Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie - rozdział 6 - prądy, włókna i magnetyczne skurcze

Mgławica planetarne często wykazują charakterystyczną, dwubiegunową symetrię, z centralnym skurczem plazmy, dżetami biegunowymi, i równikowym torusem. Prawa do obrazka: NASA, ESA i Hubble Heritage Team

6.1 Ruch termiczny i plazma

Ważne jest rozróżnienie losowego ruchu termicznego od jednolitego, liniowego ruchu plazmy. Ten drugi jest prądem elektrycznym, który płynie pod wpływem pola elektrycznego.

Losowy ruch termiczny jest mierzony jako temperatura plazmy, lub jako temperatury jonów i osobno elektronów, jeżeli są inne. Ruch ten, będący ruchem naładowanych cząstek, również jest formą prądu, ale oscylującym wokół uśrednionej pozycji i opierający się podążaniu tylko w jednym kierunku. Mówiąc ściślej, temperatura może być tylko wtedy właściwą miarą energii, jeżeli rozkład prędkości poszczególnych cząstek jest maxwellowski, to znaczy, jeżeli rozkład odpowiada temu, co wynika w kolizji pomiędzy cząstkami.

Jednolity, liniowy ruch wynika z pola elektrycznego i reprezentuje prąd dryfu. Wszystkie cząstki o tym samym ładunku (dodatnim lub ujemnym) poruszają się w tym samym kierunku pod wpływem pola elektrycznego. To jest, w plazmie, gdzie jest w zasadzie jednakowa ilość cząstek dodatnich i ujemnych (makroskopowa obojętność), znajdujemy dodatnio naładowane jony poruszające się razem w przeciwnym kierunku do ruchu elektronów.

Wszystkie cząstki posiadają energię kinetyczną, która może być wysoka, jednak liniowy ruch nie przekłada się na temperaturę. Dzieje się tak, ponieważ temperatura jest stosowalna tylko do mierzenia energii cząstek o losowych prędkościach, podlegających kolizjom. Ponieważ oba rodzaje dążą do ruchu bardziej lub mniej równoległego, a gęstość plazmy jest relatywnie mała, kolizje są mniej częste warunek rozkładu Maxwella jest niespełniony.

Podczas przepływu prądu mają miejsce oba rodzaje ruchu. Ruch prądu, lub prąd dryfu nakłada się na ruchy losowe. Można też na to spojrzeć tak, że średnia pozycja ruchu losowego, w miarę jak porusza się z prędkością dryfu, jest kierunkiem prądu.

Prąd jonów i elektronów

Widzieliśmy, że elektrony osiągają znacznie większe prędkości od jonów, ze względu na ich mniejszą masę. Tym niemniej elektrony niosą tą samą bezwzględną wartość ładunku elektrycznego, co dodatni proton, najlżejszy z jonów. Tak więc większe prędkości elektronów czynią z nich efektywniejsze medium przenoszenia prądu w plazmie.

W nierelatywistycznym prądzie plazmy, stosunek prądów elektronów i jonów jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z odwrotności stosunku ich mas. Dla najlżejszych jonów dodatnich, protonów, oznacza to, że prąd elektronów jest około 43 razy silniejszy niż prąd jonów [jeśli za masę elektronu przyjmiemy 1, a proton będzie 1836 razy cięższy, to √(1836 ÷ 1) = 42.85]. W wielu sytuacjach to właśnie ruch elektronów determinuje zachowanie plazmy.

6.3 Prąd w tubach laboratoryjnych

Plazma jest studiowana w laboratorium od przeszło stu lat, podczas których zgromadzono szeroki zakres danych i analiz eksperymentalnych. Jeden z podstawowych eksperymentów obejmuje tubę żarzeniową, w której prąd jest przepuszczany przez rozrzedzony gaz, np. opary rtęci. Prowadzi to do jonizacji gazu i powstania plazmy wewnątrz tuby.

Tuba ciśnieniowa z anodą i katodą oraz źródłem wysokiego napięcia. Źródło: Wiki Commons.

6.4 Tuby jarzeniowe

Istnieje wiele opisów tub jarzeniowych i nie będziemy ich tu powtarzać. Główne punkty dotyczące ich działania są następujące:

1. Wewnątrz tuby widać pasy wzdłuż osi, w których plazma jest widoczna jako żarzenie, przeplatane "ciemnymi" pasami, w których nie ma żarzenia. Różne pasy reprezentują dwa lub trzy stany zachowania plazmy podczas przenoszenia prądu.
2. ciemne pasy reprezentują, jak można się domyślić, tryb ciemnego prądu. W regionach tych prędkość elektronów jest poniżej potrzebnej do widocznego wzbudzenia atomów neutralnego gazu, jonizacja zaczyna się przy większym prądzie. Aczkolwiek, ma miejsce promieniowanie o niewidocznych długościach fal, dające się zarejestrować nie-optycznymi przyrządami.
3. Żarzące się paski reprezentują tryb normalny żarzenia. W tych miejscach prędkość elektronów powoduje jonizację. Żarzenie spowodowane jest przez promieniowanie elektronów z obojętnych atomów, wzbudzonych przez szybkie wolne elektrony.
4. Trzecim możliwym trybem działania plazmy jest tryb tryb łuku, wykorzystywany w spawaniu i obecny w piorunach.
5. Wracając do tuby jarzeniowej, można by się spodziewać, że różnica potencjałów pomiędzy elektrodami spowoduje wystąpienie jednolitego pola elektrycznego na całej długości tuby. Jednak plazma zachowuje się zgoła inaczej.
6. Odkryto, że w tubie formują się warstwy podwójne (DL), które modyfikują zewnętrznie przyłożone pole elektryczne pomiędzy anodą a katodą. Kształtują się one w ten sposób, że większość spadku napięcia ma miejsce właśnie na nich. Z dala od DL, większość pozostałej plazmy znajduje się w strefie żarzenia, zwanej kolumna dodatnia. Może ona występować na znacznej długości tuby.
7. Wewnątrz kolumny dodatniej znajduje się mniej więcej tyle samo jonów i elektronów. Plazma jest tu więc pół-neutralna. Ponieważ większość spadku potencjału ma miejsce na warstwie podwójnej, w kolumnie dodatniej znajduje się tylko niewielki, ale stały gradient woltażu.
8. Pojawia się analogia pomiędzy kolumną dodatnią a plazmą w heliosferze Słońca.
9. W naszej dyskusji pojawi się również inny rezultat eksperymentów laboratoryjnych, zostanie omówiony w następnej sekcji.

6.5 Krzywa prądowo napięciowa

Diagram prądowo napięciowy plazmy, tryby wyładowań

Jeśli sporządzić wykres zależności napięcia V od gęstości prądu J (gęstość prądu to prąd podzielony przez przekrój tuby), wtedy okaże się, że trzy różne tryby żarzenia odpowiadają trzem sekcjom nieciągłego grafu, znanego jako krzywa woltaż vs prąd lub krzywa V-J.

W trybie ciemnego wyładowania, krzywa V-J podnosi się wraz ze zwiększeniem woltażu, ale robi to nieregularnie. Gdy tylko woltaż osiągnie odpowiedni poziom, następuje jonizacja i prąd zaczyna gwałtownie płynąć, przy stosunkowo niewielkich zmianach woltażu.

Wyładowanie zmienia się wówczas gwałtownie w tryb żarzenia. Wiąże się to z dramatyczną zmianą woltażu. Woltaż opada, gdyż uwalnia się duża liczba elektronów, i potrzeba tylko niewielkiego napięcia do spowodowania dużego prądu.

Przy niższej gęstości prądu w regionie trybu żarzenia dochodzi do bardzo znaczącego efektu. Woltaż opada, wraz ze zwiększaniem się gęstości prądu. Innymi słowy, dla plazmy jest efektywniej transportować prąd przy wyższym woltażu, gdyż wtedy jego spadek jest mniejszy.

Przy wciąż rosnących gęstościach prądu, woltaż ponownie rośnie, co oznacza, że sekcja krzywej V-J trybu żarzenia posiada w pewnym miejscu minimum. Owo minimum oznacza punkt najniższego oporu elektrycznego. Może to być efekt odpowiedzialny za formowanie się włókien w plazmie kosmicznej, ograniczając prąd do pewnego miejsca w przekroju.

Podobnie, w niezwykle jasnym trybie łuku elektrycznego, woltaż znów opada wraz z gęstniejącym prądem. Gdy plazma zostanie zmuszona do wejścia w tryb łuku, znów będzie mieć tendencje do zwłókniania, aby zredukować spadek napięcia.

6.6 Włóknistość prądów

Włóknistość jest obserwowana jako normalna cecha prądów w plazmie, jak to wynika z krzywej V-J oraz fizyczne struktury w przestrzeni. Poblikację Anthony Peratta na temat włóknistości można znaleźć tutaj.

W szczególności, prądy powierzchniowe (które rozważymy później), przejawiają tendencję do dzielenia się na indywidualne włókna, w miarę rozwijania się wirów. Owe wiry są podobne do tych w płynach, w których znajdują się przylegające obszary o różnych prędkościach przepływu (niestabilności Kelvina-Helmoltza).

Mała centralna katoda lampy plazmowej jest otoczona przez wzbudzone powłoki prądowe, które są przyciągane do szklanej powłoki (anody). Gdy prąd oddala się od katody, tworzy włókniste struktury, które rozchodzą się w rozrzedzonym środowisku wewnątrz lampy. Prawa autorskie: Luc Viatour / www.lucnix.be

Mówiąc wprost, warunki wewnątrz włókna prądowego są inne niż w pozostałej plazmie. Powoduje to powstawanie bezprądowych warstw podwójnych (CFDL) na granicy włókna, tak, że co szybsze elektrony są ograniczone wewnątrz włókna przez pole elektryczne warstwy podwójnej.

Widzimy teraz, że włókna są przewodzącymi prąd rozciągniętymi komórkami plazmy z bezprądowymi warstwami podwójnymi na brzegach.

Dowody na istnienie w kosmosie włókien i prądów elektrycznych są różnorodne. Znane jest astronomom istnienie włóknistych struktur na wszystkich poziomach, od Układu Słonecznego po skale galaktyczne i międzygalaktyczne. Jedyną rozbieżnością pomiędzy modelem elektrycznym a grawitacyjnym jest to, czy te struktury przewodzą prąd, co w naturalny sposób wynika z praw elektromagnetyzmu, czy też są czymś na kształt "płynnych dżetów", długich na tysiące lat świetlnych, sterowane grawitacyjnie, z odniesieniem do symulacji komputerowych hipotetycznej siły grawitacyjnej wywołanej zimną ciemną materią (CDM).

W płynie, dżety mają tendencję do szybkiego rozpraszania się w powolne pióropusze.

Turbiny samolotu wyrzucają strumienie gazu, widocznych tutaj jako smuga kryształków lodu, wytrącających się w pewnej odległości za silnikami, który szybko zwalnia i rozprasza się w górnej atmosferze.

Aczkolwiek, niektóre dżety w kosmosie, na przykład długi na 4 000 lat świetlnych wytrysk z galaktyki eliptycznej M87, zachowują spójność na ogromne odległości, zanim się rozproszą. Może to oznaczać, iż nie są to wytryski płynów, lecz włókna elektryczne.

Dżet wychodzący z galaktyki M87. Galaktyka to ten jasny węzeł po lewej na górze, w świetle widzialnym (czerwonawe); dżet rozchodzi się na dół na prawo, widoczny w świetle UV (biały i fioletowy). Pochodzenie: NASA/Hubble

Kroenberg i inni opublikowali w 2011 na arXiv znaczącą pracę pt Pomiary prądu w kiloparsekowym dżecie, bazującą na ich badaniach dżetu emanującego z radiogalaktyki 3C303.

Jeśli założymy, że są to włókna elektryczne, wówczas musimy wiedzieć, które teorie i eksperymenty mogą nam powiedzieć coś na temat tego, jak włókna elektryczne utrzymują swój kształt na astronomiczne odległości. Wkrótce to omówimy.

6.7 Reostrykcja prądowa

Każdy prąd I, podążający przewodnikiem lub włóknem, wytwarza wokół niego pole magnetyczne B. Linie równych sił magnetycznych będą miały kształt pierścieni wokół osi prądu. Siły magnetyczne będą maleć wraz z odległością od osi.

Z rozważenia siły Lorentza wynika, że oddziaływanie prądu I z jego własnym polem magnetycznym B będzie skutkowało ciśnieniem skierowanym radialnie do wnętrza, co zapisuje się jako I × B. Jest to nazwane "ściskiem" lub "ściskiem-z" (dla prądu zdefiniowanego jako płynący w osi z).

W przewodniku metalicznym, ciśnieniu I × B stawia opór siatka jonowa. W prądzie plazmy, ciśnienie może być zrównoważone przez ciśnienie plazmy wewnątrz włókna. Wynikiem jest stan równowagi, w którym prąd może płynąć osiowo przez swoje własne azymutalne lub kołowe pole magnetyczne. Równanie równowagi znane jest jako równanie ścisku Benneta.

Demonstracje laboratoryjne mogą wykazać, że efekt ścisku może zgniatać puszki aluminiowe poprzez szybkie przyłożenie silnego pola magnetycznego. Puszka zostaje zgnieciona, zanim ciśnienie wewnątrz niej zdoła przeciwstawić się sile zgniatającej. Siły magnetyczne w piorunie mogą stworzyć dośrodkowy skurcz, który może zgnieść przewód piorunochronu.

Z lewej: pole magnetyczne wygenerowane przez szybkie wyładowanie 2kj przez potrójny gruby kabel, zgniotło tą puszkę. Z prawej: ścisk-z z naturalnego pioruna zdeformował ten metalowy przewód. Pochodzenie: Wiki Creative Commons

6.8 Prądy przyległe do pola

W kosmosie, ciśnienie obojętnego gazu jest z reguły pomijalne, wiec równowaga pomiędzy siłą I × B a ciśnieniem nie zachodzi. Jedynym rozwiązaniem jest zanik siły magnetycznej. Oznacza to, że zarówno I jak i B są równoległe, a więc ich iloczyn wektorowy będzie zerowy.

W przypadku obecności innego pola magnetycznego, jak to ma często miejsce w przestrzeni kosmicznej, siła I × B musi być obliczana z uwzględnieniem całkowitego pola magnetycznego, to znaczy zsumowanych pól prądu I, oraz pozostałego (używając algebry wektorów).

Tak więc w plazmie kosmicznej, prąd I i całkowite pole magnetyczne B zrównują się, aby być równoległe.Innymi słowy, prąd podąża za liniami pola magnetycznego: tworzy prąd przyległy do pola.

Nawet w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego, niewielkie prądy płynące w plazmie mają tendencję do kumulowania się w większe, które wytwarzają własne pole magnetyczne, utrwalające włókno prądowe.

Elektrony poruszające się po prawie prostych torach w centrum włókna wytwarzają wokół siebie azymutalne pole magnetyczne. Elektrony dalej do centrum znajdują się pod wpływem azymutalnej składowej tego pola i poruszają się po bardziej helikalnym torze w kierunku głównego przepływu prądu. Ów helikalny ruch tworzy dodatkowe pole magnetyczne blisko osi, jak pokazuje poniższy diagram. Im bliżej środka włókna, tym prostsze pole magnetyczne i tory elektronów.

