu beschleunigen). Die Veränderungen in den Positionen und Bewegungen der  geladenen Teilchen wiederum führen zu Veränderungen in den elektrischen und magnetischen Feldern. Um diese interagierenden Phänomene in Plasmen zu verfolgen, wurden Computerprogramme entwickelt.  Typischerweise beinhalten sie eine Serie von Schritten, wobei jeder nur eine kurze Zeitspanne repräsentiert.  Zuerst werden unter Nutzung der Lorentzkraft und unter Berücksichtigung des Status der anwesenden  magnetischen und elektrischen Felder sowie der Masse, Ladung, Geschwindigkeit und Richtung jedes Teilchens,  die Kräfte berechnet, die auf jedes Teilchen des Feldes an seiner jeweiligen Position einwirken. Die Vektorsumme der beitragenden Kräfte wird berechnet und die daraus resultierende Beschleunigung der Teilchen bewegt diese  eine kleine Distanz im Intervall eines winzigen Zeitschrittes (Newtons Bewegungsgesetz). Diese Berechnung wird  für den ganzen Satz von Teilchen vollführt. Ausgehend von den neuen Orten und Geschwindigkeiten und Merkmalen des Satzes von Teilchen werden  die Maxwellschen Gleichungen genutzt, um die Werte der elektromagnetischen Kräfte, die auf jeden neuen Ort  eines Teilchens einwirken, zu bestimmen. Dann geht das Programm zurück zum ersten Schritt und berechnet die  Kräfte neu, die auf den neuen Ort jedes Teilchens einwirken usw. Die Rechenschleife wird durch Programme gesteuert, die sie stoppen, wenn ein definierter Zustand erreicht  ist, wie eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen oder wenn ein bestimmter Wert der Variablen erreicht,  verändert oder überschritten wurde, oder einem Fehler irgend einer Art begegnet wurde usw. Wenn eine Reihe von Startbedingungen definiert wurde (Anzahl der Teilchen, ihre Ladungen, Massen,  Startgeschwindigkeiten und eine Beschreibung der Stärken der angenommenen elektrischen und magnetischen  Felder in einem definierten Raumvolumen), dann kann die Bearbeitungsschleife wie folgt ausgelegt werden: 1. Berechne alle Kräfte, die auf jedes Teilchen einwirken, mittels des Lorentzschen Gesetzes. 2. Berechne neue Orte und Geschwindigkeiten für sehr kurze Zeitschritte unter Nutzung von Newtons  Bewegungsgesetzen.  3. Berechne E und B für neue Orte jedes geladenen Teilchens nach diesen Zeitschritten.  4. Wenn die Endschleife noch nicht befriedigend ist, gehe zurück zu 1. und beginne die Berechnungen erneut.  Ebenso können andere Aspekte für eine bessere Modellierung berücksichtigt werden, wie zum Beispiel  Kollisionen von Teilchen, Reibungs- und Anziehungskräfte usw. Das ist ein komplexes Unternehmen und große  Modelle mit vielen Teilchen können Monate an Rechnerzeit von Supercomputern benötigen. Diese Rückkopplungsschleife kann schnell zu hoch komplexem Verhalten führen, das mathematisch zu  modellieren extrem schwierig wird. Oft werden daher Vereinfachungen vorgenommen. Doch vereinfachte  Annahmen führen oft zur Vernachlässigung gerade der Verhaltensweisen von Plasma, welche es grundsätzlich  von Gasen oder Flüssigkeiten unterscheiden.  Leitfaden zur Blasenkammer von CERN  Eine umfassende Beschreibung der elektromagnetischen Feldgleichungen ist im Anhang II zu finden.  Nachfolgend aufgeführt wird eine Zusammenfassung der Hauptpunkte. 

