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..  

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sind der Grund, warum viele Leute die Ideen des Elektrischen Universums ablehnen. Hier wird mit den Missverständnissen aufgeräumt.

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letzte Änderung: 26.04.2017 

8. PLASMA-STROMSCHICHTEN, VERTIKALE STRÖME UND

ELEKTRISCHE STROMKREISE

8.1 PLASMA-STROMSCHICHTEN

Es wurde bereits auf die Filamentierung von Stromschichten hingewiesen. Dieser Abschnitt wird das Wesen  der Stromschichten und ihre Beziehung zum Magnetfeld erkunden. 
Eine Stromschicht ist genau, was der Name sagt – eine dünne Oberfläche, in der ein Strom fließt. Sie  unterscheidet sich ganz offensichtlich von einer sich bewegenden Ladung und von zylindrischen  Stromfilamenten. Eine Stromschicht bildet eine Oberfläche zwischen zwei Regionen von Plasma, etwa wie eine  Doppelschicht (DL), und wie DL teilt sie sich oft in Regionen mit unterschiedlichen Eigenschaften auf.  Der Strom fließt in den Schichten in eine Richtung, die vollständig innerhalb der Schicht enthalten ist. Man  kann sich das so vorstellen, als würde der Strom auf gekrümmten Pfaden durch ein gewebtes Leinenbettuch  fließen: alle Ströme fließen in den gekrümmten Pfaden in dieselbe Richtung und keine Strom fließt in den  Schussfäden. Ein Strom besteht natürlich aus Ionen und Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen fließen,  deshalb enthält die Stromschicht beide Teilchenarten. Die Richtung des Stroms kann sich offensichtlich ändern, da die Schicht selber nicht eben sein muss. So  gibt es zum Beispiel klare Beweise für teilweise gerundete Stromschichten am “bow shock” [Bogenschock], wo  die Magnetosphäre der Erde mit dem ankommenden Sonnenwind interagiert.
Wenn wir das Magnetfeld nahe der Stromschicht analysieren, dann finden wir, dass die Magnetkraft wegen  der Stromschicht auf jeder Seite in der entgegengesetzten Richtung wirkt. Wenn zum Beispiel ein Strom diese Seite hoch fließt, dann wird das Magnetfeld über der Seite von links nach rechts gehen und unter der Seite wird es von  rechts nach links verlaufen, wie man es erwartet von der Rotation der Rechte-Hand-Regel für jeden einzelnen  “Faden” des Stroms. (Man beachte, dass die Rotations-Rechte-Hand-Regel nicht dasselbe ist wie die Rechte-Hand-  Regel des Vektorkreuzproduktes!)  Deshalb ist es ein genereller Effekt von Stromschichten separate Gebiete von entgegengesetzten  Magnetfeldern zu erzeugen. Am Ort der Schicht selber ist das Magnetfeld Null. Das ist exakt die Situation, die im  Schweifgebiet des Magnetfeldes der Erde gefunden wurde, wo eine Stromschicht in der Äquatorialebene zwei  Zonen entgegengesetzter Magnetfelder von einander trennt. In diesem Fall fließt der Strom der Schweifschicht  azimutal oder von “West nach Ost” und die Magnetfelder liegen radial, ausgerichtet zur Erde in der nördlichen  Hemisphäre und von der Erde weg in der südlichen Hemisphäre.  Das Gravitationsmodell beschreibt diese Stromschichten als verursacht durch die an einer Seite  entgegengesetzten Magnetfelder. Erinnern wir uns daran, dass magnetische Felder Kraftfelder sind, die durch die  Bewegung geladener Teilchen verursacht werden, dass heißt, durch Ströme, so dass das Gravitationsmodell  Ursache und Wirkung zu verwechseln scheint. Was die magnetischen Felder, die der Strom erzeugt, tatsächlich  tun, das ist das Zusammenpressen des Stromes in Form der Schicht. Sie erzeugen aber keinen Strom.   Stromschichten sind deshalb ein anderes Mittel durch das Plasma als Reaktion auf eine sich verändernde  Umgebung Zellen bildet. Stromschichten können auch bewirken, dass Massen in einer Anwendung gepulster Plasmadüsen  beschleunigen. Siehe Text und Video vom Princeton University Electric Propulsion and Plasma Physic Lab hier.  