Elektrony płyną w przyległym do pola prądzie w różnych odległościach od środka włókna prądowego. Pochodzenie obrazka: Wiki Commons

Każdy pojedynczy elektron porusza się wzdłuż pola magnetycznego w swoim bezpośrednim sąsiedztwie, ale całościowo włókno pojawia się nawet bez zewnętrznego pola magnetycznego. Oznacza to, że bardzo duże prądy mogą być wynikiem połączenia się wielu małych, i być przenoszone na ogromne odległości.

Innym spojrzeniem jest rozważenie elektrycznego oporu plazmy. Prąd płynący w poprzek pola magnetycznego będzie doświadczał większego oporu niż prąd płynący wzdłuż pola, z powodu wyrażenia U × B, będącego składnikiem siły Lorentza. Efektywnie, opór równoległy jest mniejszy niż prostopadły, więc prąd ma tendencje do płynięcia wzdłuż linii pola magnetycznego.

6.9 Samo zawężanie się prądów

Dokładna analiza matematyczna pokazuje, że I oraz B oddziałują ze sobą w taki sposób, iż I i B owijają się spiralnie a zarazem równolegle do siebie wokół osi równoległej do zewnętrznego B. Ogólny efekt jest taki, że I oraz B podążają helikalnie w kierunku zgodnym z zewnętrznym polem magnetycznym.

Odkryto również, że oddziaływania składowych osiowych i azymutalnych (kołowych) helikalnych I oraz B powoduje ich ograniczenie do cylindra o określonym promieniu, wyśrodkowanego wzdłuż osi.

Podsumowując, brak znaczącego ciśnienia w kosmicznej plazmie powoduje, że prądy płyną w cylindrycznym włóknach ciągnących się wzdłuż ogólnego kierunku pola magnetycznego. Wewnątrz cylindrycznego włókna, zarówno prąd jak i pole magnetyczne będą spiralować wokół osi cylindra, będąc wzajemnie do siebie równoległymi.

Zauważmy, że jeśli z jakiegokolwiek powodu równoległe ułożenie pomiędzy prądem I i ogólnym polem magnetycznym B ulegnie zaburzeniu, pojawi się siła I × B, która spowoduje albo radialną kompresję, albo rozszerzenie się, w zależności od tego, która z oby składowych jest bardziej osiowa. Tak więc skurcz włókna może nastąpić np. z powodu zmian w polu, przez które włókno prądowe przechodzi.

6.10 Stabilność elektrycznych włókien

Z analizy matematycznej wynika jeszcze jeden istotny czynnik. Ustawienie bezsiłowe, lub przyległe do pola, jest stanem o minimalnej energii dla przepływu prądu. Oznacza to, że ustawienie przyległe do pola jest wewnętrznie stabilne. Prąd, jeżeli nie jest zewnętrznie zabużany, będzie miał tendencje do płynięcia wzdłuż pola.

Teraz widzimy, jak przyległe do pola prądy mogą istnieć na dużych dystansach. Są one znacznie bardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem kolimowanych 'dżetów', rozciągających się na setki do tysięcy lat świetlnych, niż wyjaśnienie modelu grawitacyjnego, bazujące na konwencjonalnym przepływie płynów (patrz sekcja 6.6). Obserwatorium radiowe Jodrell Bank posiada kolekcję szerokiego spektrum obrazów dżetów galaktycznych, widzianych w falach radiowych, w swoim Atlasie DRAGN-ów (Podwójnych Radioźródeł Powiązanych z Jądrami Galaktyk). Jeden z takich obrazów prezentujemy poniżej, przedstawia on typowy podwójny dżet:

Zawężenie włóknistych prądów przyległych do pola do postaci cylindrów o określonej średnicy przez siły elektromagnetyczne jest również zgodne z opadającą charakterystyką krzywej J-V, widocznej w eksperymentach laboratoryjnych na tubach wyładowaniowych. Gdy plazma jest w trybie żarzenia, co w przypadku plazmy kosmicznej może oznaczać żarzenie w długościach fal poza spektrum widzialnym, wówczas średnica prądowego cylindra będzie zdeterminowana kombinacją efektów pól elektrycznych i magnetycznych kształtem krzywej prądowo-napięciowej. Więcej na temat procesu zwłókniania w gęstych kosmicznych skurczach-z można przeczytać w tej publikacji rosyjskich fizyków A. B. Kukuszkina i A. V. Rantsewa-Kartinowa z Instytutu Kurczatowa w Moskwie.

6.11 Kondensacja materii

Z analiz można wywnioskować dalszy efekt powiązany z siłą I × B. Załóżmy, że prąd elektryczny I jest wywołany polem elektrycznym E. Rozważmy teraz siły wynikające z oddziaływania E oraz B. Pamiętajmy, że I stara się być równoległy do całkowitego pola B, ze względu na działanie prądu samego na siebie. Wówczas E, będące przyczyną prądu, nie będzie przyległe do całkowitego pola B, które jest sumą zewnętrznego pola, przez które prąd płynie, oraz pola azymutalnego, generowanego przez prąd I.

Tak, jak w przypadku siły I × B, istnieje również siła E times B, gdziekolwiek E jest nierównoległe do B. Ta siła działa na naładowaną cząstkę w cylindrze prądowym i zmusza zarówno jony jak i elektrony do kierowania się ku jego środkowi. Plazma często zawiera dużą proporcję naładowanych ziaren pyłu, również wchodzących w skład włókna. Lepkość pomiędzy naładowanymi cząstkami, a neutralnymi atomami również powoduje podążanie neutralnych atomów we włóknie.

Tak więc, włókna prądowe w przestrzeni kosmicznej mają tendencję do gromadzenia materii na skutek nieprzylegania pola elektrycznego, powodującego prąd i ogólne pole magnetyczne.

Pamiętając, że skurcze plazmy mogą zajść wszędzie tam, gdzie I oraz B nie są równoległe, widzimy, że każda materia wciągnięta do takiego włókna również zostanie skompresowana. Jeśli siła skurczu jest dostatecznie duża, może pofragmentować włókno na oddzielne sferyczne lub toroidalne plazmoidy, rozmieszczone wzdłuż osi prądu. Każda materia w strefie ścisku zostanie skompresowana do tej samej formy.

Ponieważ siły elektromechaniczne są znacznie silniejsze od grawitacji, mechanizm ten oferuje znacznie wydajniejszą akumulację materii, niż w przypadku grawitacyjnych dysków akrecyjnych z rozproszonej chmury pyłu.

Oczywiście, gdy tylko materia zostanie z powodzeniem skompresowana, oraz gdy jest zobojętniona przez rekombinację jonów i elektronów, wówczas siły elektromagnetyczne mogą zostać zredukowane do punktu, w którym grawitacja staje się dominującą siłą i kontynuuje gromadzenie i kompresję materii, którą rozpoczęły siły elektromagnetyczne.

Konwekcja Marklunda

Jak zobaczyliśmy, w przypadku prądu cylindrycznego, siła E × B jest radialnie dośrodkowa i powoduje samoobkurczanie włókna prądowego. Rezultatem jest zwiększenie się gęstości cząstek wzdłuż osi prądu. Teraz nastąpić mogą dwie rzeczy.

• Pierwsza, to że radiacyjne schładzanie z regionu zagęszczenia mogą spowodować obniżenie temperatury w centrum, odwrotnie, niż można by przewidywać w przypadku zwiększenia gęstości.
• Drugą jest rozpoczęcie się procesu rekombinowania jonów z elektronami.

Każdy pierwiastek chemiczny posiada swój własny poziom energetyczny, zwany energią jonizacji, na którym zachodzi zarówno jonizacja jak i rekombinacja. Jest to podobne do punktu wrzenia wody czy innego płynu. W określonej temperaturze zachodzi zmiana stanu skupienia.

Jeśli kinetyczna energia ruchu jest porównywalna z energią jonizacji, wówczas dla każdego elementu można wyznaczyć prędkość charakterystyczną, znaną jako krytyczna prędkość jonizacji (ang. CIV). Ponieważ temperatura jest miarą energii termicznej, CIV można powiązać z temperaturą. CIV powszechnie występuje we wszechświecie w wartościach rozłożonych nielosowo, lecz zgrupowanych w cztery odrębne pasma wokół konkretnych prędkości. Wewnątrz każdego pasma wartości CIV wszystkich elementów są podobne.

W sąsiedztwie prądu przyległego do pola, siła E × B powoduje dryf jonów i elektronów ku chłodniejszemu środkowi. Z powodu różnych prędkości krytycznych jonizacji, różne jony rekombinują na różnych odległościach od osi, w miarę jak przybliżają się do centrum i stają się coraz chłodniejsze.

Proces ten nazywa się konwencją Marklunda, po szwedzkim fizyku Göranie Marklundzie, który jest jego odkrywcą.

Konwekcja Marklunda i sortowanie w skurczonym magnetycznie włóknie. Dzięki uprzejmości Walla Thornhilla, www.holoscience.com

W rezultacie konwekcji Marklunda lokalne pierwiastki zostają posortowane w grupy według potencjałów jonizacji. Grupy pierwiastków układają się w cylindryczne powłoki na różnej odległości od środka w cylindrycznym prądzie przyległym do pola.

Ponieważ wodór posiada wysoką CIV w stosunku do innych pierwiastków, rekombinuje pierwszy, w cylindrycznej powłoce o największym promieniu.

Ten rodzaj elektrycznego sortowania może być odpowiedzialny za pewne nielosowe rozmieszczenia pierwiastków, które obserwujemy w kosmosie. W szczególności może to wyjaśniać przewagę neutralnego wodoru w nitkowych strukturach, przechodzących na wskroś galaktyk, które można zaobserwować przez radioteleskopy.

Czy zdjęcie mgławicy Orzeł, zrobione przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a może być ilustracją kosmicznego skurczu magnetycznego, oraz powstałej w rezultacie pyłowej plazmy, otoczonej przez helowo-wodorowe środowisko?

Autor oryginału: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/12/06/essential-guide-to-the-eu-chapter-6/

Niezbędny przewodnik po elektrycznym Wszechświecie - rozdział 5 - plazmowe arkusze, komórki i bezprądowe warstwy podwójne

Czerwonawy kolor zorzy Saturna jest charakterystyczny dla plazmy wodorowej. Zasilane przez saturniański odpowiednik włóknistych prądów Birkelanda, strumienie naładowanych cząstek z ośrodka międzyplanetarnego i wiatru słonecznego reagują z planetarnym polem magnetycznym i spływają do regionów polarnych. Warstwy podwójne powiązane są z włóknistymi prądami i prądami powierzchniowymi, a ich pola elektryczne przyspieszają jony i elektrony. Źródło obrazka: Wiki Commons; J.Trauger (JPL), NASA, Hubble Space Telescope

5.1 Temperatura plazmy i potencjał

Widzieliśmy, że temperatura jest miarą energii termicznej cząstek materii. Konkretniej, temperatura jest miarą energii kinetycznej losowego ruchu cząstek.

Elektron posiada jedynie 1/1840-stą (w przybliżeniu) masy protonu, więc elektrony przy tej samej temperaturze mają znacznie większe prędkości niż jony. Dzieje się tak, gdyż energia kinetyczna jest proporcjonalna do masy cząstki i kwadratu jej prędkości: KE = ½ · mV². Tak więc, przy tej samej temperaturze, stosunek prędkości będzie odwrotnie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego masy.

Niech przykładowo średnia prędkość elektronu wynosi ok 43 (√1840) razy większa niż prędkość pojedynczego protonu. Jeśli dodatnie jony plazmy będą cięższe niż jeden proton, różnica odpowiednio się zwiększy.

Co więcej, z powodu zasady zachowania momentu pędu, przy kolizjach elektron będzie osiągał większe prędkości niż jony.

Większa prędkość elektronów skutkuje gwałtowniejszymi interakcjami, co oznacza, że elektrony uzyskują równowagę termodynamiczną ("równomierną temperaturę") znacznie szybciej niż jony. Każde zwiększenie prędkości, z kolizji czy z zewnętrznego źródła energii, gwałtownie się "rozszerza" pośród mieszaniny elektronów.

Z tych powodów, powszechnym jest, że temperatura elektronów w plazmie jest inna niż jonów lub otoczenia. Jest to szczególnie powszechne w słabo zjonizowanej plazmie, gdzie jony mają temperaturę bliską otoczeniu, a elektrony znacznie wyższą. Odnośnik do Wikipedii w sprawie temperatury plazmy jest tutaj.

W plazmie, temperatura często wyrażana jest jako potencjał termiczny, który jest równy spadkowi potencjału elektrycznego (zmianie woltażu), przez który cząstki mogłyby spadać w celu wyrównania energii. Energia kinetyczna może być wyrażona w elektronowoltach (eV).

Im gorętsza plazma, tym szybsze jony i elektrony w swoim losowym, termicznym ruchu, i wyższy ich potencjał. Potencjał 1 eV odpowiada temperaturze 11 604,5K. Cząstki o potencjale wyższym o wiele rzędów wielkości są w przestrzeni kosmicznej czymś normalnym.

Uwaga:

Należy zwrócić uwagę na przekształcenia pomiędzy elektronowoltami a temperaturą plazmy. Plazma może być uporządkowana, naładowane cząstki mogą podążać ścieżkami równoległymi do lokalnych linii pola magnetycznego. Taki przepływ prądu nazywa się prądem przyległym do pola. W ten sposób naładowane cząstki poruszają się niemal równolegle do siebie, a z tego powodu, i częściowo z powodu niskiej gęstości, kolizje pomiędzy nimi są bardzo rzadkie.

Wysoka temperatura przypisywana koronie słonecznej wynika z obserwacji spektroskopowych światła (w tym na długościach fal niewidocznych dla ludzi), które pokazują stopień jonizacji atomów. Energia jonizacji w eV jest indukowana z długości fal emitowanego światła, i przekształcana przy pomocy przytoczonego wyżej sposobu na temperaturę. Termiczny aspekt temperatury, powodowany przez dużą liczbę losowych zderzeń nie musi być obecny, nawet kiedy jest dostatecznie dużo energii do jonizacji. Elektrony mogą być szybkie (energetyczne), podczas gdy ich (termiczna) częstotliwość zderzeń jest niska.

Wysokie prędkości elektronów są szczególnie istotne w zrozumieniu wielu aspektów zachowania plazmy, włączając w to radiogalaktyki, galaktyczne i gwiezdne dżety, oraz produkcję promieniowania synchrotronowego i promieni kosmicznych

5.2 Rozwój arkuszy powierzchniowych

Jeśli plazma znajduje się w tubie laboratoryjnej lub innym naczyniu, jony i elektrony zderzają się ze ściankami naczynia z częstotliwością proporcjonalną do ich prędkości. Przy zderzeniu, cząstki zostają zaabsorbowane przez ścianę.

Ponieważ elektrony mają znacznie większe prędkości od innych cząstek, częstotliwość ich zderzeń ze ściankami będzie wielokrotnie większa, niż jonów. W rezultacie ściany naczynia otrzymają ładunek ujemny.