4.2 DIE MAXWELLSCHEN GLEICHUNGEN

Die Aussagen der Maxwellschen Gleichungen und der ihnen zugrunde liegenden Forschungen sind die  folgenden:  1.  Ein statisches elektrisches Feld kann in Abwesenheit eines magnetischen Feldes existieren, z.B. ein  Kondensator oder ein Staubteilchen mit einer statischen Ladung Q hat ein elektrisches Feld ohne ein  Magnetfeld. 2. Ein konstantes Magnetfeld kann ohne ein elektrisches Feld existieren, z.B. ein Stromleiter mit einem  konstanten Strom I besitzt ein magnetisches Feld ohne ein elektrisches Feld.  3. Wo elektrische Felder zeitabhängig sind, muss ein nicht Null betragendes Magnetfeld existieren.  4. Wo Magnetfelder zeitabhängig sind, muss ein nicht Null betragendes elektrisches Feld existieren.  5. Magnetfelder können nur auf zwei Wegen erzeugt werden, vom Dauermagneten einmal abgesehen:  durch einen elektrischen Strom oder durch ein sich änderndes elektrisches Feld.  6. Magnetische Monopole können nicht existieren, alle Linien eines Magnetflusses sind geschlossene  Schleifen.

4.3 DAS GESETZ DER LORENTZKRAFT

Die Lorentzkraft drückt die Gesamtkraft aus, die auf ein geladenes Teilchen einwirkt, das sowohl  elektrischen als auch magnetischen Feldern ausgesetzt ist. Die resultierende Kraft bestimmt die Bewegung der  geladenen Teilchen entsprechend der Newtonschen Mechanik. Da die Lorentzgleichung von grundlegender  Bedeutung für das Verhalten von Plasma ist, ist sie es wert, etwas Zeit auf ihr Verstehen zu verwenden. Die  Gleichung lautet:  F = Q(E + U × B) (Die Vektoren sind in Fettschrift angegeben und unten erklärt)  Während F die auf das Teilchen wirkende Lorentzkraft ist, ist Q die Ladung des Teilchens, E die elektrische  Feldintensität, U die Geschwindigkeit des Teilchens, B ist die magnetische Flussdichte und „x“ ist das  Vektorproduktsymbol, nicht einfach ein Multiplikationszeichen. Es wird als „U kreuz B“ gelesen.  Um zu verstehen, was die Gleichung wirklich bedeutet, muss man etwas über Vektoren wissen.  Ein Vektor ist eine Menge, die Größe und Richtung. Beispiele sind Richtungsgeschwindigkeit und Kraft. Ein  Vektor ist wie ein Pfeil, er hat eine Länge und zeigt in eine Richtung. Im Unterschied dazu hat eine skalare Menge  nur eine Größe. Beispiele sind Geschwindigkeit und Temperatur. Vektorrechnung ist die Mathematik, welche sich  mit Vektoren beschäftigt. Für diejenigen, die es wissen wollen, sind weitere Details im Anhang I  gegeben. Eine  gute Erklärung ist auch bei Hyperphysics zu finden. Die Grundlagen für das Verständnis der Lorentzkraft werden  hier erklärt. Zunächst ist die Multiplikation eines Vektors mit einer skalaren Menge wie das Aneinanderlegen einer  Anzahl von Pfeilen Ende an Spitze. Der Vektor ist der erste Pfeil, die skalare Menge ist die Zahl gleicher Pfeile.  Das Ergebnis ist ein größerer Pfeil, der in die gleiche Richtung zeigt wie der Originalpfeil. Ein vereinfachtes Beispiel ist die die Erhöhung der Geschwindigkeit eines Autos auf das Dreifache, wenn  es sich geradlinig bewegt. Man stelle sich vor, dass der Geschwindigkeitsvektor des Autos nur ein Pfeil sei, der  auf der Straße geradeaus zeigt, mit seiner Basis oder Anfangspunkt immer in der Mitte des Fahrzeugs. Man stelle  sich diesen Pfeil 20 cm lang vor, um die Anfangsgeschwindigkeit von 20 km/h zu repräsentieren. Dann tritt man  das Gaspedal, damit die Räder des Autos sich schneller drehen und das Auto auf eine höhere Geschwindigkeit  beschleunigt wird. So wie das Auto schneller wird verlängert sich der Pfeil entsprechend der Geschwindigkeit  des Autos. Bei 60 km/h ist der Pfeil 60 cm lang und seine Richtung verläuft parallel zur Straße. Wenn man das  Bremspedal tritt, dann beschleunigt das Auto in die entgegengesetzte Richtung, wird langsamer und der Pfeil  wird kürzer und kürzer. Wenn das Auto stoppt fällt seine Geschwindigkeit auf Null und die Länge des  Geschwindigkeitsvektors wird Null.  “Das ist einfach zu verstehen”, sagen Sie. “Aber was passiert, wenn ich das Steuerrad drehe, nehmen wir  mal an nach links?” Diese Art von Aktion lässt eine weitere Kraft auf das Auto einwirken, in einer anderen  Richtung als der, die parallel zur Mittellinie des Autos verläuft. Sie beschleunigt oder verringert die  Geschwindigkeit nicht (Reibung wird vernachlässigt!), aber etwas verändert sich, weil das Auto sich dreht! Der  Geschwindigkeitsvektor der Räder, der die Vorwärtsbewegung mit 60 km/h symbolisiert, hat seine Länge nicht  geändert, aber eine zusätzliche Kraft wurde angewendet, so dass der Geschwindigkeitsvektor jetzt das Ergebnis  zweier verschiedener Kräfte wird (zwei Pfeile, die auf das Zentrum des Autos einwirken). So lange wie man das  Steuerrad im selben Winkel hält, wird dieselbe Kraft angewendet, die das Auto drehen will und es bewegt sich bei konstanter Geschwindigkeit im Kreis.  So kann man sehen, dass es zwei Arten von Beschleunigung gibt: Änderungen in der Bewegungs-  geschwindigkeit, entweder schneller oder langsamer – einfach nur eine Änderung im Wert des Verhältnisses von  Weg pro Zeit ohne Bezug auf die Richtung – und Änderungen der Bewegungsrichtung – nur eine  Winkelveränderung der Richtung im Raum von etwas sich bewegendem ohne Bezug darauf wie schnell es sich  auf seinem Pfad oder seiner Bahn bewegt. Beide Arten der Veränderung sind das Ergebnis einer auf das Objekt  einwirkenden Kraft. Die Multiplikation zweier Vektoren ist komplizierter. Man stelle sich eine sehr große Schraube in einem  Brett vor, deren Schlitz am Kopf den ersten Vektor repräsentiert, während der zweite Vektor auf das Brett  gezeichnet ist. Wenn die Schraube im Uhrzeigersinn gedreht wird, bis der Schlitz mit der Richtung des zweiten  Vektors übereinstimmt, wird sich die Schraube im rechten Winkel zu beiden, dem Schlitz und dem zweiten Vektor  in das Brett drehen. Der Betrag der Bewegung hängt von den Dimensionen der Schraube und dem Betrag ab, den  sie gedreht wird. Das Vektorprodukt verhält sich ähnlich.  Die Multiplikation zweier Vektoren unter Nutzung des Vektorproduktes resultiert in einem weiteren Vektor,  der im rechten Winkel zu beiden vorhergehenden Vektoren steht. Die Richtung des neuen Vektors wird  durch die  Richtung der Bewegung unserer imaginären Schraube bestimmt. Die Größe (Länge) des neuen Vektors hängt von  dem gedrehten Winkel und der Größe des Originalvektors ab. Im Fall unserer Schraube findet keine Bewegung der Schraube statt, wenn die Vektoren erst einmal parallel ausgerichtet sind,  statt. Das Kreuzprodukt von gleich ausgerichteten Vektoren ist Null.  In einem vertrauteren kartesischen Koordinatensystem wird, wenn ein Vektor in der Richtung x sich mit  einem Vektor in der Richtung y kreuzt, das Ergebnis ein Vektor in der Richtung z. Die Größe des resultierenden  Vektors ist das Spatprodukt der Länge der beiden Originalvektoren und des Sinuswinkels des kleineren Winkels  zwischen beiden. Wenn sie parallel liegen,  dann ist der Winkel zwischen ihnen Null. Da  der sin(0°) Null ist, gibt es in diesem Fall keine  resultierende Kraft in Richtung z.  Der Effekt ähnelt sehr dem  Gyroskopeffekt in kreisenden Flüssigkeiten:  eine Kraft in einer Richtung führt zu einer  Bewegung in einer Richtung im rechten  Winkel. Das wird Periheldrehung genannt. Wenn wir zur Lorentzkraft zurückgehen,  dann sehen wir, dass die Gesamtkraft sich aus  zwei Teilen zusammensetzt. Der erste Teil ist  QE, welcher das Produkt des Skalarwertes der  Ladung eines Teilchens und eines elektrischen  Feldstärkevektors ist. Die Größe der Kraft, die  dem elektrischen Feld geschuldet ist, ist das  Produkt der Ladung eines Teilchens und der  Stärke des elektrischen Feldes.  Angemerkt sei, dass, weil die dem  elektrischen Feld geschuldete Kraft konstant  ist und in die Richtung von E wirkt, sie eine  gleichmäßige Beschleunigung auf Teilchen in  der Richtung z entsprechend des Newtonschen Gravitationsgesetzes ausübt, in eine Richtung für eine positive  Ladung, in die entgegengesetzte Richtung für eine negative Ladung. Der zweite Teil der Gleichung Q(U x B) ist der interessantere. Hier haben wir zwei unter Nutzung des  Kreuzproduktes mit einander multiplizierte Vektoren, die dann mit der Ladung eines Teilchens multipliziert  werden. Angenommen, dass das Teilchen sich wegen seiner ursprünglichen Ausrichtung mit dem Feld nicht  bewegen würde, und die Kraft Null wäre, dann wäre das Ergebnis eine Kraft, welche sich in einem rechten Winkel zu der Bewegung