Teil 1: Elektrizität und Plasma

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Kapitel 11: Ströme im Plasma

Erinnern Sie sich noch an den Plasmaglobus und die glühenden Filamente, die die zentrale Elektrode mit der äußeren Plastikschicht der Kugel verbinden? So sieht eine typische Plasmastrom Entladung aus. Aber warum nehmen Plasmaströme so eine filamentartige Form an? Um dieses Phänomen zu verstehen, müssen wir uns an unsere Physik-Stunden in der Schule erinnern, insbesondere an die Lektion über Elektromagnetismus und wie ein elektromagnetisches Feld durch einen unter Strom stehenden elektrischen Draht entsteht.

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Abbildung 20: Ein elektrischer Strom fließt durch einen geraden Draht und generiert ein magnetisches Feld.
In Abbildung 20 sehen wir, wie der elektrische Strom im Draht (blau und gelb) magnetische Schleifen (schwarze ringförmige Pfeile) im rechten Winkel zum Strom (rote Pfeile) generiert. Auf ähnliche Weise werden magnetische Schleifen im rechten Winkel zum Stromfluss im Plasma generiert. im Gegensatz zu einem starren Kupferdraht ist Plasma allerdings in den meisten Fällen flüssig. Aus diesem Grund zwingen die magnetischen Schleifen die Plasmaentladungen in eine Filament-Form (Abbildung 21). Deshalb verleiht das magnetische Feld dem selben Strom, der dieses Feld generiert, die Form eines Filamentes. In diesem Sinne kreiert ein elektrischer Strom im Plasma das magnetische Feld, welches dann dazu führt, dass dieser Strom kanalisiert bzw. gestaucht wird; man nennt dieses Phänomen ‘Pinch’.51 Oder anders ausgedrückt: Der Pinch ist die Kompression eines elektrisch leitenden Filamentes durch magnetische Kräfte. Diese fadenförmigen Plasma Ströme nennt man auch Birkeland52**Ströme.

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Abbildung 21: Magnetische Feldlinien (gelbe Ringe) ‘pinchen’ den Birkeland Strom in die Form von langen Filamenten (lila Zylinder).
Da wir jetzt wissen, wie sich ein einziger fadenförmiger Plasmastrom bzw. Birkeland Strom verhält, werfen wir einen Blick auf das, was mit anderen Plasma-Filamenten in der Umgebung geschieht, wie in Abbildung 22 dargestellt. Zunächst ziehen sich die Magnetfelder, die durch jedes Filament erzeugt werden, an und neigen dazu zu verschmelzen. Diese elektromagnetische Interaktion bewirkt, dass die Filamente sich immer näher zusammen ziehen (oberer Teil der Abbildung). Die drehenden magnetischen Felder führen jetzt dazu, dass die Filamente umeinander rotieren (unterer Teil der Abbildung). Das nennt man einen Plasmawirbel.

Beachten Sie, dass die zwei Filamente sich zwar zuerst magnetisch anziehen, wenn sie jedoch nahe genug aneinander sind, ensteht an einem bestimmten Punkt eine Abstoßungskraft, der die Filamente voneinander fern hält. Die Lorentzkraft (siehe nächstes Kapitel) ist dafür verantwortlich, dass sich die Partikel im Plasma anziehen und sich das Plasma dadurch zusammen zieht. Dann wird jedoch durch den ansteigenden Gasdruck des Plasmas der Kontraktion entgegengewirkt. Diese anziehenden und abstoßenden Kräfte wirken hierbei zusammen und kreieren dadurch eine sehr stabile Konfiguration, in der die zwei Filamente einen spezifischen Abstand zueinander einhalten. Die zwei Filamente können sich weder vereinigen noch trennen.

Merken Sie sich diese fadenförmigen und drehenden Formen, weil wir in den nächsten Kapiteln zahlreiche ähnliche Phänomene in der Natur besprechen werden (z.B. Wirbelstürme, Hurrikans, Galaxie-Formen, Kometenschweife, Sonnenwinde, die Rotation von Sternen und Planeten, etc.). Zum Beispiel verwendete Anthony Peratt53 diese rotierenden Eigenschaften von Plasmafilamenten, um unter Laborbedingungen die Entstehung von Galaxien zu erklären (siehe Abbildung 23).
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Abbildung 22: Elektromagnetische Interaktionen führen dazu, dass sich die zwei Filamente nach innen zusammenziehen, umeinander rotieren und sich zu einem spiralförmigen Filamenten-Paar vereinigen: Auch bekannt unter dem Namen ‘Plasmawirbel’.
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Abbildung 23: Supercomputer-Simulation von Anthony Peratt über die Bildung von Spiralgalaxien, basierend auf Wechselwirkungen geladener Partikel.
Fußnoten:

51Pinche werden in Laboren mit Hilfe von Geräten erzeugt, die im Zusammenhang mit der Kernfusion stehen. Pinche können auch instabil werden und Strahlung über ein breites elektromagnetisches Spektrum erzeugen, darunter Radiostrahlung, Röntgen- und Gammastrahlung, sowie Neutronen- und Synchrotronstrahlung. Es gibt verschiedene Arten von Pinche, darunter der "ta Pinch", der "screw Pinch" und der "Z-Pinch". Der Name bezieht sich auf die Richtung des Stroms innerhalb der Vorrichtungen, was in einem mathematischen Diagramm als Z-Achse dargestellt wird. Jede Maschine, die einen Pinch Effekt aufgrund eines Stromflusses in diese Richtung erzeugt, wird deshalb korrekterweise "Z-Pinch System" genannt und umfasst dabei eine große Auswahl an Geräten, mit einer ebenso großen Auswahl an Einsatzmöglichkeiten, darunter auch die Erforschung der Kernfusion. Pinche werden genutzt, um Röntgenstrahlung zu erzeugen und deren Anwendung reicht von Partikelstrahlen, inklusive Partikelstrahlwaffen, bis zur Astrophysik.

52Christian Birkeland schrieb 1913, dass das, was heute als "Sonnenwind" bezeichnet wird, Ströme im Weltall hervorruft und damit die Nordlichter erzeugt. Birkelands Theorie wurde damals vom britischen Geophysiker und Mathematiker Sydney Chapman, einer der führenden Vertreter der Astrophysik, angefochten. Er argumentierte mit der gängigen Ansicht, dass Ströme nicht das Vakuum des Alls überwinden könnten, folglich müssten sie durch die Erde selbst erzeugt werden. Jedenfalls wurde 1967 Birkelands Theorie, die bis dahin als die Meinung eines Außenseiters galt, dank der gesammelten Daten des U.S. Navy Satelliten 1963-38C als zutreffend bewiesen. Diese durch magnetische Felder ausgerichteten Stromflüsse werden seither zu seinen Ehren "Birkeland-Ströme" genannt.

53Anthony L. Peratt ist ein leitender Plasmaphysiker. Er ist der Autor eines grundlegenden Buches mit dem Titel Physik des Plasma Universums. Peratt untersucht derzeit archäologische Beweise über ein bedeutendes Raum-Plasma Ereignis in der Frühgeschichte.