8.2 VERTIKALE STRÖME

Wir haben bereits die Fälle berücksichtigt, wo Ströme parallel (am “Feld ausgerichtet” sind) zum Magnetfeld  (Filamente und Birkeland-Ströme) fließen und den Fall, wo Ströme in Regionen eines Nullfeldes (Stromschichten)  fließen. Die übrig gebliebene Möglichkeit für Ströme ist, eine Vektorkomponente zu haben, die vertikal zum  Magnetfeld unter dem Einfluss nichtmagnetischer Kräfte in Verbindung mit dem Magnetfeld wirkt (siehe 8.3 unten).  [Erinnert sei daran, dass F die resultierende Vektorkraft eines geladenen Teilchens ist; q ist der Wert für den  Betrag der Ladung eines Teilchens; E ist der Vektor des elektrischen Feldes zu einer bestimmten Zeit an einem  bestimmten Koordinatenpunkt; U ist der Geschwindigkeitsvektor eines geladenen Teilchens zu einer bestimmten  Zeit an einem bestimmten Koordinatenpunkt, und B ist der magnetische Feldvektor zu einer bestimmten Zeit an  einem bestimmten Koordinatenpunkt. Schließlich sei noch angemerkt, dass die Vektoren in Fettschrift sich auf eine  skalare Größe beziehen und eine Richtung, z.B. 3000 km/s Richtung Osten.]  Die Lorentzkraft auf geladene Teilchen, F = q(E  + U x B) in der Vektorrechnung, hängt ab von der Beziehung  der Geschwindigkeit des Teilchens U zum Magnetfeld B. Die Größe des Vektorkreuzproduktes U x B kann  geschrieben werden als UB sin θ, wobei θ der kleinere Winkel zwischen U und B ist. Die Richtung der Kraft, die von  U x B erzeugt wird, wird durch die Bewegung der rechtshändigen Schraube angegeben, die sich von U nach B   dreht, d.h. im rechten Winkel zu beiden, U und B. Das führt dazu, dass sich geladene Teilchen im rechten Winkel zum Magnetfeld bewegen, um einem  kreisförmigen Pfad in einer zum Feld senkrechten Ebene zu folgen. Wir können das die zentripedale Kraft nennen.  Wenn E  ungleich Null ist, wird das Teilchen auch in die Richtung von E beschleunigt.  Wenn U Null ist oder parallel zu B, dann gibt es offensichtlich keine zentripedale Kraft, die vom Magnetfeld  auf das Teilchen wirkt. Mit anderen Worten, wenn das Teilchen stationär ist oder sich parallel zum Feld bewegt,  dann wird es keine magnetische Kraft erfahren.  Anstatt veränderliche Winkel zwischen U und B zu berücksichtigen, ist es einfacher die parallelen und  vertikalen Komponenten von U separat zu berücksichtigen. Da nur die vertikalen Komponente eine Kraft  verursacht, können wir uns auf diese Komponente allein konzentrieren. Wir werden auch annehmen, dass E  = 0 ist,  solange es nicht anders gesagt wird.  