W miarę, jak ujemna powłoka na ścianie się rozwija, przychodzące elektrony zaczynają być odpychane. Zderzeniom ulegają tylko elektrony o dostatecznie dużej energii. Ujemny ładunek na ścianie będzie się zwiększył, dopóki liczba elektronów uderzających w powierzchnię nie zrówna się z ilością przybywających jonów dodatnich. Plazma i powierzchnia ściany będą w równowadze, lub w stanie ustalonym.

W stanie równowagi tylko najbardziej energetyczne elektrony będą w stanie przedrzeć się przez przeciwny gradient potencjału od ujemnie naładowanej powierzchni. Większość elektronów do niej nie dotrze. Rezultatem jest warstwa plazmy o przeważającej liczbie jonów nad elektronami. Ta dodatnia warstwa zwana jest otoczką Debye'a.

Podobny efekt uzyskuje się przez ujemne bądź dodatnie naładowanie jakiejś powierzchni przez podłączenie źródła potencjału, np. baterii. Ładunek powierzchni odpycha podobnie naładowane ładunki w plazmie, pozostawiając miejsce na przeciwnie naładowaną powłokę.

5.3 Zasięg powłoki

Warstwa powierzchniowa nie posiada fizycznej granicy, ale można założyć, że jej koniec leży tam, gdzie potencjał z ujemnej powierzchni i dodatniej powłoki równoważą potencjał samej plazmy. Innymi słowy, granica powłoki jest tam, gdzie potencjał zaczyna być zdolny do odpychania elektronów o energii równej potencjałowi plazmy.

Na przykład, jeśli potencjał plazmy wynosi +1V, wtedy nominalna granica będzie miała potencjał -1V. Wyjaśnienie jest następujące: granica ma ujemny potencjał, ponieważ powłoka musi odpychać przychodzące elektrony. Elektrony w plazmie mają energię kinetyczną 1 eV. Tak więc, powłoka potrzebuje potencjału -1V aby zatrzymać przychodzące elektrony, aby nie dotarły do powierzchni.

Jest to analogiczne do toczenia piłki pod górkę. Jeśli piłka ma dość energii kinetycznej, to dotrze na górę. Jeśli nie, pokona kawałek drogi, po czym się zatrzyma i stoczy z powrotem. Potencjał powłoki jest analogiczny do wysokości górki.

Widoczne jest, że powłoka nie posiada wyraźnych granic, i w gruncie rzeczy pole potencjału, wyłaniające się z ujemnie naładowanej powierzchni przechodzi przez granicę w sposób ciągły. Mimo to, granica może być traktowana jako punkt, w którym ujemnie naładowana powierzchnia jest efektywnie "neutralizowana" przez powłokę, bo ponieważ elektrony o potencjale plazmy są w tym miejscu "odbijane" z powrotem w plazmę.

Amerykański chemik i laureat nagrody Nobla, Irving Langmuir, rozwiną metodę mierzenia i obserwowania akcji plazmy. Interesująca i pouczająca lektura w PDFie, Plazma, powłoki i powierzchnie - nauka wyładowań Irvinga Langmuira jest do pobrania tutaj.

5.4 Naładowane ciała w plazmie

Podobne otoczki utworzą się wokół każdego naładowanego ciała w plazmie, które będzie miało inny od niej potencjał. Plazma efektywnie izoluje obce ciało poprzez formowanie wokół niego otoczki. Otoczka będzie ekranować pole elektrostatyczne ciała w taki sam sposób, w jaki ekranuje ujemnie naładowaną powierzchnię. Ciało może być też zneutralizowane przez przeciwny ładunek, który zaabsorbuje.

Jeśli można naładowanemu ciału nadać sztucznie dodatni lub ujemny ładunek, poprzez podłączenie go do zewnętrznego źródła, np. baterii, jony lub elektrony, zależnie od ładunku, będą przyciągane do ciała, a więc popłynie prąd. Poprzez ostrożny pomiar prądu w zasięgu woltażu, można zmierzyć potencjał samej plazmy. Jedno takie urządzenie nazwane jest próbnikiem Langmuira, po Irvingu Langmuirze, 1881-1957.

Przepływ prądu z wiatru słonecznego można obserwować na planetach z polem magnetycznym, które ma "wierzchołki" lub "dziury", prowadzące naładowane cząstki w dół, ku i poprzez ciało, powodując zorze w górnej atmosferze.

Półgodzinna ewolucja owalu ziemskiej zorzy polarnej, zdjęcia NASA w ultrafiolecie.

W mniejszych skalach, niektóre księżyce poruszają się na wypełnionych plazmą orbitach, a naładowane cząstki poruszają się z ich regionów polarnych wzdłuż pola magnetycznego do oraz z "gorących plam" w regionach zorzowych macierzystych planet. Przykładami są tutaj Ganimedes, Europa i Io na orbicie Jowisza, Enceladus na orbicie Saturna i prawdopodobnie również Uran i Neptun.

Przyległy do pola prąd biegunowy Jowisz-Io, lub "tuby strumieniowe", tworzące nie wulkany, ale ogromne, długotrwałe wyładowania elektryczne, które rzeźbi powierzchnię Io i odkładającą ją w postaci jonów i gruzu w jego torusie plazmowym. Prawa autorskie: Nasa/Cassini Imaging Team

Saturn i jego polarne połączenia z Enceladusem. Przekrój przez tubę prądową; dżety na południowym biegunie Enceladusa, gdzie prąd żłobi lodową powierzchnię i odkłada ją w jego jonosferze i torusie plazmowym, podobnie jak w przypadku Io. Prawa autorskie: NASA/Cassini Imaging team

5.5 Komurkowość plazmy

Podobne efekty zachodzą również pomiędzy sąsiadującymi obszarami plazmy o odmiennych charakterystykach. Na przykład, dwa regiony mogą mieć inną temperaturę, gęstość lub stopień jonizacji. W tej sytuacji, odmienne dystrybucje prędkości stworzą podwójną powłokę na granicy tych regionów, skutecznie odseparowując je od siebie.

Podwójne powłoki zawierają cienkie warstwy dodatniego i ujemnego ładunku oddzielone względnie niewielkim dystansem. Jest to jeden z rodzajów Warstwy Podwójnej. Ponieważ nie ma zewnętrznie kierowanego prądu, powłoka między odmiennymi regionami plazmy nazywa się bezprądową warstwą podwójną (ang. CFDL). Więcej o warstwach podwójnych w plazmie tutaj. Zwróć szczególną uwagę na linki zewnętrzne, linki do prac referencyjnych i publikacji na dole artykułu. Warstwy podwójne i powłoki są dobrze znanymi fenomenami w dynamice plazmy, opisanymi w podręcznikach a najlepiej opisanymi w dyskusji na Wiki o równaniu Vlasova-Poissona:

"Ogólnie rozmieszczenie plazmy w pobliżu warstwy podwójnej jest koniecznie silnie nie Maxwellowskie¹, a więc nie adekwatne do modelu płynu. W celu analizowania warstwy podwójnej w pełnej ogólności, plazma musi być opisana jako funkcja rozkładu cząstek, która opisuje ilość cząstek rodzaju posiadającego przybliżoną prędkość v w pobliżu miejsca x w czasie t."

¹Z Wikipedii, Fizyczne zastosowania rozkładu Maxwella-Boltzmana: Rozkład Maxwella-Boltzmana stosuje się do idealnego gazu, bliskiego równowadze termodynamicznej, z zaniedbywalnymi efektami kwantowymi i nierelatywistycznymi prędkościami. Stanowi to podstawę kinetycznej teorii gazów, wyjaśniającej wiele fundamentalnych własności gazów, w tym ciśnienie i dyfuzję. [Wyróżnienie edytora]

Potrzeba referencji powyżej: Jest to powód, dla którego konwencjonalne równania hydrodynamiki oraz magnetohydrodynamiki przepływu płynów są nieadekwatne do pełnego i odpowiednio dobrego opisu matematycznego dynamiki plazmy. W konsekwencji w latach 80-tych rozwinięto metodę obliczeniową zwaną cząstka-w-komórce (ang. PIC). Tutaj jest artykuł na Wikipedii dotyczący PIC, a tutaj bardziej techniczna publikacja.

5.6 Formowanie się bezprądowej warstwy podwójnej

Widzimy, że CFDL-e formują się pomiędzy regionami plazmy o odmiennych charakterystykach. Weźmy za przykład różnicę temperatur (w eV, patrz sekcja 5.1).

Powoduje to powstanie pola elektrycznego, które przyspiesza elektrony z powrotem do gorętszego regionu. Przepływ sieciowy elektronów do chłodniejszego regionu będzie budował pole elektryczne, dopóki nie nastanie równowaga pomiędzy liczbą gorętszych elektronów przechodzących do chłodniejszego rejonu a liczbą elektronów przyspieszonych do regionu gorętszego.

Prawa autorskie: Double layer image from “A Double-Layer Review”, Lars P. Block, Swedish Royal Institute , Stockholm; Astrophysics & Space Science, July, 1977

Tłumaczenie opisu obrazka: Rozkład (a) gęstości ładunków dodatnich, Zn_i(x) (linia przerywana), oraz ujemnych, n_e(x) (linia ciągła), (b) pole elektryczne E(x), oraz (c) potencjał φ(x), w nierelatywistycznej płaskiej warstwie podwójnej. Wszystkie skale są liniowe. Kropkowano przerywana linia oddziela regiony o odmiennej polaryzacji. Jak pokazują diagramy, warstwy posiadają wyraźną symetrię.
Prawa autorskie: “On the Physics of Relativistic Double Layers”, Per Carlqvist, Dept. of Plasma Physics, Royal Institute of Technology, Stockholm; Astrophysics & Space Science, 1982

Cienkie regiony blisko granicy, zawierające nadmiar jonów lub elektronów, stanowią warstwę podwójną, posiadającą pole elektryczne i spadek potencjału.

Pojawianie się powłok na styku odmiennych regionów plazmy prowadzi do powstawania komórek. Owa struktura komórkowa jest definicją charakterystyki zachowania plazmy. Gazy nie zachowują się w ten sposób, co jest powodem, dla którego nie da się zastosować praw dotyczących gazów do plazmy.

5.7 Podobieństwo do mechaniki płynów

Na pierwszy rzut oka, warstwa podwójna (DL) wydaje się być czymś na kształt fali uderzeniowej w dynamice płynów. W rzeczy samej, DL posiada niektóre charakterystyki fali uderzeniowej, oddzielając regiony o różnej charakterystyce oraz przyspieszając ośrodek.

Jednak w przypadku warstw podwójnych, przyspieszenie następuje na skutek silnego pola elektrycznego, wytworzonego przez przeciwnie naładowane warstwy. Ponieważ siła pola elektrycznego zależy od ładunku cząsteczki, jony i elektrony są przyspieszane w przeciwnych kierunkach. Cząstki obojętne w ogóle nie są przyspieszane przez pole elektryczne, mogą być jednak porywane na skutek lepkości i innych efektów.

Zauważmy, że formowanie się warstw podwójnych nie może być efektywnie modelowane przez analizę płynów, np. magnetohydrodynamikę (MHD), ponieważ jest ona wywołana i sterowana ruchem różnych indywidualnych cząstek, nie masowym ruchem plazmy.

Jak zobaczymy, warstwy podwójne są jednym z najważniejszych aspektów samoorganizacji plazmy kosmicznej.

Obrazek zaadoptowany z powyższego źródeł do zilustrowania powiązań ładunku i potencjału pola elektrycznego w warstwie podwójnej - J. Johnson, 2011

Ogólne wprowadzenie do fizyki plazmy z perspektywy Wikipedii można znaleźć tutaj, włączając w to właściwości, zjawiska i modele matematyczne. Chociaż Wikipedia często ma dobrze napisane artykuły (zwłaszcza w wersji angielskiej - przyp. tłum.), to tak jak wszędzie może być ona niemiarodajna, niekompletna lub stronnicza, dlatego zawsze zachowuj ostrożność, polegając na jej artykułach, podobnie z resztą, jak i na innych źródłach.

Autor oryginału: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/12/03/essential-guide-to-the-eu-chapter-5/

Elektromagnetyzm

4.1 Równanie pola elektromagnetycznego

Naukowcy próbują wyjaśnić fizyczne układy za pomocą modeli matematycznych, które opisują i przewidują zachowanie układu. Na przykład, Kepler opisał ruch planet przy pomocy trzech praw. Analogicznie, zachowanie plazmy jest determinowane przez równania pola elektromagnetycznego, które opisują ruch cząstek naładowanych oraz ich oddziaływanie z polem elektrycznym i magnetycznym. Istnieją dwa elementy równań pola elektromagnetycznego: równania Maxwella oraz równanie siły Lorentza. Te dwa komponenty działają razem w sprzężeniu zwrotnym:

Równania Maxwella określają pola elektryczne i magnetyczne w zależności od pozycji i ruchu ładunków elektrycznych. Opisują również oddziaływania pól elektrycznych i magnetycznych, jeżeli coś się zmienia.

Prawo siły Lorentza określa siłę wywieraną na cząstkę naładowaną, poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Siła ta zmusza każdą cząstkę do ruchu, zgodnie z prawami Newtona. Zmiany w pozycji i ruchu naładowanych cząstek powodują zmiany pól elektrycznych i magnetycznych.

Stworzono programy komputerowe do naśladowania tego zachowania plazmy. Wykonują one zazwyczaj szereg kroków, z których każdy reprezentuje mały odcinek czasu. Najpierw na podstawie danych sił elektrycznych i magnetycznych oraz położenia, ruchu i masy naładowanych cząstek, obliczane są siły działające na każdą z nich, wynikające z prawa Lorentza. Na podstawie sił składowych wyliczany jest wynikowy wektor siły dla danej cząstki. Następnie oblicza się drogę, jaką pokonuje w czasie odpowiadającym jednej iteracji. Jest to powtarzane dla całego zbioru cząsteczek.

Następnie, na podstawie położenia i kinematyki cząstek, wyliczane są z równań Maxwella pola elektryczne i magnetyczne. Następnie program zaczyna nową pętlę, obliczając wpływ tych pól na każdą cząstkę przy użyciu prawa Lorentza.

Pętla powtarza się dotąd, aż spełniony zostanie jakiś warunek, np osiągnięta zostanie zadana liczba powtórzeń, albo któraś zmienna osiągnie lub przekroczy zadaną wartość etc.

Gdy tylko zdefiniuje się warunki początkowe (liczba cząstek, ich ładunki, masa, początkowe prędkości oraz intensywność pól magnetycznych i elektrycznych przenikających rozważaną przestrzeń), algorytm pętli można przedstawić następująco:

1. Oblicz wszystkie siły działające na każdą cząstkę przy użyciu prawa Lorentza

2. Oblicz nowe położenia i prędkości dla odcinka czasu przypadającego na pętlę, używając równania ruchu Newtona

3. Oblicz E i B dla każdej nowej pozycji cząstki, następnie zwiększ licznik czasu

4. Jeżeli nie jest spełniony warunek końca pętli, idź do punktu 1.

Dla lepszego realizmu można uwzględnić jeszcze inne aspekty, jak zderzenia cząstek, lepkość, grawitację etc. To złożone zagadnienie, a duże modele, z wieloma cząsteczkami, mogą pochłonąć miesiące pracy superkomputerów.

