Domingos - Trocar ideias s/ teoria do Universo Elétrico

(EG2EU) – Prefácio
Postado em 23 agosto de 2011 por David Talbott

Sobre este guia

Este guia é destinado a quem se pergunta como nosso Universo realmente funciona, e que possa estar interessado em um ponto de vista intrigante e um pouco diferente. Está o universo se expandindo cada vez mais rápido, como revistas de ciências nos diz? Será que a gravidade sozinha, a mais fraca das duas forças de longo alcance e a peça central do Modelo Padrão em astrofísica, governar os céus?

Um pequeno agrupamento de estrelas, NGC 265, na Pequena Nuvem de Magalhães, perto da nossa galáxia Via Láctea. Crédito da imagem: Agência Espacial Europeia e a NASA / Hubble

Os leitores podem se surpreender ao descobrir que muitos céticos bem treinados não apoiam ideias populares na astronomia e ciências espaciais. Os críticos duvidam que "buracos negros" realmente existam. Eles sugerem que "matéria escura", supostamente muito mais abundante do que a matéria visível, é uma mera ficção, escondendo o fato de que as teorias anteriores não funcionam mais. Teorias de formação de galáxias, o nascimento de estrelas e a evolução do nosso sistema planetário são todos postos em dúvida pelos críticos que acreditam que uma volta fatal na teoria do século 20 colocou a astronomia em um de beco sem saída.

Encantado com o papel da gravidade no cosmos, os astrônomos não conseguiram reconhecer o papel penetrante de partículas carregadas e correntes elétricas no espaço. O objetivo deste guia é esclarecer um novo ponto de vista, um que reconhece a contribuição da força elétrica para a estrutura dinâmica e maiores eventos de energia no universo. Ao comparar eventos no espaço com o comportamento de partículas carregadas em laboratório, as diferenças entre o modelo elétrico e o modelo tradicional da gravidade deve tornar-se progressivamente mais clara.

O objetivo deste Guia é apresentar e esclarecer os papéis do plasma e eletricidade no espaço. Vai descrever o que produz o comportamento único do plasma, e como eletricidade contribui para a estrutura complexa e dinâmica do universo. Ele descreve um trabalho ainda nos primeiros estágios de progresso, com a sua interpretação de observações no espaço, perto e longe, muito mais abrangente das contribuições da física da eletricidade e do plasma do que habitualmente são encontrados por escrito sobre este assunto.

Nós oferecemos o Guia Essencial para os cientistas e para o leitor leigo interessado. Para quem gosta de se aprofundar em detalhes técnicos, links para o material de maior profundidade estão incluídos, e será expandido ao longo do tempo.

Nós vamos lançar a versão preliminar do Guia no site um capítulo Thunderbolts.info de cada vez. O documento continuará a evoluir, talvez para os próximos anos, e nós convidamos contribuições de especialistas em estudos científicos abrangidos. Dada a explosão de dados a partir do espaço, ninguém que trabalha sozinho pode manter-se em dia com os resultados atuais. Por esta razão, a colaboração interdisciplinar será a chave para o sucesso deste esforço.

(EG2EU) – Introdução
Postado em 02 setembro de 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

A Nova Imagem de Espaço

Agora mais do que nunca, a exploração do nosso Universo estrelado excita a imaginação. Nunca antes teve o espaço apresentado tantos caminhos para a investigação e descoberta.

Novas ferramentas observacionais nos permitem "ver" porções formalmente invisíveis do espectro eletromagnético, e a vista é espetacular. Imagens de telescópios em raios-X, rádio, infravermelho e luz ultravioleta e revelam a estrutura exótica de eventos intensamente energéticos que redefinem continuamente a jornada como um todo.

Interpretação espectrográfica cresceu lado a lado com computadores mais rápidos, com grande capacidade de memória e em sofisticação de programas e capacidade de processamento de dados científicos, de imagem e de ampla modelagem.

Destacando-se em meio a uma avalanche de novas imagens a maior surpresa da era espacial: evidências de correntes elétricas onipresentes e campos magnéticos em todo o universo, tudo conectando e animando o que uma vez pareceu ser ilhas isoladas no espaço. Os detalhes intrincados revelados não são aleatórios, mas exibem o comportamento único de partículas carregadas no plasma sob a influência de corrente eléctrica.

O resultado revelador é um complexo de campos magnéticos e radiações eletromagnéticas associadas. Vemos os efeitos sobre e acima da superfície do Sol, no vento solar, em estruturas de plasma ao redor de planetas e luas, na estrutura requintada de nebulosas, nos jatos de alta energia de galáxias, e através das distâncias insondáveis entre as galáxias.

Graças à tecnologia do século 20, os astrônomos do século 21 vão enfrentar uma possibilidade extraordinária. A evidência sugere que as correntes intergalácticas, originadas muito além dos limites das próprias galáxias, afetam diretamente evolução galáctica. Os filamentos finos observados e radiação eletromagnética no plasma intergaláctico e interestelar são a assinatura de correntes elétricas. Mesmo o poder de acender estrelas constituintes das galáxias pode de fato ser encontrado em correntes elétricas sinuosas através do espaço galáctico.

Em uma ejeção de massa coronal (CME), as partículas carregadas são explosivamente aceleradas para longe do Sol em filamentos de transmissão, desafiando a imensa gravidade do Sol. Os campos eléctricos aceleram partículas carregadas, e nada mais do conhecimento da ciência pode conseguir o mesmo efeito. Se o Sol é o centro de um campo elétrico, quantas outras características enigmáticas deste corpo vão encontrar explicação direta? Crédito: SOHO (NASA / ESA)

Por muito tempo se pensou que somente a gravidade poderia fazer o "trabalho" ou agir de forma eficaz através de distâncias cósmicas. Mas as perspectivas em astronomia estão mudando rapidamente. Especialistas treinados na física da eletricidade e do magnetismo desenvolveram novos conhecimentos sobre as forças ativas no cosmos. Uma conclusão plausível emerge. Não só a gravidade, mas eletricidade e gravidade moldaram e continuam a moldar o universo que agora observamos.

Um pouco de história

A fundamentação teórica inicial da astronomia moderna foi lançada pela obra de Johannes Kepler e Isaac Newton nos séculos 17 e 18. Desde 1687, quando Newton primeiro explicou o movimento dos planetas com a Lei da Gravidade, a ciência tem contado com a gravidade para explicar todos os eventos de grande porte, tais como a formação de estrelas e galáxias, ou o nascimento de sistemas planetários.

Esta fundação repousava sobre o papel da gravidade observada em nosso sistema solar. A investigação sobre a natureza e o potencial de energia elétrica ainda não havia começado.

As experiências de Franklin com eletricidade ocorreram após a astronomia ter estabelecido a gravidade como a força dominante do universo. Crédito: Cortesia da foto do Benjamin Franklin Tercenary

Então, no século 19, os pioneiros da investigação - cujos os próprios nomes crepitavam com a eletricidade - Alessandro Volta (1745-1827), André Ampère (1775-1836), Michael Faraday (1791-1867), Joseph Henry (1797-1878), James Clerk Maxwell (1831-1879), e John H. Poynting (1852-1914) começaram a verificar empiricamente as "leis" que regem o magnetismo e o comportamento eletrodinâmico, e desenvolveram equações úteis para descreve-los.

Por volta do início do século 20 o pesquisador norueguês, Kristian Birkeland (1867-1917), explorou a relação entre a aurora boreal e os campos magnéticos e ele foi capaz de medir tal relação. Ele deduziu que os fluxos de elétrons do Sol eram a fonte das "Luzes do Norte" - uma conclusão confirmada em detalhes pela pesquisa moderna. Levaria pelo menos mais 70 anos antes que a frase "correntes de Birkeland" começassem a entrar léxico dos astrônomos.

Os trabalhos posteriores realizados por outros cientistas - James Jeans (1877-1946), Irving Langmuir, ganhador do Prêmio Nobel (1881-1957), Willard Bennett (1903-1987) e Hannes Alfvén, ganhador do Prêmio Nobel (1908-1995), autor de ‘Cosmic Plasma’ - continuaram a estender nossa compreensão da matéria ionizada (plasma, o quarto estado da matéria).

Na segunda metade do século 20, Anthony Peratt, colega próximo de Alfvén, publicou um livro inovador sobre o plasma no espaço, ‘Physics of the Plasma Universe’ (Física do universo do plasma), a culminação de suas experiências práticas com plasma de alta energia e simulações de supercomputadores com partícula-em-células de plasma no Laboratório de Energia do Departamento de Los Alamos no Novo México, EUA. O livro continuou a servir como um guia para os especialistas no campo.

