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

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