Sprzężenie zwrotne może gwałtownie doprowadzić do bardzo złożonych zachowań, które są niezwykle trudne do matematycznego opisu. Często stosuje się uproszczenia. Aczkolwiek owe uproszczenia często właśnie prowadzą do pominięcia tych zachowań plazmy, które odróżniają ją od gazy lub płynu.

Przyspieszone ładunki promieniują

Jesteśmy skąpani w promieniowaniu elektromagnetycznym, takim jak światło Słońca czy fale radiowe. Wszystkie to promieniowanie pochodzi z przyspieszających ładunków; np. fale radiowe są emitowane przez ładunki poruszające się w górę i w dół przewodu elektrycznego!

Zjawisko to jest powszechne w fizyce cząstek elementarnych, gdzie przyspieszanie ładunków jest naszą pracą!

Zaznaczony elektron (czerwony) - który jest przyspieszany, ponieważ porusza się po krzywej - emituje foton, który przebywa niewielką odległość, zanim się "zmaterializuje", tworząc parę "elektron-pozytron", w polu elektrycznym jądra atomowego. Elektron, który wypromieniował foton, traci energię, co objawia się charakterystycznym spiralnym torem (elektrony i pozytrony są łatwo rozpoznawalne w komorze pęcherzykowej po swoich skłonnościach do ruchu spiralnego).

Komora pęcherzykowa, wypełniona pole magnetycznym, produkuje widoczne tory naładowanych cząstek, pozwalając ustalić ich energie, interakcje i składniki kolizyjne, gdy ostawione są w linii z akceleratorem cząstek. Obrazek i opis: Samouczek o komorze pęcherzykowej dostarczony przez CERN (link)

Pełny opis równań pola elektromagnetycznego znaleźć można w Załączniku II. Tutaj podsumujemy kluczowe punkty.

4.2 Równania Maxwella

Implikacje równań Maxwella oraz ich badań są następujące:

1. Statyczne pole elektryczne może istnieć bez pól magnetycznych. Kondensator lub cząsteczka pyłu o statycznym ładunku Q mają pole elektryczne, ale nie mają magnetycznego.

2. Stałe pole magnetyczne może istnieć bez elektrycznego. Przewodnik ze stałym prądem I posiada pole magnetyczne, ale nie posiada elektrycznego.

3. Tam, gdzie występuje zmienne pole elektryczne, musi również istnieć niezerowe pole magnetyczne.

4. Tam, gdzie istnieje zmienne pole magnetyczne, musi istnieć niezerowe pole elektryczne.

5. Bez stałego magnesu, pole magnetyczne może być utworzone tyko na dwa sposoby - przez prąd elektryczny, lub zmienne pole elektryczne.

6. Nie istnieją magnetyczne monopole. Wszystkie linie pola magnetycznego stanowią zamknięte pętle.

4.3 Prawo siły Lorentza

Siła orentza reprezentuje całkowitą siłę działającą na cząstkę, wynikającą z oddziaływania zarówno z polem elektrycznym, jak i magnetycznym. Wynikowa siła wymusza ruch cząstki zgodnie z mechaniką Newtona. Ponieważ prawo Lorentza jest fundamentalne dla zachowania się plazmy, warto zatem poświęcić trochę czasu na jego zrozumienie. Oto równanie:

F = Q(E + U × B)

(wektory zaznaczono pogrubieniem

gdzie F jest siłą Lorentza; Q jest ładunkiem cząstki, E jest intensywnością pola elektrycznego, U jest prędkością cząstki, B jest gęstością strumienia magnetycznego a × jest operatorem mnożenia wektorowego.

Aby zrozumieć znaczenie równania, trzeba mieć pewną wiedzę o wektorach.

Wektor to struktura posiadająca zarówno długość jak i kierunek. Przykładami mogą być tutaj prędkość czy siła. Jest jak strzałka. W odróżnieniu od niego, skalar posiada tylko jedną wartość. Przykładami są prędkość czy temperatura. Algebra wektorów to dział matematyki operujący na wektorach. Dla niecierpliwych, dodatkowe informacje są dostępne w załączniku III. Wyjaśnienie na Hiperfizyce również jest dobrym wprowadzeniem. Tutaj zostaną wyjaśnione podstawy potrzebne do zrozumienia równania Lorentza.

Po pierwsze, mnożenie wektora przez skalar jest jak odpowiednie zwielokrotnienie strzałki. Wektor jest pierwszą strzałką, skalar określa ich całkowitą liczbę. Rezultatem jest dłuższa strzałka skierowana w tym samym kierunku, co oryginalny wektor.

Uproszczonym przykładem jest zwiększanie prędkości samochodu jadącego po linii prostej. Można sobie wyobrazić wektor prędkości samochodu skierowany równo z drogą, a zaczynający się zawsze dokładnie pośrodku samochodu. Załóżmy, że strzałka ta ma 20 cm długości, co reprezentuje prędkość 20 km/h. Następnie wciskamy pedał gazu i zwiększamy prędkość. W miarę, jak prędkość samochodu rośnie, długość strzałki zwiększa się, zawsze odpowiadając prędkości. Przy 60 km/h jej długość wynosi 60 cm, i wciąż jest skierowana równolegle do drogi. Gdy wciśniesz pedał hamulca, samochód zacznie przyspieszać w przeciwnym kierunku, zwalniając, a strzałka będzie coraz krótsza i krótsza. Gdy samochód się zatrzyma, prędkość będzie zerowa, i długość strzałki również będzie zerowa.

Powiesz: "To łatwe do pojęcia. A co będzie, jeśli skręcę kierownicą, powiedzmy, w prawo?" Taka akcja wprowadza dodatkową siłę działającą na samochód, skierowaną w innym kierunku niż do przodu. Nie zmieni ona jego prędkości (pomijamy tarcie!), jedna coś się zmieniło, ponieważ samochód skręca. Wektor prędkości, wskazujący 60 km/h nie zmienił swojej długości, ale pojawiła się dodatkowa siła z innego kierunku, więc teraz wektor prędkości jest rezultatem dwóch sił (dwóch strzałek działających na środek samochodu). Tak długo, jak trzymasz kierownicę skręconą pod tym samym kątem, będzie działała taka sama siła, próbująca obrócić samochód, tak, że będzie on jeździł w kółko ze stałą prędkością.

Widzimy więc, że mamy tutaj dwa rodzaje przyspieszenia: zmiany w prędkości ruchu, szybciej lub wolniej - czyli zwykłą wartość numeryczną zmiany odległości w jednostce czasu bez związku z jakimkolwiek kierunkiem - oraz zmiany kierunku ruchu - zmiana kąta kierunku, na który coś wskazuje, bez odniesienia, jak szybko to coś się porusza wzdłuż tego kierunku. Obydwa typy zmian dają siłę przyłożoną do obiektu.

Mnożenie przez siebie dwóch wektorów jest nieco bardziej skomplikowane. Pomyśl o dużej śrubie w drewnianej płycie, gdzie rowek w główce reprezentuje pierwszy wektor, a drugi wektor jest narysowany na płycie. Gdy śruba jest przekręcana zgodnie z ruchem wskazówek zegara, dopóki rowek nie zrówna się z drugim wektorem, zagłębia się ona w drewnie. Głębokość wkręcenia zależy od wielkości i skoku śruby, oraz kąta wkręcenia. Iloczyn wektorowy jest właśnie czymś mniej więcej takim.

Mnożenie dwóch wektorów używają iloczynu wektorowego powoduje powstanie wektora prostopadłego do płaszczyzny zawierającej pierwsze dwa wektory. Kierunek nowego wektora dany jest kierunkiem obrotów naszej wyimaginowanej śruby. Długość wynikowego wektora zależy zarówno od kąta pomiędzy wektorami wejściowymi, jak i od ich długości.

Długość wektora a × b wynosi a · b · sin θ.
Jest on prostopadły do płaszczyzny zawierającej a i b.

Tak jak było w przypadku naszej śruby, jeśli wektory są równoległe, nie ma miejsca obrót, a iloczyn wektorowy jest zerowy.

Bardziej formalnie, jeśli w kartezjańskim układzie współrzędnych wektor w kierunku x jest mnożony przez wektor w kierunku y, rezultatem jest wektor w kierunku z. Długością wynikowego wektora jest potrójny iloczyn długości obydwu wektorów i sinusa mniejszego kąta pomiędzy nimi. Gdy wektory są równoległe, kąt pomiędzy nimi jest zerowy. Sinus z zerowego kąta również jest zerowy, więc w tym przypadku nie ma wynikowej siły w kierunku z.

Efekt ten jest bardzo podobny do efektu żyroskopowego w obracającym się ciele stałym: siła przyłożona w jednym kierunku skutkuje w ruchu w kierunku prostopadłym. Jest to zwane precesją.

Wracając do prawa Lorentza, widzimy, że całkowita siła składa się z dwóch części. Pierwszą jest QE, która jest iloczynem skalarnego ładunku i wektora pola elektrycznego.

Zauważmy, że siła wywołana przez pole E jest stała i równoległa do pola, co skutkuje stałym przyspieszeniem cząstki wzdłuż pola, zgodnie z prawem Newtona - w jednym kierunku dla ładunków dodatnich, w drugim dla ujemnych.

Druga część równania, Q(U × B), jest bardziej interesująca. Mamy tu iloczyn dwóch wektorów, mnożony następnie przez skalarny ładunek cząstki. Zakładając, że cząstka nie poruszała się wzdłuż linii pola, pojawi się siłą prostopadła zarówno do toru cząstki, jak i do linii pola. To wyjaśnienie zasady prawej dłoni wyjaśnia siłę "sterującą", wywieraną w określonym kierunku przez pole magnetyczne na naładowaną cząstkę, która wchodzi w owo pole.

Siła prostopadła do kierunku ruchu jest siłą dośrodkową. Pole magnetyczne będzie więc powodować poruszanie się cząstki po kolistym torze, w płaszczyźnie prostopadłej do linii pola. Podczas ruchu po takim torze prędkość cząstki ciągle posiada komponent prostopadły do linii pola, więc ciągle działa na nią siła prostopadła do ruchu. Jej kierunek wciąż się zmienia, ale prędkość skalarna pozostaje stała.

Prostym przypadkiem jest rozważenie co się stanie, gdy grupa cząstek wkroczy w nieruchome pole magnetyczne. Dla uproszczenia pominiemy wszelki wpływ tych cząstek na pole. Jeśli wlecą w pole równolegle do jego linii, nie doświadczą żadnej siły, i zmieni się ich kierunek ani prędkość. Gdy wlecą w pole prostopadle do jego kierunku, zaczną zataczać zamknięte koła.

Bez pola elektrycznego, prawo Lorentza przedstawia siłę dośrodkową - F = Q(U × B). Siła przyłożona do cząstki jest wprost proporcjonalna do Q - ładunku cząstki, do U - jej prędkości, oraz do B - wektora pola magnetycznego. U × B oznacza U razy B razy sin mniejszego kąta pomiędzy wektorami. To oznacza, że UB jest mnożone przez sin kąta, więc jego efekt ma zasięg od zera do 1. Na porównawczej ilustracji poniżej, ładunek cząstek i pole magnetyczne pozostają niezmienne, podczas gdy prędkość cząstek, gdy wkraczają w pole, zwiększa się od lewej ku prawej. Im szybciej cząstka się porusza, tym większy okrąg zakreśla, ponieważ jego promień r jest miarą momentu liniowego mU cząstki, gdzie m jest jej masą: r = mU ÷ (|Q|B). Ten sam rezultat osiągnie się zmniejszając ładunek, przy zachowaniu pozostałych dwóch zmiennych.

Gdy cząstka wchodzi w pole magnetyczne pod kątem, ze składową prędkości równoległą do linii sił pola, będzie "dryfować" w kierunku wzdłuż linii pola podczas swojego ruchu kołowego. Tor jej lotu będzie kreślił spiralę. Promień r jest znany jako promień Larmora lub promień cyklotronowy. Na trzech ilustracjach u dołu, kąt wejścia cząstki w pole oraz wektor pola B pozostaje taki sam. Natomiast prędkość wejścia cząstki w pole zwiększa się od lewej ku prawej, żeby pokazać, że im szybciej cząstka się porusza, tym większe kreśli okręgi.

Na trzech rysunkach poniżej, zielony wektor wejścia pokazuje, którą drogą będzie się poruszał ładunek dodatni (przez konwencję). Cząstka może się poruszać w obydwa kierunki wzdłuż tego wektora, więc jak zobaczymy, istnieją dwie trajektorie wychodzące z czubka wektora. Jeśli cząstka będzie ujemna, będzie przyspieszać w przeciwnym kierunku, a gdyby była cięższa lub miała większą prędkość, zataczałaby większe kręgi. Podobnie, gdyby zmieniło się pole elektryczne albo magnetyczne, przy zachowaniu innych czynników bez zmian, w podobny sposób zmieniłoby to tor ruchu cząstki. Wąskie pomarańczowe "tuby" trajektorię cząstki w zależności od warunków wejścia.

Gdy naładowana cząstka wkracza w jednorodne pole magnetyczne B, jej tor jest zaginany w okrąg o promieniu r proporcjonalnym do momentu liniowego, masy pomnożonej przez prędkość (mU). Prędkość cząstki się nie zmienia, podobnie jak jej energia kinetyczna a pole nie wykonuje pracy na cząstce. Jest to podobne do pola grawitacyjnego, oddziałującego ciągłą siłą dośrodkową na satelitę okrążającego Ziemię. Kierunek pola magnetycznego pokazany jest niebieską linią w osi toru cząstki. Wektor wlotu cząstki zaznaczono na czerwono linią radialną.

Gdy kąt wejścia cząstki w pole zmienia się z prostopadłego na równoległy, jej trajektoria zmienia się w coraz bardziej rozciągniętą spiralę. Zwróć uwagę na zmiany kąta zielonego wektora wlotu i helikalny skręt. Ilustracje powyżej powstały przy użyciu Mathematica Demonstration.

Całkowita siła będzie wynikowym wektorem sił elektrycznych i magnetycznych oraz będzie zależeć od kąta pomiędzy nimi (ilustracje poniżej).

Jeśli pola elektryczne i magnetyczne są równoległe (jak w przypadku prądu przyległego do pola, który rozważymy później), wówczas naładowana cząstka, wchodząca radialnie w kierunku osiowym pól będzie zmuszona podążać helikalną ścieżką wzdłuż pola. Będzie przyspieszać (stale zmieniać kierunek w spirali idącej wzdłuż pola magnetycznego)na skutek prawa Lorentza, oraz jednocześnie przyspieszać (zmieniać prędkość skalarną) w kierunku pola elektrycznego.

W sytuacji przylegania pól (E i B są równoległe), cząstka doświadcza siły dośrodkowej z pola magnetycznego, a jednocześnie pole elektryczne E zmusza ją do przyspieszania wzdłuż osi pola. Z czasem cząstka porusza się niemal równolegle do pola.

Jeśli cząstka wkroczy w układ równoległych pól osiowo, nie doświadczy oddziaływania pola magnetycznego. Aczkolwiek pole elektryczne będzie ją wciąż przyspieszać wzdłuż linii pola. W zależności od ładunku, gdy cząstka wkroczy w taki region, jej prędkość wzrośnie. Jeśli wkroczy w pole z przeciwnej strony, będzie zwalniać, zatrzyma się, po czym zacznie przyspieszać w przeciwnym kierunku. "Kierunkiem" pola elektrycznego nazywamy kierunek siły działającej na położony w nim ładunek dodatni.