Um novo tom na astronomia ocorreu quando engenheiros apontaram radiotelescópios para o céu e começaram a detectar algo que astrônomos não esperavam - ondas de rádio de eventos energéticos no "vazio" do espaço. Na Segunda IEEE Workshop Internacional sobre Astrofísica do Plasma e Cosmologia de 1993, Kevin Healy da National Radio Astronomy Observatory (NRAO) apresentou um documento, ‘Uma janela para o universo do plasma: The Very Large Array (VLA)’, no qual ele concluiu,

"Com o surgimento contínuo de sérias dificuldades nos "modelos padrão" da astrofísica [e] o aumento da importância da física do plasma na descrição de muitos sistemas astrofísicos, o VLA (Very Large Array) é um instrumento perfeito para proporcionar o apoio observacional para laboratório, simulação e trabalho teórico em física do plasma. Sua flexibilidade e sensibilidade sem precedentes fornecem uma riqueza de informações sobre qualquer região com emissão de rádio no universo. "

Galáxia ativa 3C31 (círculo no centro) é ofuscada pelos jatos de plasma ao longo de seu eixo polar, movendo-se a velocidades de uma grande fração da velocidade da luz. Como o potencial elétrico ao longo do imenso volume desta região ativa pode afetar a evolução desta galáxia e suas bilhões de estrelas? Crédito: Very Large Array do NRAO, e Atlas de DRAGNs Patrick Leahy

No início do século 21, Wallace Thornhill e David Talbott escreveram seu livro de colaborativo, ‘The Electric Universe’ (O Universo Elétrico), e o engenheiro elétrico e professor Donald E. Scott escreveu ‘The Electric Sky’ (O céu elétrico). Juntas, essas obras constituem a primeira introdução geral a uma nova compreensão de correntes elétricas e campos magnéticos no espaço.

Liderando o caminho em publicação técnica tem sido a Nuclear and Plasma Sciences Society (Sociedade das Ciências do Plasma e Nuclear), uma divisão do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE). Esta organização profissional é uma das maiores editoras do mundo de literatura científica e técnica.

Suportados pelos ombros dos pioneiros elétricos, Carl Fälthammar, Gerrit Verschuur, Per Carlqvist, Göran Marklund e muitos outros continuam a estender a pesquisa inovadora sobre o plasma até hoje.

Os limites da teoria da gravidade

A Lei da Gravidade, que se baseia exclusivamente nas massas dos corpos celestes e nas distâncias entre eles, funciona muito bem para explicar movimentos planetários e de satélite dentro de nosso sistema solar. Mas quando os astrónomos tentaram aplicá-la para galáxias e aglomerados de galáxias, verificou-se que cerca de 90% da massa necessária para dar conta do movimento observado estava faltando.

O problema começou em 1933 quando o astrônomo Fritz Zwicky calculou a relação massa-luz para 8 galáxias no aglomerado de Coma da constelação Coma Berenices ("cabelo de Berenices"). Na época, pensava-se que a quantidade de luz visível proveniente das estrelas deveria ser proporcional às suas massas (um conceito chamado "equilíbrio visual"). Como Zwicky foi perceber, as velocidades rápidas aparentes das galáxias, em torno de seu centro de massa comum (“baricentro”), sugeriam que muito mais massa do que podia ser visto era necessário para manter as galáxias dentro do grupamento.

Zwicky concluiu que a massa em falta deveria, portanto, ser invisível ou "dark" (escura). Outros astrônomos, como Sinclair Smith (que realizou cálculos sobre o aglomerado de Virgem em 1936) começaram a encontrar problemas semelhantes. Para piorar a situação, na década de 1970, as parcelas de velocidade radial (raio a partir do centro em relação à velocidade de rotação das estrelas) para estrelas na Via Láctea revelavam que as velocidades nivelavam em vez de abaixar, o que implica que a velocidade continua a aumentar com o raio, contrariamente ao que a Lei da Gravidade de Newton prediz para o que é observado no Sistema Solar.

Em suma, os astrônomos que usavam o modelo gravitacional foram obrigados a adicionar muito mais massa para cada galáxia do que pode ser detectado em qualquer comprimento de onda. Chamaram esta matéria extra "dark" (escura); a sua existência só pode ser inferida a partir do fracasso das previsões. Para cobrir a insuficiência eles se deram um cheque em branco, uma licença para colocar este material imaginário sempre que necessário para fazer funcionar o modelo gravitacional.

Outras conjecturas matemáticas seguiram. Hipóteses a respeito do desvio para o vermelho de objetos no espaço levaram à conclusão de que o universo está se expandindo. Então, outras especulações levaram à noção de que a expansão está se acelerando. Diante de uma situação insustentável, os astrônomos postularam um tipo completamente novo de matéria, um "algo" invisível que repele em vez de atrair. Já que Einstein tinha equiparado massa com a energia (E = mc²), este novo tipo de matéria foi interpretado como sendo uma forma de massa que age como energia pura - independentemente do fato de que se a matéria não tem massa também não pode ter energia de acordo com a equação. Os astrônomos chamaram de "energia escura", atribuindo-lhe uma capacidade de superar a própria gravidade em que todo o edifício teórico repousa.

A energia escura é pensada para ser algo como um campo elétrico, com uma diferença. Os campos elétricos são detectáveis de duas maneiras: quando eles aceleram elétrons, que emitem fótons observáveis como síncrotron e radiação Bremsstrahlung, e ao acelerar partículas carregadas como correntes elétricas que são acompanhadas por campos magnéticos, detectados através da rotação de Faraday da luz polarizada. A energia escura parece emitir nada e nada que ela supostamente faz é revelado através de um campo magnético. Uma sugestão é que alguma propriedade do espaço vazio é responsável. Mas o espaço vazio, por definição, não contém matéria e, portanto, não tem energia. O conceito de energia escura é filosoficamente insalubre e é um lembrete pungente que o modelo de só gravidade nunca chegou perto das expectativas originais para ele.

Este ponto de vista artístico do modelo padrão do Big Bang e o Universo em expansão parecem apresentar uma imagem precisa da história cósmica. Uma história muito diferente emerge à medida que aprendemos sobre os fenômenos do plasma e correntes elétricas no espaço. Crédito: NASA WMAP

Tomando a matéria escura e a energia escura postuladas juntas, algo na ordem de vinte e quatro vezes mais massa sob a forma de material invisível teria de ser adicionado à massa visível, detectável do Universo. Isso quer dizer que, no Modelo gravitacional todas as estrelas e todas as galáxias e toda a matéria entre as estrelas que podemos detectar equivalem apenas a uma minúscula quantidade de 4% da massa estimada:

X-ray Observatory Chandra estimativas do "conteúdo energético total do Universo". Só matéria "normal" pode ser detectada diretamente com telescópios. O restante da matéria "escura" e energia são invisíveis. Crédito de imagem: NASA WMAP

Críticos frequentemente apontam que uma teoria especulativa exigindo coisas, indetectáveis em tal escala também esgarça a credulidade ao ponto de ruptura. Algo muito verdadeiro, talvez até mesmo óbvio, é quase certo que falta no Modelo gravitacional padrão.

É possível que o componente faltante possa ser algo tão familiar para o mundo moderno como a eletricidade?

(EG2EU) - Capítulo 1 Distâncias no espaço
Postado em 02 setembro de 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

1.1 Distâncias até Estrelas

Quando olhamos para o céu à noite e vemos todas as estrelas, muitas das quais são sóis similares ao nosso, elas parecem razoavelmente próximas. Mas elas não estão realmente tão perto. A extensão no espaço entre elas é enorme.

Distância é uma quantidade importante e difícil de medir em astronomia. Nós temos que saber o quão perto estamos das estrelas e galáxias, porque há muito mais em astronomia que depende diretamente desta informação específica - a energia total (luminosidade) emitida, massas de movimentos orbitais, movimentos verdadeiros das estrelas através do espaço, e as suas verdadeiras dimensões físicas.

Aglomerado Starburst, foto cedida pela NASA / Telescópio Espacial Hubble

Estrelas estão tão longe que mesmo nos telescópios elas não passam de pequenos pontos de luz. Sem o conhecimento da distância, você não pode saber com precisão se você está olhando para uma pequena, mas muito brilhante estrela ou se está vendo uma estrela maior, mas menos brilhante, ou se a estrela é que está mais perto de nós. Isto também é verdade para galáxias, quasares, jatos e outros fenômenos distantes.

A distância entre os nossos olhos nos oferece a nossa percepção de profundidade. Cada olho deve se manter em um ângulo específico para centralizar um objeto. O cérebro interpreta esses ângulos e ajusta o foco do olho, dando-nos uma ideia de quão perto o objeto está e assim criando uma imagem em profundidade do mundo que nos rodeia. Esta detecção angular biológica é a base de um método de cálculo da distância chamado de paralaxe em astronomia.

Triangulação, ou paralaxe trigonométrica, é uma forma direta de usar a diferença angular medida a partir de duas posições para medir a distância de um objeto. Ao observar a posição de uma estrela em relação às estrelas de fundo a partir de lados opostos da nossa órbita em torno do Sol, temos uma linha de base ampla que nos permitirá obter uma diferença angular a partir de observações com 6 meses de intervalo e desta forma ser capaz de medir a distância até algo tão distante como uma estrela.

