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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In Kurzfilmen mit deutschen  Untertiteln werden die neuesten  Erkenntnisse über den Kosmos  dargestellt.

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Elektrische Universum

letzte Änderung: 26.04.2017 

7. BIRKELAND-STRÖME, MAGNETSTRÄNGE UND STROMFÜHRENDE

DOPPELSCHICHTEN

7.1 BIRKELAND-STRÖME

Es gibt noch eine andere Ursache für die Filamentierung von elektrischen Strömen in Plasmen. Diese  ergibt sich aus dem Fakt, dass eine Anziehungskraft zwischen zwei parallel laufenden Strömen existiert. Jeder  Strom erzeugt ein magnetisches Feld, welches den ersten Strom umkreist und entsprechend der normalen  Gesetze des Elektromagnetismus den anderen Strom anzieht. Deshalb ziehen sich beiden Ströme zusammen, wie  in diesem kurzen Video dargestellt. (Quelle: MIT physics demonstrations)  Dieser Effekt wirkt auf einzelne Elektronenströme ebenso wie auf von Strom durchflossene Leiter. Deshalb  tendiert ein diffuser Strom in einem Plasma dazu, sich in einem Filament zu konzentrieren, wie wir gesehen  haben. Ähnlich wird eine Stromschicht auch dazu tendieren zu einzelnen Filamenten zusammenzufließen, ähnlich wie ein Schwall fallenden Wassers in einzelne Ströme aufbricht.

6. Ströme, Filamente und Pinche

Wenn zwei parallele Filamente in derselben Gegend vorkommen oder sich aus einer Stromschicht wegen  des Filamentierungsprozesses formen, dann werden sie sich gegenseitig anziehen und sich zunächst  aufeinander zu bewegen, aufgrund der magnetischen Anziehung, die durch das Biot-Savart-Gesetz beschrieben  wird. Deshalb gibt es eine Tendenz der Stromzylinder in Paaren aufzutreten.  Ein Gleichgewicht wird erreicht, wenn die Anziehungskraft  großer Reichweite sich mit der Abstoßungskraft kürzerer  Reichweite zwischen zwei gegeneinander spiralförmig sich  bewegenden azimutalen Stromkomponenten ausgleicht. Die  Analyse zeigt, dass es dort einen Ausgleich in den Zentren der  anziehenden Kräfte gibt, der als Ergebnis ein Paar oder eine  Rotationskraft hat, die auf jeden Strom einwirkt. Die  Geschwisterströme tendieren daher dazu, sich spiralförmig um  eine gemeinsame Achse zu bewegen. Wie zuvor wird die Achse  der Spirale dazu neigen, sich am magnetischen Feld  auszurichten.  Diese Anordnung von Strompaaren ist als Birkeland-Strom  bekannt, benannt nach dem norwegischen Physiker Kristian  Birkeland, der sie im frühen 20. Jahrhundert als erster  erforschte. 

7.2 MAGNETSTRÄNGE

Der Spiraleffekt der Ströme um einander erscheint wie  miteinander verdrehte Seilstränge. Weil die Ströme am  magnetischen Feld ausgerichtet sind, werden Birkeland-Ströme  oft als “magnetische Stränge” oder “Fluss-Seile” bezeichnet.  Obwohl dies nicht falsch ist, tendiert diese Bezeichnung dazu,  die den Strom leitende Natur der Filamente zu verbergen und  impliziert, dass sich der Effekt allein wegen der magnetischen  Kräfte ergibt. Wie wir gesehen haben ist das nicht korrekt, da  Magnetfelder mit elektrischen Strömen koexistieren. Birkeland-Ströme können auch Materie aus der  umliegenden Region anziehen. Das ist so, weil die durch jeden  axialen Strom geschaffenen azimutalen Magnetfelder ein  Druckgefälle radial einwärts mit einem Minimum zwischen den  beiden Strömen formen, während die Magnetfelder sich bis  jenseits des Stromstranges selbst ausdehnen. Das bewirkt,  dass geladene Materie und ionisierte Spezies außerhalb des  elektrischen Stranges in Richtung des Zentrums des  elektrischen Stranges angezogen werden, ein Prozess, der als  Marklund-Konvektion bekannt ist (siehe 6.12).  Obwohl die Wirkung ähnlich der Kraft I x B für einen  einzelnen Ladungszylinder ist, kann das magnetische  Druckminimum zwischen den Stromzwillingen ein weit  wirksamerer Mechanismus für die Konzentration von Materie sein.  Die Plasmadichte außerhalb des Birkeland-Stroms wird verringert, während die Dichte innerhalb des  Stranges sich vergrößert. Birkeland-Ströme werden deshalb oft mit Dichteveränderungen in Plasmen in  Verbindung gebracht.