des Teilchens und dem Magnetfeld befindet. Diese Erklärung  der Rechte Hand-Regel erklärt die  lenkende Kraft, die ein Magnetfeld in einer Richtung auf geladene Teilchen ausübt, die in das Feld eintreten. Eine Kraft, die in einem rechten Winkel zur Bewegung steht, ist eine zentripetale Kraft (Definition:  „Richtung des Zentrums“). Das Magnetfeld veranlasst daher die geladenen Teilchen sich in einem Kreis in einem  Körper senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes zu bewegen. Wenn sich das Teilchen im Kreis bewegt,  wird seine Geschwindigkeit an jedem Punkt immer noch eine Komponente in einem rechten Winkel zum  Magnetfeld haben und es wird ebenso eine zentripetale Kraft erfahren, welche es sich weiter im Kreis bewegen  lässt. Seine Richtung ändert sich ständig, doch seine skalare Geschwindigkeit ist unter diesen Bedingungen  unverändert. In einem einfachen Fall ist zu berücksichtigen, was passiert, wenn ein sich bewegendes geladenes  Teilchen in ein fixiertes Magnetfeld eintritt. Der Einfachheit halber ignorieren wir alle Wirkungen, die das Teilchen auf das Magnetfeld haben könnte. Wenn es in das Feld parallel zu dessen Richtung eintritt, ist es keiner Kraft  ausgesetzt und seine Geschwindigkeit oder Richtung ändert sich nicht. Wenn es in das Feld in einem rechten  Winkel zu der Richtung der Kraft eintritt, wird sich sein Pfad einfach nur in einen Kreis krümmen, welcher sich  selbst schließt.  Ohne ein elektrisches Feld lautet das Lorentzsche Gesetz (zentripetale Kraft) F = Q(U x B). Die Kraft, die auf  die geladenen Teilchen wirkt, ist direkt proportional zu Q, der Teilchenladung, zu U, dem Geschwindigkeitsvektor,  und zu B, dem Magnetfeldvektor. Die Bedeutung von U x B ist U mal B mal dem Sinus des kleineren Winkels  zwischen den zwei Vektoren, was bedeutet, das UB mit dem Sinuswinkel multipliziert wird, so dass seine  Wirkungsreichweite zwischen 0 und 1 liegt. In der vergleichenden Illustration unten werden die Ladung des  Teilchens und das magnetische Feld konstant gehalten und die Geschwindigkeit des Teilchens, das in das Feld  eintritt, wächst von links nach rechts an. Je schneller das Teilchen sich bewegt, umso größer wird der Radius der  resultierenden Kreisbewegung, weil der Radius r ein Maß des linearen Kraftimpulses mU des Teilchens ist, wobei  m die Teilchenmasse ist: r = mU ÷ (Q|B|). Das gleiche Ergebnis würde sich ergeben, wenn die Ladung sich  erhöhen würde, während die anderen beiden Variablen konstant blieben. Wenn das geladene Teilchen mit einer Bewegungskomponente in Richtung des Feldes in das Magnetfeld  eintritt, z.B., in einem Winkel zwischen Null und 90 Grad zur Feldrichtung, dann „driftet“ es in eine Richtung  parallel zum Feld, während die Feldkräfte das Teilchen in eine kreisförmige Bewegung zwingen. Dieser  “driftende” Kreispfad führt eine Helix oder Spirale aus. Das “Lenkzentrum” des Kreises folgt einer Feldlinie des  Magnetfeldes. Der Radius r ist unter dem Namen Larmor-Radius bekannt oder Zyklotronradius. In den drei  Illustrationen unten bleiben der Eintrittswinkel des Teilchens und die Stärke des Magnetfeldes, B, gleich, mit  einer kleinen Driftbewegung nach rechts. Die ursprüngliche Eintrittsgeschwindigkeit steigt stufenweise von links  nach rechts.  In der Bildserie unten zeigt der grüne Eintrittsvektor, der das Magnetfeld und die elektrischen Feldlinien  berührt, auf welchem Weg ein positiv geladenes Teilchen (nach Übereinkunft) sich bewegt, wenn es in (ein)  Feld(er) “eintritt”. Das Teilchen kann nach dem Eintritt in jede Richtung entlang der Vektorenlinie gehen, deshalb  gehen zwei Flugbahnen von der Spitze des grünen Vektors aus, wie man sehen kann. Wenn das Teilchen negativ  geladen wäre, würde es in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt und wenn es schwerer wäre oder sich  schneller bewegen würde, dann würde es einen größeren Kreisdurchmesser haben als dargestellt. In ähnlicher  Weise würde bei der Änderung eines elektrischen oder magnetischen Feldes bei Konstanthaltung der anderen  Faktoren das Verhaltens des Teilchens geändert. Die engen orangefarbenen Röhren repräsentieren den Pfad des  Teilchens, der sich aus den Eingangsbedingungen ergibt. 