Diagrama de paralaxe trigonométrica cortesia do Australian Telescope Outreach e Education website

A distância média da Terra até o Sol e de cerca de 93 milhões de milhas (149,6 milhões de quilômetros), de modo que este é o raio da sua órbita quase circular. Esta distância é muitas vezes chamada de uma unidade astronômica (UA) em astronomia. Assim, a distância de um lado da órbita da Terra para o lado oposto é de 2 UA, ou cerca de 186 milhões de milhas. Quando medimos o ângulo para a estrela mais próxima (Alfa Centauro) de um lado da órbita e depois esperamos mais seis meses para medi-lo novamente, descobrimos que a diferença angular é bastante pequena, exigindo enorme precisão da medição.

A Agência Espacial Europeia (ESA) lançou o seu telescópio automatizado satélite Hipparcos para fazer medições de mais de 118.000 estrelas durante sua vida útil 1989-1993. Missão: melhorar a precisão dos locais catalogados de muitas estrelas e atualizar os catálogos Tycho e Tycho 2. Fora das paralaxes recém-medidas, 20.870 estrelas preencheram o critério de ter um erro de paralaxe estelar de 10% ou menos.

Erro de paralaxe do satélite Hipparcos impresso por Ralph Biggins, a partir de dados do catálogo ESA / Hipparcos. Note o aumento de erro percentual nos limites (cunha expandindo verticalmente), com o aumento da distância

Mesmo com os dados mais precisos do satélite Hipparcos, medições de distâncias para estrelas de cerca de 200-220 anos-luz tem até 10% de erro, e elas são cada vez menos precisas para cerca de 500 anos-luz. Além disso, medidas de paralaxe trigonométricas não devem ser consideradas confiáveis. Pogge (Prof. Richard Pogge), no link para sua Aula nº 5, alega que os dados do Hipparcos dão "boas distâncias para 1000 anos-luz", ainda que uma distância estimada de apenas 500 anos-luz com ± 20% -30% de erro já está fora por demais para ser considerada útil. 1000 anos-luz é uma distância quase incompreensível, mas é apenas cerca de 1% do caminho através de nossa galáxia Via Láctea.

Um ângulo de um grau é subdividido em 60 minutos (60 ') de arco, como na convenção de dividir uma hora em 60 minutos de tempo. Similarmente, cada minuto de arco pode ser subdividido em 60 segundos (60 ") do arco. A paralaxe para todas as estrelas, exceto o nosso Sol está a menos de um segundo de arco. Na verdade, a paralaxe para Alpha Centauri é de cerca de 0,75 de um segundo de arco, ou cerca de 0,0002 graus. O ângulo de paralaxe para todas as outras estrelas é ainda menor do que este pequeno valor.

Um ano-luz, a distância que a luz viaja no vácuo em um ano, é quase 6 trilhões de milhas. Se você dividir por 3,26 a paralaxe de uma estrela em segundos de arco, você terá a distância até a estrela, medida em anos-luz. Os astrônomos geralmente preferem parsecs (pc), em vez de anos-luz como medições de distância, mesmo que medidas de paralaxe só possam ser utilizadas para determinar com precisão a distância relativamente curta do nosso Sol.

Exemplo:
(3,26 / 0,75 arco-segundo) = 4.36 anos-luz (LY), que é 25,65 trilhões de milhas ou 1,33 parsecs para a estrela mais próxima.

Vamos começar mais perto de casa.

1.2 Modelando Distâncias no e perto do nosso Sistema Solar

Robert Burnham desenvolveu um modelo para nos mostrar em termos comuns quanto espaço há lá fora entre as estrelas. Para compreender sua escala precisamos saber algumas de distâncias reais.

Como observado acima, a distância da Terra ao Sol é de cerca de 92,960,000 milhas (149.605 mil km). Normalmente arredondado para 93 milhões de milhas (150 milhões de quilômetros), esta distância é chamada de Unidade Astronômica (UA).

Burnham define a escala em seu modelo de modo que 1 polegada (1’) é igual a 1 AU ou 93 milhões de milhas. Em seguida, uma milha em nosso modelo seria igual a 1 ly. Esta escala seria expressa como 1: 6.000.000.000.000. Isso é uma unidade que representa seis milhões de milhões de unidades, o que é uma escala de um a 6 trilhões ou 1: 6 × 10¹².

Vamos começar descrevendo um modelo em miniatura Burnhamesque do nosso sistema solar utilizando esta escala. Sabemos que a distância da Terra ao Sol (1 UA) será uma polegada. Quão grande será o Sol? O diâmetro do Sol é de cerca de 870 mil milhas, portanto, em nosso modelo de escala do Sol será um pouco menos de 1 / 100th de uma polegada de diâmetro. Essa é uma pequena mancha. A Terra será uma polegada de distância do Sol, mas de tão pequeno (0,00009 ", ou 9 100/1000 de uma polegada) não seria capaz de vê-lo sem um microscópio.

O sistema solar interior, a imagem da artista não-dimensionado

Raio da órbita de Plutão é 39,5 vezes maior que a da Terra, então Plutão será 39,5 polegadas, ou quase exatamente um metro, a partir do Sol.

A heliosfera, a região em torno do Sol que o vento solar permeia, é cerca de 7 pés de nosso modelo.

Então, onde está a estrela mais próxima em nosso modelo? Nosso vizinho mais próximo é Alpha Centauri, que está mais de 4 anos-luz de distância. Isso é mais de 4 milhas em nosso modelo.

Sim, 4 milhas. Nosso Sol modelo é uma pequena partícula, e está a 4 milhas até a próxima partícula mais próxima. Isso é um monte de espaço entre elas. Então, quão grande é a nossa galáxia neste minúsculo modelo? A galáxia modelo se esticaria por 100.000 milhas de diâmetro. O disco em espiral e braços finos estariam a mil milhas de espessura. Seu bojo central de estrelas seria bem mais de 6.000 milhas de cima para baixo. A nossa galáxia é apenas uma das centenas de bilhões de galáxias visíveis no Universo observável com os nossos instrumentos atuais. O céu noturno parece ser cheio de estrelas, mas estrelas estão separadas tipicamente por mais de 10 milhões de vezes os seus diâmetros.

1.3 Distância e Gravidade

Recordar que, como Newton escreveu, a força da gravidade diminui com (isto é., é inversamente proporcional a) ao quadrado da distância entre dois objetos. Assim, a atração gravitacional entre duas manchas 4 milhas de distância não é tão forte. Também não é a força da gravidade entre duas estrelas 4 anos-luz de distância. Vamos usar a equação de Newton para descobrir o que ela realmente é.

Na equação simples abaixo, acima da planilha, F é a força em Newtons, G é um número muito pequeno chamado de Constante Gravitacional, M1 e M2 são as massas estimadas das duas estrelas, em quilogramas, e r é a distância entre seus centros em metros. Astrônomos usam o sistema métrico ou SI, pois é muito mais usado e mais conveniente do que o sistema tradicional imperial de polegadas, pés, milhas, libras e onças. No entanto, o resultado do cálculo é apresentado na parte inferior da imagem, em termos da força da gravidade na superfície da Terra, indicado por "Gee" (para "gravidade"), independentemente do seu sistema de medição.


Apesar de sua grande massa, as duas estrelas exercem apenas uma aceleração gravitacional minúscula umas sobre as outras. Quaisquer que sejam as forças que controlem o comportamento da matéria no universo deve ser forte o suficiente e deve ser capaz de operar de forma eficaz o suficiente sobre as imensas distâncias envolvidas.

A Lei da gravidade de Newton fez bem o suficiente para explicar as forças de atração e movimentos orbitais dentro da área limitada do sistema solar. Mas a força relativamente fraca da gravidade só poderia operar de forma eficaz em distâncias interestelares se fosse verdade que o espaço é vazio e não houvessem forças concorrentes que pudessem superar a da gravidade.

(EG2EU) - Capítulo 2 Campos magnéticos e elétricos no espaço
Publicado em 17 de outubro, 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

2.1 A força da gravidade e forças elétricas

A gravidade é uma força relativamente muito fraca. A força elétrica de Coulomb (Charles Augustin de Coulomb 1736-1806) entre um próton e um elétron é da ordem de 10³⁹ (que é 1 com 39 zeros depois dele) vezes mais forte que a força gravitacional entre eles.

As quatro interações fundamentais (forças) em física

Podemos ter uma pista da força relativa do eletromagnetismo quando usamos um pequeno ímã para pegar um objeto de ferro, digamos, um rolamento de esferas. Apesar de toda a atração gravitacional da Terra está agindo sobre o rolamento de esferas, o ímã supera isso facilmente quando perto o suficiente do rolamento de esferas. No espaço, a gravidade só se torna significativa nos lugares onde as forças eletromagnéticas são blindadas ou neutralizadas.

Pequeno ímã atrai e mantém um rolamento de esferas contra a atração gravitacional da Terra.

Para massas esféricas e cargas, tanto a força da gravidade quanto a força elétrica de Coulomb variam inversamente com o quadrado da distância e assim diminuem rapidamente com a distância. Para outras geometrias/configurações, as forças diminuem mais lentamente com a distância. Por exemplo, a força entre duas relativamente longas e finas correntes elétricas deslocando-se paralelamente um ao outro variam inversamente com a primeira potência da distância entre elas.