Gdy pola nie są równoległe, mogą wystąpić różne kombinacje trajektorii, w zależności od ładunku, natężenia pola, kierunku wejścia cząstki i kąta nachylenia pomiędzy kierunkiem pól.

Przy stałym polu elektrycznym, cząstki będą zwiększały prędkość wzdłuż linii pola elektrycznego. Ilustracje powstały przy pomocy Mathematica Demonstration.

Aczkolwiek owe trajektorie mogą wyglądać skomplikowanie, reprezentują tylko jedną naładowaną cząstkę na raz, o stałej prędkości, ze stałymi polami elektrycznym i magnetycznym. W praktyce ten sam region mogą zajmować cząstki o różnej polaryzacji i wektorach prędkości, a ich elektryczne i magnetyczne oddziaływania będą wpływały na otaczające je pola.

W oddziaływaniach plazmowych mogą też występować cząstki obojętne, pył, gruz, większe ciała, oraz oddziałują inne siły (grawitacja, lepkość, zderzenia).

Przylegający do pola relatywistyczny elektron wytwarzający promieniowanie synchrotronowe w paśmie rentgena.

Wspomnieliśmy, że skutki uboczne relatywistycznych elektronów spiralujących wzdłuż linii pola magnetycznego, są często wykrywane w postaci promieniowania synchrotronowego. Z prawa Lorentza wiemy, że musi tam być pole elektryczne równoległe do magnetycznego, a ruch osiowy spiralujących elektronów ze składową prędkości równoległą do pola, jest prądem elektrycznym przyległym do pola. Prąd ten nosi nazwę prądu Birkelanda, występuje on w wielu skalach kosmicznych.

4.4 Inne efekty równań pola

Dobrze jest zapamiętać kilka podstawowych zasad wynikających z zastosowania równań pola elektromagnetycznego.

1. Pole elektryczne wywołuje siłę działającą na każdą cząstkę naładowaną.

2. Siła elektryczna będzie przeciwna dla przeciwnie naładowanych cząstek. A zatem pole elektryczne będzie przeciwnie przyspieszało jony i elektrony, dążąc do ich rozdzielenia. Separacja ładunku w kosmosie jest ważna w fizyce kosmologii plazmy.

3. Pola magnetyczne oddziałują tylko na cząstki będące w ruchu, ze składową prędkości prostopadłą do pola. Ponieważ rezultat zależy od iloczynu wektorowego prędkości i wektora pola, będzie on inny dla różnych kierunków. Skutkuje to zależnym od kierunku oporem elektrycznym. Można to porównać do płynięcia z prądem lub w poprzek rzeki.

4. Kierunek siły magnetycznej zależy od momentu i ładunku cząstki. Jony i elektrony będą wirowały w przeciwnych kierunkach, z innym promieniem i okresem rotacji.

5. Obłok plazmy płynący w poprzek pola magnetycznego spowoduje rozbudowanie się lokalnego pola elektrycznego, które wywoła nowe siły oddziałujące na cząstki naładowane.

6. Zmiany w rozprowadzeniu naładowanych cząstek powodują zmiany w pola elektrycznego pomiędzy nimi. Zmiany pola elektrycznego powodują z kolei zmiany w polu magnetycznym.

7. Równania Maxwella i prawo Lorentza działają razem na zasadzie sprzężenia zwrotnego, zmieniając ruchy cząstek naładowanych i oraz pola.

4.5 Zastąpienie prądów polami magnetycznymi

Powstaje pytanie, czy jest możliwe zastąpienie w równaniach Maxwella prądu elektrycznego polem magnetycznym, celem uproszczenia.

Z technicznego punktu widzenia, odpowiedź jest twierdząca, dla konkretnych sytuacji. Dzieje się tak często w teoriach i modelach magnetohydrodynamicznych, gdyż jest to wygodniejsze do studiowania konkretnych zjawisk plazmowych. Aczkolwiek istnieją zagadnienia w zachowaniu plazmy, gdzie potrzebne, a nawet krytyczne, jest uwzględnienie poruszających się cząstek, gdyż rozważenie po prostu zachowania się pola nie może wymodelować obserwowanej złożoności zjawisk plazmowych.

Sytuacja jest podobna do dualizmu korpuskularno-falowego w fizyce cząstek: istnieją sytuacje, w których należy użyć opisu cząsteczkowego.

Przykłady zachowania plazmy wymagają uwzględnienia opisu cząsteczkowego lub prądowego, w tym komórkowość i włóknistość, transport energii i niestabilności. Rozważenie prądu elektrycznego i obwodów również wymaga opisu cząsteczkowego.

Rozważenie w takich sytuacjach jedynie zachowania pól pomija prawdziwą złożoność zachowania plazmy. Przyjrzymy się niektórym przykładom takiego zachowania.

Galaktyka Centaurus A widziana w świetle rentgena, z centralnym dżetem plazmowym powodującym pióropuszowate struktury, rozciągające się na dziesiątki tysięcy lat świetlnych.

Autor oryginału: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/11/04/essential-guide-to-the-eu-chapter-4/

Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie - rozdział 3 - plazma

Wprowadzenie

Znanym jest, że kosmos wypełniony jest plazmą. W rzeczy samej, plazma jest najbardziej rozpowszechnionym stanem materii we Wszechświecie. Znajduje się w szerokiej gamie miejsc, od ognia, neonów i piorunów na Ziemi po przestrzeń galaktyczną i międzygalaktyczną. Jedynym powodem, dla którego nie jesteśmy do niej bardziej przyzwyczajeni, jest to, że żyjemy w cienkiej biosferze zbudowanej głównie z ciał stałych, płynów i gazów, do których nasze zmysły są dostosowane. Na przykład, nie postrzegamy ognia jako plazmy, widzimy jasne płomienie i czujemy ciepło. Tylko naukowe eksperymenty pozwalają odkryć obecność plazmy w płomieniach.

Podczas gdy studia nad plazma skupiają się głównie na pojedynczych zagadnieniach, takich jak fuzja jądrowa, zrozumienie tego, jak działa Wszechświat, wymaga studentów o szerszych zainteresowaniach. Źródło obrazka: DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

"Plazma jest zbiorem cząstek naładowanych, które zbiorowo reagują na siły elektromagnetyczne" (z pierwszego paragrafu w Fizyce Plazmowego Wszechświata Anthony Peratt'a, Springer-Verlag, 1992). Region plazmy może również zawierać pewna ilość obojętnych cząstek lub molekuł, oraz zarówno naładowanych jak i neutralnych, jak pył, gruz i większe ciała, od małych ciał skalnych, przez planety, po gwiazdy.

Charakterystyką plazmy jest obecność wolnych ładunków - jonów, elektronów i naładowanych cząstek pyłu. Ich silne oddziaływanie z polami elektromagnetycznymi powoduje, że zachowanie plazmy jest zupełnie różne od niezjonizowanego gazu. Oczywiscie wszystkie czasteczki - naładowane i obojętne - reagują z polem grawitacyjnym, proporcjonalnie do jego lokalnego natężenia. Ponieważ większość Wszechświata zbudowana jest z plazmy, miejsca, gdzie grawitacja dominuje nad elektromagnetyzmem, są względnie rzadkie.

Z powodu swoich szczególnych właściwości, plazma jest z reguły postrzegana jako faza materii inny od ciał stałych, płynów czy gazów. Jest często nazywana czwartym stanem materii. Skoro stan ten jest najbardziej rozpowszechnionym we Wszechświecie, powinien właściwie nazywać się pierwszym stanem materii.

Schemat poniżej jest często używany do przedstawienia, jak stany materii zmieniają się z termicznego punktu widzenia. Im większa temperatura, tym wyżej na drabinie energii dochodzi do przemiany. Aczkolwiek, do zjonizowania materii potrzeba na prawdę dużo energii cieplnej. Istnieją jednak inne środki, i zjonizowaną materię z nierównowagą ładunków otrzymać można przy praktycznie każdej temperaturze.

Ciało stałe, jak metalowy kabel elektryczny, gdy tylko jest podłączony do obwodu elektrycznego ze źródłem prądu o wystarczająco dużym woltażu (bateria, elektrownia), oddzieli swoje elektrony od jąder atomowych, aby mogły swobodnie podróżować w kablu jako prąd cząstek naładowanych.

zlewka z wodą z dodatkiem metalicznej soli, np. chlorkiem sodu, jest łatwo jonizowalna. Jeśli przyłoży się napięcie elektryczne przy pomocy dodatniego i ujemnego kabla, tlen i wodór zostaną przyciągnięte do przeciwnie naładowanych końcówek i uwolnione w postaci gazu o pokojowej temperaturze. Takie stabilne, obojętne stany są częścią elektrycznego Wszechświata, jednak niniejszy przewodnik skupi się bardziej na stanie plazmy i prądów elektrycznych w dużej skali w kosmosie.

Obłoki molekularne bardzo schłodzonego gazu i pyłu mogą być zjonizowane przez niedalekie gwiazdy lub promieniowanie kosmiczne, a powstałe w wyniku tego jony i elektrony organizują się w formy plazmowe, zdolne do zachowywania ładunku i warstw podwójnych, które separują ładunki i tworzą pola elektryczne o bardzo dużych natężeniach. Taka plazma potrafi przyspieszać ładunki i przewodzić je lepiej od metalu. Prądy plazmowe przyjmują postać powłok lub włókien, dwu lub więcej morfologicznych, przez które można zidentyfikować ich obecność.

Cztery stany, lub fazy, materii, oraz przejścia pomiędzy nimi. Zauważ podobieństwo do greckich "głównych elementów" - Ziemi, wody, powietrza i ognia. Jasnym jest, że plazma zajmuje pozycję najbardziej energetyczną. Pytanie otwarte: skąd pochodzi ta energia? Źródło: Wikimedia Commons.

Proporcja jonów mierzona jest przez stopień jonizacji. Procent jonizacji plazmy może wahać się od mniej niż 0,01% do 100%, ale plazma będzie się zawsze zachowywać charakterystycznie dla niej, ze względu na obecność naładowanych cząstek i separację ładunku.

Plazma określana jest czasem mianem zaledwie "zjonizowanego gazu". Choć technicznie jest to poprawne, terminologia ta jest niekompletna i przestarzała. Używa się go w celu zamaskowania faktu, że plazma rzadko kiedy zachowuje się jak gaz. W kosmosie nie podlega ona zwykłej dyfuzji, ale organizuje się w złożone formy i nie oddziałuje w widoczny sposób z grawitacją, dopóki obecne są choć słabe pola elektromagnetyczne. Plazma nie jest materią w stanie gazowym, to materia w stanie plazmy.

Wyrzucanie przez Słońce ogromnych mas "zjonizowanego gazu" (plazmy) oraz koronalnych wyrzutów masy przeciwko jego własnej grawitacji są tego dobrym przykładem. "Wiatr słoneczny" jest plazmą zawierającą poruszające się ładunki, zwane również prądem elektrycznym. Nie jest to płyn, ani "wiatr" ani też "gorący gaz", żeby wyrazić się jasno. Używanie temrinów z dynamiki płynów zaciemnia rzeczywistość prądów elektrycznych i zjawisk plazmowych, silniejszych od grawitacji, naokoło nas w przestrzeni kosmicznej, tak daleko, jak tylko możemy zaobserwować.

Koronalny wyrzut masy wyładowuje miliony ton plazmy w w przestrzeń międzyplanetarną. Słońce jest wielkości białego koła na dysku zakrywającym. Courtesy, SOHO public imagery

Jonizacja

Wiadomo, że przestrzeń wypełniona jest polami, rozmaitymi cząstkami, z których wiele jest naładowanych, oraz szeroką gamą rozmiarów cząstek, od atomów do planet, gwiazd i galaktyk. Cząstki obojętne - czyli atomy i molekuły o takiej samej liczbie elektronów i protonów (zaniedbujemy antymaterię) - mogą być uformowane z cząstek o przeciwnych ładunkach. Odwrotnie, naładowane cząstki i molekuły mogą powstawać z tych obojętnych, w procesie jonizacji.

Jeżeli elektron - ładunek ujemny - zostanie oddzielony od atomu, wtedy pozostały atom pozostanie z ładunkiem dodatnim. Oddzielony elektron i atom macierzysty pozostaną wolne od siebie nawzajem. Proces ten nazywa się jonizacją. Dodatnio naładowana reszta atomowa nazywa się jonem. Najprostszy pierwiastek, wodór, składa się z jednego protonu (jądra) i jednego elektronu. Jeśli wodór jest zjonizowany, rezultatem jest jeden wolny elektron i proton. Pojedynczy proton jest najprostszym jonem.

Jeżeli atom cięższy od wodoru jest zjonizowany, to znaczy, że stracił jeden lub więcej elektronów. Ładunek dodatni jonu będzie równy ładunkom utraconych elektronów. Jonizacja może również następować w molekułach. Może powstać przy dodaniu elektronu do neutralnego atomu bądź molekuły, przez co powstanie ujemny jon. Cząsteczki pyłu w kosmosie często są zjonizowane, a studiowanie fizyki pyłowej plazmy zajmuje się wiele uniwersytetów. Do podzielenia atomów na jony i elektrony potrzebna jest energia - patrz wykres poniżej.

Energia pierwszej jonizacji w stosunku do liczby atomowej. Źródło: Wikimedia Commons, dodana temperatura po prawej stronie

Zauważmy, że jest tu powtarzający się wzór. Metale alkaliczne mają względnie niską energię/temperaturę jonizacji. W miarę przesuwania się w prawo, ku większej liczbie atomowej (liczbie protonów w jadrze), energia potrzebna do zjonizowania każdego "cięższego" pierwiastka rośnie, szczytuje na pierwiastku gazu szlachetnego i spada do następnego atomu o wyższej liczbie atomowej, który jest znów metalem. Następnie cykl się powtarza.

Interesujące jest to, że wodór, najlżejszy element, jest traktowany w tym elektrochemicznym spojrzeniu jako metal, ponieważ ma pojedynczy elektron, który łatwo się urywa z jego zewnętrznego (i jedynego) orbitala. Terminologia astronomiczna, w kontekście zawartości gwiazd, określa wodór i hel jako "gazy", a wszystkie inne elementy jako "metale".

Inicjowanie i utrzymywanie jonizacji

Energia do inicjacji i utrzymania jonizacji może być energią kinetyczną pochodzącą z kolizji pomiędzy energetycznymi cząstkami (wystarczająco wysoka temperatura), albo z wystarczająco intensywnego promieniowania. Średnia losowa energia kinetyczna jest rutynowo wyrażana jako temperatura, a w bardzo wysokich prędkościach jako elektronowolty (eV). Aby przekształcić temperaturę z kelwinów (K) do eV, należy podzielić K przez 11604,5. Odwrotnie należy postąpić, by zamienić eV na K.

