این اثر نگاهی منتقدانه به مدل کیهان شناسی بیگ بنگ دارد، معرفی این کتاب توسط نویسندگان به شرح زیر منتشر شده است:

این کتاب مقدمه‌ای بر کیهان‌شناسی است، همانند همه‌ی کتاب‌های مشابه‌ای که تا کنون در این زمینه نوشته شده‌اند‌. اما تنها با اندکی تفاوت، اشاراتی به یک انقلاب. بارنس و لویس[۱] فکر می‌کنند کسانی که بدون فراگیری فیزیک و نجوم می‌توانند در کیهان‌شناسی دگرگونی ایجاد کنند، همانند ساده‌ لوحانی چون زمین تخت‌گرایان هستند و به آن‌ها پاسخی تند داده‌اند. البته، صدها انسان بی‌عقل دیگری هم وجود دارند که به‌طور پیوسته وقت افراد را با ایده‌های بی‌ارزش هدر می‌دهند. پیشنهاد نویسندگان چیست؟ اول فیزیک یاد بگیرید و بعد ایده‌ی انقلابی خود را منتشر کنید.

تنها تعداد کمی از کیهان‌شناسان این امر را پذیرفته‌اند، اما چه بخواهیم و چه نخواهیم، مدل انفجار بزرگ به‌زودی به یک دگرگونی اساسی نیاز خواهد داشت. بحران‌هایی جدی موجب فرسایش این مدل کیهان‌شناسی شده‌ است که از این میان می توان به تنش هابل[۲]، تنش سیگما-۸ [۳]، مساله‌ی لیتیوم[۴] و این که کهکشان‌های پایدار خیلی زودتر از انفجار بزرگ پدید آمده‌اند، اشاره کرد. “کیهان‌شناسان فورا یک مولفه‌ی تاریک بی‌مصرف دیگر را رو خواهند کرد”، “فیزیک تورم کیهانی غیرقابل فهم است”، و مدل انفجار بزرگ حتی توانایی برآورده کردن ۱۲ معیار ذکر شده در این کتاب که “ارزش‌هایی برای یک تئوری” هستند را ندارد.

پس بله، لطفا، بیایید انقلاب کنیم!

اما یک مشکل وجود دارد، در پس کتابی که فراخوان این انقلاب را می‌دهد دو اخترفیزیکدان وجود دارند که واقعا دلشان نمی‌خواهد چیزی تغییر کند. آن‌ها خواستار پاسخ به همه‌ی این ۹۰ سال رصد هستند (واقعا خواستارند؟). هم‌چنین آن دو خواستار یک “تئوری جدید” هستند که بتواند مراحل آزمایشات نوین را پشت سر  بگذارد و با داده‌های آن‌ها منطبق باشد. (تئوری‌های جدید هنوز آزمایش نشده‌اند!) آن‌ها فکر می کنند “تنها یک اصلاح کوچک روی ایده‌شان” کافی است یا این که “تنها یک تغییر کوچک” می تواند یک موضوع حل نشده را به راحتی و سادگی توضیح دهد. اما تنها بازی کردن با تعدادی پارامتر، پیچ و خم دادن به نیروی گرانش یا اضافه کردن تعدادی ذره کافی نخواهد بود. مدل انفجار بزرگ به یک انتقال الگوی واقعی در حد انقلاب کوپرنیکی نیاز دارد.

این کتاب در حد افروختن آتش برای یک انقلاب واقعی نیست و شما با خواندن این کتاب ، تنها با مرور مطالبی که از قبل می‌دانستید، وقت خود را هدر داده‌اید.

انقلاب‌های واقعی آشفته هستند. ماکس پلانک می‌گوید:”یک حقیقت علمی جدید تنها با متقاعد کردن مخالفینش و نشان دادن نور حقیقت به آن‌ها پیروز نمی‌شود، بلکه مخالفینش در نهایت خواهند مرد و یک نسل نوین که با این حقیقت علمی آشناتر است، رشد خواهد کرد.”

پس رفقا مراقب باشید، یکی از رقیب‌ها سقوط خواهد کرد: کیهان‌شناسی انفجار بزرگ. “یک مراسم ترحیم در علم در راه است.”، به همین دلیل، ادامه دادن راه این مدل کیهان‌شناسی، یک گل به خودی خواهد بود.

[۱] Barnes & Lewis

[۲] Hubble tension

[۳] The sigma-8 tension

[۴] Lithium problem

مترجم: بهاره مجرد

Translator: Bahareh Mojarrad

این کتاب مشتمل بر ۸ فصل است که در انتهای هر فصل تمرین های مربوط به آن نیز گنجانده شده است و برای تدریس یا مطالعه دانشجویان تحصیلات تکمیلی در زمینه اخترفیزیک پلاسما یا پلاسمای فضایی پیشنهاد می گردد.

امتیاز ترجمه این اثر به زبان فارسی توسط نویسندگان (استیون شوارتس، کریستوفر اوئن، دیوید برگس) به کیارش دانش از اعضای گروه آذرخش پارسی اعطا گردیده است که آخرین ویرایش آن برای سال ۲۰۱۶ میلادی سال گذشته توسط ایشان ترجمه شده و در انتشارات “رمز” (موسسه فرهنگی و آموزشی ادب و دانش ماخ) به چاپ رسید. علاقه مندان می توانند با مراجعه به نمایشگاه کتاب تهران واقع در مصلی، قسمت ناشران آموزشی، سالن ۱، راهروی ۱A، غرفه ۳۷ این کتاب را تهیه نمایند.

همچنین در صورتی که امکان حضور شما در نمایشگاه فراهم نیست، می توانید با پرداخت وجه ۳۰۰۰۰ هزار تومان (قیمت پشت جلد کتاب) و هزینه پست به کارت زیر:

۶۲۱۹-۸۶۱۰-۲۶۲۱-۵۰۵۲ به نام کامبیز خالقی

و ارسال تصویر اسکرین یا فیش پرداختی خود را به همراه مشخصات فردی، شماره تماس، آدرس پستی و کدپستی به نشانی ایمیل info@maakh.com ارسال کرده و این کتاب را خریداری نمایند.

نحوه محاسبه هزینه پست: خرید ۱ الی ۴ جلد، ۱۰۰۰۰ تومان و بیش تر از ۴ جلد به ازای هر جلد ۱۵۰۰ تومان اضافه می گردد.

پاسخگویی به سوالات و پشتیبانی خرید از طریق ایمیل فوق یا شماره تماس ۰۹۱۹۴۹۲۴۸۹۲ (فقط از طریق تلگرام) میسر خواهد بود.

در زیر فهرست کتاب برای علاقه مندان قرار داده شده است: (برای بزرگ شدن روی تصویر بزنید)

اعطای حق ترجمه اثر به کیارش دانش

فهرست

فهرست

فهرست

فهرست

فهرست

فهرست

طلوع خورشید تمام منظره را به وسیله ی نور مرئی (و نامرئی )روشن می کند

نور مرئی در محدوده ای از قرمز تا کاملا زرد و سبز تا آبی و سپس بنفش، مرتب شده است. نیتون اولین کسی بود که پی برد؛ نور سفید ترکیبی از تمام رنگ هاست.نور سفید می تواند به وسیله ی (انکسار) پراش از طریق یک منشور به اجزاء (رنگهای) تشکیل دهنده اش شکافته شود، هر کدام از رنگها  به مقدار متفاوتی “خمیده می شوند”. شبکه ی پراش، اغلب در ستاره شناسی مورد استفاده قرار می گیرد،از توری پراش معمولا در ستاره شناسی و نجوم استفاده می شود ، چون نوری که از منابع ضعیف نوری دریافت می شود ، پس از عبور از یک سطح سخت که منافذ عبوری نازک و موازی دارد، انرژی از دست رفته کمتری دارند در مقایسه با زمانی که از یک منشور شیشه ای عبور می کنند.

نور سفید می تواندبه وسیله ی بازتابش از شبکه های فلزی مسطح که به طور ظریفی شبکه بندی شده اند، به رنگهای تشکیل دهنده اش  تجزیه شود. اهدا شده از NASA,Jet Propulsion Laboratory

نهایتا ماکسول کسی است که معادلات میدان الکترومغناطیسی را تعریف کرد، او ثابت کرد که که نور درواقع متشکل از امواج الکترومغناطیسی  است (EM). هر رنگ ناحیه ی مرئی نور دارای فرکانس و طول موج مشخصی است. همانند دیگر امواج،حاصلضرب فرکانس و طول موج ، سرعت نور را می دهد. بدیهی است که نور با سرعت ثابت نور سفر می کند، اما ماکسول توانست از معادلاتش برای نشان دادن اینکه همه ی موجهای الکترومغناطیس با سرعت ثابت نور در حرکتتد،استفاده کند، و نتیجه بگیرد که نور باید یک  موج الکترومغناطیسی باشد.

نور مرئی درواقع نمایانگر بخش کوچکی از فرکانس ها و طول موجهای ممکن است، تمام این محدوده به عنوان طیف الکترومغناطیسی شناخته شده است.

۱۱٫۲ طیف:

اگرچه طیف پیوسته است، هر ناحیه از آن از رویموج معمول آن قسمت از طیف، نام گذاری شده است.

با پایین ترین فرکانس، طولانی ترین طول موج، شروع می کنیم، طیف از امواج رادیویی به سمت امواج ماکروویو (مانند اون)، تابش تراهرتزی (توسعه های اخیر در ارتباطات نظامی)، فروسرخ (دستگاه های تولبد گرما)، امواج مریی (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش)، فرابنفش (لامپ های پزشک قانونیو وسیله های برنزه شدن، تحلیل گرهای مواد)، اشعه ی ایکس (تصاویر پزشکی)، و تا اشعه ی گاما (درمان سرطان) می رود

طیف در نمودار زیر نشان داده شده است. دقت داشته باشید که طیف مریی تنها قسمت کوچکی از کل طیف می باشد. هنگامیکه مدل گرانشی فرمول بندی شد، دانشمندان می توانستند فقط نور مریی را از آسمان ها ببینند.

نمودار طیف الکترومغناطیس، به همراه عکس هایی از سحابی خرچنگ که نشان می دهد چگونه میشد اگر ما میتوانستیم فراتر از محدوده ی چشممان ببینیم.

در قرن بیستم، و مخصوصا از آغاز عصر فضا در سال ۱۹۵۰، دستگاه ها توسعه یافته  اند، و در نتیجه دانشمندان این اجازه را پیدا کردند که تقریبا تمامی طول موج ها را شناسایی کنند. در نتیجه مقدار اطلاعات قابل دسترس به صورت نمایی افزایش پیدا کرد. اغلب مشاهدات غافلگیرکننده هستند زیرا چیزی(پدیده های) که درطول موج  مریی مشاهده می شود به ندر ت با چیزی که در سایر طول موج ها یافت می شود، مشابه است.

طیف رادیویی الکترومغناطیس، جزییات ناحیه ی نور مریی را نشان میدهد.

مشتری که درطول موج ها دیده می شود (سیاه و سفید)، همراه با شفق هایش امواج مریی اشعه ی ایکس تابش می کند (که به رنگ بنفش بصری که ” رنگ کاذب” ما باشد برای ما قابل مشاهده است )

۱۱٫۳ تابش:

تابش فرآیندی است که به موجب آن انرژیی که از یک جسم ساطع می شود، توسط یک رسانه و یا از طریق فضا منتقل می شود، و در نهایت توسط یک جسم دیگر جذب می شود. انتشار و جذب کردن تابش توسط اجرامی ماننداتمهای کوچک و یاحتی ذرات زیر اتمی مانند الکترون ها صورت می گیرد.

امواج الکترومغناطیس موجوداتی هستند که به وسیله ی آنها انرژی انتقال داده می‌شود. به عبارت دیگر، تمام تابش ها الکترومغناطیسی هستند.

این بدان معنی است که نحوه انتقال تابش از طریق نوسان میدان های الکتریکی و مغناطیسی حامل انرژی می باشد ،درست شبیه به روشی که ارتعاشات در طول یک رشته، انرژی را حمل می کنند. از آنجا که سرعت انتقال انرژی ارتعاشی برای یک محیط ثابت است، و مقدار آن برابر است با فرکانس موج ارتعاشی در طول موج(فرکانس ضربدر طول موج= سرعت).اگر شما فرکانس را بدانید، می توانید سرعت را برای طول موج در آن فرکانس بدست آورید و بلعکس.

طیف محدوده وسیعی از فرکانس ها یا طول موج های ممکن تابش را نشان می دهد. همانطور که فرکانس افزایش می یابد، مقدار انرژی حمل شده توسط موج نیز متناسب با فرکانس افزایش می یابد. تابش های یونیزه، تابش‌هایی هستند که انرژی کافی را برای یونیزه کردن اتم ها حمل می کنند. به طور کلی، فرکانس ها از رادیویی تا مرئی، انرژی کافی را برای این کار حمل نمی کنند، در حالی که فرابنفش، اشعه X و گاما می توانند اتمها را یونیزه کنند.همانطور که قبلا اشاره شد، انرژی یونیزاسیون برای عناصر و مولکول های مختلف متفاوت است.

تابش زمانی رخ می دهد که یک ذره باردار شتاب بگیرد. به یاد داشته باشید که تغییر جهت نیز نشان دهنده ی شتاب است، زیرا جهت سرعت در حال تغییر است، پس هر ذره باردار که دچار یک تغییر جهت شود ، شتاب می گیرد و اشعه ساطع خواهد کرد.

نمایی از تابش الکترون که تحت تاثیر شتاب واقع شده است

نظریه های فعلی دلیل ساطع شدن اشعه را از تابش یک فوتون ، یا یک بسته ی انرژی می دانند. یک فوتون،جرمی ندارد، اما انرژی تابش شده را به طریقه‌ی امواج الکترومغناطیس حمل می کند. رفتار یک فوتون شبیه به هردومورد موج وذره است و اینکه کدام حالت بیشتر مناسب است بستگی به شرایط دارد.

به طور خلاصه:

تابش به وسیله ی همه‌ی ذرات باردارتحت تاثیر شتاب ساطع می شود.

تمام تابش ها شامل امواج الکترومغناطیسی هستند.

تابش انرژی منتقل می کند.

طیف،  محدوده وسیعی از فرکانس ها یا طول موج های ممکن تابش را نشان می دهد.

۱۱٫۴ تابش حرارتی:

تابش حرارتی یا گرمایی، تابش ساطع شده از سطح یک جسم،یا ناحیه ای از ذرات، بخاطر دمای آن جسم یا ناحیه است.

دما معیاراندازه گیری انرژی حرارتی داخل جسم است. انرژی گرمایی باعث می شود ذرات باردار داخل اتم ها در جسم، در جهت های تصادفی به ارتعاش در بیایند. سپس آنها یک طیف فرکانسهای متفاوت ،تابش کنند. به طور مشابه  یک ناحیه از پلاسما هم می تواند حرارت داشته باشد.

نسبتی از این تابش از سطح جسم یا ناحیه به عنوان حرارت (تابش مادون قرمز) ساطع می شود. در واقع تمام مواد با هر حرکت حرارتی داخلی تابش انرژی EM دارند، هرچه سردتر باشد طول موج تابش بلندتر است. غبار بین ستاره ای سرد با فرکانس تراهرتز یا طول موج ریز میلیمتر تابش می شود و از دمای ۱۰ کلوین شروع می شود.

نیمکره شب عمیق زحل سرد در مادون قرمز تصویر برداری شده است توسط اسپکترومتر حرارتی کاسینی در سال ۲۰۰۶ تصویر برداری شده است.  Image courtesy, NASA / JPL / Cassini Imaging Team

به دلیل طبیعت بی نظم ارتعاشات ، در تعداد زیادی از ذرات ،اشعه ی ساطع شده در یک گستره فرکانس یا طول موج خواهد بود. تحلیل آماری نشان می دهد که وضعیت ایده آل تابش انرژی درهر طول موج، تابعی از همان طول موج است. این به عنوان قانون پلانک شناخته شده است، که به صورت نموداری در پایین برای محدوده ای از دماهای مختلف نشان داده شده است. تشعشعات تابشی دراین وضعیت ایده آل به عنوان تابش جسم سیاه شناخته شده اند، و واضح است، که الگوی توزیعی را، که از تابش کننده ی کامل در تعادل گرمایی انتظار می رود، دارند.

نمودار نشان می دهد که برای هر دما یک طول موج که بیشترین مقدار انرژی را تولید می کند، وجود دارد. همانطوری که دما افزایش می یابد، طول موج انرژی اوج(بیشترین انرژی)کاهش میابد.این توسط قانون دیگری به نام قانون وین شناخته شده است. به یاد داشته باشید که خط قرمز،به نسبت خطوط داغتر آبی رنگ، دارای دمای پایین و فضای کمتر زیر منحنی است.

فضای زیر هر یک از منحنی های دما، مجموع مقدارانرژی ساطع شده در همان دما در واحد سطح را می دهد. مجموع انرژی ساطع شده در واحد سطح تنها به دما بستگی دارد.که به عنوان قانون استفان بولتزمن شناخته شده است.

تابش ایده آل جسم سیاه برای ۳ دما؛ نشان می دهد که منحنی طول موج ساطع شده، توسط افزایش دما ، به بالاترین فرکانس (طول موج کوتاهتر)،انتقال می یابد.