As correntes elétricas podem transportar energia a grandes distâncias antes de usar essa energia para criar algum resultado detectável, tal como usamos a energia a partir de uma estação de energia distante para ferver uma chaleira na nossa cozinha. Isto significa que, em distâncias mais longas, as forças eletromagnéticas e correntes elétricas em conjunto podem ser muito mais efetivas do que a força insignificante da gravidade ou mesmo a forte força eletrostática de Coulomb.

Lembre-se que, justamente em ordem para explicar o comportamento da matéria que podemos detectar, o Modelo gravitacional precisa imaginar vinte e quatro vezes mais matéria do que podemos ver, em locais especiais, e de um tipo especial invisível. Parece muito mais razoável investigar se a física de forças conhecidas como o eletromagnetismo e correntes elétricas podem trazer os efeitos observados em vez de ter de inventar o que talvez não exista.

2.2 O "vazio" do Espaço

Até cerca de 100 anos atrás, o espaço foi pensado como sendo vazio. As palavras "vácuo" e "vazio" eram intercambiáveis. Mas sondas descobriram que o espaço contém átomos, poeira, íons e elétrons. Embora a densidade da matéria no espaço seja muito baixa, não é zero. Portanto, o espaço não é um vazio no sentido convencional de não existir "absolutamente nada". Por exemplo, o "vento" solar é conhecido por ser um fluxo de partículas carregadas provenientes do Sol soprando em torno da Terra, em última análise, causando efeitos visíveis, como as auroras Boreal e Austral.

As partículas de poeira no espaço são estimadas em 2 a 200 nanômetros de tamanho, e muitas delas também são eletricamente carregadas, juntamente com os íons e elétrons. Esta mistura de matéria neutra e carregada é chamado de plasma, e é impregnada com campos eletromagnéticos. Vamos discutir plasma e suas interações únicas com campos eletromagnéticos com mais detalhes no Capítulo 3. Os espaços "vazios" entre planetas ou estrelas ou galáxias são muito diferentes do que os astrônomos assumiram na primeira parte do século 20.

(Nota sobre a terminologia em links: astrônomos geralmente se referem a matéria no estado de plasma como "gás", "ventos", "gás quente ionizado", "nuvens", etc. Isto falha na distinção entre os dois tipos diferentes de comportamentos dos estados da matéria no espaço, o primeiro dos quais é o plasma eletricamente carregado e o outro pode ser gás neutro que é apenas amplamente disperso, moléculas não ionizadas ou átomos).

Hidrogênio ionizado (plasma) abundante em um levantamento do céu do norte - Imagem: Wiki Commons

A existência de partículas carregadas e campos eletromagnéticos no espaço é aceita tanto no Modelo Gravitacional quanto no Modelo Elétrico. Mas a ênfase colocada sobre eles e seu comportamento é uma diferença distinta entre os modelos. Vamos, portanto, discutir campos magnéticos em seguida.

Aurora, fotografada por L. Zimmerman, Fairbanks, Alaska. Imagem cedida spaceweather.com, Aurora PhotoGallery

2.3 Introdução a campos magnéticos

O que queremos dizer com os termos "campo magnético" e "linhas de campo magnético"? A fim de compreender o conceito de um campo, vamos começar com um exemplo mais familiar: a gravidade.

Sabemos que a gravidade é uma força de atração entre corpos ou partículas com massa. Dizemos que a gravidade da Terra está na nossa volta aqui na superfície da Terra e que a gravidade da Terra se estende para o espaço. Podemos expressar a mesma ideia de forma mais econômica, dizendo que a Terra tem um campo gravitacional que se estende ao espaço em todas as direções. Em outras palavras, um campo gravitacional é uma região onde uma força de atração gravitacional será exercida entre corpos com massa.

Do mesmo modo, um campo magnético é uma região em que uma força magnética atua sobre um corpo magnetizado ou carregado. (Vamos olhar para a origem de campos magnéticos mais tarde). O efeito da força magnética é mais evidente nos materiais ferromagnéticos. Por exemplo, limalhas de ferro colocados sobre uma superfície em um campo magnético, alinham-se na direção do campo como agulhas de bússola.

Uma barra de ímã com limalha de ferro em torno dela, mostrando a direção do campo magnético

Porque a limalha de ferro tende a alinhar-se do polo sul ao polo norte, o padrão que eles fazem pode ser desenhado como uma série de linhas concêntricas, o que indicaria a direção e, indiretamente, a força do campo em qualquer ponto.

Portanto as linhas do campo magnético são uma forma conveniente para representar a direção do campo, e servem como centros guias para trajetórias de partículas carregadas movendo-se no campo (ref. Fundamentos de Física de Plasma, Cambridge University Press, 2006, Paul Bellan, Ph.D.).

É importante lembrar que as linhas do campo não existem como objetos físicos. Cada depósito de ferro em um campo magnético está agindo como uma bússola: você pode movê-lo mais um pouco e ele ainda iria apontar para o norte-sul magnético a partir de sua nova posição. Da mesma forma, um prumo (um barbante com um peso em uma extremidade) indicará a direção local do campo gravitacional. As linhas desenhadas longitudinalmente através de uma série de prumos fariam um conjunto de linhas do campo gravitacional. Tais linhas realmente não existem; eles são apenas convenientes meios imaginários de visualização que descrevem a direção da força aplicada pelo campo. Consulte o Apêndice I para mais discussão sobre este assunto, ou aqui, no Fizzics Fizzle.

Uma linha de campo não necessariamente indica o sentido da força exercida pelo que está causando o campo. As linhas de campo podem ser utilizadas para indicar a direção ou a polaridade de uma força, ou podem desenhar os contornos de intensidades iguais de uma força, na mesma maneira que as linhas de contorno sobre um mapa ligam, por exemplo, pontos de igual altura acima do nível do mar. Muitas vezes, em torno de corpos tridimensionais com campos magnéticos, superfícies imaginárias são usadas para representar a área de igual força, em vez de linhas.

Por consenso, a definição da direção de um campo magnético em algum momento é do Norte para o polo sul.

Num campo gravitacional, pode-se escolher desenhar linhas de contorno de igual força gravitacional em vez das linhas de direção da força. Estas linhas de força gravitacional igual iriam variar com a altura (ou seja, com a distância a partir do centro do corpo), um pouco como linhas de contorno sobre um mapa. Para encontrar o sentido da força usando essas linhas de contorno de elevação, uma delas teria de indicar qual direção o corpo se move. Colocado no lado de uma colina, uma pedra rola para baixo, através dos contornos. Em outras palavras, a força gravitacional é perpendicular às linhas de campo de força gravitacional igual.

Os campos magnéticos são mais complicados do que a gravidade na medida que qualquer um pode atrair ou repelir. Duas barras de ímãs permanentes com suas extremidades opostas ("polos" opostos, ou NS) voltadas uma para a outra vão atrair-se mutuamente ao longo da direção indicada pelas linhas de campo do campo combinado de ambos (ver imagem acima). Magnetos com a mesma polaridade (NN ou SS) vão repelir um ao outro ao longo da mesma direção.

Os campos magnéticos também exercem forças sobre as partículas carregadas que estão em movimento. Porque a força que as partículas carregadas experimentam é em ângulos retos para ambas linhas de campo magnético e o sentido da partícula, uma partícula carregada movendo-se através de um campo magnético sofre alteração da direção (isto é, acelera) pela ação do campo. Sua velocidade permanece inalterada para conservar energia cinética. A imagem seguinte mostra o que acontece com um feixe de elétrons em um tubo de vácuo, antes e depois de um campo magnético ser aplicado, em uma demonstração de laboratório.

A força magnética que age sobre uma partícula carregada em movimento é análoga à força giroscópica. Uma partícula carregada movendo diretamente junto ou "com" uma linha de campo magnético não vai sentir uma força tentando mudar sua direção, assim como empurrar um giroscópio diretamente no seu eixo de rotação não fará com que ele vire ou "precessione".

Mesmo que a força em diferentes partículas carregadas varie, o conceito de visualização da direção do campo magnético, como um conjunto de linhas de campo imaginário é útil porque a direção da força em qualquer material, tal como uma partícula carregada em movimento, pode ser representada a partir da direção do campo.

Linhas do campo magnético sobrepostas no Sol na vizinhança de um buraco coronal e outras regiões ativas. Compreender a dinâmica de tais campos ajuda a entender as correntes de plasma subjacentes que os forma. Crédito da imagem: NASA SDO / Lockheed Martin Space Systems Corp., 2010/10/20

2.4 A Origem dos campos magnéticos

Há apenas uma maneira que os campos magnéticos podem ser gerados: movendo cargas elétricas. Em magnetos permanentes, os campos são gerados por elétrons girando em torno do núcleo dos átomos. Um ímã forte é criado quando todos os elétrons que orbitam os núcleos têm rotações que estão alinhadas, criando uma poderosa força combinada. Se o ímã é aquecido até sua temperatura de Curie (ou o Ponto de Curie) o movimento térmico dos átomos se torna desordenado, reduzindo o campo magnético. Em um fio de metal transportando uma corrente, o campo magnético é gerado por elétrons que se deslocam ao longo do comprimento do fio. Uma introdução mais detalhada para o complexo tema de acoplamento de troca e ferromagnetismo podem ser encontradas aqui.

