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.

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werden archeologische Artefakte

und mythologische Überlieferungen

von  David Talbott in einer

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Elektrische Universum

letzte Änderung: 26.04.2017 

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