6. STRÖME, FILAMENTE UND PINCHE

6.4 GLIMMENTLADUNGSRÖHREN

Es   sind   viele   Beschreibungen   von   Entladungsröhren   verfügbar,   die   hier   nicht   im   Detail   wiederholt   werden sollen. Die wichtigsten Punkte für die gegenwärtigen Zwecke sind die folgenden: 1 . In   einer   Röhre   gibt   es   entlang   der   Achse   sichtbare   Bänder,   in   denen   man   das   Plasma   glimmen   sehen kann,   durchsetzt   von   “dunklen”   Bändern,   wo   es   ein   solches   Glimmen   nicht   gibt.   Die   verschiedenen Bänder    repräsentieren    zwei    der    drei    möglichen    Operationsmodi    eines    von    Strom    durchflossenen Plasmas. 2 . Das   dunkle   Band   repräsentiert,   nicht   überraschend,   den   Dunkelentladungs-Modus.   In   diesen   Regionen ist   die   Elektronengeschwindigkeit   unter   derjenigen,   die   notwendig   ist,   um   eine   sichtbare Anregung   der Atome   des   neutralen   Gases   zu   verursachen,   obwohl   die   Ionisation   bei   höheren   Strömen   vorkommt.   Es wird   jedoch   sogar   im   Dunkelmodus   Strahlung   außerhalb   der   sichtbaren   Wellenlängen   abgegeben, welche mit nichtoptischen Mitteln entdeckt werden kann. 3 . Die     glimmenden     Bänder     repräsentieren     den     normalen     Glimm-Modus.     Hier     verursacht     die Geschwindigkeit   der   Elektronen   die   Ionisation   des   Gases.   Das   Glimmen   wird   durch   die   Strahlung   der Elektronen   neutraler   Atome   verursacht,   nachdem   sie   durch   Kollision   mit   schnellen   freien   Elektronen angeregt wurden. 4. Der   dritte   mögliche   Modus   des   Verhaltens   von   Plasma   ist   der   Lichtbogen-Modus,   der   beispielsweise aus dem schmerzlich weißen Licht von Schweißgeräten oder Blitzen vertraut ist. 5 . Zurück   zur   Glimmentladungsröhre.   Man   könnte   erwarten,   dass   die   Potentialdifferenz   zwischen   den Elektroden   ein   gleichmäßiges   elektrisches   Feld   entlang   der   Röhre   verursachen   würde.   Plasma   verhält sich jedoch anders. 6 . Es   wurde   festgestellt,   dass   eine   Doppelschicht   (DL,   engl.:   double   layer)   in   einer   Röhre   ein   extern angelegtes   elektrisches   Feld   zwischen   Anode   und   Kathode   modifiziert.   Die   DL   formt   sich   in   einer solchen   Weise,   dass   das   Potentialgefälle   überwiegend   quer   zur   DL   vorkommt.   In   einiger   Entfernung von   der   Region   der   DL   befindet   sich   viel   von   dem   übrigen   Plasma   in   einer   Glimmentladungsregion,   die als    positive    Säule    bekannt    ist.    Diese    kann    sich    über    einen    bedeutenden    Teil    der    Länge    der Entladungsröhre ausdehnen. 7 . Innerhalb   der   positiv   geladenen   Säule   gibt   es   ungefähr   die   gleiche   Anzahl   von   Elektronen   und   Ionen. Das   Plasma   ist   hier   deshalb   quasi-neutral.   Weil   der   Großteil   des   Potentialgefälles   quer   durch   die   DL vorkommt,    gibt    es    nur    einen    kleines,    aber    konstantes    Spannungsgefälle    oder    elektrisches    Feld innerhalb der positiven Säule. 8 . Es   scheint   Analogien   zwischen   der   positiven   Säule   in   einer   Entladungsröhre   und   dem   Plasma   in   der Heliosphäre der Sonne zu geben. 9 . Ein   anderes   Ergebnis   der   Entladungsröhrenexperimente   ist   auch   relevant   für   unsere   Diskussion   des Plasmaverhaltens und wird im nächsten Abschnitt diskutiert.

