2. Fortsetzung

2.6 EINFÜHRUNG IN ELEKTRISCHE FELDER

Eine   elektrische   Ladung   besitzt   eine   Polarität.   Das   bedeutet,   dass   sie   entweder positiv   oder   negativ   ist.   Nach   Übereinkunft   entspricht   die   elementare   (kleinste)   Einheit einer   Ladung   der   eines   Elektrons   (-e)   oder   eines Protons   (+e).   Die   elektrische   Ladung ist gequantelt, sie ist immer ein ganzzahliges Vielfaches von e.   Die   Grundeinheit   einer   Ladung   ist   ein   Coulomb   (C),   wobei   e   =   1,60×10^-19   Coulomb.   In   Umkehrung   des letztgenannten   kleinen   Wertes   entspricht   ein   Coloumb   6,25×10^18   einzelnen   geladenen   Teilchen.   Ein   Ampere   (A) eines   elektrischen   Stromes   ist   ein   Coloumb   pro   Sekunde.   Ein   20A-Strom   bedeutet   deshalb,   dass   20   C   einer   Ladung pro Sekunde oder das 1,25×10^20 Elektronen pro Sekunde einen bestimmten Punkt passieren. Jede    Ladung    führt    ein    sie    begleitendes    elektrisches    Feld    mit    sich.    Ein    elektrisches    Feld    ähnelt    einem magnetischen   Feld   darin,   dass   es   erzeugt   wird   durch   die   grundlegende   Kraft   der   elektrischen   Wechselwirkung   und deren   “Reichweite”   oder   Wirkungsbereich,   der   unendlich   oder   unendlich   groß   ist.   Das   ein   einzelnes   geladenes Teilchen   umgebende   elektrische   Feld   ist   kugelförmig,   wie   das   Feld   der   Gravitations-beschleunigung   um   eine   kleine Punktmasse oder eine große Kugelmasse herum. Die   Stärke   eines   elektrischen   Feldes   an   einem   bestimmten   Punkt   definiert   sich   als   Kraft   in   Newton   (N),   die   von einer   positiven Testladung   von   1   Coloumb,   die   an   diesem   Punkt   platziert   ist,   ausgeübt   wird.   Wie   bei   Gravitation   ist   die Kraft dieser Ladung umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zu dieser (oder einer anderen) Ladung. Das   Wichtigste   besteht   bei   der   Definition   einer Testladung   als   positiv   darin,   konsequent   die   Richtung   der   Kraft, die   eine   Ladung   auf   eine   andere   Kraft   ausübt,   zu   definieren.   Da   gleiche   Ladungen,   so   wie   Magnetpole,   sich   abstoßen und   ungleiche   sich   anziehen,   tendieren   die   vorgestellten   elektrischen   Feldlinien   dahin,   von   positiven   Ladungen   weg in Richtung auf negative Ladungen zu zeigen. Siehe das kurze Youtube-Video über das elektrische Feld hier . Hier   sieht   man   eine   anwendergesteuerte   Demonstration   von   zwei   Ladungen   und   die   sie   umgebenden   Linien der Kraft in dieser Mathematica- Anwendung .  Man   muss   dazu   den   Mathematica-Player   von   der   verlinkten   Webseite   herunterladen   (nur   einmal   und   das   gratis) um   die   Demo   abzuspielen.   Nach   Installation   von   Mathematica   Player   auf   “Download   Live   Demo”   klicken.   Man   kann die   Stärke   und   Polarität   der   Ladung   (+   oder   -)   mit   den   Gleitreglern   bestimmen   und   die   geladenen   Teilchen   über   den Schirm ziehen, muss aber den Feldlinien Zeit geben, sich zwischen den Änderungen zu beruhigen. Elektromagnetische    Kräfte    wirken    gewöhnlich    stärker    auf    Plasma    im    Weltraum    als    Gravitationskräfte. Elektromagnetismus   kann   abgeschirmt   werden,   während   das   bei   Gravitation   nicht   funktioniert,   soweit   wir   wissen. Das   übliche   Argument   des   Standardmodells   besteht   darin,   zu   sagen,   dass   die   meisten   Elektronen   in   einer   Region oder   einem   Körper   mit   Protonen   in   den   Kernen   der   Atome   und   Moleküle   gepaart   sind,   so   dass   die   resultierenden Kräfte    der    positiven    und    negativen    Ladungen    sich    so    perfekt    aufheben,    dass    für    “große    Körper    Gravitation dominieren kann” (Link: Wikipedia, Fundamental Interactions, unter dem Untertitel Electromagnetism ). Dabei   wird   übersehen,   dass   mit   der   gelegentlichen   Ausnahme   von   relativ   kühlen,   stabilen   und   fast-neutralen Planetenumgebungen,   wie   der   auf   der   Erde   gefundenen,   die   meiste   Materie   im   Universum   aus   Plasma   besteht,   d.h. geladene   und   neutrale   Teilchen   bewegen   sich   in   der   komplexen   Symphonie   von   Ladungstrennung   und   elektrischen und     magnetischen     Feldern,     die     sie     selbst     geschaffen     haben.     