Die Teilchengeschwindigkeit, die sich aus der Kombination einer kraftbedingten Bewegung und eines  Magnetfeldes ergibt, kann als Kreisbewegung um ein lenkendes Zentrum angenommen werden (Bild unten), wobei  das Zentrum selbst wiederum vertikal zum Magnetfeld mit der Geschwindigkeit vp driftet, entsprechend der  Lenkzentrumsgleichung:  vp = (F × B) / qB² Man beachte, dass F eine nichtmagnetische Kraft ist (z.B. Gravitation oder ein elektrisches Feld), welche die  Bewegung der geladenen Teilchen verursacht. Diese Bewegung wechselwirkt dann mit dem Magnetfeld  entsprechend des Lorentzschen Gesetzes. Wenn B in die Richtung z geht und F in die Richtung y im  Kartesianischen Koordinatensystem, dann geht die resultierende Geschwindigkeit in die Richtung x. 
Was uns diese Gleichung sagt, ist, folgendes: Wenn ein Teilchen Gegenstand einer externen Kraftwirkung  vertikal zum Magnetfeld ist, dann wird es eine konstante Geschwindigkeit vertikal zu beiden, dem Feld und der  Kraft, annehmen. Wie das geschieht, wird nachfolgend dargestellt:  Wenn ein Teilchen ursprünglich ruht, wird eine externe Kraft (sagen wir ein elektrisches Feld) beginnen es in  die Richtung der Kraft entsprechend des Newtonschen Gesetzes zu beschleunigen. Sobald jedoch das Teilchen  einen kleinen Betrag an Geschwindigkeit oder eine Geschwindigkeitskomponente vertikal zum Magnetfeld  erworben hat, dann taucht im Ergebnis des Magnetfeldes eine zentripedale Kraft auf und beginnt den Pfad des  Teilchens von der Flugbahn, die durch die externe Kraft erzeugt wird, wegzudrehen. Die externe Kraft versucht immer noch das Teilchen in Richtung der Kraft zu beschleunigen, doch dort gibt  es jetzt eine Komponente der zentripedalen Kraft, welche der externen Kraft entgegenwirkt. Die Beschleunigung in  Richtung der externen Kraft wird dementsprechend reduziert.  Unter dem Einfluss beider, der externen und der zentripedalen Kraft, wird das Teilchen einem gekrümmten,  sich um 90 Grad drehenden Pfad folgen. An dem Punkt, wo der Pfad senkrecht zur externen Kraft verläuft, hat das  Teilchen die Geschwindigkeit vp entsprechend der Gleichung des lenkenden Zentrums erworben, und die  zentripedale Kraft gleicht die externe Kraft wegen der Wechselwirkung von vp und B genau aus. Deshalb gibt es weder eine weitere Beschleunigung in Richtung der externen Kraft noch irgendeine  Beschleunigung in Richtung von vp, weil es keine Kraft in dieser Richtung gibt. Das Teilchen hat eine konstante  Geschwindigkeit erhalten, lotrecht zu beiden, zu B und der externen Kraft. So lange wie das Teilchen seine Bewegung mit der Geschwindigkeit vp in der lotrechten Richtung fortsetzt,  so lange ist die Situation stabil und die externe Kraft bleibt durch die zentripedale Kraft im Gleichgewicht.

