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

5.PLASMA-RANDZONEN, ZELLEN UND STROMLOSE

DOPPELSCHICHTEN

4. Der Elektromagnetismus

5.1 PLASMATEMPERATUR UND POTENTIAL

Wir   haben   gesehen,   dass   Temperatur   ein   Maß   der   thermischen   Energie   von   Teilchen   in   Materie   ist.   Genauer ist Temperatur ein Maß der kinetischen Energie der zufälligen thermischen Bewegung der Teilchen. Ein   Elektron   hat   nur   (ungefähr)   1/1840   der   Masse   eines   Protons,   deshalb   haben   Elektronen   bei   derselben Temperatur   viel   höhere   Geschwindigkeiten   als   Protonen.   Dies   ist   so,   weil   kinetische   Energie   proportional   zur Masse   der   Teilchen   und   des   Quadrats   ihrer   Geschwindigkeit   K.E.   =   ½   mv²   ist.   Deshalb   ist   bei   der   gleichen Temperatur     das     Verhältnis     der     Geschwindigkeiten     umgekehrt     proportional     zu     der     Quadratwurzel     der Teilchenmassen. So   ist   zum   Beispiel   die   Elektronengeschwindigkeit   etwa   43   (d.h.   1840)   Mal   höher   als   die   Geschwindigkeit eines   einzelnen   Protons.   Wenn   die   positiven   Ionen   im   Plasma   schwerer   sind   als   ein   einzelnes   Proton,   dann   steigt die Differenz dementsprechend. Darüber   hinaus   tendiert   ein   Elektron   wegen   des   Prinzips   der   Erhaltung   des   Drehmomentes    dazu,   eine   viel größere Veränderung seiner kinetischen Energie zu erfahren als ein Ion das bei einer Kollision zweier Teilchen tut. Die   höhere   Geschwindigkeit   des   Elektrons   führt   zu   schnelleren   Wechselwirkungen,   was   bedeutet,   dass   die Elektronen   ein   thermodynamische   Gleichgewicht   (“dieselbe   Temperatur”)   untereinander   viel   schneller   erreichen als   Ionen   das   tun.   Jeder Anstieg   in   der   kinetischen   Energie,   ob   durch   Kollisionen   oder   externe   Energiezufuhr,   wird deshalb unter den Elektronen sehr schnell “verteilt”. Aus    diesen    Gründen    ist    es    typisch    für    die    Elektronentemperatur    in    einem    Plasma,    dass    sie    von    der Temperatur    der    Ionen    verschieden    ist.    Oft    ist    die    Elektronentemperatur    höher    als    die    der    Ionen    oder    die Umgebungstemperatur.   Das   ist   vor   allem   in   schwach   ionisierten   Plasmen   der   Fall,   wenn   die   Ionen   oft   sehr   nahe der    Umgebungstemperatur    liegen,    während    die    sich    schneller    bewegenden    Elektronen    höhere    Temperaturen haben. Die Wikipedia-Referenz zum Plasma befindet sich hier . In   einem   Plasma   wird   die   Temperatur   oft   als   das   thermische   Potential   ausgedrückt,   welches   gleich   dem potentiellen   Spannungsabfall   ist,   den   die   Teilchen   erfahren   müssten,   um   den   gleichen   Betrag   zu   erreichen.   Die kinetische Energie kann dann in Elektronenvolt oder eV ausgedrückt werden. Je   heißer   das   Plasma   ist,   desto   schneller   bewegen   sich   die   Elektronen   und   Ionen   in   zufälliger   thermischer Bewegung   und   um   so   höher   ist   ihr   Potential.   Ein   Potential   von   1   eV   entspricht   einer   Temperatur   von   11.604,5   K. Teilchen mit um viele Größenordnungen höheren Potentialen sind im Weltraum üblich. Anmerkung:   Man   muss   bei   der   Umrechnung   von   Elektronenvolt   und   Wärmetemperaturen   in   einem   Plasma vorsichtig   sein.   Plasmen   können   so   geordnet   sein,   dass   geladene   Teilchen   Bahnen   folgen,   die   an   der   örtlichen Richtung    des    sie    begleitenden    Magnetfeldes    ausgerichtet    sind.    Solche    Stromflüsse    werden    als    am    Feld ausgerichtete   Ströme   bezeichnet.   Unter   diesen   Bedingungen   bewegen   sich   geladene   Teilchen   ungefähr   parallel zueinander und wegen der geringen Dichte der Teilchen können Kollisionen thermischer Art sehr selten werden. Die   für   die   Sonnenkorona   vermuteten   hohen   Temperaturen   basieren   auf   spektroskopischen   Beobachtungen des     Lichtes     (elektromagnetische     Strahlung     einschließlich     der     unsichtbaren     Frequenzen),     welche     darauf hinweisen,   wie   viel   Ionisation   von   Atomen   vorkommt.   Die   Ionisationsenergie   in   eV   wird   aus   der   Wellenlänge   des emittierten    Lichtes    abgeleitet    und    mittels    der    oben    genannten    Formel    in    die    entsprechende    Temperatur umgerechnet.   Der   thermische Aspekt   der   Temperatur,   welcher   durch   eine   große Anzahl   von   zufälligen   Kollisionen verursacht   wird,   ist   jedoch   nicht   zwingend   vorhanden,   nicht   einmal   wenn   es   genug   Energiezufuhr   gibt,   um   die Elektronen    von    ihren    Kernen    zu    trennen.    Die    Elektronen    können    schnell    (energiereich)    sein,    obwohl    ihre (thermischen) Kollisionsraten niedrig sind. Die   hohe   Geschwindigkeit   der   Elektronen   ist   besonders   bedeutend   beim   Verständnis   vieler   Aspekte   des Verhaltens   von   Plasma,   einschließlich   von   Radiogalaxien,   galaktischen   und   stellaren   Jets,   und   der   Erzeugung   von Synchrotronstrahlung und kosmischer Strahlung.

