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

در حالیکه مطالعات پلاسما ممکن است بر یک موضوع مانند تولید انرژی توسط همجوشی تمرکز کرده باشد، اما درک چگونگی عمل کرد جهان از موضوعاتی است که در انتظار دانشجویان با علاقه است.

آزمایشگاه پلاسما دانشگاه پرینستون
DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

از آنجا که خواص منحصر به فردی برای پلاسما مشاهده می گردد، معمولا آن را به عنوان یک فاز از ماده جدا از جامدات، مایعات و گازها.در نظر می گیریم، این حالت ماده اغلب با نام “حالت چهارم ماده” شناخته می شود. اگرجه در مقیاس کیهانی چون غالب حالت ماده جرم موجود در کیهان از پلاسما است،می توان گفت که پلاسما حالت اول ماده باشد.
شکل ضمیمه چگونگی تغییرات حالت ماده در اثر تغییرات حرارت را نشان می دهد. دمای بالاتر و انرژی بالاتر با انتقال به سمت بالا و پایین نشان داده شده است. اما همواره انرژی گرمایی خیلی زیادی برای یونیزه کردن لازم است، اما یک حالت یونیزه باردار غیرتعادلی می تواند در هر دمایی با روش های دیگر ایجاد شده و حفظ شود.
به عنوان مثال، یک جامد به عنوان یک کابل الکتریکی فلزی که یک دفعه در یک مدار الکتریکی با یک منبع تغذیه با اختلاف پتانسیل بالا متصل می شود نتیجه این است که الکترون ها از هسته فلزی جدا شده و آزادانه در طول سیم به عنوان جریان بار حرکت می کنند.
و یا ظرف آب با کمی نمک، مانند: سدیم کلرید، به راحتی یونیزه می شود. اگر یک ولتاژ الکتریکی را از طریق یک سیم به آن اعمال شود، اتم های هیدروژن و اکسیژن می توانند به خلاف سیم های باردار رانده شوند و به اتم های گازی در دمای اتاق برسند،مانند حالتهای پایدار و خنثی که در قسمتی از جهان الکتریکی ما وجود دارد. اما این راهنمای آموزشی بیشتر در مورد بررسی وضعیت جریان پلاسما و الکتریسیته در مقیاس بزرگتر، در فضا تمرکز خواهد کرد.
ابر مولکولی سحابی گاز سرد و گرد و غبار می تواند با تابش یک ستاره در نزدیکی اش و یا تابش کیهانی یونیزه شود، یون ها و الکترون ها که ویژگی های یک پلاسما سازمان یافته را می گیرند قادر به حفظ بار و ایجاد لایه های دوگانه جدا کننده بار و میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل خیلی زیاد هستند. این پلاسما به بارها شتاب می دهد و میزان رسانایی آن از فلزات بیش تر است. این جریان پلاسما می تواند به شکل صفحات و یا رشته های پلاسما باشد، دو ریخت شناسی که با آن می تواند پلاسما شناسایی شود. .

در پلاسما، نسبت یونها توسط درجه یونیزاسیون تعیین می شود. درجه یونیزاسیون پلاسما از کمتر ۰٫۰۱% تا ۱۰۰% می تواند تغییر کند، رفتار پلاسما به دلیل وجود ذرات باردار و جدایی بار الکتریکی به عنوان نوعی از رفتار پلاسما در سراسر این محدوده رخ خواهد داد.
گاهی اوقات پلاسما فقط به عنوان “گاز یونیزه شده” اشاره می شود. درحالی که از لحاظ فنی درست است، اما این اصطلاح ناقص و قدیمی است که برای پنهان کردن این واقعیت که پلاسما به ندرت مانند یک گاز رفتار می کند، استفاده می شود. پلاسما در فضا به سادگی منتشر نمیشود و خود را به اشکال پیچیده ای سازماندهی می کند، و تاثیرپذیری از گرانش نخواهد داشت، مگر این که نیروهای الکترومغناطیسی از گرانشی کمتر باشند. در واقع پلاسما حالتی از مواد به شکل گاز نیست، بلکه خودش به تنهایی، حالتی به نام پلاسما است!
فوران های خورشیدی از توده های عظیم ” گاز یونیزه شده” (پلاسما) که برجسته و شناخته شده است و همچنین فوران های خروجی تاج خورشیدی بر علیه جاذبه قوی خورشیدی ،  نشان دهنده این مورد ، می باشد. باد خورشیدی که از جنس پلاسما است، شامل ذرات باردار در حال حرکت می باشد که به عنوان جریان های الکتریکی شناخته می شود. این پدیده نه یک سیال است، نه یک باد و نه یک گاز داغ، که آن را در شرایط ساده تعبیر کنیم. باید با استفاده ار کلمات دیگری به جز دینامیک سیالات واقعیت پیچیده جریان های الکتریکی و پدیده های پلاسما که قدرتمند تر از گرانش هستند را نشان دهیم، واقعیتی که شامل پدیده های پلاسما و جریان های الکتریکی درون فضا در فواصل دوری که ما میتوانیم رصد کنیم می باشد.