اگر الگوی تابش ساطع شده از هر منبع در شکلی که توسط قانون پلانک داده شده ، توزیع شود؛ پس فرض می شود که انتشار به علت جنبش های حرارتی تصادفی ذرات درون منبع باشد. پس می گوییم که تابش ،تابش حرارتی است. تمام این به این معناست که تابش ، یک توزیع از طول موج یا فرکانس هایی که از ارتعاشات حرارتی تصادفی آمده است را داراست. این تابش خودش، تابش الکترومغناطیسی است، مانند هر تابش دیگر.

اگر دریابیم که تابش حرارتی است ، پس از آن می توانیم دمای منبع را توسط مقایسه کردن منحنی تابش ساطع شده با منحنی ایده آل “جسم سیاه” مشخص کنیم. می توان نتیجه گرفت که، می توانیم دمای اجسام دور را اگر تابشی که آنها ساطع می کنند تابش حرارتی باشد، مشخص کنیم. ستاره های یافته شده،طیفی نزدیک به طیف توزیع جسم سیاه دارند، پس دمای آنها با توجه به رنگشان می تواند از روی طیفشان استنتاج شود.

تابش غیر حرارتی به وضوح ،یعنی تابشی که در یک الگوی حرارتی ساطع نمی شود. بنابراین باید از روش های دیگری به جز از حرکات تصادفی به وجود آمده از دما، در ذرات یک سیستم در دمای تعادل تولید شود.

قسمت بالا نمی‌گوید که، درجه حرارت نمی تواند در ایجاد سایر الگوهای تابش نقشی بازی کند؛ بلکه تنها گویای این حقیقت است که؛ سیستم ویا جسمی که تابش ساطع میکند در تعادل گرمایی قرار ندارد. به عبارت دیگر ، انرژی در حال رد و بدل شدن با سیستم است، پس دمای آن سیستم همواره با زمان تغییر پیدا می کند.این الگو ، تابش ایده آل جسم سیاه را تغییر می دهد (دگرگون می کند) و به این معناست که تعیین دمای جسم ممکن نیست.

متناوبا، تابش ممکن است توسط ذرات منفرد شتابدار ناشی از برخورد تصادفی وسایل دیگر با سایر ذرات تابش شود.

۱۱٫۵٫ تابش نور در کیهان

تابش معمول در کیهان، در طول موج مرئی و رادیویی است. اکثریت این تابش ها، حاصل پرش الکترون به مدارهای جدید در داخل یک اتم هستند (حالت گذارمحدود)، الکترون های آزاد برای تشکیل اتمهای خنثی، با یونها ترکیب می شوند (حالت گذارنامحدود) و به دلیل اثر متقابل (فعل و انفعال) با مواد دیگر از سرعت الکترونها کاسته می شود (تابش آزاد-آزاد)

حالتهای گذار مقید به محدودیت ، چشمه هایی برای هر دو نوع خطوط نشر و جذب در طیف هستند. هر عنصر شیمیایی دارای یک مقدار انرژی محدود است؛ که با محدوده ی ممکن برای چرخش الکترون به دور هسته ی هر عنصرارتباط دارد.در راستای پرش الکترون از مداری به مدار دیگر، تابش یا جذب شده،یا به بیرون رانده می شود.انرژی نمایانگر تفاوت انرژی مدارهای چرخش الکترون است و دقیقا برای هر پرش ممکن، بین تراز های انرژی تعریف شده است.

از آنجا که انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس آن است،  این تفاوت انرژیها در تابش باعت  تعریف فرکانس های مشخصی برای هر نوع عنصرمی شود. اگر انرژی تابش ساطع شده برای یک عنصربرای هر فرکانس در طیف، رسم شود؛ در این صورت ،نمایش هندسی این فرکانس ها دارای قله های نوک تیز است.اینها به عنوان خطوط نشر شناخته می شوند.

از سوی دیگر، اگر نور با محدوده ی وسیعی از فرکانس، از میان یک محیط حاوی عناصر خاص یا مولکول ها گذر کند، این عناصر درانرژی جذب شده، در فرکانس مشخصه اشان یافت میشوند. در طیف به دست آمده، آن فرکانس ها ناپیدا خواهند بود، و خطوط سیاهی ظاهر می شوند.اینها به عنوان خطوط جذب شناخته می شوند.

در پایین، نور زرد ابتدایی خط نشر سدیم، از اتم های سدیم گرمادیده می باشد. در بالا، یک طیف جذبی وجود دارد،جایی که نور از چشمه ای (منبعی) شبیه به جسم سیاه ( برای مثال یک ستاره) در طول قسمتی از فضا که حاوی سدیم است، از راهی که یک مشاهده گر یا یک ابزار تصویر برداری وجود دارد گذر میکند. خطوط سیاه جاهایی هستند که اتم سدیم جذب نور را ترجیحا در آن فرکانس دارد و خطی سیاه در آن محدوده به جای می گذارد. تصویر اهدایی از  ThinkQuest (www.thinkquest.org), funded by the Oracle Education Foundation

در اینجا تابش جسم سیاه و خطوط جذبی و تابش پیوسته را معرفی می کنیم؛ و هم چنین در اینجا نیز بیشتر به کاوش در زمینه ی گسترده تر طیف سنجی می پردازیم.

به عنوان مثال، اگر یک عنصر در داخل یک ستاره حرارت داده شود، آنگاه عنصر، تابش مشخصه ی خود را از دست خواهد داد که  روی زمین ما آن را به صورت خطوط نشری روشن دریافت می کنیم. از طرفی دیگر، اگر پهنای نور از یک جذب کننده ی متوسط که بین مشاهده کننده و منبع نور قرار گرفته عبور کند، آگاه می توانیم با دنبال کردن خطوط جذبی تاریک عناصری که در آن جاذب متوسط وجود دارد را مشخص کنیم.

انتقالات آزاد-محدود زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها توسط یون ها اسیر شده و موجب آزاد شدن انرژی به صورت رخ دادن های نوترکیبی شود. مقدار انرژی آزاد شده به شکل عنصر و مداری که الکترون اشغال کرده، بستگی دارد. همانطور که در انتقال محدود-محدود، ممکن است فرکانس های خاصی غالب باشند.

تابش آزاد-آزاد زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها تحت یک برخورد آزاد با یک یون قرار بگیرند یا ذرات گرد و غبار در پلاسما را شارژ کنند. مسیر الکترون هنگامی که از کنار ذرات دیگر عبور می کند، عوض خواهد شد، و همچنین تابشی ساطع می کند، که بعضی از آنها ممکن است در طیف مریی باشند.

۱۱٫۶ تابش رادیویی در کیهان:

پرتوهای رادیویی برای ما با اهمیت هستند زیرا بسیاری از آنها می توانند در لایه یونوسفر زمین نفوذ کنند و سپس با رادیو تلسکوپ های زمینی شناسایی شوند.

آرایه  تلسکوپ رادیویی ذز New South Wales، استرالیا، تصویر: (University of Waikato and Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO

برخی از امواج رادیویی حاصل رفتار جمعی تعداد زیادی از الکترون ها در پلاسما است. اگر پلاسما به اندازه کافی چگال باشد، الکترون ها می توانند با یک فرکانس شناخته شده به عنوان فرکانس پلاسما نوسان کنند، که تنها به چگالی الکترون ها در آن ناحیه بستگی دارد . این نوسانات به روش معمول تولید اشعه می کنند.

 خورشید، (با رنگ غیر واقعی) در طول موج رادیویی با فرکانس ۱٫۴ گیگاهرتز، با انتشار قوی در ناحیه فعال در کمربند استوای خورشیدی، تصویر اهدایی رصدخانه نحوم رادیویی ملی (NRAO/AUI)

این نوع از تابش معمولا هنگامی که باریکه ای از الکترون ها است پدید می آید، برای مثال ممکن است با شتاب گرفتن میان یک ، دولایه که از ناحیه ای ازپلاسما خنثی می گذرد، تولید شود.از دیگر ساز و کارهای فرکانس رادیویی تولید تابش در جایی است که میدان مغناطیسی وجود دارد. عبارتند از تابش سیکلوترون ( که در آن الکترون ها سرعت غیر نسبیتی دارند)، تابش Magneto-Bremsstrahlung ( که در آن الکترون ها سرعت تقریبا نسبیتی دارند)  و تابش سنکترون ( که در آن الکترون سرعت نسبیتی دارد.)

تابش سینکترون بوسیله الکترون های مارپیچی در جهت میدان مغناطیسی مانند آنچه در جریان بیرکلند پدید می آید. (تصویر ۱۱٫۳ در بالا). شتاب مرکزگرا باعث تابش می شود. و بازهم، تشعشعات می توانند در تمامی فرکانس ها در طیف رخ دهد.

در اخترفیزیک، تابش رادیویی غیر حرارتی در بیشتر موارد تابش سنکترون است. این برای انتشار رادیویی کهکشانی، حلقه های ابر نواختر، کهکشان های رادیویی دوتایی،  و کوازارها درست است. علاوه بر آن خورشید و مشتری هردو تابش سنکترون پراکنده دارند.

تابش سینکروترون می تواند فرکانس های نوری تولید کند، همانند چیزی که در سحابی خرچنگ و جت های M87 دیده می شود. سحابی خرچنگ (فیلم کوتاه یوتیوب) مقادیر زیادی از تابش اشعه X سینکروترون ساطع می کند.

تجزیه و تحلیل طیف سینکروترون می تواند اطلاعاتی درباره ی منشا الکترون های نسبیتی بدهد، که ممکن است تاثیری روی منشا پرتو های کیهانی، اشعه های X ، اشعه های گاما در فضا داشته باشند. تابش سینکروترون همچنین دلیلی برای وجود میدان های مغناطیسی وسیع در فضا و تبدیل، ذخیره سازی، و انتشار مقادیر زیادی از انرژی در پلاسمای کیهانی، از جمله جت های کهکشانی باشد. اطلاعات بیشتر در مورد تابش سینکروترون برای پژوهشگران علاقه مند اینجا یافت می شود.

Z پینچ ها همچنین می توانند به عنوان نتیجه‌ی نیروی V  تابش سینکروترون تولید کنند.

اخترشناسی رادیویی می تواند محدوده اطلاعات در دسترس مارا بیشتر از اطلاعاتی که از  تلسکوپ های مرئی استخراج می شوند، گسترش دهد. آشکارسازی طیف انرژی بالاتر مانند اشعه X می تواند این دانش را یک مرحله ارتقا دهد.

کهکشان فعال NGC 5128 ، تصویر ترکیبی در ریز میلیمتر(radio plumes ؛ نارنجی)،مریی (سفید) و تابش اشعه X (آبی). قطر کهکشان حدودا ۲۰۰۰۰۰ سال نوری است؛ فاصله تخمین زده شده ۱۰ میلیون سال نوری است.

Credit: X-ray: NASA/CXC/Cfa/R. Kraft et al.: sub-millimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. Optical: ESO/WFI

ویدیوی کوتاه ناسا در مورد این کهکشان در اینجا است، اگر چه نظریه ی جهان الکتریکی اعتقادی به سیاهچاله ها ندارد’ که باعث جت های کهکشانی و تابش حاصل از آن ها می شوند.

در تمامی موارد دیدیم که پلاسما و جریان های الکتریکی که در درون آن وجود دارند ساطع کننده ی بسیار خوب پرتوها هستند. زیرا، همانطور که دیدیم، الکتریسیته در پلاسما شتاب دهنده ی بسیارخوب ذرات باردار می باشد، که از طریق میدان های الکتریکی در سراسر دولایه ها، که ذرات پس از آن پرتو تابش می کنند. تحقیقات جالبی در آرشیو arXiv در اینجا موجود است.

رشته های پلاسمای خورشیدی درتاج پایین تر خورشید آشکار می کند در نور ماورابنفش توسط ابزار TRACE،

courtesy The TRACE Picturebook, NASA

به نظر می رسد که این تولید کارامد از تابش توسط مکانیسم های الکتریکی خیلی شبیه منشا بسیاری از تابش هایی باشدکه در فضا آشکار سازی می شوند، نسبت به مقدار بسیار زیادی از ماده تاریک و ماده ابرچگال که لازمه ی توضیح شتاب ذرات فقط با استفاده از گرانش است.

البته، ‘ اتصال مجدد مغناطیسی’ ، قطع شدن و اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی، همچنین اغلب برای توضیح این نوع از شواهد در مدل گرانشی استناد می شود. همانطور که دیدیم، این به سادگی غیر ممکن است چراکه خطوط میدان مغناطیسی مانند خطوط طول جغرافیایی وجود فیزیکی ندارند (قابل مشاهده نیستند).

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

منبع:

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/03/30/essential-guide-to-the-eu-chapter-11/

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

یکی از دلایل برای فرض مقدار زیاد برودت (یا سرما) ماده ی تاریک  (CDM) در مدل گرانشی ، برای توضیح دوران مشاهده شده ی کهکشانهاست. ستاره شناسان در یافته اند که ستارگان منحصربه فردی در کهکشانها وجود دارند که،بر طبق قوانین کپلر برای حرکت سیارات ، به دور مرکز کهکشان نمی چرخند. به طور ویژه همه ی ستارگان خارج از برآمدگی مرکزی کهکشان دارای سرعت زاویه ای مشابهی هستند، دوران آن ها بیشتر شبیه به دوران یک دیسک صلب متصل شده می باشد، اما با توجه به قوانین کپل، سرعت، باید با زیاد شدن فاصله از مرکز کهکشان کاهش یابد.

نمودار سرعت زاویه ای ستارگان ( افزایش رو به بالا بر محورy) ، رسم فاصله ی شعاعی از مرکز، در طول محور X ، از چپ به راست، در ابتدا افزایش، و پس از پشت سر گذاشتن  “شکم” همانند دیگر ستارگان،  موازی محور Xمی شود، کمابیش هر ستاره ای صرف نظر از فاصله، نرخ دوران مشابهی با بقیه ی ستارگان دارد. این نکته  “دوران کهکشانهای مسطح ” حیرت آور است و منحنی آن در علم، اغلب مورد بحث است.

منحنی دوران کهکشان M33 ، اهدایی از  U. of Sheffield (UK),، گروه فیزیک ذرات و اختر فیزیک.

اضافه کردن مقدار زیادی ماده ی تاریک درهاله ی اطراف کهکشان تا حدودی می تواند نیروی گرانشی  ستارگانی را که بر طبق این مدل رفتار میکنند، اصلاح کند. این (ماده ی تاریک) در حال حاضر به عنوان بخشی از مدل استاندارد در فیزیک نجومی پذیرفته شده است. ماده ی تاریک به خودی خود، هیچگاه مستقیما مشاهده نشده و یا در محیط آزمایشگاه مورد استفاده قرار نگرفته است. این ماده تاریک است، بعد از همه ی اینها، بنابر تعریف، و با استفاده از تعریف فعل و انفعالات نیروی گرانشی با مواد “معمولی”  قابل مشاهده می باشد. اگر چه ستارگان دیگری وجود دارند که چرخش آنها در کهکشان به این صورت است.

مایکل فارادی متوجه شد (حدود ۱۸۳۱-۱۸۳۲، از عمر الکتریکی مایکل فارادی توسط الن هیرشفلد، همراه او، ۲۰۰۶) که یک دیسک فلزی، که دوار، در یک میدان مغناطیسی همتراز شده با محور دیسک؛ می تواندعامل ایجاد، یک جریان الکتریکی  روان به صورت شعاعی در دیسک شود، اینگونه او اولین دینام را اختراع کرد، که به نام تک قطبی القائی، یا دینام فارادی شناخته می شود. نتایج نهایی این دستاورد باعث اثبات نیروی لورنتس مبنی بر تاثیرش بر الکترون های دیسک به عنوان حرکت دهنده ی آنها در سراسر میدان مغناطیسی شد.

نمونه ی دیسک فارادی، مشکال عملکرد، در الکترومغناطیس،   from Electromagnetics, 2d Ed., Schaum’s Outlines, courtesy McGraw-Hill

اگر جریان توسط یک مدار خارجی عرضه شده باشد، دیسک با نیروی مشابه با نیرویی که هم اکنون ،عامل حرکت الکترونها در در جریان است،دوران می کند. البته سرعت دوران دیسک نیروهای مختلفی را تولید میکند که با جریان در حال حرکت مخالفت می کنند، و بین آن دو تعادلی به وجود خواهد آمد. اینسازوکار  به عنوان موتور فارادی شناخته شده است.

در کهکشان های شناخته شده، دوران فارادی از قطبش (RM) نوری که  منتشر می کنند، برای همراستا کردن میدان مغناطیسی با محور دورانشان، و به علاوه رفتار پلاسماگونه‌ای که در میان ستارگانشان دارند، کاملا معین شده است. با فرض اینکه آن جریان ها درسطح کهکشان شبیه به جریان ورقه ای استوایی شناخته شده در منظومه شمسی وجود داشته باشند، پس به نظر می رسد این شرایط شبیه به آنچه یک سلف تک قطبی یا موتور نامیده می شود، باشد. البته که دیسک در این مورد صلب نیست. حالت دقیق دوران به تعادل بین جریان محرکه ی شعاعی و دوران ناشی از جریان مخالف، درست مثل چیزی که در موتور فارادی مشاهده میکنیم، وابستگی دارد؛ اما حدااقل این امکان وجود دارد که این اثرات الکتریکی باعث چرخش غیر عادیی که ما مشاهده میکنیم باشند، نه مقدار زیاد ماده تاریک نامرئی .