Wykres powyżej reprezentuje energię jonizacji, potrzebną do oderwania pierwszego, zewnętrznego elektronu od atomu lub molekuły. W ekstremalnie energetycznym środowisku oddzieleniu mogą ulec elektrony z szeregu poziomów, np w pobliżu gwiazd czy dżetów galaktycznych. Ważne: ta energetyczna plazma jest ważnym źródłem jonów i elektronów, które mogą być przyspieszone do ogromnych prędkości, źródła promieniowania kosmicznego i promieniowania synchrotronowego o szerokim spektrum. Powiązania promieniowania kosmicznego z wzorem otaczających chmur, wpływającym na nasz klimat, zostały odnotowane w książce Henrika Svensmarka Chłodzące Gwiazdy.

Temperatura to pomiar, jak dużo cząstki mają losowej energii kinetycznej, co jest powiązane z ilością kolizji pomiędzy nimi i prędkością. Temperatura ma wpływ na stopień jonizacji plazmy. W plazmie mogą się formować pola elektryczne równoległe do lokalnego pola elektrycznego. Cząstki przyspieszane w warunkach pola równoległego mają tendencję do poruszania się równolegle, nie chaotycznie, a w konsekwencji przy niewielkiej ilości zderzeń. Przekształcenie trajektorii cząstek z chaotycznych na równoległe nazywa się "determalizacją". Mówi się, że w jej wyniku nastaje niższa "temperatura". Analogia: pomyślmy o ruchu samochodowym w "derby zniszczenia" jako o "gorącym", kolizjogennym, chaotycznym ruchu, a o swobodnym ruchu na trasie jak o "chłodnym" ruchu równoległym, bez zderzeń.

W kolizji pomiędzy atomem a elektronem może dojść do jonizacji, jeżeli energia (temperatura) elektronu będzie większa niż energia jonizacji atomu. Podobnie, jeżeli elektron zderzy się z jonem, nie dojdzie do rekombinacji, jeżeli energia elektronu jest zbyt duża. Można to zwizualizować tym, że elektron ma większą prędkość, niż prędkość ucieczki jonu, więc nie zostanie przechwycony na orbitę wokół jądra.

Prosty diagram przedstawiający uwolnienie elektronu przy jonizacji obojętnego atomu.

Temperatury elektronów w kosmicznej plazmie mogą dochodzić do tysięcy i milionów kelwinów. Plazma może być więc efektywna w utrzymywaniu swojego stanu jonizacji. Stan odseparowania ładunków jest czymś normalnym w plazmie kosmicznej.

Inne źródła energii jonizującej zawierają wysoko energetyczne promienie kosmiczne, docierające z innych obszarów, wysoko energetyczne, czy też "jonizujące" promieniowanie, takie jak silne światło ultrafioletowe z gazu lub słabo zjonizowanej plazmy pobliskich gwiazd, styk pomiędzy rejonem plazmy i neutralnego gazu, w którym prędkość względna osiąga krytyczną prędkość jonizacji (CIV) (Hannes Alfvén, Collision between a nonionized gas and a magnetized plasma, Rev. Mod. Phys., vol. 32, p. 710, 1960), lub energetyczne procesy radiacyjne wewnątrz samej plazmy.

Wysoko energetyczne procesy obserwowane w mgławicy NGC 3603: niebieski super olbrzym Sher 25 z toroidalnym pierścieniem i bipolarnym dżetem, na górze w środku; łuk i żarzenie wyładowań plazmy jako mgławica emisyjna (biało żółte strefy); gromada gorących, niebieskich gwiazd Wolf-Rayet i młodych gwiazd typu O, z elektrycznymi włóknami i powłokami przez pyłowo-plazmowe regiony mgławicy. Prawa: W. Brandner (JPL/IPAC), E. Grebel (U. of Washington), You-Hua Chou (U. of Illinois, Urbana-Champaign), and NASA Hubble Space Telescope

W kosmologii Wielkiego Wybuchu uważa się, że nie ma we Wszechświecie dostatecznie dużo energii do stworzenia i utrzymania znaczących ilości wolnych elektronów i jonów przez jonizację, a więc nie mogą one istnieć. Z drugiej strony, gdziekolwiek jony i elektrony łączą się w atomy, energia jest zabierana. W modelu Wielkiego Wybuchu protony i elektrony powstały przed atomami, tak więc podczas formowania się atomów we Wszechświecie musiały zostać uwolnione ogromne ilości energii. Wydaje się możliwym, że jeśli model Wielkiego Wybuchu jest poprawny, to ta energia wciąż jest dostępna, żeby zrejonizować dużą ilość materii. Alternatywnie, możliwe, że nie wszystkie protony i elektrony połączyły się w atomy.

Zauważmy, że Elektryczny Wszechświat nie opiera się na Wielkim Wybuchu. Model elektryczny mówi po prostu, że wykrywamy jony i elektrony, gdziekolwiek się skierujemy, a więc one istnieją, być może w dużej ilości. Teleskopy "widzące" wysoko energetyczne fotony, jak Chandra (rentgen) czy EIT (ultrafiolet) na słonecznym statku obserwacyjnym SOHO, potwierdzają istnienie jonizujących źródeł energii we Wszechświecie, zarówno blisko jak i daleko. Sugerowanie, że wolne jony i elektrony nie mogłyby istnieć w dużej ilości z powodu niewystarczającej ilości energii do ich wytworzenia jest tak błędne, jak twierdzenie, że Wszechświat nie mógłby powstać z tego samego powodu.

3.4 Badania plazmy

Norweski naukowiec Kristian Birkeland (1867-1917) ze swoją terrellą ("małą ziemią"), próżniowym elektromagnetycznym symulatorem plazmowym, około 1904.

Chociaż plazma może nie być powszechna w ziemskiej biosferze, jest widoczna w wielopostaciowych piorunach, zorzy polarnej, iskrach elektryczności statycznej, wszelkiej maści płomieniach (patrz: rozdział 2, 2.6), w tubach próżniowych, elektrycznym łuku spawarki, w elektrycznych piecach łukowych, elektrycznych maszynach wyładowujących, plazmowych pochodniach do utylizacji toksycznych odpadów, neonach i innych fluorescencyjnych świetlnych tubach i bańkach.

Zachowanie plazmy było przez ponad wiek obszernie studiowane w eksperymentach laboratoryjnych. Istnieje duża ilość opublikowanych badań o zachowaniu plazmy przez różne laboratoria i profesjonalne organizacje, włącznie z Instytutem Elektryczności i Inżynierii Elektronicznej (IEEE), który jest dzisiaj największą profesjonalną techniczną organizacją na świecie. IEEE wydaje czasopismo Transactions on Plasma Science.

Wyjaśniając zachowanie plazmy w dalszej części tego przewodnika, będziemy się opierali przede wszystkim na tych badaniach. Jedną z rzeczy, które należy sobie uświadomić, jest skalowalność plazmy na wiele rzędów wielkości. Tak jest, możemy sprawdzić mało skalowe przykłady plazmy w laboratorium wiedząc, że wyniki mogą być przeskalowane do rozmiarów potrzebnych w wyjaśnieniu zachowania plazmy w kosmosie.

Komora próżniowa do eksperymentów z plazmą w Plazma Physics Group Dr Paula Bellana w Celifornian Institute of Technology, USA, około 2008. Prawa: Cal Tech.

3.5 Plazma i gazy

Z powodu obecności naładowanych cząstek, takich jak jony, elektrony i naładowane drobiny pyłu, plazma kosmiczna zachowuje się zupełnie inaczej w obecności pól magnetycznych niż obojętny gaz.

Siły elektromagnetyczne zmuszają naładowane cząstki do poruszania się w odmienny sposób od neutralnych atomów. Złożone zachowanie plazmy może wynikać z kolektywnego ruchu tego rodzaju.

Znaczącą cechą plazmy jest jej zdolność do formowania wielkoskalowych komórek i włókien. W gruncie rzeczy właśnie stąd plazma wzięła swoją nazwę, z powodu swojego zachowania imitującego formy żywe i podobieństwa do komórek krwi.

Komórkowość plazmy sprawia trudności przy jej modelowaniu. Użycie stwierdzenia "zjonizowany gaz" jest mylące, gdyż sugeruje, że plazmę można modelować w kategoriach gazu lub płynu.

Alfvén i Arrhenius napisali w 1971 Ewolucję Układu Słonecznego:"Podstawowa różnica [w podejściu do modelowania] jest widoczna w pojęciach zjonizowany gaz i plazma, której jakkolwiek są synonimami, niosą ze sobą inne pojęcia. Pierwsze daje nam impresję medium, które jest podobne do gazu, w szczególności do znanej nam gazowej atmosfery. W kontraście do tego, plazma, w szczególności w pełni zjonizowana i zmagnetyzowana, jest medium o zupełnie innych właściwościach."

3.6 Przewodnictwo elektryczne

Plazma zawiera wolne cząstki naładowane. Pamiętając, że z definicji poruszające się ładunki stanowią prąd, widzimy, że plazma przewodzi elektryczność. W rzeczy samej, skoro plazma zawiera zarówno wolne jony jak i elektrony, elektryczność może być przewodzona przez obydwa rodzaje nośników.

Dla porównania, w metalu przewodnictwo istnieje całkowicie dzięki obecności wolnych elektronów, ponieważ jony są połączone w sieć krystaliczną. To oznacza, że plazma jest znacznie wydajniejszym przewodnikiem niż metal, gdyż zarówno jej jony, jak i elektrony, będą się poruszać pod wpływem przyłożonej siły.

Wydajność przewodzenia plazmy w małych fluorescencyjnych źródłach światła spowodowała szybkie wyparcie przez nie włókien metalowych (ciepło oporowe).

Elektryczny opór plazmy

W modelu grawitacyjnym, plazma jest często traktowana jako doskonały przewodnik o zerowym oporze. Aczkolwiek, każda plazma posiada niewielką, niezerową oporność. Jest to fundamentalne dla kompletnego zrozumienia elektryczności w kosmosie. Ponieważ plazma posiada małą, niezerową oporność, może przewodzić słabe prądy elektryczne bez zwarcia.

Przewodność elektryczna materiału zdeterminowana jest przez dwie rzeczy: gęstość dostępnych nośników (jonów i elektronów) oraz ich mobilność (swobodę ruchu).

W plazmie kosmicznej, mobilność jest ogromna, gdyż przy relatywnie małej gęstości całkowitej, i z reguły niskiej temperaturze, nośniki doświadczają niewielu zderzeń. Z drugiej strony, gęstość nośników również jest bardzo mała, co ogranicza zdolności plazmy do przewodzenia prądu.

Elektryczna oporność plazmy, która jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu gęstości i mobilności ładunku, jest więc mała, ale niezerowa.

Ponieważ pole magnetyczne zmusza poruszające się w nim cząstki naładowane do zmiany kierunku, opór prądu płynącego w poprzek pola jest większy, niż płynącego wzdłuż niego. Jest to ważne przy analizowaniu prądów elektrycznych w plazmie.

Jakkolwiek plazma jest dobrym przewodnikiem, nie jest doskonałym, czy super przewodnikiem.

Powstawanie różnicy ładunków

W wystarczająco dużej przestrzeni plazma dąży do posiadania takiej samej liczby ładunków ujemnych i dodatnich, gdyż każde niebalansowanie jest szybko niwelowane przez energetyczne elektrony. Powstaje zatem pytanie, jak mogą istnieć różnie naładowane regiony, skoro plazma jest dobrym przewodnikiem i szybko dąży do samoneutralizacji?

W małej skali, dla kosmicznej plazmy rzędu dziesiątek metrów, występują w sposób naturalny wariacje, będące rezultatem losowych wariacji ruchu elektronów, a to prowadzi do powstawania małych, przylegających regionów, w których elektryczna obojętność jest tymczasowo niezachowana.

W większej skali, dodatnie i ujemne ładunki poruszające się w polu magnetycznym zostają automatycznie rozdzielone o pewien kąt, gdyż pole działa na nie siłą skierowaną w przeciwnych kierunkach. Skutkuje to pojawianiem się przeciwnie naładowanych regionów, które utrzymują się tak długo, jak długo naładowane cząsteczki poruszają się w polu magnetycznym.

Oddzielone ładunki wytwarzają pole elektryczne, które z kolei przyspiesza jony i elektrony, znowu w przeciwnych kierunkach. Innymi słowy, tak długo, jak istnieją małe niejednorodności, tak długo mają miejsce skomplikowane procesy plazmowe.

Poruszanie się w silnym polu magnetycznym Jowisza powoduje silne rozdzielenie ładunków (separację woltażu), i powoduje przepływ prądu w obwodzie o mocy jakichś 2 trylionów watów pomiędzy księżycem Io a biegunami Jowisza.

W każdej skali charakterystyczne włókniste i komórkowe struktury plazmowe powodują powstawanie cienkich warstw rozdzielających ładunki. Jakkolwiek warstwy te są bardzo cienkie, mogą rozdzielać bardzo rozległe obszary przestrzeni.

3.9 Ważne rzeczy do zapamiętania na temat zachowania plazmy

Podstawową rzeczą, o jakiej należy pamiętać w rozważaniach nad kosmiczną plazmą, jest to, że często zachowuje się ona zupełnie inaczej niż gaz. Naładowane cząsteczki, których obecność definiuje plazmę, reagują na pola elektromagnetyczne, które cząsteczki owe same generują i modyfikują.

W szczególności plazma formuje komórki i włókna wewnątrz siebie samej, skąd wzięła się z resztą jej nazwa, a to zmienia jej zachowanie, na zasadzie sprzężenia zwrotnego.

Zachowanie plazmy przypomina fraktal. Obydwa są złożonymi systemami, powstającymi z relatywnie prostych zasad. Jednak w odróżnieniu od fraktala, plazma jest podatna na niestabilności, które dodają kolejny stopień złożoności.

Żaden matematyczny ani teoretyczny model Wszechświata, który nie bierze pod uwagę owej złożoności, pomija ważny aspekt działania systemu i nie jest w stanie go poprawnie modelować.

Galaktyka aktywna M87 w gromadzie Wirgo, wraz ze swoim długim na 5000 lś prądem elektrycznym wzdłuż włókien plazmy (zwanym "dżetem"), z widocznymi niestabilnościami w postaci jasnych węzłów. Prawa: Space Telescope Institute, Hubble/NASA

Autor: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/25/essential-guide-to-the-eu-chapter-3/

Niezbędny przewodnik po EW - rozdział 2. Elektryczne i magnetyczne pola w kosmosie.

2.1 Porównanie siły oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych

Grawitacja jest względnie bardzo słabą siłą. Elektryczna siła Coulomba pomiędzy protonem a elektronem jest rzędu 10³⁹ (1 i 39 zer) większa do siły grawitacji pomiędzy nimi.

Oddziaływania fundamentalne w fizyce:

Oddziaływanie	Obecna teoria	Względna siła	Zasięg (m)	Przewidziany pośrednik
Oddziaływanie silne	Chromodynamika kwantowa	1E+39	1E-14	Gluony
Elektromagnetyzm	Elektrodynamika kwantowa	1E+37	∞	Fotony
Oddziaływanie słabe	Teoria oddz. elektrosłabych	1E+26	1E-17	Bozony W & Z
Grawitacja	Ogólna Teoria Względności	1	∞	Grawitony1

¹jak dotąd nieodkryte

Możemy sami przekonać się o sile elektromagnetyzmu, gdy posługując się magnesem, podnosimy mały metalowy przedmiot, powiedzmy, kulkę z łożyska. Mimo tego, że przyciąga ją cała Ziemia, magnes z łatwością ją podnosi, gdy tylko znajdzie się wystarczająco blisko. W kosmosie, grawitacja stanie się znacząca tylko tam, gdzie siły elektromagnetyczne zostaną ekranowane lub zneutralizowane.