8.3 EFFEKTE VERSCHIEDENER EXTERNER KRÄFTE

Die obigen Überlegungen beziehen sich auf jede konstante externe Kraft, die auf geladene Teilchen in einem Magnetfeld einwirkt. Verschiedene Kräfte können Beschleunigungen in vertikaler Richtung zum Magnetfeld  verursachen. Diese schließen Gravitation, ein elektrisches Feld und Drehmomente ein. Jede wird einen anderen  Effekt in Abhängigkeit davon haben, ob die externe Kraft eine Funktion der Masse oder der Ladung des Teilchens  ist und zwar wie folgt:  Fall A. Elektrische Feldkraft,  FE × B   für ein elektrisches Feld vertikal zu B.  Weil FE  = qE ist, wird die Lenkzentrumsgleichung: vp = (E × B) / B2 In Fall A ist die vertikale Geschwindigkeit unabhängig von der Ladung des Teilchens. Daraus ergibt sich ein  spezieller Fall von Ionen und Elektronen, die in die gleiche Richtung driften, wie wir bei der Betrachtung der  Konzentration von Materie durch filamentäre Ströme sahen. Fall B. Gravitation, Fg×B Weil Fg = mg ist, hängt die resultierende vertikale Driftgeschwindigkeit von der Masse der Teilchen und  ihrer Ladung ab, und für Fall B gilt: vp = (g × B) × m/qB² Ionen und Elektronen bewegen sich deshalb in entgegen gesetzte Richtungen, woraus sich in einem Strom  Ladungstrennung ergibt und Zonen verschiedenen Potentials (z.B. elektrische Felder). All diese Effekte  kommen einfach als Resultat der Wechselwirkung zwischen Gravitation und Magnetfeld vor. Offenbar  beginnen diese Effekte dann ihre eigenen sekundären Wirkungen/Effekte zu verursachen und daraus kann  sich komplexes Plasmaverhalten ergeben. (Ref:Fundamentals of Cosmic Electrodynamics, Boris V. Somov,  Kluwer Academic Publishers, 1994, Chapter 2,Motion of a Charged Particle in Given Fields)  Zusätzlich kann die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Masse der Teilchen auch in einer chemischen  Trennung verschiedener Ionen oder Marklund-Konvektion resultieren.  Ein Fall ist hier von besonderem Interesse. Wenn man die Erde und ihr Magnetfeld betrachtet, kann es  verbildlicht werden als Feldlinien, die sich in den nahen Weltraum ausdehnen, die etwa so angeordnet sind  wie die Segmente einer Orange. In der äquatorialen Ebene ist das Feld Nord-Süd ausgerichtet. Die  Gravitationskraft wirkt radial einwärts und so in einem rechten Winkel zum Feld. Irgendwelche Ionen oder Elektronen in der Umgebung, zum Beispiel in der Atmosphäre, erlangen daher  Geschwindigkeiten vertikal zu beiden, B und g, unter dem kombinierten Einfluss von Gravitation und  Magnetfeld. Weil die Beschleunigung von Ionen und Elektronen in entgegengesetzte Richtungen erfolgen, ist  dies das Äquivalent zu einem Strom, der in einem Ring um die Äquatorialebene fließt. Die Van Allen-Gürtel  sind Beispiele für Ringströme.  Das ist ein unvermeidliches Resultat der Anwesenheit geladener Teilchen in einem Magnetfeld, das im  rechten Winkel zum Gravitationsfeld ausgerichtet ist. In dieser Situation wird immer ein Strom erzeugt.  Mehrere der Monde des Jupiters und des Saturns zeigen diese Ströme, die durch elektromagnetische  Strahlung nachgewiesen sind, dort, wo die erzeugten Ströme mit den Atmosphären der Planeten in der  Umgebung ihres polaren Auroraovals in Kontakt kommen. 

Vorstellung eines Künstlers von der Plasmaschicht des Saturns, basierend auf Cassinis magne-

tosphärischem Bildinstrument. Die Plasmaschicht trennt die Hälften der oberen und unteren

Magnetosphäre, dünnt sie in Richtung der Nachtseite des Planeten allmählich aus. Die Mag-

netopause deutet den Fluss des abgelenkten Solarwindes an.

Bildquelle: NASA/Jet Propulsion Laboratory / Johns Hopkins University Applied Physics

Laboratory.

Schnittbild der Plasma-Stromschichten der Erde in- und außerhalb der Magnetosphäre.

Bildquelle: Wikipedia images, zahlreiche Webseiten ohne Quellennachweis

Schnittbild der Plasma-Stromschicht der Erde in und um ihre Magnetosphäre.

Bildquelle: Wikipedia Images, zahlreiche andere Webseiten ohne Quellenangabe

Spiralförmige Bahn eines geladenen Teilchens, mit seiner Kreisbewegung überlagert von

seinem Driftgeschwindigkeitsvektor.

Bildquelle: „Fundamentals of Plasma Physics“, Cambridge Press, 2006; Dr. Paul Bellan,

