از دیدگاه فیزیک هسته ای، سحابی سیاره ای نتیجه ی مرگ ستاره ایست که ذخایر هیدروژن و هلیوم خود را به اتمام رسانده و تحت فشار گرانشی اش در خود فرو میریزد.انفجار ستاره ،هسته را از هم می گسلد و مقدار زیادی از جرم ستاره را به فضا پرتاب میکند.

از زمان کشف نخستین سحابی سیاره ای (حدود ۲۰۰سال پیش و یا کمی بیشتر) تا کنون ، این سحابی ها  دارای رفتار و ویژگی هایی بوده اند که به راحتی قابل توضیح نیستند. آنها از خود ساختار هایی حلقه  مانند مارپیچی، حباب ها، جت ها، لوب ها و برخی ویژگی های دیگر را از خود نشان می دهند. مدل استاندارد معتقد است این سحابی ها از گاز داغ تشکیل شده اند و شکل ظاهری (مورفولوژی یا ریخت شناسی) انها تحت تاثیردوعامل میباشد.اولی شوک موجی ناشی از انفجار ستاره و دومی فشار باد های ستاره ای که در میان انها می وزند .در بعضی موارد شکل سحابی را “شبه باد نما” مینامند زیرا که براثر وزش بادستاره ای قوی ،این شکل به خصوص را به خود گرفته است.

در یکی از پژوهش های دانشگاه کرنل که توسط محققان تلسکوپ فضایی هابل صورت گرفته، سحابی PN G311.0+02.4 را اینگونه توصیف میکنند”… یک جرم غیرعادی با مرکزی برجسته متمایل به بیضی که تابش میکند” و خاصیت ضعیف دوقطبی دارد.

فیزیکدانان انتظار داشتند که به دلیل اشعه ی ماورائ بنفش ساطع شده از کوتوله ی سفیدی که در مرکز ان واقع است مواد سحابی بدرخشند. ولی ،هیچ ستاره  و پرتوی فرابنفشی در انجا شناسایی نشد.

حلقه ی سحابی (پوسته ی کروی)حاوی یک جفت ستاره میباشد که حول مرکز جرمشان در حال حرکتند به طوری که هر پنج روز یکبار،یک دور کامل را طی مینمایند.این ستاره ها در حدود صد برابر درخشانتر و تقریبا سه برابر داغ تر از خورشید هستند.با اینکه این ستاره ها خیلی داغ و درخشان اند ولی مقدار تابش انها به اندازه ی کافی قدرتمند نیست که بتواند چنان انرژی ای را به سحابی منتقل کند. طبق نظر دانشمندان دانشگاه کرنل تنها پرتوهای فرابنفش گسیل شده از کوتوله ی سفید گم شده میتواند چنین درخششی را در سحابی ایجاد نماید.

نظریه ها و مدل های رایج فعلی، هنوز مکانیسم مشخصی برای سحابی ها و تابش پرانرژی انها سراغ ندارند.و هنوز چگونگی پرتاب شدن لایه های بیرونی ستاره به فضا و خارج شدن ساختارهای چندقسمتی از دو سر محور قطبی این سحابی ها را نمیدانند.دلیل این است که سحابی ها از پلاسما تشکیل شده اند و نه گازهای داغ! گاز ها از قوانین حرکت جنبشی تبعیت میکنند.به این صورت که مولکول ها در اثر انرژی گرمایی با یکدیگر برخورد مینمایند و براثرانرژی جنبشی حاصل از برخورد با ذرات پرسرعت دیگر،شتاب میگرند.

رفتار پلاسما بیشتر ازانکه از قوانین نیوتنی پیروی کند ،تابع قوانین الکتریسیته میباشد.ستاره ها در جریان های بیریکلندی که در میدان های بزرگی درون کهکشان جریان دارند شکل میگیرند.اثر پینچ بنت باعث فشرده شدن پلاسما ، مشتعل شدن ستاره و تشکیل جریان های حلقوی به دور استوای ستاره ای درون این خطوط انتقال کیهانی ،میشود.در واقع چگالی جریان الکتریکی باعث میشود که پلاسما در حلقه ها و پوسته ی سحابی ها شروع به درخشش نماید.

طبق مدل الکتریکی این سحابی از دور ساختاری شبیه ساعت شنی دارد.ستاره ی دوتایی در مرکز این سحابی صفحه ای سیال در پهنه ی استوایی سیستم ایجاد مینماید که ستاره شناسان به اشتباه انرا “باد ستاره ای”مینمامند.این احتمال وجود دارد که جریان های بیریکلند درون این دیسک گازی  به دور ستاره ی دوتایی در مناطقی که چگالی بسیار بیشتری دارد ،حرکت نماید و باعث درخشش ان به شکل حلقه ای درخشان شود. مانند تابش نورافکن روی ابرها در اسمان .همان طور که مشاهدات تایید می نمایند، این حلقه بر اثر تابش پرتوهای فرابنفش نمیدرخشد.

