http___www.thunderbolts.info_wp_2013_11_17_osnovni-vodic-kroz-elektricni-univerzum__1.xml
1.1 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 5.1 6.1 6.2 7.1 7.2 7.3 7.4 8.1 8.2 9.1 9.2 10.1 10.2 10.3 10.4 11.1 11.2 11.3 11.4 12.1 13.1 14.1 14.2 15.1 15.2 16.1 16.2 16.3 16.4 17.1 17.2 17.3 17.4 18.1 18.2 19.1 20.1 20.2 21.1 21.2 21.3 21.4 22.1 22.2 22.3 22.4 23.1 23.2 24.1 24.2 25.1 26.1 26.2 26.3 26.4 27.1 27.2 27.3 28.1 29.1 29.2 30.1 31.1 31.2 31.3 32.1 32.2 32.3 32.4 32.5 32.6 33.1 33.2 34.1 34.2 34.3 35.1 35.2 35.3 36.1 37.1 37.2 38.1 38.2 39.1 40.1 40.2 40.3 41.1 42.1 42.2 43.1 43.2 43.3 44.1 45.1 46.1 46.2 47.1
5.1 Plasma Temperature and Potential We have seen that temperature is a measure of the thermal energy of the particles in matter. More specifically, temperature is a measure of the kinetic energy of the particles’ random thermal motion. An electron has only 1/1840th the mass (approximately) of a proton, so electrons will have much higher velocities than ions at the same temperature. This is because kinetic energy is proportional to the mass of the particle and the square of its velocity, K.E. = 1/2 mv². Therefore, at the same temperature, the ratio of velocities will be inversely proportional to the square root of the particle masses. For example, average electron velocity will be around 43 (i.e., √1840) times higher than the velocity of a single proton. If the positive ions in the plasma are heavier than a single proton then the difference will increase accordingly. What is more, because of the Principle of Conservation of Momentum, an electron will tend to undergo a larger change in its velocity than an ion does in a collision between the two particles. The electrons’ higher velocity results in more rapid interactions, which means that the electrons reach thermodynamic equilibrium (“the same temperature”) amongst themselves much faster than the ions do. Any increase in velocity, whether from collisions or external energy inputs, is therefore ‘shared out’ amongst the electrons very rapidly. For these reasons, it is common for the electron temperature in a plasma to be different from the ion temperature. Often the electron temperature will be higher than the ion or the ambient temperatures. This is especially common in weakly ionized plasmas, where the ions are often near the ambient temperature while the faster-moving electrons have high temperatures. Wikipedia reference on plasma temperature here. In a plasma the temperature is often expressed as a thermal potential which is equal to the potential drop (change in voltage) through which the particles would have to fall in order to gain the same amount of energy. The kinetic energy can then be expressed in electron-volts or eV. The hotter the plasma, the faster the electrons and ions are moving in random thermal motion and the higher their potential. A potential of 1 eV is equivalent to a temperature of 11,604.5 K. Particles with potentials many orders of magnitude higher are common in space. Note: one must be cautious about the conversion between electron volts and thermal temperatures in plasma. Plasmas can become ordered so that charged particles follow paths that are aligned with the local direction of the accompanying magnetic field. Such current flows are termed field-aligned currents. Under this condition, charged particles are moving approximately parallel to one another, and, partly due to the low density of particles, collisions of the thermal variety can become very rare. The high temperature alleged for the solar corona is based on spectroscopic observations of the light (electromagnetic radiation including frequencies outside visible light) which indicate how much ionization of atoms has occurred. The ionization energy in eV is inferred from the wavelengths of light emitted, and converted by the formula above to equivalent temperature. The thermal aspect of temperature which is caused by large numbers of random collisions is not necessarily present, however, even if there has been sufficient energy input to strip electrons away from their nuclei. The electrons can be fast (energetic) while their (thermal) collision rates are low. The high velocity of the electrons is especially important in understanding many aspects of plasma behavior, including radio galaxies, galactic and stellar jets, and production of synchrotron radiation and cosmic rays. 5.2 Development of Surface Sheaths If plasma is contained within a laboratory tube or other vessel, the electrons and ions in the plasma will impact the walls of the vessel with a frequency proportional to their velocity. On impact, particles are absorbed by the walls. As the electrons have much higher velocities than the ions, the rate of electron impact will be many times that of the ion impacts. As a result, the walls of the vessel will acquire a negative charge. As the negative charge on a surface develops, arriving electrons will tend to be repelled from the surface. Only those electrons with sufficient velocity to overcome the repulsion will still be able to impact the surface. The negative charge on the surface will continue to increase until the number of electrons hitting the surface equals the number of positive ions arriving. The plasma and the surface will have achieved a balance, or steady state. In the steady state, only the fastest electrons will still be able to get through the adverse potential gradient from the negative surface. Most electrons will be prevented from approaching the surface. This results in a layer of plasma adjacent to the surface in which the ions outnumber the electrons. This positive layer is known as a Debye Sheath. Similar effects are found if the surface is charged negatively or positively by connecting a source of potential such as a battery. The charge on the surface repels like charges in the plasma, leaving behind an oppositely-charged sheath. 5.3 Extent of a Sheath A surface sheath does not have a definite physical boundary but may be considered to end where the potential resulting from the negative surface and the positive sheath acting together balances the potential of the plasma itself. In other words, the sheath boundary is where the potential is just sufficient to repel electrons with energy equal to the plasma potential. For example, if the plasma potential is +1V then the nominal boundary will have a potential of -1V. The explanation is as follows: The boundary has a negative potential because the sheath must repel approaching electrons. The electrons in the plasma have a kinetic energy of 1eV. Therefore, the sheath needs -1V potential to stop the approaching electrons from reaching the surface. This is analogous to rolling a ball up a hill. If the ball has enough kinetic energy then it will reach the top. If not, it will get a part of the way up before coming to a stop and then rolling down again. The sheath potential is analogous to the height of the hill. It can be seen that the sheath does not have a ‘hard’ edge and in fact the potential field arising from the negative surface continues past the sheath ‘boundary’. Nevertheless, the boundary may be taken as the point at which the negative surface is effectively ‘neutralized’ by the sheath because electrons with the plasma potential are ‘reflected’ back into the plasma at that point. American chemist and Nobel laureate Irving Langmuir developed measurement methods and observations of plasma actions. An interesting and useful PDF lecture, Plasma, Sheaths and Surfaces — The Discharge Science of Irving Langmuir, can be found here. 5.4 Charged Bodies in a Plasma Similar sheaths will form around any charged body in a plasma where the body has a different potential from the plasma itself. The plasma effectively isolates the foreign body by forming a sheath round it. The sheath will tend to screen out the electrostatic field from the alien charge in the same way that a sheath tends to isolate a negatively charged surface. The body eventually may be neutralized by opposite charges that it absorbs. If the charged body can artificially be given a positive or negative charge by connecting it to an external source such as a battery, ions or electrons, depending on the charge, will be attracted to the body and so a current will flow. By careful measurement of the current for a range of voltages, it is possible to measure the potential of the plasma itself. One such device is named a Langmuir Probe after Irving Langmuir, 1881–1957. Current flow from the solar wind can be observed at planets with magnetic fields which have polar “cusps” or “holes” that guide charged particles down to and through the body, creating auroral displays in the upper atmosphere. At smaller scales, some planetary moons move in plasma-filled orbits, with charged particle flows directed from the moons’ polar regions along magnetic field lines to and from “hotspots” in the auroral ovals of the larger planet. Examples include Ganymede, Europa and Io at Jupiter, Enceladus at Saturn, and possibly Uranus and Neptune as well. 5.5 Cellularization in Plasma Similar effects also occur between two adjacent regions of plasma with different characteristics. For example, the two regions may have different temperatures, densities, or degrees of ionization. In this situation, the different velocity distributions in the two regions will set up a double sheath at the boundary whereby each region effectively insulates itself from the other. The double sheath will consist of adjacent thin layers of positive and negative charge, separated by a relatively small distance. It is one type of Double Layer. Because no externally driven currents are involved, sheaths between different plasma regions are known as Current-Free Double Layers (CFDL). More on double layers in plasma here. Note especially the external links, linked reference papers and publications at the bottom of this article. Double layers and sheaths are well-known phenomena in plasma dynamics, described in textbooks and best described in Wiki’s discussion of the Vlasov-Poisson equation: “In general the plasma distributions near a double layer are necessarily strongly non-Maxwellian¹, and therefore inaccessible to fluid models. In order to analyze double layers in full generality, the plasma must be described using the particle distribution function, which describes the number of particles of species a having approximately the velocity v near the place x and time t” ¹[From Wikipedia, Physical Applications of Maxwell-Boltzman Distributions: The Maxwell–Boltzmann distribution applies to ideal gases close to thermodynamic equilibrium with negligible quantum effects and at non-relativistic speeds. It forms the basis of the kinetic theory of gases, which explains many fundamental gas properties, including pressure and diffusion.] (Emphasis by Editor) Importance of the reference above: This is the reason that conventional hydrodynamic and magnetohydrodynamic equations of fluid flow are inadequate to a full and reasonably accurate mathematical description of plasma dynamics. Consequently the computational method called particle-in-cell (PIC) simulation was developed for plasma modeling in massively parallel computer systems in the 1980s. Here is a Wikipedia article on PIC, and here is a more technical paper on the subject. 5.6 Formation of a Current-Free Double Layer (CFDL) We have seen that CFDLs form between regions of plasma with different characteristics. As an example, let us consider the effect of a temperature difference (in electron volts, ref. This causes an electric field to build up, which will accelerate electrons back to the hotter region. A net flow of electrons to the cold region will continue to build up the electric field until a balance is achieved between the numbers of hotter electrons moving to the cool region and the number of electrons being accelerated back to the hot region by the electric field. The thin regions near the boundary containing an excess of ions or electrons constitute a Double Layer at the boundary which has an electric field and associated potential drop across it. The formation of sheaths at boundaries between different plasma regions creates cells of plasma. This cellularization is a defining characteristic of plasma behavior. Gases do not behave in this fashion, which is one reason why it is not possible to apply gas laws to plasmas. 5.7 Similarity to Fluid Mechanics At first sight, a Double Layer (DL) appears to be something like a shock wave in fluid dynamics. Indeed, a DL does share some characteristics of a shock wave in that it separates regions of differing characteristics and acts to accelerate the medium. In the case of DLs, however, the acceleration occurs as a result of the strong electric field set up between the oppositely charged layers. As the force from the electric field depends on the charge on the particle, ions and electrons are accelerated in opposite directions. Neutral particles are not accelerated at all by the electric field, but may be entrained through viscous or other effects. Note that the formation of Double Layers cannot be effectively modeled by fluid analyses such as magneto-hydrodynamics (MHD) because it is caused by and is dependent on motions of different individual particles, not on the bulk motion of the plasma. Double layers are one of the most important aspects of the self-organizing characteristics of cosmic plasma, as we will see. A general introduction to Plasma Physics from Wikipedia’s perspective can be found here , including properties, phenomena and mathematical models. While Wikipedia often has well-written articles, like anything else it can sometimes be unreliable or incomplete, or prone to biased editing, so always use care when evaluating articles from Wiki, as well as other sources End of Chapter 5
1.1 2.1 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4 5.1 5.2 5.3 6.1 6.2 6.3 7.1 7.2 8.1 8.2 8.3 8.4 9.1 10.1 10.2 11.1 12.1 13.1 13.2 14.1 14.2 15.1 15.2 15.3 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 21.2 22.1 22.2 23.1 24.1 24.2 25.1 25.2 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5 26.6 27.1 27.2 27.3 27.4 27.5 28.1 29.1 29.2 30.1 30.2 31.1 31.2 32.1 32.2 32.3 32.4 33.1 34.1 34.2 35.1 35.2 35.3 36.1 36.2 36.3 37.1 37.2 38.1 39.1 40.1 40.2 41.1 41.2 42.1 42.2 42.3 42.4 43.1 43.2 43.3 44.1 44.2 44.3 44.4 44.5 44.6 45.1 45.2 45.3 45.4 45.5 45.6 46.1 46.2 47.1 47.2 48.1 49.1 50.1 51.1 52.1 53.1 53.2 53.3 54.1 54.2 55.1 55.2 55.3 56.1 56.2 56.3 56.4 57.1 57.2 58.1 58.2 58.3 58.4 58.5 59.1 59.2 59.3 60.1 60.2 60.3 61.1 61.2 61.3 61.4 61.5 62.1 62.2 62.3 63.1 64.1 65.1 65.2 66.1 66.2 67.1 67.2 67.3 67.4 68.1 68.2 68.3 68.4 69.1 69.2 69.3 69.4 69.5 69.6 70.1 71.1 72.1 72.2 72.3 73.1 73.2 73.3 73.4 73.5 73.6 73.7 73.8 73.9 74.1 75.1 75.2 75.3 75.4 76.1 76.2 76.3 77.1 78.1 78.2 79.1 79.2 80.1 81.1 82.1 83.1 84.1 85.1 85.2 86.1 86.2 86.3 87.1 87.2 87.3 88.1 88.2 89.1 89.2 90.1 91.1 91.2 91.3 91.4 91.5 91.6 92.1 92.2 92.3 92.4 93.1 93.2 94.1 94.2 94.3 95.1 96.1 96.2 97.1 97.2 97.3 97.4 98.1 98.2 98.3 98.4 99.1 100.1 100.2 101.1 101.2 101.3 101.4 101.5 101.6 102.1 102.2 102.3 103.1 104.1 104.2 104.3 104.4 104.5 105.1 105.2 105.3 106.1 106.2 106.3 106.4 107.1 107.2 108.1 109.1 110.1 111.1 111.2 111.3 111.4 111.5 111.6 112.1 112.2 112.3 113.1 114.1 114.2 114.3 115.1 116.1 117.1 117.2 118.1 118.2 118.3 119.1 120.1 120.2 120.3 121.1 122.1 122.2 123.1 123.2 123.3 123.4 123.5 123.6 124.1 125.1 125.2 125.3 126.1 127.1 127.2 127.3 127.4 128.1 128.2 128.3 128.4 129.1 129.2 129.3 130.1 130.2 131.1 131.2 131.3 132.1 133.1 133.2 133.3 133.4 134.1 134.2 134.3 135.1 135.2 136.1 136.2 136.3 137.1 137.2 137.3 137.4 138.1 138.2 138.3 139.1 139.2 139.3 140.1 140.2 140.3 140.4 141.1 141.2 141.3 141.4 141.5 142.1 142.2 143.1 144.1 144.2 145.1 145.2 145.3 145.4 145.5 146.1 147.1 147.2 147.3 147.4 148.1 148.2 148.3 148.4 149.1 150.1 150.2 150.3 150.4 150.5 150.6 151.1 151.2 151.3 151.4 152.1 152.2 152.3 153.1 154.1 155.1 156.1 157.1 158.1 158.2 158.3 158.4 158.5 158.6 159.1 159.2 160.1 160.2 160.3 160.4 161.1 161.2 162.1 162.2 162.3 162.4 163.1 164.1 164.2 164.3 165.1 165.2 165.3 166.1 166.2 167.1 167.2 167.3 167.4 167.5 168.1 168.2 168.3 168.4 169.1 170.1 170.2 170.3 171.1 171.2 171.3 171.4 171.5 171.6 171.7 172.1 172.2 172.3 172.4 172.5 172.6 173.1 173.2 173.3 173.4 174.1 174.2 175.1 176.1 176.2 176.3 176.4 177.1 177.2 177.3 177.4 177.5 178.1 178.2 178.3 178.4 178.5 178.6 178.7 179.1 179.2 179.3 180.1 180.2 180.3 181.1 181.2 181.3 182.1 182.2 182.3 182.4 182.5 183.1 183.2 183.3 183.4 184.1 185.1 186.1 186.2 186.3 187.1 187.2 187.3 188.1 189.1 190.1 190.2 191.1 191.2 192.1 192.2 192.3 193.1 194.1 194.2 194.3 195.1 196.1 196.2 196.3 197.1 197.2 198.1 199.1 199.2 199.3 199.4 200.1 201.1 201.2 202.1 203.1 203.2 204.1 205.1 206.1 206.2 207.1 208.1 208.2 209.1 209.2 210.1 210.2 211.1 212.1 212.2 213.1 214.1 214.2 214.3 215.1 216.1 216.2 217.1 218.1 219.1 220.1 221.1 221.2 221.3 221.4 221.5 222.1 222.2 223.1 223.2 223.3 224.1 224.2 224.3 224.4 224.5 225.1 225.2 226.1 227.1 228.1 229.1 230.1 234.1 235.1 236.1 236.2 237.1 237.2 237.3 238.1 239.1 239.2 240.1 241.1 242.1 243.1 244.1 245.1 246.1 247.1 248.1 249.1 249.2 249.3 249.4 250.1 251.1 252.1 252.2 253.1 254.1 254.2 254.3 254.4 254.5 254.6 254.7 254.8 254.9 255.1 255.2 255.3 256.1 256.2 256.3 256.4 256.5 257.1 257.2 257.3 258.1 258.2 258.3 258.4 259.1 259.2 260.1 260.2 260.3 261.1 262.1 262.2 262.3 262.4 263.1 263.2 263.3 263.4 264.1 264.2 264.3 264.4 265.1 265.2 265.3 265.4 265.5 265.6 266.1 266.2 266.3 266.4 266.5 266.6 267.1 267.2 267.3 267.4 267.5 268.1 269.1 269.2 269.3 270.1 270.2 270.3 270.4 271.1 272.1 272.2 273.1 274.1 274.2 274.3 275.1 276.1 277.1 278.1 278.2 279.1 280.1 281.1 281.2 281.3 282.1 283.1 284.1 285.1 286.1 287.1 288.1 288.2 289.1 290.1 290.2 291.1 291.2 292.1 293.1 294.1 295.1 296.1 297.1 297.2 298.1 298.2 298.3 299.1 299.2 299.3 300.1 301.1 301.2 302.1 302.2 302.3 303.1 303.2 304.1 304.2 304.3 305.1 306.1 307.1 307.2 308.1 308.2 309.1 309.2 309.3 309.4 310.1 310.2 310.3 310.4 311.1 311.2 312.1 313.1 313.2 314.1 314.2 314.3 314.4 315.1 315.2 315.3 315.4 316.1 316.2 317.1 317.2 318.1 319.1 319.2 319.3 319.4 320.1 320.2 320.3 321.1 322.1 323.1 323.2 324.1 324.2 325.1 326.1 326.2 326.3 327.1 327.2 327.3 327.4 327.5 327.6 328.1 328.2 329.1 329.2 330.1 330.2 330.3 331.1 332.1 332.2 333.1 333.2 334.1 335.1 335.2 335.3 336.1 337.1 337.2 338.1 338.2 338.3 339.1 340.1 341.1 341.2 342.1 343.1 344.1 345.1 346.1 347.1 347.2 348.1 348.2 348.3 349.1 349.2 349.3 350.1 350.2 350.3 351.1 351.2 351.3 352.1 353.1 353.2 353.3 354.1 354.2 354.3 355.1 356.1 356.2 356.3 357.1 358.1 358.2 359.1 359.2 360.1 360.2 360.3 361.1 361.2 361.3 362.1 363.1 363.2 364.1 364.2 364.3 364.4 365.1 365.2 365.3 366.1 367.1 368.1 369.1 370.1 370.2 371.1 371.2 371.3 372.1 372.2 372.3 373.1 373.2 373.3 374.1 374.2 375.1 376.1 376.2 376.3 377.1 377.2 378.1 378.2 379.1 380.1 380.2 380.3 381.1 382.1 382.2 383.1 384.1 384.2 385.1 386.1 386.2 386.3 387.1 387.2 388.1 388.2 388.3 388.4 389.1 389.2 389.3 390.1 391.1 391.2 391.3 392.1 393.1 393.2 394.1 395.1 395.2 395.3 395.4 396.1 396.2 397.1 397.2 398.1 399.1 400.1 400.2 401.1 402.1 402.2 403.1 403.2 404.1 405.1 405.2 405.3 405.4 406.1 406.2 406.3 407.1 407.2 407.3 407.4 407.5 408.1 409.1 409.2 409.3 409.4 409.5 410.1 410.2 410.3 410.4 411.1 412.1 412.2 412.3 413.1 414.1 415.1 416.1 416.2 416.3 417.1 418.1 419.1 419.2 420.1 420.2 420.3 420.4 421.1 421.2 422.1 423.1 423.2 424.1 425.1 425.2 426.1 427.1 428.1 429.1 430.1 431.1 431.2 431.3 431.4 431.5 432.1 432.2 432.3 433.1 433.2 434.1 434.2 434.3 434.4 435.1 436.1 437.1 437.2 437.3 437.4 438.1 438.2 438.3 439.1 440.1 440.2 441.1 442.1 442.2 442.3 443.1 444.1 444.2 444.3 445.1 445.2 446.1 446.2 447.1 447.2 448.1 449.1 449.2 450.1 450.2 451.1 452.1 453.1 453.2 453.3 454.1 454.2 454.3 454.4 454.5 454.6 455.1 455.2 455.3 455.4 456.1 456.2 457.1 457.2 458.1 458.2 459.1 460.1 461.1 462.1 462.2 462.3 463.1 464.1 465.1 466.1 466.2 466.3 467.1 467.2 467.3 468.1 469.1 469.2 469.3 470.1 471.1 472.1 473.1 474.1 475.1 475.2 476.1 476.2 476.3 477.1 477.2 477.3 478.1 478.2 479.1 479.2 479.3 480.1 480.2 480.3 480.4 481.1 481.2 481.3 481.4 482.1 483.1 483.2 484.1 485.1 485.2 486.1 486.2 487.1 487.2 487.3 488.1 488.2 488.3 489.1 489.2 490.1 490.2 490.3 491.1 492.1 493.1 493.2 493.3 494.1 494.2 495.1 495.2 496.1 496.2 497.1 497.2 498.1 498.2 499.1 500.1 501.1 501.2 501.3 501.4 502.1 502.2 503.1 504.1 505.1 505.2 506.1 506.2 507.1 508.1 509.1 509.2 509.3 509.4 509.5 510.1 511.1 511.2 511.3 511.4 512.1 512.2 512.3 513.1 513.2 513.3 514.1 514.2 515.1 515.2 516.1 517.1 517.2 517.3 518.1 519.1 519.2 519.3 520.1 521.1 522.1 522.2 523.1 524.1 525.1 525.2 526.1 527.1 527.2 527.3 528.1 528.2 528.3 528.4 529.1 530.1 530.2 530.3 530.4 531.1 531.2 531.3 532.1 532.2 532.3 533.1 534.1 535.1 535.2 535.3 536.1 536.2 537.1 537.2 537.3 537.4 537.5 538.1 539.1 540.1 541.1 542.1 543.1 543.2 543.3 544.1 544.2 544.3 544.4 544.5 545.1 545.2 546.1 546.2 547.1 548.1 548.2 548.3 548.4 549.1 549.2 549.3 550.1 550.2 550.3 551.1 552.1 552.2 552.3 552.4 553.1 553.2 553.3 553.4 554.1 554.2 554.3 555.1 556.1 556.2 556.3 556.4 556.5 557.1 557.2 558.1 559.1 559.2 560.1 560.2 561.1 561.2 561.3 561.4 561.5 562.1 563.1 563.2 563.3 564.1 565.1 566.1 567.1 568.1 569.1 570.1 571.1 571.2 571.3 572.1 572.2 573.1 573.2 573.3 573.4 573.5 574.1 574.2 575.1 575.2 575.3 576.1 576.2 576.3 576.4 577.1 577.2 578.1 578.2 579.1 580.1 580.2 581.1 582.1 583.1 584.1 585.1 586.1 587.1 587.2 587.3 587.4 588.1 588.2 588.3 588.4 589.1 589.2 590.1 591.1 592.1 593.1 593.2 593.3 594.1 594.2 594.3 595.1 596.1 596.2 597.1 597.2 598.1 598.2 599.1 599.2 599.3 599.4 599.5 600.1 600.2 601.1 601.2 601.3 601.4 602.1 603.1 604.1 605.1 606.1 607.1 608.1 609.1 609.2 609.3 609.4 610.1 610.2 610.3 611.1 611.2 611.3 611.4 611.5 612.1 612.2 612.3 612.4 613.1 613.2 613.3 614.1 614.2 614.3 614.4 615.1 615.2 615.3 616.1 616.2 617.1 617.2 617.3 618.1 619.1 620.1 620.2 621.1 621.2 621.3 621.4 622.1 622.2 622.3 623.1 623.2 623.3 624.1 624.2 625.1 625.2 626.1 626.2 626.3 627.1 627.2 628.1 629.1 630.1 630.2 630.3 631.1 632.1 633.1 634.1 634.2 634.3 635.1 635.2 635.3 636.1 636.2 637.1 637.2 637.3 638.1 639.1 639.2 640.1 641.1 641.2 642.1 643.1 643.2