انتقال جرم تاج خورشید باعث تخلیه میلیاردها تن پلاسما به محیط بین سیاره ای میشود. خورشید به اندازه حلقه سفید در صفحه ی مستتر است، تصویر فضاپیمای SOHO

۲٫۳یونیزاسیون
ما می دانیم که فضا از میدانهای مختلف و مجموعه ای از ذرات متنوع ،که بسیاری از آنها باردار اند، در مقیاس های اتمی تا سیاره ای و ستاره ای و کهکشانی پر شده است. ذرات خنثی (اتم ها و مولکول هایی که تعداد پروتون و الکترون یکسان دارند(پادماده در این بحث در نظر گرفته نمی شود)، به وسیله بار مخالفشان شکل می گیرند و در مقابل، ذرات باردار طی عملی به اسم یونیزاسیون از اتم ها و مولکولها تشکیل می شوند.

اگر یک الکترون –که دارای یک بار منفی است- از یک اتم جدا شود، اتم با بار مثبت باقی خواهد ماند و الکترون جدا شده و اتم باقی مانده از یکدیگر جدا می شوند. به این فرآیند، عمل یونیزاسیون می گویند  و به اتم باقی مانده با بار مثبت، یون گفته می شود. ساده ترین اتم، هیدروژن، از یک پروتون (که هسته آن است) و یک الکترون تشکیل شده است. اگر هیدروژن یونیزه شود، در نتیجه یک الکترون آزاد و یک پروتون آزاد خواهیم داشت. یک تک پروتون ساده ترین نوع یون می باشد.

اگر اتم سنگین تر از هیدروژن یونیزه شود، می تواند یک یا تعداد بیشتری الکترون از دست بدهد. بار مثبت یون با تعداد الکترونهای کنده شده برابر است. یونیزاسیون می تواند برای مولکول ها نیز اتفاق بیوفتد و یا همچنین با اضافه کردن الکترون به اتم یا مولکول خنثی رخ دهد که باعث به وجود آمدن یون منفی می شود. ذرات گرد و غبار در فضا غالبا باردار هستند و امروزه مطالعه ی فیزیک پلاسمای این گرد و غبارها موضوع تحقیق در بسیاری از دانشگاه ها می باشد.
برای تبدیل اتم ها به یون بار مثبت و آزاد شدن الکترون به انرژی نیاز است. (به شکل توجه کنید)

اولین انرژی یونیزاسیون در مقابل اعداد اتمی عناصر.

۳٫۳ آغاز و بقای یونیزاسیون
انرژی آغاز و بقای یونیزاسیون می تواند ناشی از ۱-انرژی جنبشی حاصل شده از برخورد بین ذرات پر انرژی (در دمای به اندازه کافی بالا) و یا ۲- از تابش به اندازه کافی شدید باشد. متوسط انرژی جنبشی تصادفی ذرات به طور معمول به عنوان درجه حرارت بیان می شود، و در برخی از موارد در سرعت های بسیار بالا با واحد الکترو ولت (eV) بیان می شود.

با تقسیم دمای کلوین (K) بر عدد ۱۱۶۰۴٫۵ دمای کلوین به eV تبدیل می شود. متقابلاً با ضرب کردن مقدار eV در عدد ۱۱۶۰۴٫۵ دما بر حسب کلوین بدست خواهد آمد.