De qualquer maneira, sempre que cargas elétricas se movem elas geram campos magnéticos. Sem mover cargas elétricas, campos magnéticos não podem existir. A lei de Ampere afirma que uma carga em movimento gera um campo magnético com linhas circulares de força, sobre um plano que é perpendicular ao movimento da carga.

Linhas do campo magnético cercam um condutor em cilindros concêntricos de valores iguais ou "conchas". Note que se você alinhar o seu polegar direito na seta de direção da corrente, seus dedos dobrados mostrarão a direção do campo magnético. Crédito da imagem: Wikimedia Commons, legendas acrescentadas

Desde que correntes elétricas, compostas por cargas elétricas em movimento, podem ser invisíveis e difíceis de detectar à distância, a detecção de um campo magnético em um local no espaço (por métodos bem conhecidos na astronomia, veja abaixo) é um sinal claro de que é acompanhado por uma corrente elétrica.

Se uma corrente flui num condutor, tal como um fio reto e longo ou um filamento de plasma, então cada partícula carregada na corrente terá um pequeno campo magnético em torno dele. Quando todos os pequenos campos magnéticos individuais são adicionados em conjunto, o resultado é um campo magnético contínuo em torno de todo o comprimento do condutor. As regiões no espaço em torno do fio onde a intensidade do campo é igual (chamados "superfícies equipotenciais") são cilindros concêntricos com o fio.

Campos elétricos e magnéticos variáveis no tempo serão examinados mais tarde. (Veja o Capítulo IV e o Anexo III)

A questão da origem de campos magnéticos no espaço é uma das principais diferenças entre o Modelo Gravitacional e o Modelo Elétrico.

O Modelo Gravitacional permite a existência de campos magnéticos no espaço, porque eles são rotineiramente observados, mas alega que são causados por dínamos dentro das estrelas. Para a maioria dos pesquisadores de hoje, nem os campos elétricos nem as correntes elétricas no espaço desempenham qualquer papel significativo na geração de campos magnéticos.

Em contraste, o Modelo Elétrico argumenta que os campos magnéticos devem ser gerados pelo movimento de partículas carregadas no espaço da mesma forma que os campos magnéticos são gerados por partículas carregadas em movimento aqui na Terra (Posteriormente veremos isto em mais detalhes). O modelo elétrico também aceita que as estrelas e planetas têm campos magnéticos, evidenciadas por magnetosferas e outras observações, porém procuram explicar uma origem diferente para estes campos magnéticos no espaço uma vez que eles não são criados por dínamos em estrelas.

2.5 Detectando campos magnéticos no espaço

Desde o início da era espacial, espaçonaves têm sido capazes de medir campos magnéticos no sistema solar utilizando instrumentos a bordo. Nós podemos "ver" os campos magnéticos além do alcance da espaçonave por conta do efeito que causam sobre a luz e outras radiações que passam através deles. Podemos ainda estimar a força dos campos magnéticos através da medição da quantidade desse efeito.

                   Imagem óptica Campo magnético de intensidade, direção

Cortesia Rainer Beck e Bill Sherwood (ret.), Instituto Max Planck de Rádio-Astronomia

Nós temos conhecimento sobre o campo magnético da Terra faz séculos. Agora podemos detectar tais campos no espaço, de modo que o conceito de campos magnéticos no espaço é intuitivamente fácil de entender, embora os astrônomos tenham dificuldade em explicar a origem destes campos magnéticos.

Os campos magnéticos podem ser detectados em diversos comprimentos de onda pela observação da quantidade raias de emissão espectrográficas simétricas ou pela divisão da raia de absorção que o campo magnético induz. Isto é conhecido como o efeito Zeeman, em homenagem ao físico holandês e ganhador do Prêmio Nobel 1902, Pieter Zeeman, (1865-1943). Observe na imagem acima à direita quão perto o campo de direção se alinha com os braços galácticos visíveis na imagem óptica, à esquerda.

O efeito Zeeman, desdobramento da raia espectral ou divisão num campo magnético. Crédito da imagem: www.chemteam.info/classical papers / no.38,1897 - o efeito Zeeman. Foto original por Pieter Zeeman

Outro indicador da presença de campos magnéticos é a polarização da emissão sincrotron irradiada por elétrons em campos magnéticos, úteis em escalas galácticas. Ver artigo de Beck sobre Campos Magnéticos Galácticos (Galactic Magnetic Fields), em Scholarpedia, além de Beck e Sherwood:  Atlas de campos magnéticos em galáxias próximas. A medição do grau de polarização utiliza o efeito de Faraday. A rotação de Faraday, por sua vez conduz à derivação da força do campo magnético através do qual a luz polarizada passa.

O altamente instrutivo artigo de Phillip Kronberg et al, medição da corrente elétrica em uma Escala Kpc (quiloparsec) de Jato, fornece uma visão convincente da ligação direta entre a rotação Faraday medida nos poderosos "nós" em um grande jato galáctico, a força do campo magnético resultante, e a corrente elétrica presente no jato.

Os campos magnéticos estão incluídos tanto no Modelo gravitacional como no Modelo do Universo elétrico. A diferença essencial é que o Modelo Elétrico reconhece que os campos magnéticos no espaço sempre são acompanhados de correntes elétricas. Vamos examinar campos elétricos e correntes a seguir.

2.6 Introdução a campos elétricos

Uma carga elétrica tem polaridade. Ou seja, é positivo ou negativo. Por convenção, a elementar (menor) unidade de carga é igual ao de um elétron (- e) ou um próton (+ e). Carga elétrica é quantificada; é sempre um número inteiro múltiplo de e.

A unidade fundamental de carga é o Coulomb (C), onde e = 1,60 x 10^-19 Coulomb. Tomando o inverso do último valor pequeno, um Coulomb é 6,25 x 10¹⁸ partículas carregadas isoladamente. Um ampere (A) de corrente elétrica é um Coulomb por segundo. Uma corrente de 20A, portanto, seria de 20 C de carga por segundo, ou a passagem de 1,25 × 10²⁰ elétrons por segundo ultrapassado um ponto fixo.

Cada carga tem um campo elétrico a ele associado. Um campo elétrico é semelhante a um campo magnético em que ele é causado pela força fundamental da interação eletromagnética e a sua "faixa" ou grau de influência é infinito, ou indefinidamente grande. O campo elétrico em torno de uma única partícula carregada é esférico, como o campo de aceleração gravitacional em torno de um ponto de massa pequena ou uma grande massa esférica.

O campo elétrico em torno de uma única carga positiva (Esquerda) e entre duas placas carregadas. As setas indicam a direção da força sobre uma carga positiva. Note-se que a mesma força será aplicada na direção oposta com uma carga negativa.

A resistência de um campo elétrico num ponto é definida como a força em newtons (N) que iria ser exercida sobre uma carga de teste positiva de 1 coulomb colocada nesse ponto. Como a gravidade, a força a partir de uma carga é inversamente proporcional ao quadrado da distância da carga de teste (ou qualquer outro).

O ponto na definição de uma carga de teste como positiva é para consistentemente definir a direção da força devido a uma carga agindo sobre outra. Uma vez que cargas iguais se repelem e opostas se atraem, do mesmo modo que polos magnéticos, as raias imaginárias de um campo elétrico tendem a apontar para longe de cargas positivas e para perto de cargas negativas. Veja um breve vídeo no YouTube sobre o campo elétrico aqui.

Aqui você tem uma demonstração controlada pelo usuário de 2 cargas e suas linhas de força associadas numa aplicação Matemática.

Você pode precisar baixar o aplicativo Mathematica Player (apenas uma vez, e é gratuito) a partir do web site linkado para jogar com o demo. Clique em "Download Live Demo" depois de instalar o Mathematica Player. Você pode ajustar a força e a polaridade da carga (+ ou -) com os controles deslizantes, e arrastar as partículas carregadas ao redor da tela. Dê tempo para as raias de campo suavizar entre as mudanças.

Forças eletromagnéticas são comumente mais fortes do que as forças gravitacionais no plasma no espaço. Eletromagnetismo pode ser blindado, enquanto a gravidade não pode, até onde se sabe. O argumento comum no modelo padrão é que a maioria dos elétrons em uma região ou corpo são pareados com prótons no núcleo de átomos e moléculas, por isso temos que o resultado final das forças de cargas positivas e negativas se anulam tão perfeitamente que "para corpos grandes a gravidade domina "(link: Wikipédia, Fundamental Interactions (Interações Fundamentais), olhe sob a sub-rubrica Electromagnetism).

O que é negligenciado acima é que, com a exceção ocasional de ambientes planetários relativamente frios, estáveis e quase neutros, como os encontrados aqui na Terra, a maior parte da matéria no Universo é composta de plasma; ie., partículas carregadas e partículas neutras que se deslocam em uma sinfonia complexa de separação de carga e os campos elétricos e magnéticos de sua própria fabricação. Gravidade, enquanto sempre presente, normalmente não é a força dominante.