3. Das Plasma

5. Plasma-Randzonen u.a.

Wenn das geladene Teilchen das vereinte, ausgerichtete Feld axial (parallel zum Magnetfeld) betritt, dann  wirkt kein Magnetfeld auf es ein. Daher wird keine Kraft ausgeübt, die es zwingt, sich um ein Lenkzentrum zu  drehen. Jedoch wird das elektrische Feld das Teilchen entlang der Feldlinien beschleunigen. In Abhängigkeit  von seiner Ladung wird, wenn das Teilchen in Richtung der Beschleunigungskraft eintritt, seine  Geschwindigkeit zunehmen. Wenn es auf Widerstand zu dieser Kraft stößt, dann bremst es, wird vielleicht  stoppen und in die entgegengesetzte Richtung beschleunigen.  Wen die Felder nicht ausgerichtet sind, dann können verschiedene Bahnkombinationen vorkommen, ganz  in Abhängigkeit von der Ladung, Feldstärken, Eintrittsrichtung und Abweichung des Winkels von der  Ausrichtung von magnetischen und elektrischen Feldern. 
Obwohl diese Flugbahnen sehr komplex aussehen, beinhalten sie nur ein einziges geladenes Teilchen mit  konstanten elektrischen und magnetischen Feldern und mit der gleichen Eintrittsgeschwindigkeit. In der Realität  können viele geladene Teilchen dasselbe Volumen im Weltraum auf einmal einnehmen und ihre elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen können die Werte des Feldes, in dem sie sich bewegen, beeinflussen. Es können auch neutrale Teilchen dabei sein, ebenso wie Staub und Körner und große Körper, die alle  auch Kräfte (Gravitation, Viskosität, Kollisionen) auf die Wechselwirkungen von Plasma zur Geltung bringen  können.
Im Vorbeigehen halten wir fest, dass sekundäre Effekte von Elektronen mit Geschwindigkeiten nahe denen  des Lichtes,  die sich spiralförmig um Magnetfeldlinien im Weltraum herum bewegen, oft in Form von  Synchrotron-Strahlung gefunden werden. Aus der Diskussion der Lorentzkraft wissen wir, dass es dort deshalb  ein elektrisches Feld geben muss, welches mit einem Magnetfeld verbunden ist und dass die spiralförmige, axiale  Bewegung der Elektronen mit einer Geschwindigkeitskomponente parallel zum Magnetfeld einen feldabhängigen  Strom erzeugt. Diese Ströme sind Birkeland-Ströme, sie treten in vielen kosmischen Größenordnungen auf. 

