Teil 1: Elektrizität und Plasma

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Kapitel 12: Homopolarmotoren

Birkeland-Ströme und das Spiral-Verhalten von zwei Filamenten sind verbunden mit einem anderen Konzept: Homopolarmotoren. Diese Motoren, die auch als Faradaymotoren bekannt sind, basieren auf einer Kraft, die durch die Interaktion zwischen einem elektrischen Strom und einem Magnetfeld ensteht; die Lorentzkraft bzw. Laplacekraft. In der Natur interagieren diese zwei unsichtbaren Energiearten - die Magnetfelder und elektrische Ströme - miteinander und eine sehr handfeste mechanische Kraft wird erzeugt, die man Lorentzkraft nennt.

Die Lorentzkraft verhält sich proportional zu dem elektrischen Strom und dem Magnetfeld. Umso stärker der Strom und das elektromagnetische Feld sind, umso stärker ist auch die resultierende Lorentzkraft. Das ist das Prinzip, das Homopolarmotoren, die einfachsten Motoren die es gibt, antreibt. Dieses Prinzip ist auch das Grundprinzip hinter den meisten anderen Elektromotoren. Die Lorentzkraft steht senkrecht zur Ebene die durch den elektrischen Strom und die elektromagnetischen Felder gebildet wird. Wenn Sie Ihre rechte Hand, wie in Abbildung 24 abgebildet, direkt vor Ihr Gesicht halten, würde sich die Lorentzkraft (F) von Ihrer Handfläche in Richtung Ihrer Augen ausbreiten, wenn Sie sich einen elektrischen Strom (I) vorstellen, der durch Ihre Handfläche in Richtung Ihres ausgestreckten Daumens fließt, während das Magnetfeld (B), sich nach oben in Richtung Ihres Zeigefingers ausbreitet.

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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.

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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Kapitel 10: Interstellares Plasma

Noch bis vor Kurzem dachte man, dass der Weltraum ein perfektes Vakuum und völlig leer sei. Diese Meinung ist noch immer weit verbreitet, obwohl sie nicht ganz richtig ist, wie ich es in den vorherigen Kapiteln erläutert habe. Der Weltraum ist nicht leer. Er ist gefüllt mit Plasma. Dieses Raum-Plasma besteht hauptsächlich aus sehr leichten Molekülen: Wasserstoff- und Helium-Ionen sowie Elektronen und die Konzentration im Weltraum beträgt ungefähr ein (ionisiertes) Teilchen pro Kubikzentimeter.⁴⁶ Zum Vergleich beträgt die Dichte unserer Atmosphäre etwa 10¹³ Teilchen pro Kubikzentimeter.

Die sehr geringe Konzentration von Raum-Plasma verhindert nicht, wie in Abbildung 19 zu sehen ist, dass auch dort elektrische Phänomene enstehen: In diesem Fall überspannt der Birkeland-Strom Lichtjahre aus ‘leerem’ Raum. Erinnern Sie sich noch an das Millikan Experiment und wie die elektromagnetische Kraft, die von einem einzigen Elektron ausgeübt wird, einen großen Teil des Raumes beeinflusst, den das Elektron umgibt? Im kosmischen Maßstab erlauben die elektrischen Eigenschaften von Raum-Plasma es, dass elektrische Ströme zwischen Himmelskörpern fließen können, weil solch ein Plasma höchst leitfähig ist. Diese Tatsache ermöglicht es, dass der elektrische Austausch zwischen der Oberfläche und der äußeren Schicht der DS eines Himmelskörpers stattfinden kann. Genauso wie es auch den elektrischen Austausch innerhalb der DS ermöglicht. Nach Hannes Alfven und James McCanney ist Plasma im Weltraum quasi-neutral oder leicht positiv. Allerdings herrscht bei der elektrischen Ladung des Sonnenwindes Uneinigkeit. Während die offizielle Position darin besteht, dass der Sonnenwind elektrisch neutral ist, hat der britische Mathematiker und Geophysiker Sydney Chapman schon im Jahr 1930 darauf hingewiesen, dass der Sonnenwind aus positiv geladenem Plasma besteht. In jüngerer Zeit kam Luis Alvarez⁴⁷ zu dem Schluss, dass der Sonnenwind eine insgesamt positive Ladung aufweisen müsste.⁴⁸ Jean Martin Meunier⁴⁹ stellt auch fest, dass der Sonnenwind nicht elektrisch neutral ist und er erklärt es wie folgt:

Der Sonnenwind ist im Ganzen betrachtet elektropositiv; er enthält viel mehr H+ Protonen, als Elektronen. Warum? Weil Elektronen im galaktischen Raum mit einer Geschwindigkeit von 10.000 bis 300.000 km/s durch die solaren UV-, X- und Gammastrahlen evakuiert werden (Compton Effekt). Folge: Der solare Wind (mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 900 km/s), ist ein Strom von Protonen, der versucht die verlorenen Elektronen wieder auszugleichen.⁵⁰

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Kapitel 9: Die externen Energiequellen von Himmelskörpern

Der Grund, warum Kondensatoren sich immer wieder entladen können und zugleich die elektrische Potentialdifferenz zwischen ihren Anoden und Kathoden beibehalten, liegt an der Tatsache, dass sie an eine externe Stromquelle angeschlossen sind. Von wo kommt also die Elektrizität in unserem Sonnensystem? Der Astrophysiker Michael J. Longo, von der Universität Michigan, hat mehr als 40 000 Galaxien gründlich untersucht.³⁷ Nach zahlreichen Schritten, in denen er die Daten aufbereitet und analysiert hat - ich erspare Ihnen die Details seiner Berechnungen, die Sie in seiner Arbeit nachlesen und prüfen können - kam er zu folgendem Schluss:

Die beunruhigende Ausrichtung der Tagundnachtgleichen und der Ekliptik mit der AE [Achse der Ekliptik] wird jetzt wegen der ekliptischen Definition entlang der RA [Rektaszensionen] = 180° und 0° in der Nähe der galaktischen Pole als ein Zufall betrachtet. Es ist kein Zeichen für einen gravierenden Vordergrund Bias in den WMAP Daten zu erkennen. Alle diese Ausrichtungen können durch ein kosmisches Magnetfeld erklärt werden, der die Zyklotronen Umlaufbahn-Achsen der Elektronen ausrichtet und seine Multipole auf dem CMB einprägt.³⁸

Einfacher ausgedrückt, bedeutet das Folgendes: Longo ist zu dem Schluss gekommen, dass die Rotationsachsen von Galaxien sich auf der selben Kurve ausrichten und dass diese Ausrichtung kein Zufalls-Resultat sein kann. Neben Longo haben auch Alfven³⁹, Campanelli⁴⁰ und Schwarz⁴¹ nachdrücklich darauf hingewiesen, dass die Ausrichtung der galaktischen Rotationsachsen wahrscheinlich aufgrund eines gigantischen Rings aus elektrischem Strom entsteht. Obwohl die ultimative Quelle dieses gigantischen elektrischen Rings, der das kosmische ‘Nichts’ umkreist, immer noch nicht bekannt ist, ist die Ausrichtung der galaktischen Rotationsachsen ein indirekter Beweis für seine Existenz. Abbildung 16 zeigt diese Ausrichtung der galaktischen Rotationsachsen an einem ringförmigen galaktischen Strom (rosa Farbe).

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Kapitel 8: Die elektrische Ladung der Sonne, der Erde und ihrer Doppelschichten

Wie wir zuvor festgestellt haben, besteht fast alles im Universum aus Plasma. Das gilt auch für unser Sonnensystem. Demnach findet man in diesen ionisierten Bereichen fast überall auch elektrische Ladungen. In diesem Kapitel werden wir versuchen, die unterschiedlichen elektrischen Ladungen der verschiedenen Himmelskörper (Kometen, Monde, Planeten, Sterne, Galaxien) in ihren Kernen, auf ihren Oberflächen, sowie in ihren DS (Doppelschichten), näher zu betrachten. Beachten Sie jedoch, dass ‘relative Ladung’ nicht ‘absolute Ladung’ bedeutet. Oder anders ausgedrückt:: Wenn A positiver geladen ist als B, bedeutet das nicht zwangsläufig, dass die Gesamtladung von A im absoluten Sinne, (also in einem Universum-weiten Sinn), positiv ist. Es bedeutet also nur, dass A positiver als B, oder, dass A weniger negativ als B ist, mit dem es in Bezug bzw. in ‘Relation steht’.