شکل، انرژی یونش مورد نیاز لایه اول، یعنی بیرونی ترین الکترون یک اتم یا مولکول را نشان می دهد. الکترونهای بعدی بیشتر به هسته مقید هستند و برای یونیزاسیون انها به انرژی بیشتری نیاز داریم. ممکن است چند سطح از الکترونها از اتم هایی که در محیطهای بسیار پر انرژی وجود دارند، مانند آن الکترونهایی که داخل و یا اطراف ستارگان و جتهای کهکشانی هستند، جدا بشوند. توجه: این پلاسما های پر انرژی از منابع مهم الکترون و یون هستند که میتوانند با سرعت بسیار زیادی شتابدار شوند، که منابعی از پرتوهای کیهانی و تابشهای سینکروترون در بسیاری از طول موجها می باشند.
برای اطلاعات بیش تر پرتوهای کیهانی متصل به ابرهای پوششی که روی آب و هوای جهان ما موثر است در کتاب The Chilling Stars هنریک سونزمارک (Henrik Svensmark) گزارش شده است.

دما معیاری است برای اینکه ذرات چه مقدار انرژی جنبشی کاتوره ای دارند که به میزان برخورد ذرات و سرعت حرکتشان وابسته است. دما روی مرتبه یونیزاسیون پلاسما تاثیر می گذارد. میدانهای الکتریکی هم ردیف و هم تراز (موازی) با میدانهای مغناطیسی محلی (با شرط این که بدون اعمال نیرو خارجی و اضافی باشند) می توانند در پلاسما شکل بگیرند. ذرات شتابدار در شرایط همترازی میدان ها تمایل دارند که به جای حرکت تصادفی به صورت موازی حرکت کنند، و به تبع آن برخورد نسبتا کمی با هم دارند. تغییر مسیر حرکت ذرات از مسیر تصادفی به حالت موازی“dethermalization” گفته می شود.

در یک برخورد بین یک الکترون و یک اتم، یونیزاسیون در صورتی اتفاق می افتد که انرژی الکترون (دمای الکترون) از انرژی یونیزاسیون اتم بزرگتر باشد. به همین ترتیب در برخورد یک الکترون با یک یون، اگر الکترون به اندازه کافی انرژی داشته باشد، الکترون و یون دوباره با هم ترکیب نمی شوند. در واقع میتوان این حالت را با زمانی که الکترون سرعتی بیش از سرعت فرار یون داشته باشد تشبیه کرد که در این وضعیت الکترون در مدار اطراف یون گیر نمی افتد.

دیاگرام ساده از آزاد شدن الکترون ، در روند یونیزه شدن اتمی خنثی

دمای الکترون در پلاسماهای فضایی می تواند به محدوده صد تا میلیونها کلوین برسد. بنابرین پلاسماها میتوانند در حفظ حالت یونیزه خود موثر باشند. در واقع حالت جدایی بارها در پلاسمای فضایی طبیعی است.

منابع دیگر انرژی یونیزاسیون شامل: ۱٫ پرتوهای کیهانی با انرژی بالا که از مناطق دیگری وارد میشوند، ۲٫ پرتوهای پر انرژی و “یونیزه کننده” مانند نور فرابنفش شدید که از ستاره نزدیک بر روی گاز یا پلاسمای ضعیف می تابد، ۳٫ برخورد بین یک منطقه پلاسما و یک منطقه از گاز خنثی که در آن سرعت نسبی برخورد فراتر از سرعت بحرانی یونیزاسیون (CIV) است (این توسط هانس آلفون Hannes Alfvé، درباره یونیزاسیون بین گاز یونیزه نشده و پلاسمای مغناطیسی شده Rev. Mod. .فیزیک، جلد ۳۲، ص ۷۱۰، ۱۹۶۰ به چاپ رسید) و یا ۴٫ فرایندهای تابشی پرانرژی که در خود پلاسما ایجاد شده، می باشند.

فرایند بسیار پر انرژی مشاهده شده در سحابی NGC 3603 : ابرغول آبی Sher 25 با حلقه حلقوی و جتهای دو قطبی، (مرکز بالا)؛ قوس و حالت تابش تخلیه پلاسما به عنوان نشر سحابی (مناطق زرد و سفید)؛ خوشه داغ و آبی- WolfRayet و ستارگان جوان نوع O، با رشته های الکتریکی و پوشش دهی در سراسر مناطق پلاسمای گرد و غباری سحابی. عکس از: Hua -W. Brandner (JPL/IPAC), E. Grebel (U. of Washington), YouChampaign),-Chou (U. of Illinois, Urbana و تلسکوپ فضایی هابل ناسا.

