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

2.1 Porównanie siły oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych

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

Oddziaływania fundamentalne w fizyce:

OddziaływanieObecna teoriaWzględna siłaZasięg (m)Przewidziany pośrednik
Oddziaływanie silneChromodynamika kwantowa1E+391E-14Gluony
ElektromagnetyzmElektrodynamika kwantowa1E+37Fotony
Oddziaływanie słabeTeoria oddz. elektrosłabych1E+261E-17Bozony W & Z
GrawitacjaOgólna Teoria Względności1Grawitony1

1jak dotąd nieodkryte

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

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

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

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

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

2.2 Próżnia – „pusta” przestrzeń

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

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

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


Występowanie zjonizowanego wodoru na półkuli północnej. Źródło: Wiki Commons

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


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

2.3 Pola magnetyczne – wprowadzenie

Co rozumiemy przez pojęcie „pola magnetycznego” oraz „linii pola magnetycznego”? Aby zrozumieć koncepcję pola, rozważmy bardziej znany przykład – grawitację.

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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


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

2.4 Geneza pól magnetycznych

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

2.5 Wykrywanie pól magnetycznych w kosmosie

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

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

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

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


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

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

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

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

Wprowadzenie do pól elektrycznych

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Wykrywanie pól elektrycznych i prądów w kosmosie

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Autor: Bob Johnson – Jim Johnson

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

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.