Im Grunde sind diese relativen Ladungen jedoch die ausschlaggebenden Werte, die wirklich zählen - ungeachtet dessen, was die absoluten Ladungen (positiv oder negativ) auch sein mögen - da die Unterschiede in den relativen Ladungen der Grund dafür sind, warum elektrischer Strom überhaupt fließen kann. Da wir hier versuchen, die Unterschiede zwischen Oberflächenladung, DS-Ladung, Kern-Ladung, etc., besser zu verstehen, werden wir uns auf die relative Ladung konzentrieren.

Als Faustregel kann man sagen, dass die meisten Himmelskörper eine Ladung besitzen, die insgesamt negativ ist³⁴. Desweiteren sind diese negativen Körper üblicherweise von einer noch negativeren DS umgeben, die wiederum von einem noch negativer geladenen galaktischen oder interstellaren Plasma umgeben sind. Auf unsere Sonne angewendet, ergibt die Faustregel folgendes: Die Sonne ist in unserem Sonnensystem der am positivsten geladene Körper - relativ gesehen - obwohl ihre absolute Ladung eigentlich negativ ist. Doch ist sie weniger negativ als die Planeten, Kometen, die Heliosphäre und der galaktische Raum, der sie umgibt. Daher kann man Planeten und Kometen als negativ geladene Objekte, relativ zur Sonne, beschreiben.

Abbildung 14 entspricht der Abbildung 11, mit dem Unterschied, dass wir die relativen Ladungen der Erde, Sonne und ihrer DS eingezeichnet haben.

Von der Ebene der Sonne aus betrachtet, gliedern sich die relativen elektrischen Ladungen folgendermaßen auf: Der Kern der Sonne ist positiver als die Oberfläche der Sonne. Die Sonne (Oberfläche und Kern) ist positiver als ihre ‘Blase’ (Heliosphäre), die die Erde und alle Planeten des Sonnensystems umgibt. Die Sonne und ihre Heliosphäre sind positiver als das galaktische Plasma, welches sie umgibt.

In Bezug auf die Erde bleibt festzustellen, dass der Kern, genauso wie bei der Sonne, positiver ist als ihre Oberfläche. Die Erde (Oberfläche und Kern) ist negativer als ihre ‘Blase’ (Ionosphäre). Die Erde und ihre Ionosphäre sind zusammen negativer geladen als das umgebende Plasma (das Plasma der Heliosphäre). In beiden Fällen folgen die elektrischen Ladungen einem Gradienten.

In Bezug auf die Sonne bedeutet das zum Beispiel: Während man sich vom Kern der Sonne weg bewegt (vom Kern der Sonne zur Oberfläche, Heliosphäre, Heliopause und schließlich zum galaktischen Raum), wird die elektrische Ladung zunehmend negativ:

Elektrisches Potential der Sonne > elektrisches Potential der Heliosphäre > elektrisches Potential des galaktischen Raumes.

In Bezug auf die Erde verläuft es umgekehrt: Die Ladung wird positiver wenn man sich vom Kern entfernt:

Elektrisches Potential der Erde > elektrisches Potential der Ionosphäre > elektrisches Potential des umgebenden Raumes.