در کیهان شناسی بیگ بنگ این طور تصور می شود که در جهان به اندازه ایجاد شدن و باقی ماندن یون های جداشده (یون های تک) و الکترون ها ، انرژی وجود ندارد، در نتیجه این یون ها و الکترون ها نمیتوانند وجود داشته باشند. از طرف دیگر، هر زمان که یون و الکترونها در یک اتم با هم ترکیب میشوند، انرژی  آزاذ می شود. در مدل بیگ بنگ عقیده بر این است که الکترون ها و پروتون ها قبل از اتم ها ساخته شده اند، پس باید مقدار عظیمی از انرژی هنگام تشکیل اتم در جهان آزاد شده باشد. پس ممکن به نظر می رسد که اگر مدل بیگ بنگ درست باشد، این انرژی هنوز هم باید در دسترس تعداد زیادی از اتمها برای دوباره یونیزه شدن قرار بگیرد. متعاقبا این نیز ممکن به نظر می رسد که همه الکترونها و پروتونها بعد از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) به اتم ترکیب نشده اند.

لازم به ذکر است که مدل جهان الکتریکی بر مدل بیگ بنگ تکیه ندارد. مدل الکتریکی به سادگی می گوید که ما الکترونها و یونها را هر جای جهان که نگاه کنیم میابیم؛ پس آنها وجود دارند و احتمالا به تعداد زیادی هم هستند. تلسکوپ هایی که قابلیت رصد فوتونهای پر انرژی را دارند، مثل چاندرا Chandra (اشعه ایکس) ، EIT، تصویر نگارفرابنفش قوی تعبیه شده بر تلسکوپ رصد خورشید SOHO، گواه وجود منابع انرژی یونیزاسیون در نقاط دور و نزدیک کیهان می باشد. اینکه بگوییم یونهای سیار و الکترونها نمی توانند در مقیاسهای بالا وجود داشته باشند آن هم به این دلیل که انرژی کافی برای بوجود آمدن آنها در جهان وجود ندارد همانقدر اشتباه است که بگوییم کل عالم به همان دلیل نمی تواند وجود داشته باشد.
و این یکی از اختلاف منظرهای اصلی مدل جهان الکتریکی با کیهان شناسی بیگ بنگ است.
۴٫۳ تحقیقات پلاسمایی

دانشمند نوروژی کریستین بیرکلند در کنار ساخته اش تِرِلا (زمین کوچک)، گوی کوچک شبیه سازی میدان مغناطیسی پلاسما در خلا سال ۱۹۰۴

اگر چه پلاسما ممکن است در زیست کره ی زمین معمول نباشد، در رعد و برق به شکل های مختلف، شفق های قطب جنوب و شمال، جرقه های الکترسیته ساکن، جرقه های مشتعل زا، انواع شعله ها(فصل ۲, ¶۲٫۶ را ببینید)، در لوله های خلا لامپ ها، در قوس الکتریکی جوشکاری، کوره های قوس الکتریکی، تخلیه های الکتریکی، مشعل های پلاسما برای دفع زباله های سمی، لامپ های نئون و فلوئورسنت دیده می شود.

رفتار پلاسما به طور گسترده در آزمایش های آزمایشگاهی برای بیش از ۱۰۰ سال مورد مطالعه قرار گرفته است. تحقیقات منتشر شده ی زیادی به وسیله ی آزمایشگاه های مختلف و سازمان های حرفه ای،ازجمله موسسه مهندسان برق و الکترونیک(IEEE)، که امروزه بزرگترین سازمان فنی و حرفه ای در جهان است بر روی حرکت پلاسما وجود دارد،.که یک ژورنال به نام تراکنش ها در علم پلاسما منتشر می کند.

ما بر بسیاری از این تحقیقات در ادامه ی این راهنما برای شرح رفتار پلاسما تکیه خواهیم کرد.یک نکته که باید به یاد داشته باشید آن است که رفتار پلاسمایی در مقیاس های گوناگون نشان داده شده است. ما می توانیم نمونه هایی در مقیاس کوچک از پلاسما را در آزمایشگاه تست کنیم و می دانیم که نتایج قابل مشاهده را می توان به ابعاد کوچک لازم برای توضیح رفتار پلاسما در فضا تبدیل کرد.

چنبره ی خلا آزمایشگاهی پلاسما در مرکز تحقیقاتی پلاسمای دانشگاه کالیفرنیا در دست دکتر پاول بِلان : سال ۲۰۰۸ Cal Tech

۵٫۳پلاسما و گازها

به علت وجود ذرات باردار، یونها،الکترون ها وذرات گرد و غبار باردار ،پلاسما ی کیهانی ، متفاوت با گاز خنثی در حضور میدان های الکترومغناطیسی رفتار می کند.

