Plazma – podstawowy stan materii

Definicje

Kiedy jeden lub więcej zewnętrznych (walencyjnych) elektronów zostanie oddzielonych od atomu, mówimy, że atom jest zjonizowany. Wykazuje wówczas dodatni ładunek elektryczny, i jest zwany jonem dodatnim. Z drugiej strony, jeśli dodatkowy elektron jest dodany do obojętnego elektrycznie atomu, zyskuje on ładunek ujemny, i jest nazywany jonem ujemnym. Siły elektryczne pomiędzy różnymi jonami są rzędy wielkości większe, niż siły mechaniczne, np wytwarzane grawitacją. Elektryczna plazma jest chmurą jonów i elektronów, które, na skutek wzbudzenia pod wpływem pól elektromagnetycznych, mogą zaświecić i zachowywać się w niezwykły sposób. Najbardziej znanymi przykładami elektrycznej plazmy są lampy neonowe, błyskawice czy spawarka. Ziemska jonosfera jest przykładem plazmy, która nie emituje widzialnego światła. Plazma wypełnia przestrzeń naszego Układu Słonecznego. Chmura cząstek tworzących wiatr słoneczny jest plazmą. Cała nasza Droga Mleczna składa się głównie z plazmy. W rzeczywistości, 99% Wszechświata jest plazmą!

Historia

Pod koniec XIX wieku, w Norwegii, fizyk Kristian Birkeland wyjaśnił, ze powodem, dla którego widzimy zorze polarne, jest ich plazmowa natura. Birkeland odkrył również zwinięte, korkociągowe ścieżki prądu elektrycznego w plazmie. Czasami są one widoczne, czasem nie – zależy to od gęstości prądu w plazmie. Dzisiaj, te strugi jonów i elektronów nazywane są prądami Birkelanda. Tajemnicze krasnoludki, elfy i niebieskie fontanny, związane z burzami elektrycznymi na Ziemi, są przykładami takich właśnie prądów w plazmie górnej atmosfery.

Na początku XX wieku, laureat nagrody Nobla, Irwing Langmuir, studiował elektryczną plazmę w swoim laboratorium w General Electric. Rozwinął on wiedzę na temat inicjowania prądów Birkelanda. W istocie to on pierwszy użył słowa plazma na określenie niemal biologicznego, samo organizującego się zjonizowanego gazu, w obecności prądów elektrycznych i pól magnetycznych.

Podstawowe właściwości

Tryby działania

Istnieją trzy różne stany funkcjonowania plazmy:

  • Tryb ciemnego prądu – natężenie prądu elektrycznego (przepływ naładowanych cząstek) wewnątrz plazmy jest niewielkie. Plazma nie świeci. Jest całkowicie niewidoczna. Nie wiemy o jej istnieniu, dopóki nie zmierzymy aktywności elektrycznej czułymi instrumentami. Obecnie przykładami plazmy operującej w ciemnym trybie są magnetosfery planet.
  • Tryb żarzenia – natężenie prądu elektrycznego jest znaczne. Plazma się jarzy. Jasność jarzenia zależy od intensywności prądu. Przykłady: lampa neonowa, mgławica emisyjna, korona słoneczna.
  • Tryb łuku – natężenie prądu jest bardzo wysokie. Plazma silnie promieniuje w całym widmie. Prąd ma tendencje do tworzenia skręconych włókien. Przykładami takiego trybu są spawarka, błyskawica i fotosfera słoneczna.

We wszystkich trzech trybach plazma emituje mierzalne promieniowanie elektromagnetyczne (szum radiowy). Przez cały czas gęstość prądu (ampery na metr kwadratowy) determinuje stan, w jakim znajduje się plazma. Atomowa struktura jonizowanego gazu również ma na to wpływ.

Warstwy podwójne

Jedną z najbardziej istotnych właściwości plazmy jest jej zdolność do samo organizacji – czyli elektrycznego izolowania się jednej części od pozostałych. Warstwa izolacyjna nazywana jest warstwą podwójną (DL). Gdy studiuje się plazmę w laboratorium, jest ona z reguły zamknięta w cylindrycznej szklanej tubie. Na obu końcach tuby znajdują się elektrody. Jedna elektroda (zwana anodą) posiada większy woltaż niż druga (katoda). Przy takim ustawieniu następuje jonizacja i zaczyna płynąć prąd. Jony dodatnie (atomy pozbawione części elektronów) oddalają się od anody, a jony ujemne (atomy z dodatkowymi elektronami) będą się do niej przybliżać. Matematyczna suma tych dwóch przeciwnie skierowanych przepływów jest całkowitym prądem płynącym w plazmie.