Beachten Sie jedoch eine scheinbare Unregelmäßigkeit: Die Sonne zeichnet sich auf der Oberfläche durch eine (relativ) negative Ladung aus, während ihre (relative) Gesamtladung positiv ist. Die Sonne agiert wie ein Generator. Auf der Oberfläche der Sonne werden positiv geladene Protonen durch die ‘Sonnenwinde’³⁵ in Richtung der äußeren Schicht der Heliosphäre davongetragen, während Elektronen zurück zur Oberfläche der Sonne strömen und sich dort ansammeln. Diese zwei Faktoren erklären die negative Ladung der Sonnenoberfläche relativ zu ihrem Kern. Im Gegensatz dazu agiert die Erde nicht als Generator. Die Erde wird von der Sonne angetrieben, welche dafür sorgt, dass die positiv geladene Ionosphäre unserer Erde aufrecht erhalten wird. Da Ladungen von entgegengesetzter Polarität sich anziehen, zieht die positiv geladene Ionosphäre Elektronen, die sich auf der Erdoberfläche befinden, an. Deshalb hat die Erdoberfläche, relativ zum Kern, ein negatives elektrisches Potential.

Die lokalen elektrischen Ladungen, die ich oben beschrieben habe (Oberflächen- und Kernladungen), sind Durchschnittswerte (der Oberflächenladung und Kernladung). Allerdings weisen die Kerne und Oberflächen von Himmelskörpern nicht immer die selbe Ladung an jeder Stelle auf. In Bezug auf die Erde bedeutet das: Obwohl die Oberfläche der Erde im Durchschnitt negativer ist als die Atmosphäre, kann sie lokal in bestimmten Regionen positiver sein. Dieser Umstand kann zu diversen elektrischen Arten der Entladung führen.

Blitze sind lokale Phänomene, die die elektrischen Ladungen in der Region, in der sie sich entladen, ausbalancieren. Diese lokalen Ungleichgewichte der Ladungen sind der Grund dafür, warum wir Wolke-Erde-Blitze (die häufigste Blitzart, in der der Boden positiver ist als die Wolke) beobachten können, aber auch Boden-Wolke-Blitze (wenn der Boden negativer als die Wolke ist) und Wolke-Wolke-Blitze (wenn zwei Wolken sehr unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen). Diese plötzlichen und massiven elektrischen Entladungen ermöglichen das Ausgleichen von Ladungen zwischen zwei Orten, in denen starke lokale positive oder negative Ladungen vorzufinden sind. Wir werden dieses Thema später noch genauer behandeln.³⁶

Kehren wir jetzt aber zur Plasmalampen-Analogie (siehe Kapitel 4) zurück. Wenn Sie die Oberfläche dieses Globus berühren, bildet sich ein dichtes Plasma-Filament zwischen der zentralen Elektrode und der Stelle des Globus, den Sie berühren. Auf ähnliche Weise verhält es sich, wenn eine Fliege zwischen die zwei Drähte einer Elektro-Insektenfalle fliegt: Eine elektrische Entladung wird ausgelöst. In beiden Beispielen erhöht der Fremdkörper (Finger, Fliege) die lokale Konduktivität, verursacht den Weg des geringsten (elektrischen) Widerstandes und ermöglicht es somit, dass eine Entladung durch diese leitfähigere Verbindung stattfinden kann. Während die DS sich zwar wie ein elektrischer Isolator verhält, indem sie die Entladung zwischen dem Körper und dem umgebenden Plasma dämpft, ist sie jedoch kein perfekter Isolator. Wie bei jeder Art von Kondensator fließt elektrischer Strom immer noch durch den Isolator, entweder in Form von Leckstrom oder intensiveren Entladungen, also in Form der drei Entladungsarten die wir zuvor beschrieben haben (dunkel, glühend und Lichtbogen Form). Die Anwesenheit von geladenen Körpern (z.B. Kometen, Planeten, etc.) in der DS eines Himmelskörpers, ist der Hauptauslöser von massiven Entladungen. Wir werden auf diesen Punkt später näher eingehen.