در این زمینه ، جالب است که آخرین اکتشاف توسط Sloan Digital Sky  ازحلقه ای از ستارگان در سطح استوایی از کهکشان راه شیری را ببینیم که البته در خارج از کهکشان ما قرار دارند. شباهتشان با یک جریان حلقوی اطراف یک پینچ در یک جریان بزرگ بیریکلند در امتداد محور کهکشان راه شیری اشاره بر این مورد دارد که یک بار دیگر نیروهای الکتریکی در مقیاس کهکشانی ممکن است عاملی برای ایجاد چنین شکلی که میبینیم باشند.

حلقه غیر منتظره کهکشان راه شیری از ستارگان ، کشف شده توسط اسلون دیجیتال اسکای سروی (حق تصویر )

همچنین سازه هایی مشابه با موتورفارادی در سحابی ها نیز مشاهده شده اند. یکی از نمونه های بارز در سحابی خرچنگ است، جایی که در تصویرChandra X-ray خیلی واضح تمام عناصر مورد نیاز از سلف یا تنظیم موتورنشان داده شده است.

تلسکوپ چاندرا ایکس ـ ری  ، یکی از رصدخانه های بزرگ ناسا

۲٫۱۰ کهکشانهای مارپیچی و جریانهای بیرکلند

آنتونی پرت که در بالا به او اشاره شد، با استفاده از ذرات درون سلولی شبیه سازی کامپیوتری تعامل جریانهای بیرکلند را انجام داده است. او متوجه شد که شکل و ویژگی های دورانی کهکشان های مارپیچی، از جمله مارپیچی های بسته،که فرمی بسیار رایج در فضا هستند، به طور طبیعی از فعل و انفعالات نیروهای الکترو مغناطیسی در جریانهای بیرکلند بزرگ به وجود میایند.

این نتیجه ممکن است برای توضیح منشا انرژی های دورانی در فضا که توضیحشان در نظریه ی گرانشی مشکل است، کمک باشد.

چرخش میان نیروهای جاذبه بین دو جریان موازی ذاتی است، همانطور که مرحله ی زمانی در ابر رایانه ی پلاسمای رشته ای توسط آنتونی پرت

منبع:

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/02/29/essential-guide-to-the-eu-chapter-10/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

منبع:

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

۹٫۱ انفجار دولایه ها

انرژی القایی یک مدار تابعی از جریان و ظرفیت القایی مغناطیسی است.چنانچه هر مدار القایی مختل گردد، برای مثال ، به وسیله ی باز شدن یک کلید، انرژی القایی مدار از نقطه ی شکست، آزاد خواهد شد. این پدیده  به اندازه ی کافی برای استفاده ی متداول در مهندسی برق کاربردی شناخته شده است، که در این مقاله نشان داده خواهد شد.

انفجار مفتول موجی شکل در شرایطهای مختلف در مدارهای القایی ، با توجه به گزارش “شروع انفجار با انفجار سیم ها” United States Naval Ordinance Laboratory, White Oak, Maryland, 15 May 1963

در یک مدار پلاسما شکست،  اکثرا به دلیل ناپایدار شدن DL اتفاق میوفتد. این اتفاق زمانی رخ میدهد که تمام انرژی القایی مدار در DL  رها شده باشد. که می تواند باعث انفجار در DL  شود. در نتیجه افت ولتاژ بسیار زیادی در سراسر DL گسترش میابد و اتلاف مقدار بسیار زیادی از انرژی، در نهایت به صورت گرما وتابش از ذرات شتابدار، با مواد دیگر واکنش نشان می دهد. این رفتار تحت یک میدان مغناطیسی تابت رخ خواهد داد. میدان هیچ نقشی در انفجار ایفا نمی کند.

Ghostscript 24 bit color image dump

انفجار ستاره ،Nova Cygni 1992، نشان دهنده ی اثرات ناگهانی و انتشار انرژی زیادی توسط یک ستاره، همراه با یک تشعشع بسیارروشن حلقوی پلاسمایی در آشفتگی نا پایدار،  نزدیک به ۶ روز نوری، قطر محاسبه شده ی حلقه ۱۵۴٫۴ بیلیون کیلومتر یا ۹۶ میلیارد مایل است. اعتبار:NASA ، تلسکوپ فضایی هابل ۱۹۹۴

اگر جریان زمینه همچنان بعد از انفجار باقی بماند، چرخه می تواند به طور نامحدود تکرار شود. یک DL شکل می گیرد، جریان افزایش میابد و DL با برآیند مقدار زیادی تابش منتشر شده،منفجر می شود. جریان شروع میکند به از نو تقویت شدن، و یک DL جدید شکل میگیرد.

واضح است که این نوع رفتار را نمی توان با استفاده از مدل مبتنی بر میدان درست توصیف کرد. مدلهای مبتنی بر جریان، برای اینکه این سطح از پیچیدگیها را در برمی گیرند، ضروری هستند.

۹٫۲ مدارهای در حال گسترش

انرژی از یک مدار القایی به علت نیروهایی که توسط حلقه ی جریان تولید می شوند می تواند به صورت گسترش انفجاری از خود حلقه ی جریان آزاد شود. هم اکنون دیدیم که چگونه یک جریان محوری می تواند باعث تنگش نیروی مغناطیسی  شود. درست در نقطه ی مقابل این وضعیت، وضعی است که جریان حلقه ای، یک میدان مغناطیسی محوری تولید می کند. در این حالت، نتیجه ی نیروی I × B  به صورت شعاعی و به طرف خارج می باشد.

اگر فشار  خارجی به وسیله ی نیرو های دیگر متعادل نشود، حلقه جریان به خودی خود گسترش پیدا خواهد کرد. در یک رسانای فلزی، نیروی متعادل کننده توسط ساختار شبکه فلزی به صورت داخلی تامین می شود. در یک پلاسما، ممکن است مانعی نارسا وجود داشته باشد، به خصوص اگر انرژی القایی مدار، به علت فروپاشی یک DL، در مدار الکتریکی در مدت کوتاهی آزاد شود.

این می تواند در انفجار حلقه ی جریان ایجاد شود،  مانند چیزی که در فوران جرم تاج خورشیدی (CME) اغلب دیده می شود، که در آن یک حلقه از جریان به سرعت از سطح خورشید گسترش می یابد. این توضیح ساده بر اساس رفتار الکتریکی شناخته شده است و در تضاد با مدل گرانشی است، که “اتصال مجدد مغناطیسی” از خطوط نیروی مغناطیسی را می طلبد. درست مثل خطوط عرضهای جغرافیایی، خطوط مغناطیسی میدان نیز به صورت فیزیکی قابل رویت نیستند، بنابراین خیلی سخت است که ببینیم چگونه آنها می توانند “بشکنند” و “دوباره متصل  شوند” و انرژی آزاد کنند.

تخلیه های تاج خورشیدی

(Sun occulted by disk), courtesy SOHO, 2002

٣٫٩ سایر بی ثباتی های رشته ای

همانطور که مشاهده کردیم، جریان های رشته ای به یک نیروی متراکم کننده  (pinch force) مربوط می شوند. اگرچه یک ” pinch ” ساده هم خودش در تعدادی از موقعیت ها ناپایدار است. اگر نیروی متراکم کننده  در پینچ افزایش یابد و باعث یک تراکم شود، موجب افزایش بیشتر نیروی متراکم کننده خواهد شد. رشته های جریان می توانند آنقدر منقبض شوند که به یک سری از برآمدگی ها تبدیل شده و مانند یک رشته از سوسیس متراکم شود.

عکسی از ناپایداری پیچ خوردگی ” سوسیسی ” در یکی از اولین دستگاه های پلاسمایی  Z Pinch ، یک لوله ی پیرکس استفاده شده توس تیمAEI

 اگر جریان خطی به اندازه ی کافی قوی باشد سرانجام پینچها ها می توانند به طور کامل متلاشی شوند، در این حالت، در نواحی فشرده شده جریان خطی به جریان حلقوی تبدیل می شود، و به پلاسمویدهای مغناطیسی دونات شکلی در امتداد خطی از رشته توسعه می یابد. اگر ماده از قبل در یک رشته متمرکز شده باشد آنگاه این ماده در طول یک جریان هم تراز با میدان، همانند مروارید هایی روی یک رشته توزیع می شود. این موضوع می تواند تعدادی از هم ترازی های (صف های) خطی بدنه ها را در فضا توضیح دهد.

اعتبار: شکل ۳٫b) از “توصیف رشته های میان ستاره ای با هرشل در IC 5146″، نجوم و اختر فیزیک نامه به سردبیر، ۵۲۹، L6 (2011) “توسط D. Arzoumanian و همکاران، همراه با یادداشت های توضیحی اضافه شده است.

شکل بالا از خط الراس های آبی رنگی در امتداد خطوطی که بیشترین تراکم رشته ای رویت شده را، در ناحیه ی فروسرخ دارند، پوشیده شده است.. یک بررسی از ٢٧ بخش رشته نشان داد که مشخصه ی عرض رشته بدون در نظر گرفتن طول آن تقریبا برابر ١/٣) parsec 0.١ سال نوری) می باشد. طبق شواهد، نواحی شکل گیری  ستاره ها و هسته ی پروتستلار عمدتا در امتداد نواحی خط الراس در این رشته های میان ستاره ای واقع شده اند.

نویسندگان اشاره کرده اند که ” اگر یک آشفتگی در مقیاس بزرگ برای تشکیل رشته ها، یک مکانیسم قابل قبول  (محتمل) را فراهم کند، این حقیقت که هسته ی پرستیلار در رشته های ناپایدار گرانشی تشکیل  شدند، نشان می دهد که گرانش عامل اصلی در تکامل متعاقب رشته هاست. روش EUاشاره میکند به این واقعیت  که، بسیاری از ناپایداری های پلاسمایی که در فضا مشاهده شده در آزمایشگاه های پلاسمایی روی زمین نیز ایجاد شده است، اما، درمطبوعات علوم کارشناسی، به چنین مکانیسم هایی به ندرت در مکانیسم های توضیحی ارائه شده ، اشاره می شود.

نوع دیگر بی ثباتی، بی ثباتی پیچ خوردگی می باشد این اتفاق اغلب درجریان Birkeland می افتد، که در آن جریان با یک میدان مغناطیسی خارجی هم تراز می شود. سپس pinch یک حالت مارپیچی قوی ایجاد می کند. تاثیر آن در انحراف جریان استوانه ای نسبت به جهت میدان می باشد. این می تواند به عنوان یک پیچ خوردگی در جریان هنگامی که زاویه ی مناسب مشاهده شده، اتفاق بیفتد.

عکس از ناپایداری پلاسمای آزمایشگاهی به صورت تجربی، پیچ خوردگی وقتی رخ میدهد که ستون مرکزی به اندازه ی کافی بلند شود که شرایط ناپایداری فراهم شود-از ارائه ی شبیه سازی اختر فیزیک جتها در محیط آزمایشگاهی

 ” Courtesy Prof. Paul Bellan, KTTP & Caltech

بلان پل، فیزیکدان فیزیک پلاسما، به همراه دانشجویان خود در دانشگاه صنعتی کالیفرنیا در حال تحقیق بر روی ناپایداری های پلاسمایی به منظور رسیدن به درک بهتری از پدیده های قدرتمند مشاهده شده بر روی خورشید، می باشد، یک فیلم کوتاه (تعدادی فریم ١۶٫۵میکرو ثانیه از تکامل را نشان می دهند) از یکی از آزمایش هایآزمایشگاهی مربوط به یک بی ثباتی پلاسمایی، در اینجا مشاهده می شود، به عنوان مرجع در مقاله ی اخیر پل و دانشجویش، آنا موسر، مطرح شده است:  اتصال مجدد مغناطیسی از یک ناپایداری مولتی سکال آبشاری می باشد.

۹٫۴ ناپایداریهای پرات

آخرین تحقیقات گزارش شده توسط آنتونی پرت در مجله ی IEEEو دیگر موسسات دانشگاهی یکسری از دشارژهای پلاسمایی در انرژی بسیار بالارا که ازشان نام بردیم ،شناسایی کرده است. در اینجا یک برگه برای نمایش، از پیتر و ون هست.

ناپایداریهای پرات مدهای دشارژ پلاسمایی هستند که فرم های قطعی اتخاذ می کنند و علی رغم نامشان، آنها می توانند برای دوره های زمانی  که این برای مشاهده ی آنها کافیست، پایدار باقی بمانند. در برخی موارد، آنها شبیهDLs  هستند، دینامیکی “ناپایدار” دارند، که میتواند بی حرکت با قی بماند، در حالیکه جنبش های سریعی در ذرات آنها وجود دارد.

ناپایداری پرات اغلب به شکل دشارژ پلاسمای ستونی است که توسط  پلاسمای حلزونی شکل انباشته احاطه شده است. بالا و پایین حلزونی هامی تواند به شکل فنجان و ناقوس تکامل یابد. لبه هایحلزونی ها اغلب به سمت بالا و پایین پیچ و تاب دارند. تعداد حلوزنی ها می تواند بین سه تا در حدود نه تغییر یابد و می تواند به هر چیزی از جام شراب تا نردبان شباهت داشته باشد. همچنین، وابسته به ماهیت پلاسما و جریان ها در آن، می تواند به شکل های مختلفی وجود داشته باشد.

تحقیقات پرات در مورد پدیده پلاسما در بسیاری از مقیاس ها، او را به سمت این پیشنهاد هدایت کرده است که: شاید سنگ نبشته ها ی(هنر سنگی ) به جا مانده از تاریخ نسبتا  اخیر ،در واقع ثبت و ضبط ، شکل های خاصی از دشارژ پلاسمایی، با اشکال و شمایل متفاوت ناپایداریهای معین وابسته به آنهاست، همینطور که در نمودار گرافیکی خیره کننده اش در مجله ی  IEEE  معین شده است ، مشخصه ها برای ایجادیک  اورای   zپینچ جریان بالا، همانطور که در دوران باستان ثبت شده است، IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 31, No. 6,

December 2003..

نکته قابل توجه بدست آمده در اینجا این است، که هیچ کدام از این اشکال ناپایدارپلاسما احتمالا نمی توانند توسط یک پایه آنالیزگر در میدان های مغناطیسی پیشگویی شوند، با این حال حاصل شبیه سازی کامپیوتری ذرات در سلول نیز نتایج مشابهی ارائه می کنند. یکبار دیگر رفتار پلاسما را مشاهده می کنیم؛ اغلب پیچیده تر از آن است که توسط مگنتوهیدرودینامیک ، یا MHD، معادلات مایع توصیف شود. بسیار ضروریست که جنبش های ذرات به عنوان پایه در نظر گرفته شوند که این راه حلی بر پایه ی جریان  است.

به علاوه، ناپایداری های پلاسما ممکن است مکانیزم موجود در بسیاری از فعل و انفعالات پیچیده که در نتیجه اش در ستارگان و سیستم سیارات ، و همچنین پدیده های پر انرژی مشاهده شده در داخل و اطراف خود ستارگان را، توضیح دهند.

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/02/26/essential-guide-to-the-eu-chapter-9/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

در فصل های گذشته ، مدارکی درباره رشته ای شدن صفحات جریان ارائه شد . این بخش  درمورد ماهیت صفحات جریان و رابطه ی آنها با میدان مغناطیسی تحقیق خواهدکرد.

زیرنویس تصویر اول:تفسیر هنرمند از صفحه ی پلاسمایی زحل،بر اساس اطلاعات ازابزار تصویربرداری مغناطیسی کاسینی.صفحات پلاسمایی، مغناطیس کره را به دوقسمت بالایی و پایینی تفکیک کردند،که به تدریج که به طرف تاریک سیاره پیش رویم رقیق شده است.ایست مغناطیسی نشان دهنده منحرف شدن بادهای خورشیدی است.اعتبار:  NASA/Jet Propulsion Laboratory / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

یک صفحه ی جریان به معنای واقعی کلمه ، دقیقا به یک رویه ی نازک که در آن جریان روان است گفته می شود. بدیهی است که با یک ابر پراکنده از بارهای درحال حرکت، و با یک رشته ی استوانه ای از جریان تفاوت دارد. یک صفحه ی جریان، یک رویه بین دوناحیه از پلاسما است، که تا حدی شبیه به یک  دولایه است و شبیه به یک DL  ، اغلب  بین مناطق با ویژگیهای متفاوت در پلاسما ، یک فصل مشترک جدا کننده تشکیل می دهد.

جریان در صفحه در یک جهت روان است ، به صورتی که صفحه تمامی جریان را در برمی گیرد. می توان اینگونه فکر کرد که جریان در نقاط پیچیده شده(در ریسمان تار) که در یک ورق کتان بافته شده اند، جاری می باشد. تمام جریان رونده در یک جهت مشابه در هریک از ریسمانهای تار است و هیچ جریان رونده ای در ریسمانهای پود نیست.یک جریان از یونها و الکترون های در جهتی مخالف تشکیل شده است،پس یک صفحه ی جریان دو نوع از ذرات را در بر خواهد داشت.

بدیهی است، جهت جریان می تواند تغییرکند و اینکه که خود صفحه نیازی نیست که حتما مسطح باشد . برای مثال ، شواهد روشنی وجود دارد از یک بخش کروی صفحه جریان در جایی که محدوده کمان شوک مغناطیس کره ی زمین که با بادهای خورشیدی دریافتی ، برهمکنش مغناطیسی دارند .

