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.
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Willkommen bei einer

Stimme für das

Elektrische Universum

l etzte Änderung: 01.11.2017

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   m U    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.