از انجا که پلاسما در تجربیات ازمایشگاهی به صورت ساختارهای سلولی که توسط دیواره های نازکی از لایه هایی با بار مخالف (لایه های دوتایی )ازهم جدا میشوند، محتمل است که چنین اتفاقی نیز در سحابی ها رخ بدهد.

هانس الفون در کتاب خود مینویسد:فضا در حالت کلی ساختار سلول مانندی دارد و همچنین مشاهده ی مستقیم این دیواره ی سلولی(صفحه ی سیال)تا زمانی که فضاپیمایی به درون ان نفوذ ننماید،نیز ناممکن است. این بدین معناست که ما نمیتوانیم امیدوار باشیم که این دیواره ی سلولی را مستقیما شناسایی کنیم و یا اندازه ی انرا تخمین بزنیم.نتیجه گیری کلی در مورد  ساختاری که نمیتوانیم به طور مستقیم شناسایی کنیم نیز،امری ناخوشایند است.اما در عوض نتیجه ای که از روی فرضیات میتوان گرفت این است که ،پلاسما در مناطق بسیار دورتر دارای خواصی ست که به شدت با ان چیزی که در اطراف خود میبینیم متفاوت است.(هانس الفون،پلاسمای کیهانی،فصل دوم،جریان های الکتریکی در پلاسمای فضایی)

همچنین پروفسور دونالد اسکات در کتاب خود به نام اسمان الکتریکی این موضوع را به روشنی بیان میکند ، که یک سحابی سیاره ای از بارهای اضافه الکتریکی در یک ستاره تاثیر میپذیرند- یک ستاره ی عادی از فشار های غیر عادی الکتریکی تاثیر می پذیرد و فعال می باشد .ساختار های رشته ای ،حلقوی و سلولی مشاهده شده،همگی از ویژگی های رفتار پلاسما هستند.

استفان اسمیت

مترجم: فاطمه طهماسبی

درباره تصویر:

Conventional understanding of planetary nebula PN G311.0+02.4 evolution. Credit: NASA/Hubble Space Telescope

Cellular Plasmas

Translator: Fatemeh Tahmasebi

]]> http://persiantbolts.com/%d9%be%d9%84%d8%a7%d8%b3%d9%85%d8%a7%db%8c-%d8%b3%d9%84%d9%88%d9%84%db%8c/feed/ 0 http://persiantbolts.com/%d8%a7%d9%86%d9%81%d8%ac%d8%a7%d8%b1-%d9%84%d8%a7%db%8c%d9%87-%d9%87%d8%a7%db%8c-%d8%af%d9%88%d8%aa%d8%a7%db%8c%db%8c-%d8%af%d8%b1-%d9%81%d8%b6%d8%a7/ http://persiantbolts.com/%d8%a7%d9%86%d9%81%d8%ac%d8%a7%d8%b1-%d9%84%d8%a7%db%8c%d9%87-%d9%87%d8%a7%db%8c-%d8%af%d9%88%d8%aa%d8%a7%db%8c%db%8c-%d8%af%d8%b1-%d9%81%d8%b6%d8%a7/#comments Fri, 17 Jun 2016 21:02:29 +0000 http://persiantbolts.com/?p=744 ممکن است، انفجارات پرتوهای گاما خیلی از ما دور نباشند.

اخترفیزیکدانان انفجار پرتوی گاما را ، “ادغام ستاره های نوترونی” و یا تابش نور اشعه ی گامای حاصل از انفجارهای ابرنواختری توصیف می کنند. طبق مشاهدات “تلسکوپ هشدار انفجار” متعلق  به “ماهواره ی سوایفت” پرتوی گامایی آشکارسازی شده که این پرتو به به قدری شدید است که توسط هر نظاره گری که دقیقا به آن نقطه در آسمان نگاه میکرد، حتی بدون تلسکوپ، قابل رویت بوده است. با این وجود، محاسبات نشان می دهد که این پرتو،هفت میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد .

نوع خاصی از ابرنواختران هستند که پرتوی گاما از خود منتشر میکنند .طبق فرضیات اخترفیزیکدانان این ابر نوختران در ستاره هایی که جرمی چندین برابر جرم خورشید دارند روی می دهد.  مانند میدان گرانشی بسیار شدیدی که بقایا ی یک ابرنواختر را به سیاهچاله تبدیل می کند.با صرف نظر از این پروسه ،هنوز چگونگی انفجار ابرنواختر و فروپاشی آن به یک سیاهچاله و تولید انفجار پرتوی گاما مشخص نمی باشد.