شرح اجزای صفحات جریان پلاسمای زمین در داخل و اطراف مغناطیس کره ی آن،اعتبار تصویر:تصاویر ویکی پدیا،وبسایتهای بیشمار بدون توجه به منبع تصویر

اگر میدان مغناطیسی اطراف یک صفحه ی جریان را تجزیه و تحلیل کنیم ،مشاهده خواهیم کرد که نیروی مغناطیسی ناشی از صفحات جریان، در هر یک از دو طرف صفحه در جهت مخالف هم هستند.پس برای مثال اگر یک جریان ، در این صفحه در حرکت باشد، در بالای صفحه میدان مغناطیسی از چپ به راست ایجاد خواهد شد و در پایین صفحه میدان از راست به چپ خواهد بود، همانطور که از قانون دست راست برای هر “ریسمان” منحصربه فرد مربوط به جریان انتظار می رود.(توجه داشته باشید،قانون چرخش دست راست در مغناطیس،همان بردار متقابل حاصل از دست راست ضرب خارجی نیست!)

بنابراین یک اثر اساسی در یک صفحه ی جریان، ایجاد کردن حوزه های جداگانه ای از میدان های مغناطیسی با جهت های مخالف است.در محل خود صفحه میدان مغناطیسی، صفراست. این دقیقا حالتی است که در حوزه ی دنباله ی مغناطیس کره ی زمین  یافته می شود.جایی که یک صفحه ی جریان در صفحه ی استوایی ، نواحی با میدان مغناطیسی مخالف را از هم جدا می کند. در این مورد، صفحه جریان دنباله ی مغناطیسی، به صورت سمتی یا غرب به شرق روان است، و میدانهای مغناطیسی موجود به صورت شعاعی، به صورت همتراز به سمت زمین در نیم کره ی شمالی و به سمت خارج زمین در نیم کره ی جنوبی هستند.

مدل گرانشی ،دلیل شکل گیری صفحات جریان را ، وجود میدان های مغناطیسی با جهت مخالف در هر طرف، بیان می کند.به یاد داریم که میدانهای مغناطیسی در واقع میدانهای نیرویی هستند که به علت حرکت ذرات باردار ایجاد می شوند، که همان جریان ها هستند. در مدل گرانشی در واقع وارون علت و معلول در نظر گرفته می شود.در واقع کاری که میدان های مغناطیسی انجام می دهند، فشرده سازی جریانها به فرم یک صفحه است. آنها خود جریان را ایجاد نکرده اند.

بنابراین صفحات جریان راه دیگری هستند که به وسیله ی آن پلاسما می تواند، در پاسخ به محیط های مختلف و تغییرات محیطی ، سلول بندی شود/بافت سلولی پیدا کند.

صفحات پلاسما هم چنین می توانند در قالب یک پالس پلاسمایی پیشرانشی، به اجسام شتاب بدهند. متن و ویدیوی ارائه شده از دانشگاه پرینستون در مورد پیشرانهای الکتریکی و آزمایشگاه فیزیک پلاسما را از این قسمت مشاهده کنید.

http://alfven.princeton.edu/projects/cssx.htm

۸٫۲ جریان های متعامد

در حال حاضر مواردی که در آن جهت جریان موازی (میدان همراستا با) میدان مغناطیسی ( رشته ها و جریان های بیرکلند ) است و موردی هم که جهت جریان ها در ناحیه ای از میدان صفر است ( صفحات جریان)، را در نظر گرفتیم. تنها مورد باقی مانده ی ممکن، برای جریان هایی است که دارای مولفه ی برداری عمود بر میدان مغناطیسی است ،که تحت تاثیر نیروهای غیرمغناطیسی به همراه میدان های مغناطیسی هستند.(۸٫۳ پایین را ببینید )

( یادآوری : F بردار برآیند نیرو در یک ذره باردار است. q مقدار بار بر روی ذره است. E ارزش بردار میدان الکتریکی در یک زمان و مختصات مشخص  است.  Uبردار سرعت ذره باردار در همان زمان و مختصات مشخص است ، و B بردار میدان مغناطیسی در همان زمان و مختصات مشخص است. در پایان ، توجه داشته باشید که بردارهای برجسته اشاره شده به صورت یک مقدار اندازه عددی بعلاوه یک جهت هستند. به عنوان مثال: ۳۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه   در جهت شرق ).

نیروی لورنتس وارد به یک ذره باردار ، در جبر برداری ( ، بر طبق روابط ، به سرعت ذره U در میدان مغناطیسی B وابسته است.اندازه حاصل ضرب برداری  را می توان اینطور نوشت ،که زاویه کوچک بین U  و B است. جهت نیروی حاصل از  به وسیله ی چرخش از U و B طبق قانون دست راست، معین می شود؛ که حاصل در جهت سمت راست یو و بی می باشد.

این عامل باعث می شود که یک ذره باردار که به صورت عمود بر میدان میدان مغناطیسی حرکت می کند ، تحت اثر نیروی مغناطیسی به صورت دایره وار در یک سطح عمود به میدان حرکت کند. می توانیم این را نیروی مایل به مرکز نام برد. اگر Eغیر صفر باشد، ذره در جهت E تحت نیروی الکتریکی شتاب می گیرد.

بدیهی است که، اگر U صفر یا موازیB  باشد، نیروی مایل به مرکز از میدان مغناطیسی به ذره وارد نمی شود. به عبارت دیگر، اگز ذره ایستا یا ساکن باشد و یا به صورت موازی با میدان حرکت کند، این ذره هیچ نیروی مغناطیسی را تجربه نخواهد کرد.

به جای در نظر گرفتن متغیر بودن زاویه بین U و B، آسانتر است که مولفه های عمودی و موازی از U را به طور جداگانه در نظر بگیریم. چون که تنها مولفه ای که باعث ایجاد نیرو می شود ، مولفه عمودی است، می بایستی روی مولفه ی عمودی به تنهایی تمرکز کنیم. می توان E را هم برابر صفر فرض کنیم مگر اینکه خلاف آن مشخص شود.

سرعت ذره ای که ترکیبی از نیروی ناشی از حرکت و یک میدان مغناطیسی است را، می توان به عنوان یک حرکت دایره ای در اطراف یک مرکز هدایت یا محور ثابت در نظر گرفت (در تصویر زیر)، که خود مرکز عمود بر میدان مغناطیسی با سرعت وی پی حرکت می کند که معادله ی آن توسط معادله مرکز هدایت به صورت مقابل است:

توجه داشته باشید که F می تواند هر نیروی غیر مغناطیسی باشد (برای مثال، جاذبه، یا یک میدان الکتریکی ) که باعث حرکت و جنب وجوش یک ذره ی باردار می شود. پس از آن این حرکت و جنب و جوش با میدان مغناطیسی با توجه به قانون لورنتس در تعامل است. وقتی B در جهت Z و F در جهت Y از مختصات دکارتی  باشند، در نتیجه سرعت   حاصل در جهت  Xمی باشد.

زیر نویس: مسیر مارپیچ از یک ذره باردار ، با حرکت دایره ای بر روی بردار سرعت رانش

منبع عکس: مباتی فیزیک پلاسما

Press, 2006 ; Dr. Paul Bellan, California Institute of Technology Cambridge

چیزی که این معادله به ما می گوید آن است که، وقتی یک ذره در معرض یک نیروی خارجی عمود بر میدان مغناطیسی قرار می گیرد، یک سرعت ثابت  که عمود بر میدان نیرو است به آن وارد می شود. چطور این پیش خواهد آمد، به شرح زیر است:

اگر یک ذره ابتدا در حالت سکون باشد، یک نیروی خارجی (به فرض یک میدان الکتریکی) شروع به شتاب دادن به ذره در جهت نیرو با توجه به قوانین نیوتون خواهد کرد. اگر چه، به محض اینکه ذره از مقدار کوچکی از سرعت، یا مولفه ی سرعت عمود بر میدان مغناطیسی برخوردار می شود ،به آن یک نیروی مایل به مرکز به در نتیجه ی حرکت در میدان مغناطیسی به آن وارد می شود و این نیرو باعث می شود که از جهت اولیه اش در راستای نیروی خارجی ، منحرف شود .

نیروی خارجی هنوز هم سعی بر شتاب دادن به ذرات در جهت خود دارد، اما اکنون یک مولفه ی نیروی مایل به مرکز که مخالف نیروی خارجی است، وجود دارد. شتاب در جهت نیروی خارجی از این رو کاهش می یابد.

تحت تاثیر دو نیروی خارجی و مایل به مرکز،ذره یک مسیر منحنی را دنبال می کند که ۹۰ درجه دوران پیدا می کند. در نقطه ای که مسیر عمود بر نیروی خارجی است ، ذره سرعت  داده شده در معادله هدایتی مرکزی ، را کسب کرده است، و نیروی مایل به مرکز که حاصله از برهمکنش متقابل از   و B است، دقیقا در تعادل با نیروی خارجی است.

بنابراین ، در جهت نیروی خارجی شتابی وجود نخواهد داشت ، همان طور که شتاب در جهت  وجود نخواهد داشت، چون که نیرویی در این جهت وجود ندارد. ذره یک سرعت ثابت عمود بر B و نیروی خارجی پیدا کرده است.

تازمانی که ذرات همچنان به حرکت با سرعت  در جهت عمودی ادامه می دهند، وضعیت پایدار است ، و نیروی خارجی مایل به مرکز با نیروی خارجی در تعادل باقی می ماند.

۸٫۳ تاثیر نیروهای خارجی متغیر

مبحث بالا اثرات هر نیروی خارجی ثابتی که بر روی یک ذره باردار در یک میدان مغناطیسی تاثیر می گذارد را شامل می شود. نیرو های متغیر می توانند باعث سرعت بخشیدن در جهت عمود بر میدان مغناطیسی شوند. این شامل گرانش، میدان الکتریکی، و نیروهای لختی می شود. همانطور که در زیر آمده است، بسته به اینکه نیروی خارجی تابعی از جرم، یا بار روی ذره باشد، اثرات متفاوتی خواهند داشت:

حالت A ، نیروی میدان الکتریکی، F_E × B  برای یک میدان الکتریکی عمود بر B .

از آنجاکه F_E = qE ، معادله مرکز هدایت به صورت رابطه ی زیر است:

v_p = (E x B) / B²

• در حالت A . سرعت عمودی مستقل از بار روی ذره می باشد. با توجه به تراکم ماده توسط جریان های رشته ای این نتایج برای حالت خاصی است که یونها و الکترونها هردو درجهت مشابه حرکت می کنند.

حالت B . گرانش، F_g×B

از آنجاکه F_g = mg  ، در نتیجه سرعت سوق عمودی وابسته به هردو جرم ذرات و بار آن ها است، و برای حالت B:

v_p = (g × B) × m/qB²

• در نتیجه در یک جریان، جدایی بار، و سطوحی با پتانسیل متفاوت یونها و الکترونها در جهت مخالف هم حرکت خواهند کرد (مانند میدان الکتریکی). همه ی این اثرات به سادگی به عنوان یک نتیجه از تعامل گرانش و یک میدان مغناطیسی رخ می دهد.

واضح است که این اثرات به خودی خود می توانند باعث ایجاد تاثیرات ثانویه هم بشوند ، که رفتار پیچیده پلاسما نمونه ای از این موضوع است .

• علاوه بر این، همچنین وابستگی سرعت به جرم ذرات می تواند بر روی جداسازی شیمیایی یونهای مختلف یا همرفت مارکلاند تاثیر گذار باشد.
• در اینجا یک حالت خاص بسیار جالب وجود دارد، زمین و میدان مغناطیسی آن را در نظر بگیرید، که می توان به عنوان خطوط میدان که به فضای اطراف انتشار می یابد، تجسمشان کرد ، که تا حدودی شبیه حلقه های پرتقال است. در صفحه ی استوایی، میدان با جهت شمال – جنوب همراستا می باشد و نیرو ی گرانشی در جهت شعاعی به طرف داخل عمود بر میدان است .
• برای مثال،دریونوسفر هر یون و الکترون در مجاورت هم، سرعتی عمود بر B و g تحت تاثیر ترکیبی از گرانش و میدان مغناطیسی به دست خواهند آورد. از آنجاکه سرعت یونها و الکترونها در جهت های مخالف می باشد، این معادل با جریانی در یک حلقه در اطراف صفحه ی استوایی می شود. کمربند وان آلن نمونه هایی از جریان های حلقه ای می باشند.

• این یک نتیجه اجتناب نا پذیر از حضور ذرات باردار در یک میدان مغناطیسی با جهت گیری عمود بر میدان گرانشی است. یک جریان همیشه در این وضعیت تولید خواهد شد. بسیاری از قمرهای زحل و مشتری این جریان هارا از خود نشان داده اند، که توسط تابش الکترومغناطیس که در آن جریان القا شده در تماس با اتمسفر سیارات در مجاورت شفق های قطبی بیضویشان دیده شده است.

حالت C . لختی ، F_i = -m (du/dt) (قانون دوم حرکت نیوتن)

در این حالت هنگامی که ذرات باردار با یک میدان مغناطیسی روبه رو خواهند شد، یک حرکت اولیه mu  (جرم لختی بردار سرعت) دارند. معادله ی مرکز هدایت نشانگر این است که تکانه ی اولیه توسط میدان مغناطیسی تغییر خواهد یافت :

v_p = -mq/B² du/dt × B

که v_p به مقدار بار بستگی دارد،  سرعت نهایی یونها و الکترونها در جهت های مخالف است و در نتیجه نشان دهنده ی یک جریان است. یونها با جرم های متفاوت سرعت های نهایی متفاوتی پیدا خواهند کرد و به صورت شیمیایی تقسیم بندی و مرتب می شوند. همچنین اثر مهم دیگری از اثرات لختی وجود دارد:

• اگر حجمی از پلاسما به دلیل نیرویی مانند نیروی I × B به یک سرعت خاص در یک ناحیه شتاب بگیرد (درحالی که شتابی که به یونها و الکترون ها می دهد در جهت مخالف هم ، در یک راستای عمودی است)، سپس پلاسما انرژی جنبشی پیدا می کند به مقداری که مدار به جریان اجازه می دهد .

• اگر این حجم در حال حرکت پلاسما پس از آن وارد ناحیه ی دیگری شود که در آن بتواند یک مدار در پلاسمای محلی ایجاد کند، سرعت v_p آن باعث ایجاد یک جریان عمود بر هردو B و vp  می شود. تعامل این جریان با B باعث ایجاد یک نیرو بر روی پلاسمای درحال حرکت می شود که حرکت آن را کند می کند. به عبارتی دیگر، انرژی جنبشی پلاسما برای به وجود آوردن یک جریان در یک ناحیه جدید دوباره کاهش می یابد.
• بنابراین تعامل حرکت اینرسی ذرات باردار و یک میدان مغناطیسی عاملی است که توسط آن انرژی جنبشی می تواند با انرژی الکترومغناطیسی مبادله شود، و عاملی است که توسط آن انرژی میان دو مکان مختلف می تواند منتقل شود.

٨.۴مدار های الکتریکی در پلاسما

اگر بار از یک منبع الکترواستاتیکی به سمت یک سوراخ (حفره) برود، قسمتی از یک مدار بسته را ایجاد خواهد کرد. در فضا، ممکن است مدار همیشه آشکار نباشد، زیرا محیطی از ذرات و فضا که جریان را از خود عبور می دهد معمولا قابل دیدن ( تشخیص) نیستند و ممکن است مدار را در فاصله های زیاد از محیط مورد بررسی، ببندند، ولی به هر حال باید مدار را در جایی بسته شود.

با در نظر گرفتن مدار ها در فضا، می توان رفتار هایی مانند انتقال انرژی  از یک منطقه به منطقه ی دیگر، که فعالیت الکتریکی قابل تشخیص در ناحیه مورد بررسی ایجاد می کند، را توضیح داد.

در این زمینه، لازم است اشاره کرد به اینکه اگر پلاسما ، حاوی مناطقی با عدم تعادل اندک در بار الکتریکی نسبت به منطقه ی دیگری از پلاسما، در یک میدان مغناطیسی حرکت کند، آنگاه ناحیه ی اول میدان الکتریکی و جریان در ناحیه دوم القا می کند که ناشی از اثر متقابل نیرو ها و میدان های الکترومغناطیسی می باشد.

مدل گرانش بیان می کند که آزمایش “دبای”، که به علت اثرات مشابه باعث ایجاد غلاف دبای در اطراف یک جسم با بار الکتریکی می شود، میزان اختلاف چگالی بار الکتریکی در محیط پلاسما را به اندازه طول دبای محدود می کند. با اینحال، نیروی  v × B حاصل از معادله ی لورنتز، مستقل از طول دبای است و می تواند یک میدان الکتریکی در منطقه ی دیگری از

پلاسما که فراتر از حد دبای است، القا کند.

۵٫٨ دو لایه ای ها به عنوان عناصر مدار

هر دو لایه ای به دلیل افت پتانسیلی که در DL ایجاد می شود، موجب تسریع حرکت یون ها و الکترون ها می شود. اگر DL  حامل جریان باشد، آنگاه به طور مؤثر بخشی از یک مدار الکتریکی را تشکیل می دهد که جریان در آن حرکت می کند. انرژی لازم برای شتاب دادن به ذرات، توسط مدار عرضه شده و در طول DL به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

بنابراین ، DL  به عنوان یک مقاومت داخلی عمل می کند و ممکن است واکنشی را تجربه کند که موجب می شود موقعیتش جابه جا شود. این شبیه پس زدن تفنگ است که به عنوان منبع قدرت برای شتاب دادن به جرم گلوله ، به عقب رانده می شود. ذرات شتاب یافته شده توسط DL باعث ایجاد فشار بر روی پلاسمای اطرافشان می شوند، که با آنها برهمکنش داخلی انجام داده و موجب تابش می شوند. اتلاف بیش از حد انرژی دراین روش می تواند اجازه دهد که پلاسما از طریق تشکیل DL و اتلاف انرژی توسط آن ، یک حالت پایدار تر و پایسته تری پیدا کند .