6.5 STROMSPANNUNG-STROMDICHTE-KURVE

Wenn      die      Spannung      V      gegen      die Stromdichte       J       in       einer       Entladungsröhre aufgetragen    wird    (Stromdichte    ist    Stromstärke geteilt    durch    die    Fläche    der    Entladungsröhre), dann   wird   sichtbar,   dass   die   drei   verschiedenen Plasmaentladungsmodi        drei        verschiedenen Abschnitten   einer   diskontinuierlichen   Schaukurve entsprechen,    die    als    Spannung    gegen    Strom- oder V-J-Kurve bekannt ist. Im   dunklen   Entladungmodus   steigt   die   V-J- Kurve     mit     steigender     Spannung,     aber     nicht gleichmäßig.    Wenn    die    Spannung    einen    Wert erreicht,     der     hoch     genug     ist,     beginnt     die Ionisation   und   die   Stromstärke   beginnt   bei   einer nur     kleinen     Steigerung     der     Spannung     sehr schnell zu steigen. Die    Entladung    wechselt    dann    schnell    in den    Glimmentladungsmodus .    Dieser    wird    von einer   dramatischen,   sprunghaften   Änderung   der Spannung   begleitet.   Die   Spannung   fällt   plötzlich ab,   da   nur   eine   kleine   Spannung   nötig   ist,   um   eine große Stromstärke zu erzeugen, wenn eine große Anzahl von Elektronen durch die Ionisation erzeugt wird. Ein   sehr   beträchtlicher   Effekt    kommt   häufig   bei   niedrigen   Stromdichten   in   der   Glimmentladungsregion   vor. Die   Spannung   verringert   sich   tatsächlich   mit   steigender   Stromdichte.   Mit   anderen   Worten,   das   Plasma   überträgt   bei einer höheren Ladungsdichte den Strom wirksamer, weil der Spannungsabfall geringer ist.   Bei      noch      höheren      Stromdichten      steigt      die      Spannung      wieder,      was      bedeutet,      dass      der Glimmentladungsabschnitt   der   V-J-Kurve   bei   einem   bestimmten   Wert   der   Stromdichte   ein   Minimum   besitzt.   Dieses Minimum   repräsentiert   den   Punkt   des   geringsten   Übertragungswiderstandes   des   Gesamtstroms.   Im   kosmischen Plasma   könnte   dieser   Effekt   bei   der   Entstehung   von   Filamenten   durch   das   Einengen   des   Stromes   innerhalb   eines besonderen Querschnittsgebietes signifikant wirksam sein. In    ähnlicher    Weise    sinkt    die    Spannung    plötzlich    wieder    mit    steigender    Stromdichte    im    extrem    hellen Lichtbogenmodus.   Wenn   Plasma   in   den   Lichtbogenmodus    gezwungen   wird,   tendiert   es   zu   Filamenten,   um   den Spannungsabfall zu reduzieren.

6.6 FILAMENTBILDUNG IM STROM

Filamentbildung   wird   als   ein   normaler   Verhaltensmodus   von   Strömen   in   Plasmen   beobachtet,   wie   durch   die J-V-Kurve   bezeugt   wird   und   durch   physikalische   Strukturen   im   Weltraum   selbst.   Ein Artikel   von   Dr. Anthony   Peratt bezüglich der Filamentbildung kann hier  gefunden werden. Besonders   Stromschichten   (welche   wir   später   betrachten   werden)   tendieren   dazu,   wegen   der   Entwicklung von    Wirbeln    in    einzelne,    kleinere    Filamente    aufzubrechen.    Diese    Wirbel    ähneln    etwas    denjenigen,    die    wir    in strömenden    Flüssigkeiten    mit    ihren    unterschiedlichen    Schichten    von    verschiedenen    Fließgeschwindigkeiten (Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten) gefunden haben.