4.4 ANDERE EFFEKTE DER FELDGLEICHUNGEN

Es ist nötig sich an einige grundlegende Ergebnisse der Anwendung elektromagnetischer Feld-gleichungen  zu erinnern. 1. Elektrische Felder wirken auf alle geladenen Teilchen. 2. Die elektrische Kraft wirkt bei gegensätzlich geladenen Teilchen in entgegengesetzte Richtungen.  Deshalb erzeugt ein elektrisches Feld entgegengesetzte Richtungen von Ionen und Elektronen und  tendiert so dazu, sie von einander zu trennen. Ladungstrennung im Weltraum ist in der Plasma-Physik  wichtig. 3. Magnetfelder wirken nur auf sich bewegende Teilchen. Da diese Kraft vom Kreuzprodukt von  Geschwindigkeit und Feldvektoren abhängt, ist die Wirkung in verschiedene Richtungen  unterschiedlich. Daraus ergibt sich ein richtungsabhängiger elektrischer Widerstand.  4. Die Magnetkraft ist ladungsabhängig. Ionen und Elektronen kreisen deshalb in entgegengesetzten  Richtungen mit unterschiedlichen Radien und Umlaufzeiten.  5. Große Plasmamengen, die sich quer zur Richtung eines Magnetfeldes bewegen, verursachen die  Entwicklung eines lokalen elektrischen Feldes, welches wiederum selbst mit neuen Kräften auf  geladene Teilchen einwirkt. 6. Veränderungen in der Verteilung der geladenen Teilchen verursachen eine Veränderung in den  elektrischen Feldern zwischen ihnen, eine Veränderung des elektrischen Feldes erzeugt eine  Veränderung im Magnetfeld. 7. Die Maxwellschen Gleichungen und die Lorentzkraft wirken zusammen wie eine  Rückkopplungsschleife, die die Bewegungen der geladenen Teilchen und der Felder in komplexer  Weise modifizieren. 8.

4.5 ERSATZ VON STRÖMEN DURCH MAGNETISCHE FELDER

Es stellt sich die Frage, ob elektrische Ströme bei der Nutzung der Maxwellschen Gleichungen durch  Magnetfelder ersetzt werden können, was die Lösung viel einfacher machen würde. Die Antwort ist, technisch gesehen, ja, das können sie in bestimmten einfachen Situationen. Das wird auch  oft in magneto-hydrodynamischen Theorien und Modellen getan, weil es beim Studium bestimmter  Plasmaverhaltensweisen bequemer ist. Es gibt jedoch viele Aspekte des Plasmaverhaltens, wo es notwendig und  entscheidend ist, die Bewegungen geladener Teilchen zu berücksichtigen, weil die einfache Berücksichtigung des  Feldverhaltens das beobachtete komplexe Verhalten von Plasma nicht modellieren kann. Diese Situation verhält sich analog  zu der Welle-Teilchen-Dualität in der  Teilchenphysik: es gibt einige Situationen,  wo es nötig ist, die teilchenbezogene  Beschreibung zu verwenden. Beispiele des Plasmaverhaltens, die  die Nutzung der Teilchen- oder  Strombeschreibung erfordern, schließen  die Zellbildung und Filamentierung, den  Energietransport und Instabilitäten ein.  Die Berücksichtigung von elektrischen  Strömen und Kreisläufen verlangt  ebenfalls die Nutzung der auf Teilchen  beruhenden Beschreibung.  Die bloße Berücksichtigung der  Feldeffekte in diesen Situationen wird der  wahren Komplexität des Verhaltens von  Plasma nicht gerecht.  Wir werden jetzt auf einige dieser  komplexen Verhaltensweisen näher  eingehen.