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Kapitel 7: Die ‘isolierende Blase’

Neben dem sehr geringen elektrischen Widerstand von Plasma, weist es noch eine andere Eigenschaft auf: Die Fähigkeit, um andere Körper eine Art von ‘insolierender Blase’ zu erzeugen:

Irving Langmuir entdeckte eine der wichtigsten Eigenschaften von Plasma, nämlich seine Fähigkeit, einen Teil von sich selbst elektrisch von einem anderen zu isolieren. Die isolierende Wand besteht aus zwei dicht aneinanderliegenden Schichten. Die eine Schicht besteht aus positiven Ladungen und die andere aus negativen Ladungen. Langmuir nannte diese Entdeckung Doppelmantel [double sheath]. Heute nennt man es Doppelschicht (DS) [double Layer (DL)]. Da Plasmen hervorragende Leiter sind, gibt es in ihnen, während sie Strom führen,keinen signifikanten Spannungseinbruch. Wenn es eine signifikante Spannungsdifferenz zwischen zwei Stellen innerhalb des Plasmas gibt, formt sich eine DS zwischen ihnen; und der größte Teil der Spannungsdifferenz wird darin eingeschlossen. Oder anders ausgedrückt: Das stärkste elektrische Feld in jedem Plasma befindet sich immer in der DS. Plasmen haben eine fast schon magische Fähigkeit, sich selbst vor fremden Eindringlingen zu isolieren.²⁴

Man beachte: Wenn das elektrische Potential eines Himmelskörpers sich dem Potential des umgebenden Plasmas angleicht und am Ende dem selben Potential entspricht, dann verschwindet die isolierende Blase. Bei unserem Mond ist dies der Fall: Er besitzt keine isolierende Blase.²⁵ Abbildung 9 zeigt den Querschnitt eines geladenen Körpers (links) und seiner umgebenden DS (rechts). Die DS weist drei spezifische Bereiche auf. Der mittlere Bereich enthält den größten Bereich der DS (in Bezug auf das Volumen). Das elektrische Potential dieser breiten Region ist relativ gleichmäßig, was dazu führt, dass dort ein sehr schwaches elektrisches Feld vorherrscht. Das Resultat ist ein relativ limitierter elektrischer Strom. Daraus folgen die isolierenden Eigenschaften der DS. Der Großteil der elektrischen Potentialdifferenz tritt an den Extremitäten auf; an den Bereichen, in der die DS dem geladenen Körper näher kommt (links) und dem umgebenden Raum / Plasma (rechts).

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Kapitel 6: Die Skalierbarkeit von Plasma

Die Skalierbarkeit ist eine sehr interessante Eigenschaft von Plasma. Das bedeutet, dass Plasma, egal wie groß oder klein das Phänomen auftritt, sich ähnlich verhält: Es verhält sich im kleinen Laborexperiment also genauso (bzw. sehr ähnlich) wie im großen Maßstab im Kosmos.Tatsächlich tritt Plasma in einem sehr breiten Größenspektrum jenseits des atomaren Maßstabs auf (das heißt, ein Elektron, das von seinem Kern getrennt ist). Diese Spannweite reicht von 10^-10 Metern im Durchmesser bis zum galaktischen Maßstab, was im Fall unserer Milchstraße etwa 10²⁰ Meter im Durchmesser ist.

Also überspannt Plasma in Bezug auf den Maßstab das Ausmaß von 30 Größenordnungen (10³⁰, oder die Ziffer 10 gefolgt von 30 Nullen). Plasma weist auf dieser gesamten Bandbreite ähnliche Eigenschaften auf. Die Abbildung oben illustriert die Analogie zwischen mikroskopischem Plasma (atomarer Maßstab) und makroskopischem Plasma (Maßstab des Sonnensystems). Wegen dieses breiten Spektrums der Skalierbarkeit von Plasma sind Plasma-Kosmologen in der Lage, auf der Basis von reproduzierbaren/testbaren Experimenten im Labor (das heißt im kleinen Maßstab), fundierte Beobachtungen und Hypothesen aufzustellen und durch ‘Ähnlichkeitstransformationen’ diese Ergebnisse auf Plasmen im größeren Maßstab anzuwenden (zum Beispiel kosmische Phänomene). Aus dieser Perspektive sind Plasma Experimente im Labor, die auf kosmologische Ereignisse hochgerechnet werden können, ähnlich wie das anfängliche Testen von kleineren Flugzeugmodellen im Windtunnel, durch das Studium von natürlich verwirbelnden Strömungen der Luft, bevor die Resultate auf das echte (große) Flugzeug hochgerechnet und übertragen werden. Diese Testbarkeit von Plasma erlaubt es den Wissenschaftlern, fundierte Theorien und Vorhersagen anhand verschiedener konkreter Experimente aufzustellen, was eigentlich ein essentieller Aspekt der wissenschaftliche Methode sein sollte, wie es der Wissenschaftstheoretiker Karl Popper ausdrückte:

Das Kriterium um feststellen zu können, ob eine Theorie wissenschaftlich ist, ist es herauszufinden, ob die Theorie falsifizierbar, widerlegbar oder testbar ist.

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Kapitel 5: Entladungsarten

Abhängig von der Stromdichte (Amper pro Kubikmeter), die durch das Plasma fließt, weist es verschiedene Entladungsarten auf. Wenn die Stromstärke schwach ist, geschieht die Entladung in einer ‘dunklen Form’, das heißt, es werden keine sichtbaren Strahlen bzw. Lichtstrahlen ausgestrahlt. Dieses Phänomen können wir bei dunklen Asteroiden, dunklen Sternen oder zum Beispiel im interstellaren Raum beobachten (was wir im nächsten Kapitel genauer behandeln werden, wenn wir uns mit der Skalierbarkeit des Phänomens beschäftigen). Durch das Plasma fließt eine Stromstärke, die einfach zu schwach ist um das Plasma glühen zu lassen. Wenn sich die Stromstärke erhöht, beginnt das Plasma zu glühen. Das können wir beim Neonlicht, einem Kometen (das heißt, bei einem glühenden Asteroiden) oder in der Korona der Sonne beobachten (die helle ‘Atmosphäre’ der Sonne). Das ist die ‘glühende Form’ der Entladung. Wenn die Stromstärke sich noch mehr erhöht, beginnt sich das Plasma in ‘Lichtbogen-Form’ zu entladen, was zu einer plötzlichen und heftigen elektrischen Entladung führt. Das geschieht bei einem Blitz oder während des Lichtbogenschweißens. Es ist auch das Phänomen, welches man in der Plasmalampe (siehe Kapitel 4) beobachten kann. Auch auf Kometen kann dieses Phänomen beobachtet werden, was zu einem explosiven Aufhellen und/oder Zerbrechen des Kometen führen kann. Das geschah zum Beispiel mit dem berühmten Komet Shoemaker-Levy²³ und anderen Kometen, vor und nach ihm. Abbildung 7 veranschaulicht diese drei Formen der Plasmaentladung. Abschließend bleibt festzuhalten, dass Plasma, je nachdem wie groß die Stromdichte ist, die durch das Plasma fließt, drei Formen der Entladung aufweist.

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Kapitel 4: Die elektrischen Eigenschaften von Plasma

Plasmen weisen ganz bestimmte elektrische Eigenschaften auf. Sie sind keine Isolatoren (die einen sehr hohen Widerstand haben), wie zum Beispiel nicht ionisierte Gase und auch keine Supraleiter (die praktisch keinen Widerstand besitzen) aber sie sind sehr gute Leiter, sogar besser als Kupfer oder Gold. Die typische elektrische Impedanz des Plasmas beträgt in etwa 30 Ohm.²⁰ Im Vergleich dazu beträgt die typische elektrische Impedanz²¹ von Kupfer zwischen 300 und 600 Ohm.²²
Elektrischer Strom, genauso wie Plasmastrom, entsteht zwischen zwei Körpern, die jeweils eine andere elektrische Ladung aufweisen. Wenn das der Fall ist, nennt man den Körper der positiv geladen ist, ‘Anode’ (das heißt, dieser Körper zieht wahrscheinlich Elektronen an, um seine Ladung auszugleichen) und den Körper, der negativ geladen ist, nennt man ‘Kathode’ (das heißt, dieser Körper stößt wahrscheinlich Elektronen ab).