نیروهای الکترومغناطیسی باعث می شود که ذرات باردار حرکتی متفاوت از اتم های خنثی داشته باشند. حرکت پیچیده ی پلاسما می تواند از این نوع حرکات جمعی منجر شود.

توانایی پلاسما برای تشکیل سلول ها و رشته ها در مقیاس بزرگ یک ویژگی رفتاری قابل توجه است. در واقع به علت رفتار تقریبا زنده و شباهت های پلاسمای کیهانی به پلاسمای خون است که پلاسمای کیهانی به این نام شناخته می شود.

سلولاریزاسیون پلاسما باعث دشواری در ارایه ی مدل دقیق می شود.استفاده از اصطلاح گاز یونیزه گمراه کننده است چون بیان می کند که حرکت پلاسما را می توان از رفتارگاز یا دینامیک سیالات شرایط خاص نشان داد. اما این طور و با شرایط ساده نمی توان درباره پلاسما حرفی زد.

آلفون و آرنیوس در سال ۱۹۷۳ در تکامل منظومه شمسی نوشته اند:

” به وسیله اصطلاح گاز یونیزه شده و واژه ی پلاسما تفاوت اساسی {در ارایه مدل} تاحدی نشان داده شده است ، اگرچه در واقعیت یکی هستند، ولی انتقال مفاهیم به طور کلی متفاوت است. جمله ی اول درک متعادلی به ما می دهد که اساسا شبیه گاز است، به خصوص گاز اتمسفر که ما بیشتر با آن آشنا هستیم. در مقابل این،یک پلاسما، به خصوص پلاسمای مغناطیسی به طور کامل یونیزه، یک واسطه با خواص کاملا متفاوت است.”

۶٫۳ رسانایی الکتریسیته

پلاسما شامل ذرات باردار جدا شده است که می توانند آزادانه حرکت کنند. به یاد داشته باشید که طبق تعریف، ذرات متحرک یک جریان را تشکیل می دهند، ما می توانیم ببینیم که پلاسما می تواند الکتریسیته را هدایت کند. در واقع، پلاسما شامل یون ها و الکترون های آزاد است،الکتریسیته به وسیله ی یک یا هردو نوع بار هدایت می شود.

در مقایسه،هدایت در یک فلز کاملا به علت حرکت الکترون های آزاد است چون یون ها به شبکه ی بلوری مقید هستند. این بدان معنی است که پلاسما رسانایی کارآمد تر از فلزات می باشد، همانطور که الکترون ها و یون های مشابهشان هردو در زیر نیرو های اعمال شده آزاد در نظر گرفته می شوند.

بهره وری از رسانای پلاسمایی در چراغ های فلوئورسنت فشرده که به سرعت در حال جایگزین شدن با بسیاری از رشته های فلزی در منابع نوری است. (مقاومت در برابر حرارت)

۷٫۳ مقاومت الکتریکی پلاسما

در مدل گرانشی،پلاسما اغلب برای سادگی یک رسانای کامل با مقاومت صفر فرض می شود. اما،همه ی پلاسما ها یک مقاومت کوچک غیر صفر دارند. این اساسی برای درک کامل الکتریسیته در فضا است. از آنجا که پلاسما دارای یک مقاومت کوچک غیر صفر است، قادر است که میدان های الکتریکی ضعیف را بدون اتصال کوتاه در خودش حفظ کند.

رسانای الکتریکی یک ماده توسط دو عامل تعیین می شود: تراکم جمعیت حامل های بارموجود در ماده (یون ها و الکترون ها) و میزان آزادی حرکت این حامل های بار.

در فضای پلاسما،تحرک حامل های بار بسیار بالاست زیرا به علت تراکم بسیار کم ذرات و دمای کم یونها، آن ها در برخورد بسیار کمی با ذرات دیگر قرار می گیرند. از سوی دیگر، چگالی حامل های بار موجود نیز بسیار پایین است، و ظرفیت پلاسما در حمل جریان را محدود می کند.

مقاومت الکتریکی در پلاسما که یک مقدار ناچیز غیر صفر است،که به عکس تحرک و چگالی بار ایجاد شده بستگی دارد.