۸٫۶ انرژی و القاگرها

انرژی مدار که به DL می رسد می تواند سرچشمه ای برای میدان مغناطیسی یا در انرژی جنبشی توده ی پلاسمایی که در آن قرار دارد ، شود. در شرایط مداری، المانی که انرژی ذخیره می کند، القاگر است. ممکن است که پلاسما شبیه به یک القاگر در یک مدار ساده تصور شود. به طور مشابه، رفتار DL در برخی موارد می تواند مانند یک خازن تصور شود، با ویژگی های متغییر، شامل یک مقاومت درونی که می تواند با افزایش جریان، مقاومتش کاهش یابد.

تمامی مدار های الکتریکی که اثر القاگری در آن ها وجود دارد ، بسته به مقدار ولتاژ،میزان القاگری، مقاومت، و ظرفیت خازنی که  در اطراف مدار وجود دارد به طور بلقوه ناپایدار هستند. اگر مقاومت کلی مدار منفی باشد، که اغلب در مورد پلاسما به دلیل ویژگی افت نمودار، در منحنی I-V (جریان -ولتاژ) به این صورت است، پایداری مدار القایی غیرممکن است.  یک مدار ساده همراه با ولتاژ، القاگر، و مقاومت منفی یا نوسان می کند یا همه ی انرژی خود را از دست می دهد و از بین می رود.

اگر افت پتانسیل درطول DL بزرگتر از پتانسیل پلاسما باشد، DL به عنوان یک DL قوی طبقه بندی می شود. یک DL قوی ذراتی را که با انرژی کمتر از پتانسیل پلاسما به DL  می رسند، بازتاب خواهد داد. تنها ذراتی با انرژِی بالاتر از پتانسیل پلاسما به داخل DL نفوذ کنند و با  اختلاف پتانسیل(میدان الکتریکی) در داخل  DLشتاب بگیرند .

در نتیجه، رفتار پلاسما در یک CCDL وابسته به ویژگی های مدار خارجی است که مسئولیت تشکیل CCDL را برعهده دارند.

۸٫۷ جریان های تشدید شده

یک مدار شامل القاگر و خازن دارای یک فرکانس طبیعی یا تشدید شده  است که به طور الکتریکی نوسان خواهد کرد. به طور مشابه، در یک جریان پلاسمایی، شامل القاگری به شکل انرژِی مغناطیسی ذخیره شده و یک CCDL که دارای مقاومت منفی است،پلاسما تمایل به داشتن یک فرکانس تشدید شده خواهد داشت که در آن انرژی بین میدان الکتریکی در داخل DL و میدان مغناطیسی خارجی در پلاسما تبادل می شود. همانطور که میدان الکتریکی در DL افزایش می یابد، ذرات را به طور طبیعی به انرژی بالاتر، شتاب می دهد.

روشن است که این مدل توجیه خوبی برای تولید انفجارهایی با تابش فرکانس بالا است.متضاد با این مدل، مدل گرانشی به منظور توضیح این پدیده ی معمول رصد شده، ستارگان بسیار چگال نوترونی که هزاران بار در کسری از ثانیه به دور خود می چرخند را، فرض می کند و در نظر می گیرد.

هر شرایطی منجر به تولید یک فرکانس تشدید شده نمی شود. تغییرات اغلب منجر به نوسانات در یک گستره ی عریض فرکانس می شود. DL به تعبیر مدار الکتریکی پرآشوب(noisy) است. اثر noisy بودن، ایجاد یک گستره طیف از انرژی برای الکترون ها درون پرتو است که در DL شتاب گرفته اند. برخی از الکترون ها برای شکستن میدان مغناطیسی که جریان را احاطه کرده، انرژی کافی دارند که این عامل می تواند به گسترش پلاسما منجر شود.

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/01/17/essential-guide-to-the-eu-chapter-8/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

۷٫۱ جریانهای بیرکلند

برای رشته ای شدن جریانها در پلاسما دلیل دیگری نیز  وجود دارد. این علت ، بخاطر وجود نیروی جاذبه بین هر دو تا از جریان های موازی است. هر یک ازجریان ها ، میدان مغناطیسی تولید می کند که جریان اولی را احاطه می کند و طبق قوانین طبیعی الکترومغناطیس ،جریان دیگر توسط آن میدان مغناطیسی جذب می شود. در نتیجه این دو جریان به طرف هم کشیده شده و جذب هم می شوند.

همچنین این اثر در تک شاره های اکترونی و در سیم های حامل جریان هم وجود دارد. بنا براین ، در پلاسما ، یک جریان انتشار یافته وسیع به متمرکز شدن در یک رشته تمایل دارد، که در مشاهدات هم همین طور است. بطور مشابه، یک پهنه ای از جریان هم تمایل به یکی شدن در قالب تک رشته های جداگانه دارد. همان طور که پهنه ای از آب که در حال سقوط است ، به قطرات جدا جدا تقسیم می شود .

پهنه هایی از جریان به هم بافته شده که به آرامی تابش فروسرخ و نور مرئی دارند. در امتداد حلقه ی ماکیان از سحابی Veil.

اعتبار عکس: W. P. Blair, R. Sankrit (Johns Hopkins University / NASA

اگر دو رشته موازی در مجاورت هم وجود داشته باشند ، یا اینکه این دو رشته، از پهنه ی جریانی که روند رشته ای شدن را طی کرده، شکل گرفته باشند ، یک دیگر را جذب خواهند کرد و ابتدا تحت جاذبه مغناطیسی توضیح داده شده در قانون بیوساوار به سمت یکدیگر حرکت می کنند. بنابراین تمایلی برای جریان های استوانه ای وجود دارد که به صورت دوتا دوتا و جفتی ایجاد شوند.

رسیدن به نقطه تعادل زمانی اتفاق می افتد که نیروی جاذبه بلند برد با نیروی دافعه ی کوتاه بردتر بین دو مولفه ی دورانی زاویه ای نا موازی، به تعادل می رسند. تجزیه و تحلیل ها نشان می دهد که یک انحراف در مراکز نیروی جاذبه ای وجود دارد که دو جریان را جفت می کند ، و یا باعث نیرویی چرخشی می شود، که بر روی هرکدام از جریان ها اثر می کند. بنابراین زوج جریان ها تمایل دارند که به طور مارپیچ دور یک محور مشترک بپیچند. مانند قبل، محور مارپیچ تمایل خواهد داشت که با میدان مغناطیسی کلی موازی باشد.

این نوع از زوج جریانها، به اسم فیزیکدان نروژی کریستین بیرکلند، که در اوایل قرن ۲۰ برروی آنها مطالعه کرده بود، جریانهای بیرکلند نام گذاری شد.

۷٫۲ ریسمان های مغناطیسی

بر اثر مارپیچی شدن جریان ها اطراف یکدیگر، شکل ریسمان های پیچ خورده را به وجود می آورند. چون جریانها با میدان مغناطیسی هم ترازند ، معمولا به جریانهای بیرکلند “ریسمان های مغناطیسی” یا “لوله های شارش” می گویند. اگرچه این توصیف نادقیق نیست ، اما این تعریف تمایل به پنهان کردن اثرات میدان الکتریکی دارد و باعث تغییر ماهیتِ مفهوم حمل جریان در رشته ها می شود و اشاره بر این دارد که که نیروی مغناطیسی تنها عاملی است که در این برهمکنش ها وجود دارد. اما همانطور که می دانیم میدان مغناطیسی و الکتریکی با هم وجود دارند، پس این ادعا درست نیست.

وابستگی معکوس فاصله در قانون نیروی بیوساوار در بین رشته های هدایت کننده جریان، به طور جالبی، رشته ها را به سمت جفت شدن هدایت می کند. این عکس ۳ جریان رشته ای شبیه سازی شده کامپیوتری در  یک PIC(Particle-in-Cell) (ذرات در سلول) را نشان می دهد، که فقط دو تا از آنها  با هم برهمکنش قوی دارند ، در حالی که سومی در سکون است. وقتی تعداد زیادی رشته در پلاسما با میدان مغناطیسی قابل توجهی موجود باشند به طور مستقیم به “دوگانه” و “دو تایی” شدن هدایت می شوند.

اعتبار: اقتباس از شکل ۳٫۲۱، فیزیک از جهان پلاسما، Peratt، Springer Verlag، ۱۹۹۲

سیر تکاملی زبانه ی خورشیدیِ تابش کننده اشعه ایکس بر روی خورشید. عکس بالایی: شبیه سازی خطوط میدان مغناطیسی (خطوط رنگی) با قطب های آنها که با رنگ خکستری نشان داده شده اند ( تیره = منفی ، روشن= مثبت ) عکس وسطی: شبیه سازی حرکت جریان همزمان با تغییرات در میدان مغناطیسی فوق (تیره= شدیدتر) عکس پایینی:  مشاهدات سال ۲۰۰۷ تلسکوپ اشعه ی ایکس Hinode از ویژگی فورانی تکرار شونده که در ارتباط با یک الگوی جریان الکتریکی جفتی- J شکل (حلقوی)

عکس ۶ از “شکل گیری ریسمان شارشی حلقه ای ناپایدار و جریان های الکتریکی در حلقه های پیچشی (حلقوی)”  Aulanier، Török، Démoulin & DeLuca، مجله اختر فیزیک ۷۰۸:۳۱۳-۳۳۳ ،  ۲۰۱۰ Jan 1.

همچنین جریانهای بیرکلند می توانند موادِ نواحی مجاور را جذب کنند.  این به خاطر آن است که میدان های مغناطیسی سَمتی، که به وسیله هر یک از جریان های محوری ایجاد می شوند یک نقطه کاهش فشار شعاعی داخلی با مینیمم فشار بین دو جریان ایجاد می کنند ، در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده خارج از خود ریسمان جریان، گسترش می یابد. این باعث میشود مواد باردار و اجزای یونیزه شده که خارج از ریسمان جریان وجود دارند به سمت مرکز نوار جریان جذب شوند، که به این فرآیند همرفت Marklund  می گویند.

اگرچه این اثر، مشابه نیروی IxB از یک تک استوانه ی جریان است، مینیمم فشار مغناطیسی بین زوج جریانها میتواند مکانیسم کارآمدتری برای ایجاد تمرکز در مواد باشد.

غلظت پلاسما خارج از جریان بیرکلند کاهش می یابد، در حالی که غلظت داخل ریسمان در حال بیشتر شدن است. بنابراین ،گاهی اوقات جریان بیرکلند در تغییرات در پراکندگی غلظت پلاسما تاثیر دارد .

۷٫۳ اثرات آشکار جریانها در فضا

رشته جریاهای به هم تنیده شده در سحابی مارپیچ دوگانه (Helix) در نزدیکی مرکز راه شیری-درنورفروسرخ.

اعتبار عکس: NASA/JPL- CalTech/UCLA

ساختار رشته ای مشابه مدل بیان شده در قسمت قبل ، در فضا بسیار شایع است، مثل: رشته های شفقی ، ریسمان های شارشی زهره، برجستگی های خورشیدی و جریانات تاج خورشیدی ، دم ستاره ی دنباله دار و سحابی میان ستاره ای که در آن بافت رشته ای اغلب دیده می شود. ساختار های رشته ای خنثای هیدروژنی که قبلا هم ذکر شد (جریان همرفت مارکلاند Marklund در ۶٫۱۲ بالا)   همچنین ساختار های رشته ای در آرایشی از خوشه های کهکشانی نیز مشاهده شده است.

۷٫۴ لایه های دوگانه حامل جریان

تا الان دیدیم که لایه های دوگانه میتوانند در لوله های دشارژ ملتهب در آزمایشگاه تشکیل شوند. بدیهی است که این لایه های دوگانه (DL ها) اجازه انتقال جریان از طریق خود، و بعلاوه توانایی شتاب دادن به یونها و الکترونها در میدان الکتریکی قوی داخل DL  را نیز دارند. برای تشخیص  دادن آنها از CFDLها، به آنها لایه های دوگانه حامل جریان (CCDL) می گویند. یک CCDL با روش متفاوتی از یک CFDL تشکیل می شود. معمولا تشکیل آن به وسیله نوعی ناپایداری و یا تغییر در جریان جاری آغاز می شود.

به عنوان مثالی برای نوع “تغییر در جریان” ،که باعث شکل گیری CCDL می شود، اتفاقی را که در زمان عبور جریان به ناحیه ای که چگالی پلاسما کمتر است را در نظر بگیرید. جریان اساسا به وسیله الکترونهای سبکتر حمل می شود و میتوانیم در وهله اول این وضعیت را مربوط به یونها در نظر بگیریم.

اگر جریان الکترونی تغییر نکند، آنگاه ناحیه کم غلظت تر به علت “جاری شدن” جریان (الکترونهای) وارد شده، به سرعت الکترون اضافی بدست خواهد آورد. این اتفاق منجر به یک اختلاف پتانسیل در مناطق با چگالی کمتر می شود و در تنیجه الکترونهای بیشتری دفع و جریان جاری نیز مختل خواهد شد.

به یاد داشته باشید که جریان، با ترکیب سرعت و چگالی الکترون متناسب است و تنها راه کم کردن غلظت الکترون ها، برای رسیدن به مرحله مناسب، در حالی که کل جریان بر قرار باشد، افزایش سرعت الکترونها می باشد.

روندی که این خواسته را ایجاد می کند ، تشکیل یک CCDL در مرز ناحیه کم تراکم تر می باشد که الکترونها را به آن ناحیه شتاب  بدهد. قدرت DL تا زمانی افزایش خواهد یافت که دقیقا سرعت لازمه ی الکترون ها را برای کم کردن غلظت آن ها فراهم کند ،تا چگالی الکترون ها با یونهای با چگالی کمتر برابر شود و پلاسما درحالت خنثی (بدون بار خالص) باقی بماند .

مطمئنا DL روی یونها هم تاثیر می گذارد ولی تاثیر کلی آن شبیه همان چیزی است که گفته شد. همچنین الکترونهای پر سرعت تر باعث به وجود آمدن یونش های اضافی میشود که نیاز به سرعت بیشتر برای الکترون ها را تغییر می دهد.اما هم چنان ضروری است که یک DL تشکیل شود و شتاب لازم را تامین کند.

۷٫۵ ناپایداری در جریان و CCDLها

CCDLها همچنین می توانند در نتیجه ی ناپایداری جریانی در یونها و الکترونهای تشکیل دهنده جریان، که در خلاف جهت هم حرکت می کنند ایجاد شوند.

مدل های مختلفی از ناپایداری میتواند رخ دهد. یک نمونه ناپایداریِ Buneman یا ناپایداری دو جریانی می باشد. زمانی که سرعت جاری شدن الکترونها (بطور کلی چگالی جریان تقسیم بر چگالی الکترون) بیشتر از سرعت حرارتی الکترون های پلاسما باشد. به عبارت دیگر سرعت رانش حاصله از جریان الکریکی، بیشتر از سرعت تصادفی حرکتی گرمایی است.

مکانیسم واقعی ناپایداری Buneman پیچیده است. اگر چه ، در اصل، چگالی یونها و الکترونها در پلاسما در بازه های مکانی کوچک نسبت به کل پلاسما همواره از حالت خنثای مطلق در حال تغییر است. سپس پلاسما خود را تطبیق می دهد که هر گونه عدم تعادل و نا توازنی را اصلاح کند. این تغییرات غلظت به فرکانسی که وابسته به درجه حرارت پلاسما و جریان عبوری از آن است رخ می دهد. اگر غلظت جریان به اندازه کافی زیاد باشد، فرکانس (زمان تناوب) تغییرات چگالی برای اینکه پلاسما خودش را تطبیق دهد، بیش از حد سریع است. پس به وضعیتی ناپایدار تبدیل می شود.

طبق تحقیقات انجام شده ، این جور ناپایداری ها منجر به تشکیل CCDL می شود. تغییرات در چگالی های یون و الکترون باعث توسعه میدانهای الکتریکی داخلی می شود. این میدان ها با یونها انرژی مبادله می کنند که باعث میشود شروع به نوسان با دامنه بزرگی کنند و تغییرات چگالی را تقویت می کند. مناطقی با چگالی بار متفاوت میدان های الکتریکی بینشان بوجود ایجاد می شود.

زمانی که میدان الکتریکی به علت این تغییرات چگالی افزایش می یابد، جریان الکترون های جاری قطع می شود و بعضی از الکترون ها به دام می افتند و یا به سمت عقب شروع به حرکت به درون یک گرداب های داخلی می کنند. نتیجه تشکیل یک CCDL با شماری از یونها و الکترون های شتابدار، و یون ها و الکترون های به دام افتاده در طول یک DL است.

این جریان از بعضی جهات مشابه ناپایداری های جریان در سیالات است. CCDL در بعضی روشها مانند جهش هیدرولیکی است که سرعت سیال در دو طرف جهش متفاوت است. جهش شامل گرداب هایی از سیالِ به دام افتاده است و جهش خود در یک موقعیت ثابت است.

هر چند نمی توان گفت که تحلیل سیال آنقدری پیچیده است که بتواند حرکات الکترودینامیک ذرات باردار در میدانهایی که خودشان ساختند را مدل سازی کند. تفاوت قاعده کلی این است که DL به ذرات باردار در راستاهای مخالف، متناسب با بارشان شتاب می دهد، در حالی که جهش هیدرودینامیکی سرعت جریان سیال را به وسیله ایجاد تلاطم کاهش می دهد.