5.2 ENTWICKLUNG VON OBERFLÄCHENRANDZONEN

Wenn   Plasma   in   einer   Laborröhre   oder   einem   anderen   Behälter   enthalten   ist,   dann   schlagen   die   Elektronen und   Ionen   des   Plasmas   an   den   Wänden   des   Behälters   mit   einer   Frequenz   proportional   zu   ihrer   Geschwindigkeit ein. Beim Einschlag werden die Teilchen von den Wänden absorbiert. Da    die    Elektronen    viel    höhere    Geschwindigkeiten    haben    als    die    Ionen,    ist    die    Rate    der    Elektronen- einschläge   um   ein   Vielfaches   größer   als   die   der   Ioneneinschläge.   Im   Ergebnis   dessen   erhält   der   Behälter   eine negative Ladung. In   dem   Maße   wie   sich   die   negative   Ladung   der   Oberfläche   entwickelt,   tendieren   ankommende   Elektronen dazu    von    der    Oberfläche    abgestoßen    zu    werden.    Nur    noch    die    Elektronen,    welche    eine    genügend    große Geschwindigkeit   besitzen   um   die   Abstoßung   zu   überwinden,   sind   in   der   Lage   auf   der   Oberfläche   einzuschlagen. Die   negative   Ladung   der   Oberfläche   steigt   weiter   bis   die   Zahl   der   Elektronen,   die   die   Wände   treffen,   gleich   der Zahl   der   ankommenden   Ionen   ist.   Das   Plasma   und   die   Oberfläche   haben   ein   Gleichgewicht   erreicht   oder   sind   im stabilen Zustand. Im   Gleichgewichtsstadium   sind   nur   die   schnellsten   Elektronen   in   der   Lage   das   abweisende   Potentialgefälle der   negativ   geladenen   Oberfläche   zu   durchdringen.   Die   meisten   Elektronen   werden   davon   abgehalten   sich   der Oberfläche   zu   nähern.   Daraus   resultiert   eine   an   der   Oberfläche   angrenzende   Plasmaschicht,   in   der   die   Zahl   der Ionen    die    der    Elektronen    übersteigt.    Diese    positiven    Schichten    sind    als    Debye    Sheath     [Debye-Randschicht] bekannt. Ähnliche   Effekte   entstehen,   wenn   die   Oberfläche   durch Anlegung   einer   Spannungsquelle   wie   einer   Batterie negativ   oder   positiv   geladen   wird.   Die   Ladung   an   der   Oberfläche   stößt   ab   wie   Ladungen   im   Plasma   und   lässt   eine entgegengesetzt geladene Randzone zurück.