Longe de consistir de carga predominantemente neutra e campos magnéticos e elétricos fracos e suas correntes fracas associadas, campos elétricos e correntes no plasma podem e muitas vezes se tornam muito grandes e poderosos no espaço. O modelo elétrico afirma que fenômenos no espaço, como magnetosferas, correntes de Birkeland, estrelas, pulsares, galáxias, jatos estelares e galácticos, nebulosas planetárias, "buracos negros", partículas energéticas, tais como raios gama e raios-X e muito mais, são fundamentalmente eventos elétricos na física do plasma. Mesmo os corpos rochosos - planetas, asteroides, luas e cometas, e os corpos de gás em um sistema solar - existem na heliosfera de suas estrelas, e não estão isentos de forças eletromagnéticas e seus efeitos.

Cada partícula carregada separada contribui para o campo elétrico total. A força resultante em qualquer ponto num campo eletromagnético complexo pode ser calculada utilizando vectores, se as cargas são assumidas estacionárias. Se partículas carregadas estão se movendo (e elas sempre estão), elas também "criam" - são acompanhados por - campos magnéticos e isso muda a configuração magnética. Mudanças em um campo magnético, por sua vez, criam campos elétricos e estes afetam as próprias correntes, assim campos que começam com partículas em movimento representam interações muito complexas, loops de feedback e matemática bagunçada.

As cargas no espaço podem ser distribuídas espacialmente em qualquer configuração. Se, em vez de um ponto ou uma esfera, as cargas são distribuídas de uma forma linear, de forma que o comprimento de uma área carregada é muito maior do que a sua largura ou diâmetro, isto pode demonstrar que o campo elétrico envolve a forma linear como cilindros de potencial de força igual, e que o campo desta configuração diminui com a distância a partir da configuração como o inverso da distância (não o inverso quadrado da distância) a partir da linha central. Isto é importante para estudar os efeitos de campos elétricos e magnéticos em correntes filamentosas, tais como descargas atmosféricas, um foco de plasma, ou grandes correntes de Birkeland no espaço.

Lembre-se que a direção da força aplicada sobre uma carga positiva começa a partir de carga positiva e termina em carga negativa, ou na ausência de uma carga negativa, se estende para longe indefinidamente. Mesmo um pequeno desequilíbrio de carga com, digamos, partículas carregadas mais positivamente aqui e mais partículas carregadas negativamente uma distância conduz a uma região de força ou campo elétrico entre as áreas de cargas dissemelhantes separadas. A importância deste arranjo se tornará mais clara na discussão seguinte sobre camadas duplas no plasma.

Pense em um capacitor elétrico, onde há duas placas, ou camadas, carregadas opostamente separadas semelhante à duas placas carregadas no diagrama "B” acima. Haverá um campo elétrico entre as camadas. Qualquer movimento de partículas carregadas ou colocadas entre as camadas irá ser acelerada no sentido da camada de carga oposta. Elétrons (que são carregados negativamente) aceleram em direção à camada carregada positivamente, e íons positivos e prótons em direção à camada carregada negativamente.

A chama da vela num campo elétrico entre duas placas opostamente carregadas será orientada lateralmente porque uma chama é plasma parcialmente ionizado. Portanto ela reage mais fortemente à força elétrica entre as placas do que as forças de convecção térmicas em um campo gravitacional.

De acordo com as Leis de Newton, força resulta em aceleração. Portanto, campos elétricos irão resultar na aquisição de velocidade pelas partículas carregadas.  Partículas carregadas opositivamente vão mover-se em sentidos contrários. Uma corrente elétrica é, por definição, deslocamento de carga passado um ponto. Por conseguinte, campos elétricos causam correntes elétricas, dando velocidade as partículas carregadas.

Se um campo elétrico é suficientemente forte, então partículas carregadas serão aceleradas a velocidades muito altas por causa do campo. Para um pouco mais de leitura sobre campos elétricos ver isso.

2.7 Detectando campos elétricos e correntes no espaço

Campos elétricos e correntes são mais difíceis de detectar sem colocar um instrumento de medição diretamente no campo, mas nós detectamos correntes no sistema solar usando naves espaciais. Um dos primeiros foi o satélite de órbita polar de baixa altitude TRIAD na década de 1970, que encontrou correntes que interagem com a atmosfera superior da Terra. Em 1981 Hannes Alfvén descreveu um modelo de corrente heliosférica em seu livro, ‘Cosmic Plasma’.

Desde então, uma região de corrente elétrica chamada de corrente heliosférica difusa (HCS - Heliospheric Current Sheet) foi encontrada onde a polaridade do campo magnético do Sol muda de positiva para negativa. Ela é inclinada aproximadamente em 15 graus do equador solar. Durante a metade de um ciclo solar, campos magnéticos que apontam para fora se encontram acima do HCS e apontando para dentro campos abaixo dela. Isto é revertido quando o campo magnético do Sol inverte sua polaridade no do meio caminho do ciclo solar. À medida que o Sol gira, gira a corrente heliosférica difusa (HCS) com ele, "arrastando" com suas ondulações o que é definido nos termos da NASA como "a espiral de Parker padrão".

Alguns links para sites com planilhas de correntes heliosféricas são Wikipedia, NASA, esta demonstração Mathematica , e o site de Física Solar do Reino Unido.

Representação do Heliocentric folha atual (HCS) em torno do Sol, com ondulações típicas arrastados para uma configuração em espiral. Crédito: Wiki Commons

Espaçonaves mediram mudanças ao longo do tempo na corrente difusa em vários locais desde a década de 1980. Eles detectaram correntes próximas à Terra e solares também. O Modelo gravitacional aceita que estas correntes existam no espaço, mas assume que são o resultado do campo magnético. Voltaremos a este ponto mais tarde.

Um foguete de pesquisa com SPIRIT II carga útil contendo sondas de Langmuir para detectar campos elétricos e íons no plasma próximo a Terra. Créditos de imagem: NASA Wallops Flight Facility e Penn State University

Os campos elétricos fora do alcance da sonda não são detectáveis precisamente da mesma forma que os campos magnéticos. Raias de divisão ou desdobramento ocorrem em campos elétricos, mas é a raia de divisão assimétrica que indica a presença de um campo elétrico, em contraste com a linha de divisão simétrica em campos magnéticos. Além disso, raia de desdobramento de campo elétrico é sensível à massa dos elementos emissores de luz (os elementos mais leves sendo prontamente desdobrados ou divididos, e elementos mais pesados menos afetados), enquanto o desdobramento Zeeman (campo magnético) é indiferente a massa. Divisão ou desdobramento de linhas espectrais assimétricas é chamado de efeito Stark, após Johannes Stark (1874-1957).

A raia de desdobramento espectrográfica do hélio aumenta com a força do campo elétrico através do qual ele passa. Elementos mais pesados apresentam menos divisão da raia que os mais leves. Crédito da imagem: Jornal do Instituto Franklin, 1930

Outra forma pela qual podemos detectar campos elétricos é por inferência a partir do comportamento de partículas carregadas, especialmente aquelas que são aceleradas a altas velocidades, e pela existência de radiação eletromagnética, como raios-X no espaço, o que sabemos a longa data, por experiências ligadas a Terra, são gerados por campos elétricos fortes.

As correntes elétricas no plasma de baixa densidade no espaço funcionam como luzes fluorescentes ou tubos de Crookes parcialmente no vácuo. Em um estado de corrente fraca, o plasma é escuro e pouco irradia luz visível (embora frio, plasma fino pode irradiar muito no comprimento de onda de rádio e infravermelho distante). À medida que a corrente aumenta, o plasma entra em um modo de brilho, irradiando uma quantidade modesta de energia eletromagnética no espectro visível. Isto é visível na imagem no final deste capítulo. Quando a corrente elétrica torna-se muito intensa num plasma, o plasma irradia no modo de arco. A não ser pela escala, há pouca diferença significativa entre raios e a superfície de radiação da fotosfera de uma estrela.

Isto significa, claro, que as explicações alternativas para estes efeitos são também possíveis, pelo menos em teoria. O Modelo gravitacional geralmente assume que a fraca força da gravidade multiplicada por densidades sobrenaturais, que são hipoteticamente capazes de criar buracos negros ou estrelas de nêutrons, também criam esses tipos de efeitos. Ou talvez partículas são aceleradas até quase a velocidade da luz por explosões de supernovas. A questão é se "a gravidade multiplicada" ou o eletromagnetismo testável em laboratório é mais consistente com observações de que o universo é composto de plasma.

O Modelo Elétrico argumenta que efeitos elétricos não estão limitados apenas a essas partes do sistema solar que naves espaciais têm sido capazes de alcançar. O Modelo Elétrico supõe que efeitos elétricos similares também ocorrem fora do sistema solar. Afinal, seria estranho se o sistema solar fosse o único lugar no universo onde os efeitos elétricos ocorressem no espaço.