یک CCDL همیشه قسمتی از افت پتانسیل تولید شده توسط جریان را داخل ناحیه DL متمرکز می کند و در نتیجه گرادیان پتانسیل در جریان باقی مانده را نیز کاهش می دهد.

۷٫۶ اطلاف انرژی در DL ها

الکترون هایی که در افت پتانسیل ایجاد شده در طول یک CCDL شتاب گرفته اند، انرژی شان را در برخورد با اتمهای خنثی در آن طرف DL از دست می دهند. این اتم های برانگیخته، هنگامی که به حالت پایه (تراز اصلی) بر می گردند به ترتیب به وسیله تابش انرژی خود را از دست خواهند داد. پس تشکیل یک DL مثل یک وسیله ای عمل می کند که پلاسما با آن انرژی اضافه خود را پراکنده کند. حالتی شبیه به وضعیت مقاومت الکتریکی که در یک مدار الکتریکی اتفاق می افتد.

این مکانیسم به ثبات مدارهای پلاسما که انرژی را “بی خطر” پراکنده می کنند، کمک می کند که در غیر این صورت ممکن است نتیجه ، ناپایداری های آشفته و متلاطم را در پلاسما گسترش بیابند.

۷٫۷ طبقه بندی DLها

همانطورکه مطرح شد، یک تفاوت اصلی بین لایه های دوگانه حامل جریان (CCDL) و لایه های دوگانه بدون جریان (CFDL) که هر کدام با مکانیسم متفاوتی تشکیل شده اند، وجود دارد و به وسیله این که آیا DL اجازه می دهد جریان الکتریکی زیادی از آن عبور کند یا خیر ، به این دو مدل تقسیم بندی می شوند .

یک طبقه بندی دیگر بر اساس قدرت و توانایی DL است . بسته به افت پتانسیلی که در طول آن وجود دارد، یک DL به ضعیف، قوی، و یا نسبیتی طبقه بندی می شود. هر دسته اثر متفاوتی روی ذرات باردار در پلاسمای احاطه کننده شان خواهد داشت.

اگر افت پتانسیل در طول DL بیشتر از پتانسیل پلاسما باشد، DL در دسته DL قوی جای می گیرد. یک  DL قوی ذراتی که با انرژی کمتر از پتانسیل پلاسما، به DL می رسند را باز می فرستد و بازتاب می کند. فقط ذراتی با انرژی بیشتر از پتانسیل پلاسما وارد DL خواهند شد و شتاب می گیرند.

DL ضعیف سرعت ذراتی را که با پتانسیل پلاسما از سمت “مخالف” وارد می شوند، می کاهد و دوباره وقتی که از میان DL عبور کردند، به آنها شتاب می دهد.

اگر افت پتانسیل در طول DL به قدری باشد که موجب شود ذرات، انرژیِ بزرگتر از انرژی جرم سکون الکترون بدست آورند، به آن DL نسبیتی می گویند. پس یک DL نسبیتی هنگامی که الکترونها از میان افت پتانسیل عبور می کنند به آنها شتاب با سرعتی نزدیک به سرعت نور می دهد. این اتفاق می تواند در جت های پلاسمایی حامل جریان موازی پرقدرت دیده شود که می توانند در یک سمت یا هر دو طرف قطب محورهای کهکشان های رادیویی وجود داشته باشند .

جت کهکشان قنطورس A در ترکیب رنگهای غیر واقعی رادیویی (آبی) و اشعه ایکس (قرمز).

اعتبار: برای اشعه ایکس NASA/Chandra . برای رادیویی  NRAO/AUI

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/01/04/essential-guide-to-the-eu-chapter-7/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

سحابی های سیاره نما گاهاً ، مشخصه های متقارن دو قطبی با مرکزیت پینچ پلاسمایی، جت های قطبی و یک صفحه خمیده در محور استوایی ، از خود نشان می دهند .  تصویر از NASA, ESA and the Hubble Heritage Team.

۶٫۱.حرکتهای گرمایی و جریان

بسیار مهم است که بین حرکت گرمایی تصادفی وحرکت یکنواخت خطی در پلاسما تمایز قائل شویم .دسته ی دوم یک جریان الکتریکی است که جاری شدنش ناشی از حضور یک میدان الکتریکی می باشد.

حرکتهای گرمایی تصادفی به وسیله ی درجه حرارت پلاسما ،یا به وسیله ی درجه حرارت یونها و الکترونها؛ در صورتی که درجه حرارت آنها متفاوت باشد به صورت جداگانه اندازه گیری می شود.این نوع حرکت ذرات باردار،یک شکلی از جریان است، اما به نوعی که در یک موقعیت مکانی میانگین نوسان می کند،و با حرکت در یک جهت خاص مخالفت می کند .به طور صریح ،حرارت فقط میتواند در صورتی یک مقیاس دقیق برای اندازه گیری انرژی باشد، که سرعت توزیع تک تک ذرات به صورت ماکسولی باشد، به شکلی که توزیع سرعت ذرات معادل با نتیجه ی برخوردهای الاستیکی باشد.

حرکت خطی یکنواخت ، از یک میدان الکتریکی نتیجه می شود و نمایش دهنده ی یک جریان رانشی است .تمام ذرات با علامت بار مشابه(مثبت یا منفی) تحت تاثیر میدان الکتریکی در یک مسیر یکسان حرکت میکنند. به این معنا که در پلاسما،بخاطر وجود تعداد تقریبا مساوی از ذرات مثبت و منفی ، ( “پلاسما در حالت کلی خنثی است” ) در می یابیم که جهت حرکت ذرات با بار مثبت در جهت مخالف با حرکت الکترونها است.

تمامی ذرات دارای انرژی جنبشی هستند، که ممکن است زیاد باشد، اما درجه حرارت بخاطر این حرکت خطی ناشی از حضور میدان الکتریکی نیست ؛ چون دما معیاری است که برای اندازه گیری انرژی ذراتی که با سرعت های تصادفی تحت تاثیر برخوردهای متعدد هستند، استفاده می شود. همانطورکه هر دو نوع حرکت در امتداد مسیری در جهت های تقریبا یکسان یا موازی با هم هستند، چگالی پلاسما نیز نسبتا کم است، برخوردها اندک است، و شرایط برخوردی ماکسولی فراهم نمی شود.

هر دو حرکت ،در جایی که جریان روان است ،به صورت همزمان وجود دارند . حرکت جریان یا رانش ذرات، با حرکت تصادفی آنها باهم تلفیق شده اند. روش دیگر نگاه به این موضوع این است که تصور کنیم  مکان میانگین واقعی که ذرات در محدوده آن حرکت تصادفی دارند ،با سرعت رانشی هم جهت با  مسیر جریان در حرکت است .

۶٫۲ جریان های الکترون و یون

تا کنون دیده ایم که الکترون ها به خاطر جرم کوچکتری که نسبت به یون ها دارند، سرعت بیشتری دارند. اگرچه ، یک الکترون به اندازه ی بار الکتریکی منفی حمل می کند که یک پروتون بار مثبت حمل می کند، پروتون سبکترین فرم از یون است. بنابراین، سرعت بالای الکترون ها به معنی این است که آنها خیلی مؤثرتر ازیون ها در حمل جریان پلاسما نقش دارند.

نسبت جریان الکترون به جریان یون دریک جریان پلاسمای غیر نسبیتی ، با جذر وارون نسبت جرم ها به هم دیگر متناسب است. برای یون مثبت سبک ، یک پروتون ، به  این  معنی است که جریان  الکترون  در حدود ۴۳ بار بزرگتر از جریان  یون  است .( اگر جرم یک الکترون  را یک درنظر بگیریم ، جرم یک  پرونون به اصطلاح درحدود ۱۸۳۶ بار بزرگتر است . جزر نسبت  ۱۸۳۶ برابر است  با ۸۵/۴۲ )..

در اکثر موقعیت ها حرکت و جنبش الکترون ها  چیزی است که رفتار پلاسما رامشخص می کند.

۶٫۳ دشارژ جریان  درلوله های آزمایشگاه

پلاسما در آزمایشگاه بیش از صد سال است که مورد آزمایش و مطالعه قرارگرفته است ، و مقدارعظیمی از داده ها و تجزیه  وتحلیل ها در دسترس است. یکی از آزمایشات پایه ای در این زمینه ، شامل یک لوله ی برانگیخته دشارژی است، که دراین لوله جریان از میان گازی با فشار پایین همچون بخار جیوه عبور می کند. این کار باعث یونیزه شدن گاز می شود و در داخل لوله پلاسما تشکیل می شود.

لوله تخلیه شده (گاز فشار پایین) به همراه آند و کاتد و منبع نیروی ولتاژ بالا

Wiki Creative Commons منبع عکس

۶٫۴ لوله های تابشی تخلیه الکتریکی

تعریف های متعددی از لوله های دشارژ موجود هست که نیازی نیست دراین بخش با جزئیات تکرارشوند. نکات مورد توجه برای هدف های حال حاضر در ادامه به صورت زیراست:

1. در داخل لوله، نوار هایی قابل رویت در طول محوری که پلاسما برافروخته است دیده می شود،که توسط نوار های”سیاه”در جایی که برافروختگی وجود ندارد، دربرگرفته شده اند.این نوار های مختلف دو روش از سه طریقه ی ممکن از عملکرد پلاسما را وقتی که جریان حمل می کند، نشان می دهند.

2. بدون شک، نوار های سیاه ناحیه ای با جریان تاریک را توصیف می کنند. در این ناحیه ها سرعت الکترون پایین تر از حد لازم است که سبب برانگیختگی قابل رویت از اتم های خنثی گاز شود، و یونیزاسیون در جریان های بالا اتفاق می افتد. با این حال، در قسمت های تاریک تابش با طول موج در محدوده مرئی رخ نمی دهد و می بایست از طریق وسیله های غیر بصری مشاهده شوند.

3. نوارهای روشن برانگیختگی عادی را نشان می دهند. در اینجا سرعت الکترون ها باعث می شود یونیزاسیون اتفاق بیافتد. این روشنایی مربوط به تابش از طرف الکترون های اتم های خنثی پس از برانگیختگی در اثر برخورد با الکترون های آزاد پرسرعت است.

۴ . سومین طریقه ی ممکن عملکرد پلاسما حالت قوس تخلیه الکتریکی است ، برای مثال ؛با نور بسیار زیاد کار های جوشکاری و پدیده صاعقه آشنا هستیم.

5. در لوله های برانگیخته ، انتظار می رود اختلاف پتانسیل بین الکترودها می تواند باعث ایجاد یک میدان الکتریکی ثابت در سرتاسر طول لوله شود. اما رفتارهای حالت پلاسما متفاوت است.

6. مشاهده شده است که، یک دو لایه ،در داخل لوله شکل می گیرد که میدان الکتریکی خارجی میان آند و کاتد را تغییر می دهد. دو لایه طوری تشکیل می شود که بیشترین افت پتانسیل در بین آن رخ دهد. دور از ناحیه دولایه ، بیشترین پلاسمای باقی مانده در ناحیه ی برانگیخته است، که به ستون مثبت معروف است. این ناحیه می تواند بخش قابل توجهی از طول لوله دشارژ را بگیرد.

7. در ستون مثبت تقریبا تعداد برابری از الکترون ها و یون ها حضور دارند. پلاسما در اینجا شبه خنثی است. چون که بیشترین افت پتانسیل در میان دو لایه رخ می دهد، یک گرادیان الکتریکی کوچک و ثابت، یا یک میدان الکتریکی، در داخل ستون مثبت بوجود می آید.

8. به نظر می رسد شباهت هایی بین ستون مثبت در دشارژ لوله و پلاسما در نواحی اطراف خورشید وجود دارد.

9. یکی دیگر از پیامد های آزمایش لوله ی تخلیه الکتریکی هم مربوط به بحث در رفتار پلاسما است که در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت.

۶٫۵ منحنی ولتاژ-چگالی جریان

نمودار ولتاژ- چگالی جریان در پلاسما، حالتهای تخلیه(دشارژ)

اگر منحنی ولتاژ نسبت به چگالی جریان در لوله ی دشارژ رسم گردد( چگالی جریان، جریان تقسیم بر مساحت لوله ی دشارژاست) سپس مشاهده می شود که سه حالت مختلف تابش پلاسما به سه بخش مختلف یک نمودار ناپیوسته که به عنوان نمودار ولتاژ-چگالی جریان شناخته شده است، منطبق می شود.

در حالت تخلیه ی تاریک نمودار ولتاژ-چگالی جریان با افزایش ولتاژ به طور نامنظم افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ به بالاترین مقدار لازم می رسد، یونیزاسیون شروع می شود و جریان به ازای افزایش بسیار کم در ولتاژ، به سرعت شروع به افزایش یافتن می کند.

سپس تخلیه به سرعت به حالت تخلیه ی تابشی تغییر خواهد کرد. این قسمت است که با یک تغییر چشم گیر در ولتاژ همراه است. ولتاژ به سمت پایین افت می کند زیرا هنگامی که تعداد زیادی الکترون توسط یونیزاسیون تولید شده اند تنها یک ولتاژ کوچک برای تولید یک جریان بزرگ مورد نیاز است.

یک اثر بسیار مهم اغلب در پایین ترین بخش چگالی جریان در ناحیه ی تخلیه ی تابش رخ می دهد. در واقع ولتاژ با افزایش چگالی جریان کاهش می یابد. به عبارت دیگر پلاسما بهینه ترین راه، عبور جریان با چگالی جریان بالاتر را انتخاب می کند ، چون افت پتانسیل کم است.

در حالیکه چگالی جریان همچنان بالاست افزایش دوباره ی ولتاژ به این معناست که بخش تخلیه ی تابش از منحنی ولتاژ-جریان دارای یک حداقل در یک مقدار خاصی از چگالی جریان است. این مینیمم نشان دهنده ی نقطه ی پایین ترین مقاومت برای انتقال جریان کل است. در پلاسمای کیهانی این اثر ممکن است در شکل گیری رشته های جریان توسط محدود کردن جریان در یک منطقه ی خاص مقطعی ، قابل توجه باشد.

به طور مشابه در حالت تخلیه ی قوس الکتریکی بسیار روشن، ولتاژ بار دیگر با افزایش چگالی جریان کاهش می یابد. اگر پلاسما به اجبار وارد حالت قوس شود بار دیگر به منظور کاهش افت پتانسیل به رشته رشته شدن متمایل خواهد شد.

۶٫۶ رشته ای شدن جریان

رشته ای شدن جریان به عنوان یک نوع رفتار طبیعی برای جریان ها در پلاسما مشاهده شده است،  منحنی J-V و و ساختار فیزیک در فضا به خودی خود ،گواه این مسئله هستند. مقاله ی دکتر” Anthony Peratt ” در مورد رشته ای شدن را میتوان در اینجا یافت.

به طور خاص، صفحات جریان (که بعدا مطرح خواهیم کرد)  میل دارند ، به خاطر توسعه ی گردابها، به رشته های مجزا و منفرد تقسیم شوند. این گردابها تا حدودی به گرداب هایی شبیه اند، که در داخل سیالی که در حال جریان است و لایه های کناری در جریان آن سرعت متفاوتی داشته باشد، تشکیل می شوند.(ناپایداری هلمهواتز)

کاتد مرکزی در یک لامپ کوچک پلاسما،که با یک ورقه جریان کروی برانگیخته احاطه شده که به سمت خارج پوشش شیشه ای (آند) ، جذب میشود،. جایی که جریان از سطح ورقه به طرف بیرون گسترش می یابد، ساختار های رشته ای تشکیل می شوند و در طول لامپ با فشار کم  گسترش می یابند

واضح است ،شرایط در داخل رشته های جریان به صورتی متفاوت از بقیه ی پلاسما هستند، این شرایط ، باعث شکل گیری یک دولایه بدون جریان الکتریکی در مرز رشته می شود، که در آن الکترونهای سریعتر به وسیله ی میدان الکتریکی در درون دولایه ،محدود می شوند.

در حال حاضر می توانیم ببینیم که رشته ها،سلول های پلاسمایی طویل شده حامل جریانی هستند که دولایی های بدون جریان اکتریکی (CFDL) ها در مرزها قرار دارند.

مدارک و شواهد از رشته ها و جریانهای الکتریکی در فضا، بسیار گسترده است. موجودیت ساختار رشته ای، از منظومه ی شمسی گرفته تا در مقیاس کهکشانی و بین کهکشانی، توسط اکثر ستاره شناسان در هر سطحی تصدیق شده است. تنها قسمت ناسازگاری بین مدل الکتریکی و مدل گرانشی این است که اگرچه  این رشته ها ساختارهای حامل جریان هستند، طبیعتا از قواننین الکترودینامیک پلاسما تبعیت می کنند، یا نوعی جتهای سیالی هستند که هزاران سال نوری به طویل شده اند،اما با شبیه سازی های کامپیوتری ، که در آن گرانش را ناشی از ماده ی سرد تاریک فرض کرده است ( CDM ). به صورتی گرانشی این رشته ها تشکیل می شوند.

در یک سیال، جت های خروجی به از هم پاشیدگی و تبدیل  شدن به غبار و دودهای کم سرعت ، تمایل دارد.

 توربین های یک هواپیما جت هایی از گاز را خارج می کند، در اینجا به صورت پسدمه ی موتورهای عقبی از بلورهای یخ،  در مسافتهای نزدیک به توربین ها به نظر می آیند، که به سرعت گسترش می یابند، این همان چیزی است که در اتمسفربالایی گسترش می یابد، و از سرعت آن تا یک توقف کامل می کاهد.