Mały magnes przyciąga i trzyma metalową kulkę, na przekór ziemskiej grawitacji.

Dla ciał sferycznych, zarówno siła grawitacji, jak i elektryczna siła Coulomba maleje wraz z kwadratem odległości. Dla innych geometrii i konfiguracji, siła zmniejsza się wolniej. Dla przykładu, siła działająca na względnie długie i cienkie prądy elektryczne poruszające się równolegle do siebie, maleje wraz z pierwszą potęgą odległości.

Prądy elektryczne mogą przenosić energię na ogromne odległości, zanim będzie można ją wykryć, tak jak my używamy energii generowanej w odległej elektrowni, żeby zagotować wodę w kuchni. Oznacza to, na większe dystanse, że siły elektromagnetyczne i prądy elektryczne mogą być znacznie efektywniejsze zarówno niż słaba grawitacja, jak i silniejsza elektrostatyczna siła Coulomba.

Pamiętajmy, że w celu wyjaśnienia zachowania materii, którą widzimy, model grawitacyjny potrzebuje 24 razy tyle materii, w specjalnych miejscach i specjalnego, niewidzialnego rodzaju. Wydaje się znacznie rozsądniejszym zbadanie, czy znana nam fizyka sił elektromagnetycznych i prądów elektrycznych nie prowadzi do obserwowanych efektów, niż wymyślanie czegoś, co może nie istnieć.

2.2 Próżnia - "pusta" przestrzeń

Przed stu laty myślano, że przestrzeń jest pusta. Słowa "próżnia" i "pustka" były wymienne. Ale próbniki odkryły, że przestrzeń zawiera atomy, pył, jony i elektrony. Jakkolwiek gęstość materii w kosmosie jest bardzo mała, to jednak nie jest zerowa. Co za tym idzie, przestrzeń nie jest zerowa w konwencjonalnym tego słowa znaczeniu. Na przykład, wiatr słoneczny jest strumieniem naładowanych cząstek przybywających ze Słońca i wyłapywanych przez Ziemię, powodując efekty świetlne w postaci zorzy polarnej.

Sądzi się, że cząstki pyłu kosmicznego są rozmiarów 2 do 200 nanometrów, a wiele z nich jest naładowanych, zarówno przez jony jak i elektrony. Mieszanina obojętnych i naładowanych cząstek nazywana jest plazmą i jest nasycona pola mi elektromagnetycznymi. W rozdziale trzecim omówimy plazmę i jej unikalne oddziaływanie z polami elektromagnetycznymi. "Pusta" przestrzeń pomiędzy planetami i gwiazdami czy galaktykami jest bardzo różna od wyobrażeń astronomów we wczesnym wieku XX.

Proszę zwrócić uwagę na terminologię w podanych linkach. Astronomowie często odnoszą się do materii w stanie plazmy jako do "gazu", "wiatrów", "gorącego, zjonizowanego gazu", "chmur" etc. Przeszkadza to w rozróżnieniu dwóch zupełnie odmiennych stanów materii, z których pierwszym jest plazma, a drugi może być obojętnym gazem, którym są po prostu szeroko rozproszone, niezjonizowane molekuły i atomy.

Występowanie zjonizowanego wodoru na półkuli północnej. Źródło: Wiki Commons.

Istnienie naładowanych cząstek i pól elektromagnetycznych jest akceptowane zarówno przez model grawitacyjny, jak i elektryczny. Ale nacisk na nie położony odróżnia te modele znacznie. Omówimy teraz pola magnetyczne.

Zorza sfotografowana przez L. Zimmermana w Fairbanks na Alasce. Dzięki uprzejmości spaceweather.com, Aurora PhotoGallery

2.3 Pola magnetyczne - wprowadzenie

Co rozumiemy przez pojęcie "pola magnetycznego" oraz "linii pola magnetycznego"? Aby zrozumieć koncepcję pola, rozważmy bardziej znany przykład - grawitację.

Wiemy, że grawitacja to siła przyciągania pomiędzy ciałami lub cząstkami posiadającymi masę. Mówimy, że ziemska grawitacja jest wszędzie wokół nas na powierzchni Ziemi, i że rozchodzi się w kosmos. Możemy ekonomiczniej wyrazić to samo mówiąc, że Ziemia ma pole grawitacyjne, które rozchodzi się w przestrzeń we wszystkich kierunkach. Innymi słowy, pole grawitacyjne to region, gdzie siła grawitacji działa na ciała posiadające masę.

Podobnie, pole magnetyczne to region, gdzie siła magnetyczna będzie działać na namagnesowane lub naładowane ciało (przyczyny powstawania pól magnetycznych omówimy później). Efekt siły magnetycznej jest najbardziej widoczny dla ferromagnetyków. Dla przykładu, opiłki żelazne umieszczone w polu magnetycznym ustawiają się wzdłuż kierunku jego działania jak igły kompasu.

Magnes sztabkowy z opiłkami żelaznymi naokoło, pokazuje kierunek pola magnetycznego.

Ponieważ opiłki ustawiają się przylegająco od bieguna do bieguna, ich wzór można narysować jako zestaw koncentrycznych linii, które mogą pokazywać kierunek oraz, mniej bezpośrednio, natężenie pola w każdym punkcie.

A zatem linie pola magnetycznego są wygodnym sposobem na reprezentowanie jego kierunku i służą pomocą przy wyznaczaniu trajektorii cząstek poruszających się w polu (Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006, Paul Bellan, Ph.D.).

Należy przy tym pamiętać, że linie pola nie istnieją jako fizyczne obiekty. Każdy z opiłków działa jak kompas: można go troszkę przesunąć, a on wciąż będzie wskazywał magnetyczny kierunek wschód-zachód ze swojej nowej pozycji. Na podobnej zasadzie pion będzie pokazywał lokalny kierunek grawitacji. Linie rysowane wzdłuż serii pionów tworzą zbiór linii pola grawitacyjnego. Takie linie nie istnieją na prawdę, są po prostu wygodnym wyobrażeniem do wizualizowania kierunku siły związanej z polem (zobacz załącznik I).

Linie pola niekoniecznie wskazują kierunek siły wywieranej przez źródło. Rysowane linie mogą wskazywać polaryzację siły lub mogą wskazywać kontury o stałej intensywności siły, jak izobary dla ciśnienia czy poziomice dla wysokości. Często wokół ciał trójwymiarowych stosuje się wyobrażeniowe powierzchnie oznaczające równe natężenie pola.

Umówiono się, że kierunek pola magnetycznego w danym punkcie jest od bieguna południowego ku północnemu.

W przypadku pola grawitacyjnego również można wybrać rysowanie linii konturowych o równym natężeniu pola, zamiast linii kierunku. Będą one coraz rzadsze wraz z wysokością (czy też z odległością od środka ciała). Do znalezienia kierunku działania siły na podstawie linii konturowych, należy sprawdzić, w którą stronę ciała będą się poruszać. Położony na szczycie wzgórza kamień będzie się staczał w dół, w poprzek linii konturowych. Innymi słowy, siła grawitacji jest prostopadła do linii konturowych równego natężenia siły.

Pole magnetyczne jest bardziej skomplikowane od grawitacyjnego z tego względu, że może zarówno przyciągać, jak i odpychać. Dwa stałe magnesy sztabkowe, zwrócone do siebie przeciwnymi biegunami, będą się przyciągać wzdłuż linii połączonych pól. Magnesy zwrócone tymi samymi biegunami, będą się odpychać w tym samym kierunku.

Pole magnetyczne wywiera również wpływ na cząstki naładowane, które są w ruchu. Ponieważ siła wywierana na cząstkę naładowaną jest prostopadła zarówno do kierunku pola, jak i ruchu cząstki, więc cząstka podążająca w poprzek pola jest zmuszona do miany kierunku (przyspieszana) przez oddziaływanie z polem. Jej prędkość nie ulega zmianie, więc zachowana jest energia kinetyczna. Poniższe obrazki pokazują, co się stanie z wiązką elektronów w komorze próżniowej przed i po włączeniu pola magnetycznego, w prezentacji laboratoryjnej.

Od lewej: 1) Cewka Helmoltza wyłączona - strumień elektronów jest prosty. 2) Cewka Helmoltza wytwarza pole magnetyczne wokół tuby próżniowej. 3) Cewka Helmoltza włączona - strumień elektronów zakrzywiony, zgodnie z regułą prawej dłoni

Siła magnetyczna wywierana na cząstkę naładowaną w ruchu jest analogiczna do siły żyroskopowej. Cząstka poruszająca się wzdłuż linii pola nie doświadczy siły przy próbie zmiany kierunku, tak jak wepchnięta w wirujący żyroskop nie dokładnie wzdłuż osi rotacji nie spowoduje obrotu czy "precesji".

Chociaż siła oddziałująca na inne cząstki naładowane jest różna, to linie pola są użyteczne, gdyż kierunek siły działającej na każdy materiał, jak poruszającą się cząstkę naładowaną, można z nich wydedukować.

Linie nakładających się pól na Słońcu, w sąsiedztwie dziury koronalnej oraz w innych aktywnych regionach. Zrozumienie dynamiki takich pól pozwala zrozumieć prądy plazmy, które je powodują. Image credit: NASA SDO / Lockheed Martin Space Systems Corp., 10.20.2010

2.4 Geneza pól magnetycznych

Pole magnetyczne można wytworzyć tylko w jeden sposób: przesuwając ładunki elektryczne (kłóciłbym się, ale na razie niech im będzie² - przyp. tłum.). W magnesach stałych, pole generowane jest przez elektrony wirujące wokół jader atomowych. Silny magnes powstaje wtedy, gdy elektrony okrążające jądro wirują w tym samym kierunku, tworząc potężną złożoną siłę. Jeśli podgrzać magnes do jego temperatury Curie, ruchy termiczne atomów przełamują porządek w wirowaniu, znacznie zmniejszając sieciowe pole magnetyczne. W metalowym przewodzie przewodzącym prąd, pole magnetyczne jest wytwarzane przez poruszające się w nim elektrony. Bardziej dokładne wprowadzenie do tematu sprzężenia i ferromagnetyzmu znajduje się tutaj.

²Jest to kontrowersyjna teza, również dla mnie. Osobiście nie zgadzam się z interpretacją magnetyzmu w ciałach stałych jako efektu klasycznego wirowania elektronów w atomie. Jednak na tej stronie omawiana jest fizyka plazmy, a nie ciała stałego, w szczególności kryształu. W plazmie zaś rzeczywiście nie sposób wytworzyć pola magnetycznego inaczej, jak przez ruch ładunków.

Inaczej mówiąc, ilekroć ładunek elektryczny się porusza, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Bez poruszających się ładunków elektrycznych, pole magnetycznie nie może istnieć. Prawo Ampèra mówi, że poruszający się ładunek wytwarza pole magnetyczne o kołowych liniach siły, na płaszczyźnie prostopadłej do ruchu.

Linie pola magnetycznego otaczają przewodnik w koncentrycznych, równo oddalonych cylindrach lub "powłokach". Reguła prawej dłoni mówi, że gdy skierujesz swój prawy kciuk w kierunku przepływu prądu, zakrzywione palce pokażą kierunek linii pola wytwarzanego przez ten prąd. Źródło - Wikimedia Commons, tytuł dodany.

Podczas gdy prądy elektryczne, złożone z poruszających się ładunków elektrycznych mogą być niewidzialne i trudne do wykrycia na odległość, to wykrycie pól magnetycznych w jakimś miejscu w przestrzeni (dobrze znanymi w astronomii metodami, patrz niżej) jest pewną oznaką tego, że towarzyszą im prądy elektryczne.

Gdy prąd płynie w przewodniku, np długim prostym przewodzie lub włóknie plazmy, każdy ładunek elektryczny wewnątrz niego ma wokół siebie małe pole magnetyczne. Gdy wszystkie te indywidualne pola magnetyczne się dodadzą, efektem jest ciągłe pole magnetyczne na całej długości przewodnika. Regiony, w których natężenie pola magnetycznego jest równe (zwane powierzchniami ekwipotencjalnymi) tworzą cylindry koncentryczne do przewodnika.

Pola elektromagnetyczne zmienne w czasie będą rozważane później (patrz: rozdział 4 i załącznik III).

Kwestia o przyczyny istnienia pól magnetycznych w kosmosie stanowi jedną z kluczowych różnic pomiędzy modelem grawitacyjnym a elektrycznym.

Model grawitacyjny zezwala na pola magnetyczne w kosmosie, gdyż są one powszechnie obserwowane, ale twierdzi się, że ich źródłem są dynama wewnątrz gwiazd. Obecnie, dla większości badaczy ani pola elektryczne, ani prądy elektryczne nie grają żadnej znaczącej roli w wytwarzaniu pól magnetycznych.

Dla kontrastu, model elektryczny, z którym dokładnie zapoznamy się później, twierdzi, że pola magnetyczne muszą być wytwarzane przez poruszające się w przestrzeni cząstki naładowane elektrycznie, tak samo, jak na Ziemi. Ma się rozumieć, model elektryczny akceptuje również pola magnetyczne gwiazd i planet, widoczne przez magnetosfery i inne obserwacje. Nowe spojrzenie ma wyjaśnić inną przyczynę tych pól, jeśli nie pochodzą one z gwiezdnego dynama.

2.5 Wykrywanie pól magnetycznych w kosmosie

Od początku ery kosmicznej, pojazd kosmiczny jest w stanie wykryć pole magnetyczne w Układzie Słonecznym przy pomocy instrumentów pokładowych. Pole magnetyczne będące poza zasięgiem aparatury pojazdów możemy "zobaczyć" dzięki jego wpływowi na przechodzące przez nie światło i inne rodzaje promieniowania. Możemy nawet określić natężenie tego pola, poprzez mierzenie wielkości danego efektu.

Galaktyka M83 / NGC 5236, Południowa Galaktyka Spiralna. Od lewej: 1) Widok optyczny, ESO, La Silla, Chile, dzięki uprzejmości Rainera Becka i Billa Sherwooda. 2) Obraz natężenia pola magnetycznego (fałszywe kolory), oraz kierunku, z Atlasu pól magnetycznych pobliskich galaktyk, Max Planck Institute für Radio-Astronomie.

Od wieków wiemy o istnieniu ziemskiego pola magnetycznego. Teraz możemy wykryć takie pola w kosmosie, wiec koncepcja pola magnetycznego w kosmosie jest łatwa do pojęcia, aczkolwiek astronomowie mają problemy z wyjaśnieniem przyczyny jego powstania.

Pole magnetyczne można wykryć na wielu długościach fali, obserwując ilość symetrycznych spektrograficznych linii emisyjnych lub absorbcyjnych, rozszczepionych polem magnetycznym. Zjawisko to nosi nazwę efektu Zeemana, po duńskim fizyku i laureacie nagrody Nobla, Pieterze Zeemanie (1865-1943). Zwróć uwagę, na zdjęciach powyżej, jak bardzo kierunek pola magnetycznego przylega do ramion galaktyki widzialnych optycznie.

