Elektrouniverset.no

Teknisk oversikt I

Det følgende er  en introduksjon til noen tekniske terminologier som vil gi en fornuftig innsikt i plasmafysikken. En underliggende enkelthet skinner igjennom, selv om mange spørsmål gjenstår å få svar på, og et bilde drastisk forskjellig fra det tradisjonelle av universet begynner å tre frem.

Solvinden

Jordens magnetfelt virker som en beskyttende kappe. Over og omkring denne blåser solvinden, en tynn, men stødig strøm av plasma (protoner, elektroner og andre ioner) utsendt fra sola. Denne plasmafloden, med sine tilhørende elektromagnetiske felter, forstyrrer jordens eget felt, og komprimerer det på dagsiden og strekker det på nattsiden. Det resulterende feltet kalles magnetosfæren.

Fordi solen ser ut til å sende ut omtrent like mengder ioner og elektroner, blir solvinden vurdert å være elektrisk nøytral blant vanlige forskere. Dette kan være en overforenkling av mange grunner.

Plasma reagerer med de utbredte magnetfeltlinjene i vårt solsystem, og når ledende væsker flyter gjennom et magnetfelt kan en dynamo bli dannet, med elektrisk energi som trengs for å drive strømmen tatt fra all relativ bevegelse. Dette er konsistent med fysikkens lover. Hvis en har en sluttet krets hvor deler av den beveger seg gjennom et magnetfelt og andre deler ikke, vil det dannes en elektrisk strøm. Dette er hvordan dynamoer virker.

Magnetosfære

Magnetiske krefter er av liten betydning i vårt daglige liv, og det kreves sensitive instrumenter slikt som et kompass for å bli oppdaget. Dette er fordi de fleste av materialene vi møter, fra grunnen vi går på til luften vi puster inn, er elektrisk nøytral.

60 miles, eller mer, over jordoverflaten er situasjonen imidlertid en helt annen. Utkanten av atmosfæren er i disse høydene dominer av plasmer som reagerer med jordens magnetfelter som styrer og fanger energirike partikler.

Den intense aktiviteten i disse regionene blir noen ganger beskrevet som en av de første overraskelsene i romalderen, og  den enorme størrelsen til magnetosfærer på andre planeter har også overrasket mange, om de nå er aldri så i overenstemmelse med plasmamodeller.

Magnetosfæren kan regnes som grensen mellom interagerende magnetfelter, men dette kan være noe misledende da kometer også slike beskyttelsesfelter, synlig som deres comaer, uten å ha sterke magnetfelter.

I plasmautladningsmodeller vil de fleste objektene danne Langmur-sfærer som beskytter dem mot direkte kontakt med omliggende plasma. Magneteosfæren er kanskje bedre beskrevet som komplekse former av Langmur-sfærer
 eller dobbelt-lag ( de dobbeltlag nedenfor) med magnetfeltene fra et himmellegeme begrenset innen for sfæren.

Magnethaler

I kontrast  til dagsidens magnetosfære, som er komprimert og begrenset av solvinden, er nattsiden strukket ut i en lang tåreformet ”magnethale”. Denne delen av magnetosfæren er ganske dynamisk, og ioner og elektroner er ofte energirike (magnethalen er hovedkilden for nordlys ved polene.

Plasma-sfæren til Venus er ekstremt lang, og berører nesten jorden når de to planetene er nærmest hverandre. NASA astronomer oppdaget nylig ”streng-saker” i halen, slik Birkeland forutså.

Birkelandstrømmer

Magnetforstyrrelser observeres regelmessig når en har nordlys. Disse er lokaliserte og avtar mot ekvator, noe som indikerer ladningsflux (strøm) i nærheten. Elektrisk strøm krever selvsagt lukkede kretser. Birkeland foreslo at denne elektrisiteten strømmet fra verdensrommet i den ene enden av en nordlysbue og returnerte til rommet i den andre, og strømmet parallelt med bakken i nærheten av jorden.

Birkeland kom med dette forslaget etter han returnerte fra en ekspedisjon til en nordlyssone i 1903, og det ble bekreftet av en amerikansk marinesatelitt, Triad, i 1973. Dets magnetometere registrerte to store felt av elektrisk strøm, den på morgensiden av nordlyssonen og opp på kveldssiden, slik som forventet. Hvert felt ledet typisk en million ampere eller mer.