Calofornia Institute of Technology

Fall C. Drehmoment  Fi = -m (du/dt)  (Newtons Zweites Bewegungsgesetz)  In diesem Fall haben die geladenen Teilchen bereits ein ursprüngliches Drehmoment mu  (Inertialmasse mal  Geschwindigkeitsvektor), wenn sie einem Magnetfeld begegnen. Die Lenkzentrumsgleichung deutet an, dass  das ursprüngliche Drehmoment durch das Magnetfeld verändert wird:  vp = -mq/B² du/dt × B Da vp ladungsabhängig ist, erfolgt die Beschleunigung von Ionen and Elektronen in entgegengesetzte  Richtungen und repräsentiert daher einen Strom. Ionen mit unterschiedlichen Massen werden unterschiedliche  Endgeschwindigkeiten erreichen und sich so chemisch sortieren. Das ist ein anderer wichtiger Effekt der Trägheit:  Wenn eine Menge an Plasma auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt wird, zum Beispiel durch  eine Kraft I × B in der Region (welche sich entgegengesetzt bewegende Ionen und Elektronen in dieselbe lotrechte  Richtung beschleunigt), dann hat das Plasma zu Lasten des Stromkreises, der den Strom antreibt, eine kinetische  Energie erworben. Wenn diese Menge sich bewegenden Plasmas dann in eine andere Region eintritt, wo es einen Stromkreis in einem lokalen Plasma erzeugen kann, dann wird seine Geschwindigkeit vp einen Strom vertikal zu beiden, B und  vp, erzeugen. Die Wechselwirkung dieses Stroms mit B wird eine Kraft im sich bewegenden Plasma verursachen,  die es verlangsamt. Mit anderen Worten, die kinetische Energie des Plasmas wird wieder aufgegeben dadurch,  dass ein Strom an einem neuen Ort erzeugt wird. Deshalb ist die Wechselwirkung der ursprünglichen Bewegung geladener Teilchen und ihrer Magnetfelder  ein Mittel durch welches kinetische Energie mit elektromagnetischer Energie ausgetauscht werden kann und  deshalb ist es ein Mittel durch welches Energie zwischen verschiedenen Orten transportiert werden kann. 

8.4 ELEKTRISCHE STROMKREISE IM PLASMA

Solange eine Ladung nicht von einer elektrostatischen Quelle fließt oder zu einer Senke, solange ist sie Teil  eines geschlossenen Stromkreislaufes. Im Weltraum ist der Stromkreislauf nicht immer offensichtlich, weil die  Leiter oft unsichtbar sind und sie den Stromkreis in sehr großer Entfernung vom interessierenden Gebiet  schließen können, aber sie müssen ihn irgendwo schließen.  Die Berücksichtigung der Stromkreise im Weltraum kann Verhaltensweisen erklären wie den Transport von  Energie von einem Gebiet zu einem anderen, welcher spürbare elektrische Aktivitäten in der untersuchten Region  antreibt. In diesem Zusammenhang ist es notwendig darauf zu verweisen, dass, wenn sich ein Plasma, welches  irgendwelche Bereiche eines leichten Ladungsungleichgewichtes beinhaltet und sich relativ zu einer anderen  Plasmaregion in einem Magnetfeld bewegt, es dann in der erstgenannten Region ein elektrisches Feld erzeugen  wird sowie Ströme in der zweiten Region. Das geschieht wegen der Wechselwirkung der elektromagnetischen  Felder und Kräfte. Das Gravitationsmodell besagt, dass das Debye screening, welches wegen ähnlicher Effekte die Ursache für  eine Debye-Randschicht um einen geladenen Körper sei, das Ausmaß der Ladungsungleichgewichte zugunsten  der Debye-Länge begrenzen würde. Es ist jedoch die Kraft  v × B  aus der Lorentzgleichung unabhängig von der  Debye-Länge und sie kann ein elektrisches Feld in einer anderen Region des Plasmas weit jenseits der Debye-  Grenze erzeugen.

8.5 DOPPELSCHICHTEN ALS ELEMENTE DES STROMKREISES

Jede Doppelschicht beschleunigt Ionen und Elektronen wegen des Potentialgefälles der DL. Wenn die DL  ein Strom führende DL ist, dann formt sie sich praktisch als Teil eines elektrischen Stromkreises, in welchem der  Strom  fließt. Die Energie zur Beschleunigung der Teilchen wird durch den Stromkreis bereit gestellt und innerhalb  der DL in kinetische Energie umgewandelt. Die DL agiert deshalb als ein (Eingangs-)Widerstand und kann eine Reaktion erfahren, welche ihre Position  driften lässt. Das erfolgt analog zu dem Rückstoß eines Gewehrs, wenn seine Kraftquelle die Masse des  Geschosses beschleunigt. Die durch die DL beschleunigten Teilchen verursachen einen Druck auf das sie  umgebende Plasma mit dem sie wechselwirken und erzeugen Strahlung. Der Verlust überschüssiger Energie auf  diesem Wege kann es dem Plasma erlauben durch die Formung einer DL, die den notwendigen Mechanismus  bereitstellt, einen stabilen Zustand zu erreichen. 