Wenn der Ladungsunterschied zwischen den Körpern groß genug ist und die Distanz zwischen den beiden Elektroden (Anode und Kathode) klein genug und das Gas zwischen ihnen dicht genug ist, dann wird das Gas ionisiert (das heißt die Ladungstrennung setzt Elektronen frei). Daraufhin beginnen sich die Ladungen zwischen den beiden Körpern auszubalancieren, indem Elektronen von der Kathode zur Anode oder positive Ionen von der Anode zur Kathode geleitet werden. Beides kann auch gleichzeitig geschehen. Dieses Phänomen ist sehr häufig. Beispielsweise kann man das Phänomen in Leuchtstoffröhren und Plasmalampen bewundern.

In einer Plasmalampe erstrecken sich Plasmafilamente (das heißt, Ströme von Elektronen und positive Ionen) von der im Zentrum angebrachten Elektrode (Kugel) bis hin zur der äußeren Elektrode (die Glaskugel), da die Ladungen sich versuchen auszugleichen. Merken Sie sich dieses Beispiel der Plasmalampe, denn es ist eine sehr gute Analogie dafür was im stellaren und sogar galaktischen Maßstab geschieht.

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Kapitel 3: Was ist Plasma?

Bevor wir fortfahren, sollten wir einen der Hauptakteure dieses Buches näher kennen lernen: Nämlich ‘Plasma’ bzw. ionisiertes Gas. Um die elektrische Natur des Universums verstehen zu können, müssen wir zunächst die Eigenschaften dieser Hauptkomponente unseres Kosmos nachvollziehen können. Irving Langmuir prägte den Begriff ‘Plasma’ wegen der Ähnlichkeit zu lebenden Blutzellen. Tatsächlich sind die lebensähnlichen Eigenschaften¹⁶ des Plasmas sehr ungewöhnlich im Vergleich zu anderen Aggregatzuständen der Materie.

Im Berkeley Radiation Laboratory begann [David] Bohm seine bahnbrechende Arbeit an Plasmen. Ein Plasma ist ein Gas, das eine hohe Dichte an Elektronen und positiven Ionen aufweißt, [also] Atome die eine positive Ladung haben. Zu seinem Erstaunen entdeckte Bohm, dass Elektronen sich nicht mehr länger wie Individuen verhielten sobald sie in den Plasma Zustand übergingen, sondern [vielmehr] als würden sie ein Teil eines größeren und zusammenhängenden Ganzen sein. Obwohl die individuellen Bewegungen zufällig erschienen, waren eine große Anzahl an Elektronen dazu in der Lage, Effekte zu erzeugen, die erstaunlich gut organisiert waren. Wie eine amöbenartige Kreatur, regenerierte sich das Plasma ständig selbst und umhüllte alle Verunreinigungen mit einer [Schutz]Mauer, auf die gleiche Art wie biologische Organismen Fremdobjekte in Zysten einschließen. Bohm war so erstaunt über diese organischen Qualitäten [des Plasmas], dass er später anmerkte, er hätte häufig den Eindruck gehabt, dass das Elektronen-Meer "lebendig" sei.¹⁷

Mal abgesehen davon, ob das Plasma nun lebendig ist oder nicht, ist es der häufigste Aggregatzustand der Materie im Universum, sowohl in Bezug auf die Masse, als auch auf das Volumen. Mehr als 99% des sichtbaren Universums besteht aus Plasma¹⁸ und somit ist Plasma weitaus häufiger als die anderen drei Aggregatzustände der Materie: fest, flüssig, gasförmig. Alle Sterne bestehen aus Plasma und sogar der interstellare Raum ist von Plasma durchdrungen. Die nachfolgende Grafik zeigt, dass Plasmen in den verschiedensten Umgebungen, Temperaturen und Materiezuständen auftreten. Selbst Metalle werden den Plasmen zugeordnet, da sie (feste) Materie mit freien dissoziierten Elektronen¹⁹ sind (siehe oben links in Abbildung 4).