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

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Willkommen bei einer

Stimme für das

Elektrische Universum

l etzte Änderung: 01.11.2017

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