اندازه ی تخمین زده شده برای پرتوی گاما به فاصله ی آن از ما بستگی دارد . و این در مورد انفجار پرتوی گاما چگونه است ؟ اولین انفجارات پرتوهای گاما در کهکشان هایی با انتقال به سرخ های زیاد مشاهده شدند.کهکشان هایی که به نظر می رسید نزدیک به دوازده میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند.اگر این کهکشان به همان میزان که به نظر میرسد از ما دور باشند ، انرژی مشاهده شده از فلشهای پرتوی گامای ساطع شده از انها فراتر از هر ابرنواختری می باشد. بنابراین ،یک  نهاد فرضی کیهانی به نام هایپرنوا را اختراع نمودند تا نجات دهنده ی نظریه ی انتقال به سرخ و فاصله ی اجرام کیهانی از ما باشد.

در نظریه ی جهان الکتریک این پرتوهای کیهانی با روش دیگری شتاب می گیرند : لایه های دوتایی. لایه ی دوتایی پلاسما در سال  ۱۹۲۹ توسط پیشرو و برنده ی جایزه ی نوبل ،ادوین لانگمویر ، معرفی شد. لایه ی دوتایی پلاسما زمانی که الکتریسته به درون پلاسما جریان پیدا کند شکل میگیرد .یکی دیگر از برندگان جایزه ی نوبل ،هانس آلفون،لایه دوتایی را به عنوان “شکلی از پلاسماست که اگر بخواهیم ملموس تر و فیزیکی تر آن را معنا کنیم همچون دیوار سلولی در زیست شناسی  که خود را از محیط اطراف حفظ می نماید، است.”

الکس دسلر ، فیزیکدان پلاسما مینویسد:در سال ۱۹۵۶ با باور های عمیقی وارد عرصه ی فیزیک فضا شده بودم.به عنوان مثال:فکر میکردم که میدان الکتریکی در پلاسمایی با چگالی بالا در فضا نمیتواند وجود داشته باشد.حدود سه سال بعد بود که با مطالعه ی عینی کار های الفون ،  توسط “اس چاندراسخار” شرمسار شدم. میزان تعجب و شگفتی من از یافتن درستی کار آلفون و ناحق بودن منتقدانش غیر قابل وصف بود. من متوجه شدم که مکانیزم قدرت پرتو های کیهانی اساسا منطبق بر مکانیزم معروفی ست که توسط فرمی در سال ۱۹۴۹ و همچنین پیش تر از آن توسط آلفون مطرح شده است. نقل قول از کتاب آنتونی پرات به نام “ریش سفید مخالفان پلاسما” ،واشنگتن تایمز،ضمیمه:جهان و من .(می ۱۹۸۸)

توضیح دیگر در بیان شدت انفجارات پرتوی گاما این است که انتقال به سرخ در واقع معیار مناسبی برای تعیین فاصله نمی باشد و انفجار پرتوهای گاما در کهکشان های نزدیک و در همسایگی ما هم اتفاق می افتد. به همین ترتیب ،انفجار پرتوی گاما به طرز غیرقابل تصوری قدرتمند نیستند و درد زایش یک سیاهچاله نمیباشند.

اگر این پرتو های گاما در نزدیکی ما واقع شده اند بنابراین انرژی کمتری دارند و تخلیه ی الکتریکی پلاسما در قالب انفجار لایه ی دوتایی می تواند باعث انفجار اشعه ی گاما شود. دقیقا به همان صورتی که در تجربیات آزمایشگاهی مشاهده شده است . پس به جای پدیده های ریاضیاتی همچون سیاهچاله ها ، ستاره های نوترونی و هایپرنوا ها چرا روی فرضیات واقعی و قابل آزمایش و کار با مدل های فیزیکی و واقعی تکیه نکنیم؟

کیهان شناسی استاندارد سعی دارد که هر طور شده مدل های خود را  با مشاهدات انطباق دهد. اشعه ی ایکس حاصل از برانگیختگی یون ها، طیف وسیعی از منحنی های نوری و بعضی وقت ها پرتوهای گاما از خواص رعد و برق هستند. شبیه سازی های کامپیوتری نشان میدهد که رفتار پلاسما در مقیاس های مختلف چه در اتم هاو چه در کهکشان ها یکسان می باشند. شاید انفجارات ناگهانی پرتو های گاما رعد و برق های کیهانی در ابر های بسیار وسیع و الکتریکی پلاسما هستند.