Gravitation,     obwohl     immer     vorhanden,     ist typischerweise nicht die dominierende Kraft. Da   sie   weit   entfernt   davon   entfernt   sind,   mehrheitlich   aus   neutralen   Ladungen   und   schwachen   magnetischen und   elektrischen   Feldern   sowie   sie   begleitenden   schwachen   Ladungen   zu   bestehen,   können   elektrische   Felder   und Ströme   in   Plasma   im   Weltraum   oft   sehr   groß   und   kraftvoll   werden.   Das   Elektrische   Modell   besteht   darauf,   dass Phänomene   im   Weltraum   wie   Magnetosphären,   Birkeland-Ströme,   Sterne,   Pulsare,   Galaxien,   galaktische   und   stellare Jets,   planetare   Nebel,   “Schwarze   Löcher”,   energetische   Teilchen   wie   Gammastrahlung   und   Röntgenstrahlung   und andere   grundsätzlich   elektrische   Ereignisse   der   Plasma-Physik   sind.   Sogar   felsige   Körper   –   Planeten,   Asteroiden, Monde   und   Kometen   und   die   Gaskörper   in   einem   Sonnensystem   –   existieren   in   der   Heliosphäre   ihrer   Sterne   und   sind nicht ausgenommen von elektromagnetischen Kräften und deren Wirkungen. Jedes   separate,   geladene   Teilchen   trägt   zum   elektrischen   Gesamtfeld   bei.   Die   resultierende   Kraft   an   jedem Punkt   in   einem   komplexen   elektromagnetischen   Feld   kann   mittel   Vektoren   berechnet   werde,   wenn   die   Ladungen   als feststehend   angenommen   werden.   Wenn   geladene   Teilchen   sich   bewegen   (und   das   tun   sie   immer),   dann   “schaffen” sie   –   sind   sie   begleitet   von   –   Magnetfeldern   und   das   verändert   die   magnetische   Konfiguration.   Änderungen   in   einem Magnetfeld   wiederum   schaffen   elektrische   Felder   und   beeinflussen   deshalb   die   Ströme   selber,   so   dass   Felder,   die   mit sich   bewegenden   Teilchen   beginnen,   sehr   komplexe   Wechselwirkungen,   Rückkopplungsschleifen   und   chaotische Mathematik repräsentieren. Ladungen   im   Weltraum   können   in   jeder   Konfiguration   räumlich   verteilt   sein.   Wenn,   anstatt   eines   Punktes   oder einer   Kugel,   die   Ladungen   in   linearer   Weise   verteilt   sind,   so   dass   die   Länge   des   geladenen   Gebietes   viel   länger   ist   als ihre   Breite   oder   ihr   Durchmesser,   dann   kann   gezeigt   werden,   dass   die   elektrischen   Felder   die   lineare   Form   wie Zylinder   gleichen   Kraftpotentials   umgeben,   und   dass   das   Feld   aus   dieser   Konfiguration   mit   steigender   Entfernung von   der   Achse   des   Körpers   proportional   abnimmt   (nicht   mit   dem   Quadrat   der   Entfernung).Das   ist   wichtig   für   das Studium   der   Effekte   von   elektrischen   und   magnetischen   Feldern   in   filamentären   Strömen   wie   Blitzschlägen,   einem Plasmafokus oder großen Birkelandstömen im Weltraum. Erinnert   sei   daran,   dass   die   Richtung   der   auf   eine   positive   Ladung   ausgeübten   Kraft   bei   der   positiven   Ladung beginnt   und   an   der   negativen   Ladung   endet,   oder,   wenn   sie   die   negative   Ladung   verfehlt,   sich   unendlich   weit erstreckt.   Sogar   ein   kleines   Ladungsungleichgewicht   mit,   sagen   wir,   mehr   positiv   geladenen   Teilchen   hier   und   mehr negativ   geladenen Teilchen   ein   Stück   entfernt,   führt   zu   einer   Region   der   Kraft   oder   elektrischen   Feldern   zwischen   den Bereichen    getrennter    ungleicher    Ladungen.    Die    Bedeutung    dieser    Verteilung    wird    bei    der    Diskussion    von Doppelschichten in Plasma weiter unten noch deutlicher werden. Man   stelle   sich   einen   elektrischen   Kondensator   vor,   in   dem   es   zwei   getrennte,   entgegen   gesetzt   geladene Platten   oder   Schichten   gibt,   vergleichbar   zu   den   zwei   geladenen   Platten   “B”   in   der   Abbildung   oben.   Es   gibt   ein elektrisches   Feld   zwischen   den   zwei   Schichten.   Jedes   geladene   Teilchen,   das   sich   zwischen   den   beiden   Schichten bewegt   oder   platziert   ist,   wird   durch   die   entgegengesetzt   geladene   Schicht   beschleunigt.   Elektronen   (welche   negativ geladen   sind)   beschleunigen   in   Richtung   der   positiv   geladenen   Schicht   und   positive   Ionen   in   Richtung   der   negativ geladenen Schicht.