Jeżeli różnica potencjałów pomiędzy elektrodami jest wystarczająco duża, gdzieś pomiędzy nimi uformuje się warstwa podwójna. Skupi się na niej niemal cały spadek napięcia, przyłożony pomiędzy elektrody. Plazma po stronie anody DL będzie miała w przybliżeniu taki sam woltaż, jak anoda, zaś plazma po drugiej stronie – jak katoda. Obie części plazmy będą od siebie odizolowane przez DL. Cząstki po jednej stronie DL nie odczuwają pola elektrycznego, ze względu na równoważący ładunek po drugiej. Niemniej całkowity prąd elektryczny, jest wszędzie taki sam (po obu stronach DL). Plazma jest doskonałym przewodnikiem, a co za tym idzie, nie ma na niej znaczącego spadku napięcia podczas przewodzenia prądu – stąd potrzeba warstwy podwójnej, która bierze na siebie większość spadku napięcia. Innymi słowy, DL znajduje się tam, gdzie jest w plazmie najsilniejsze pole elektryczne.

Jeśli włoży się do plazmy ciało obce, utworzy się wokół niego warstwa podwójna, izolująca go od reszty plazmy. Efekt ten stwarza problemy z wykrywaniem napięcia w plazmie przez sondy, w celu zmierzenia potencjału w danym miejscu. Jest to dobrze znana właściwość plazmy. W laboratorium rozwinięto wiele metod, aby to ominąć.

W kosmosie niemożliwym jest wysłać próbnik, aby zmierzyć woltaż słonecznej plazmy w jakimś miejscu. Woltaż jest wielkością względną (jak prędkość), musi być mierzony względem czegoś. Próbnik zacząłby, mając woltaż równy powierzchni Ziemi. W miarę przedzierania się przez plazmę słoneczną, będzie gromadził ładunek i przejmował jej woltaż. Aczkolwiek w kosmosie można zmierzyć natężenie pola elektrycznego.

Skurcz Z

Prąd elektryczny, przechodzący przez plazmę, przyjmuje skręconą formę, odkrytą przez Birkelanda. Prądy Birkelanda najczęściej pojawiają się w parach. Pary te mają tendencję do ściskania pomiędzy sobą dowolnego materiału (zjonizowanego i nie tylko) w plazmie. Nazywa się to skurczem Z. Zdolność prądu Birkelanda do gromadzenia i kompresowania nawet nie zjonizowanego materiału nazywa się konwekcją Marklunda.

Hannes Alfvén i wmrożone pole magnetyczne

Przez lata zakłądano, że plazma jest doskonałym przewodnikiem, do tego stopnia, że każde pole magnetyczne w niej powstałe będzie w nią wmrożone.

Techniczne wyjaśnienie jest następujące: jedno z równań Maxwella wskazuje, że pole E jest równe -dB/dt. A zatem, jeśli pole elektryczne w regionie jest serowe, to pole magnetyczne musi być tam niezmienne względem czasu (jest stałe). Jeśli więc każda plazma jest doskonałym przewodnikiem (czyli nie może posiadać pola elektrycznego – a więc różnicy potencjałów), wówczas każde pole magnetyczne wewnątrz niej musi być zamrożone – czyli nie może się w żaden sposób zmieniać.

Obecnie wiemy, że między różnymi punktami w plazmie mogą być niewielkie różnice potencjału. Inżynier plazmowy Hannes Alfvén wskazał na ten fakt podczas swojego przemówienia po otrzymaniu nagrody Nobla z fizyki w 1970. Przewodniość elektryczna każdego materiału, z plazmą włącznie, zdeterminowana jest przez dwa czynniki: gęstość dostępnych nośników (jonów) w materiale, oraz ich ruchliwość. W plazmie, ruchliwość nośników jest ogromna. Jony i elektrony mogą się poruszać w przestrzeni bardzo swobodnie. Ale ich koncentracja (ilość na jednostkę objętości) może w ogóle nie być duża, jeśli plazma jest pod niskim ciśnieniem. Tak więc, chociaż plazma jest bardzo dobrym przewodnikiem, nie jest doskonałym przewodnikiem. Mogą w niej występować słabe pola elektryczne. A zatem pola magnetyczne nie mogą być w nią wmrożone.