6.1 THERMISCHE BEWEGUNG UND STROM

Es   ist   wichtig   zwischen   zufälliger   thermischer   Bewegung   und   gleichmäßiger   linearer   Bewegung   in   Plasma   zu unterscheiden. Die Letztere ist ein elektrischer Strom, der wegen der Anwesenheit eines elektrischen Feldes fließt. Die   zufällige   thermische   Bewegung   wird   durch   die Temperatur   des   Plasmas   gemessen   oder   durch   die   separaten Temperaturen   von   Ionen   und   Elektronen,   wenn   deren   Temperaturen   unterschiedlich   sind.   Diese   Bewegung,   welche eine   Bewegung   geladener   Teilchen   ist,   ist   auch   eine   Form   von   Strom,   aber   eine,   die   um   eine   Durchschnittsposition schwankt,   im   Gegensatz   zur   Bewegung   in   nur   eine   Richtung.   Streng   genommen   kann   Temperatur   nur   dann   ein akkurates   Maß   der   Energie   sein,   wenn   die   Verteilung   der   Geschwindigkeiten   einzelner   Teilchen   nach   Maxwell   erfolgt, das   heißt,   wenn   die   Verteilung   derjenigen   entspricht,   welche   sich   aus   elastischen   Zusammenstößen   zwischen   den Teilchen ergeben würde. Gleichmäßige    lineare    Bewegungen    ergeben    sich    aus    einem    elektrischen    Feld    und    repräsentieren    einen Driftstrom.   Alle   Teilchen   mit   derselben   charakteristischen   Ladung   (positiv   oder   negativ)   bewegen   sich   unter   dem Einfluss   des   elektrischen   Feldes   in   derselben   Richtung.   Das   bedeutet,   dass   wir   in   einem   Plasma,   wo   es   ungefähr   die gleiche   Anzahl   von   positiven   und   negativen   Teilchen   gibt   (“quasi-neutral”),   die   positiv   geladenen   Teilchen   zusammen in eine der Bewegung der Elektronen entgegengesetzte Richtung finden können. Die   Teilchen   haben   alle   kinetische   Energie,   welche   hoch   sein   kann,   aber   sie   haben   im   Ergebnis   dieser   linearen Bewegung   keine   Temperatur.   Das   kommt   daher,   dass   die   Temperatur   nur   genutzt   wird   um   die   Energie   der   Teilchen   mit zufälliger   Geschwindigkeit    zu   messen,   solcher,   die   in   Kollisionen   verwickelt   sind.   Da   beide   Typen   dazu   tendieren,   sich entlang    mehr    oder    weniger    paralleler    Bahnen    zu    bewegen    und    die    Dichte    des    Plasmas    relativ    niedrig    ist,    sind Kollisionen weniger häufig und die Maxwellschen Kollisionsbedingungen werden nicht erfüllt. Beide   Typen   der   Bewegung   existieren   gleichzeitig,   wann   immer   ein   Strom   fließt.   Der   Stromfluss   oder   die   Drift der Teilchen   wird   überlagert   von   den   zufälligen   Bewegungen.   Eine   andere   Möglichkeit   sich   das   vorzustellen   ist   es,   sich eine   Durchschnittsposition   der   zufälligen   Bewegung   vorzustellen,   die   sich   mit   der   Driftgeschwindigkeit   in   Richtung des Stromes bewegt.

6.2 ELEKRONEN- UND IONENSTRÖME

Wir   haben   gesehen,   dass   Elektronen   wegen   ihrer   geringeren   Masse   viel   höhere   Geschwindigkeiten   erreichen als   Ionen.   Ein   Elektron   trägt   jedoch   dieselbe   Größe   einer   (negativen)   Ladung   wie   ein   positiv   geladenes   Proton   trägt, die   leichteste   Form   eines   Ions.   Deshalb   bedeutet   die   höhere   Geschwindigkeit   der   Elektronen,   dass   sie   beim   Leiten   von Strömen in einem Plasma effektiver sind. Das    Verhältnis    des    Elektronenstroms    zum    Ionenstrom    in    einem    nicht-relativistischen    Plasmastrom    ist proportional   der   Quadratwurzel   des   umgekehrten   Verhältnisses   seiner   Massen.   Für   das   leichteste   positive   Ion,   ein Proton,   bedeutet   das,   dass   der   Elektronenstrom   etwa   43   Mal   größer   als   der   Ionenstrom   ist.   [Wenn   die   Masse   eines Elektrons   mit   1   angenommen   wird,   dann   wäre   die   Masse   des   Protons   1836   mal   größer:   √ (1836   ÷   1)   =   42,85   ].   In   vielen Situationen ist es die Bewegung der Elektronen, welche das Verhalten des Plasmas bestimmt.

6.3 STROM IN ENTLADUNGSRÖHREN IN LABORS

Plasma   wird   seit   über   100   Jahren   in   Laborexperimenten   studiert   und   eine   gewaltige   Menge   an   experimentellen Daten   und Analysen   ist   heute   verfügbar.   Eines   der   fundamentalen   Experimente   beinhaltet   eine   Glimmentladungsröhre, in   welcher   der   Strom   bei   niedrigem   Druck   ein   Gas   passiert,   wie   beispielsweise   Quecksilberdampf.   Dieser   verursacht die Ionisation des Gases und die Schaffung eines Plasmas in der Röhre.

Die zentrale Kathode einer kleinen Plasmal-

ampe ist umgeben von einer ausgedehnten

kugelförmigen Entladungsschicht, welche von

der äußeren Glashülle angezogen wird

(Anode). Wo der Strom sich außerhalb der

Oberflächenschicht ausdehnt, formt er fila-

mentäre Strukturen, wenn er sich durch das

Niedrigdruckmedium innerhalb der Lampe

fortpflanzt.

Bildquelle: Luc Viatour /www.lucnix.be

Flugzeugturbinen stoßen Jets aus Gas aus, zu

sehen hier als Streifen von Eiskristallen, die in

einiger Entfernung von den Triebwerken

ausfällen, sich schnell ausdehnen und bis zum

Stopp in der oberen Atmosphäre abbremsen.

Einige    Jets    im    Weltraum    jedoch,    zum    Beispiel    der    4000 Lichtjahre   lange   Jet   der   elliptischen   Galaxis   M87,   scheinen   über enorm   große   Entfernungen   im   Jetzustand   zu   bleiben,   bevor   sie sich   in   Schwaden   auflösen.   Das   könnte   bedeuten,   dass   diese   Jets nicht Fluide sind, sondern elektrische Filamente. Ein    bedeutender    Artikel ,    betitelt    “ Measurement    of    the Current   in   a   Kpc-Scaled   Jet ”,   der   auf   den   Untersuchungen   eines von   der   Radiogalaxis   3C303   ausgehenden   Jets   basierte,   wurde 2011 in arXiv von Kronberg, Lovelace u.a. publiziert. Wenn   wir   annehmen,   dass   es   sich   um   elektrische   Filamente handelt,     dann     müssen     wir     wissen,     welche     Theorien     und Experimente     uns     darüber     Auskunft     geben,     wie     elektrische Filamente      ihre      Form      über      astronomische      Entfernungen beibehalten. Diese Frage wird nachfolgend diskutiert.

Der Jet der Galaxis M87. Die Galaxis ist der helle Knoten

oben links im sichtbaren Licht (rötlich); der Jet dehnt sich

nach unten rechts aus, hier gesehen im UV-Licht (weiß

und blau).

Bildnachweis: NASA/Hubble