اگر چه، بعضی از جت ها در فضا، برای نمونه جتی با طول ۴۰۰۰ سال نوری از یک کهکشان بیضوی M87، برای مسافتی بسیار زیاد، قبل از از هم پاشیدگی و تبدیل به گرد وغبار در حالت جت باقی می مانند. این ممکن است اشاره داشته باشد به این که جت ها ممکن است یک جت سیال نباشند، بلکه رشته های الکتریکی باشند.

یک مقاله ی مهم تحت عنوان “اندازه ی جریان در یک جت درجه Kpc” که در سال ۲۰۱۱ در arXiv به وسیله ی  Kronberg, Lovelace, et al،بر اساس تحقیقات آن ها بر روی یک جت، که از کهکشان رادیویی ۳C303 ناشی می شده، انتشار یافته است.

اگر ما فرض کنیم آنها رشته های الکتریکی هستند، آنگاه نیاز داریم که بدانیم کدام نظریه و آزمایش ممکن است برای ما توضیح دهد چگونه رشته های الکتریکی در مسافتهای نجومی شکلشان را حفظ می کنند.

جت مربوط به کهکشان M87 . کهکشان به صورت گره ای/نقطه ای روشن ، چپ بالا، در نور مرئی(مایل به سرخی) ؛جت گسترش یاقته در پایین سمت راست،که اینجا در گستره UV  دیده میشود (سفید و آبی)/ اعتبار تصویر: ناسا/هابل

۶٫۷ پینچهای جریان

هر جریان I که در یک رسانا یا رشته جریان دارد باعث به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی B در اطرافش خواهد شد. خطوط میدان مغناطیسی به صورت حلقه هایی به دور محور جریان تشکیل خواهند شد و نیروی مغناطیسی با فاصله ی شعاعی از محور جریان کاهش پیدا خواهد کرد.

با توجه به نیروی لورنتس، می توان نشان داد که برهم کنش جریان I با میدان مغناطیسی اش B باعث ایجاد یک فشار شعاعی درونی روی رشته های جریان می شود، که به صورت I × B  نوشته می شود(ضرب برداری می باشد). به این “پینچ” یا “Z-پینچ” گفته می شود( این درحالی است که جهت جریان موازی با محور Z محورهای مختصات تعریف می شود).

در یک رسانای فلزی، توسط شبکه یونی اتمی در برابر فشار I × B  مقاومت می کند. در یک جریان پلاسما، فشار می تواند به وسیله ی فشار پلاسمای داخل رشته ها به تعادل برسد. این تعادل به یک حالت پایا نتیجه می شود، که در آن جریان می تواند در طول محور سمتی ، یا دایره های میدان مغناطیسی خودش ، حرکت کند. معادله ی تعادل به عنوان معادله ی پینچ بِنِت شناخته می شود.(Bennet Pinch Equation)

شواهد تجربی در آرمایشگاه نشان دهنده ی این مسئله است که می توان از پدیده ی پینچ برای خرد کردن قوطی های آلومینیومی از طریق اعمال خیلی سریع یک میدان مغناطیسی قوی استفاده کرد. قوطی قبل از اینکه فشار داخل آن در مقابل نیروی پینچ به قدر کافی مقاومت کند، خرد می شود. نیروهای میدان مغناطیسی در رعد و برق می تواند یک پینچ داخلی درست کنند که یک میله ی جامد مسی روی زمین را خرد می کند.

چپ: میدان تولید شده توسط یک دشارژ سریع به اندازه ی kj2 از طریق سه دور سیم باردار که این قوطی را خرد کرده است.

راست:طبیعت Z-pinch رعد و برق این میله ی فلزی را تغییر شکل داده است.

۶٫۸ جریان های هم راستای میدان

در فضا، فشار گاز خنثی همیشه ناچیز و جزئی است، بنابراین تعادل بین نیروی (I x B) و نیروی فشار نمی تواند اتفاق بیفتد. تنها راهی که این وضعیت را می تواند برطرف کند این است که نیروی (I x B) را ناپدید کند. که صفر شدن این نیرو دلیلی بر موازی بودن I وB (جهت جریان و جهت میدان مغناطیسی) دارد، که توسط جبر برداری حاصل ضرب خارجی دو بردار موازی صفر است.

اگر میدان های مغناطیسی دیگری موجود باشد، که می دانیم در اکثر فضای کیهانی حضور دارند، نیروی (I x B) را باید با استفاده از میدان مغناطیسی معادل (کلی) محاسبه کنیم، که به معنی جمع کردن میدان مغناطیسی خود جریان B، با میدان های کلی B، با قوانین جبری است.

به این ترتیب در پلاسمای کیهانی ، جریان I و میدان مغناطیسی کلی  Bطوری قرار می گیرند که به شکل موازی و هم تراز باشند. به عبارت دیگر، جریان از میدان مغناطیسی پیروی می کند: این یک جریان همراستای میدان می باشد.

حتی اگر میدان مغناطیسی خارجی وجود نداشته باشد، هریک از عناصر کوچک جریان سیال در یک پلاسما تمایل به انباشتن به طور طبیعی به جریان های بزرگتر یا وسیع تر دارند که میدان مغناطیسی خودشان را تولید می کنند، بنابراین رشته جریان را حفظ می کنند.

اتفاقی که می افتد این است که الکترون های نزدیک به محور مرکزی رشته جریان در مسیری تقریبا مستقیم حرکت می کنند و یک میدان مغناطیسی سمتی در اطراف آنها تولید می شود. الکترون های دور تر از محور مرکزی جریان تحت تاثیر این موئلفه های سمتی میدان مغناطیسی قرار می گیرند و حرکتی در مسیر مارپیچی به دور جهت اصلی جریان خواهند داشت. این حرکت مارپیچی خطوط میدان مغناطیسی مستقیم تری در نزدیک محور تولید می کند، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. در نزدیک مرکز رشته ، خطوط میدان مغناطیسی و مسیر الکترون ها مستقیم تر می باشد.

 جریان های الکترون در یک جریان همراستای میدان مغناطیسی در فواصل مختلف از مرکز رشته ی جریان.

Wiki commons منبع عکس

بنابراین ،هر الکترون به تنهایی در داخل جریان درامتداد جهت میدان مغناطیسی در محدوده خودش حرکت می کند اما مجموعاً، حتی بدون یک میدان مغناطیسی خارجی، رشته حفظ شده است. به این معنی که جریان های خیلی بزرگ می توانند از جریان عناصر کوچک جمع آوری شوند و در طول فواصل بزرگ انتقال یابند.

یکی دیگر از راه های نگاه به این موضوع در نظر گرفتن مقاومت الکتریکی پلاسما است. به دلیل وجود جمله (U × B) در قانون نیروی لورنتس، جریانی که در جهت عرضی و داخلی میدان مغناطیسی حرکت می کند، مقاومت بیشتری احساس می کند تا جریانی که هم جهت و موازی میدان مغناطیسی حرکت می کند. به طور موثر، مقاومت موازی کمتر از مقاومت عمودی است ، بنابراین تمایل جریان در همترازی با میدان میغناطیسی است.

۶٫۹ خود پیچیدگی جریان ها

تجزیه و تحلیل دقیق ریاضی نشان می دهد که I و B به صورتی برهمکنش دارند که هر دو به صورت مارپیچی موازی با هم در اطراف یک محور هم راستا با میدان خارجی B قرار بگیرند. اثر خالص I و B این است که هر دو ی آن ها در یک مسیر مارپیچی همراستا با جهت میدان خارجی B حرکت کنند.

همچنین می توان دریافت که تعامل محوری و سمتی(حلقه) مولفه های مارپیچی I و B باعث می شود که I و B  هر دو تا حد زیادی به یک استوانه با شعاع معلوم حول محور آن، محدود شوند.

به طور خلاصه، عدم وجود فشار کافی در پلاسمای کیهانی باعث می شود که جریان در رشته های استوانه ای همراستا با جهت میدان مغناطیسی اصلی جریان یابند. در رشته ی استوانه ای، جریان و میدان مغناطیسی ضمن این که به صورت موازی نسبت به هم با قی می مانند، در اطراف محور استوانه به صورت مارپیچی نیز حرکت می کنند.

توجه داشته با شید که اگر به هر دلیلی همراستایی موازی I با B کلی، مختل شود، بسته به اینکه کدام یک از دو مولفه محوری تر است، یک نیروی  I × B  باعث فشرده سازی یا گسترش شعاعی می شود. به این ترتیب تنگش یک رشته به دلیل تغییرات در میدان هایی که رشته های جریان در آن جریان داشته اند ممکن است رخ دهد.

۶٫۱۰ پایداری رشته های جریان

یک فاکتور مهم دیگر از تجزیه و تحلیل ریاضیاتی بدست می آید. آرایش بدون نیرو یا همراستای میدان یک حالت کمینه ی انرژی برای جریان ها است. این به این معنی است که آرایش میدان همراستا ذاتا با ثبات است و جریان تمایل دارد همراستای میدان مغناطیسی باقی بماند، مگر اینکه توسط عوامل خارجی مختل شود.

هم اکنون ما می توانیم ببینیم که چطور جریان های همراستای میدان می توانند در فاصله های زیاد باقی بمانند. جریان های همراستای میدان می توانند توضیح بسیار بهتری برای جت های موازی(موازی جریان) باشند که برای صدها یا هزاران سال نوری امتداد دارند تا مدل گرانشی که بر اساس جریان سیالات متداول بیان می شود. رصد خانه ی رادیویی بریتانیا در جوردل بانک، طیف گسترده ای از تصاویر جت های کهکشانی که در طول موج رادیویی قابل مشاهده هستند را جمع آوری کرده است، در اطلس خود از DRAGN ها (منابع رادیویی دوتایی همراه با هسته ی کهکشانی) تصویری مانند تصویر زیر، یک جفت جت معمولی را نشان می دهد:

تصویر رادیویی مشروح، در رنگ کاذب، از یک کهکشان رادیویی و جت های قطبی آن است. تصویر از : Jodrell Bank, UK, An Atlas of DRAGNs

محدود شدن جریان های رشته ای همراستای میدان به استوانه های با شعاع معلوم از جریان توسط نیروهای الکترومغناطیسی، همچنین با مشخصه ی کاهش و افت منحنی J-V مشاهده شده در آزمایش های آزمایشگاهی در لوله های تخلیه ی الکتریکی سازگار می باشد. اگر پلاسما در حالت تابش باشد، که در پلاسمای کیهانی ممکن است به معنی تابش خارج از محدوده ی مریی باشد، سپس شعاع استوانه ی جریان به وسیله ی ترکیب اثرات میدان های مغناطیسی و الکتریکی و شکل منحنی چگالی جریان-ولتاژ تعیین می شود. در مورد روند رشته ای در Z-pinch های چگال کیهانی در این مقاله که توسط فیزیکدانان روسی A.B Kukushkin و V.A. Rantsev-Kartinov از موسسه Kurchatov ، مسکو نوشته شده است ، بیشتر بخوانید.

۶٫۱۱ تراکم ماده:

اثری دیگر از نیروی  I × B می تواند با تحلیل مشخص شود. فرض کنید جریان I بوسیله میدان الکتریکی E تولید شده باشد. حال در نظر داشته باشید که نیرویی از برهمکنش بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی (B , E) بوجود می آید. به یاد داشته باشید که جریان I تمایل دارد بخاطر نیروهای موجود بر روی جریان، با میدان مغناطیسی کل هم جهت شود. اگرچه میدان الکتریکی که علت شکل گیری جریان است کاملا با میدان B کلی، همراستا نمی شود، چرا که B  کلی ، تشکیل شده از جمع برداری میدان مغناطیسی خارجی که جریان در داخل آن حرکت می کند، بعلاوه ی میدان مغناطیسی سمتی که از خود جریان ناشی می شود.

همراه با نیروی  I × B، نیروی  E × B هم وجود دارد، هرگاه که E با B موازی نباشد. نیروی E × B بر ذرات باردار در جریان استوانه ای اثر می کند و باعث حرکت یون ها و الکترون ها به سمت مرکز رشته های پلاسما می شود. پلاسما ها معمولا حاوی درصد زیادی ذرات ریز باردار هستند که می توانند به داخل رشته ها کشیده شوند. گرانروی و چسبندگی بین ذرات باردار و اتم های خنثی تمایل دارد اتم های خنثی را نیز به سمت رشته های پلاسما بکشاند.

بنابراین، رشته های جریان در فضا تمایل به تلفیق ماده خواهند داشت که به عنوان نتیجه هم سو نشدن میدان الکتریکیِ باعث جریان ، و میدان مغناطیسی کل می باشد.

با به یاد داشتن اینکه پینچ ها از کوچکترین ناهمجهتی بین جریان I و میدان B شکل می گیرند، هر ماده ای که به داخل رشته کشیده شود هم دچار فشردگی می شود، اگر ناهمجهتی بین جریان و میدان مغناطیسی کل ، رخ دهد. اگر نیروی پینچ به اندازه کافی بزرگ باشد، می تواند رشته را به پلاسمویدهای مجزای کره ای یا چنبره ای در راستای محور جریان تقسیم کند. هر ماده ای که در ناحیه نقطه بحرانی باشد، به همان شکل فشرده می شود.

به دلیل اینکه نیروهای الکترومکانیکی به شدت از گرانش قویتر هستند، این مکانیزم نشان روشی را نشان می دهد که بوسیله آن ماده ی پخش و رقیق می تواند به طور خیلی مفیدتری نسبت به متراکم سازی گرانشی ابرهای پراکنده از ذرات غبار، تلفیق و فشرده شود.

همچنین، وقتی که ماده به طور مفید فشرده شده و بوسیله تلفیق دوباره یون ها و الکترون ها خنثی شده باشد، نیروی الکترومغناطیس می تواند تا جایی کاهش بیابد، که اثر گرانش نسبت به آن بارزتر و بیشتر شده و تراکمی که با نیروی الکترومغناطیس شروع شده را ادامه دهد.

۶٫۱۲ انتقال گرما و همرفت Marklund

همانطور که مشاهده کردیم در حالتی که جریان استوانه ای باشد، E × B  یک نیروی شعاعی به سمت داخل است و باعث خود پیچش رشته جریان می شود. در نتیجه باعث افزایش چگالی ذرات در نزدیکی محور جریان می شود. دو اتفاق می تواند بیوفتد:

اول، این است که، خنک شدن مناطقی که چگالی بیشتری دارند به وسیله ی تابش، می تواند منجر به کاهش دما در نزدیکی مرکز شود، برخلاف افزایش دما که باعث کاهش چگالی می شود ،خنک شدن به طور مستقیم افزایش چگالی را باعث می شود.

دوم، بازترکیب شدن الکترون ها و یون ها شروع به رخ دادن می کند.

هر عنصر شیمیایی دارای یک سطح خاص انرژی می باشد، این انرژی به عنوان انرژی یونیزاسیون شناخته شده، که عنصر در آن یونیزه و یا بازترکیب می شود. این شبیه نقطه ی جوش یک مایع مانند آب است: در یک دمای خاص، فاز و یا حالت یک ماده از حالتی به حالت دیگر تغییر خواهد کرد.

اگر انرژی جنبشی حرکتی با انرژی یونیزاسیون برابر شود، سرعتی مشخصه ، که به عنوان سرعت یونیزاسیون بحرانی (CIV) شناخته شده است، می توان برای هریک از عناصر در نظر گرفت. به دلیل اینکه دما مقیاس اندازه گیری انرژی حرارتی است، CIV را می توان به دما مربوط کرد. عموما مقادیر CIV عناصری که در فضا یافت می شوند به طور تصادفی توزیع نشده است، بلکه در چهار نوار مجزا، اطراف مقادیر سرعت یونیزاسیون بحرانی معینی، گروه بندی شده اند. در هرگروه تمام عناصر دارای CIV های مشابه باهم اند.

در مجاورت یک جریان همسوی با میدان، نیروی E × B موجب رانش شعاعی یون ها و الکترون ها به سمت محور مرکزی مناطق سردتر می شود. به دلیل CIV های متفاوت آن ها، یون های مختلف در شعاع های مختلف در حالیکه به سمت مرکز حرکت می کنند و به تدریج وارد مناطق سردتر می شوند،بازترکیب خواهند شد.

این فرآیند که به عنوان انتقال گرمای مارکلاند شناخته شده، به افتخار گوران مارکلاند، فیزیکدان سوئدی، که کاشف این فرایند است، مارکلاند نامگذاری شده است.

انتقال گرمای مارکلاند و مرتب سازی در یک جریان مغناطیسی باریک شده

نتیجه ی اساسی این است که، انتقال گرمای مارکلاند، تمامی عناصر حاضر در مکان را بر اساس پتانسیل یونیزاسیونشان در گروه های مختلف طبقه بندی می کند. گروه هایی ازعناصر، در پوسته های استوانه ای شکل با شعاع های متفاوت، در یک جریان هم تراز میدان استوانه ای مرتب شده اند.

از آنجایی که هیدروژن به نسبت عناصر دیگر دارای بالاترین CIV می باشد، اول از همه، دریک پوسته ی استوانه ای که شعاع آن از پوسته های عناصر دیگر بزرگتر است، بازترکیب می شود.

این نوع از دسته بندیهای الکتریکی ممکن است مسئول توزیع غیرتصادفی برخی از عناصری باشد که ما در جهان هستی مشاهده می کنیم. مخصوصا، ممکن است فزونی هیدروژن خنثی را در ساختار های ریسمان مانند، که در سراسر کهکشان توسط تلسکوپ های رادیویی مشخص شده است را توضیح دهد.