Dem   Newtonschen   Gesetz   zufolge   führen   Kräfte   zur   Beschleunigung.   Deshalb   ergibt   sich   aus   elektrischen Feldern   die   Aufnahme   von   Geschwindigkeit   durch   geladene   Teilchen.   Entgegengesetzt   geladene   Teilchen   werden sich   in   entgegengesetzte   Richtungen   bewegen.   Ein   elektrischer   Strom   ist   per   Definition   die   Bewegung   einer   Ladung nach    einem    Punkt.    Elektrische    Felder    verursachen    daher    elektrische    Ströme,    indem    sie    geladene    Teilchen beschleunigen. Wenn   ein   elektrisches   Feld   stark   genug   ist,   dann   werden   die   geladenen   Teilchen   durch   das   Feld   auf   sehr große Geschwindigkeiten beschleunigt. Zum weiteren Studium über elektrische Felder siehe hier .

2.7 ENTDECKUNG ELEKTRISCHER FELDER UND STRÖME IM WELTRAUM

Elektrische   Felder   und   Ströme   sind   viel   schwieriger   zu   entdecken,   wenn   man   kein   Messinstrument   direkt   an das     Feld     anlegen     kann,     aber     wir     haben     elektrische     Ströme     im     Sonnensystem     durch     die     Nutzung     von Raumfahrzeugen   festgestellt.   Eines   der   ersten   war   der   auf   einer   niedrigen   Umlaufbahn   fliegende   Satellit   TRIAD,   der Ströme    entdeckte,    die    mit    der    oberen   Atmosphäre    der    Erde    wechselwirken.    1981    beschrieb    Hannes   Alfén    ein heliosphärisches Strommodell in seinem Buch Cosmic Plasma . Seither   wurde   eine   Region   elektrischer   Ströme,   genannt   Heliosphärische   Neutralschicht   (heliospheric   oder heliocentric   current   sheet   oder   kurz   HCS)   entdeckt,   die   die   positiven   und   negativen   Regionen   des   Magnetfeldes   der Sonne    von    einander    trennt.    Sie    ist    etwa    15    Grad    zum    Sonnenäquator    geneigt.    Während    einer    Hälfte    des Sonnenzyklus   liegen   die   nach   außen   zeigenden   Magnetfelder   über   der   HCS   und   nach   innen   zeigende   Magnetfelder darunter.   Dann   kehren   sich   die   Verhältnisse   um,   wenn   das   Magnetfeld   der   Sonne   nach   der   Hälfte   des   Sonnenzyklus seine   Polarität   wechselt.   So   wie   die   Sonne   sich   dreht,   dreht   sich   die   HCS   mit   ihr,   und   “zieht”   ihre   Wellenbewegungen mit sich in einer, von der NASA so genannten, “Standard-Parkerspirale”. Einige   Links   zu   Webseiten,   die   sich   mit   der   heliosphärischen   Neutralschicht   befassen,   befinden   sich   bei Wikipedia , NASA , dieser Mathematica- Demonstration  und der UK Solar Physics  Webseite.

Raumfahrzeuge    haben    seit    1980    im    Lauf    der    Zeit    Veränderungen    an    verschiedenen    Stellen    in    der Neutralschicht    gemessen.    Sie    haben    erdnahe    und    ebenso    Sonnenströme    entdeckt.    Das    Gravitationsmodell akzeptiert,   dass   Ströme   im   Weltraum   existieren,   nimmt   aber   an,   dass   sie   ein   Ergebnis   des   magnetischen   Feldes   sind. Wir werden später auf diesen Punkt zurückkommen.

Elektrische   Felder   außerhalb   der   Reichweite   von   Raumfahrzeugen   sind   nicht   in   derselben   Weise   zu   entdecken wie   magnetische   Felder.   Die   Aufspaltung   oder   Verbreiterung   von   Spektrallinien   kommt   in   elektrischen   Feldern   vor, aber   es   ist   ein   asymmetrisches   Aufspalten   der   Linien,   welches   die   Anwesenheit   eines   elektrischen   Feldes   anzeigt,   im Gegensatz   zu   der   symmetrischen Aufspaltung   der   Linien   in   Magnetfeldern. Außerdem   ist   die   Verbreiterung   der   Linien durch   elektrische   Felder   abhängig   von   der   Masse   des   Licht   aussendenden   Elements   (die   leichteren   Elemente   sind sehr     schnell     verbreitert     oder     aufgespalten,     schwerere     Elemente     hingegen     weniger     betroffen),     während     die Verbreiterung    nach    Zeeman    (magnetisches    Feld)    unabhängig    von    deren    Masse    ist.    Die    asymmetrisch    breitlinige Aufspaltung oder Verbreiterung wird als Stark-Effekt bezeichnet, nach Johannes Stark (1874-1957).