Efekt Zeemana, linie spektralne rozszczepiające się w polu magnetycznym. www.chemteam.info/classical papers/no.38,1897 – the Zeeman effect. Oryginalna fotografia Pietera Zeemana.

Inną przesłanką na istnienie pól magnetycznych jest polaryzacja promieniowania synchrotronowego, emitowanego przez elektrony w polu magnetycznym, przydatne na skalę galaktyczną. Zobacz artykuł Beck'a Galaktyczne Pola Magnetyczne na Scholarpedii oraz Atlas pól magnetycznych w pobliskich galaktykach Becka i Sherwooda. Pomiarów kąta polaryzacji dokonuje się przy użyciu efektu Faradaya. Obrót Faradaya prowadzi do otrzymania siły pola magnetycznego, przez które przechodzi spolaryzowane światło.

Bardzo instrukcyjna publikacja Filipa Kronberga (i innych) - Measurement of the Electric Current in a Kpc-Scale Jet - wprowadza nieodparte spojrzenie na bezpośrednie powiązanie pomiędzy zmierzonym obrotem Faradaya w potężnych "węzłach" magnetycznych w dużym, galaktycznym dżecie, wynikowym natężeniem pola magnetycznego, a prądem elektrycznym płynącym wewnątrz dżetu.

Pola magnetyczne są uwzględnione zarówno przez elektryczny, jak i grawitacyjny model wszechświata. Zasadniczą różnicą jest łączenie w modelu elektrycznym pól magnetycznych z towarzyszącymi im prądami elektrycznymi. Zajmiemy się teraz polami i prądami elektrycznymi.

Wprowadzenie do pól elektrycznych

Ładunki elektryczne mają polaryzację. Mogą być dodatnie lub ujemne. Umówiono się, że ładunek elementarny jest równy ładunkowi elektronu (-e) lub protonu (+e). Ładunek elektryczny jest skwantowany. Zawsze jest wielokrotnością e.

Podstawową jednostką ładunku jest kulomb (C). e = 1,60×10^-19 kulomba. Biorąc odwrotność tej malutkiej liczby, jeden kulomb jest równy 6,25×10¹⁸ pojedynczo naładowanym cząstkom. Jeden amper (A) prądu elektrycznego to jeden kulomb na sekundę. Prąd 20A to 20 kulombów, albo 1,25×10²⁰ elektronów na sekundę.

Każdy ładunek posiada przyporządkowane sobie pole elektryczne. Pole elektryczne jest podobne do magnetycznego w tym, że obydwa są powodowane fundamentalnym oddziaływaniem elektromagnetycznym, a ich zasięg jest nieskończony, lub nieskończenie daleki. Pole elektryczne otaczające pojedynczą cząstkę naładowaną jest sferyczne, jak pole grawitacyjne wokół małej lub sferycznej masy.

Pole elektryczne wokół ładunku dodatniego (z lewej) i pomiędzy dwoma naładowanymi płaszczyznami. Strzałki pokazują siłę wywieraną na ładunek dodatni. Taka sama siła o przeciwnym kierunku zostanie przyłożona do ładunku o przeciwnym znaku.

Natężenie pola elektrycznego w danym punkcie zdefiniowane jest jako siła (w newtonach - N), działająca na dodatni ładunek testowy 1 kulomba, umieszczony w tym punkcie. Jak w przypadku grawitacji, siła z jednego ładunku jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od ładunku testowego (lub jakiegokolwiek innego).

Zdefiniowanie ładunku punktowego jako dodatniego jest jednocześnie definicją kierunku działania siły przy oddziaływaniu jednego ładunku na drugi. Ponieważ podobne ładunku się odpychają, a przeciwne przyciągają, jak bieguny magnetyczne, wyobrażeniowe linie pola elektrycznego starają się uciekać od ładunków dodatnich a skupiać się na ujemnych. Można obejrzeć krótki film na YouTube o polach elektrycznych: tutaj

Tutaj znajduje się interaktywna demonstracja dwóch ładunków i linii występującego między nimi pola, w tej aplikacji Mathematica: link.

Być może zajdzie potrzeba ściągnięcia Mathematica pleyera (ale tylko raz i za darmo) z podanej strony, do zobaczenia dema. Po zainstalowaniu go, kliknij na "Download Live Demo". Możesz dobierać siłę i polaryzację ładunku (+ lub -) przy pomocy suwaków, oraz przeciągać ładunki po ekranie. Daj czas na wygładzenie się linii po dokonaniu zmian.

Siły elektromagnetyczne plazmy kosmicznej są zwykle silniejsze niż grawitacyjne. Elektromagnetyzm można ekranować, podczas gdy grawitację, wg. dotychczasowej wiedzy, nie. Wspólny argument w standardowym modelu jest taki, że większość elektronów w obszarze lub ciele jest sparowana z protonami w jądrach atomów i molekułach, tak więc siły ujemnych i dodatnich ładunków się znoszą, tak więc "dla dużych ciał grawitacja powinna dominować"(link: Wikipedia, Oddziaływania Fundamentalne, Elektromagnetyzm.

To, co przeoczono w wywodzie powyżej, to założenie względnie chłodnego, stabilnego i prawie obojętnego elektrycznie środowiska planetarnego, jakie mamy na Ziemi. Większość innej materii we wszechświecie zawiera plazmę, tzn. naładowane i obojętne cząstki poruszające się w skomplikowanej symfonii rozdzielenia ładunków i wzbudzających się wzajemnie pól elektromagnetycznych. Grawitacja, choć wciąż obecna, nie jest typowo dominującą siłą.

Ze składającej się głównie z obojętnych cząstek, słabych pól elektrycznych i magnetycznych, oraz słabych prądów, elektryczne prądy i pola plazmy w kosmosie mogą stać się bardzo potężne. Model elektryczny utrzymuje, że takie zjawiska kosmiczne jak magnetosfery, prądy Birkelanda, gwiazdy, pulsary, galaktyki, galaktyczne i gwiazdowe dżety, mgławice planetarne, "czarne dziury", energetyczne cząstki, jak promieniowanie rentgena i gamma, oraz więcej - są fundamentalnie elektryczne w fizyce plazmy. Nawet ciała skaliste - planety, asteroidy, księżyce i obiekty gazowe w układzie słonecznym - egzystują w heliosferze swojej gwiazdy i nie są wolne od wpływów elektromagnetyzmu.

Każda naładowana cząsteczka ma swój wkład w budowanie wynikowego pola elektrycznego. Można je łatwo policzyć sumując wektory siły, o ile ładunki są stacjonarne. Jeśli się ruszają (a z reguły tak jest), tworzą pola magnetyczne, oraz im podlegają. Z kolei zmiany pola magnetycznego indukują dodatkowe pola elektryczne, a te z kolei powodują powstawanie prądów. Tak więc pole, startujące z ruchomymi cząsteczkami, przedstawia bardzo skomplikowane oddziaływania, sprzężenia zwrotne i zamotaną matematykę.

Ładunki mogą być rozmieszczone w przestrzeni w dowolnej konfiguracji. Jeśli, zamiast w punktach lub sferach, są one rozłożone liniami, tak, że długość obszaru ładunku jest znacznie większa niż szerokość lub średnica, można wykazać, że pole elektryczne otacza te liniowe kształty tworzy cylindry równego potencjału, a natężenie pola maleje w nich proporcjonalnie do odległości (a nie z jej kwadratem, jak przy punktowych ładunkach). Jest to istotne przy studiowaniu efektów elektrycznych i magnetycznych pól we włóknistych prądach, jak pioruny, skupiska plazmy lub wielkie prądy Birkelanda w przestrzeni kosmicznej.

Zapamiętaj, że kierunek siły przyłożonej do dodatniego ładunku rozpoczyna się na tym ładunku, i kończy na ujemnym, lub w przypadku braku takowego, rozchodzi nieskończenie daleko. Nawet małe niezbalansowanie ładunków, powiedzmy, więcej ładunków dodatnich tutaj i więcej ujemnych gdzieś dalej, powoduje powstanie pola elektrycznego w obszarze rozdzielającym grupy ładunków. Waga tego układu stanie się bardziej jasna później, gdy zaczniemy omawiać warstwę podwójną w plazmie.

Pomyślmy o kondensatorze elektrycznym, który stanowią dwie rozdzielone, przeciwnie naładowane płaszczyzny lub warstwy, podobne do dwóch płaszczyzn na diagramie "B" powyżej. Będzie pomiędzy nimi pole elektryczne. Cząstka naładowana, która znajdzie się pomiędzy nimi, zostanie przyspieszona ku przeciwnie naładowanej płaszczyźnie. Elektrony (które są naładowane ujemnie) będą przyspieszane ku płaszczyźnie dodatniej, podczas gdy jony i protony - ku ujemnej.

Płomień świecy w polu elektrycznym pomiędzy przeciwnie naładowanymi elektrodami będzie ustawiony bocznie, ponieważ płomień jest częściowo zjonizowaną plazmą. Siła reagowania z polem elektrycznym jest większa, niż niż siła termicznej konwekcji w polu grawitacyjnym.

Zgodnie z prawem Newtona, siła skutkuje przyspieszeniem. Tak więc w polu elektrycznym cząstki naładowane nabywają prędkości. Przeciwnie naładowane cząstki będą się poruszać w przeciwnym kierunku. Prąd elektryczny jest, z definicji, ruchem ładunków przez punkt. Pole elektryczne powoduje więc powstanie prądu przez nadanie cząstkom naładowanym prędkości.

Jeśli pole elektryczne jest bardzo silne, cząstki zostaną przyspieszone do bardzo dużych prędkości. Po więcej lektury na ten temat, zajrzyj tu.

Wykrywanie pól elektrycznych i prądów w kosmosie

Pola elektryczne i prądy są trudniejsze do wykrycia bez możliwości wetknięcia bezpośrednio w nie przyrządu pomiarowego, ale wykryliśmy prądy w Układzie Słonecznym przy pomocy pojazdów kosmicznych. Jednym z pierwszych był działający w latach 70-tych, nisko pułapowy, krążący na orbicie biegunowej, satelita TRIAD, który wykrył prądy oddziałujące z ziemską górną atmosferą. W 1981 roku Hannes Alfvén opisał heliosferyczny model prądów w swojej książce Kosmiczna Plazma.

Tak więc, odkryto region prądu elektrycznego, zwany heliosferycznym prądem płaszczyznowym (HCS), który oddziela ujemne i dodatnie regiony słonecznego pola magnetycznego. Ma on nachylenie około 15 st. do równika Słońca. Podczas jednej połowy cyklu słonecznego, wskazujące na zewnątrz pole magnetyczne znajduje się nad prądem HCS, a dośrodkowe - pod nim. Odwraca się to wraz ze zmianą pola magnetycznego przez Słońca raz na pół cyklu. Wraz z obrotem Słońca, obraca się i HCS, wlokąc za sobą zaburzenia w coś, co NASA nazywa "standardową spiralą Parkera".

Trochę linków do stron poświęconych heliosferycznemu prądowy powierzchniowemu posiada Wikipedia, NASA, ta demonstracja Mathematica i Belgijski Instytut Aeronomii.

Zobrazowanie heliosferycznego prądu powierzchniowego (HCS) wokół Słońca, wraz z charakterystycznymi falami wleczonymi na kształt spirali. Źródło: Wikimedia Commons.

Od lat 80-tych pojazdy kosmiczne zmierzył← zmiany prądu powierzchniowego w różnych miejscach. Odkryły zarówno prądy słoneczne, jak i bliskie Ziemi. Model grawitacyjny akceptuje owe prądy, jednak zakłada, że są one skutkiem pól magnetycznych. Wrócimy do tego później.

Rakieta badawcza z ładunkiem w postaci SPIRIT II z wysuwanymi wysięgnikami, na których są próbniki Langmuira, do detekcji pól elektrycznych i jonów w przyziemskiej plazmie. Prawa autorskie: NASA Wallops Flight Facility and Penn State University

Pola elektryczne poza zasięgiem pojazdu kosmicznego nie są wykrywalne w taki sam sposób, jak pola magnetyczne. Rozszczepienie lub rozszerzenie linii w polu elektrycznym występuje, ale jest asymetryczne, co pozwala odróżnić pole elektryczne od magnetycznego, w którym linie rozszczepiają się symetrycznie. Rozszerzanie się linii w polu elektrycznym jest wrażliwe na masę elementu emitującego światło (im lżejszy element, tym większy efekt), podczas gdy efekt Zeemana jest niezależny od masy. Asymetryczne rozszczepianie lub rozszerzanie linii nazwane jest efektem Starka, po Johannesie Starku (1874-1957).

Rozszerzanie się linii spektrograficznych helu zwiększa się wraz z intensywnością pola elektrycznego, przez które przechodzi światło. Cięższe pierwiastki wykazują mniejszy efekt niż lżejsze. Źródło: Journal of the Franklin Institute, 1930

Inna metoda wykrywania pól elektrycznych bazuje na obserwowaniu zachowania cząsteczek naładowanych, zwłaszcza tych, które są przyspieszone do dużych prędkości, i obecności promieniowania elektromagnetycznego, jak promienie rentgena, o których wiemy z naszego ziemskiego podwórka, że powodują je silne pola elektryczne.

Prąd elektryczny w rozrzedzonej plazmie kosmicznej zachowuje się jak fluorescencyjne światło lub opróżniona tuba Crookes'a. Przy słabym prądzie, plazma jest ciemna i emituje słabo widoczne światło (jakkolwiek zimna, może generować znaczne ilości fal radiowych i podczerwonych). Gdy prąd się zwiększa, plazma wchodzi w stan żarzenia, emitując skromną ilość światła w pasmie widzialnym. Jest to widoczne na zdjęciu na końcu tego rozdziału. Gdy prąd staje się bardzo intensywny, plazma wchodzi w stan łuku. Istnieje niewielka, ale znacząca różnica pomiędzy świecącą a promieniującą warstwą gwiazdowej fotosfery.

To oczywiście oznacza, że jest możliwe alternatywne wyjaśnienie tych efektów, również w teorii. Model grawitacyjny często zakłada, że słaba siła grawitacji pomnożona przez ponadprzeciętne gęstości, które hipotetycznie cechują czarne dziury i gwiazdy neutronowe, potrafią stworzyć tego typu efekty. Lub może cząsteczki zostały przyspieszone do prędkości przyświetlnych przez eksplozje supernowych. Pytanie brzmi, czy "zwielokrotniona grawitacja", czy przetestowany laboratoryjnie elektromagnetyzm jest bardziej spójny z obserwacjami wszechświata, złożonego głównie z plazmy.

Model elektryczny twierdzi, że efekty elektryczne nie są ograniczone do tej przestrzeni w Układzie Słonecznym, którą zdołały zbadać sondy. Wg niego podobne efekty zachodzą też na zewnątrz. Było by to z resztą dziwaczne, gdyby Ukłąd Słoneczny był jedynym miejscem we Wszechświecie, w którym zachodzą zjawiska elektryczne.

Mgławica Zasłona, NGC 6960, ze swoimi zwiewnymi, gazowymi włóknami plazmy i płaskimi prądami obejmującymi lata świetlne. Źródło: T.A. Rector, University of Alaska, Anchorage, and Kitt Peak WIYN 0.9m telescope/NOAO/AURA/NSF

Autor: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/17/essential-guide-to-the-eu-chapter-2/