5.3 AUSDEHNUNG EINER RANDZONE

Eine    Oberflächenrandzone    besitzt    keine    definierten    physikalische    Grenze,    kann    aber    dort    als    endend angesehen   werden,   wo   das   Potential,   das   sich   aus   dem   Zusammenwirken   der   negativ   geladenen   Oberfläche   und der   positiven   Randzone   ergibt,   mit   dem   Potential   des   Plasmas   selbst   ausbalanciert.   Mit   anderen   Worten,   die Randzonengrenze   ist   dort,   wo   das   Potential   gerade   ausreicht   Elektronen   mit   einer   Energie   abzustoßen,   die   der des Plasmapotentials entspricht. Wenn   zum   Beispiel   das   Plasmapotential   +1V   ist,   dann   wird   die   nominelle   Grenze   ein   Potential   von   -1V besitzen.    Die    Erklärung    dafür    ist    folgende:    Die    Grenze    hat    ein    negatives    Potential,    weil    die    Randzone    die ankommenden   Elektronen   abstoßen   muss.   Die   Elektronen   im   Plasma   besitzen   eine   kinetische   Energie   von   1eV. Deshalb   benötigt   die   Randzone   ein   Potential   von   1V,   um   die   sich   annähernden   Elektronen   vom   Erreichen   der Oberfläche abzuhalten. Das   geschieht   ähnlich   einem   Ball,   der   einen   Berg   hinauf   rollt.   Wenn   der   Ball   genug   kinetische   Energie   hat, dann   wird   er   den   Gipfel   erreichen.   Wenn   nicht,   dann   wird   er   einen   Teil   des   Weges   zurücklegen,   bevor   er   zum Stillstand   kommt   und   dann   wieder   herunter   rollt.   Das   Randzonenpotential   ist   das   Gegenstück   zu   der   Höhe   des Berges. Es   ist   verständlich,   dass   die   Randzone   keine   “harte”   Grenze   hat   und   dass   das   Potentialfeld,   das   von   der negativen   Oberfläche   ausgeht,   sich   durch   die   Randzonen-’Grenze‘   fortsetzt.   Trotzdem   kann   die   Grenze   als   der Punkt   angesehen   werden,   wo   die   negative   Oberfläche   durch   die   Randzone   wirksam   “neutralisiert”   wird,   weil Elektronen mit dem Plasmapotential an diesem Punkt zurückgeworfen werden. Der   amerikanische   Chemiker   und   Nobelpreisträger   Irving   Langmuir   entwickelte   Messmethoden   und   nahm Beobachtungen   von   Plasmavorgängen   vor.   Eine   interessante   und   hilfreiche   PDF-Lektion,   Plasma,   Sheats   and Surfaces     –     The     Discharge     Science     of     Irving     Langmuir     [Plasma,     Randzonen     und     Oberflächen      –     die Entladungswissenschaft des Irving Langmuir] kann hier  gefunden werden.