7.3 SICHTBARE WIRKUNGEN VON ELEKTRISCHEN STRÖMEN IM WELTRAUM

Filamentäre Strukturen des gerade beschriebenen Typs  sind im Weltraum weit verbreitet: Beispiele schließen Aurora-  Filamente, Flussstränge der Venus, Sonnenprotuberanzen und  koronale Ströme, Kometenschweife und interstellare Nebel ein,  wo Gespinste von Filamenten oft zu sehen sind. Filamentäre  neutrale Wasserstoffstrukturen wurden bereits erwähnt (siehe  Marklund-Konvektion in 6.12 oben). Filamentäre Strukturen  wurden auch in der Anordnung von Galaxienhaufen beobachtet.

7.4 STROMFÜHRENDE DOPPELSCHICHTEN

Wir haben bereits gesehen, dass Doppelschichten sich in  Glimmentladungsröhren in Labors formen können. Offenbar  gestatten diese DLs die Übertragung von Strom, ebenso wie sie  die Eigenschaft haben, Ionen und Elektronen in starken  elektrischen Feldern innerhalb der DL zu beschleunigen. Um sie von CFDLs zu unterscheiden werden sie Current-carrying  Double Layers (CCDL) [d.h. stromführende Doppelschichten]  genannt. Ein CCDL formt sich auf einem anderen Weg als ein  CFDL. Sie wird gewöhnlich durch eine Form von Instabilität  oder Veränderung im Stromfluss ausgelöst. 
Als ein Beispiel für eine Veränderung, welche zur Entstehung einer CCDL führt, stelle man sich vor, was  passiert, wenn ein Strom in eine Region fließt, wo die Plasmadichte niedriger ist. Da der Strom hauptsächlich  von den leichteren Elektronen getragen wird, können wir die Situation bezüglich der Ionen zuerst betrachten. Wenn sich der Elektronenstrom nicht ändert, dann wird die weniger dichte Region schnell einen  Überschuss an Elektronen bekommen, wegen des “Stroms” ankommender (Elektronen) Ladungen. Daraus würde  ein Potentialgefälle in der weniger dichten Region resultieren, welches weitere Elektronen abstoßen und den  Stromfluss unterbrechen würde.  Wenn man sich daran erinnert, dass Strom proportional zu dem Produkt aus Elektronendichte und  Geschwindigkeit ist, dann ist der einzige Weg, die Elektronendichte auf das angemessene Level zu reduzieren,  während der Gesamtstrom aufrecht erhalten wird, die Elektronengeschwindigkeit zu steigern.  Der Weg auf dem das erreicht wird, ist der, eine CCDL an den Grenzen der weniger dichten Region zu  erzeugen, welche die Elektronen in diese Region beschleunigt. Die Stärke der DL wird zunehmen bis sie gerade  ausreichend ist, um den Elektronen die Geschwindigkeit zu verleihen, die notwendig ist um ihre Dichte  entsprechend der geringeren Ionendichte zu verringern und die Ladung neutral zu halten. Natürlich werden die Ionen durch die DL auch beeinflusst, doch der Gesamteffekt ähnelt dem gerade  beschriebenen. Außerdem können die schnelleren Elektronen eine zusätzliche Ionisation verursachen, welche  die Erfordernisse für zusätzliche Geschwindigkeit modifizieren, doch eine DL wird immer noch nötig sein, um die  notwendige Beschleunigung zu ermöglichen.