Prądy w plazmie na skalę kosmiczną

Ponieważ plazma jest dobrym (ale nie doskonałym) przewodnikiem, jest odpowiednikiem kabli przesyłających prąd. Jest dobrze znane, że jeśli jakiś przewodnik przecina pole magnetyczne, zaczyna w nim płynąć prąd. Na tej zasadzie działają prądnice i alternatory. A zatem, jeżeli dojdzie do względnego ruchu plazmy, powiedzmy w ramieniu galaktyki, i pola magnetycznego w tym samym miejscu, w plazmie popłynie prąd Birkelanda. Prąd ten wytworzy z kolei własne pole magnetyczne.

Zjawiska plazmowe są skalowalne. Oznacza to, że jej elektryczne i fizyczne właściwości pozostają takie same, niezależnie od jej rozmiaru. Oczywiście, zjawiska dynamiczne zachodzą znacznie szybciej w małym laboratorium niż w np galaktyce. Są one jednak identyczne, gdyż wynikają z tych samych praw fizyki. Mamy więc odpowiedni sposób do symulowania kosmicznej plazmy w laboratorium – i generowania efektów dokładnie takich, jak w przestrzeni kosmicznej. W rzeczywistości, prądy elektryczne w plazmie powodują większość zjawisk obserwowanych astronomicznie, które są niemożliwe od wyjaśnienia tylko przy pomocy grawitacji oraz magnetyzmu.

Dlaczego astrofizycy ignorują zjawiska elektryczne?

Skoro położono tak mocny fundament pod pracę nad elektrycznymi własnościami Wszechświata, dlaczego główny nurt astrofizyki wciąż ignoruje to pole badań, zamiast tego łatając swoje upadające, grawitocentryczne modele coraz większą ilością teoretycznych fikcji? Dlaczego konwencjonalni astronomowie i kosmologowie systematycznie wyłączają pola elektryczne oraz prądy nie tylko ze swoich rozważań, ale i ze swoich programów? Dlaczego świadomie ignorują fakt, że wiele niewyjaśnionych zjawisk da się łatwo wyjaśnić poprzez rozpoznanie istnienia pól i prądów elektrycznych w plazmie słonecznej i galaktycznej?

Odpowiedź brzmi:

Magnetyzm był znany od średniowiecza. Nawet już wcześniej wiedziano, że kawałek żelaza może oddziaływać z innym – na odległość.

Ale wcześni astronomowie (jak ich współcześni kuzyni) nie byli uprzedzeni o istnieniu zjawisk elektrycznych. Johannes Kepler (1571-1630) wyjaśnił już matematycznie kształt orbit planet, gdy Izaak Newton opublikował swój traktat o grawitacji w 1687. Gdy to nastąpiło, nic więcej nie było potrzebne do wyjaśnienia i przewidywania ruchów planet – do dzisiaj. Wszystko było rozwiązane.

Było to oczywiście na długo przed Benjaminem Franklinem (1706-1790) i jego puszczaniem latawca w czasie burzy, oraz zanim James Clerk Maxwell (1831-1879) wyprowadził swoje równania, łączące pola magnetyczne z elektrycznymi. ale pola elektryczne są trudne do zmierzenia. A astronomowie nie wiedzieli, że będą one im potrzebne. Zatem nigdy ich nie włączali do zaakceptowanego modelu, jak działa Układ Słoneczny czy kosmos.

Oto dlaczego, do dzisiaj, większość astrofizyków nigdy nie zaliczyło kursu elektrodynamiki czy dynamiki i wyładowań plazmy. Próbują opisać dynamikę plazmy przy pomocy równań stosowalnych tylko do dynamiki płynów i efektów magnetycznych. To jest to, co Alfvén nazwał magneto-hydrodynamiką. nie zdają sobie sprawy, że magneto oznacza również elektro. A to z kolei wyjaśnia, dlaczego ślepi astronomowie mówią o wietrze słonecznym, skręconym warkoczu czy falach uderzeniowych, zamiast o prądzie elektrycznym w plazmie, polach elektrycznych, skurczach Z i warstwach podwójnych. Wyjaśnia to również, dlaczego twierdzą oni, że linie pola magnetycznego mogą się gromadzić, łączyć i rekombinować. Są po prostu niedouczeni, a więc i w zrozumiały sposób zamistyfikowani, tą dziedziną nauki inżynieryjnej.

Następny

Strona główna

Przetłumaczono z http://electric-cosmos.org/electricplasma.html

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.