5.4 GELADENE KÖRPER IN EINEM PLASMA

Ähnliche   Randzonen   formen   sich   um   jeden   geladenen   Körper   im   Plasma,   wenn   der   Körper   ein   vom   Plasma selbst   unterschiedliches   Potential   ausweist.   Das   Plasma   isoliert   den   fremden   Körper   wirksam   durch   Bildung   einer Randzone   um   ihn   herum.   Die   Randzone   selber   tendiert   dazu,   das   elektrostatische   Feld   von   der   fremden   Ladung   in derselben   Weise   abzuschirmen   wie   eine   Randzone   dazu   tendiert,   eine   negativ   geladene   Oberfläche   zu   isolieren. Der Körper kann letztlich durch die entgegengesetzte Ladung, die er absorbiert, neutralisiert werden. Wenn   einem   geladenen   Körper   künstlich   eine   positive   oder   negative   Ladung   durch   Verbindung   mit   einer externen   Stromquelle   ,   wie   einer   Batterie,   gegeben   wird,   dann   werden   Ionen   oder   Elektronen,   in Abhängigkeit   von der   Ladung,   vom   Körper   angezogen   und   so   wird   ein   Strom   fließen.   Durch   sorgfältige   Messung   des   Stromes   für einen   Bereich   von   Spannungen   ist   es   möglich   das   Potential   des   Plasmas   selbst   zu   messen.   Ein   solches   Gerät wird als Langmuir-Sonde nach Irving Langmuir  (1881-1957) benannt. Der   Stromfluss   des   Solarwindes   kann   auf   Planeten   mit   Magnetfeldern   beobachtet   werden,   welche   polare “Scheitelpunkte”   oder   “Löcher”   besitzen,   die   geladene   Teilchen   herunter   leiten   und   durch   den   Körper   führen,   was Aurora-Phänomene in der oberen Atmosphäre entstehen lässt.
In     kleineren     Größenordnungen     bewegen     sich     einige     planetarische     Monde     in     plasmagefüllten Umlaufbahnen,   wobei   von   den   Polarregionen   der   Monde   Flüsse   geladener   Teilchen   entlang   magnetischer   Felder zu   und   von   den   “Hotspots”   in   den   Auroraovalen   des   größeren   Planeten   weg   gerichtet   sind.   Beispiele   sind Ganymed,   Europa   und   Io   beim   Jupiter,   Enceladus   beim   Saturn   und   möglicherweise   bei   Uranus   und   Neptun ebenso.

5.5 ZELLENBILDUNG IN PLASMA

Ähnliche   Effekte   kommen   auch   zwischen   benachbarten   Plasmaregionen   mit   verschiedenen   Eigenschaften vor,   zum   Beispiel   wenn   zwei   Regionen   verschiedene   Temperaturen,   Dichte   oder   Ionisationsgrade      aufweisen.   In dieser   Situation   erzeugen   die   verschiedenen   Geschwindigkeitsverteilungen   in   den   zwei   Regionen   eine   doppelte Randzone an den Grenzen, wobei jede Region sich wirksam von der anderen isoliert. Die   Doppelrandzonen   bestehen   aus   nebeneinander   liegenden   dünnen   Schichten   positiver   und   negativer Ladung,   die   durch   eine   relativ   kleine   Entfernung   getrennt   sind.   Das   ist   ein   Typ   von   Doppelschichten.   Da   keine extern   angetriebenen   Ströme   beteiligt   sind,   sind   die   Schichten   zwischen   den   verschiedenen   Plasmaregionen   als Current-Free    Double    Layers    [Stromfreie    Doppelschichten]    (CFDL)    bekannt.    Mehr    über    Doppelschichten    in Plasmen   ist   hier    zu   erfahren.   Man   beachte   besonders   die   externen   Links,   die   Referenzartikel   und   Publikationen am   Ende   dieses Artikels.   Doppelschichten   und   Randzonen   sind   wohlbekannte   Phänomene   in   der   Plasmadynamik, in Lehrbüchern beschrieben und am besten in Wikis Diskussion der Vlassov-Poisson-Gleichung dargestellt: “Im    allgemeinen    ist    die    Verteilung    von    Plasma    nahe    Doppelschichten    notwendigerweise    stark    Nicht- Maxwellscher   Natur (1)   und   deshalb   für   Fluid-Modelle   nicht   angebracht .   Um   Doppelschichten   in   ihrer   gesamten Entstehung   zu   analysieren   muss   Plasma   unter   Anwendung   der   Teilchenverteilungsfunktion   beschrieben   werden, welche   die   Zahl   der   Teilchen   einer   Art   α   beschreibt,   die   ungefähr   die   Geschwindigkeit   v    nahe   des   Punktes   x    und des Zeitpunktes t beschreibt.” (1) [Aus    Wikipedia ,    Physical    Applications    of    Maxwell-Boltzmann    Distributions:    Die    Maxwell-Boltzmann- Verteilung    wird    auf    ideale    Gase    nahe    des    thermodynamischen    Gleichgewichtes    bei    vernachlässigbaren Quanteneffekten    und    bei    nicht-relativistischen    Geschwindigkeiten    angewendet .    Es    ist    die    Grundlage    der kinetischen   Theorie   von   Gasen,   welche   viele   fundamentale   Gaseigenschaften   erklärt,   einschließlich   Druck   und Diffusion.] (Hervorhebungen durch den Herausgeber.) Bedeutung   der   obigen   Referenz :   Dies   ist   der   Grund   dafür,   dass   konventionelle   hydrodynamische   und magnetohydrodynamische     Gleichungen     von     fluiden     Flüssen     für     eine     volle     und     begründet     akkurate mathematische   Beschreibung   von   Plasmadynamik   ungeeignet   sind.   Folglich   wurde   eine   Berechnungsmethode, genannt   Teilchen-in-einer-Zelle   (PIC)   Simulation,   für   die   Modellierung   von   Plasma   in   massiven,   parallel   laufenden Computersystemen   in   den   1980er   Jahren   entwickelt.   Hier    ist   ein   Wikipedia-Artikel   über   PIC   und   hier    befindet   sich ein mehr technischer Artikel über dieses Thema.