7.5 FLUSSINSTABILITÄTEN UND CCDLS

CCDLs können sich als Ergebnis von Flussinstabilitäten in den entgegengesetzt strömenden Elektronen  und Ionen ausbilden, die der Strom umfasst.  Es können verschiedene Typen von Instabilitäten vorkommen. Ein Beispiel ist die Buneman- oder  Zweistrominstabilität, welche vorkommt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen (prinzipiell die  Stromdichte geteilt durch die Elektronendichte) die thermische Geschwindigkeit der Elektronen des Plasmas  überschreitet. Mit anderen Worten, die Driftgeschwindigkeit wegen des Stroms ist höher als die zufällige  thermale Geschwindigkeit. Der tatsächliche Mechanismus der Buneman-Instabilität ist kompliziert. Im Kern jedoch wird die Dichte von  Elektronen und Ionen im Plasma lokal immer von der absoluten Neutralität abweichen. Das Plasma reguliert sich  dann selbst ein, um jedes Ungleichgewicht auszubalancieren. Diese Dichtevariationen geschehen mit einer  Häufigkeit, die von der Temperatur des Plasmas und dem es durchfließenden Strom abhängt. Wenn die  Stromdichte hoch genug ist, dann wird die Frequenz der Dichteveränderungen zu hoch, als dass sich das Plasma  noch anpassen könnte. Die Situation wird instabil.  Es wurde festgestellt, dass dieser Typ der Instabilität zur Entstehung von CCDL führt. Die Variationen in  der Ionen- und Elektronendichte führen zur Entwicklung lokaler elektrischer Felder. Diese Felder tauschen  Energie mit den Ionen aus, welche mit großer Amplitude zu oszillieren beginnen und so die Dichtevariationen  verstärken. Zwischen Gebieten unterschiedlicher Stromdichte entstehen elektrische Felder.  Wenn das elektrische Feld sich wegen dieser Dichtevariationen vergrößert, dann wird der Elektronenfluss  im Strom unterbrochen und einige Elektronen werden “eingefangen” oder beginnen nach außen in lokale Wirbel  zu fließen. Das Ergebnis ist die Entstehung einer CCDL mit Populationen beschleunigter Elektronen und Ionen  und eingefangenen Elektronen und Ionen stromabwärts von der DL.  Dieser Prozess ähnelt in einigen Aspekten den Instabilitäten in Flüssigkeitsströmungen. Die CCDL ähnelt  in einigen Merkmalen einer Hydraulikpumpe, wo die Fließgeschwindigkeiten auf beiden Seiten der Pumpe  unterschiedlich sind; die Pumpe enthält Wirbel gefangener Flüssigkeit und die Pumpe selber ist in ihrer Position  “fixiert”. Das heißt jedoch nicht, dass Flussanalysen komplex genug sind, um elektro-dynamische Bewegungen  geladener Teilchen in Feldern, die sie selber schaffen, zu modellieren. Ein prinzipieller Unterschied besteht darin, dass DL Teilchen in entgegengesetzte Richtungen entsprechend ihrer Ladung beschleunigt werden, während  hydraulische Pumpen die Fließgeschwindigkeit durch Einführung einer Turbulenz reduzieren. Eine CCDL wird sich immer auf den Teil des Strom produzierenden Potentialgefälles in der DL-Region  konzentrieren und so das Potentialgefälle im restlichen Fliessgebiet reduzieren.  Da CCDLs auftreten, wenn Änderungen in den Strömungseigenschaften auftreten, wobei die Fläche des  Durchflusses verengt wird, was auch bewirken kann, dass DLs sich an dem Punkt bilden, wo der  Strömungsbereich sich ändert. 

7.6 ENERGIEABSTRAHLUNG IN DLS

Elektronen, die quer zum Potentialgefälle einer CCDL beschleunigt werden, tendieren dazu ihre Energie in  Kollisionen mit neutralen Atomen jenseits der DL zu verlieren. Diese angeregten Atome wiederum werden  Energie durch Strahlung verlieren, wenn sie in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Bildung einer DL wirkt  deshalb als ein Mittel, wodurch das Plasma überschüssige Energie in einer Weise abstrahlen kann, die einem  Widerstand in einem Stromkreis ähnelt. Dieser Mechanismus trägt durch die “sichere” Ableitung der Energie zur Stabilität von Plasmaströmen bei,  welche sonst zur Entwicklung turbulenterer Instabilitäten führen könnte. 