Osnovni vodič kroz Električni Univerzum – predgovor O ovom vodiču Ovaj vodič je namijenjen svima koji se pitaju kako svemir zaista funkcionira, i koje bi moglo zainteresirati jedno intrigantno i donekle drukčije gledište. Da li svemir zaista ekspandira sve brže i brže kako nam znanstveni časopisi govore? Da li sama gravitacija, slabija od dviju daleko dopirućih sila i centralno uporište Standardnog modela astrofizike, vlada nebom? Čitatelje može iznenaditi otkriće da mnogi dobro obrazovani skeptici ne podržavaju popularne ideje u astronomiji i znanosti o svemiru. Kritičari sumnjaju da “crne rupe” zaista postoje. Oni sugeriraju da je “tamna tvar”, navodno puno rasprostranjenija nego vidljiva materija, zapravo puka fikcija, koja skriva činjenicu da stare teorije više ne funkcioniraju. Teorije nastanka galaksija, rođenja zvijezda te evolucije našeg planetarnog sistema postaju sve upitnije kritičarima koji vjeruju da je jedan krivi korak znanosti u 20. stoljeću doveo astronomiju u slijepu ulicu. Začarani ulogom gravitacije u svemiru, astronomi su propustili uočiti prevladavajuću ulogu nabijenih električnih čestica i električnih struja u svemiru. Svrha ovog Vodiča je razjasniti novi način gledanja, koji je takav da priznaje doprinos električne sile dinamičnoj strukturi i najenergetskijim zbivanjima u svemiru. Kako uspoređujemo zbivanja u svemiru sa onima nabijenih čestica u laboratoriju, razlike električnog i tradicionalnog modela, baziranog samo na gravitaciji, postaju progresivno sve više jasne. Svrha ovog Vodiča je predstaviti i razjasniti uloge plazme i elektriciteta u svemiru. Opisat će se što stvara jedinstvene osobine plazme i kako elektricitet doprinosi kompleksnoj i dinamičnoj strukturi univerzuma. Opisuje se pothvat, još uvijek u ranoj fazi razvoja, sa vlastitim interpretacija promatranja svemira, bliskog i dalekog, sa puno više doprinosa fizike plazme i elektriciteta nego što je to uobičajeno u napisima o toj temi. Ovaj Osnovni Vodič nudimo znanstvenicima i zainteresiranim laicima. Za one koji vole “zaroniti” u tehničke detalje, ovdje uključujemo i linkove s više “dubinskih” detalja a s vremenom će ih biti i više. Objavljivat ćemo preliminarnu verziju ovog Vodiča na Thunderbolts.info, jedno po jedno poglavlje. Dokument će se nastaviti razvijati, vjerojatno u nadolazećim godinama, i mi pozivamo na priloge specijalista iz znanstvenih disciplina koje su obuhvaćene. S obzirom na eksploziju podataka iz svemira, nitko ne može pratiti najnovija otkrića radeći sam. Zbog ovog razloga, interdisciplinarna suradnja će biti ključna za uspjeh ovog pothvata. Priznanja Kako rad na ovom Vodiču napreduje, broj pojedinaca koji zaslužuju specijalno priznanje će rasti. Ali mi ćemo uvijek osjećati dug zahvale Bob Johnson-u čiji nam je inicijalni skript razvijen kroz nekoliko mjeseci dao solidnu osnovu na kojoj možemo temeljiti ovaj projekt. Jim Johnson, po obrazovanju arhitekt, dobro potkovan u principima Električnog svemira, služit će kao Urednički manager i webmaster. Multitalentirani Dave Smith služit će kao savjetnik za teme webmastera i kao ključna spona sa znanstvenicima te sa dodiplomskim i diplomskim studentima koji žele znati više ili aktivno sudjelovati. Također vrijedni spomena su pojedinci koji su, za vrijeme formiranja ovog projekta, investirali veliku količinu vremena u identificiranju ključnih pitanja i odgovora. Doprinosi Michael Gmirkin-a i Chris Reeve-a iako nadilaze trenutni opseg ovog Vodiča, pomogli su utrti put za ono što dolazi, uključujući sistematske odgovore na uobičajene pogrešne koncepcije. Zadovoljstvo nam je ovoj listi dodati dvije uredničke asistentice, Kim Gifford i Mary-Sue Halliburton. Obje su pratile diskusiju o Električnom Univerzumu kroz nekoliko godina te su pokazale potrebne uredničke vještine koje će ovaj Vodič zahtijevati. I konačno, hvala našim čitateljima. Naš prvi prioritet će uvijek biti težnja željenim razjašnjenjima ili ispravcima u objavljenim dijelovima Vodiča. U takvim slučajevima naši čitatelji su uvijek prvi koji pomažu. David Talbott The Thunderbolts Project ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni vodič kroz Električni Univerzum – uvod Nova slika svemira Danas više nego ikad, istraživanje našeg zvjezdanog Univerzuma uzbuđuje maštu. Nikad prije svemir nije predstavljao toliko puno putova za istraživanje i otkrića. Nova oruđa promatranja omogućuju nam „vidjeti“ svojedobno nevidljive dijelove elektromagnetskog spektra i pogled je spektakularan. Teleskopske slike pomoću Roentgen, radiovalnih, infracrvenih i ultraljubičastih zraka otkrivaju egzotičnu strukturu i intenzivno energetska zbivanja koja kontinuirano redefiniraju traganje u cjelini. Spektrografska interpretacija je izrasla ruku pod ruku sa računalima i programima veće brzine i memorije uz sofisticiranost i mogućnost širokog znanstvenog procesuiranja podataka te kreiranja slika i modela. U lavini novih slika ističe se najveće iznenađenje svemirskog doba: dokazi rasprostranjenih električnih struja i magnetskih polja širom svemira koji svi spajaju i oživljavaju ono što se prije činilo kao izolirani otoci u svemiru. Otkriveni zamršeni detalji nisu proizvod slučajnosti već pokazuju jedinstveno ponašanje električki nabijenih čestica u plazmi pod utjecajem električnih struja. Rezultat ove „dojave“ je kompleks magnetskih polja i pridružene elektromagnetske radijacije. Vidimo rezultate na i iznad površine sunca, u solarnom vjetru, u strukturama plazme uokolo planeta i mjeseca, u finoj strukturi maglica, u mlazovima visoke energije galaksija, i preko neshvatljivih udaljenosti među galaksijama. Zahvaljujući tehnologiji 20. Stoljeća, astronomi 21. Stoljeća će se suočiti sa jednom izvanrednom mogućnosti. Dokazi sugeriraju da međugalaksijske struje, izvirući iz izvora daleko od granica samih galaksija, direktno utječu na evoluciju galaksija. Uočene fine niti u međugalaktičkoj i međuzvjezdanoj plazmi su znakovi električnih tokova. Čak se i snaga koja osvjetljuje konstitutivne zvijezde galaksija može naći upravo u električnim tokovima koji vijugaju kroz galaksijski prostor. Dugo se mislilo da jedino gravitacija može „funkcionirati“ odnosno efektivno djelovati preko svemirskih udaljenosti. Ali perspektive u astronomiji se rapidno mijenjaju. Specijalisti školovani u fizici elektriciteta i magnetizma, razvili su nove uvide u sile aktivne u kozmosu. Raspoznaje se prihvatljiv zaključak. Ne sama gravitacija, već elektricitet i gravitacija, oblikovali su i nastavljaju oblikovati svemir koji sada promatramo. Malo povijesti Najstarija teoretska fondacija moderne astronomije je utemeljena u djelu Johannes Kepler-a i Isaac Newton-a u 17. i 18. stoljeću. Od 1687. kad je Newton prvi put objasnio gibanje planeta svojom Teorijom gravitacije, znanost se oslanjala na gravitaciju da bi objasnila sva zbivanja u velikom mjerilu, kao što su formiranja zvijezda i galaksija ili rođenja planetarnih sistema. Taj temelj je počivao na uočenoj ulozi gravitacije u našem sunčevom sustavu. Istraživanje prirode i potencijala elektriciteta nije još bilo započelo. Nakon toga, u 19. stoljeću, pioniri istraživanja – čija imena pucketaju elektricitetom – Alessandro Volta (1745-1827), André Ampère (1775-1836), Michael Faraday (1791-1867), Joseph Henry (1797-1878), James Clark Maxwell (1831-1879), i John J. Poynting (1852-1914) počeli su empirički potvrđivati „zakone“ koji upravljaju magnetizmom i elektrodinamičkim ponašanjem, te su razvili korisne jednadžbe koje ih opisuju. Na početku 20. Stoljeća, norveški istraživač Kristian Birkeland (1867-1917) , istraživao je odnos aurore borealis i magnetskih polja koje je mogao mjeriti na zemlji ispod njih. Zaključio je da je tok elektrona sa sunca izvor „Sjevernog svjetla“ – zaključak detaljno potvrđen suvremenim istraživanjima. Prošlo je još barem 70 godina dok je izraz „Birkelandove struje“ počeo ulaziti u astronomske leksikone. Nadolazeći radovi drugih znanstvenika – James Jeans-a (1877-1946), zatim dobitnika Nobelove nagrade Irving Langmuir-a (1881-1957), Willard Bennett-a (1903-1987) te dobitnika Nobelove nagrade Hannes Alfvén-a (1908-1995) autora Kozmičke Plazme – nastavili su proširivati naše znanje o ionizirajućoj tvari (plazma, četvrto stanje materije) U drugoj polovici 20.stoljeća Alfvénov bliski suradnik Anthony Peratt objavio je inovativni udžbenik o svemirskoj plazmi Fizika Plazma univerzuma , kulminaciju njegovih praktičnih, visokoenergetskih plazma eksperimenata i superkompjuterskih čestica-u-ćeliji plazma simulacija u Los Alamos laboratoriju Ministarstva Energetike u Novom Meksiku, Sjedinjene Države. Knjiga je nastavila služiti kao vodič specijalistima u struci. Novi ton u astronomiji dogodio se kad su inženjeri usmjerili radio teleskope u nebo i počeli otkrivati nešto što astronomi nisu očekivali – radio valove energetskih zbivanja iz „praznine svemira“. Na drugoj međunarodnoj radionici o Plazma astrofizici i kozmologiji (IEEE), 1993, Kevin Healy iz Nacionalnog opservatorija radio astronomije (NRAO) prezentirao je znanstveni rad, Prozor u svemir plazme: Vrlo dugački niz (VLA) u kojem je zaključio, „S nastavkom pojavljivanja ozbiljnih teškoća u „standardnim modelima“ astrofizike i rastom značaja fizike plazme u opisivanju mnogih astrofizičkih sustava, Vrlo dugački niz (VLA) je savršen instrument koji će omogućiti opservacijsku podršku za laboratorijski, simulacijski i teorijski rad u Fizici plazme. Njegova neusporediva fleksibilnost i osjetljivost dobavljaju bogatstvo informacija o bilo kojem području svemira koje emitira radijaciju. Na početku 21. stoljeća, Wallace Thornhill i Dave Talbott napisali su zajedničku knjigu Električni Univerzum a elektroinženjer i profesor Donald E. Scott autor je knjige Električno Nebo. Zajedno ta djela predstavljaju prvi opći uvod u novo razumijevanje električnih tokova i magnetskih polja u svemiru. Vodeće u tehničkim publikacijama je Društvo nuklearnih i plazma znanosti, odjel Instituta elektrotehničkih i elektroničkih inženjera (IEEE). Ova profesionalna organizacija je jedan od najvećih izdavača znanstvene i tehničke literature u svijetu. Stojeći na ramenima pionira znanosti o elektrici, Carl Fälthammar, Gerrit Verschuur, Per Carlquist, Göran Marklund i mnogi drugi nastavljaju proširivati inovativno istraživanje plazme sve do danas. Ograničenja Teorije gravitacije Zakon gravitacije, koji se oslanja isključivo na mase nebeskih tijela i udaljenosti među njima, funkcionira vrlo dobro da bi se objasnilo gibanje planeta i satelita u našem sunčevom sustavu. Ali kad su astronomi probali to primijeniti na gibanja galaksija i nakupina galaksija, ispalo je da nedostaje blizu 90% mase potrebne da bi se na taj način objasnila uočena gibanja. Nevolje su počele 1933 kad je astronom Fritz Zwicky izračunao omjer mase-prema-svjetlu za 8 galaksija u Coma nakupini konstelacije Coma Berenices (Berenikina kosa). U to vrijeme, pretpostavljalo se da bi količina vidljivog svjetla koja dolazi sa zvijezda trebala biti proporcionalna njihovoj masi (koncept zvan „Vizualni ekvilibrijum“) Kako će Zwicky zaključiti, očito velika brzina galaksija oko njihovog zajedničkog centra mase („barycenter“), sugerirala je da bi bilo potrebno puno više mase od one vidljive, za održati galaksije da se ne razlete iz nakupine. Zwicky je zaključio da bi masa koja nedostaje trebala biti nevidljiva odnosno „tamna“. Drugi astronomi kao Sinclair Smith (koji je izvodio proračun nakupine Djevice 1936. godine) počeo je nalaziti slične probleme. Da bi stvari bile gore, 1970. Godine, rezultati radijalne brzine (radijus iz centra prema brzini rotacije) za zvijezde Mliječnog puta otkrili su da brzina prije teži maksimalnoj nego što bi slabila što je impliciralo da brzina nastavlja rasti sa radijusom, suprotno onome što predviđa Newton-ova Teorija gravitacije, i što je uočeno u, sunčevom sustavu. Ukratko, astronomi koji su koristili gravitacijski model, bili su prisiljeni svakoj galaksiji dodati puno više mase nego što se to moglo uočiti promatranjem na bilo kojoj valnoj duljini. Prozvali su tu dodatnu masu „tamnom“ no na njezino postojanje su mogle ukazivati jedino pogrešne pretpostavke. Da bi pokrili ovaj nedostatak dali su sebi bjanko ček, dozvolu da stave tu izmišljenu tvar gdje god je potrebno da bi gravitacijski model funkcionirao. Slijedila su daljnja matematička nagađanja. Pretpostavka o pomaku crvenog spektra objekata u svemiru vodila je do zaključka da svemir ekspandira. Daljnje druge špekulacije su dovele do zaključka do mišljenja da to širenje akcelerira. Suočeni s neodrživom situacijom, znanstvenici su pretpostavili potpuno novi vid tvari, nevidljivo „nešto“ što odbija više nego privlači. S obzirom da je Einstein izjednačio masu i energiju (E = mc2), ova nova vrsta tvari je interpretirana kao vrsta mase koja djeluje kao energija – usprkos činjenici da, prema jednadžbi, ako tvar nema masu ne može imati ni energiju. Astronomi su to prozvali „tamnom energijom“ pripisujući joj moć da prevlada čitavu gravitaciju na kojoj je zapravo i počivalo čitavo to teoretsko zdanje. Tamna energija je zamišljena kao neka vrsta električnog polja, s jednom razlikom. Električna polja se mogu otkriti na dva načina: kada ubrzavaju elektrone, koji emitiraju vidljive fotone kao Sinkrotronska i Brehmsstrahlung radijacija, i po ubrzavanju nabijenih čestica kao električne struje koje su praćene magnetskim poljima, otkrivenima kroz Faraday-ovu rotaciju polariziranog svjetla. Tamna energija, izgleda, ne emitira ništa i to što čini ništa se navodno otkriva kroz magnetsko polje. Jedna sugestija je da je odgovorno neko svojstvo praznog prostora. Ali prazni prostor, po definiciji, ne sadrži nikakvu tvar i prema tome nema nikakvu energiju. Koncept tamne energije je filozofski nevjerodostojan i žalosni je podsjetnik da isključivo-gravitacijski model nikad nije došao ni blizu onome što se od njega očekivalo. Uzimajući pretpostavljenu tamnu tvar i tamnu energiju zajedno, nešto u rangu od 24 puta veće mase u formi nevidljive tvari bi se trebalo dodati masi Univerzuma koja se može vidjeti i otkriti. To će reći, u gravitacijskom modelu sve zvijezde i sve galaksije i sva tvar između zvijezda koju možemo otkriti iznosi samo sićušnih 4% od ukupno procijenjene mase. Kritičari često ukazuju da teorija koja zahtijeva spekulativne, tvari koje se ne mogu otkriti, u takvom mjerilu, također „rasteže“ i vjerodostojnost do točke sloma. Nešto vrlo realno, možda čak očito, gotovo sigurno nedostaje standardnom gravitacijskom modelu. Da li je moguće da komponenta koja nedostaje može biti nešto tako poznato modernom svijetu kao što je to elektricitet? ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni vodič kroz Električni Univerzum — 1. poglavlje Udaljenosti u Svemiru Udaljenosti do zvijezda Kada tokom noći pogledamo gore u nebo i vidimo sve te zvijezde, od kojih su mnoge sunca slična našemu, one izgledaju prilično blizu jedna drugoj. Ali one nisu uopće blizu. Prostor između njih je enorman. Udaljenost je bitna i komplicirana veličina za mjerenje u astronomiji. Želimo znati koliko smo blizu zvijezdama i galaksijama jer puno toga u astronomiji ovisi direktno o toj specifičnoj informaciji — totalna emitirana energija (luminozitet), mase iz orbitalnih gibanja, stvarna gibanja zvijezda kroz svemir i njihova stvarna fizička veličina. Zvijezde su tako daleko da su čak i kroz teleskope samo sićušne točke svjetla. Bez znanja o udaljenosti, ne može se točno znati da li se gleda na malu ali vrlo svijetlu ili veću ali manje svijetlu zvijezdu ili da li je ova ili ona zvijezda bliže nama. To također vrijedi i za galaksije, kvazare, mlazove i ostale udaljene fenomene. Udaljenost između naših očiju omogućava nam dubinsku percepciju. Svako se oko mora držati pod određenim kutom da bi se centrirao subjekt. Mozak interpretira te kutove i podešava fokus oka, dajući nam osjećaj koliko blizu objekt je i kreirajući dubinsku sliku svijeta oko nas. Ova biološka kutna detekcija je baza izračuna udaljenosti u astronomiji i zove se Paralaksa. Triangulacija, ili trigonometrijska paralaksa, je direktni način korištenja izmjerene kutne razlike sa dvije pozicije da bi se izmjerila udaljenost do nekog objekta. Promatrajući položaj zvijezde relativno prema zvijezdama u pozadini sa suprotnih točaka naše orbite oko sunca, imamo široku baznu liniju koja nam može omogućiti dobivanje kutne razlike promatranja sa 6 mjeseci vremenske razlike i biti ćemo u mogućnosti mjeriti udaljenost do nečeg toliko udaljenog kao što je zvijezda. Prosječna udaljenost Zemlje od Sunca je 93 milijuna milja tako da je to radijus njene gotovo kružne putanje. Ta udaljenost se u astronomiji često zove jedna astronomska jedinica (AU). Tako je udaljenost od jednog do drugog kraja Zemljine orbite 2 AU ili oko 186 milijuna milja. Kada mjerimo kut do najbliže zvijezde (Alfa Centauri) s jedne strane orbite, čekamo 6 mjeseci i mjerimo je opet, nalazimo da je kutna razlika prilično mala, zahtijevajući enormnu preciznost mjerenja. Više o paralaksi i izračunu udaljenosti ovdje i ovdje. Europska svemirska agencija (ESA) lansirala je svoj automatizirani satelitski teleskop Hipparcos da bi poduzela mjerenja više od 118000 zvijezda tokom svojeg životnog vijeka 1989-1993. Misija: poboljšati preciznost katalogiziranih lokacija mnogih zvijezda i ažurirati Tycho i Tycho 2 kataloge. Od novomjerenih paralaksa, 20870 zvijezda je ispunilo kriterij da imaju grešku zvjezdane paralakse 10% ili manju. Čak i sa točnijim podatcima sa Hipparcos satelita, mjerenja udaljenosti do zvijezda sve do oko 200-220 svjetlosnih godina imaju grešku do 10% i točnost još opada do oko 500 godina svjetlosti. Dalje od toga, mjerenja trigonometrijskom paralaksom se ne bi trebala smatrati vjerodostojnima. Pogge, na gornjem linku na njegovu lekciju 5, tvrdi da Hipparcos podatci daju „dobru distancu sve do 1000 svjetlosnih godina” no procijenjena udaljenost od već samo 500 svjetlosnih godina sa ±20%-30% greške je već puno previše neprecizna da bi bila od velike koristi. 1000 svjetlosnih godina je gotovo nepojmljiva distanca a ipak je to samo otprilike 1% raspona naše galaksije Mliječnog puta. Kut od jednog stupnja je podijeljen na 60 minuta (60′) luka, kao u konvenciji dijeljenja sata na 60 minuta vremena. Slično tome svaka minuta luka se može podijeliti u 60 sekundi (60″) luka. Paralaksa svih zvijezda osim našeg Sunca je manja od jedne sukunde luka. Zapravo, paralaksa prema Alfa Centauri je otprilike 0.75 sekunde luka, ili oko 0.0002 stupnja. Kut paralakse prema svim ostalim zvijezdama još je i manji od ove male vrijednosti. Jedna svjetlosna godina, udaljenost koju svjetlo prevali u vakuumu u jednoj godini, je gotovo 6 trilijuna milja. Ako podijelimo 3.26 sa paralaksom prema nekoj zvijezdi u lučnim sekundama, dobit ćemo udaljenost do te zvijezde mjereno u svjetlosnim godinama. Astronomi općenito preferiraju parsek (pc) čak radije nego svjetlosne godine za mjerenje udaljenosti, iako se mjerenja paralakse mogu koristiti za određivanje točne udaljenosti samo za relativno kraće udaljenosti od našeg Sunca. Primjer: (3.26/0.75 lučne-sekunde) = 4.36 svjetlosnih godina (ly) što je 25.65 trilijuna milja ili 1.33 parseka do najbliže zvijezde Počnimo bliže domu. Modeliranje udaljenosti u i blizu našeg Sunčevog sustava Robert Burnham je razvio model koji nam, koristeći uobičajene pojmove, pokazuje koliko je prostora tamo gore između zvijezda. Da bismo razumjeli to mjerilo trebamo razumjeti nekoliko stvarnih udaljenosti. Kao što je gore spomenuto, udaljenost od Zemlje do Sunca je otprilike 92,960,000 milja (149,605,000 km). Obično se to zaokružuje na 93 milijuna milja (150 milijuna km), i ta se udaljenost naziva Astronomska jedinica (AU). Svjetlosna godina (ly) je jednaka 63,294 AU. Slučajno, to je točno koliko ima i inča u statutarnoj milji, tj. 63360. Prema tome, ima otprilike isto toliko inča u 1 AU (63,360 x 92,960,000) koliko i milja u jednoj svjetlosnoj godini (63,294 x 92,960,00). To su zaista veliki brojevi. Ostanimo s inčima. Bunham je u svom modelu postavio mjerilo tako da 1 inč (1″) odgovara 1 AU ili 93 milijuna milja. Zatim će 1 milja u našem modelu odgovarati 1 ly. To će se mjerilo izraziti kao 1:6,000,000,000,000. To znači da jedna jedinica predstavlja šest milijuna milijuna jedinica, što je mjerilo od jedan naprema 6 trilijuna ili 1:6×1012. Počnimo objašnjavati Burnhamovski minijaturni model našeg sunčevog sustava koristeći ovo mjerilo. Znamo da će udaljenost Zemlje od Sunca (1 AU) biti 1 inč. Kako veliko će biti sunce? Promjer sunca je oko 870,000 milja, tako da će u našem modelu sunce biti nešto manje od 1/100-ine inča u promjeru. To je vrlo sićušna „mrljica”. Zemlja će biti udaljena 1 inč od sunca ali toliko mala (0.00009” ili 9 stotisućica inča) da ju ne bismo mogli vidjeti bez mikroskopa. Plutonov orbitalni radijus je 39.5 puta veći od Zemljinog, tako da će Pluton biti udaljen 39,5 inča, ili gotovo točno 1 metar od Sunca. Heliosfera, područje oko Sunca koje prožima solarni vjetar je u našem modelu oko 7 stopa. Pa gdje je najbliža zvijezda u našem modelu? Naš najbliži susjed je Alfa Centauri, koja je udaljena preko 4 svjetlosne godine. To je više od 4 milje u našem modelu. Da, 4 milje. Naš model Sunca je sićušna mrljica i udaljena je 4 milje do slijedeće najbliže mrljice. To je puno prostora između. I koliko je velika naša galaksija u tom sićušnom modelu? Model galaksije bi se protezao preko 100,000 milja. Tanki disk i spiralne ruke bi imale „debljinu” tisuću milja. Njezino centralno ispupčenje zvijezda bi od vrha do dna dobro premašilo 6000 milja. Naša galaksija je samo jedna od stotina bilijuna galaksija vidljivog svemira koji se može opaziti pomoću naših današnjih instrumenata. Nebo u noći izgleda krcato zvijezdama, ali zvijezde su tipično razdvojene razdaljinama od preko 10 milijuna puta njihove veličine. Udaljenost i Gravitacija Zapamtimo da, kao što je Newton pisao, sila gravitacije opada (t.j. obrnuto je proporcionalna) kvadratu udaljenosti dvaju objekata. Tako da gravitacijsko privlačenje dvije mrljice udaljene 4 milje nije uopće tako jako. Niti je jaka sila gravitacije između dviju zvijezda udaljenih 4 svjetlosne godine. Upotrijebimo Newton-ove jednadžbe da bismo vidjeli koliko to zapravo je. U jednostavnoj jednadžbi ispod, iznad radnog lista F je sila u Newton-ima, G je vrlo mali broj zvan Gravitacijska konstanta, M1 i M2 su procijenjene mase dviju zvijezda u kilogramima, a r je udaljenost između njihovih središta u metrima. Astronomi koriste metrički ili S.I. sustav jer je pogodniji i mnogo se šire upotrebljava nego tradicionalni Imperijalni sustav inča (ili palaca), stopa, milja, funti i unci. Međutim, rezultat izračuna je predstavljen na dnu slike u terminima sile gravitacije na Zemljinoj površini, zvane „gee” (za „gravitacija”) bez obzira na mjerni sustav koji se koristi. F = G × (M1 × M2) ÷ r2 Usprkos njihovim velikim masama, dvije zvijezde vrše jedna na drugu samo sićušnu gravitacijsku akceleraciju. Koje god sile da kontroliraju ponašanje materije u svemiru moraju biti dovoljno jake i moraju moći efektivno djelovati preko ovdje uključenih golemih udaljenosti. Newton-ov zakon gravitacije je funkcionirao dovoljno dobro objašnjavajući sile privlačenja i orbitalna gibanja unutar ograničenog područja sunčevog sustava. Ali relativno slaba sila gravitacije bi mogla efektivno djelovati preko međuzvjezdanih udaljenosti, ako uopće, jedino kada bi bilo istina da je svemir prazan i da se ona ne mora „natjecati” s drugim silama koje bi ju mogle nadvladati. kraj 1. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni vodič kroz Električni Univerzum – 2. poglavlje Magnetska i Električna polja u svemiru Snaga Gravitacije i Električnih sila Gravitacija je relativno slaba sila. Električna Coulomb-ova sila između protona i elektrona je u rangu 10 na 39-tu puta (1039; to je 1 sa 39 nula iza) jača od gravitacijske sile između njih. Možemo dobiti neki pojam relativne snage elektromagnetskih sila kada koristimo mali magnet da bismo podigli neki željezni predmet, recimo, kuglicu iz kugličnog ležaja. Iako privlačenje čitavog Zemljinog gravitacijskog polja djeluje na kuglicu, magnet to lako nadvlada kada je dovoljno blizu kuglici. U svemiru, gravitacija postaje značajna samo na mjestima gdje su elektromagnetske sile zapriječene ili neutralizirane. Za sferne mase i naboje, obje sile, i gravitacija i električna Coulomb-ova sila variraju obrnuto proporcionalno sa kvadratom udaljenosti i tako rapidno opadaju s povećanjem udaljenosti. Za druge geometrije/konfiguracije, sile s povećanjem udaljenosti opadaju sporije. Na primjer, sila između dva relativno duga i tanka električna toka koji se gibaju paralelno jedan s drugim varira obrnuto proporcionalno s prvom potencijom distance između njih. Električni tokovi mogu transportirati energiju preko golemih udaljenosti prije nego što upotrijebe tu energiju za neki primjetni rezultat, baš kao što mi koristimo energiju iz udaljene elektrane da bismo u našoj kuhinji zakipjeli vodu u čajniku. To znači da, preko dugih razdaljina, elektromagnetske sile i električne struje zajedno mogu biti puno efektivnije nego sama slabašna sila gravitacije ili čak jača elektrostatička Coulomb-ova sila. Zapamtimo da se, samo da bi se objasnilo ponašanje materije koju možemo otkriti, po Gravitacijskom Modelu treba zamisliti dvadeset četiri puta više materije nego što se može vidjeti, na posebnim mjestima, i to specijalne nevidljive vrste. Čini se puno razumnije istražiti da li poznata fizika i elektromagnetske struje mogu dovesti do promatranih efekata umjesto da moramo izmišljati nešto što možda ne postoji. Svemirski „Vakuum“ Do otprilike prije 100 godina, za svemir se mislilo da je prazan. Riječi „vakuum“ i „praznina“ su bile međusobno zamjenjive. Ali ispitivanja su pokazala da svemir sadrži atome, prašinu, ione i elektrone. Iako je gustoća materije u svemiru vrlo niska, ona nije jednaka nuli. Stoga, svemir nije vakuum u konvencionalnom smislu da tamo „nema uopće ničega“. Na primjer, za Solarni „vjetar“ je poznato da je to tok nabijenih čestica koje dolaze od sunca i „metu“ oko zemlje u konačnici uzrokujući vidljive efekte kao što su Sjeverna (i Južna) polarna svjetla. Za čestice prašine u svemiru se vjeruje da su veličine 2 do 200 nanometara, i mnoge od njih su također električno nabijene, uz ione i elektrone. Ovu mješavinu neutralne i nabijene tvari zovemo plazma i ispunjena je magnetskim poljima. Diskutirat ćemo plazmu i njezine jedinstvene interakcije s elektromagnetskim poljima detaljnije u 3. poglavlju. „Prazni“ prostori između planeta ili zvijezda ili galaksija su veoma različiti od onog što su astronomi zamišljali u ranijem razdoblju 20. stoljeća. (Uočiti o terminologiji na linkovima: astronomi često materiju u stanju plazme nazivaju „plin“, „vjetrovi“ „vrući, ionizirani plin“, „oblaci“ itd. To ne ističe razliku dva stanja materije u svemiru koja se različito ponašaju, prvo od kojih je električno-nabijena plazma i drugo koje može biti neutralni plin koji je samo široko-raspršen, u vidu ne-ioniziranih molekula ili atoma.) Postojanje nabijenih čestica i elektromagnetskih polja u svemiru je prihvaćeno u oba modela, Gravitacijskom i Električnom. Ali naglasak stavljen na njih i njihovo ponašanje je ona distinktivna razlika između tih modela. Zato ćemo kao slijedeće diskutirati magnetska polja. Uvod u Magnetska polja Što mislimo pod terminom „magnetska polja“ i „linije magnetskog polja“? Da bismo razumjeli koncept polja, počnimo sa poznatijim primjerom: gravitacija. Znamo da je gravitacija privlačna sila između tijela ili čestica koje imaju masu. Kažemo da je Zemljina gravitacija svud oko nas na površini Zemlje i da se Zemljina gravitacija proteže u svemir. Možemo ekonomičnije izraziti istu ideju ako kažemo da Zemlja ima gravitacijsko polje koje se proteže u svemir u svim smjerovima. Drugim riječima, gravitacijsko polje je područje gdje privlačna sila gravitacije djeluje između tijela s masom. Slično tome, magnetsko polje je područje u kojem će magnetska sila djelovati na magnetizirano ili nabijeno tijelo. (Svratit ćemo pogled na uzrok magnetskih polja kasnije). Efekt magnetske sile je najočitiji na feromagnetskim materijalima. Na primjer, željezne strugotine postavljene na neku površinu u magnetskom polju poravnavaju se u smjeru polja kao igle kompasa. Zbog toga što željezna strugotina teži poravnanju od sjevernog do južnog pola, uzorak koji napravi se može nacrtati kao serija koncentričnih linija, koje će sugerirati smjer i, posredno, jakost polja u bilo kojoj točki. Stoga su linije magnetskog polja podesan način reprezentiranja smjera magnetskog polja, i služe kao centri vođenja trajektorija nabijenih čestica koje se kreću u tom polju. Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006, Paul Bellan, Ph.D). Važno je zapamtiti da linije polja ne postoje kao fizički objekti. Svaka čestica strugotine djeluje kao kompas: može se malo pomaknuti i još uvijek će pokazivati sjever-jug sa svoje nove pozicije. Slično tome, visak (konop s utegom na jednom kraju) će pokazati lokalni smjer gravitacijskog polja. Linije potegnute uzdužno duž serije visaka bi činile skup linija gravitacijskog polja. Takve linije ne postoje zaista, one su samo pogodno, zamišljeno sredstvo predočavanja ili prikazivanja smjera sile u sklopu polja. Vidjeti Dodatak I za više diskusije o ovoj temi, ili ovdje, kod Fizzics Fizzle. Linija polja ne upućuje nužno na smjer sile uzrokovane ičim što uzrokuje polje. Linije polja mogu biti iscrtane da bi naznačile smjer ili polaritet sile, ili mogu biti nacrtane kao konture jednakog intenziteta sile, na isti način kao što konturne linije na mapi povezuju točke iste visine iznad, recimo, razine mora. Često se, oko 3-dimenzionalnih tijela s magnetskim poljima, umjesto linija koriste zamišljene plohe da bi se prikazala površina jednake sile. Po konsenzusu, definicija smjera magnetskog ili električnog polja u nekoj točki je od sjevernog do južnog pola. U gravitacijskom polju, može se odlučiti da se nacrtaju konturne linije jednake gravitacijske sile umjesto linija smjera sile. Te linije jednake gravitacijske sile bi varirale s visinom (što znači s udaljenosti od centra tog tijela), prilično kao konturne linije na mapi. Da bi se našao smjer sile koristeći te visinske konturne linije, moralo bi se dokučiti u kojem smjeru će se tijelo kretati. Ako se postavi na kosinu brijega, kamen će se kotrljati prema dolje preko kontura. Drugim riječima gravitacijska sila je okomita na linije polja jednake gravitacijske sile. Magnetska polja su kompliciranija od gravitacije utoliko da mogu i privlačiti i odbijati. Dva permanentna magneta u obliku šipki postavljeni sa svojim suprotnim krajevima (suprotnim „polovima“ ili sjever-jug) jedan prema drugome, privlačit će jedan drugoga duž smjera naznačenog linijama kombiniranog polja oba magneta (vidi sliku gore). Magneti s istim polaritetom (sjever-sjever ili jug-jug) odbijat će jedan drugoga duž istog smjera. Magnetska polja također uzrokuju sile na nabijene čestice koje su u pokretu. Zato što je sila koju „trpi“ nabijena čestica pod pravim kutovima i na liniju magnetskog polja i na smjer gibanja čestice, nabijena čestica koja se giba preko magnetskog polja mijenja smjer (tj. akcelerira) djelovanjem polja. Njezina brzina ostaje nepromijenjena da bi se konzervirala kinetička energija. Slijedeća slika pokazuje što se događa sa snopom elektrona u vakuumskoj cijevi prije i nakon što je djelovalo magnetsko polje, u laboratorijskoj demonstraciji. Magnetska sila na nabijenu česticu u kretanju je analogna žiroskopskoj sili. Nabijena čestica koja se giba direktno uzduž ili „sa“ linijom magnetskog polja ne će osjetiti silu koja bi joj mijenjala smjer, kao što ni gurkanje direktno duž osi rotacije brzo vrte eg žiroskopa ne će uzrokovati da se on okrene ili „precesira“. Iako sila na različite nabijene čestice varira, koncept predočavanja smjera magnetskog polja kao skupa zamišljenih linija polja je koristan jer smjer sile na bilo koji materijal, kao što je nabijena čestica u gibanju, može biti utvrđen prema smjeru polja. Podrijetlo Magnetskih polja Postoji samo jedan način na koji mogu nastati magnetska polja: gibanjem električnih naboja. Kod permanentnih magneta, polja su generirana elektronima koji se vrte oko atomskih jezgara. Jaki magnet se kreira kad svi elektroni u orbiti jezgre imaju poravnate vrtnje, kreirajući kombiniranu silu. Ako se magnet zagrije do njegove Curie temperature, termalno gibanje atoma sprječava pravilno poravnanje vrtnji, uvelike reducirajući rezultirajuće magnetsko polje. U metalnoj žici koja vodi struju, magnetsko polje je generirano elektronima koji se gibaju duž žice. Detaljniji uvod u kompleksnu temu razmjenskog sparivanja i feromagnetizma nalazi se ovdje. U svakom slučaju, svaki put kad se električni naboji gibaju, oni generiraju magnetska polja. Bez gibanja električnih naboja, magnetska polja ne mogu postojati. Ampère’-ov zakon navodi da naboj u gibanju generira magnetsko polje sa kružnim linijama sile, na ravnini okomitoj na gibanje naboja. S obzirom da električne struje sačinjene od električnih naboja u gibanju mogu biti nevidljive i stoga ih je teško detektirati iz daljine, otkrivanje magnetskog polja na nekoj lokaciji u svemiru (dobro poznatim metodama u astronomiji, vidjeti dolje) sigurni je znak da ga „prati“ i električna struja. Ako struja teče u vodiču, kao što je duga ravna žica ili nit plazme, tada će svaka nabijena čestica u toj struji imati oko sebe malo magnetsko polje. Kada zbrojimo sva individualna mala magnetska polja, rezultat je kontinuirano magnetsko polje oko čitave duljine vodiča. Područja u svemiru oko vodiča gdje je jakost polja jednaka (zvana „ekvipotencijalne površine“) su cilindri koncentrični sa vodičem. Magnetska polja i električne struje koje su varijabilne kroz vrijeme, obrađene su kasnije (vidi 4. poglavlje i 3. prilog) Pitanje podrijetla magnetskih polja u svemiru, jedna je od ključnih razlika Gravitacijskog modela i Električnog modela. Gravitacijski model dopušta postojanje magnetskih polja u svemiru jer su ona uočena uobičajenom praksom, ali rečeno je da su ona uzrokovana generatorima unutar zvijezda. Za većinu istraživača danas, niti električna polja niti električne struje u svemiru ne igraju nikakvu značajnu ulogu u generiranju magnetskih polja. Suprotno tome, Električni model, kao što ćemo vidjeti detaljnije kasnije, tvrdi da se magnetska polja moraju stvarati gibanjem nabijenih čestica u svemiru na isti način kao što se stvaraju gibanjem nabijenih čestica ovdje na Zemlji. Naravno, Električni model prihvaća da zvijezde i planete također imaju magnetska polja što je evidentirano magnetosferama i ostalim promatranjima. Novi uvid je bio objasniti različito podrijetlo za ta magnetska polja u svemiru ako ona nisu stvorena generatorima u zvijezdama. Otkrivanje Magnetskih polja u Svemiru Od početka Svemirskog doba, svemirske letjelice su mogle mjeriti magnetska polja u Sunčevom sustavu koristeći instrumente ugrađene u samim letjelicama. Možemo „vidjeti“ magnetska polja izvan dosega svemirskog broda zbog efekta koji ta polja imaju na svjetlo i ostalu radijaciju koja prolazi kroz njih. Možemo čak procijeniti jakost magnetskih polja mjereći količinu tog efekta. Optička slika Intenzitet magnetskog polja, smjer Stoljećima se znalo za Zemljino magnetsko polje. Sada možemo otkriti ta polja u svemiru, tako da je koncept magnetskih polja u svemiru intuitivno lak za razumjeti, iako astronomi imaju poteškoća objasniti izvor tih magnetskih polja. Magnetska polja se mogu otkriti na mnogim valnim duljinama promatrajući količinu simetrične spektrografske emisione linije ili razdvajanja apsorpcijske linije koju magnetsko polje izaziva. Ovo je poznato kao Zeeman efekt, po Nizozemskom fizičaru i dobitniku Nobelove nagrade 1902, Pieter Zeeman, (1865-1943). Uočiti na desnoj slici gore kako tijesno se smjer polja poravnava s galaktičkim rukama vidljivim na optičkoj slici, lijevo.Drugi indikator prisutnosti magnetskih polja je polarizacija sinkrotrone emisije koju zrače elektroni u magnetskom polju, korisna u galaktičkim razmjerima. Vidi Beck-ov članak o Galaktičkim magnetskim poljima, u Scholaropediji, plus Beck-ov i Sherwood-ov Atlas magnetskih polja bližih galaksija. Za mjerenje stupnja polarizacije koristan je Faraday-ev efekt. Faraday-eva rotacija posljedično vodi k derivaciji jakosti magnetskog polja kroz koje polarizirano svjetlo prolazi. Visoko instruktivni znanstveni rad Phillip Kronberg-a i drugih, Mjerenje Električnog toka mlaza u Kpc-mjerilu omogućava nam značajan uvid u direktnu vezu između mjerene Faraday-eve rotacije u moćnim „čvorovima“ u velikom galaktičkom mlazu, rezultantne jakosti magnetskog polja, i električnog toka prisutnog u mlazu. Magnetska polja su uključena u oba modela Univerzuma, Gravitacijskom i Električnom. Bitna razlika je da Električni model prepoznaje da magnetska polja u svemiru uvijek prate električne struje. Kao slijedeće, pozabavit ćemo se električnim poljima i strujama. Uvod u Električna polja Električni naboj ima polaritet. To znači da je ili pozitivan ili negativan. Po dogovoru, elementarna (najmanja) jedinica je jednaka onoj elektrona (-e) ili protona (+e). Električni naboj je kvantiziran; on je uvijek cjelobrojni umnožak sa e. Osnovna jedinica naboja je coulomb (C), gdje je e= 1.60×10-19 coulomb-a. Ako uzmemo inverznu od ove sićušne vrijednosti, jedan coulomb je 6.25×1018 pojedinačno-nabijenih čestica. Jedan amper (A) električnog toka je jedan coulomb u sekundi. Struja 20A tako bi bila 20 C naboja u sekundi, ili prolaz 1.25×1020 elektrona u sekundi kroz fiksnu točku. Svaki naboj ima svoje pridruženo električno polje. Električno polje je slično magnetskom polju u tome da je uzrokovano fundamentalnom silom elektromagnetske interakcije i njegov „doseg“ ili granica utjecaja su beskonačni ili neodređeno veliki. Električno polje koje okružuje samu nabijenu česticu je sferno, baš kao gravitaciono akceleracijsko polje oko mase neke male točke ili neke velike sferne mase. Jakost električnog polja u točki je definirana kao sila u newton-ima (N) koja bi se izvršila na pozitivni test-naboj od 1 coulomb-a postavljen u toj točki. Kao i gravitacija, sila jednog naboja je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti do testnog (ili bilo kojeg drgog) naboja. Smisao definiranja test-naboja kao pozitivnog je da se konzistentno definira smjer sile koja nastaje djelovanjem jednog naboja na drugi. S obzirom da se jednaki naboji odbijaju a suprotni privlače, baš kao magnetski polovi, zamišljene linije električnog polja se teže usmjeriti od pozitivnih i prema negativnim nabojima. Vidjeti kratki YouTube video o električnom polju ovdje. Evo jedne demonstracije 2 naboja i njihovih pridruženih linija koju kontrolira korisnik u ovoj Mathematica aplikaciji. Treba se preuzeti Mathematica Player (samo jednom i besplatno je) sa vezane web stranice da bi se igralo sa demom. Kliknite na „Download Live Demo“ nakon što instalirate Mathematica Player. Može se podesiti jakost i polaritet naboja (+ ili -) pomoću klizača, i vući nabijene čestice po ekranu. Dajte linijama (krivuljama) polja vremena da se izglade između pojedinih promjena. Elektromagnetske sile su obično jače od gravitacionih u svemirskoj plazmi. Elektromagnetizam se može zapriječiti, dok se gravitacija ne može, koliko je za sada poznato. Uobičajeni argument standardnog modela je da je većina elektrona u jednom području ili tijelu sparena sa protonima u jezgrama atoma i molekula, tako da sile pozitivnih i negativnih naboja rezultiraju međusobnim isključivanjem tako perfektno da „za velika tijela gravitacija dominira“ (link: Wikipedia, Fundamental Interactions, pogeledati pod Electromagnetism podnaslov). Ono što se kod tog argumenta propušta uočiti je da se, s povremenom iznimkom relativno hladne, stabilne i gotovo-neutralne planetarne okoline kao one koju nalazimo u blizini Zemlje, većina ostale materije u svemiru sastoji od plazme; t.j. nabijenih čestica i neutralnih čestica koje se gibaju u kompleksnoj simfoniji razdvajanja naboja te električnih i magnetskih polja „vlastite izrade“. Gravitacija, bila i uvijek prisutna, nije tipično dominantna sila. Daleko od toga da bi se sastojali uglavnom od neutraliziranih naboja i slabih magnetskih i električnih polja te njihovih pridruženih slabih struja, električna polja i struje u plazmi mogu i esto budu vrlo veliki i moćni u svemiru. Električni model drži da su takvi fenomeni u prostoru kao magnetosfere, Birkelandove struje, zvijezde, pulsari, galaksije, galaksijski i zvjezdani mlazovi, planetarne maglice, „crne rupe“, energetske čestice kao gama zrake pa X zrake i druge, fundamentalno električna zbivanja u plazma fizici. Čak i stjenovita tijela – planete, asteroidi, mjeseci i komete, te plinovita tijela u nekom sunčevom sustavu – postoje u heliosferama svojih zvijezda, i nisu izuzete od elektromagnetskih sila i njihovih efekata. Svaki posebni električni naboj doprinosi ukupnom električnom polju. Rezultirajuća sila u bilo kojoj točki u kompleksnom elektromagnetskom polju, može se izračunati koristeći vektore, ako se pretpostavlja da su naboji stacionarni. Međutim, ako se nabijene čestice gibaju (to je zapravo uvijek), one „kreiraju“ – i pridružene su – također i magnetskim poljima, a to mijenja magnetsku konfiguraciju. Promjene u nekom magnetskom polju zauzvrat kreiraju električna polja i time utječu na struje same, i tako polja koja započinju elektronima u gibanju predstavljaju veoma kompleksne interakcije, uzvratne petlje i „neurednu“ matematiku. Naboji u svemiru se mogu distribuirati prostorno u bilo kojoj konfiguraciji. Ako se, umjesto točke ili sfere, naboji distribuiraju u linearnom uzorku tako da je duljina nabijene površine puno veća od njezine širine ili promjera, može se pokazati da električno polje okružuje linearni oblik poput valjaka jednakog potencijala sile, i da polje iz te konfiguracije slabi sa udaljenosti od konfiguracije kao obrnuto proporcionalno udaljenosti (ne obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti) od centralne linije. To je važno kod studiranja efekata električnih i magnetskih polja u filamentiranim strujama kao što su udari munje, plazma fokus, ili velike Birkelandove struje u svemiru. Zapamtimo da smjer primijenjene sile na pozitivni naboj počinje od pozitivnog naboja i završava na negativnom naboju, ili u nedostatku negativnog naboja, proteže se neodređeno daleko. Čak i mala neravnoteža naboja sa, recimo, pozitivnije-nabijenim česticama ovdje te negativnije-nabijenim česticama za neku duljinu dalje vodi do područja sile ili električnog polja između površina razdvojenih nesličnih naboja. Važnost ovog grupiranja će postati jasnija u diskusiji o dvostrukim slojevima u plazmi, nešto kasnije. Zamislimo električni kondenzator gdje su dvije razdvojene, suprotno nabijene ploče ili sloja, slično kao dvije ploče „B“ u gornjem dijagramu. Između slojeva, postojat će električno polje. Bilo koja nabijena čestica u gibanju ili pozicionirana između slojeva biti će ubrzana prema suprotno nabijenom sloju. Elektroni (koji su negativno nabijeni) ubrzavaju prema pozitivno nabijenom sloju, a pozitivni ioni i protoni prema negativno nabijenom sloju. Sukladno Newton-ovim zakonima, sila rezultira akceleracijom. Stoga će električna polja rezultirati time da nabijene čestice dobivaju na brzini. Suprotno nabijene čestice će se gibati u suprotnim smjerovima. Električna struja je, po definiciji, gibanje naboja kroz neku točku. Električna polja stoga uzrokuju električne struje dajući brzinu nabijenim česticama. Ako je neko električno polje dovoljno jako, tada će nabijene čestice tim poljem biti ubrzane do vrlo velikih brzina. Za malo dodatnog štiva o električnim poljima pogledajmo ovo. Otkrivanje Električnih polja i Tokova u Svemiru Električna polja i struje je teže otkriti bez da se postavi mjerni instrument direktno u polje, pa smo mi otkrili struje u Solarnom sistemu koristeći svemirske letjelice. Jedan od prvih je bio niskovisinski TRIAD satelit u polarnoj orbiti tokom 1970-ih godina koji je našao struje u međudjelovanju sa Zemljinom višom atmosferom. 1981 godine, Hannes Alfvén je objasnio model heliosferne struje u svojoj knjizi, Cosmic Plasma. Od tada, pronađeno je područje električne struje koje razdvaja pozitivna i negativna područja Sunčevog magnetskog polja i prozvano je zastor heliosferne struje (HCS). Nagnuto je otprilike 15 stupnjeva prema solarnom ekvatoru. Kroz polovicu solarnog ciklusa, magnetska polja sa smjerom prema-van leže iznad HCS i polja sa smjerom prema-unutra ispod njih. To se mijenja kada Sunčevo magnetsko polje okreće svoj polaritet na pola puta solarnog ciklusa. Kako Sunce rotira, HCS rotira s njim, „vukući“ svoje talasanje u ono što NASA naziva „standardnom Parkerovom spiralom“. Neki linkovi na heliosferne strujne zastore su Wikipedia, NASA, ova Mathematica demostracija, i Belgijski institut Aeronomije. Svemirske letjelice su mjerile promjene kroz vrijeme na raznim lokacijama od 1980-ih. Otkrile su struje blizu Zemlje te isto tako blizu Sunca. Gravitacijski model prihvaća da te struje postoje u svemiru ali pretpostavlja da su one rezultat magnetskog polja. Vratit ćemo se na ovu točku kasnije. Električna polja izvan dometa svemirskih letjelica ne mogu se otkriti baš na isti način kao magnetska polja. Razdvajanje ili širenje linije se u električnim poljima događa, ali je to asimetrično razdvajanje koje ukazuje na prisutnost električnog polja, za razliku od simetričnog razdvajanja linije koje ukazuje na prisutnost magnetskog polja. Dalje, širenje linije električnog polja je osjetljivo na masu elemenata koji emitiraju svjetlo (lakši elementi koji se lakše šire ili razdvajaju, i teži elementi manje afektirani time), dok je Zeeman-ovo širenje (ili širenje magnetskog polja) indiferentno prema masi. Asimetrično razdvajanje ili širenje sjajne linije se zove Stark-ov efekt po Johannes Stark-u (1874-1957). Slijedeći način na koji možemo otkriti električna polja je zaključivanjem na osnovi ponašanja nabijenih čestica, posebno onih koje su ubrzane na visoke brzine, i postojanja elektromagnetskog zračenja kao X-zrake u svemiru za koje već dugo znamo iz iskustva sa eksperimentima baziranim na Zemlji da su generirane jakim električnim poljima. Električni tokovi u plazmama niske gustoće u svemiru funkcioniraju kao fluorescentna svjetla ili ispražnjene Crookes-ove cijevi. U stanju slabe struje, plazma je tamna i zrači malo vidljivog svjetla (iako je hladna, rijetka plazma može zračiti puno u radiovalnim i nisko infracrvenim valnim duljinama). Kako struja jača, plazma ulazi u svijetleći modus, zračeći skromnu količinu elektromagnetske energije u vidljivom spektru. To je vidljivo na slici na kraju ovog poglavlja. Kada električna struja u plazmi postane vrlo intenzivna, plazma zrači u lučnom modu. Osim mjerila, postoji malo značajne razlike između munje i zračeće površine fotosfere neke zvijezde. Ovo znači, naravno, da su alternativna objašnjenja za ove efekte isto moguća, barem u teoriji. Gravitacijski model često pretpostavlja da slaba sila gravitacije pomnožena sa natprirodnim gustoćama koje su hipotetske da bi stvorile crne rupe ili neutronske zvijezde stvara takve tipove efekata. Ili možda su čestice ubrzane do brzina bliskih brzini svjetlosti eksplozijama supernova. Pitanje je da li je „multiplicirana gravitacija“ ili u laboratoriju provjerljivi elektromagnetizam konzistentniji s promatranjima da je Univerzum sačinjen od plazme. Električni model uvjerava da električni efekti nisu ograničeni samo na one dijelove sunčevog sustava koji se mogu doseći svemirskim letjelicama. Električni model pretpostavlja da se slični električni efekti također događaju izvan sunčevog sustava. Nakon svega, bilo bi čudno ako bi sunčev sustav bio jedino mjesto u Univerzumu gdje se pojavljuju električni efekti u svemiru. Kraj 2. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni vodič kroz Električni Univerzum – 3. poglavlje Plazma Predstavljanje plazme Poznato je da je svemir ispunjen plazmom. Zapravo, plazma je najuobičajenije stanje tvari u univerzumu. Nalazimo je na brojnim mjestima od vatre, neonskog svjetla i munja na zemlji do galaksijskog i međugalaksijskog svemira. Jedini razlog da nismo naviknutiji na plazmu je da čovječanstvo živi u biosferi uvelike sačinjenoj od tijela, tekućina i plinova prema kojima su naša osjetila podešena. Na primjer, mi ne doživljavamo vatru kao plazmu; mi vidimo svijetao plamen i osjećamo toplinu. Tek nam specifični eksperimenti pokazuju da je plazma doista prisutna u plamenu. „Plazma je zbirka nabijenih čestica koje reagiraju kolektivno na elektromagnetske sile“ (iz prvog paragrafa u Physics of the Plasma Universe, Anthony Peratt, Springer-Verlag, 1992). Plazma područje može također sadržavati udio neutralnih atoma i molekula, isto kao i nabijene i neutralne nečistoće kao što su prašina, zrna i veća čvrsta tijela od malih stjenovitih tijela do velikih planeta i, naravno, zvijezda. Određujuća karakteristika je prisutnost slobodnih naboja, što znači, iona i elektrona te ikakvih nabijenih čestica prašine. Njihova snažna reakcija na elektromagnetska polja uzrokuje ponašanje plazme koje je vrlo različito od onog ne-ioniziranog plina. Naravno, sve čestice – nabijene i neutralne – reagiraju na neko polje gravitacije, razmjerno njegovom lokalnom intenzitetu. Kako se većina Univerzuma sastoji od plazme, mjesta gdje gravitacijska sila dominira nad onom elektromagnetizma se relativno rijetko nalaze. Zbog svojih jedinstvenih svojstava, plazma se obično smatra fazom materije zasebnom od tijela, tekućina i plinova. Često se zove „četvrtim stanjem materije“ iako, s obzirom da je njezino stanje sveukupno najuobičajenije, trebalo bi se misliti o njoj kao o „prvom“ stanju materije. Graf dolje se obično koristi da bi se pokazalo kako se stanja mijenjaju s toplinske točke gledišta. Što je viša temperatura, viša će na energetskoj ljestvici biti i pozicija sa prijelazima prema dolje i gore kao što je pokazano. Međutim, treba vrlo visoka toplinska energija za bi se ionizirala materija. Ima isto tako i drugih načina, pa se ionizirano stanje sa neravnotežom naboja može inducirati i održati na gotovo bilo kojoj temperaturi. Čvrsto tijelo kao što je metalni električni kabel, jednom kad je spojen u električni krug sa dovoljno velikim izvorom električnog napona (baterija, elektrana) imat će elektrone razdvojene od metalne jezgre, da bi se slobodno gibali duž žice kao struja nabijenih čestica. Voda, npr. u epruveti, s malo metalne soli kao što je natrijev klorid je stvarno ionizirana. Ako se primijeni električni napon putem pozitivnog i negativnog vodiča, vodik i kisik mogu biti dovedeni do suprotno nabijenih vodiča i razviti se u plinovite atome kakvi su na sobnoj temperaturi. Takva stabilna, neutralna stanja su dio električnog svemira, ali ovaj Vodič će se fokusirati više na istraživanje stanja plazme i električnih struja u većim mjerilima, u svemiru. Neki molekularni oblak vrlo hladnog plina i prašine može ionizirati bliska zračeća zvijezda ili kozmičke zrake, s rezultirajućim ionima i elektronima koji preuzimaju karakteristike organizirane plazme, sposobne održati naboj i dvostruke slojeve stvarajući razdvajanje naboja i električna polja s vrlo velikim razlikama napona. Takva plazma će akcelerirati naboje i voditi ih bolje od metala. Struje plazme mogu rezultirati zastorima i filamentarnom formom, dvjema od mnogih morfologija kojima se može identificirati prisutnost plazme. Udio iona se mjeri s tri stupnja ionizacije. Stupanj ionizacije neke plazme može varirati od manje od 0.01% do 100% ali karakteristike plazme će se pojavljivati cijelom širinom tog raspona uslijed prisutnosti nabijenih čestica i razdvajanja naboja tipičnih za karakteristike plazme. Plazmu se ponekad naziva „ioniziranim plinom“. I dok je to tehnički korektno, ta terminologija je nepotpuna i zastarjela. Običavalo se maskirati činjenicu da se plazma uopće rijetko ponaša kao plin. U svemiru ona se ne širi jednostavno, nego se organizira u kompleksne forme, i ne će značajno reagirati na gravitaciju osim ako su lokalne elektromagnetske sile puno slabije od lokalne gravitacije. Plazma nije tvar u plinovitom stanju; to je tvar u stanju plazme. Sunčevo izbacivanje velikih masa „ioniziranog plina“ (plazme) kao što su prominencije i izbacivanja koronalne mase protiv vlastite moćne gravitacije ovdje jezgrovito služi za ilustraciju. Sunčev ‘vjetar’ je plazma, i sastoji se od nabijenih čestica u gibanju, također poznatih kao električni tok. To nije tekućina, niti ‘vjetar’ ili ‘vrući plin’ da to izrazimo jednostavnim pojmovima. Upotreba drugih riječi iz dinamike fluida samo zamagljuje stvarnost električnih tokova i plazma fenomena jačih od gravitacije, oko nas u svemiru, toliko daleko koliko možemo promatrati. Ionizacija Znamo da je svemir ispunjen poljima, raznim česticama, od kojih su mnoge nabijene, i nakupinama čestica u veličini od atoma do planeta te zvijezda i galaksija. Neutralne čestice – to jest, atomi i molekule imajući isti broj protona kao i elektrona, i ako zanemarimo anti-materiju u ovoj diskusiji – mogu se formirati od suprotno nabijenih čestica. I obrnuto, nabijene čestice mogu se formirati od atoma i molekula procesom kojeg zovemo ionizacija. Ako je neki elektron – jedan negativni naboj – odvojen od atoma, tada je preostali dio atoma ostavljen s pozitivnim nabojem. Odvojeni elektron i preostali dio atoma su se oslobodili jedan od drugoga. Taj proces se zove ionizacija. Pozitivno nabijeni ostatak atoma se zove ion. Najjednostavniji atom, vodik, sastoji se od jednog protona (njegove jezgre) i jednog elektrona. Ako je vodik ioniziran, tada je rezultat jedan slobodni elektron i jedan slobodni proton. Proton „samac“ je najjednostavniji tip iona. Ako je ionizirani atom teži od vodika, tada on može izgubiti jedan ili više elektrona. Pozitivni naboj iona će biti jednak broju elektrona koji su izgubljeni. Ionizacija se može isto dogoditi s molekulama. Može također izrasti iz dodavanja elektrona neutralnom atomu ili molekuli, rezultirajući u negativnom ionu. Čestice prašine u svemiru su često nabijene, i studija fizike prašnjave plazme je predmet istraživanja na mnogim sveučilištima danas. Da bi se odvojilo atome u ione i elektrone potrebna je energija – vidjeti graf dolje. Primijetimo ponavljajući uzorak grafa: alkalijski metal ima relativno nisku ionizacijsku energiju ili temperaturu (lak za ionizaciju). Kako se krećemo prema desno, povećavajući atomski broj – broj protona u jezgri atoma – energija potrebna za ionizaciju svakog „težeg“ atoma raste. Ima svoj vrhunac na slijedećem atomu „plemenitog plina“, nakon čega slijedi pad na slijedeći viši atomski broj, koji će opet biti metal. Zatim se uzorak ponavlja. Zanimljivo je napomenuti da se vodik, najlakši element, smatra ‘metalom’ u ovom električnom i kemijskom kontekstu, jer ima samo jedan elektron kojega spremno „odbacuje“ u svojoj vanjskoj (i jedinoj) elektronskoj orbitalnoj strukturi. Uobičajena terminologija u astronomiji, u kontekstu komponentnih elemenata zvijezda, je da su vodik i helij ‘plinovi’ a svi ostali prisutni elementi se kolektivno nazivaju ‘metali’. Iniciranje i održavanje ionizacije Energija za započinjanje i održavanje ionizacije može biti kinetička energija od kolizija između električnih čestica (dovoljno visoka temperatura), ili od dovoljno intenzivnog zračenja. Prosječna nasumična kinetička energija čestica se uobičajeno izražava kao temperatura, i kod nekih aplikacija vrlo visokih brzina kao elektron-volti (eV). Da bi preveli temperaturu iz kelvina (K) u eV, podijelimo K sa 11604.5. Suprotno, pomnožimo vrijednost u eV tim brojem da bismo dobili termalno ekvivalentnu temperaturu u K. Graf gore predstavlja ionizacijsku energiju potrebnu da se oduzme prvi, najudaljeniji elektron iz atoma ili molekule. Slijedeći elektroni su čvršće vezani za jezgru i njihova ionizacija zahtijeva čak još veće energije. Nekoliko nivoa elektrona može biti oduzeto od atoma u ekstremno energetskim okruženjima kao što su ona koja nalazimo u i blizu zvijezda i galaksijskih mlazova. Važno: Ove energetske plazme su važni izvori elektrona i iona koji mogu biti ubrzani do ekstremno visokih brzina, što je izvor kozmičkih zraka i sinkrotone radijacije na mnogim valnim duljinama. Veze kozmičkih zraka na uzorke pokrivanja oblaka koji utječu na našu globalnu klimu su objašnjene u knjizi Henrik Svensmark-a, The Chilling Stars Temperatura je mjera toga koliko nasumične kinetičke energije imaju čestice, što je povezano sa stupnjem sudaranja čestica i kako se brzo one gibaju. Temperatura utječe na stupanj ionizacije plazme. Električna polja poravnata (paralelna) s lokalnim magnetskim poljima (stanje „bez sile“) mogu se formirati u plazmi. Čestice ubrzane u uvjetima poravnanja polja teže se gibati paralelno, ne nasumično, i posljedično tome trpe malo kolizija. Pretvaranje putanja čestica od slučajnih do paralelnih se zove „determalizacija“. Kaže se za njih da imaju nižu „temperaturu“ kao rezultat. Analogija: zamislimo gibanje vozila u „derbiju destrukcije“ kao „vruć“, sudarima-naklonjen slučajni promet, i gibanje vozila po auto-cesti u trakama kao „hladan“, paralelno poravnat promet s malo sudara. U koliziji između elektrona i atoma, ionizacija će se pojaviti ako je energija elektrona (temperatura elektrona) veća od ionizacijske energije atoma. Jednako tome, ako se elektron sudari s ionom, ne će se prespojiti ako taj elektron ima dovoljno energije. Ovo se može vizualizirati kao elektron koji ima brzinu veću nego što je brzina oslobađanja od iona, tako da nije uhvaćen u orbitu oko iona. Temperature elektrona u svemirskim plazmama mogu biti u rangu od stotina do milijuna kelvina. Plazme stoga mogu biti djelotvorne u održavanju svojih ioniziranih stanja. Stanje razdvajanja naboja je normalno u svemirskim plazmama. Drugi izvori ionizacijske energije uključuju visoko-energetske kozmičke zrake koje dolaze iz drugih područja, visoko-energetsko ili „ionizirajuće“ zračenje kao intenzivno ultraljubičasto svjetlo upadno na plin ili slabo ioniziranu plazmu sa bližih zvijezda, susret područja plazme i područja neutralnog plina u kojem relativna brzina susreta premašuje Kritičnu brzinu ionizacije (CIV) (Hannes Alfvén, Collision between a nonionized gas and a magnetized plasma, Rev. Mod. Phys., vol. 32, p. 710, 1960) ili energetski zračeći procesi kreirani unutar same plazme. U kozmologiji Velikog praska, mislilo se da nema dovoljno energije u Univerzumu da bi se kreirao i održao značajan broj „slobodnih“ iona i elektrona kroz ionizaciju, pa shodno tome oni ne mogu postojati. S druge strane, gdje god se ioni i elektroni kombiniraju u atome, isijava se energija. U modelu Velikog praska, za protone i elektrone se mislilo da su kreirani prije atoma, tako da je enormna količina energije morala biti oslobođena za vrijeme formiranja atoma u Univerzumu. Izgleda moguće da ako je Veliki prasak točan, tada bi ta energija još uvijek bila dostupna da re-ionizira veliki broj atoma. Alternativno, čini se moguće da nisu svi protoni i elektroni sjedinjeni u atome nakon Velikog praska. Napominjemo da Električni model ne počiva na modelu Velikog praska. Električni model jednostavno kaže da otkrivamo ione svuda gdje smo gledali; tako da oni postoje, i vjerojatno su vrlo brojni. Teleskopi koji „vide“ u fotonima visokih energija, kao Chandra (X-zrake) i EIT Extreme Ultraviolet Imaging Telescope na SOHO letjelici za promatranje sunca, atestiraju na prisutnost izvora ionizirajuće energije u Univerzumu, blizu i daleko. Sugerirati da pokretni ioni i elektroni ne mogu egzistirati u velikim brojevima jer, teoretski, nema dovoljno energije da bi ih se kreiralo je pogrešno kao i uvjeravati da Univerzum ne može postojati zbog istog razloga. Istraživanje plazme Iako plazma i nije uobičajena u zemljinoj biosferi, vidljiva je u munjama kroz njihove brojne forme, sjevernim i južnim aurorama, iskrama i statičkom elektricitetu, automobilskim svjećicama, plamenima svih vrsta, (vidi 2. poglavlje, ¶2.6), u vakuumskim (elektronskim) cijevima, pri elektrozavarivanju, u pećima na električni luk, obradi električnim pražnjenjem, plazma bakljama za uklanjanje otrovnog otpada, te neonskim i ostalim fluorescentnim rasvjetnim cijevima i žaruljama. Ponašanje plazme detaljno je studirano u laboratorijskim eksperimentima više od 100 godina. Postoji veliki opseg objavljenog istraživanja ponašanja plazme raznih laboratorija i profesionalnih organizacija, uključujući Institut elektrotehničkih i elektroničkih inženjera (IEEE), što je najveća tehnička profesionalna organizacija na svijetu danas. IEEE objavljuje časopis, Transactions on Plasma Science. Oslanjat ćemo se na mnoga od tih istraživanja kada objašnjavamo ponašanje plazme dalje u ovom Vodiču. Jedna naznaka je imati u mislima da se ponašanje plazme pokazalo skalabilno preko mnogih redova veličine. To jest, možemo testirati primjere plazme u malom mjerilu i znati da se promatrani rezultati mogu primijeniti u mnogim mjerilima potrebnim da se objasni ponašanje plazme u svemiru. Plazma i plinovi Zahvaljujući prisutnosti svojih nabijenih čestica, to jest, iona, elektrona, i nabijenih čestica prašine, kozmička plazma se u prisutnosti elektromagnetskog polja ponaša na fundamentalno različit način od neutralnog plina. Elektromagnetske sile će uzrokovati da se nabijene čestice gibaju drukčije od neutralnih atoma. Kompleksno ponašanje plazme može rezultirati iz kolektivnog gibanja ove vrste. Značajna karakteristika ponašanja plazme je njena sposobnost da formira ćelije i niti u velikom-mjerilu. Zapravo, to je razlog zašto se plazma tako i zove, uslijed svojeg ponašanja gotovo nalik biološkom životu te sličnostima sa krvnom plazmom koja sadrži ćelije. Ćelijsko strukturiranje plazme čini je teškom za točno modeliranje. Korištenje pojma „ionizirani plin“ vodi u krivom smjeru jer sugerira da se ponašanje plazme može modelirati u smislu ponašanja plina, ili dinamike tekućine. Ne može, osim u nekim jednostavnim uvjetima. Alfvén i Arrhenius godine 1973 napisali su u Evolution of the Solar System: „Osnovna razlika [pristpa modeliranju] je do neke mjere u pojmovima ioniziranog plina i plazme koji, iako su relativni sinonimi, prenose dvije različite ideje. Prvi pojam daje utisak medija koji je u osnovi sličan plinu, posebno atmosferskom plinu na kojeg smo najviše navikli. Suprotno tome, plazma, djelomično ili potpuno ionizirana magnetizirana plazma, je medij sa bitno različitim svojstvima.“ Provođenje elektriciteta Plazma sadrži razdvojene nabijene čestice koje se mogu slobodno gibati. Imajući u vidu da, po definiciji, naboji u gibanju čine struju, možemo vidjeti da plazma može provoditi elektricitet. U stvari, kako plazma sadrži i slobodne ione i slobodne elektrone, elektricitet se može voditi s oba tipa naboja. Za usporedbu, vodljivost u metalu nastaje potpuno uslijed gibanja slobodnih elektrona jer su ioni vezani za kristalnu rešetku. To znači da je plazma čak još efektivniji vodič od metala, jer se i elektroni i njihovi korespondirajući ioni smatraju slobodnima za gibanje pod djelovanjem djelujućih sila. Električna otpornost plazme U Gravitacijskom modelu, za plazmu se radi jednostavnosti često pretpostavlja da je perfektan vodič sa otporom nula. Međutim, sve plazme imaju malu otpornost ali ona nije jednaka nuli. To je temeljno za kompletno razumijevanje elektriciteta u svemiru. S obzirom da plazma ima malu otpornost ali ipak veću od nule, ona je u stanju podržati slaba električna polja bez kratkog spoja. Električna vodljivost materijala je određena s dva faktora: gustoća „naseljenosti“ raspoloživih nosača naboja (iona i elektrona) u materijalu te pokretnost (sloboda gibanja) tih nosača. U svemirskoj plazmi, pokretnost nosača naboja je ekstremno visoka jer, uslijed vrlo niske sveukupne gustoće čestica i generalno niskih temperatura iona, one iskuse veoma malo sudaranja s drugim česticama. S druge strane, gustoća raspoloživih nosača naboja je također vrlo niska, što ograničava kapacitet plazme za vođenje struje. Električni otpor u plazmi, koji ovisi obrnuto proporcionalno o umnošku pokretnosti naboja i njegove gustoće, stoga ima malu vrijednost ali ona nije jednaka nuli. Zato što magnetsko polje prisiljava nabijene čestice koje se preko njega gibaju da promijene smjer, otpor okomito na neko magnetsko polje je efektivno puno viši nego otpor u smjeru gibanja tog magnetskog polja. Ovo postaje važno kada gledamo na ponašanje električnih struja u plazmi. Iako je plazma veoma dobar vodič, ona nije perfektan vodič, niti super-vodič. Stvaranje Razlike u nabojima Preko dovoljno velikog volumena, plazma teži imati isti broj pozitivnih i negativnih naboja jer se bilo koja neravnoteža naboja spremno neutralizira gibanjem elektrona visoke energije. Tako se nameće pitanje, kako mogu postojati različito nabijena područja, ako je plazma tako dobar vodič i teži sama sebe brzo neutralizirati? U malom mjerilu, reda veličine desetaka metara u svemirskoj plazmi, pojavit će se prirodne varijacije kao rezultat nasumičnih varijacija u gibanju elektrona, i one će proizvesti mala granična područja gdje se neutralnost privremeno krši. U većem mjerilu, pozitivne i negativne naboje koji se gibaju u magnetskom polju polje će automatski razdvojiti do nekog stupnja jer polje tjera pozitivne i negativne naboje u suprotnim smjerovima. To uzrokuje da se različito nabijena područja pojave i održe dok god se čestice nastavljaju gibati u magnetskom polju. Razdvojeni naboj rezultira električnim poljem, a to uzrokuje više akceleracije iona i elektrona, ponovno u suprotnim smjerovima. Drugim rječima, čim se stvore male nehomogenosti, to ubrzano vodi do početka kompleksnijeg ponašanja plazme. Kroz sva mjerila, karakteristično ponašanje plazme u vidu filamentacije i celularizacije kreira tanke slojeve gdje se naboji razdvajaju. Iako su slojevi sami po sebi tanki, oni se mogu protezati preko beskrajnih područja u svemiru. Važne Činjenice za zapamtiti u vezi Ponašanja Plazme Suštinska točka koju treba imati u vidu kada se razmatra svemirska plazma je da se ona često ponaša nimalo slično plinu. Na nabijene čestice koje su određujuća karakteristika plazme utječu elektromagnetska polja, koja čestice same mogu stvarati i mijenjati. Osobito, plazma formira ćelije i niti unutar sebe, to je ono zbog čega ju i nazivamo plazmom, a one mijenjaju ponašanje plazme, kao povratna petlja. Ponašanje plazme je poput ponašanja fraktala. Oba su kompleksni sistemi čije karakteristike proizlaze iz srazmjerno jednostavnih pravila. Za razliku od fraktala, međutim, na plazmu također utječu nestabilnosti, koji dodaju daljnje slojeve kompleksnosti. Bilo koji teoretski ili matematički model Univerzuma koji ne uzima u obzir ovu kompleksnost, ispustit će važne aspekte ponašanja sustava i ne će ga uspjeti ispravno modelirati. Kraj 3. Poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 4. poglavlje Elektromagnetizam Jednadžba Elektromagnetskog polja Znanstvenici pokušavaju objasniti fizikalne sustave u pojmovima matematičkih modela koji opisuju i predviđaju ponašanje sustava. Na primjer, Kepler je objasnio gibanja planeta sa svoja tri zakona. Na isti način, ponašanjem plazme upravljaju jednadžbe elektromagnetskog polja, koje opisuju gibanja nabijenih čestica i njihove interakcije s električnim i magnetskim poljima. Postoje dvije komponente jednadžbi elektromagnetskih polja: Maxwell-ove jednadžbe i Lorentz-ov zakon sile. Dvije komponente djeluju u tandemu kao povratna petlja: Maxwell-ove jednadžbe određuju električna i magnetska polja temeljeno na položaju i gibanju nabijenih čestica. One također određuju interakciju električnih i magnetskih polja ako se neko od njih mijenja. Lorentz-ov zakon sile određuje električne i magnetske sile na nabijenu česticu koja se giba unutar polja. Ova sila će uzrokovati gibanje (akceleraciju) svake čestice u skladu s Newton-ovim zakonima. Promjene položaja i gibanja nabijene čestice zauzvrat uzrokuju promjene u električnom i magnetskom polju. Da bi se razumjelo ove međudjelujuće fenomene u plazmama, konstruirani su kompjuterski programi. Oni tipično uključuju niz koraka, od kojih svaki predstavlja vrlo kratki raspon vremena. Prvo, znajući stanje prisutnih magnetskih i električnih polja te masu, naboj, brzinu i smjer svake čestice, koristeći Lorentz-ov zakon sile, računaju se sile aplicirane poljem na svaku česticu i njezinu poziciju. Računa se vektorska suma doprinosećih sila, i rezultirajuće ubrzanje čestice pokreće ju na malu udaljenost u intervalu sićušnog vremenskog koraka (Newton-ovi zakoni gibanja). To se postiže za cijeli skup čestica. Tada, razmatrajući nove koordinate te stanja gibanja svake čestice, Maxwell-ove jednadžbe se koriste da bi se odredilo vrijednosti električnih i magnetskih polja. Nakon toga, petlja se vraća na prvi korak, gdje se električne i magnetske sile koje djeluju na svaku česticu ponovno računaju koristeći Lorentz-ov Zakon. Petljom se upravlja tako da joj program naloži da se zaustavi kada se dostigne definirani uvjet, primjerice kad se dostigne određeni broj ponavljanja, ili ako se dostigne, promijeni ili premaši određena vrijednost u varijablama, ili se susretnemo s nekom vrstom greške itd. Jednom kad je definiran skup polaznih uvjeta (broj čestica, njihovih naboja, masa, inicijalnih brzina, i opisa intenziteta pretpostavljenih električnih i magnetskih polja kroz definiran volumen prostora), proces gore navedene petlje može se naznačiti kako slijedi: Izračun svih sila koje djeluju na svaku česticu putem Lorentz-ove sile. Izračun novih položaja i brzina za vrlo kratki prirast vremena koristeći Newton-ove zakone gibanja. Izračun - pri svakoj novoj lokaciji nabijene čestice poslije tog prirasta vremena. Ako uvjet završetka-petlje još nije zadovoljen, vraćanje na 1. korak i nastavak izračuna. Radi veće točnosti ili bolje aproksimacije „stvarnosti“ mogu se pridodati drugi aspekti , kao što su sudari čestica, sile viskoznosti, pa gravitacije itd. s ciljem kompletnijeg modeliranja. To je kompleksan pothvat, i izračun velikih modela s puno čestica super-kompjuterom mogu trajati mjesecima. Ova povratna petlja može rapidno rezultirati u visoko kompleksnom ponašanju koje je ekstremno komplicirano za matematičko modeliranje. Često se uvode pojednostavljenja. Međutim, pojednostavljene pretpostavke često vode do izostavljanja upravo onih ponašanja koja razlikuju ponašanje plazme od ponašanja plina ili druge tekućine. Vodič kroz komoru mjehurića sa CERN Puni opis jednadžbi elektromagnetskog polja nalaze se u Prilogu II. Ono što slijedi je sažetak ključnih točaka. Maxwell-ove Jednadžbe Posljedice Maxwell-ovih jednadžbi i temeljnog istraživanja su: Statičko električno polje može postojati bez magnetskog polja; npr. kondenzator ili čestica prašine sa statičkim nabojem Q ima električno polje bez magnetskog polja. Konstantno magnetsko polje može postojati bez električnog polja; npr. vodič sa konstantnim tokom I ima magnetsko polje bez električnog polja. Tamo gdje su električna polja vremenski-varijabilna, mora postojati magnetsko polje koje nije jednako nuli. Tamo gdje su magnetska polja vremenski-varijabilna, mora postojati električno polje koje nije jednako nuli. Magnetska polja mogu biti generirana samo na dva načina osim permanentnim magnetom: električnim tokom, ili električnim poljem koje se mijenja. Magnetski monopoli ne mogu postojati; sve linije magnetskog toka su zatvoreni čvorovi. Lorentz-ov Zakon sile Lorentz-ov zakon sile izražava ukupnu silu na nabijenu česticu izloženu i električnom i magnetskom polju. Rezultantna sila diktira gibanje nabijene čestice po Newton-skoj mehanici. Kako je Lorentz-ova jednadžba fundamentalna za svo ponašanje plazme, vrijedno je potrošiti malo vremena razumijevajući što ona znači. Jednadžba je: F = Q(E + U × B) (Vektori su dani masnim slovima i objašnjeni ispod) Gdje je F Lorentz-ova sila na česticu; Q je naboj čestice; E je intenzitet električnog polja; U je vektor brzine čestice; B je gustoća magnetskog toka, a “×” je simbol vektorskog križnog produkta, ne samo znak množenja. Čitamo to kao „U vektorski pomnoženo sa B“. Da bismo razumjeli što jednadžba zapravo znači, trebamo znati nešto o vektorima. Vektor je količina koja ima i veličinu i smjer. Primjeri uključuju vektor brzine i silu. On je kao strelica –ima duljinu i pokazuje u nekom smjeru. Za razliku od toga, skalarna količina ima samo veličinu. Primjeri uključuju brzinu i temperaturu. Vektorska algebra je matematika koja se bavi vektorima. Za one koji žele znati, više detalja o vektorskoj algebri je dano u Prilogu III. Objašnjenje sa Hyperphysics je također dobar uvod. Osnove razumijevanja Lorentz-ove jednadžbe će biti objašnjene ovdje. Prvo, množenje vektora skalarnom količinom je kao stavljanje više sličnih strelica u istom smjeru