5.6 ENTSTEHUNG VON STROMLOSEN DOPPELSCHICHTEN (CFDL)

Wir   haben   gesehen,   dass   CFDLs   zwischen   Plasmaregionen   mit   verschiedenen   Eigenschaften   entstehen. Als ein Beispiel wollen wir den Effekt von Temperaturdifferenzen (in Elektronenvolt, siehe 5.1 oben) betrachten. Dieser   verursacht   den   Aufbau   eines   elektrischen   Feldes,   welches   die   Elektronen   zurück   in   die   heißere Region   beschleunigt.   Ein   Nettofluss   von   Elektronen   zu   der   kalten   Region   baut   weiterhin   ein   elektrisches   Feld   auf, bis   eine   Balance   zwischen   der   Zahl   der   wärmeren   Elektronen,   die   sich   zu   der   kühlen   Region   bewegen   und   der Zahl der Elektronen erreicht wird, die durch das elektrische Feld zurück in die wärmere Region beschleunigt wird.
Die   dünnen   Regionen   nahe   der   Grenzen,   die   einen   Überschuss   von   Ionen   oder   Elektronen   enthalten, bilden   einen   Doppelschicht   an   der   Grenze,   die   ein   elektrisches   Feld   und   damit   verbunden   einen   durchgehenden Potentialabfall besitzt.   Die   Formation   von   Randzonen   an   Grenzen   zwischen   verschiedenen   Plasmaregionen   lässt   Plasmazellen   entstehen.   Diese   Zellbildung   ist   eine   entscheidende   Eigenschaft   von   Plasma.   Gase   verhalten   sich   nicht   in   dieser Weise , was ein Grund dafür ist, dass es nicht möglich ist für Gas geltende Gesetze auf Plasmen anzuwenden.