استفان اسمیت

ترجمه: شادی طهماسبی

Double Layer Busters

Translator: Shadi Tahmasebi

برای مطالعه بیش تر می توانید فصل غلاف های پلاسما و لایه های دوتایی از کتاب راهنمای ضروری جهان الکتریکی که توسط اعضای بخش فارسی پروژه آذرخش به فارسی ترجمه شده است، مطالعه نمایید.

هرگونه استفاده از این اثر تنها با ذکر نام بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش آزاد می باشد.

“سیاه چاله ها یعنی آنجا که خداوند بر صفر تقسیم شده است.”

ـــ استفان رایت

جت های اشعه ایکس درمراکز کهکشانی توسط میدان های الکتریکی شتاب میگیرند. در یکی از مقالات منتشر شده توسط رصد خانه اشعه ایکس چاندرا بیان شده است که باد های قدرتمندی از هسته یNGC 1068 خارج میشوند، کهکشانی در صورت فلکی نهنگ که گفته می شود حدود ۵۰ میلیون سال نوری با ما فاصله دارد. منشا این بادها میبایست یک سیاه چاله ابر پرجرم معمولی باشد که گازهای داغ شتاب گرفته از افق رویداد آن هستند که گرانش توانایی مهار این گاز های داغ را ندارد که گفته می شود این گاز ها توسط انفجار های اشعه ایکس سیاهچاله ی ابر پرجرم حرارت می یابند که با سرعت متوسط ۱٫۶ میلیون کیلومتر بر ساعت ساطع می شوند.

در تصویر بالا  نتایج بدست آمده از چاندرا با مشاهدات تلسکوپ هابل ترکیب شده تا تفاوت دمایی بین کهکشان و جت اشعه ایکس را نشان دهد. این گاز ها دارای دمای طیفی بیش از  ۱۰۰۰۰۰ درجه سلسیوس بوده  که ۲۰ برابر داغتر از سطح خورشید می باشد. بیان اینکه این گازها انقدر درون سیاه چاله میماند تا اینکه اشعه ایکس از خود ساطع کنند مبین وجود اشتباه در اطلاعات و یافته هایمان می باشد. زیرا هیچ گازی نمیتواند در چنین دمایی وجود داشته باشد چرا که در این صورت الکترون از هسته کنده شده و تبدیل به ماده ای میشود که جهان از ان ساخته شده است: پلاسما.

اشعه های ایکس  صرف نظر از منبع و قدرتشان در میدان های گرانشی  به وجود نمی آیند.بلکه به دلیل شتاب گرفتن ذرات باردار (پلاسما) درون جریان های الکتریکی مارپیچی حاصل از میدان های مغناطیسی به وجود می آیند که طیف وسیعی از تابش های اشعه ایکس، ماورا بنفش و گاهی هم اشعه گاما را شامل می شود.

در جریان های کهکشانی انرژی الکتریکی دربازو های مارپیچی حرکت می کند و درپلاسموئید مرکزی کهکشان متمرکز و ذخیره می شود. هنگامی که پلاسموئید به چگالی جریان خود رسید تخلیه الکتریکی صورت می گیرد، که غالبا به صورت جت های پلاسمایی در امتداد محورچرخش کهکشان منتشر می شوند. آزمایش های تجربی این پدیده را با دستگاه پلاسما کانونی شبیه سازی کرده است.

نیرو های الکترو مغناطیسی این جت ها را به صورت رشته های به هم چسبیده در میاورند که تا هزاران سال نوری امتداد دارند. رصد های چاندرا ازNGC 1068  نشان می دهد  که مواد خارج شده تا ۳۰۰۰ سال نوری از منبع شان امتداد می یابند، اما این محاسبات به دلیل یک عامل مهم میتواند اشتباه باشد. جت ها معمولا به لایه های دوتایی پلاسمایی ختم می شوند و تا اندازه های چند برابر کهکشان گسترش میابند و مقدار زیادی تابش در فرکانس رادیویی منتشر می کنند.سپس جریان های منتشر شده به طرف صفحه ی کهکشانی جریان می یابند و به صورت مارپیچی به طرف هسته برمی گردند.

هانس آلفون لایه های دوتایی انففجاری را به عنوان گونه ی جدیدی از اجرام سماوی شناسایی کرد. لایه های دوتایی پلاسمایی بسیاری از ساختارهای غیر معمولی که می بینیم را تشکیل می دهند. جت های کهکشانی، ساختارهای مارپیچی و ابرهای درخشان مثال هایی از جریان الکتریسیته در داخل پلاسمای غباری است که توسط جریان های بیرکلند تا چندین سال نوری امتداد خواهند یافت.

مترجم: مانی میرسعیدی

منبع:

https://www.thunderbolts.info/wp/2013/03/10/black-winds/

هرگونه کپی برداری از این متن تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” آزاد 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

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