Vidre: Enorme Birkelandstrømmer som knytter sammen Jupiter og dens måne Io ble registrert av Voyager romsonden i 1979.

I 1984 oppdaget Farhad Yusef-Azdeh, Don Chance og Mark Morris birkeland-strømmer i galaktisk skala. Ved å bruke Very Lare Array radioteleskopet, fant de en bue av radioutstråling omkring 120 lysår lang nær senteret av Melkeveien! Strukturen er dannet av tynne filamenter typisk 3 lysår vide og som går i hele buens lengde. Styrken på det assosierte magnetfeltet er 100 ganger større en det en tidligere trodde var mulig i så stor skala, men feltet er nærmest identisk i geometri og styrke med datasimulertinger av galaksetilbliverlser.

Strøm-moduser

Elektrisk strøm i plasma har tre forskjellige basisformer – mørk, glødende eller lysbue  - avhengig av volt og ladningsintensitet. I laboratoriets gas-utladningsrør varierer volt og ladningsintensitet ikke lineært mellom elektrodene og danner segmenter som er vekselsvis mørke og glødende. Høy ladningsintesitetsbuemodus er brukt i industrien for presisjons materialebearbeidelse.

Plasma-sfæren til Venus, som er nevnt over, er for tiden i mørk modus.

Z-pinches

Plasma universet består av roterende strømmer av elektroner og ioner som flyter i filamenter som har tendens til å skru seg om hverandre i spiral. De holder seg sammen av magnetfeltet som de genererer omkring seg selv.

Det er en tendens til at disse filamentene avstøter hverandre når de kommer nærme hverandre. Når dette skjer er det også en tendens for at filamentene komprimerer tilfeldig materiale i plasmaet mellom seg (ionisert eller ikke).

Hoveddelen av filamentene er usynlige fra avstand, mye lik Birkeland-strømmer som sirkler omkring jorden er usynlige fra jordoverflaten, med unntak av nordlysutladninger.

Dobbelthet

Tendensten for multiple filamenter til å virke sammen i par er en signatur for elektromagnetiske krefter og kalles av og til ”dobbelthet”.

Denne oppførselen kan utledes av Ampéres lov eller Biot-Savart loven som sier at strømmer i samme retning tiltrekker hverandre mens strømladninger i motsatt retning avstøter hverandre. De gjør slik inverst i forhold til avstanden mellom dem. Dette resulterer i en mye større innflytelsesrekkevidde enn for gravitasjonskreftene mellom to masser. Gravitasjonskreftene er kun tiltrekkende og varierer inverst med kvadratet av avstanden.

Elektromagnetisk feltstyrke

Mens all masse er utsatt for gravitasjon, er plasma  sterkere påvirket av elektromagnetiske krefter noe som er forståelig gitt dets bestandeler – negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner. Faktisk er de elektromagnetiske kreftene 10^39 ganger sterkere! Plasma utviser struktur og bevegelse som er mye mer kompleks enn de som finnes i nøytrale faste stoffer, væsker og gasser. Det har en tendens til å de cellulære og filamentære strukturene som diskuteres her.

Det følgende er sitert fra Dr. A- Peretts webside.

Men kanskje det mest viktige karakteristika ved elektromagnetisme er det at den lyder dem lengst virkende kraften i universet.

Når to eller flere ikke-plasma legemer interagerer gravitasjonsmessig, varierer kraften inverst med kvadratet av avstanden mellom dem: ¼ tiltrekkingskraft hvis de er 2 gitte avstander fra hverandre, 1/9 tiltrekkingskraft for en avstand på 3 enheter, 1/16 tiltrekkingskraft hvis de er 4 enheter fra hverandre, og så vidre. Så ved 4 gitte avstandsenheter fra hverandre er den elektromagnetiske kraften 4 ganger større enn gravitasjonen, relativt sett, og ved 100 enheters avstand er den elektromagnetiske kraft 100 ganger den for gravitasjon.

Videre, den elektromagnetiske kraft kan virke frastøtende hvis strømmene som interagerer flyter i forskjellig retning. På dette viset kan enorme plasma-strømmer målt i megaparasec, som bærer galakser og stjerner, kan synes å falle mot ingenting når de i virkeligheten frastøter hverandreeeeeeeeeeeeeee.

Dobbeltlag

Plasma-flak ble oppdaget av Langmuir i hans laboratorium, og kalles nå dobbeltlag (DL).

DL referert til en av de mest viktige egenskapene til enhvert  elektrisk plasma – dens mulighet til å danne elektrisk isolerte seksjoner, eller celler. Fordi Plasma er en utmerket leder og ikke kan opprettholde et kraftig elektrisk felt, reorganiserer det seg selv til å danne en beskyttelseskappe (dobbeltlag) hvor det meste av det elektriske feltet er konsentert og hvor det meste av den elektriske energien er lagret (De kan oppføre seg svært lignende kapasitorer).

Når et fremmed objekt puttes inn i et plasma, vil et DL dannes omkring det, og skjermer det fra hovedplasmaet. Denne effekten gjør det vanskelig å sette ut volt-sensitive prober i et plasma for å måle et elektrisk potensiale ved en spesifikk lokalisasjon.

Dobbeltlag kan bryte sammen med en eksplosiv utløsning av energi. Hannes Alfvén var den første til å foreslå at milliarder av volt kunne eksistere mellom et typisk solutbruddsdobbeltlag (flare DL)

Astrofysikere som karlegger magnetfelter og antar det ikke er noen elektisitet i verdensrommet (eller av liten konsekvens) synes, noe uventet, å være uvitende om dets eksistens. De vender tilbake til å beskrive det med termer som ”magnetisk rekombinering” og ”innfryste magnet-felt linjer” og mer.

 

Innfrosne magnetfelter

Myten om ”fastfrossne magnetfelt” dukker fremdeles opp til tider i den gjengse astronomien, til tross for Alfvéns avvisning av det for mange år siden. I mange år ble det antatt at plasmaer var perfekte ledere og som slike, ville et magnetfelt i ethvert plasma bli ”frossent” inne i det.

Den basale tekniske årsak til dette kom fra en av Maxwells ligninger. Det ble tenkt at hvis alle plasmer er idielle ledere kunne de ikke ha elektriske felter (ladningsforskjeller inni seg), og at ethvert magnetfelt inne i et plasma derfor måtte være ”frossent”, slik at det er umulig å bevege seg eller forandre seg på noen måte.

 

Videre: Takket være Alfven vet vi nå at det kan være voltforskjeller mellom forskjellige punkter i plasma. Han bemerket dette i sin takketale da han mottok Nobels fris i fysikk i 1970. Den elektriske ladningsevnen til ethvert materiale, inkludert plasma, er bestemt av to faktorer: Tettheten av ladningsbærere (ionene), og mobiliteten til disse bærerne. I ethvert plasma er mobiliteten til ionene ekstremt høy. Elektroner og ioner kan bevege seg svært fritt i verdensrommet. Men konsentrasjonen av ioner tilgjengelig til å bære strøm trenger ikke være høy hvis plasmaet er av lavt trykk eller diffust. For å si det kort: selv om plasmaer er utmerkede ledere, er de ikke perfekte. Det følger derfor at svake elektriske felter kan eksistere inni dem, og magnetfelter er IKKE frosset inne i de.

Magnetisk reforbindelse.

Like som myten om ”innfrosne magnetfelt, er Magnetisk Reforbindelse (Magnetic reconnection) en annen fargerik oppfinnelse fra den konvensjonelle astronomien. Den forsøker også å forklare anomalier som viser seg fra misoppfattningen om at elektriske strømmer ikke brer seg i verdensrommet.

I virkeligheten er det et godt forstått plasmafenomen, som er relatert til eksploderende dobbeltlag og elektrisk utladning. Astronomer har merket seg at når magnetisk reforbindelse skjer, ser det ut til å være områder av elektronfattig rom assosiert med det (Elektrisk strømmer). De har også lagt merke til at et to-lags strøm av partikler blir dannet som akselererer utslippet av energi (Dobbelt Lag).

”Magnetarer”

Magnetarer er en matematisk modell for stjerner basert på ”innfrosne” magnetfelter og ”magnetisk reforbindelse”. Trenger vi si noe mer? Matematikken kan godt være korrekt, men dette garanterer ikke at den reflekterer virkeligheten.

Kraftdannelse.

Fordi plasma er gode, men ikke perfekte ledere, har de egenskaper lignende kraftkabler i deres evne til å bære elektrisk ladning. Det er vel kjent at hvis en leder beveger seg gjennom et magnetfelt vil en strøm gå i den lederen. Dette er hvordan elektriske generatorer og alternatorer virker.

Hvis det er relativ bevegelse mellom kosmisk plasma, la oss si i en galaxearm, og en magnetisk feltlinje i samme område, vil det gå en elektrisk strøm i plasmaet. Disse elektriske strømmene vil så produsere sine egne magnetfelter.

I 1986 postulerte Hannes Alfven elektriske modeller på både galaktisk og stjerne-skala. Fysiker Wal Thornhill har påpekt at Alfvens elektriske kretser virkelig er oppskalerte versjoner av den unipolare motoren som tjenestegjør som watt-meter i mange hjem. Også, mer nylig, har interaksjonen mellom månen Io og gigant planeten Jupiter har blitt sammenlignet med en dynamo.

Det er fremdeles noe diskusjon om galakser krever elektrisk kraft fra eksterne kilder, men hvem kan nå med fornuften i behold benekte at store mengder elektrisk strøm flommer gjennom universet? For hvor mye lenger kan dette enkle faktum bli oversett og benektet?

Elektriske strømmer er kanskje vanskeligere å måle en magnetfelter, men ”sannheten er der ute”.

Skalere plasmaer

Plasmafenomener er skalerbare. Deres elektriske og fysiske egenskaper forblir de samme uavhenging av størrelsen på plasmaet. I et laboratoriumsplasma skjer selvfølgelig ting mye raskere enn for eksempel på galakseskala, men fenomenet er identisk – de lyder de samme fysiske lover.

Med andre ord kan vi lage nøyaktige modeller av plasmaer i kosmisk skala på laboratoriet, og lage effekter som ligner de vi observerer i verdensrommet. Det har blitt vist at plasmafenomener kan bli skalert opp 14 størrelsesordener. (Alfvens hypotese var at de kan bli skalert opp 28 størrelsesordner eller mer!)

Elektriske strømmer som flommer i plasma produserer de fleste av de astronomiske fenomenene som forblir uforklarlige hvis vi postulerer at gravitasjon og magnetisme er de eneste kreftene i arbeide.

Plasma simuleringer

En verdensanerkjent elektrisk ingenioør, Dr Anthony C. Perratt – en doktorgradsstudent av Nobelpris vinner Hannes Alfven  -- har arbeidet med plasmasimuleringer i flere år.

Han har brukt superkomputere for å benytte Maxwell-Lorentz ligningene (de grunnleggende lovene som beskriver kreftene og interaksjonene i elektriske og magnetiske felter)  på store ansamlinger av ladede partikler. Han kaller dette PIC – Partikkel I Celle – simulering. Resultatene er nesten ikke til å skille fra bilder av virkelige galakser.

Peratt-instabiliteter.

Peratt instabiliteter er en av de siste og viktigste oppdagelsene. Disse dynamiske effektene er observert å forekomme i intense Birkeland-strømmer, i lysbue-utladninger i plasma-fakler, z-pinch-ede plasma-filamenter og i høy-energi elektriske utladninger. Instabiliteten tar formen av en søyle av aksialt symetriske toroider eller sfærer som forblir i en semi-stabil fase inntil de bryter sammen. Disse instabilitetene kan også få en sagtann struktur med en kraftig slangelignende bevegelse.

Magnetohydrodynamikk

Magnethydrodynamikk er studiet av dynamikken til elektrisk ladende væsker. Dette feltet er ett av flere der Alfven var pioner, og er kanskje hans best kjente bidrag i de anerkjente kretser.

 

 

 

 

Websjef/design: A.O.Bjørkavåg 2005