آیا این عکس سحابی عقاب که توسط تلسکوپ فضایی هابل گرفته شده است می تواند تصویری از موقعیت باریک شده ی مغناطیس کیهانی و حاصل یک پلاسمای غباری (گردو خاکی) که توسط محیط هیدروژن- هلیوم احاطه شده است، باشد؟

پایان فصل ششم

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/12/06/essential-guide-to-the-eu-chapter-6/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

رنگ سرخ شفق زحل ویژگی پلاسما هیدروژن یونیزه شده می باشد .  که در زحل به وسیله ی تعادل رشته های بیرکلند و جریان ذرات باردار بین سیاره ای و تعاملات بادهای خورشیدی با میدان مغناطیسی این سیاره و نواحی قطبهای آن ساخته شده است.لایه های دوگانه با جریانهای رشته ای و جریانهای سطحی همراه میشوند و میدان مغناطیسی آنها به یونها و الکترونها شتاب می دهد. اعتبار تصویر: ویکی پدیا J.Trauger (JPL),  ناسا، تلسکوپ فضایی هابل

۱٫۵- پتانسیل و دمای پلاسما

مشاهده کردیم که دما معیاری برای اندازه گیری انرژی حرارتی ذرات یک ماده است .به طور خاصتر دما معیار اندازه گیری انرژی جنبشی درحرکات حرارتی تصادفی ذرات است.

یک الکترون (به طور تقریبی)فقط  ۱۸۴۰/۱از جرم یک پروتون جرم دارد، ،پس الکترونها سرعتهای خیلی بیشتری نسبت به یونها در دمای یکسان خواهند داشت. زیرا انرژی جنبشی با جرم ذره و مجذور سرعت آن متناسب است.  K.E. = 1/2 mv²از این رو نسبت سرعت با معکوس جذر جرم ذرات، در دمای یکسان، متناسب خواهد بود.

برای مثال، سرعت متوسط الکترون در حدود ۴۳ بار ((i.e., √۱۸۴۰ بیشتر از سرعت یک پروتون است. اگر یونهای مثبت در پلاسما از یک پروتون تک سنگینتر باشند، بر همین اساس تفاوت سرعتهایشان بیشتر خواهد شد.

به علاوه، بر طبق اصل پایستگی اندازه حرکت، الکترون تمایل دارد که در انرژی جنبشی خود نسبت به یونی که در برخورد بین دو ذره تغییر انرژی دارد، متحمل تغییر بزرگتری شود.

نتیجه سرعت بالاتر الکترونها در برهم کنشهای سریع، به معنی این است که الکترونها در بین خودشان خیلی سریعتر از یونها به تعادل ترمودینامیکی (در دمای یکسان) می رسند. هر افزایشی در انرژی جنبشی، چه از طریق برخورد یا دریافت انرژی خارجی، خیلی به سرعت بین الکترونها تقسیم می شود.

با توجه به این علل، تفاوت دمای الکترون با دمای یون عادی است. اغلب دمای الکترون نسبت به یون یا دمای محیط، بیشتر خواهد بود. این خصوصا در پلاسماهای یونیزه شده ضعیف جایی که یونها بیشتر نزدیک دمای محیط اند معمول است، در صورتی که الکترونهایی که با سرعت بیشتری حرکت میکنند، دمای بیشتری دارند.

در پلاسما دما اغلب به عنوان پتانسیل حرارتی بیان می شود که با افت پتانسیل (تغییر در ولتاژ) معادل است که میان ذرات باید سقوط کند تا همان مقدار انرژی را بدست بیاورد پس از آن انرژی جنبشی میتواند با الکترون ولت eV نمایش داده شود.

هر چه پلاسما داغتر باشد، الکترونها و یونها با سرعت بیشتری در حرکت حرارتی تصادفی حرکت می کنند و همچنین پتانسیل بالاتری دارند. پتانسیل یک الکترون ولت معادل دمای ۱۱۶۰۶٫۵ کلوین است. ذرات با قدر و اندازه ی بالاتری از پتانسیل در فضا هستند.

سرعت بالای الکترونها به ویژه در فهم جنبه های زیادی از رفتار پلاسما، شامل کهکشانهای رادیویی، جتهای ستاره وار و عظیم کهکشانی، و تولید تابش سینکروتون و اشعه های کیهانی مهم است.

۲٫۵- گسترش سطح غلافها

اگر لوله ی آزمایشگاه یا لوله ای دیگر محتوی پلاسما باشد، الکترونها و یونهایش با دیواره های لوله با فرکانسی متناسب با سرعتشان برخورد خواهند کرد و در برخورد، ذرات جذب دیواره ها می‌شوند.

الکترونها سرعت بیشتری نسبت به یونها دارند، تعداد برخورد الکترونها نیز نسبت به تعداد برخورد یونها بیشتر خواهد بود. در نتیجه دیواره لوله بار منفی خواهد گرفت.

هر بار که بار منفی روی سطح زیاد میشود، الکترونهای وارد شده تمایل دارند که از طرف سطح دفع شوند. فقط آن الکترونهایی که سرعت مناسبی برای غلبه بر دافعه ی اعمال شده از طرف سطح را داشته باشندمی توانند با سطح برخورد داشته باشند. بار منفی سطح تا زمانی افزایش پیدا خواهد کرد که تعداد الکترونهای ضربه زننده به سطح با تعداد یونهای مثبت وارد شده یکی شود. پلاسما و سطح به تعادل یا حالت پایدار و یکنواخت خواهند رسید.

در حالت تعادل، فقط پر سرعتترین الکترونها میتوانند از میان شیب منفی پتانسیل ( منفی گرادیان پتانسیل) از سطح بگذرند. بیشتر الکترونها از نزدیک شدن به سطح بازداشته خواهند شد. این نتایج در لایه پلاسما نزدیک سطح در جایی که تعداد یونها بیشتر از الکترونهاست بدست میاید. این لایه های مثبت به اسم “غلاف دبای” شناخته شده اند.

اثر مشابه در سطحی که با اتصال به منبع پتانسیل (مثل باتری) باردار شده است، دیده میشود.بارهای سطحی بارهای مشابه را دفع میکنند در پلاسما، و آنها را به سمت یک پوشش با بار متضاد، به عقب میرانند.

۵٫۳- وسعت یک غلاف

سطح غلاف، مرز فیزیکی قطعی و روشنی ندارد ولی می تواند انتهای جایی که  پتانسیل منفی سطح و مثبت غلاف بر هم اثر می کنند فرض شود، که پتانسیل خود پلاسما به تعادل برسد. به عبارت دیگر، مرز غلاف جایی است که پتانسیل فقط به قدر مناسب برای مقابله ی الکترونها با انرژی معادل پتانسیل پلاسما ست.

برای مثال اگر پتانسیل پلاسما ۱V+ باشد، پس مرز اسمی پتانسیل -۱ V  خواهد داشت. توضیحات به این شرح است : مرز ، پتانسیل منفی دارد چون غلاف باید الکترونها ی برخوردکننده را دفع کند. الکترونها در پلاسما انرژی جنبشی ۱eV دارند. بنابراین، غلاف برای جلوگیری از رسیدن الکترونهای برخوردکننده به سطح، پتانسیل -۱V لازم دارد.

این درست مثل غلتاندن یک توپ به بالای یک تپه است. اگر توپ انرژی جنبشی کافی داشته باشد، به قله خواهد رسید و اگر نداشته باشد، توپ قسمتی از مسیر را خواهد پیمود و بعد از یک توقف دوباره به سمت پایین میغلتد. پتانسیل غلاف نظیر ارتفاع تپه است.

دیده میشود که غلاف لبه‌ی “سخت و محکمی” ندارد و در حقیقت میدان پتانسیل از سطح منفی به وجود میاید و تا بعد از مرز غلاف ادامه دارد. با این حال، ممکن است مرز به عنوان نقطه ای که در آن قسمت سطح منفی به طور موثر به وسیله غلاف خنثی شده باشد، در نظر گرفته شود چون الکترونها با پتانسیل پلاسما در همان نقطه در پلاسما “منعکس” میشوند.

شیمیدان آمریکایی دارنده جایزه نوبل، ایروینگ لانگمویر، متدهای اندازه گیری و مشاهدات در مورد فعالیتهای پلاسما را گسترش داد.

۴٫۵- اجسام باردار در پلاسما

غلافهای مشابه در اطراف هر جسم باردار در پلاسما ، جایی که پتانسیل جسم با خود پلاسما متفاوت است، شکل میگیرند . پلاسما از طریق تشکیل یک پوشش دور جسم خارجی، آنرا ایزوله میکند. همان طور که یک غلاف تمایل برای منزوی کردن سطح با بار منفی دارد، تمایل خواهد داشت که سدی برای میدان الکترواستاتیک در برابر بارهای بیگانه و خارجی نیزایجاد کند. سرانجام جسم باردار با جذب بار نا هم نام خنثی خواهد شد.

اگر به جسم باردار به طور مصنوعی بار مثبت یا منفی از یک منبع خارجی مثل باتری، بسته به نوع بار، یون یا الکترون داده شود، جذب جسم خواهد شد و جریان عبور خواهد کرد. با محاسبه دقیق محدوده ولتاژ جریان، اندازه گیری پتانسیل پلاسما نیزبه خودی خود ممکن می شود. یک دستگاه مانند کاوشگر لانگمویر را که به نام خود ایروینگ لانگمویر (۱۸۸۱-۱۹۵۷) نام گذاری کردند.

جریان از بادهای خورشیدی میتواند در سیارات با میدان مغناطیسی دیده شود که دارای “قله” قطبی یا “حفره” اند که ذرات بارداررا به سمت پایین و وسط جسم هدایت می کند، شفق های قطبی و نور قرمز تولید شده در اتمسفر فوقانی اینگونه تولید میشود.

در این عکس ناسا که با نور فرابنفش گرفته شده، در یک زمان نیم ساعته، سپری شدن سیر تکاملی شفق بیضی گون، دیده میشود. (رنگ غیر واقعی)

در مقیاس کوچکتر، تعدادی از قمرهای سیاره ای در مدار انباشته از پلاسما ، با ذرات بارداری که از نواحی قطبی قمرها در امتداد خطوط میدان مغناطیسی و از “نقاط داغ” که در بیضی شفق سیارات بزرگتر میباشد، گردش می کنند. مثل گانیمید ، اروپا (یکی از اقمار مشتری) Io در مشتری، انسلادوس در زحل و احتمالا اورانوس و نپتون نیزازین دست اقمار هستند.

میدان Io مشتری با جریان قطبی یا “لوله های فلوی مغناطیسی” همراستاست

زحل و اتصال قطب الکتریکی قطب آن به انسلادوس. اندازه گیری سطح مقطع جریان

۵٫۵- تشکیل سلول در پلاسما

اثر مشابهی نیز بین دو ناحیه ی نزدیک پلاسما با خصوصیات متفاوت اتفاق می افتد. مثلا دو ناحیه ممکن است دما، چگالی، یا درجه یونیزاسیون متفاوتی داشته باشند. در این حالت، توزیع سرعت های مختلف در این دو منطقه غلاف دوگانه ای در مرز تشکیل خواهد داد که به موجب آن هر ناحیه خودش را از دیگری جدا می کند.

غلاف دوگانه شامل لایه های نازک نزدیک به هم با بار مثبت و منفی است که به وسیله فاصله نسبتا کمی از هم جدا شده اند. این یک نوعی از لایه های دوگانه است. چون هیچ جریان خارجی در گیر نیست، غلافها بین ناحیه های مختلف پلاسما به اسم لایه های دوگانه بدون جریان (CFDL) شناخته شده شده اند. لایه های دوگانه و غلافها پدیده های مشهوری در دینامیک پلاسما اند که در کتابهای درسی شرح داده شده و بهترین توصیف آن در ویکی پدیا، بررسی معادله Vlasov-Poisson است:

“در کل توزیع پلاسما در نزدیکی لایه های دوگانه لزوما غیر ماکسولی هستند. از این رو غیر قابل دسترس به مدل های سیال اند. برای تحلیل کردن کلیت لایه های دوگانه، پلاسما باید با استفاده از تابع توزیع ذرات که تعداد ذرات نوع α که سرعتی در حدود v دارند و در نزدیکی مکان x و زمان t واقع اند را توضیح می دهد، توصیف شود.”

“ توزیع ماکسول-بولتزمن، از ویکی پدیا: توزیع ماکسول-بولتزمن برای گازهای ایده ال نزدیک به تعادل ترمودینامیکی با اثر کوانتومی ناچیز و سرعت های غیر نسبیتی اعمال میشود.این توزیع، تئوری جنبشی گازها را شکل میدهد که خیلی از خواص بنیادی گازها، شامل فشار و پراکندگی را توضیح می دهد.”

اهمیت مرجع فوق به این دلیل است که معادلات قراردادی هیدرودینامیک و مغناطیسی (MHD) جریان سیال برای توصیف ریاضی دقیق و کامل و منطقی از دینامیک پلاسما کافی نست. در نتیجه متدهای محاسباتی به نام ذرات در سلول (PIC) شبیه سازی شده، برای مدل سازی پلاسما در سیستم های عظیم کامپیوتری موازی (رایانش موازی) در سال ۱۹۸۰، توسه یافت.

۶٫۵- شکل گیری لایه های دوگانه ی بدون جریان (CFDL  )

دیدیم که CFDL  ها بین ناحیه های پلاسما با مشخصه های گوناگون شکل میگیرند. به عنوان مثال، اثر تفاوت دما را در نظر میگیریم (در الکترون ولت- رجوع شود به قسمت ۱٫۵)

این باعث ایجاد شدن یک میدان الکتریکی می شود، که به الکترون ها در جهت برگشت به منطقه ی گرمتر شتاب خواهد داد. یک جریان خالص از الکترون ها به سمت منطقه ی سرد تا ساخته شدن میدان الکتریکی ادامه خواهد داشت، تا بین تعداد الکترون های منطقه گرمتر که به سمت منطقه سردتر حرکت می کنند و تعداد الکترون هایی که به وسیله ی میدان الکتریکی در جهت برگشت به ناحیه ی گرم شتابدار شده اند تعادل برقرار شود.

نواحی نازک نزدیک مرز، شامل یون ها یا الکترون های اضافی، یک لایه ی دوگانه در مرز تشکیل می دهند ،که دارای یک میدان الکتریکی و افت پتانیسل پیوسته بر روی آن است.

تشکیل غلاف ها در مرزها بین مناطق مختلف پلاسما سلول هایی از پلاسما درست می کند. این عمل تشکیل سلول (cellularization) تعریف مشخصه ای از رفتار پلاسما ست یکی از دلایلی که نمی توان قانون گازها را برای پلاسما به کار برد، این است که؛ گازها به این شکل رفتار نمیکنند.

عکس لایه های دوگانه از “مروری بر لایه های دوگانه ” موسسه رویال سوئد Lars P. Block استکهلم، فیزیک نجومی و علوم فضایی، جولای ۱۹۷۷

“در فیزیک لایه های دوگانه ی نسبیتی”، گروه فیزیک پلاسما، موسسه رویال فناوری، استکهلم، فیزیک نجومی و علوم فضایی، ۱۹۸۲٫

۵٫۷- شباهت به مکانیک سیالات

در نگاه اول، لایه های دوگانه (DL ) چیزی شبیه موج ضربه ای در دینامیک سیالات ( یا همان هیدرودینامیک ) به نظر می رسند. در حقیقت یک لایه ی دوگانه ویژگی های مشترکی بایک موج ضربه ای دارد، که در آن، نواحی با مشخصه های مختلف از هم  جدا شده اند و در راستای شتاب دادن به محیط عمل میکنند.

هر چند در مورد DL  ها شتاب در نتیجه ی میدان الکتریکی قوی که بین دو لایه با بارهای متضاد وجود دارد، ایجاد می شود. چون نیروی میدان الکتریکی به بار ذرات بستگی دارد، یون ها و الکترون ها در مسیر های معکوس شتاب می گیرند. ذرات خنثی به هیچ وجه به وسیله ی میدان الکتریکی شتاب دار نمی شوند ولی ممکن است از طریق اثرات چسبناک و یا اثرات دیگر آهسته به دنبال ذرات دیگر کشیده شوند.

توجه کنید که تشکیل لایه های دوگانه نمی تواند به طور موثر به وسیله ی تجزیه سیال، مثل تولید الکتریسیته به وسیله ی حرکت سیالات در میدان مغناطیسی(MHD) شکل بگیرد، زیرا این وابسته و ناشی از حرکات جداگانه ی ذرات است، و ناشی از حرکت بخش عمده ای از پلاسما نیست.

همانطور که خواهیم دید، لایه های دوتایی یکی از مهمترین ویژگی های خودسازماندهی پلاسما ی کیهانی است.

تصویر اقتباس شده از منابع فوق برای نشان دادن روابط شارژ و پتانسیل میدان الکتریکی در یک  DL، J. Johnson ، ۲۰۱۱٫

مقدمه ی کلی در مورد فیزیک پلاسما در ویکی پدیا شامل خواص، پدیده ها و مدل های ریاضی می باشد. مقالات ویکی پدیا اغلب مقالات خوبی هستند ولی مثل تمام چیز های دیگر می تواند گاهی غیر فابل اعتماد یا نا کامل و یا ویرایش شده با اهداف سود دار باشند. پس همیشه با احتیاط و توجه مقالات ویکی پدیا و منابع دیگر را ارزیابی کنید.

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/12/03/essential-guide-to-the-eu-chapter-5/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد