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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letzte Änderung: 26.04.2017 

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. 
Die Bedingungen innerhalb eines Stromfilaments sind  eindeutig verschieden von denen im Rest des Plasmas. Das führt  normalerweise zur Ausformung einer stromfreien Doppelschicht  (current-free double layer, kurz CDFL) an den Grenzen des  Filamentes, da die schnelleren Elektronen durch das elektrische  Feld innerhalb der DL zu Filamenten eingeschnürt werden. Wir können nun sehen, dass Filamente stromführende  längliche Plasmazellen mit CDFLs an ihren Grenzen sind. Beweise für Filamente_und_elektrische_Ströme sind im  Weltraum weit verbreitet. Filamentäre Strukturen werden von den  meisten Astronomen als auf allen Ebenen – vom Sonnensystem  bis zu galaktischen und intergalaktischen Größenordnungen –  existierend anerkannt. Die einzige Abweichung zwischen dem  elektrischen Modell und dem Gravitationsmodell besteht  hinsichtlich der Frage, ob diese Filamente stromführende  Strukturen sind, die natürlich den Gesetzen der Elektrodynamik  des Plasmas folgen, oder ob sie irgendwie fluide “Jets” sind,  Tausende von Lichtjahren lang, die in Übereinstimmung mit  Computersimulationen von hypothetischen Gravitationskräften,  basierend auf kalter dunkler Materie (cold dark matter, kurz CDM)  angetrieben werden sollen. In einem Fluid tendieren Jets dazu, sich rasch in Schwaden  mit niedriger Geschwindigkeit aufzulösen. 
6.7 STROM-PINCHE  Jeder Strom I, der in einem Leiter fließt, erzeugt ein magnetisches Feld B um ihn herum. Die Linien gleicher magnetischer Kraft nehmen die Form von Ringen um die Achse des Stromes herum an. Die magnetische Kraft nimmt mit zunehmender radialer Entfernung von der Achse ab.  Durch Berücksichtigung der Lorentzkraft kann gezeigt werden, dass die Wechselwirkung des Stromes I mit seinem eigenen Magnetfeld B einen radial einwärts gerichteten Druck auf das Stromfilament verursacht, geschrieben als I x B (das ist “I kreuz B” in Vektor-terminologie). Das wird “pinch” [vom englischen Wort to pinch, d.h. zusammenquetschen oder -kneifen] oder “Z-pinch” genannt (wenn man den Stromfluss als parallel mit der Richtung der “Z-Koordinate” definiert).  In einem metallischen Leiter wird dem Druck I x B durch das atomare Ionengitter Widerstand geleistet. In einem Plasmastrom kann der Druck durch den Druck des Plasmas innerhalb der Filamente ausbalanciert werden. Daraus ergibt sich ein beständiger Zustand, wo der Strom axial durch sein eigenes azimutales [scheitelwinkliges] oder kreisendes Magnetfeld fließen kann. Die Balancegleichung ist als Bennett-Pinch-Gleichung bekannt.  Laborversuche können den Pincheffekt nutzen, um Aluminiumdosen durch die Anlegung eines starken Magnetfeldes sehr schnell zu zerdrücken. Die Dose wird zerdrückt, bevor der Druck in der Dose in der Lage ist sich genügend aufzubauen, um der Pinchkraft zu widerstehen. Magnetische Feldkräfte in Blitzen können einen einwärts gerichteten Pincheffekt erzeugen, der einen festen Kupferblitzableiter zerdrückt.
Übersetzung: H. Täger 

5. Plasma-Randzonen u. a.

6. Fortsetzung

5. Plasma-Randzonen u. a.

6. Fortsetzung

Planetare Nebel zeigen oft Merkmale bipolarer Symmetrien mit einem im Zentrum gelegenen

Plasmapinch, polaren Jets und einem äquatorialen Torus.

Bild mit freundlicher Genehmigung von  NASA, ESA und Hubble Heritage Team

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. 

Evakuierte (Niedriggasdruck) Röhre mit Anode und Kathode und

Hochspannungsquelle.

Bildnachweis: Wiki Creative Commons

Stromspannung-Stromdichte-Diagramm in Plasma, Entladungsmodi

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

Links: Das Feld, das durch eine schnelle, 2 Kilojoule starke Entladung durch 3-adrigen

dicken Draht erzeugt wurde, zerstörte diese Dose. Rechts: Der Z-Pinch eines

natürlichen Blitzes deformierte diesen Metallstab.

Bildquelle: Wiki Creative Commons