jednu za drugom. Vektor je prva strelica, skalarna količina je broj sličnih strelica. Rezultat je veća strelica u istom smjeru kao izvorni vektor. Međusobno množenje dvaju vektora je složenije. Zamislimo vrlo velik vijak u ploči gdje utor za odvijač u glavi vijka predstavlja prvi vektor a drugi vektor je nacrtan na ploči. Kako se vijak okreće u smjeru kazaljke na satu dok god utor ne dođe u ravninu s drugim vektorom, vijak će se pomaknuti u ploču pod pravim kutovima i na utor i na drugi vektor. Količina gibanja ovisi o dimenzijama vijka i iznosu za koji je zaokrenut. Vektorski umnožak je pomalo nalik tome. Međusobno množenje dva vektora korištenjem vektorskog produkta rezultira novim vektorom pod pravim kutovima na oba prethodna vektora. Smjer novog vektora je određen smjerom gibanja našeg zamišljenog vijka. Veličina novog vektora ovisi i o kutu koji zatvaraju i o veličini izvornih vektora. Formalnije, u Kartezijevim koordinatama, ako je vektor u smjeru x pomnožen vektorom u smjeru y, tada je rezultat vektor u smjeru z. Veličina rezultirajućeg vektora je produkt triju veličina tj. duljina dvaju izvornih vektora te sinusa manjeg kuta između njih. Ako su paralelni, kut između njih je nula. Jer je sin(0°) jednako nula, u tom slučaju nema rezultirajuće sile u smjeru z. Efekt je veoma sličan žiroskopskom efektu pri rotaciji čvrstih tijela: sila u jednom smjeru rezultira gibanjem u smjeru pod pravim kutovima. To je poznato kao precesija. Kad se vratimo na Zakon Lorentz-ove sile, vidimo da je ukupna sila sačinjena od dva dijela. Prvi dio je QE što je produkt skalarne veličine naboja na čestici i vektora jakosti električnog polja. Veličina sile od električnog polja je umnožak naboja na čestici i jakosti električnog polja. Naglasimo da je sila od električnog polja konstantna i djeluje u smjeru E, tako da će uzrokovati konstantnu akceleraciju čestice u smjeru od E u skladu s Newton-ovim Zakonima gibanja, jedan smjer za pozitivni naboj, a suprotni smjer za negativni naboj. Drugi dio jednadžbe, Q(U x B) je zanimljiviji. Ovdje imamo dva vektora međusobno pomnožena korištenjem vektorskog produkta i zatim pomnožena nabojem na čestici. Pretpostavljajući da se čestica prvotno nije gibala poravnato sa poljem, u kojem bi slučaju sila bila nula, tada bi rezultat bio sila koja je pod pravim kutovima na oba smjera gibanja; i čestice i magnetskog polja. Ovo objašnjenje Pravila desne ruke će objasniti „usmjerujuću“ silu koju magnetsko polje u nekom smjeru izvršava na nabijenu česticu koja ulazi u polje. Sila pod pravim kutovima na gibanje je centripetalna sila. Magnetsko polje će stoga uzrokovati nabijenu česticu da se giba u krugu u ravnini okomitoj na smjer magnetskog polja. Kako se čestica giba po kružnici njena vektorska brzina u bilo kojoj točki će još uvijek imati komponentu pod pravim kutovima na magnetsko polje, i tako će još uvijek trpiti centripetalnu silu koja ju održava u kružnoj putanji. Njezin smjer se stalno mijenja, ali njezina brzina je nepromijenjena, u ovim uvjetima. Jednostavan slučaj je razmotriti što se događa kada nabijena čestica u gibanju uđe u (fiksno) magnetsko polje. Radi jednostavnosti, ignorirat ćemo bilo kakve efekte koje čestica može imati na magnetsko polje. Ako ulazi u polje paralelno smjeru polja, ne trpi nikakvu silu i ništa se ne mijenja s njenom brzinom i smjerom. Ako ulazi u polje pod pravim kutom na smjer polja, njezina putanja će se jednostavno zakriviti u krug koji se zatvara. Bez električnog polja Lorentz-ov zakon se čita (centripetalna sila) F = Q(U × B). Sila primijenjena na nabijenu česticu je direktno proporcionalna sa Q, nabojem čestice, sa U, vektorom brzine, i sa B, vektorom magnetskog polja. Značenje U × B je U puta B puta sinus manjeg kuta između ta dva vektora, što znači da je UB pomnožen sinusom kuta, znači njegov je efekt u rasponu od nula do 1. U usporednoj ilustraciji ispod, naboj čestice i magnetsko polje se drže konstantni a brzina čestice kako ulazi u polje se povećava s lijeva na desno. Što se brže čestica giba, veći je radijus rezultantne kružne putanje, jer je radijus r mjera linearnog momenta čestice mU gdje je m masa čestice r = mU ÷ (|Q|B). Isti rezultat bi vrijedio ako bi se naboj pojačao dok bi se ostale dvije varijable zadržale konstantnima. Ako nabijena čestica ulazi u magnetsko polje s komponentom gibanja u smjeru polja, t.j. pod kutom između nula i 90 stupnjeva na smjer polja, ona će se „zanijeti“ u smjeru paralelnim s poljem, dok polje prisiljava česticu u kružnu putanju. Ova „zanoseća“ kružna putanja stvara trag uvojnice ili spirale. „Izvodni centar“ kruga slijedi liniju magnetskog polja. Radijus r je poznat kao Larmor radijus ili ciklotron radijus. U tri ilustracije dolje, kut upada čestice i jakost magnetskog polja, B, ostaju isti, sa malim zanosećim gibanjem prema desno. Inicijalna upadna brzina pojačava se u koracima s lijeva na desno. U serijama slika dolje, zeleni upadni vektor koji dodiruje linije magnetskog i električnog polja pokazuje na na koji se način pozitivno nabijena čestica (po konvenciji) giba kad „ulazi“ u polje (polja). Čestica može ići u oba smjera duž linije tog vektora pri ulazu, tako da postoje dvije putanje koje dolaze iz vrha zelenog vektora, kao što ćemo vidjeti. Da je čestice nabijena negativno, ubrzavala bi u suprotnom smjeru, a da je teža ili da se brže giba, imale bi veći dijametralni krug nego što je prikazano. Slično tome, da se električna ili magnetska polja promijene, držeći ostale faktore konstantnima, to bi slično promijenilo ponašanje čestice. Uske narančaste „cijevi“ predstavljaju putanje čestice koje rezultiraju iz upadnih uvjeta. Ukupna sila će biti vektorska rezultanta električnih i magnetskih sila te ovisi o kutu između dva polja (slike dolje). Ako su električna i magnetska polja paralelna (kao u situaciji toka poravnatog s poljem koju ćemo razmatrati kasnije), onda će nabijena čestica, približavajući se radijalno duž aksijalnog smjera, biti prinuđena na gibanje u uvijenoj putanji poravnatoj sa smjerom tih polja. To će reći, čestica će spiralno kružiti uokolo osnog smjera magnetskog polja kao rezultat Lorentz-ove sile, ubrzavajući u smjeru električnog polja. Ovo izaziva posljedična okretanja više i više prema van kako se brzina čestice u smjeru E-polja s vremenom povećava. Ako nabijena čestica ulazi u kombinirano, poravnato polje osno (paralelno s magnetskim poljem), ona ne će iskusiti nikakvo magnetsko polje tako da se sila kruženja oko centra vođenja ne će izvršiti. Električno polje, međutim, će još uvijek ubrzavati česticu duž linija polja. Ovisno o njenom naboju, ako čestica uđe u smjeru ubrzavajuće sile, njezina brzina se povećava. Ako uđe suprotno toj sili, usporava i može stati i ubrzavati natrag u suprotnom smjeru. Ako polja nisu poravnata, različite kombinacije putanja se mogu pojaviti ovisno o posebnostima naboja, jakostima polja, upadnom smjeru i kutnoj neporavnatosti magnetskih i električnih polja. Iako ove putanje mogu izgledati kompleksno, one uključuju samo jednu po jednu nabijenu česticu, s konstantnim električnim i magnetskim poljima, sa istom upadnom brzinom. U praksi mnoge nabijene čestice mogu zauzeti volumen prostora odjednom, i njihove električne i magnetske interakcije mogu afektirati vrijednosti polja u kojem se gibaju. Mogu postojati i neutralne čestice, isto kao i prašina te zrna i velika tijela, od kojih svi također mogu utjecati drugim silama (gravitacijom, viskoznosti, sudarima) na plazma interakcije. Napominjemo u prolazu da se sekundarni efekti relativističkih elektrona koji se u spiralama gibaju oko magnetskih polja često detektiraju kao sinkrotronska radijacija. Iz razmatranja zakona Lorentz-ove sile, znamo da tu stoga mora postojati neko električno polje poravnato sa magnetskim poljem i da osno gibanje elektrona u spirali s komponentom vektorske brzine paralelne s magnetskim poljem konstituira struju poravnatu s poljem. Te struje su Birkeland-ove struje; one se pojavljuju u mnogim kozmičkim mjerilima. Drugi efekti Jednadžbi Polja Vrijedno je zapamtiti neke osnovne rezultate koji se nameću iz primjene jednadžbi elektromagnetskih polja. Električna polja uzrokuju silu na sve nabijene čestice. Električna sila će biti u suprotnim smjerovima za suprotno nabijene čestice; stoga, električno polje će proizvesti suprotne vektorske brzine iona i elektrona i tako težiti da ih razdvoji. Razdvajanje naboja u svemiru je važno u fizici plazme. Magnetska polja djeluju samo na nabijene čestice u gibanju Zato što sila ovisi o vektorskom produktu vektora brzine i vektora polja, efekt će biti različit u različitim smjerovima. To rezultira u električnom otporu ovisnom o smjeru. Sjetimo se plivanja preko rijeke za razliku od plivanja niz riječnu struju. Magnetska sila je ovisna o naboju, ioni i elektroni će stoga kružiti u suprotnim smjerovima sa različitim radijusima i periodima rotacije. Gibanje plazme većeg obujma direktno preko smjera magnetskog polja će uzrokovati da se razvije lokalno električno polje što će samo po sebi uzrokovati nove sile na nabijene čestice. Promjene u distribuciji nabijenih čestica uzrokuju promjenu u električnom polju između njih; promijenjeno električno polje uzrokuje promjenu u magnetskom polju. Maxwell-ove jednadžbe i Lorentz-ov zakon sile djeluju zajedno kao povratna petlja modificirajući gibanja nabijenih čestica i polja na kompleksne načine. Zamjenjivanje Tokova Magnetskim poljima Nameće se pitanje da li se električni tokovi mogu zamijeniti magnetskim poljima koristeći Maxwell-ove jednadžbe, što bi rješenja učinilo puno lakšima. Odgovor je, tehnički, da mogu u određenim jednostavnim situacijama, i to se često radilo u magneto-hidro-dinamičkim teorijama i modelima jer je podesnije da bi se studirali neki plazma fenomeni. Međutim, postoje mnogi aspekti ponašanja plazme gdje je potrebno i presudno razmotriti gibanje nabijenih čestica jer jednostavno razmatranje ponašanja polja ne može modelirati uočene kompleksnosti ponašanja plazme. Situacija je analogna onoj dualnosti vala i čestice u fizici čestica: postoje neke situacije gdje je nužno koristiti upravo opis čestice. Primjeri ponašanja plazme koji zahtijevaju korištenje opisa čestice ili toka uključuju celularizaciju i filamentaciju, transport energije, te nestabilnosti. Razmatranje električnih tokova i krugova također zahtijeva opis baziran na česticama. Jednostavno razmatranje jedino efekata polja u tim situacijama, propustit će uočiti istinsku kompleksnost ponašanja plazme. Kao slijedeće, bacit ćemo pogled na neke od tih kompleksnijih ponašanja. Kraj 4. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni vodič kroz Električni Univerzum — 5. poglavlje Dvostruki slojevi bez-struja Temperatura i Potencijal Plazme Vidjeli smo da je temperatura mjera toplinske energije čestica u materiji. Specifičnije, temperatura je mjera kinetičke energije nasumičnog termalnog gibanja čestice. Elektron ima samo 1/1840-inu mase (približno) protona, tako da će elektroni imati puno veće brzine nego ioni pri istoj temperaturi. To je zato što je kinetička energija proporcionalna masi čestice i kvadrata njezine brzine K.E. Stoga, na istoj temperaturi, omjer brzina će biti obrnuto proporcionalan kvadratnom korijenu masa čestica. Na primjer, brzina elektrona će biti oko 43 (tj. √1840) puta veća od brzine jednog protona. Ako su pozitivni ioni u plazmi teži od jednog protona onda će razlika rasti sukladno tome. Štoviše, zbog Principa Održanja Momenta, elektron će težiti podvrgavanju većoj promjeni u svojoj kinetičkoj energiji nego ion prilikom sudara te dvije čestice. Viša brzina elektrona rezultira u bržim interakcijama, što znači da elektroni postižu toplinsku ravnotežu („istu temperaturu”) između sebe puno brže nego ioni. Bilo koji porast kinetičke energije, bilo zbog sudaranja ili vanjskih inputa energije, se prema tome raspodjeljuje među elektronima vrlo brzo. Zbog ovih razloga, uobičajeno je za temperaturu elektrona u plazmi da bude različita od temperature iona. često će temperatura elektrona biti viša nego temperature iona ili ambijenta. Ovo je posebno uobičajeno u slabo ioniziranim plazmama, gdje su ioni često blizu ambijentalnih temperatura dok brže gibajući elektroni imaju visoke temperature. Referenca Wikipedije na temperaturu plazme nalazi se ovdje. U nekoj plazmi temperatura se često izražava kao toplinski potencijal koji je jednak padu potencijala (promjena voltaže) kroz koji bi čestice morale pasti da bi dobile istu količinu energije. Kinetička energija se dakle može izraziti u elektron voltima ili eV. Što je plazma vrelija, to se brže elektroni i ioni gibaju u slučajnom toplinskom gibanju i to viši je njihov potencijal. Potencijal od 1 eV je ekvivalentan temperaturi od 11,604.5 K. I čestice s puno redova veličine višim potencijalima, uobičajene su u svemiru. Visoka brzina elektrona je posebno važna u razumijevanju mnogih aspekata ponašanja plazme, uključujući radio galaksije, galaksijske i zvjezdane mlazove, produkciju sinkrotron-radijacije te kozmičkih zraka. Razvoj Površinskih Omotača Ako je plazma sadržana u laboratorijskoj epruveti ili drugoj posudi, elektroni i ioni u plazmi će udarati na stjenke posude frekvencijom proporcionalnoj njihovoj brzini. Pri udaru, čestice su apsorbirane stjenkama. Kako elektroni imaju puno veću brzinu od iona, mjera udaranja elektrona će biti puno puta veća od udaranja iona. Kao rezultat, stjenke posude će poprimiti negativni naboj. Kako se negativni naboj na površini razvija, dolazeći elektroni će težiti odbijanju od površine. Samo oni elektroni sa dovoljnom brzinom za prevladavanje odbojnosti će još uvijek biti u stanju udariti na površinu. Negativni naboj na površini će nastaviti rasti dok broj elektrona koji udaraju na površinu ne postane jednak broju pozitivnih iona koji nadolaze. Plazma i površina će dostići ravnotežu, Ili postojano stanje. U postojanom stanju, samo najbrži elektroni će još uvijek biti u stanju proći kroz nepovoljni gradijent potencijala sa negativno nabijene površine. Većina elektrona će biti spriječena u približavanju površini. Ovo rezultira slojem plazme graničnim sa površinom u kojem broj iona premašuje broj elektrona. Ovaj pozitivni sloj je poznat kao Debye Omotač. Slične efekte nalazimo ako je takva površina nabijena negativno ili pozitivno spajanjem na neki izvor potencijala kao što je baterija. Naboj na površini odbija kao naboji u plazmi, ostavljajući za sobom suprotno-nabijeni omotač. Opseg Omotača Površinski omotač nema određenu fizičku granicu ali se može smatrati da završava gdje rezultirajući potencijal s negativne površine i pozitivnog omotača djelujući zajedno drže u ravnoteži potencijal plazme same. Drugim riječima, granica omotača je tamo gdje je potencijal točno dostatan da bi odbijao elektrone s energijom jednakom potencijalu plazme. Na primjer, ako je potencijal plazme +1V tada će nominalna granica imati potencijal -1V. Objašnjenje je kako slijedi: Granica ima negativni potencijal jer omotač mora odbijati nadolazeće elektrone. Elektroni u plazmi imaju kinetičku energiju 1eV. Stoga, omotač treba -1V potencijal da bi zaustavio dolazeće elektrone da ne dopru do površine. To je analogno kotrljanju lopte uz brijeg. Ako lopta ima dovoljno kinetičke energije doseći će vrh. Ako ne, dostići će dio puta prema gore prije nego se zaustavi i počne kotrljati natrag. Potencijal omotača je analogan visini brijega. Može se vidjeti da omotač nema ‘čvrsti’ rub i u stvari potencijal polja koji nastaje od negativne površine se nastavlja dalje od ‘granice’ omotača. Bez obzira na to, granica se može uzeti kao točka na kojoj je negativna površina učinkovito ‘neutralizirana’ omotačem jer se elektroni s plazma potencijalom ‘reflektiraju’ natrag u plazmu u toj točki. Američki kemičar i dobitnik Nobelove nagrade Irving Langmuir je razvio metode mjerenja i promatranja djelovanja plazme. Zanimljivo i korisno PDF predavanje, Plazma, Omotači i Površine- Znanost Izboja Irving Lamuir-a, može se naći ovdje. Nabijena Tijela u Plazmi Slični omotači će se formirati oko bilo kojeg nabijenog tijela u nekoj plazmi gdje tijelo ima različit potencijal od same plazme. Plazma učinkovito izolira strano tijelo formirajući omotač oko njega. Omotač će težiti isključivanju elektrostatskog polja sa stranog naboja na isti način na koji omotač teži izolirati negativno izoliranu površinu. Tijelo bi konačno moglo biti neutralizirano suprotnim nabojima od onih koje apsorbira. Ako se nabijenom tijelu može umjetno dodati pozitivni ili negativni naboj spajanjem na vanjski izvor kao što je baterija, ioni ili elektroni, ovisno o naboju, će biti privučeni tijelu i tako će struja teći. Pažljivim mjerenjem struje za raspon voltaža, moguće je izmjeriti potencijal plazme same. Jedna takva naprava je nazvana Langmuir-ova Sonda po Irving Langmuir-u 1881-1957. Tok naboja iz solarnog vjetra može se promatrati kod planeta s magnetskim poljima koje imaju polarne „vrhove” ili „rupe” koje vode nabijene čestice dolje prema tijelu i kroz tijelo planete, stvarajući prizore aurore u gornjoj atmosferi. Polusatna ubrzana snimka Zemljinog auroralnog ovala, viđeno na ovoj NASA slici u ultraljubičastom svjetlu (lažna boja) U manjim mjerilima, neki se planetarni mjeseci gibaju u orbitama napunjenim-plazmom, sa protokom nabijenih čestica usmjerenim od mjesečevih polarnih regija duž linija magnetskog polja prema i od „vrućih točaka” u auroralnim ovalima veće planete. Primjeri uključuju Ganimed, Europu i Io pri Jupiteru, Enceladus pri Saturnu, i vjerojatno U manjim mjerilima, neki se planetarni mjeseci gibaju u orbitama napunjenim-plazmom, sa protokom nabijenih čestica usmjerenim od mjesečevih polarnih regija duž linija magnetskog polja prema i od „vrućih točaka” u auroralnim ovalima veće planete. Primjeri uključuju Ganimed, Europu i Io pri Jupiteru, Enceladus pri Saturnu, i vjerojatno Celularizacija u Plazmi Slični efekti također se pojavljuju između dviju susjednih regija plazme s različitim karakteristikama. Na primjer, dvije regije mogu imati različite temperature, gustoće, ili stupnjeve ionizacije. U toj situaciji, različite distribucije brzine u dvije regije će postaviti dvostruki omotač na granicu čime se svaka regija učinkovito izolira od one druge. Dvostruki omotač će se sastojati od susjednih tankih slojeva pozitivnog i negativnog naboja, razdvojenih relativno malom distancom. To je jedan tip Dvostrukog Sloja. Zbog toga što nisu uključeni tokovi pokrenuti izvana, slojevi između različitih područja plazme su poznati kao Dvostruki Slojevi bez-Toka (CFDL). Više o dvostrukim slojevima u plazmi ovdje. Napominjemo posebno vanjske linkove, vezane referentne znanstvene radove, na dnu ovog članka. Dvostruki slojevi i omotači su dobro-poznati fenomeni u dinamici plazme, opisani u udžbenicima i najbolje opisani u Wiki diskusiji o Vlasov-Poisson jednadžbi: „Općenito distribucije plazme blizu dvostrukog sloja su nužno ne-Maxwell-ijanske1, i stoga nedostižne modelima fluida. Da bi se analiziralo dvostruke slojeve u punoj općenitosti, plazma se mora opisati koristeći funkciju distribucije čestice, koja opisuje broj čestica vrste a koja ima približnu brzinu v blizu mjesta x i vremena t” 1[Iz Wikipedije, Physical Applications of Maxwell-Boltzman Distributions: Maxwell-Boltzmann-ova distribucija primijenjuje se na idealne plinove bliske termodinamičkoj ravnoteži sa zanemarivim kvantnim efektima i ne-relativističkim brzinama. Ona formira bazu kinetičke teorije plinova, što objašnjava mnoge fundamentalne osobine plinova, uključujući tlak i difuziju.] (Naglasio Urednik) Važnost gornje reference: Ovo je razlog da su konvencionalne hidro-dinamičke i magnetohidro-dinamičke jednadžbe toka fluida neadekvatne za puni i točni matematički opis dinamike plazme. Iz toga je proizašlo razvijanje računske metode, u masivno paralelnim kompjutorskim sistemima u 1980-ima, za modeliranje plazme zvane simulacija čestice-u-ćeliji (PIC). Ovdje je Wikipedia članak o PIC-u, a ovdje je jedan više tehnički znanstveni rad o toj temi. Formiranje Dvostrukog Sloja bez-Toka (CFDL) Vidjeli smo da se CFDL formira između regija plazme sa različitim karakteristikama. Kao primjer, dozvolite da razmotrimo efekt razlike temperature (u elektron voltima, ref. Ovo uzrokuje da se izgradi električno polje, koje će ubrzati elektrone natrag u vreliju regiju. Neto tok elektrona prema hladnijoj regiji će nastaviti izgrađivati električno polje dok se ne dostigne ravnoteža između broja vrelijih elektrona koji se gibaju prema hladnijoj regiji i broja elektrona koji se ubrzavaju natrag prema vrućoj regiji električnim poljem. Tanke regije blizu granice sadržavajući ekscesni broj iona konstituiraju Dvostruki Sloj na granici koji ima električno polje i s time vezan pad potencijala preko njega. Formiranje omotača na granicama između različitih plazmi kreira ćelije plazme. Ova celularizacija je definirajuća karakteristika ponašanja plazme. Plinovi se ne ponašaju na taj način, što je jedan razlog zašto nije moguće primijeniti zakone plinova na plazmu. Sličnost s Mehanikom fluida Na prvi pogled, dvostruki sloj (DL) izgleda sličan udarnom valu u dinamici fluida. Zaista, DL dijeli neke karakteristike udarnog vala u tome da dijeli regije različitih karakteristika i djeluje akceleriranjem medija. U slučaju DL-ova, međutim, akceleracija se pojavljuje kao rezultat jakog električnog polja između suprotno nabijenih slojeva. Kako sila električnog polja ovisi o naboju čestice, ioni i elektroni se ubrzavaju u suprotnim smjerovima. Neutralne čestice se ne ubrzavaju uopće električnim poljem, ali mogu biti uključene kroz viskozne ili druge efekte. Napominjemo da formacija Dvostrukih slojeva ne može biti efektivno modelirana analizom tekućina kao što je magneto-hidrodinamika (MHD) jer je uzrokovana sa i ovisna o gibanjima različitih individualnih čestica, a ne o skupnom gibanju plazme. Dvostruki slojevi su jedan od najvažnijih aspekata samo-organizacijskih karakteristika kozmičke plazme, kao što ćemo vidjeti. Opći uvod u Fiziku Plazme sa perspektive Wikipedie može se naći ovdje , uključujući karakteristike, fenomene i matematičke modele. Dok Wikipedia često ima dobro napisane članke, kao bilo što drugo ona može nekad biti nepouzdana ili nepotpuna, ili podložna neobjektivnom uređivanju, tako da uvijek pazimo kada procjenjujemo članke iz Wiki, isto kao i iz drugih izvora. Kraj 5. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 6. poglavlje Struje, Filamenti i Stezanja Toplinsko Gibanje i Struja Važno je razlikovati između slučajnog toplinskog gibanja i uniformnog linearnog gibanja u plazmi. Ovo drugo je električni tok koji teče zbog prisutnosti električnog polja. Slučajno toplinsko gibanje se mjeri temperaturom plazme, ili temperaturama iona i elektrona odvojeno ako su njihove temperature različite. Ovo gibanje, s obzirom da je to gibanje nabijenih čestica, je također vrsta struje, ali one koja oscilira oko neke prosječne pozicije, za razliku od gibanja samo u jednom smjeru. Striktno govoreći, temperatura može biti točna mjera energije samo ako je distribucija brzina individualnih čestica Maxwell-ijanska, što znači, ako je distribucija ekvivalentna onoj koja bi rezultirala iz elastičnih sudara između čestica. Uniformno linearno gibanje rezultira iz električnog polja i predstavlja skretanje struje. Sve čestice sa istim nazivnim nabojem (pozitivnim ili negativnim) gibaju se u istom smjeru pod utjecajem električnog polja. To jest, u plazmi, gdje je približno isti broj pozitivnih i negativnih čestica („neto neutralnost“), nalazimo pozitivno nabijene čestice koje se gibaju zajedno u smjeru suprotnom onome gibanja elektrona. Sve čestice imaju kinetičku energiju, koja može biti visoka, ali nemaju temperaturu kao rezultat ovog linearnog gibanja. To je zato što se temperatura koristi samo za mjerenje energija čestica sa slučajnim brzinama, koje su izložene sudaranjima. Kako se oba tipa teže gibati duž više ili manje poravnatih ili paralelnih putanja, i gustoće plazme su relativno niske, sudaranja su manje uobičajena i Maxwell-ijanski uvjeti za sudaranje nisu ispunjeni. Oba tipa gibanja postoje simultano gdje god teče struja. Gibanje struje ili skretanje čestica se super-imponira na slučajna gibanja. Drugi način gledanja na to je misliti o prosječnoj poziciji slučajnog gibanja kao da se giba sa brzinom zanošenja u smjeru struje. Struje Elektrona i Iona Vidjeli smo da elektroni poprimaju puno veće brzine nego ioni zahvaljujući svojoj maloj masi. Međutim, elektron nosi istu veličinu negativnog naboja kao pozitivno nabijeni proton, najlakši od iona. Stoga, viša brzina elektrona znači da su učinkovitiji od iona pri prenošenju struje u plazmi. Omjer toka elektrona prema toku iona u ne-relativističkoj struji plazme je proporcionalan kvadratnom korijenu obrnutih omjera masa. Za najlakši pozitivni ion, proton, to znači da je struja elektrona oko 43 puta veća od struje iona. [ Ako uzmemo da je masa elektrona 1, masa protona bi bila oko 1836 puta veća): √(1836 ÷ 1) = 42.85 ] U mnogim situacijama, gibanje elektrona je ono koje određuje ponašanje plazme. Struja u Laboratorijskoj Izbojnoj Epruveti Plazma se proučava u laboratorijskim eksperimentima već više od stotinu godina, i danas je dostupna enormna količina eksperimentalnih podataka i analize. Jedan od fundamentalnih eksperimenata uključuje Sjajeću Izbojnu Cijev u kojoj struja prolazi kroz niskotlačni plin kao što su merkurove pare. Ovo uzrokuje ionizaciju plina i stvaranje plazme unutar cijevi. Sjajeća Izbojna Cijev Mnogi opisi izbojnih cijevi su dostupni i ne će ih se ovdje detaljno ponavljati. Istaknute točke za sadašnje svrhe su kako slijedi: Unutar cijevi, postoje vidljive trake duž osi u kojima se vidi da plazma sjaji, s mjestimičnim ‘tamnim’ trakama gdje nema tog sjaja. Različite trake predstavljaju dva od tri moguća modusa djelovanja plazme kad vodi struju. Tamne trake predstavljaju, nije iznenađujuće, Modus Tamnog Toka. U tim područjima brzina elektrona je ispod one nužne da bi uzrokovala vidljivo pobuđivanje atoma neutralnog plina, iako će ionizacija započeti kod viših jakosti struje. Međutim, čak i u Modu Tamnog Toka, emitirati će se radijacija na valnim duljinama izvan vidljivih te se tako može otkriti ne-optičkim sredstvima. Sjajeće trake predstavljaju Modus Normalnog Sjaja. Ovdje, brzina elektrona uzrokuje pojavljivanje ionizacije. Sjaj je uzrokovan radijacijom od elektrona neutralnih atoma nakon što su bili pobuđeni sudarima s brzim slobodnim elektronima. Treći mogući modus djelovanja plazme je Lučni Modus, poznat u bolno bliještećim aplikacijama za zavarivanje ili munjama, na primjer. Vrativši se na Sjajeće Izbojne Cijevi, netko bi mogao očekivati da će potencijalna razlika između elektroda uzrokovati uniformno električno polje duž duljine cijevi. Međutim, plazma se ponaša drukčije. Ustanovljeno je da se u cijevi razvija Dvostruki Sloj (DL) koji modificira izvanjski primijenjeno električno polje između anode i katode. DL se formira na način da se većina pada potencijala događa preko DL. Dalje od DL područja, puno od ostale plazme je područje sjajećeg izboja poznato kao pozitivan stup. Ovo se može protezati kroz značajni dio izbojne cijevi. Unutar pozitivnog stupa je otprilike isti broj elektrona i iona. Plazma ovdje je prema tome kvazi-neutralna. Zato što se najveći dio pada potencijala događa preko DL, samo mali ali konstantni gradijent voltaže, ili električnog polja, postoji unutar pozitivnog stupa. Izgleda da postoje analogije između pozitivnog stupa u izbojnoj cijevi i plazme unutar Sunčeve heliosfere. Još jedan rezultat eksperimenata sa izbojnom cijevi je također relevantan za našu diskusiju o ponašanju plazme i diskutirat će se o njemu u slijedećem odlomku. Krivulja Napon-Jakost Ako je voltaža V prikazana prema gustoći toka J u izbojnoj cijevi (gustoća toka je tok podijeljen površinom izbojne cijevi), tada nalazimo da tri različita modusa svijetljenja plazme korespondiraju sa tri različite sekcije diskontinuiranog grafa, poznatog kao napon prema jakosti ili V-J krivulja. U modusu tamnog izboja, V-J krivulja raste s porastom napona, iako ne pravilno. Jednom kad napon dostigne dovoljno visoku vrijednost, počinje ionizacija i tok počinje rasti vrlo rapidno za vrlo male poraste voltaže. Izboj će se tada brzo promijeniti u modus svjetlećeg izboja. To je praćeno dramatičnom skokovitom promjenom napona. Napon pada ravno dolje jer, kada je veliki broj elektrona stvoren ionizacijom, potreban je samo mali napon da bi generirao velik tok. Vrlo značajan efekt se pojavljuje u dijelu niže gustoće toka područja svjetlećeg izboja. Napon zapravo pada s porastom gustoće toka. Drugim riječima, plazma nalazi da je djelotvornije prenositi struju pri višoj jakosti jer je pad napona manji. Na još višim gustoćama toka, napon ponovno raste, što znači da sekcija svjetlećeg izboja V-J krivulje ima minimum na određenoj vrijednosti gustoće toka. Ovaj minimum reprezentira točku najnižeg otpora za transmisiju totalnog toka. U kozmičkim plazmama, ovaj efekt može biti značajan u uzrokovanju formacija strujnih filamenata s ograničavanjem toka unutar određene površine poprečnog presjeka. Slično, u ekstremno svijetlom Modusu Lučnog Izboja, napon se još jednom smanjuje s porastom gustoće toka. Ako je plazma prisiljena preći u lučni modus, ona će ponovno težiti filamentaciji da bi reducirala pad napona. Filamentacija Toka Filamentacija je opažena kao normalna pojava za struje u plazmi, kao što je pokazano J-V krivuljom i fizičkim strukturama u samom svemiru. Znanstveni rad Dr. Anthony Peratt-a koji se tiče filamentacije može se naći ovdje. Posebno, zastori toka (koje ćemo obraditi kasnije) teže slomu u individualne filamente zahvaljujući razvoju vrtloga. Ovi vrtlozi su donekle slični onima koje nalazimo u tokovima fluida sa susjednim slojevima različitih brzina toka (Kelvin-Helmholtz nestabilnosti). Jasno, uvjeti unutar filamenta struje će biti različiti od onih u ostalom dijelu plazme. Ovo uzrokuje da se na granici filamenta formira dvostruki sloj bez toka (CFDL) na normalan način, takav da su brži elektroni zatvoreni u filament električnim poljem unutar DL. Sada možemo vidjeti da su filamenti izdužene plazma ćelije koje prenose struju, sa CFDL na njihovim granicama. Dokazi filamenata i električnih struja u svemiru su širom rasprostranjeni. Da filamentarna struktura postoji na svim nivoima, od solarnog sistema do galaktičkih i međugalaktičkih mjerila, priznala je većina astronoma. Jedino područje neslaganja između Električnog modela i Gravitacijskog modela je da li su ti filamenti strukture koje prenose struju, prirodno slijedeći zakone plazma elektrodinamike, ili nekakvi ‘mlazovi’ fluida tisuće svjetlosnih godina dugi, pokretani gravitacijom u skladu s računalnim simulacijama pretpostavljenih gravitacijskih sila zahvaljujući hladnoj tamnoj tvari (CDM). U fluidu, mlazovi se teže brzo raspršiti na paperja niže brzine. Međutim, neki mlazovi u svemiru, na primjer 4,000 svjetlosnih-godina-dugi mlaz iz eliptične galaksije M87, čini se da ostaju u stanju mlaza na enormnim distancama prije nego se rasprše u paperje. To može ukazivati na to da mlazovi nisu fluidni mlazovi nego električni filamenti. Značajni znanstveni rad nazvan „Mjerenje Struje u Mlazu Kpc-veličine“ su godine 2011 u arXiv objavili Kronberg, Lovelace, i drugi, bazirano na njihovim istraživanjima mlaza koji izvire iz radio galaksije 3C303. Ako pretpostavimo da su to električni filamenti, tada trebamo znati koja teorija i eksperiment nam može reći o tome kako električni filamenti održavaju svoj oblik preko astronomskih udaljenosti. To se diskutira kao slijedeće. Stezanja Tokova Bilo koji tok I, koji teče u vodiču, ili filament, uzrokovat će magnetsko polje B oko sebe. Linije jednake magnetske sile će biti u formi prstenja oko osi toka. Magnetska sila će se smanjivati s radijalnom udaljenosti od osi. Iz razmatranja Lorentz-ove sile, može se pokazati da će interakcija toka I sa svojim vlastitim magnetskim poljem B uzrokovati tlak radijalno prema unutra na filament toka, što se piše kao I × B (to jest, „I vektorski pomnoženo sa B“ u vektorskoj terminologiji). To se zove ‘stezanje’ ili ‘z-stezanje’ (kada definiramo tok struje kao paralelan sa smjerom ‘z’ koordinate). U metalnom vodiču, I × B tlak izdržava atomska ionska rešetka. U toku plazme, tlak se može uravnotežiti tlakom plazme unutar filamenta. Ovo rezultira u postojanom stanju gdje tok može teći aksijalno preko svog vlastitog azimutalnog ili kružećeg magnetskog polja. Uravnotežujuća jednadžba je poznata kao jednadžba Bennett-ovog Stezanja. Laboratorijske demonstracije mogu koristiti efekt stezanja da bi zdrobile aluminijske limenke primjenjujući jako magnetsko polje vrlo brzo. Limenka je zdrobljena prije nego je tlak u limenci u stanju pojačati se dovoljno da bi se suprotstavio sili stezanja. Sile magnetskog polja u munji mogu kreirati stezanje prema unutra koje će zdrobiti čvrstu bakrenu šipku za uzemljenje. Tokovi poravnati s Poljem U svemiru, tlak neutralnog plina je obično zanemariv, i tako ravnoteža između I × B sile i tlaka se ne može dogoditi. Jedini način na koji se situacija može razriješiti je da sila I × B nestane. Ovo implicira da su I i B (smjer toka i smjer magnetskog polja) paralelni i po vektorskoj algebri, vektorski produkt je nula. Ako su prisutna druga magnetska polja, kao što je poznato da jesu širom velikog dijela svemira, tada se sila I × B mora izračunavati koristeći ukupno magnetsko polje, što znači, dodajući vlastiti B toka ukupnom B, dodano korištenjem vektorske algebre. Tako se u svemirskoj plazmi, tok I i ukupno magnetsko polje B ponovno poravnavaju da bi bili paralelni. Drugim riječima, tok slijedi magnetsko polje: to je tok ‘poravnat sa poljem’. Čak i ako nema vanjskog magnetskog polja, bilo koji mali elementi toka koji protječu u plazmi će težiti akumulirati se prirodno u veće struje koje generiraju svoja vlastita magnetska polja i tako održavaju filament toka. Ono što se događa je da elektroni bliže centru filamenta protječu u gotovo ravnim linijama i generiraju azimutalno magnetsko polje oko sebe. Na elektrone dalje od centra se utječe ovom azimutalnom komponentom magnetskog polja i oni se gibaju u više uvojitom putu poravnatim sa smjerom glavnog toka. Ovo uvojito gibanje kreira ravnije linije magnetskog polja bliže osi, kao što je pokazano u slijedećem dijagramu. Što bliže su centru filamenta, to ravnije su linije magnetskog polja i putanje elektrona. Bilo koji individualni elektron u struji tako protiče duž smjera magnetskog polja u svojoj vlastitoj okolini, ali kolektivno filament se očuva čak i bez vanjskog magnetskog polja. To znači da se vrlo veliki tokovi mogu sastaviti od elemenata malih struja te prenositi na divovske udaljenosti. Drugi način gledanja na ovo je razmotriti električni otpor plazme. Tok koji protječe preko smjera magnetskog polja će iskusiti više otpora nego tok koji protječe duž smjera magnetskog polja zbog pojma U × B u Lorentz-ovom zakonu sile. Efektivno, paralelni otpor je manji od okomitog otpora, tako da tok teži protjecati poravnat s magnetskim poljem. Samo-sužavanje Tokova Detaljna matematička analiza pokazuje da I i B međudjeluju na način da oba teže vijugati u spiralama paralelnim jedna drugoj oko osi poravnate sa vanjskim B. Neto efekt je da i I i B slijede uvojiti put poravnat sa smjerom vanjskog polja B. Također nalazimo da interakcija osnih i azimutalnih (prsten) komponenti uvojitih I i B uzrokuje da su i I i B u najvećoj mjeri omeđeni u valjak određenog radijusa centriranog na osi. Da sumiramo, odsutnost značajnog tlaka u svemirskim plazmama uzrokuje tokove da teku u cilindričnim filamentima poravnatim sa generalnim smjerom magnetskog polja. Unutar cilindričnog filamenta, i struja i magnetski tok će se gibati u spirali oko osi cilindra dok će ostajati paralelni jedno s drugim. Napominjemo da ako je zbog bilo kojeg razloga paralelno poravnanje između I i B poremećeno, tada će se pojaviti neka sila I × B i uzrokovati bilo radijalno zbijanje ili radijalno širenje ovisno o tome koja komponenta je aksijalnija. Tako se stezanje filamenta može dogoditi, na primjer, od promjena u poljima kroz koje je filament toka prolazio. Stabilnost Filamenta Toka Slijedeći značajni faktor proizlazi iz matematičke analize. Poredak bez-sile ili poravnato-sa-poljem je minimalno stanje energije da bi tok tekao. To znači da je poredak poravnat s poljem inherentno stabilan. Osim ako se poremete vanjskim faktorima, tokovi će težiti ostati poravnati s magnetskim poljem. Sada možemo vidjeti kako tokovi poravnati s poljem mogu ustrajati preko enormnih udaljenosti. Tokovi poravnati s poljem su zato puno vjerojatnije objašnjenje „namještenosti“ (paralelni tok) ‘mlazova’ viđenih da se protežu stotinama do tisućama svjetlosnih godina nego što je to objašnjenje Gravitacijskog Modela bazirano na konvencionalnim tokovima fluida (pozivajući se na 6.6. gore). Radio opservatorij u Velikoj Britaniji kod Jodrell Bank je skupio široku raznovrsnu bazu slika galaksijskih mlazova koji se vide na radijskim valnim duljinama, u njihovom Atlas of DRAGNs (Double Radiosource Associated with Galactic Nuclei) Jedna takva slika je prikazana ispod, pokazujući tipičan dvostruki mlaz: Ograničavanje filamentarnih struja poravnatih s poljem na određene cilindre elektromagnetskim silama je također konzistentno s padajućom karakteristikom J-V krivulje viđene u laboratorijskim eksperimentima u izbojnim cijevima. Ako je plazma u sjajećem modu, koji u svemirskim plazmama može značiti sjajenje na valnim duljinama izvan vidljivog spektra, tada će radijus cilindra toka biti određen kombinacijom efekata električnih i magnetskih polja i oblika krivulje napon-gustoća toka. Pročitati više o procesu filamentacije u gustim kozmičkim z-stezanjima u ovom znanstvenom radu kojeg su izradili ruski znanstvenici A.B. Kukushkin i V.A. Rantsev-Kartinov sa Kurchatov Instituta, Moskva. Kondenzacija Materije Slijedeći efekt vezan sa silom I × B može se također odrediti analizom. Pretpostavimo da je tok I uzrokovan električnim poljem E. Sada razmotrimo silu koja proizlazi iz interakcije E i B. Sjetimo se da se I teži poravnati s ukupnim B zahvaljujući silama na toku samom. Tada E koji uzrokuje tok ne će biti potpuno poravnat s ukupnim B, koji je vektorska suma vanjskog magnetskog polja kroz koji struja protječe i azimutalnog magnetskog polja generiranog tokom samim. Kao i u slučaju sile I × B, postoji također sila E × B, gdje god E nije paralelna sa B. Ova sila E × B djeluje na nabijene čestice u cilindru toka i uzrokuje i ione i elektrone da se gibaju prema centru filamenta. Plazme često sadrže visoki omjer nabijenih zrna prašine, koja će također biti privučena filamentu. Viskozno povlačenje između nabijenih čestica i neutralnih atoma će težiti privući neutralne atome prema filamentu isto tako. Stoga će strujni filamenti u svemiru težiti akumulirati materiju u sebi kao rezultat neporavnatosti električnog polja koje uzrokuje tok i ukupnog magnetskog polja. Imajući u vidu da se stezanja mogu pojaviti ako se pojavi bilo kakva neporavnatost I i B, bilo koja materija koja je privučena u filament će također biti stlačena ako se pojavljuje neporavnatost I i B. Ako je sila stezanja dovoljno velika, može fragmentirati filament u posebne sferične ili toroidalne plazmoide duž osi toka. Bilo koja materija u zoni stezanja će stoga biti stlačena u isti oblik. Zato što su elektromehaničke sile neizmjerno jače od gravitacije, ovaj mehanizam nudi način na koji raspršena materija može biti akumulirana i stlačena na puno efikasniji način nego gravitacijskom kompresijom raspršenih oblaka finih čestica prašine. Naravno, jednom kad je materija dovoljno stlačena i ako je neutralizirana prerasporedom iona i elektrona, tada elektromagnetske sile mogu biti reducirane do točke kad gravitacija postaje značajna i nastavlja stlačivanje započeto elektromagnetskim silama. Marklund-ova Konvekcija U slučaju cilindričnog toka, sila E × B je radijalna prema unutra i rezultira u samo-sužavanju filamenta toka, kao što smo vidjeli. Ovo rezultira porastom gustoće čestica blizu osi toka. Dvije stvari se mogu dogoditi. Prvo je da radijacijsko hlađenje iz regija povećane gustoće može rezultirati u padu temperature bliže centru, suprotno porastu kojeg bi netko mogao intuitivno očekivati zbog povećanja gustoće. Drugo je da se počinje događati rekombinacija iona i elektrona. Svaki kemijski element ima poseban energetski nivo, poznat kao ionizacijska energija, na kojoj će se on ili ionizirati ili rekombinirati. To je analogno vrelišnoj točki tekućina kao što je voda: na određenoj temperaturi, faza ili stanje materije će se promijeniti od jednog stanja na drugo. Ako je kinetička energija gibanja izjednačena sa ionizacijskom energijom, tada karakteristična brzina, poznata kao Kritična Brzina Ionizacije (CIV), može biti izvedena za svaki element. Zato što je temperatura mjera toplinske energije, CIV se može odnositi na temperaturu. CIV vrijednosti koje obično nalazimo u svemiru nisu distribuirane slučajno nego su grupirane u četiri različita pojasa oko određenih brzinskih vrijednosti. Unutar svakog pojasa, svi elementi u tom pojasu imaju sličan CIV jedan s drugim. U blizini toka poravnatog s poljem, sila E × B uzrokuje radijalno skretanje elektrona prema hladnijoj centralnoj osi. Zbog njihovih različitih CIV-a, različiti ioni će se re-kombinirati na različitim radijusima kako se gibaju prema centru i ulaze u sve hladnije regije. Ovaj proces je poznat kao Marklund Konvekcija po švedskom fizičaru koji ju je otkrio, Göran Marklund. Neto rezultat je da Marklund Konvekcija sortira bilo koje lokalno prisutne elemente u različite grupe u skladu s njihovim ionizacijskim potencijalima. Grupe elemenata su poredane u cilindrične ljuske s različitim radijusima unutar cilindričnog toka poravnatog s poljem. Kako vodik, uspoređen s ostalim elementima, ima visok CIV, rekombinirat će se prvi, u cilindričnoj ljuski većeg radijusa nego ljuske ostalih elemenata. Ovaj tip električnog sortiranja mogao bi biti odgovoran za neke od ne-slučajnih distribucija elemenata koje promatramo u kozmosu. Posebno, mogao bi objasniti prevagu neutralnog vodika u strukturama nalik nitima diljem galaksije koje su bile otkrivene radio teleskopima. Kraj 6. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 7. poglavlje Birkeland struje, Magnetska Užad i Dvostruki Slojevi koji vode struju Birkeland-ove struje Postoji još jedan razlog filamentacije tokova u plazmi. To je zahvaljujući činjenici da postoji sila privlačenja između bilo koja dva paralelna toka. Svaki tok generira magnetsko polje koje zaokružuje prvi tok a privlači drugi sukladno normalnim zakonima elektro-magnetizma. Stoga su dvije struje privučene jedna drugoj, kao što je ilustrirano u ovom kratkom videu. (Zahvala: MIT physics demonstrations) Ovaj efekt će se odnositi na struje individualnih elektrona isto kao i na žice koje vode struju. Stoga, u plazmi, raspršeni tok će težiti da se koncentrira u filament, kao što smo vidjeli. Slično, zastor toka će također težiti sraštanju u pojedinačne filamente, dosta slično kao kad se zastor padajuće vode lomi u individualne tokove. Ako se dva paralelna toka pojave u istoj okolici, ili se formiraju od zastora struje zahvaljujući procesima filamentacije, tada će oni privlačiti jedan drugog i inicijalno se gibati jedan prema drugom pod utjecajem magnetskog privlačenja opisanog Biot-Savart-ovim zakonom. Stoga postoji tendencija da cilindri struja nastaju u paru. Točka ravnoteže se dostiže kada se sila privlačnosti na veliku daljinu uravnotežuje s odbojnom silom kraćeg dometa između dvije kontra-paralelne azimutalne komponente struja. Analiza pokazuje da postoji razmak u centrima privlačnih sila koji rezultira u paru sila, ili sili rotacije, koja djeluje na svaki tok. Tokovi blizanci će stoga težiti gibati se u spirali oko zajedničke osi u uvojitom gibanju. Kao i prije, os uvojnice će težiti poravnanju sa generalnim magnetskim poljem. Ovaj raspored parova struja je poznat kao Birkeland tok po Norveškom fizičaru Kristian Birkeland-u, koji ih je prvi studirao početkom 20. stoljeća. Magnetska Užad Spiralni efekt struja jedna oko druge daje izgled uvijene užadi. Zato što su struje poravnate s magnetskim poljem, Birkeland-ovi tokovi se često zovu ‘magnetska užad’ ili ‘užad fluksa’. Iako nije netočan, ovaj opis teži maskirati prirodu filamenata kao vodiča struje i ukazivati da efekt nastaje samo zbog magnetskih sila. Kao što smo vidjeli, to nije točno, jer magnetska polja koegzistiraju sa električnim tokovima. Birkeland-ove struje mogu također privlačiti materiju iz okolnog područja. To je zato što azimutalna magnetska polja kreirana svakim aksijalnim tokom formiraju gradijent tlaka radijalno prema unutra sa minimumom između dva toka, dok se magnetska polja protežu izvan samog magnetskog užeta. Ovo uzrokuje nabijenu materiju i ionizirane vrste izvan užeta struje da budu privučeni prema centru strujnog užeta, proces poznat kao Marklund Konvekcija. Iako je efekt sličan sili I × B jednog cilindra toka, minimum magnetskog tlaka između struje blizanaca može biti djelotvorniji mehanizam za koncentraciju tvari. Gustoća plazme izvan Birkeland Toka je reducirana dok je gustoća unutar užeta povećana. Birkeland-ovi tokovi se stoga često povezuju s varijacijama gustoće u plazmi. Vidljivi Efekti Struja u Svemiru Filamentarne strukture ovog tipa, upravo opisanog, su uobičajene u svemiru: primjeri uključuju auroralne filamente, užad fluksa sa Venere, Solarne prominencije i koronalne plamence, repove kometa i međuzvjezdane maglice gdje se često vide mreže filamenata. Filamentarno neutralne vodikove strukture su već bile spomenute (vidjeti Marklund konvekciju u 6.12 gore). Filamentarna struktura je također bila uočena u rasporedima nakupina galaksija. Dvostruki Slojevi koji vode struju Već smo vidjeli da se Dvostruki Slojevi mogu formirati u sjajećim izbojnim cijevima u laboratoriju. Očito ovi DL-ovi dozvoljavaju prijenos struja kroz sebe, isto kao što imaju svojstvo ubrzavanja iona i elektrona u jakom električnom polju unutar tog DL-a. Da bi ih se razlikovalo od CFDL-ova poznati su kao Strujno-Vodljivi Dvostruki Slojevi (CCDL). CCDL se formira na drukčiji način od CFDL. Obično je pokrenut nekom nestabilnošću ili promjenom u protoku struje. Kao primjer promjene koja uzrokuje da se formira CCDL, razmotrimo što se događa kada tok pređe u regiju gdje je gustoća plazme niža. Kako se struja vodi većinom lakšim elektronima možemo razmotriti situaciju relativno prema ionima u prvom redu. Kada se struja elektrona ne bi promijenila onda bi područje niže gustoće brzo postiglo višak elektrona zahvaljujući ‘bujici’ pridolazeće struje (elektrona). Ovo bi rezultiralo u razlici potencijala u području niže gustoće koji bi odbili buduće elektrone i poremetili protok struje. Imajući u vidu da je struja proporcionalna umnošku gustoće i brzine elektrona, jedini način da se reducira gustoća elektrona na odgovarajuću razinu dok se ukupni tok održava je da se poveća brzina elektrona. Način na koji se to postiže je formiranjem CCDL-a na granici područja niže gustoće koji ubrzava elektrone u područje. Jakost DL-a će rasti dok nije dovoljna da omogući brzinu elektrona potrebnu da reducira njihovu gustoću da bi odgovarala manjoj gustoći iona i održala neutralnost naboja. Naravno i na ione se utječe DL-om ali ukupni efekt je sličan ovome upravo opisanom. Također, brži elektroni mogu uzrokovati dodatnu ionizaciju koja modificira zahtjev za dodatnom brzinom ali DL će još uvijek biti potreban da omogući potrebnu akceleraciju. Nestabilnosti