Eine Blasenkammer innerhalb eines Magnetfeldes erzeugt sichtbare Spuren geladener Teilchen, die

die Beurteilung von Teilchen-Energien, Wechselwirkungen und Kollisions-nebenprodukten erlauben,

wenn sie zusammen mit einem Teilchenbeschleuniger installiert wird. Bildquelle. Der Leitfaden zur

Blasenkammer wurde von CERN bereit gestellt (Link siehe unten)

Wenn ein geladenes Teilchen in ein gleichmäßiges Magnetfeld B eintritt, wird sein Weg in einen Kreis gekrümmt, dessen Radius r proportional zu seinem Impuls (mU) ist. Die Teilchengeschwindigkeit ändert sich nicht, deshalb bleibt seine kinetische Energie unverändert und das Feld wirkt nicht auf das Teilchen ein. Das Verhalten ist analog zu dem von Schwerkraft, die eine ständige zentripetale Kraft auf einen die Erde umkreisenden Satelliten ausübt. Die Richtung des Magnetfeldes wird durch die blaue Achse verdeutlicht, der Eintrittswinkel der Teilchen durch eine grüne Kreislinie. Wenn der Eintrittswinkel des Teilchens in das B-Feld sich von senkrecht in parallel ändert, dann ändert sich seine Flugbahn zu einer Spirale und die Spirale wird sich in ihrem Radius verringern wenn der Winkel sich Null annähert oder parallel zum Feld. Man beachte den sich ändernden grünen Eintrittsvektor von links nach rechts und die spiralenförmige Streckung. Die Bilder oben wurden mit Mathematica Demonstrations erzeugt.
Die Gesamtkraft ist das Ergebnis der Vektoren der elektrischen und magnetischen Kräfte und abhängig  vom Winkel zwischen den beiden Feldern (Bilder unten). Wenn elektrisches und magnetisches Feld parallel verlaufen (wie in dem am Feld ausgerichteten Strom,  den wir später betrachten), dann wird ein geladenes Teilchen, das sich kreisförmig entlang der Achse der Felder  annähert, gezwungen sich in einer spiralförmigen Bahn zu bewegen, die an der Richtung der Felder ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass Teilchen bewegt sich spiralförmig um die Achsenrichtung des Magnetfeldes aufgrund  der Wirkung der Lorentzkraft und beschleunigt in die Richtung des elektrischen Feldes. Das lässt die  nachfolgenden Drehungen weiter und weiter auseinander erfolgen, wenn die Teilchengeschwindigkeit in der E-  Feldrichtung mit der Zeit steigt. 

In dieser am Feld ausgerichteten Situation ( E- und B-Feld parallel) wird ein Teilchen auf einer Bahn, die zur selben Zeit der

Einwirkung der zentripetal kreisenden Magnetkraft sowie dem E-Feld-Vektor (rot) unterliegt, gezwungen axial zu

beschleunigen. Nach einer Weile bewegt sich das Teilchen fast parallel zu den Feldern.

Beim Vorhandensein eines konstanten elektrischen Feldes gibt es eine generelle Tendenz, die beschleunigten Teilchen

immer enger an seinen Feldlinien auszurichten und die Geschwindigkeit zu steigern. Die Bilder oben wurden mit

Mathematica Demonstrations erzeugt.

Ein am Feld ausgerichtetes, schnelles Elektron erzeugt

Synchrotronstrahlung im Röntgenwellenbereich.

Die Galaxie Centaurus besitzt, wie man auf dieser Röntgenlichtaufnahme

von Chandra sehen kann, einen zentralen Plasmajet und daraus

resultierende Wolkenstrukturen, die sich über Zehntausende Lichtjahre

erstrecken

Übersetzung  H.Täger 

3. Das Plasma

Plasma-Randzonen u.a.