8.6 ENERGIE UND INDUKTIONSWIDERSTAND

Die vom Stromkreis der DL bereitgestellte Energie kann von der Energie stammen, die im Magnetfeld oder in  der kinetischen Energie des Hauptteils des Plasmas gespeichert ist. In der Terminologie der Stromkreise ist ein  Element, welches Energie speichert, eine Spule. Das Plasma kann man sich deshalb analog zu einer Spule in  einem einfachen Stromkreis vorstellen. Ähnlich verhält sich die DL in einiger Hinsicht wie ein Kondensator,  allerdings einer mit variablen Merkmalen, einschließlich eines Widerstandes, der sich mit steigendem Strom  verringern kann. Alle elektrischen Stromkreisläufe, welche einen Widerstand haben, sind potentiell instabil, in Abhängigkeit von der Stromstärke, dem induktiven Widerstand, dem Widerstand und der Kapazität im  Stromkreis. Wenn der Gesamtwiderstand des Stromkreises negativ ist, was im Plasma wegen der fallenden  Charakteristik der I-V-Kurve (Stromspannung gegen –stärke) oft der Fall ist , dann wird die Stabilität des  Induktionskreises unmöglich gemacht. Ein einfacher Stromkreis, der Stromstärke, Induktanz und negativen  Widerstand einschließt, wird entweder schwingen oder all seine Energie abbauen und verschwinden. Wenn das Potenzialgefälle entlang der DL größer ist als das Plasmapotential, dann wird die DL als starke DL  klassifiziert. Eine starke DL reflektiert Teilchen, die sich der DL mit weniger Energie als das Plasmapotential  annähern. Nur solche Teilchen, deren Energien über dem Plasmapotential liegen, werden in die DL eintreten und  durch ihr Stromstärkedifferential , d.h. ihr elektrisches Feld, beschleunigt.  Das Verhalten von Plasma in einer CCDL ist deshalb anhängig von den Merkmalen des externen  Stromkreises, welcher die Entstehung einer CCDL antreibt. 

8.7 RESONANTE STROMKREISE

Ein Stromkreis, der eine Spule und einen Kondensator enthält, hat eine natürliche oder resonante  (mitschwingende) Frequenz bei der er elektrische schwingt. in ähnlicher Weise wird ein Plasmastrom, der einen  Induktor in der Gestalt gespeicherter magnetischer Energie und eine CCDL mit negativem Widerstand besitzt,  dazu tendieren, eine resonante Schwingung zu haben, bei der Energie zwischen dem elektrischen Feld in der DL  und dem Magnetfeld im Plasma ausgetauscht wird. Wenn das elektrische Feld in der DL sich erhöht, dann  beschleunigt es in der normalen Weise Teilchen auf höhere Energieniveaus. Es ist offensichtlich, dass dieses Modell ein wirksames Mittel zur Erzeugung hochfrequenter  Strahlungausstöße ist. Im Gegensatz dazu postuliert das Gravitationsmodell, dass sehr hoch verdichtete  Neutronensterne bis zu Tausende male pro Sekunde rotieren würden, um dieses häufig beobachtete Phänomen zu  erklären. Nicht alle Situation führen zu einer resonanten Frequenz. Variationen führen oft zum Auftreten von  Schwingungen über ein weites Frequenzband. In Begriffen des elektrischen Stromkreises ist die DL dann  “geräuschvoll”. Die Wirkung des Geräusches besteht darin eine Bandbreite von Elektronenenergien in dem Strahl  zu erzeugen, der durch die DL beschleunigt wird. Einige Elektronen haben dann genug Energie, um aus dem  Magnetfeld auszubrechen, das den Strom einschnürt und das kann zur Expansion des Plasmas führen.  Übersetzung H. Täger 

9. Plasmainstabilitäten

7. Birkelandströme und anderes

9. Plasmainstabilitäten

7. Birkelandströme und anderes