7.7 KLASSIFIZIERUNG VON DLS

Wie bereits diskutiert gibt es einen prinzipiellen Unterschied zwischen stromführenden Doppelschichten  (CCDL) und stromlosen Doppelschichten (CFDL), welche durch unterschiedliche Mechanismen geformt werden  und dadurch bestimmt werden, ob die DL die Passage einer bedeutenden elektrischen Ladung erlaubt oder nicht. Eine andere Klassifizierung basiert auf der Stärke der DL: In Abhängigkeit von dem Potentialgefälle quer  zu ihr kann eine DL als schwach, stark oder relativistisch bezeichnet werden. Jede Klasse hat verschiedene  Auswirkungen auf geladene Teilchen im Plasma der Umgebung. Wenn das Potenzialgefälle quer zur DL größer ist als das Plasmapotential, dann wird die DL als starke DL  klassifiziert. Eine starke DL wird Teilchen reflektieren, die sich der DL mit weniger  Energie als im  Plasmapotential nähern. Nur solche Teilchen mit größerer Energie als im Plasmapotential werden die DL betreten und dann beschleunigt.  Eine schwache DL wird Teilchen mit einem Plasmapotential, die sich von der “falschen” Seite nähern,  abbremsen, aber wieder beschleunigen, nachdem sie die DL passiert haben. Wenn das Potentialgefälle quer zur DL ausreichend ist, um Teilchen zu veranlassen mehr Energie  aufzunehmen als die Restmassen-Energie des Elektrons beträgt, dann ist das als relativistische DL bekannt. Eine  relativistische DL wird deshalb Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, wenn sie das  Potentialgefälle passieren. Das kann in den kraftvollen, Strom durchflossenen, gebündelten Plasmajets   vorkommen, die entlang einer oder beider Achsen von aktiven Radiogalaxien gefunden wurden.
Übersetzung H. Täger 

8. Stromschichten und anderes

6. Ströme, Filamente und Pinche

8. Stromschichten und anderes

Verflochtene Stromschichten glimmen sanft im sichtbaren und infraroten Licht entlang der Cygnus-

Schleife des Schleiernebels.

Bildquelle. W. P. Blair, R. Sankrit (Johns Hopkins University/NASA)

Die umgekehrte Entfernungsabhängigkeit der

Kraft des Biot-Savart-Gesetzes zwischen

stromdurchflossenen Filamenten führt –

seltsamerweise – zur Paarbildung von

Filamenten. Hier werden 3 Stromfilamente in

einer Teilchen-in-Zelle-Computersimulation

(PIC-Simulation) gezeigt, von denen nur zwei

stark wechselwirken, während das dritte ruhig

bleibt. Dies führt direkt zur “Zweiheit” oder

“Doppelexistenz”, wenn viele Filamente in

einem Plasma mit bedeutendem Magnetfeld

anwesend sind.

Bildquelle: entnommen von Fig. 3.21, Physics

of the Plasma Universe, Peratt, Springer Verlag,

1992

Entwicklung einer Röntgen-

strahlen aussendenden

Sonneneruption. Ganz oben:

Simulierte magnetische

Feldlinien (farbig) mit

Polaritäten dargestellt in

Grautönen (dunkel = negative;

hell = positive). Mitte:

simulierte Stromentwicklung

gleichzeitig mit Veränderungen

des Magnetfeldes darüber,

(dunkel = intensiver). Unten:

Beobachtungssequenz des

Hinode X-ray telescope einer

eruptiven Schleife wie das

Merkmal (ELLLF) verbunden mit

einem elektrischen Doppel-J

(Sigmoid) Muster.

Bildquelle: Fig. 6 aus

“Formation of a torus-unstable

flux rope and eletric currents in

erupting sigmoids”; Aulanier,

Török, Démoulin & DeLuca, The

Astrophysical Journal 708:313-

333, 2010 Jan 1.

Verdrillte Birkeland-Filamente im Doppelhelix-

Nebel nahe des Zentrums der Milchstraße in

infrarotem Licht.

Bildquelle: NASA/JPL – CalTech/UCLA

Der Jet der Galaxie Centaurus A in einer Kombination aus Falschfarben, Radiowellen (blau) und

Röntgenstrahlen (rot).

Bildquelle: NASA/Chandra für das Röntgenstrahlenbild; NRAO/AUI für das Radiowellenbild