toka i CCDL CCDL-ovi se također mogu formirati kao rezultat nestabilnosti toka u suprotno-strujećim elektronima i ionima koji obuhvaćaju tok. Mogu se pojaviti različiti tipovi nestabilnosti. Jedan primjer je Buneman-ova ili dvo-strujna nestabilnost koja se pojavljuje kada brzina strujanja elektrona (u osnovi gustoća toka podijeljena s gustoćom elektrona) premašuje elektronsku toplinsku vodljivost plazme. Drugim riječima, brzina skretanja zbog struje je viša nego slučajna toplinska brzina. Stvarni mehanizam Buneman nestabilnosti je kompliciran. Međutim, u suštini, gustoća iona i elektrona u plazmi će uvijek varirati lokalno od apsolutne neutralnosti. Plazma se tada samo-podešava da bi ispravila bilo kakve neravnoteže. Ove varijacije gustoće se pojavljuju na frekvenciji ovisnoj o temperaturi plazme i toka koji kroz nju prolazi. Ako je gustoća toka dovoljno visoka tada je frekvencija varijacije gustoće prebrza da bi se plazma prilagodila. Situacija postaje nestabilna. Za ovaj tip nestabilnosti nalazimo da vodi do stvaranja CCDL-a. Varijacije u gustoćama iona i elektrona uzrokuju da se razviju lokalna električna polja. Ova polja razmjenjuju energiju s ionima, koji počinju oscilirati velikom amplitudom i tako pojačavati varijacije gustoće. Područja drugačijih gustoća naboja stvaraju električna polja između sebe. Kako električno polje raste zbog ovih varijacija gustoće, protok elektrona u struji je poremećen i neki elektroni budu ‘uhvaćeni’, ili počinju teći unatrag u lokalnim vrtlozima. Rezultat je formacija CCDL-a, s „populacijom“ ubrzanih elektrona i iona, te uhvaćenih elektrona i iona niz struju DL-a. Ovaj proces je u nekim pogledima sličan nestabilnostima toka fluida. CCDL je na neki način kao hidraulični skok, gdje su brzine toka različite na svakoj strani skoka; skok sadrži vrtloge uhvaćenog fluida; i skok sam je „fiksiran“ u mjestu. Međutim to ne će reći da su analize fluida dovoljno kompleksne za modeliranje elektro-dinamičkih gibanja nabijenih čestica u poljima koja same stvaraju. Principijelna razlika je da DL ubrzava čestice, u suprotnim smjerovima ovisno o njihovim nabojima, dok hidraulični skok reducira brzinu toka fluida uvodeći turbulenciju. CCDL će uvijek koncentrirati dio pada potencijala koji proizvodi struju unutar DL područja i tako reducirati gradijent potencijala u preostalom toku. S obzirom da se CCDL-evi pojavljuju kada se pojavljuju promjene u karakteristikama toka, stezanja u struji, gdje je površina toka stisnuta, mogu također uzrokovati da se DL formira u točki gdje se mijenja površina toka. Gubitak energije u DL-ima Elektroni ubrzani preko pada potencijala CCDL-a težit će izgubiti svoju energiju u sudarima s neutralnim atomima izvan DL-a. Ovi pobuđeni atomi će za uzvrat gubiti energiju radijacijom kako se vraćaju u temeljno stanje. Formiranje DL-a tako djeluje kao sredstvo kojim plazma može rasipati suvišnu energiju na način analogan otporniku u električnom krugu. Ovaj mehanizam doprinosi stabilnosti plazma električnog kruga ‘sigurno’ rasipajući energiju koja bi inače mogla rezultirati razvojem turbulentnijih nestabilnosti. Klasifikacija DL-eva Kao što smo već diskutirali, postoji principijelna razlika između dvostrukih slojeva koji vode struju (CCDL) i dvostrukih slojeva bez struje (CFDL), koji su formirani različitim mehanizmima i razlikuju se u tome da li ili ne DL dozvoljava da značajni električni tok prođe kroz njega. Druga klasifikacija je bazirana na snazi DL-a. Ovisno o padu potencijala preko njega, DL može biti klasificiran kao slab, jak ili relativistički. Svaka klasa će imati različite efekte na nabijene čestice u okolnoj plazmi. Ako je pad potencijala preko određenog DL-a veći nego potencijal plazme, tada je DL klasificiran kao jaki DL. Jaki DL će odbijati čestice koje se približavaju DL-u s energijama manjim od potencijala plazme. Samo one čestice s energijama iznad potencijala plazme će ući u DL i biti ubrzane. Slabi DL će usporavati čestice s potencijalom plazme koji se približavaju s ‘krive’ strane, ali tada će ih ponovno ubrzati kako oni prolaze kroz DL. Ako je pad potencijala preko određenog DL-a dovoljan da bi uzrokovao da čestice poprimaju energiju veću od ostale masene energije elektrona, tada je to poznato kao relativistički DL. Relativistički DL će stoga ubrzavati elektrone do brzina bliskih brzini svjetlosti kako one prolaze kroz pad potencijala. Ovo se može dogoditi u snažnim, provodnim za struju, kolinearnim plazma mlazovima koje nalazimo duž jedne ili obiju polarnih osi aktivnih radio galaksija. Kraj 7. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 8. poglavlje Zastori struje, Okomiti tokovi i Električni krugovi Strujni zastori u Plazmi Već smo se osvrnuli na filamentaciju zastora struje. Ovaj odjeljak će istraživati prirodu strujnih zastora i njihov odnos prema magnetskom polju. Zastor struje je točno onakav kakav mu je naziv – tanka površina unutar koje struja protječe. On se očito razlikuje od difuznog oblaka pokretnog naboja i od cilindričnog filamenta struje. Struja formira površinu između dva područja plazme, nešto kao Dvostruki sloj, i , također kao DL, često odjeljuje područja različitih karakteristika. Struja u zastoru protječe u jednom smjeru, potpuno sadržana unutar zastora. Možemo si predočiti da je to kao kad bi struja tekla u zakrivljenim nitima pletenog lanenog platna: sve struje teku u istom smjeru u svakoj od zakrivljenih niti osnove, a ni jedna struja ne teče u nitima potke. Struja se, naravno, sastoji od iona i elektrona koji teku u suprotnim smjerovima, tako da će zastor struje sadržavati oba tipa čestica. Očito se smjer struje može promijeniti jer ni sam zastor ne mora biti u jednoj ravnini. Na primjer, postoji jasna evidencija djelomično-sferičnog strujnog zastora na ‘lučnom udaru (bow shock)’ gdje Zemljina magnetska sfera među-djeluje s nadolazećim solarnim vjetrom. Ako analiziramo magnetsko polje blizu nekog zastora struje nalazimo da magnetska sila od tog zastora struje djeluje u suprotnim smjerovima sa svake strane zastora. Na primjer, ako struja teče na ovoj stranici prema gore, onda će iznad stranice magnetsko polje biti s lijeva na desno, a ispod stranice s desna na lijevo, kao što bi se moglo očekivati iz rotacijskog pravila desne ruke za bilo koju individualnu ‘nit’ struje. (Napominjemo da rotacijsko pravilo desne ruke nije isto kao pravilo desne ruke vektorskog produkta!) Tako je principijelni efekt strujnog zastora kreirati odvojena područja suprotnih magnetskih polja. Na mjestu samog zastora, magnetsko polje je nula. Ovo je upravo situacija koja je otkrivena u repu zemljine magnetske sfere, gdje strujni zastor u ekvatorijalnoj ravnini razdjeljuje zone suprotnih magnetskih polja. U ovom slučaju, repni zastor struje protječe azimutalno ili ‘od zapada prema istoku’ a magnetska polja su radijalna, bivajući poravnata prema Zemlji u Sjevernoj hemisferi i od Zemlje u Južnoj hemisferi. Gravitacijski model opisuje ove strujne zastore kao uzrokovane suprotnim magnetskim poljima na svakoj strani. Imajući u vidu da su magnetska polja polja sile koja su uzrokovana gibanjem nabijenih čestica, to jest, struja, Gravitacijski model izgleda da izvrće uzrok i posljedicu. Ono što magnetska polja kreirana strujom zapravo rade je da komprimiraju struju u formu zastora. Ona ne kreiraju tu struju. Zastori struje su prema tome drugi način na koji se plazma može celularizirati reagirajući na različite okoline. Zastori struje mogu također djelovati ubrzavajući masu u aplikaciji Pulsirajući potiskivač plazme. Pogledajmo tekst i video sa Princeton University’s Electric Propulsion and Plasma Physics Lab ovdje. Okomite struje Već smo razmatrali slučajeve gdje struje protječu paralelno sa („poljem su poravnate sa“) magnetskim poljem (filamentima i Birkeland strujama) i slučaj gdje struje protječu u područjima polja nula (zastori struje). Preostala mogućnost za struje je da imaju vektorsku komponentu koja je okomita na magnetsko polje pod utjecajem ne-magnetskih sila djelujućih u kombinaciji s magnetskim poljem (vidi 8.3 ispod). [Sjetimo se da je F rezultirajući vektor sile na nabijenu česticu; q je vrijednost količine naboja na čestici; E je vrijednost vektora električnog polja u specifičnom vremenu i koordinati; U je vektor brzine nabijene čestice u tom vremenu i koordinati, i B je vektor magnetskog polja u tom vremenu i koordinati. Konačno, napomenimo da se masnim slovima označeni vektori odnose na skalarnu veličinu plus smjer, npr., 3000 km/s prema istoku.] Lorentz-ova sila na nabijenu česticu, F = q(E + U × B) u vektorskoj algebri, ovisi o odnosu vektorske brzine čestice U prema magnetskom polju B. Veličina vektorskog produkta U × B može se napisati UB(sin θ), gdje je θ manji kut između U i B. Smjer sile proizveden sa U × B je zadan gibanjem vijka desne ruke zaokrenutog od U do B, to jest, ona je pod pravim kutovima i na U i na B. Ovo uzrokuje da nabijena čestica koja se giba pod pravim kutovima prema magnetskom polju slijedi kružnu putanju u ravnini okomitoj na polje. Možemo to zvati centripetalna sila. Ako je E različito od nule, čestica će također ubrzavati u smjeru E. Očito, ako je U nula ili paralelno sa B onda nema centripetalne sile na česticu iz magnetskog polja. Drugim riječima, ako je čestica stacionarna ili se giba paralelno polju, tada ona ne će biti pod utjecajem magnetske sile. Bolje nego razmatrati različite kutove između U i B, lakše je razmotriti paralelne i okomite komponente od U odvojeno. Kako jedino okomita komponenta uzrokuje silu, mi ćemo se koncentrirati samo na tu komponentu. Također ćemo pretpostaviti da je E = 0 osim ako se ne kaže drukčije. Brzina čestice koja bi rezultirala iz kombinacije gibanja izazvanog-silom i magnetskim poljem može se smatrati cirkularnim gibanjem oko centra vođenja (slika dolje), koje centar sam pomiče okomito na magnetsko polje s brzinom vp danom Jednadžbom centra vođenja: vp = (F × B) / qB2 Napominjemo da je F bilo koja ne-magnetska sila (na primjer, gravitacija, ili električno polje) koja uzrokuje gibanje nabijene čestice. To gibanje tada međusobno djeluje s magnetskim poljem u skladu s Lorentz-ovim zakonom. Kada je B u smjeru z, a F u smjeru y, u Kartezijevim koordinatama, tada je rezultirajuća brzina vp u smjeru x. Ono što nam ta jednadžba kazuje je da, kada je čestica podvrgnuta vanjskoj sili okomitoj na magnetsko polje, ona će poprimiti konstantnu brzinu vp okomitu i na polje i na silu. Do toga dolazi kako slijedi: Ako čestica u početku miruje, vanjska sila (recimo, električno polje) će ju početi ubrzavati u smjeru sile u skladu s Newton-ovim zakonima. Međutim, čim čestica poprimi malu količinu brzine ili komponente brzine okomitu na magnetsko polje, tada se pojavljuje centripetalna sila kao rezultat magnetskog polja i počinje skretati putanju čestice van putanje izazvane vanjskom silom. Vanjska sila još uvijek nastoji ubrzati česticu u smjeru sile, ali sada je tu komponenta centripetalne sile koja se suprotstavlja vanjskoj sili. Ubrzanje u smjeru vanjske sile će biti reducirano sukladno tome. Pod utjecajem para sila, vanjske i centripetalne, čestica će slijediti zakrivljenu putanju okrećući se kroz 90 stupnjeva. U trenutku kad je ta putanja okomita na vanjsku silu, čestica je poprimila brzinu vp dano Jednadžbom centra vođenja, a centripetalna sila zbog međudjelovanja vp i B točno uravnotežuje vanjsku silu. Stoga ne će biti više ubrzavanja u smjeru vanjske sile, niti će biti ikakve akceleracije u smjeru vp jer nema sile u tom smjeru. Ova čestica je poprimila konstantnu brzinu okomitu i na B i na vanjsku silu. Koliko god dugo se čestica nastavlja gibati brzinom vp u okomitom smjeru, dotle je situacija stabilna, i vanjska sila ostaje uravnotežena centripetalnom silom. Efekti raznih Vanjskih sila Gornja diskusija primjenjuje se na bilo koju konstantnu vanjsku silu koja djeluje na nabijenu česticu u magnetskom polju. Razne sile mogu uzrokovati brzine u smjeru okomitom na magnetsko polje. To uključuje gravitaciju, električno polje, i inercijske sile. Svaka će imati različit efekt ovisno da li je vanjska sila funkcija mase, ili naboja, čestice, kako slijedi: Slučaj A. Električna sila polja, FE × B za polje okomito na B. Jer je FE = qE, Jednadžba centra vođenja postaje: vp = [1/B2](E × B) U slučaju A, okomita brzina je neovisna o naboju čestice. To rezultira u posebnom slučaju iona i elektrona koji i jedni i drugi skreću u istom smjeru, kao što smo vidjeli razmatrajući koncentraciju materije filamentarnim strujama. Slučaj B. Gravitacija, Fg × B Jer je Fg = mg , rezultirajuća okomita brzina skretanja je ovisna i o masi čestice i njihovom naboju, pa za slučaj B: vp = [(mq)/B2](g × B) Ioni i elektroni će se stoga gibati u suprotnim smjerovima, rezultirajući u struji, razdvajanju naboja, i zonama različitog potencijala (t.j. električnim poljima). Svi ovi efekti će se pojaviti jednostavno kao rezultat interakcije gravitacije i magnetskog polja. Očito ovi efekti će tada započeti uzrokovati vlastite sekundarne efekte, i iz toga može rezultirati kompleksno ponašanje plazme. (Veza: Fundamentals of Cosmic Electrodynamics, Boris V. Somov, Kluwer Academic Publishers, 1994, Chapter 2, Motion of a Charged Particle in Given Fields) Osim toga, ovisnost brzine o masi čestica može također rezultirati kemijskom separacijom različitih iona, ili Marklund konvekcijom. Jedan slučaj je ovdje od posebnog interesa. Razmotrimo Zemlju i njezino magnetsko polje, koje se može vizualizirati kao linije polja koje se šire u bliski svemir poredane donekle kao segmenti naranče. U ekvatorijalnoj ravnini, polje će biti poravnato sjever-jug. Gravitacijska sila će biti radijalno unutra i tako pod pravim kutom prema polju. Bilo kakvi ioni i elektroni u blizini, na primjer, u ionosferi, će stoga poprimiti brzine okomite i na B i g pod kombiniranim utjecajem gravitacije i magnetskog polja. Zato što su brzine iona i elektrona u suprotnim smjerovima, to je ekvivalentno struji koja teče u prstenu oko ekvatorijalne ravnine. Van Allen pojasevi su primjer prstenastih struja. Ovo je neizbježni rezultat prisutnosti nabijenih čestica u magnetskom polju orijentiranom pod pravim kutovima na gravitacijsko polje. Tok će se uvijek generirati u takvim situacijama. Nekoliko mjeseca Jupitera i Saturna pokazuju te tokove, dokazane elektromagnetskom radijacijom gdje inducirane struje dolaze u kontakt s atmosferama planeta u blizini njihovih polarnih auroralnih ovala. Slučaj C. Inercija, Fi = -m[du/dt] (Newton-ov Drugi zakon gibanja) U ovom slučaju nabijene čestice već imaju inicijalni moment mu (inercijska masa puta vektor brzine) kada se susreću s magnetskim poljem. Jednadžba polja vođenja ukazuje da će inicijalni moment biti promijenjen magnetskim poljem: vp = -[(mq)/B2] {[du/dt] × B} Kako je vp ovisan o naboju, konačna brzina iona i elektrona je u suprotnim smjerovima i zbog toga predstavlja struju. Ioni različitih masa će poprimiti različite konačne brzine i tako biti kemijski sortirani. Još je jedan važan učinak inercijalnih efekata: Ako je neki volumen plazme ubrzan na neku brzinu zbog, na primjer, neke sile I × B u području (koja ubrzava suprotno gibajuće ione i elektrone u isti okomiti smjer), tada je plazma poprimila kinetičku energiju na račun kruga koji pokreće struju. Ako ovaj volumen pokretne plazme tada uđe u drugo područje gdje može uspostaviti električni krug u lokalnoj plazmi, njegova brzina vp će uzrokovati tok okomit i na B i na vp. Međudjelovanje ovog toka sa B će uzrokovati silu na pokretnu plazmu koja će ju usporiti. Drugim riječima, kinetička energija plazme je ponovno predana u stvaranju toka na novoj lokaciji. Zbog svega ovoga je međudjelovanje inercijalnog gibanja nabijenih čestica i magnetskog polja sredstvo kojim se kinetička energija može razmijeniti s elektromagnetskom energijom, i zato je to sredstvo kojim se energija može prenijeti između različitih mjesta. Električni Krugovi u Plazmi Osim ako protječe iz elektrostatičkog izvora ili u transduktor, naboj će formirati dio zatvorenog kruga. U svemiru, krug ne mora uvijek biti očigledan jer su vodiči često nevidljivi i mogu zatvoriti krug na enormnim udaljenostima od promatranog područja interesa, no negdje se moraju zatvoriti. Razmatranje strujnih krugova u svemiru može objasniti ponašanje kao što je transport energije iz jednog područja u drugi što pokreće električnu aktivnost koja se može otkriti u području koje se istražuje. U ovom kontekstu, vrijedno je istaknuti da ako se plazma, koja sadrži ikakva područja male neravnoteže naboja, giba relativno prema drugom području plazme u magnetskom polju, tada će prvo područje inducirati električno polje i struje u drugom području zbog interakcije elektromagnetskih polja i sila. Gravitacijski model drži da Debye odabir, koji nastaje zbog efekata sličnih onima koji uzrokuju Debye omotač oko nekog nabijenog tijela, ograničava opseg neravnoteže naboja na Debye duljinu. Međutim, sila v × B iz Lorentz-ove jednadžbe je neovisna o Debye duljini i može inducirati električno polje u drugom području plazme dobro preko Debye ograničenja. Dvostruki slojevi kao Elementi Električnog kruga Bilo koji Dvostruki sloj ubrzava ione i elektrone zbog pada potencijala preko Dvostrukog sloja. Ako je dvostruki sloj onaj koji provodi struju, tada on učinkovito formira dio električnog kruga u kojem struja teče. Energijom za ubrzavanje čestica ga opskrbljuje strujni krug i konvertira ju unutar dvostrukog sloja u kinetičku energiju. Dvostruki sloj prema tome djeluje kao inercijski otpor i može iskusiti reakciju koja uzrokuje pomak njegovog položaja. To je analogno odskoku puške kad njezin izvor snage ubrzava masu metka. Čestice ubrzane dvostrukim slojem uzrokuju tlak na okolnu plazmu, s kojom međusobno djeluju i uzrokuju radijaciju. Rasap suvišne energije na ovaj način može dozvoliti plazmi da dostigne stabilno stanje preko formiranja dvostrukog sloja koji omogućuje potrebni mehanizam. Energija i Induktivnost Energija strujnog kruga kojom je dvostruki sloj opskrbljen može izvirati iz energije spremljene u magnetskom polju ili kinetičkoj energiji volumena plazme. U pojmovima strujnog kruga, element koji pohranjuje energiju je induktor. O plazmi se stoga može misliti kao analognoj induktoru u jednostavnom strujnom krugu. Slično, dvostruki sloj ponaša se u nekim pogledima kao kondenzator, iako s varijabilnim karakteristikama, uključujući otpor koji se može smanjiti s povećanjem toka. Svi električni krugovi koji imaju induktivnost su potencijalno nestabilni, ovisno o vrijednostima napona, induktivnosti, otpora, i kapaciteta oko strujnog kruga. Ako je ukupni otpor kruga negativan, što je čest slučaj u plazmi zbog padajuće karakteristike I-V (jakost prema naponu) krivulje, tada je stabilnost induktivnog kruga nemoguća. Jednostavni krug koji uključuje napon, indukciju, i negativni otpor će ili oscilirati ili rasipati svu svoju energiju i postati ugašen. Ako je pad potencijala preko dvostrukog sloja veći nego potencijal plazme, tada je dvostruki sloj klasificiran kao jaki DL. Jaki DL će odbijati čestice koje mu se približavaju s energijom manjom od potencijala plazme. Samo one čestice s energijama iznad potencijala plazme će ući u DL i biti ubrzane njegovom razlikom napona, t.j. električnim poljem. Ponašanje plazme u CCDL-u (DL-u koji vodi struju) je tako ovisno o karakteristikama vanjskog kruga koji pokreće formiranje CCDL-a. Rezonantni strujni krugovi Strujni krug koji sadrži induktivnost i kapacitivnost ima prirodnu rezonantnu frekvenciju na kojoj će električno oscilirati. Slično, plazma krug koji sadrži induktivnost u formi spremljene magnetske energije i CCDL koji pokazuje negativni otpor, težit će imati rezonantnu frekvenciju na kojoj se razmjenjuje energija između električnog polja u DL-u i magnetskog polja u plazmi. Kako električno polje u DL-u raste, ono će u normalnoj maniri ubrzati čestice do viših energija. Očito je da je ovaj model učinkoviti način generiranja visoko-frekventnih erupcija radijacije. Za razliku od toga, Gravitacijski model pretpostavlja neutronske zvijezde vrlo visoke gustoće koje rotiraju više od tisuću puta u sekundi da bi objasnili ovaj uobičajeno-primijećeni fenomen. Ne rezultiraju sve situacije u rezonantnoj frekvenciji. Varijacije često rezultiraju u oscilacijama preko širokog pojasa frekvencije. DL je tada ‘šuman’ u pojmovima električnog kruga. Efekt šuma je kreirati raspon energije elektrona u snopu koji je ubrzan DL-om. Neki elektroni tada imaju dovoljno energije probiti se kroz magnetsko polje koje ograničava struju, a to može dovesti do ekspanzije plazme. Kraj 8. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 9. poglavlje Nestabilnosti Električnog kruga Plazme Eksplodirajući Dvostruki Slojevi Induktivna energija strujnog kruga je funkcija toka i induktivnosti. Ako je ikoji induktivni krug poremećen, na primjer, uključivanjem prekidača, tada će se induktivna energija kruga osloboditi u točki poremećaja. To je dovoljno dobro poznato da bi se moglo rutinski koristiti u primijenjenom električnom inženjerstvu kao što ovaj znanstveni rad pokazuje. U nekom električnom krugu plazme, poremećaj toka je često uzrokovan time da Dvostruki sloj postaje nestabilan. Kada se to dogodi, čitava induktivna energija kruga je oslobođena u Dvostruki sloj. To može uzrokovati da dvostruki sloj eksplodira, rezultirajući u ekstremno velikom padu napona preko širećeg dvostrukog sloja te rasapa izvanredne količine energije, u konačnici kao topline i radijacije kako ubrzane čestice međudjeluju s ostalom materijom. Ovo ponašanje će nastati pod utjecajem konstantnog magnetskog polja. Polje ne igra ulogu u toj eksploziji. Ako je inherentni tok još uvijek prisutan nakon eksplozije, tada se ciklus može ponavljati beskonačno. Formira se Dvostruki sloj, tok raste, Dvostruki sloj eksplodira sa posljedičnom emisijom goleme količine radijacije, tok se započinje ponovno razvijati, i formira se novi Dvostruki sloj. Očito je da se ovaj tip ponašanja ne može opisati korištenjem modela baziranih na polju. Strujno-bazirani modeli su bitni da bi se obuhvatio ovaj nivo kompleksnosti. Ekspandirajući Električni krugovi Energija iz induktivnog kruga može se također osloboditi eksplozivnom ekspanzijom petlje toka zbog sila generiranih petljom toka samom. Već smo vidjeli kako aksijalni tok uzrokuje magnetsku silu stezanja. Suprotna situacija je struja petlje koja generira aksijalno magnetsko polje. U tom slučaju, rezultirajuća sila I × B je radijalno prema van. Ako tlak prema van nije uravnotežen ostalim silama, tada će petlja struje sama ekspandirati. U metalnom vodiču, uravnotežujuća sila je omogućena iznutra samom kristalnom strukturom metala. U plazmi, može biti nedovoljno prepreka, posebno ako se induktivna energija kruga oslobađa u kratkom periodu zbog kolapsa Dvostrukog sloja u električnom krugu. To može rezultirati u eksploziji strujne petlje, kako se to često i vidi u Izbacivanjima Koronalne Mase (CME), gdje petlja toka rapidno ekspandira od površine Sunca prema van. Ovo jednostavno objašnjenje bazirano na poznatom električnom ponašanju odudara od Gravitacijskog modela, koji priziva „magnetsku rekonekciju“ linija magnetske sile. Kako magnetske linije sile ne postoje u fizikalnom smislu ništa više nego što postoje linije zemljopisne širine, teško je vidjeti kako bi se one mogle ‘razbiti’ i ‘prespojiti’ te osloboditi energiju. Ostale Filamentarne Nestabilnosti Filamentarne struje su subjekti sile stezanja, kao što smo vidjeli. Međutim jednostavno stezanje je samo po sebi nestabilno u brojnim okolnostima. Ako sila stezanja raste i uzrokuje skupljanje, to rezultira u budućem povećanju u sili stezanja. Strujni filament može postati toliko skupljen da se formira u serije izbočina i suženja kao niz kobasica. Ako je aksijalni tok dovoljno jak, tada stezanja mogu u konačnici doći u potpuni kolaps. U tom slučaju, aksijalni tok je preusmjeren u prstenasti tok u stegnutim zonama, i prstenasto oblikovani magnetski plazmoidi se razvijaju duž linije filamenta. Ako se tvar već koncentrirala u filament tada će ta tvar biti distribuirana duž linije toka poravnatog s poljem kao biseri u nizu. To može objasniti mnoga linearna poravnanja tijela u svemiru. Slika gore je prekrila plave „hrptene linije“ duž linija najveće gustoće filamenata kako se vidi u infracrvenim valnim duljinama u tom području. Mjerenje 27 segmenata filamenata pokazalo je da je karakteristična širina filamenta ~ 0.1 parsek-a (1/3 svjetlosne godine) bez obzira na duljinu. Područja formiranja zvijezda i protostelarnih „jezgara“ pronađena su locirana prvenstveno duž poručja hrptenih linija u tim međuzvjezdanim filamentima. Autori su napomenuli da “ako turbulencija u velikom mjerilu omogućava prihvatljiv mehanizam za formiranje filamenata, činjenica da se predzvjezdane jezgre formiraju u gravitacijski nestabilnim filamentima sugerira da je gravitacija glavni pokretač potonje evolucije filamenata.” Pristup Električnog Univerzuma napominje da su mnoge plazma nestabilnosti opažene u svemiru također bile kreirane u plazma laboratorijima na Zemlji, ali spominjanje takvih mehanizama se rijetko uzima u obzir u mehanizmima objašnjenja prezentiranim u znanstvenoj literaturi revidiranoj od kolega (peer reviewed). Slijedeći oblik nestabilnosti je pregibna nestabilnost. Ona se često pojavljuje u Birkeland strujama, gdje je tok poravnat s vanjskim magnetskim poljem. Stezanje tada razvija jak uvojiti modus. Efekt je pomaknuti cilindar struje relativno prema smjeru polja. To može izgledati kao „kovrča“ u struji kada se gleda iz odgovarajućeg kuta. Fizičar plazme Paul Bellan, sa svojim diplomskim studentima na CalTech-u istražuje nestabilnosti plazme da bi dobio bolje razumijevanje moćnih fenomena opaženih na Suncu. Za kratak video (nekoliko sličica koje reprezentiraju 16.5 mikrosekundi evolucije) jednog od laboratorijskih eksperimenata koji uključuje formiranje nestabilnosti plazme, pogledajmo ovdje, kao što je i navedeno u njegovom nedavnom znanstvenom radu koji je objavio zajedno sa svojom diplomskom studenticom Anna-om Moser u časopisu Nature: Magnetic reconnection from a multiscale instability cascade. Peratt Nestabilnosti Nedavno istraživanje Anthony Peratt-a kao što je i opisano u IEEE časopisima i ostalim akademskim institucijama identificiralo je seriju izboja plazme vrlo visokih energija koje danas nose njegovo ime. Ovdje je reperezentativni znanstveni rad Peratt-a i Van der Sluijs-a. Peratt nestabilnosti su modusi izboja plazme koji poprimaju određene oblike i koji, usprkos svojeg imena, mogu ostati stabilni tokom perioda vremena dovoljno dugih da bi ih se proučavalo. U nekim pogledima, oni su kao Dvostruki Slojevi, koji su dinamične ‘nestabilnosti’ i mogu ostati statične u mjestu dok uključuju brza gibanja čestica. Peratt nestabilnosti uvijek uzimaju oblik stupnog izboja plazme koji je okružen „naslaganim“ plazma toroidima. Toroidi na vrhu i dnu se mogu razviti u oblik čaše ili zvona. Rubovi toroida često se zakrivljuju prema gore ili prema dolje. Broj toroida može varirati između tri i oko devet i može podsjećati na bilo što od kaleža do ljestvi. Različite druge forme također postoje, ovisno o prirodi plazme i tokova u njoj. Peratt-ovo istraživanje o fenomenima plazme u mnogim mjerilima dovelo ga je da predloži da je vjerojatno da bi crteži u kamenu kreirani u relativno nedavnoj povijesti mogli biti zapisi viđenja posebne forme plazma izboja s pratećim karakterističnim formama i oblicima nestabilnosti, kao što je ocrtano u njegovom grafički zapanjujućem IEEE znastvenom radu, Characteristics for the Occurrence of a High-Current Z-Pinch Aurora as Recorded in Antiquity, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 31, Br. 6, Prosinac 2003. Točka koju ovdje treba naglasiti je da se ni jedna od ovih nestabilnosti plazme vjerojatno ne može predvidjeti analizom baziranom na magnetskom polju, dok računalne simulacija čestica-u-ćeliji produciraju slične rezultate. Još jednom vidimo da je ponašanje plazme često previše komplicirano da bi se objasnilo magnetskom hidrodinamikom, ili MHD, jednadžbama fluida. Nužno je bazirati analizu na gibanjima čestica, to jest, na rješenju baziranom na struji. Dalje, nestabilnosti plazme mogu predstavljati ispravne mehanizme u objašnjavanju mnogih od kompleksnih interakcija koje rezultiraju zvijezdama i planetarnim sistemima, isto kao i energetskim fenomenima promatranim na samim zvijezdama i oko njih. Kraj 9. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 10. poglavlje Rotacijski Efekti Rotacija i Faraday Motori Rotacija i Faraday Motori Jedan od razloga za pretpostavku velikih količina Kriogene (ili hladne) Tamne Tvari (CDM) u Gravitacijskom Modelu je objasniti opaženu rotaciju galaksija. Astronomi su pronašli da individualne zvijezde u galaksijama ne rotiraju oko centra u skladu sa Keplerovim Zakonima gibanja planeta. Specifičnije, zvijezde izvan centralnog ispupčenja galaksija sve imaju približno istu kutnu brzinu, rotirajući više kao kruto spojeni disk, dok bi u skladu sa Keplerovim zakonima, brzina trebala biti manja kako se udaljenost od centra povećava. Dijagram kutnih brzina zvijezda (s porastom prema gore na y-osi) iscrtan prema radijalnoj udaljenosti od centra duž x-osi, s lijeva na desno, prvo raste, tada se spljošnjava prema van preko „ispupčenja“ kako zvijezde počinju imati više ili manje isti stupanj rotacije bez obzira na udaljenost. Ovo je zbunjujuća „plosnata rotacija galaksije“ o kojoj se često raspravljalo u znanosti. Dodavanje velike količine Tamne Tvari u aureolu oko svake galaksije može modificirati gravitacijsku silu dovoljno da učini da se zvijezde ponašaju na način na koji se ponašaju. Ovo je danas prihvaćeno kao dio Standardnog Modela u astrofizici. Tamna tvar po sebi nije nikad bila direktno opažena niti ju se obrađivalo u laboratorijskim uvjetima. Ona je tamna, nakon svega, po definiciji; i sa „normalnom“ vidljivom tvari po definiciji međusobno djeluje samo putem gravitacijske sile. Međutim, postoji drugi način na koji se zvijezde mogu navesti na takvo gibanje u orbiti galaksije. Michael Faraday je pronašao (oko 1831-1832, iz The Electric Life of Michael Faraday autora Alan Hirshfeld, Walker & Co., 2006) da će metalni disk koji rotira u magnetskom polju koje je poravnato sa osi diska uzrokovati električni tok koji teče radijalno u disk, i tako je izumio prvi generator, poznat kao Unipolarni Induktor, ili Faraday-ev Generator. Efekt je konačno utvrđen kao rezultat Lorentz-ove sile koja djeluje na elektrone u disku kako se gibaju kroz magnetsko polje. Ako je struja „isporučena“ nekim vanjskim električnim krugom, disk će biti pokrenut u rotaciju istom silom koja sada djeluje na elektrone u struji. Naravno da rotacijska brzina diska uspostavlja različite sile koje se suprotstavljaju toku pokretaču, i ravnoteža između para je dostignuta. Taj raspored je poznat kao Faraday-ev motor. Galaksije su poznate, kroz precizna mjerenja Faraday-ove rotacije (RM) polarizacije svjetla koju emitiraju, kao one koje posjeduju magnetska polja poravnata sa njihovim osima rotacija, a one također imaju električno vodljivu plazmu između svojih zvijezda. Pretpostavljajući da struje postoje u ravnini galaksije, slično ekvatorijalnom strujnom zastoru za koji se zna da postoji u Sunčevom Sustavu, tada uvjeti izgledaju slični onima u Unipolarnom Induktoru ili Faraday Motoru. Naravno, disk u ovom slučaju nije krut. Točan modus rotacije bi ovisio o ravnoteži između radijalne pokrećuće struje i rotacijski induciranog suprotnog toka, kao u Faraday-ovom motoru ali je u najmanju ruku moguće da su električni efekti oni koji uzrokuju nepravilnu rotaciju koju vidimo, a ne neka golema količina nevidljive Tamne Tvari. U ovom kontekstu, zanimljivo je uočiti nedavno otkriće iz Sloan Digital Sky Survey-a, jednog prstena zvijezda u ekvatorijalnoj ravnini Mliječnog Puta ali izvan naše galaksije. Sličnost sa toroidalnom strujom oko mjesta stezanja u velikom Birkeland Toku duž osi Mliječne Staze sugerira da bi još jednom električne sile u galaksijskom mjerilu mogle biti odgovorne za ove formacije koje vidimo. Strukture slične Faraday Motorima bile su isto tako promatrane u maglicama. Jedan od najočitijih primjera je u Rakovoj Maglici, gdje slika Roentgenskim X-zrakama sa Chandra-e demonstrira vrlo jasno sve zahtijevane elemente rasporeda induktora ili motora. Spiralne Galaksije i Birkeland Struje Anthony Peratt, koji je već prije spomenut, također je izvodio eksperimente čestica-u-ćeliji međusobno djelujućih Birkeland Struja. Našao je da oblik i rotacijske karakteristike spiralnih galaksija, uključujući prugaste spirale, koje su vrlo uobičajena forma u svemiru, nastaju prirodno iz međuigre elektromagnetskih sila u velikim Birkeland Tokovima. Ovaj rezultat može pomoći u objašnjavanju izvora rotacijske energije u galaksijama, što teorije bazirane na gravitaciji nalaze teškim za postići. Kraj 10. poglavlja ⇑ uvod 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Osnovni Vodič kroz Električni Univerzum – 11. poglavlje Radijacija Svjetlo Raspon vidljivog svjetla je od crvene preko žute i zelene do plave i ljubičaste. Newton je bio prvi koji je otkrio da je bijelo svjetlo mješavina svih boja. Bijelo svjetlo se može rastaviti na svoje komponentne boje difrakcijom kroz prizmu, koja ‘pregiba’ svaku boju za različitu vrijednost. Ogibna rešetka se često koristi u astronomiji jer izvori sićušnog ili prigušenog svjetla trpe manji gubitak u refleksiji od tvrde, pravilne površine nego što gube putujući kroz staklenu prizmu. Konačno, Maxwell, koji je definirao Jednadžbe elektromagnetskog polja, dokazao je da je svjetlost zapravo napravljena od elektromagnetskih (EM) valova. Svaka boja vidljivog svjetla ima karakterističnu frekvenciju i valnu duljinu. Kao sa svim valovima, produkt frekvencije i valne duljine daju brzinu vala. Očito, svjetlo putuje brzinom svjetlosti, ali Maxwell je bio u stanju upotrijebiti svoje jednadžbe da bi pokazao da svi elektromagnetski valovi putuju brzinom svjetla, i tako svjetlo mora isto biti elektromagnetski val. Vidljivo svjetlo predstavlja samo mali dio svih mogućih frekvencija ili valnih duljina. Čitav raspon je poznat kao elektromagnetski spektar. Spektar Iako je spektar kontinuiran, svako područje spektra je nazvano po tipičnom tipu vala za taj dio spektra. Počevši s najnižim frekvencijama, valovima najdulje valne duljine, spektar ide od radio valova do mikrovalova (kao u pećnicama), terahertz radijacije (nedavno razvijeno u vojnim komunikacijama), infracrvene (kao u grijačima), vidljivog spektra (Crveno, Narančasto, Žuto, Zeleno, Plavo, Indigo, Ljubičasto) Ultraljubičastog (lampe za ten i forenzičke svjetiljke, analize materijala), X-zraka (unutrašnje medicinske slike), pa gore do Gama zraka (liječenje bolesti Raka). Spektar je pokazan u slijedećem dijagramu. Uočimo da je vidljivi spektar samo mali dio čitavog spektra. Kada je Gravitacijski Model bio formuliran, znanstvenici su mogli vidjeti samo vidljivo svjetlo s neba. U 20. stoljeću, i posebno od početka Svemirskog Doba u 1950-ima, razvijeni su instrumenti koji dozvoljavaju znanstvenicima da detektiraju praktično sve valne duljine. Količina informacija koje su dostupne porasla je eksponencijalno. Opservacije su često iznenađujuće jer ono što se vidi u vidljivom spektru je rijetko nešto slično onome što se nalazi na drugim valnim duljinama. Radijacija Radijacija je proces kojom se energija emitira s nekog tijela, prenosi kroz medij ili kroz svemir, i konačno apsorbira drugim tijelom. Emitirajuća i apsorbirajuća tijela mogu biti tako mala kao što su individualni atomi ili čak subatomske čestice kao elektroni. Elektromagnetski valovi su sredstvo kojim se energija prenosi. Drugim riječima, sva radijacija je elektromagnetska. To znači da modus prenošenja radijacije uključuje oscilirajuća električna i magnetska polja koja prenose energiju slično načinu na koji vibracije žice prenose energiju duž žice. Jer je brzina prenošenja vibracijske energije konstantna za zadani medij, i ta vrijednost je jednaka frekvenciji vibrirajućeg vala puta valna duljina (frekvencija puta valna duljina = brzina), pa ako se zna frekvencija može se izračunati valnu duljinu na toj frekvenciji, i obrnuto. Spektar predstavlja raspon mogućih frekvencija valnih duljina radijacije. Kako frekvencija raste, količina energije prenesena valom također raste proporcionalno s frekvencijom. Ionizirajuća radijacija je radijacija koja nosi dovoljno energije da bi ionizirala atome. Općenito gledano, frekvencije od radiovalnih do vidljivih ne nose dovoljno energije za ovo, dok ultraljubičaste, X-zrake i radijacija Gama zraka može ionizirati. Kako je napomenuto prije, energija ionizacije varira kod različitih elemenata i molekula. Radijacija se emitira gdje god je nabijena čestica izložena ubrzanju. Imajući u vidu da je promjena smjera također ubrzanje jer se smjer brzine mijenja, proizlazi da će svaka nabijena čestica koja prolazi kroz promjenu smjera emitirati radijaciju. Sadašnje teorije objašnjavaju tu emisiju u pojmovima emisije fotona, ili paketa energije. Foton nema masu ali nosi zračenu energiju u obliku elektromagnetskih valova. Foton se ponaša i kao val i kao čestica. Koji modus je značajniji ovisit će o okolnostima. Da sažmemo: Radijaciju emitiraju sve nabijene čestice izložene ubrzanju. Sva radijacija uključuje elektromagnetske valove. Radijacija prenosi energiju. Spektar predstavlja raspon mogućih frekvencija ili valnih duljina radijacije. Toplinsko zračenje Toplinsko zračenje je radijacija emitirana sa površine nekog tijela ili nekog područja čestica zbog temperature tog tijela ili područja. Temperatura je mjera toplinske energije sadržane u nekom tijelu. Toplinska energija uzrokuje nabijene čestice unutar atoma tijela da vibriraju u slučajnom uzorku. One će zato emitirati radijaciju preko nekog raspona frekvencija. Slično, područje plazme može imati neku temperaturu. Udio te radijacije se emitira sa površine tijela ili područja kao toplota (infracrvena radijacija). Zapravo, sva materija sa ikojim toplinskim gibanjem zrači EM energiju: što je hladnija, duže su valne duljine koje zrači. Hladna međuzvjezdana prašina će zračiti terahertz, ili zračenje sub-milimetarske valne duljine, počevši od temperature od samo otprilike 10 Kelvina. Zbog nasumične prirode vibracija preko velikog broja čestica, emitirana radijacija će imati raspon frekvencija, ili valnih duljina. Statistička analiza pokazuje da je u idealnoj situaciji energija emitirana na bilo kojoj valnoj duljini funkcija te valne duljine. To je poznato kao Planck-ov zakon i pokazan je dolje grafički za jedan raspon temperatura. Radijacija emitirana u toj idealnoj situaciji je poznata kao radijacija Crnog Tijela, koja jednostavno znači da ima uzorak distribucije koji bi se očekivao od perfektnog odašiljača u toplinskoj ravnoteži. (Izvor dijagrama: Wikipedia članak ‘blackbody’) Grafovi pokazuju da za bilo koju temperaturu postoji valna duljina na kojoj je emitirana najveća količina energije. Kako temperatura raste, valna duljina maksimuma energije pada. To je definirano slijedećim zakonom koji se zove Wien-ov zakon. Napominjemo da crvena linija ima nižu temperaturu i manju površinu ispod svoje krivulje nego vrelija plava. Površina ispod bilo koje temperaturne krivulje daje ukupnu količinu energije emitiranu na toj temperaturi, po jediničnoj površini. Ukupna energija emitirana po jediničnoj površini ovisi samo o temperaturi. To je poznato kao Stefan-Boltzmann-ov zakon. Ako je uzorak emitirane radijacije iz bilo kojeg izvora raspoređen u obliku danom Planck-ovim zakonom, tada za emisiju pretpostavljamo da je nastala zbog slučajnih toplinskih pomaka čestica u izvoru. Tada kažemo da je radijacija toplinska radijacija. Sve što ovo znači je da radijacija ima distribuciju valnih duljina ili frekvencija koja dolazi od slučajnih toplinskih vibracija čestica. Sama radijacija je elektromagnetska radijacija kao svaka druga radijacija. Ako ustanovimo da je radijacija toplinska, tada možemo odrediti temperaturu izvora uspoređujući krivulju emitirane radijacije s idealnim krivuljama ‘Crnog Tijela’. To znači da možemo odrediti temperaturu dalekih objekata ako je radijacija koju emitiraju toplinska. Za zvijezde je ustanovljeno da imaju približni spektar distribucije crnog tijela, tako da temperatura boje zvijezda može biti utvrđena pomoću njihovih spektara. Ne-toplinska radijacija je jednostavno radijacija koja nije emitirana u toplinskom uzorku. Stoga mora biti generirana drugim metodama od onih slučajnih temperaturom-induciranih gibanja čestica sustava u toplinskoj ravnoteži. To ne znači da temperatura ne može sudjelovati u uzrokovanju ovih ostalih uzoraka radijacije; samo znači da sistem ili tijelo koje emitira radijaciju nije u toplinskoj ravnoteži. Drugim riječima, energija je razmijenjena sa sistemom tako da se njegova temperatura mijenja u vremenu. To će promijeniti idealan uzorak radijacije Crnog Tijela i znači da nije moguće dodijeliti temperaturu tom tijelu. Alternativno, radijacija može biti emitirana sa individualnih čestica izloženih ubrzanju uzrokovanom sredstvima drukčijima od slučajnih sudaranja s drugim česticama. Optičko Zračenje u Svemiru Radijacija u Kozmosu je uobičajena u vidljivim i radio valnim duljinama. U optičkom području, većina radijacije se generira elektronima koji skaču u nove orbite unutar atoma (vezano-vezana tranzicija), slobodnim elektronima koji se re-kombiniraju s ionima da bi formirali neutralne atome (slobodno-vezana tranzicija) i elektronima usporenim interakcijom s drugim materijalom (slobodno-slobodna radijacija). Vezano-vezane tranzicije su izvor i emisijskih linija i apsorpcijskih linija u spektru. Svaki kemijski element ima raspon energija pridruženih rasponu mogućih orbita elektrona oko jezgre za taj element. Kako elektron preskoči iz jedne orbite u drugu, energija u obliku radijacije se ili apsorbira ili predaje. Energija predstavlja razliku u orbitalnim energijama i tako je precizno definirana za svaki mogući skok između nivoa. Jer je energija fotona proporcionalna njegovoj frekvenciji, ove razlike energija će rezultirati u radijaciji s definiranim skupom frekvencija za svaki element. Ako je radijacijska energija emitirana od nekog elementa prikazana za svaku frekvenciju u spektru, tada će se pojaviti visoke amplitude na grafu na tim frekvencijama. Ovo je poznato kao emisione linije u spektru. S druge strane, ako svjetlo sa širokim rasponom frekvencija prođe kroz medij koji sadrži određene elemente ili molekule, za te elemente nalazimo da apsorbiraju energiju na svojim karakterističnim frekvencijama. Rezultirajućem spektru će nedostajati te frekvencije, i pojavit će se tamne linije. One su poznate kao apsorpcijske linije. Ovdje je jedan uvod u radijaciju crnog tijela te apsorpcijskih linija i radijacije kontinuuma. A ovdje je više za istraživanje u širem kontekstu spektroskopije. Kao primjer, ako je neki element zagrijan u unutrašnjosti neke zvijezde, tada će odašiljati karakterističnu radijaciju koja se može otkriti kao svijetle emisione linije na Zemlji. S druge strane, ako je širokopojasno svjetlo prošlo kroz apsorbirajući medij između promatrača i izvora svjetla, tada možemo odrediti elemente u tom mediju tražeći tamne apsorpcijske linije. Slobodno-vezane tranzicije pojavljuju se kada su elektroni uhvaćeni ionima pa rezultiraju u oslobađanju energije kako se događa re-kombinacija. Oslobođena količina energije je ovisna o formiranim elementima i orbiti koju elektron zauzima. Kao u vezano-vezanoj tranziciji, određene frekvencije mogu dominirati. Slobodno-slobodna radijacija pojavljuje se kada su elektroni izloženi sudaru bez-hvatanja s ionom ili nabijenom česticom prašine u plazmi. Putanja elektrona će se promijeniti kako on prolazi blizu druge čestice, i tako će odašiljati radijaciju, od koje dio može biti u vidljivom spektru. Radijacija Radio Valova u Svemiru Valne duljine Radio valova su važne jer mnogi radio valovi mogu ući u Zemljinu Ionosferu i tako biti otkriveni radio teleskopima baziranim na Zemlji. Poneko radio zračenje u kozmosu je rezultat kolektivnog ponašanja velikog broja elektrona u plazmi. Ako je plazma dovoljno gusta, tada elektroni mogu oscilirati kolektivno s frekvencijom poznatom kao frekvencija plazme, koja ovisi samo o gustoći elektrona u području. Ove oscilacije generiraju radijaciju na uobičajeni način. Ovaj tip radijacije se često pojavljuje kada snop elektrona, na primjer, kakav bi se mogao generirati ubrzanjem kroz neki dvostruki sloj, prolazi kroz područje neutralizirajuće plazme. Postoje drugi mehanizmi generiranja zračenja radio frekvencije gdje je prisutno magnetsko polje. Ovi uključuju ciklotronsku radijaciju (gdje elektroni imaju ne-relativističke brzine), Magneto-Bremsstrahlung radijaciju (gdje elektroni imaju blago relativističke brzine), i sinkrotronsku radijaciju (gdje elektroni imaju relativističke brzine). Sinkrotronsku radijaciju stvaraju elektroni koji se spiralno gibaju duž smjera magnetskog polja, kakvo se pojavljue u Birkeland Strujama (slika u 11.3 gore). Centripetalna akceleracija uzrokuje zračenje. Ponovno, radijacija se može dogoditi na svim frekvencijama širom spektra. U astrofizici, ne-toplinska radio emisija je, u većini slučajeva, sinkrotronska radijacija. Ovo je točno za galaksijske radio emisije, ovojnice supernova, dvostruke radio galaksije, i kvazare. Dodatno, i Sunce i Jupiter proizvode sporadične sinkrotronske emisije. Sinkrotronska emisija može također generirati optičke frekvencije, kakve se vide u Rakovoj Maglici i M87 ‘mlazu’. Rakova Maglica (kratki You Tube video) također emitira količine sinkrotronske radijacije Roentgenskim X-zrakama. Analiza sinkrotronskog spektra može dati informaciju o izvoru relativističkih elektrona, koji mogu imati veze sa izvorom kozmičkih zraka, X zraka, i Gama zraka u svemiru. Sinkrotronska radijacija je također dokaz postojanja prostranih magnetskih polja u svemiru te pretvaranja, pohrane, i oslobađanja velikih količina energije u kozmičkim plazmama, uključujući galaksijske mlazove. Više detalja o sinkrotronskoj radijaciji ovdje za zainteresiranog istraživača. Z-stezanja mogu također generirati sinkrotronsku radijaciju kao rezultat sile v × B. Radio astronomija može stoga proširiti raspon informacija pristupačnih nama osjetno preko onih izvedivih samo na bazi promatranja vizualnim teleskopima. Otkrivanje spektara viših energija kao što su X-zrake može pomaknuti to znanje za stupanj više. Kratki NASA video o toj galaksiji je ovdje, iako Električni Univerzum ne špekulira o crnim rupama kao uzrocima galaksijskih mlazova i njihove posljedične radijacije. U svim slučajevima nalazimo da su plazme i električni tokovi unutar njih odlični emiteri radijacije jer, kao što smo vidjeli, elektricitet u plazmi je ekstremno dobar u ubrzavanju nabijenih čestica, putem električnih polja preko dvostrukih slojeva, pa te čestice tada emitiraju radijaciju. Zanimljiv istraživački arXiv članak objavljen je ovdje. Ova učinkovita produkcija zračenja električnim mehanizmima izgleda kao puno izgledniji izvor većine radijacije otkrivene u svemiru nego što bi to bile goleme količine Tamne Tvari i super-guste materije potrebne za objašnjenje ubrzanja čestica samo silom gravitacije. Naravno, da bi se objasnio ovaj tip dokaza u Gravitacijskom Modelu također se pozivalo i na ‘magnetsku rekonekciju’, navodni slom i ponovno spajanje linija magnetskog polja,. Kao što smo vidjeli, ovo je jednostavno nemoguće jer linije magnetskog polja nemaju fizičku egzistenciju ni malo više nego što ju imaju linije zemljopisne dužine.