5.7 ÄHNLICHKEITEN ZUR FLUIDMECHANIK

Auf   den   ersten   Blick   erscheint   eine   Doppelschicht   (DL)   so   etwas   zu   sein,   wie   die   Schockwelle   in   der Fluiddynamik    [auch    Strömungslehre    oder    Strömungsmechanik],    Eine    DL    weist    tatsächlich    einige    einer Schockwelle   ähnelnde   Eigenschaften   in   der   Weise   auf,   dass   sie   verschiedene   Regionen   mit   verschiedenen Eigenschaften separiert und agiert um das Medium zu beschleunigen. Im   Fall   der   DLs   jedoch,   erfolgt   die   Beschleunigung   als   das   Ergebnis   eines   starken   elektrischen   Feldes, das   zwischen   entgegengesetzt   geladenen   Schichten   entsteht .   So   wie   die   Kraft   des   elektrischen   Feldes   von   der Ladung   der   Teilchen   abhängt,   werden   Ionen   und   Elektronen   in   entgegengesetzte   Richtungen   beschleunigt. Neutrale   Teilchen   werden   durch   elektrische   Felder   gar   nicht   beschleunigt,   werden   aber   durch   Reibungs-   oder andere Effekte mitgeführt. Man   beachte,   dass   die   Bildung   von   Doppelschichten   durch   Fluidanalysen   wie   Magneto-Hydrodynamik (MHD)   nicht   zutreffend   modelliert   werden   kann ,   weil   sie   die   Bewegung   verschiedener   individueller   Teilchen   sowohl verursachen als auch von ihnen abhängen und nicht von der Bewegung der Mehrheit des Plasmas. Doppelschichten   sind   eine   der   bedeutendsten   Aspekte   der   selbst-organisierenden   Eigenschaften   des kosmischen Plasmas, wie wir sehen werden.
Eine    allgemeine    Einführung    in    die    Plasma-Physik    aus    der    Sicht    von    Wikipedia    kann    hier     angesehen werden,     einschließlich     Eigenschaften,     Phänomene     und     mathematischer     Modelle.     Obwohl     Wikipedia     oft ordentlich   geschrieben   Artikel   hat,   kann   es   wie   alle   anderen   manchmal   unzuverlässig   oder   unvollständig   sein oder   zu   Vorurteilen   neigen,   weshalb   alle   aus   Wikipedia   stammenden   Artikel   ebenso   wie   alle   anderen   Quellen immer mit Vorsicht  genutzt werden sollten.
Übersetzung H.Täger

6. Ströme, Filamente und Pinche

4. Der Elektromagnetismus

6. Ströme, Filamente und Pinche

Die rötliche Farbe der Aurora des Saturns ist charakteristisch für ionisiertes Wasserstoffplasma.

Angetrieben durch das Saturnäquivalent der (filamentären) Birkeland-Ströme, wechselwirken

Ströme geladener Teilchen aus dem interplanetaren Raum und dem Sonnenwind mit dem plane-

taren Magnetfeld und fließen herunter bis zu den Polarregionen. Doppelschichten sind verbunden

mit filamentären Strömen und Stromschichten und ihre elektrischen Felder beschleunigen Ionen

und Elektronen.

Bildquelle: Wiki Commons, J. Trauger (JPL), NASA, Hubble Space Telescope

Ablauf der Entwicklung des Aurora-Ovals der Erde über eine halbe Stunde ist auf diesem

NASA-Bild in ultraviolettem Licht zu sehen (Falschfarbenbild)

Das nach Io-Jupiter ausgerichtete Feld polaren Stromes oder einer Flussröhre wird nicht von Vulkanen geschaffen,

sondern von enormen, lang andauernden elektrischen Entladungen, welche Iose Oberfläche abtragen und sie als

Ionen und Verbindungen in seinem Plasmatorus ablagern.

Bildquelle: NASA/Cassini Imaging Team

Saturn und seine polaren elektrischen Verbindungen zu Enceladus. Gemessener Querschnitt einer  Stromröhre, oben;

Enceladus Südpoljets tragen die eisige Oberfläche ab und lagern sie in der Ionosphäre und dem Plasmatorus ab,

ähnlich wie Io, siehe oben.

NASA/Cassini Imaging Team

Quelle: Bild der Doppelschicht aus “A Double-

Layer Review”, Lars P. Block, Swedish Royal

Institut Stockholm; Astrophysics & Space

science, Juli 1977

Quelle: “On the Physics of Relativistic Double

Layers”, Per Carlquist, Dept. of Plasma Physics,

Royal Institute of Technology, Stockholm;

Astrophysics & Space Science, 1982

Das Bild wurde der obigen Quelle entnommen, um die Beziehungen zwischen den

Ladungen und dem elektrischen Feldpotential in einer DL zu illustrieren –

J. Johnson, 2011