از آنجا که یک میدان مغناطیسی به ذرات باردار در حال حرکت در جهت عکس میدان برای تغییر جهت نیرو وارد می کند، مقاومت در جهت عکس میدان مغناطیسی به طور موثر از مقاومت در جهت میدان مغناطیسی بسیار بالاتر است. این زمانی مهم می شود که به دنبال رفتار جریان الکتریکی در پلاسما هستیم.

اگر چه پلاسما رسانای بسیار خوبی است ولی یک رسانای کامل یا ابررسانا نیست.
۸٫۳ مبحث ایجاد اختلاف بار الکتریکی
(میدان مغناطیسی قوی مشتری، باعث ایجاد اختلاف پتانسیل و شدت جریانی شده است که میدان الکتریکی تقریبا به انداره ۲ تریلیون وات را بین خود و قمر (یو) ایجاد کرده است، در این میدان لایه های نازک یونی، حامل یون های شتاب دار دیده می شوند.)

در حجم بسیار زیاد پلاسما تمایل دارد که به مقدار مساوی بار مثبت و منفی داشته باشد، زیرا هرگونه عدم تعادل بار به آسانی توسط حرکت الکترون های پر انرژی خنثی می شود. بنابراین این سوال مطرح می شود که اگر پلاسما یک رسانای خوب است و تمایل دارد به سرعت و خود به خود خنثی شود. چگونه نواحیِ با تفاوت در بار الکتریکی وجود دارد؟

در یک مقیاس کوچک، در حدود ده ها متر در یک فضای پلاسما، تغییرات طبیعی به عنوان یک نتیجه از تغییرات تصادفی در جنبش های الکترونی رخ خواهند داد، و این پدیده یک منطقه کوچک خنثی را به صورت موقتی به وجود می آورد.

در مقیاس بزرگتر، بارهای مثبت و منفی در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی به طور خودکار تا حدی جدا می شوند، زیرا نیروهای میدان با بارهای مثبت و منفی در دو جهت مخالف هستند. این باعث می شود مناطق با بارهای مختلف پدیدار شوند و به حرکت در میدان مغناطیسی ادامه می دهند.
در نتیجه تحت تاثیر یک میدان الکتریکی، بارهای جداشده باعث بیش تر شدن شتاب یون ها و الکترون ها در جهت مخالف می شود. به عبارت دیگر، در لحظه ای که یک ناهمگونی کوچک ایجاد می شود، این ناهمگونی منجر به شروع یک رفتار پیچیده از پلاسما می شود.

علاوه بر این ها، رفتارهای پلاسما به صورت رشته ای و سلولی لایه های نازکی با بارهای جدا شده می سازد، اگرچه این لایه ها نازک هستند اما آنها می توانند در مناطق وسیعی از فضا ادامه پیدا کنند.

۹٫۳ “مسائل مهمی که باید درباره رفتار پلاسما دانست”

نکته ضروری که باید در نظر گرفت زمانی است که پلاسمای فضایی (پلاسمای موجود در فضا) اغلب کاملا بر خلاف یک گاز ، رفتار می کند.
ذرات باردار که از ویژگی های تعیین کننده پلاسما هستند در میدان های الکترومغناطیسی که خود این ذرات می توانند تولید کنند ، تحت تاثیر قرار می گیرند.
در حالت خاص، رشته ها و سلول های پلاسما ،درون پلاسما ایجاد می شوند، که به همین خاطر پلاسما نامیده می شود .
به طور کلی رفتار پلاسما کمی مانند رفتار فراکتال ها است. هر دو، سیستم های پیچیده ای هستند که از قواعد رفتاری نسبتا ساده ، منشا گرفته اند. اما برخلاف فرکتال ها در پلاسمایی که تحت تاثیر بی ثباتی باشد، رشته هایی با لایه های بیشتر و پیچیده تر اضافه خواهد شد
هر مدل نظری یا ریاضی از کیهان که دارای این پیچیدگی ها نیست، حتما در آن، قسمت مهمی از رفتار سیستم نادیده گرفته شده و یا دقت این مدل به کلی دچار اشتباه می شود.

کهکشان فعال M87 در خوشه سنبله در فاصله ۵۰۰۰ سال نوری جریان الکتریکی خود را در امتداد رشته های پلاسما (جت) بصورت گره ها و پیچ خوردگی های درخشان نشان می دهند. تصویر: تلسکوپ فضایی هابل/ناسا

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/25/essential-guide-to-the-eu-chapter-3/

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