A Nebulosa Veil, NGC 6960, com a sua diáfana, correntes de plasma filamentosas brilhantes e correntes abrangendo anos-luz. Crédito da imagem: TA Reitor da Universidade do Alasca, Anchorage, e Kitt Peak WIYN 0.9m telescópio / NOAO / AURA / NSF

(EG2EU) – Capítulo 3 Plasma
Publicado em 25 de outubro de 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

3.1 Apresentando Plasma

Sabe-se que o espaço é preenchido com plasma. Na verdade, o plasma é o tipo mais comum de matéria no universo. Pode ser encontrada em uma ampla gama de lugares começando pelo fogo às luzes de neon, de relâmpagos na Terra, na galáxia e no espaço intergalático. A única razão que não estamos mais acostumados ao plasma é que a humanidade vive em uma biosfera fina em grande parte composta de sólidos, líquidos e gases com os quais nossos sentidos estão mais sintonizados. Por exemplo, nós não percebemos o fogo como um plasma; vemos uma chama brilhante e sentimos calor. Somente experimentos científicos podem demonstrar que o plasma está realmente presente na chama.

Enquanto os estudos de plasma podem se concentrar em um único assunto tal como a produção de energia de fusão, a compreensão de como o Universo funciona também aguarda o estudante com um interesse mais amplo. Crédito da imagem: DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

"Plasma é uma coleção de partículas carregadas que responde coletivamente a forças eletromagnéticas" (do primeiro parágrafo em Física do Universo do Plasma, Anthony Peratt, Springer-Verlag, 1992). Uma região de plasma também pode conter uma proporção de átomos neutros e moléculas, bem como impurezas carregadas e neutras, como poeira, grãos e pedaços maiores, de pequenos corpos rochosos até grandes planetas e, é claro, Estrelas.

A característica definidora é a presença das cargas livres, isto é, os íons e elétrons e quaisquer partículas de pó carregadas. A sua forte resposta aos campos eletromagnéticos provoca o comportamento do plasma, que é muito diferente do comportamento de um gás não ionizado. Claro, todas as partículas - carregadas e neutras - respondem a um campo gravitacional, proporcionalmente à sua intensidade local. Como a maioria do Universo é composto de plasma, locais onde a força gravitacional domina do eletromagnetismo são relativamente escassos.

Devido às suas propriedades únicas, o plasma é geralmente considerado como sendo uma fase de matéria distinta a partir de sólidos, líquidos e gases. É muitas vezes chamado de "quarto estado da matéria", embora, como seu estado é universalmente o mais comum, poderia ser pensado como o "primeiro" estado da matéria.

O gráfico abaixo é usado comumente para indicar como os estados mudam de um ponto de vista térmico. Quanto mais elevada for a temperatura, maior é a escada de energia com transições para cima e para baixo conforme indicado. No entanto, é preciso uma energia térmica muito alta para ionizar a matéria. Há outros meios também, e um estado ionizado em desequilíbrio de carga pode ser induzido e mantido a quase qualquer temperatura.

Um sólido, tal como um cabo elétrico de metal, uma vez que é ligado num circuito elétrico com uma fonte de tensão elétrica suficientemente alta (de bateria; gerador) terá os seus elétrons separados do núcleo do metal de forma a se moverem livremente ao longo do fio como uma corrente de partículas carregadas.

Um copo de água com um pouco de sal metálico, tal como cloreto de sódio, é prontamente ionizado. Se uma tensão elétrica é aplicada através de um fio positivo e um negativo, os átomos de hidrogénio e de oxigénio podem ser conduzidos para os fios de carga oposta e evoluir para átomos gasosos que são à temperatura ambiente. Tais, estados neutros estáveis são uma parte de um universo elétrico, mas este guia irá concentrar-se mais na investigação do estado do plasma e correntes elétricas em escalas maiores, no espaço.

Uma nuvem molecular de gás muito frio e poeira pode ser ionizada por estrelas radiantes próximas ou por raios cósmicos, com os íons e elétrons resultantes assumindo características de plasma organizado, capaz de manter carga e camadas duplas criando campos de separação de cargas elétricas com diferenciais muito grandes de tensão. Tal plasma vai acelerar cargas e conduzi-las melhor do que os metais. Correntes de plasma podem resultar em raios e formas filamentosas, duas das muitas morfologias através da qual a presença do plasma pode ser identificada.

Quatro estados ou fases da matéria, e as transições entre eles. Observe a semelhança com os "elementos primários" iniciais gregos de terra, água, ar e fogo. É claro que o plasma é o estado com o maior teor de energia. Pergunta em aberto: De onde vem no espaço esta energia? Crédito da imagem: Wikimedia Commons

A proporção de íons é quantificada pelo grau de ionização. O grau de ionização de um plasma pode variar de menos do que 0,01% até 100%, mas o comportamento de plasma vai ocorrer entre esta gama inteira devido à presença de partículas carregadas e a separação da carga típica do comportamento do plasma.

O plasma é por vezes referido simplesmente como um "gás ionizado". Embora tecnicamente correto, esta terminologia é incompleta e ultrapassada. Ela é usada para disfarçar o fato de que o plasma raramente se comporta como um gás. No espaço não se difunde simplesmente, mas se organiza em formas complexas, e não vai responder significativamente à gravidade, a menos que as forças eletromagnéticas locais sejam muito mais fracas do que a gravidade local. Plasma não é matéria em estado de gás; ele é matéria em estado de plasma.

A ejeção do Sol de enormes massas de "gás ionizado" (plasma) como proeminências e ejeções de massa coronal contra sua própria poderosa gravidade serve para ilustrar isto sucintamente. O "vento" solar é plasma, e consiste de partículas carregadas em movimento, também conhecido como corrente elétrica. Não é um fluido, ou um 'vento', ou um 'gás quente', para colocá-lo em termos simples. A utilização de outras palavras de dinâmica de fluidos serve para ofuscar a realidade de correntes elétricas e fenômenos de plasma mais poderosos do que a gravidade, em torno de nós no espaço, tão longe quanto podemos observar.

A ejeção de massa coronal descarrega bilhões de toneladas de plasma para o meio interplanetário. O Sol é do tamanho do círculo branco no disco ocultante. Cortesia, imagem pública SOHO

3.2 Ionização

Sabemos que o espaço é preenchido com campos, uma variedade de partículas, muitas das quais são carregadas, e coleções de partículas em tamanho de átomos, de planetas até estrelas e galáxias. Partículas neutras - isto é, os átomos e moléculas que têm o mesmo número de prótons e elétrons, e desprezando anti-matéria nesta discussão - podem ser formadas a partir de partículas de cargas opostas. Por outro lado, as partículas carregadas podem ser formadas a partir de átomos e moléculas por um processo conhecido como ionização.

Se um elétron - uma carga negativa - é separado de um átomo, então a parte restante do átomo fica com uma carga positiva. O elétron separado e o restante do átomo se tornam livres um do outro. Este processo é chamado de ionização. A carga positiva restante do átomo é chamada de íon. O átomo mais simples, hidrogênio, consiste de um próton (seu núcleo) e um elétron. Se o hidrogênio é ionizado, então o resultado é um elétron livre e um próton livre. Um único próton é o tipo mais simples de íon.

Se um átomo mais pesado que o hidrogênio é ionizado, então ele pode perder um ou mais elétrons. A carga positiva do íon será igual ao número de elétrons que se perderam. A ionização pode também ocorrer com moléculas. Também pode surgir a partir de adição de um elétron de um átomo ou molécula neutra, o que resulta em um íon negativo. Partículas de poeira no espaço são frequentemente carregadas, bem como o estudo da física de plasmas de pó é um assunto de pesquisa em muitas universidades hoje. Energia é necessária para separar átomos em elétrons e íons - consulte a tabela abaixo.

Primeiro, energia de ionização versus números atômicos dos elementos. Crédito da imagem: Wikimedia Commons, editado para adicionar temperaturas ao longo do eixo à direita

Observe o padrão repetitivo do gráfico: um metal alcalino (listados em verde no gráfico) tem uma energia de ionização relativamente baixa ou temperatura (fácil para ionizar). A medida que você se move para a direita na direção do gás nobre, aumentando o número atômico - o número de prótons no núcleo do átomo - a energia necessária para ionizar cada átomo mais pesado aumenta. Picos ocorrem a cada átomo de "gás nobre", seguido por uma queda no próximo número atômico mais elevado, que será um metal novamente. Na sequência, o padrão se repete.

[Parágrafo adicionado pelo tradutor:
Este padrão resulta dos mesmos dois fatores que determinam o raio atômico. Com o aumento da carga nuclear e a diminuição do raio atômico o aumento da atração torna mais difícil a remoção do elétron. Dentro do mesmo grupo ou família, a primeira energia de ionização diminui à medida que você desce no grupo. Embora haja um aumento na carga nuclear, a adição de outro nível de energia principal é o fator predominante. A adição de um outro nível de energia principal resulta no elétron ficando mais longe do núcleo e isto diminuiu a atração o que torna mais fácil a remoção do elétron. ]

É interessante notar que o hidrogênio, o elemento mais leve, é considerado um ‘metal’, neste contexto eletroquímico, porque tem um único elétron na sua orbita exterior que "se entrega" facilmente. A terminologia comum na astronomia, no contexto de elementos componentes de estrelas, é de que o hidrogênio e o hélio são 'gases' e todos os outros elementos presentes são denominadas coletivamente «metais».

3.3 iniciar e manter a Ionização

A energia para iniciar e manter ionização pode ser a energia cinética de colisões entre partículas energéticas (temperatura suficientemente alta), ou a partir de radiação suficientemente intensa. Energia cinética aleatória média das partículas é habitualmente expressa como temperatura, e em algumas aplicações de velocidade muito elevada como elétron-volt (eV). Para converter temperatura de graus Kelvin (K) para eV, divide-se K por 11.604,5. Inversamente, multiplica-se um valor em eV por esse número para obter a temperatura térmico equivalente em K.

A tabela acima representa a energia de ionização necessária para retirar o primeiro, e mais externo dos elétrons de um átomo ou molécula. Elétrons subsequentes são mais ligado ao núcleo e sua ionização requer energias ainda mais altas. Vários níveis de elétrons podem ser removidos a partir de átomos em ambientes extremamente energéticos, como os encontrados perto de estrelas e jatos galácticos. Ponto relevante: Estes plasmas energéticos são importantes fontes de elétrons e íons que podem ser acelerados a velocidades extremamente elevadas, fontes de raios cósmicos e radiação sincrotron em vários comprimentos de onda. Ligações de raios cósmicos com padrões de cobertura de nuvens que afetam nosso clima global são relatados no livro de Henrik Svensmark, The Chilling Stars (A refrigeração das estrelas).

Vídeo interessante sobre a influência das estrelas na formação de nuvens em nosso planeta, documentário (em inglês) de Henrik Svensmark.



A temperatura é uma medida de quanta energia cinética aleatória as partículas têm, a qual está relacionada com a taxa de colisões de partículas e a rapidez com que estão em movimento. A temperatura afeta o grau de ionização do plasma. Os campos elétricos alinhados (em paralelo) com campos magnéticos locais (condição de "force livre") podem se formar no plasma. Partículas aceleradas em condições de alinhamento de campo tendem a se mover em paralelo, e não de forma aleatória, como consequência submetem-se a relativamente poucas colisões. A conversão de trajetórias de partículas de forma aleatória para paralela é chamada de "destermalização" (Nota do tradutor; o termo ‘termalização’ é mais facilmente encontrável). Eles teriam uma "temperatura" inferior como resultado. Analogia: pensar no movimento de veículos em um "derby de destruição" como, tráfego "quente" propenso a colisão aleatória, e o movimento veicular nas pistas de uma autoestrada como, tráfego paralelo alinhado "frio" de baixa colisão.

Em uma colisão entre um elétron e um átomo, a ionização irá ocorrer se a energia do elétron (a temperatura dos elétrons) for maior do que a energia de ionização do átomo. Igualmente, se um elétron colide com um íon, não vai recombinar se o elétron tiver energia suficiente. Pode-se visualizar isto como o elétron tendo uma velocidade maior do que a velocidade de escape do íon, de modo que não é capturado em uma órbita em torno do íon.

Simples diagrama da liberação de um elétron para ionizar um átomo neutro

Temperaturas de elétrons em plasmas no espaço pode variar de centenas até milhões de Kelvin. Por conseguinte, Plasma pode ser eficaz em manter o seu estado ionizado. Um estado de carga separada é normal em plasmas espaciais.

Outras fontes de energia de ionização incluem raios cósmicos de alta energia que chegam de outras regiões, de alta energia ou radiação "ionizante", como a intensa luz ultravioleta incidente sobre gás ou plasma fracamente ionizado de estrelas próximas, um encontro entre uma região de plasma e uma região de gás neutro em que a velocidade relativa do encontro excede a Velocidade Crítica de Ionização (CIV, sigla em inglês) (Hannes Alfvén, colisão entre um gás não ionizado e plasma magnetizado, Rev. Mod. Phys., vol. 32, 710 p., 1960) ou processos energéticos radioativos criados dentro do próprio plasma.

Processos altamente energéticos são observados na nebulosa NGC 3603: Estrela supergigante azul Sher 25 com anel toroidal e jatos bipolares, centro superior; descargas de plasma em arco e modo brilhante como a emissão da nebulosa (áreas amarelo-branco); aglomerado azul quente Wolf-Rayet e estrelas jovens do tipo O, com filamentos elétricos e coberturas através de todas as regiões de plasma empoeirado da nebulosa. Crédito da imagem: W. Brandner (JPL / IPAC), E. Grebel (U. de Washington), You-Hua Chou (U. de Illinois, Urbana-Champaign) e Telescópio Espacial Hubble da NASA

Na cosmologia do Big Bang, acredita-se que não há energia suficiente no Universo para ter criado e mantido um número significativo de íons e elétrons "soltos" através de ionização, e, portanto, não podem existir. Por outro lado, sempre que íons e elétrons se combinam em átomos, energia é liberada. No Modelo Big Bang, prótons e elétrons são considerados como tendo sido criados antes dos átomos, portanto, uma enorme quantidade de energia deve ter sido lançada durante a formação dos átomos no universo. Parece possível que, se o Modelo do Big Bang estiver correto, essa energia ainda esteja disponível para re-ionizar grande número de átomos. Alternativamente, é possível que nem todos os prótons e elétrons tenham se combinado em átomos após o Big Bang.

Note que o Modelo Elétrico não se baseia no Modelo do Big Bang. O Modelo Elétrico simplesmente diz que nós detectamos íons e elétrons em toda parte que nós olhamos; de modo que eles existem, provavelmente, em grandes números. Telescópios que "enxergam" em fótons de alta energia, como Chandra (raios-X) e EIT, Telescópio de Imagem Ultravioleta Extremo na nave espacial de observação solar, SOHO, atestam a presença de fontes de energia ionizante no Universo, próximas e remotas. Para sugerir que os íons e elétrons móveis não podem existir em grande número porque, teoricamente, não há energia suficiente para tê-los criado é tão errado quanto argumentar que o Universo não pode existir, pela mesma razão.

3.4 Pesquisa sobre Plasma

Cientista norueguês Kristian Birkeland (1867-1917) com sua Terella ("Pequena Terra”), um simulador eletromagnético de plasma, por volta de 1904

Apesar do plasma não ser comum na biosfera da Terra, ele é observado em um raio nas suas muitas formas, nas auroras do norte e do sul, em faíscas de eletricidade estática, em faíscas das velas de ignição, em chamas de todos os tipos (ver Capítulo 2, ¶2.6), em Tubos de vácuo (válvulas), no arco elétrico da solda, em fornos elétricos, nas máquinas de eletro-erosão, nas tochas de plasma para a eliminação de resíduos tóxicos, e no neon e em outros tubos de iluminação e em lâmpadas fluorescentes.

O comportamento do plasma foi estudado extensivamente em experiências de laboratório durante mais de 100 anos. Há um grande número de pesquisas publicadas sobre o comportamento do plasma por vários laboratórios e organizações profissionais, incluindo o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE), que é a maior organização profissional técnica atual no mundo. O IEEE publica uma revista, Transactions on Plasma Science (Ciência de Operações com Plasma).

Nós estaremos nos baseando em grande parte desta pesquisa, ao explicar o comportamento do plasma no restante deste Guia. Um ponto a ter em mente é que o comportamento do plasma tem se mostrado escalável ao longo de muitas ordens de magnitude. Isto é, nós podemos testar exemplos de pequena escala com plasma no laboratório e saber que os resultados observáveis podem ser ampliados até as dimensões necessárias para explicar o comportamento do plasma no espaço.

Câmara experimental de vácuo para plasma no Grupo de laboratórios para a Física do Plasma do Dr. Paul Bellan no Instituto de Tecnologia da Califórnia, EUA; por volta de 2008. Crédito da Imagem: Cal Tech

3.5 Plasma e Gases

Devido à presença de suas partículas carregadas, ou seja, íons, elétrons e partículas de pó carregadas, plasma cósmico se comporta de um modo fundamentalmente diferente de um gás neutro na presença de campos eletromagnéticos.

Forças eletromagnéticas fazem com que partículas carregadas se movam de forma diferente de átomos neutros. O comportamento complexo do plasma pode resultar de movimentos coletivos desse tipo.

Uma característica comportamental significativa é a capacidade do plasma para formar células em grande escala e filamentos. Na verdade, é por isso plasma é assim chamado, devido ao seu comportamento como quase vivo e semelhanças com células contendo plasma sanguíneo.

A estrutura celular do plasma o torna difícil de modelar com precisão. O uso do termo "gás ionizado 'é enganoso porque sugere que o comportamento do plasma pode ser modelado nos termos do comportamento de gases, ou dinâmica de fluidos. Ele não pode, exceto em certas condições simples.

Alfvén e Arrhenius, em 1973, escreveram na evolução do Sistema Solar:

3.6 A condução de eletricidade

O plasma contém partículas carregadas dissociadas que podem se mover livremente. Lembrando que, por definição, cargas em movimento constituem uma corrente, podemos ver que o plasma pode conduzir eletricidade. Na verdade, como plasma contém íons livres e elétrons livres, a eletricidade pode ser conduzida por um ou ambos os tipos de carga.

Por comparação, a condução de um metal é inteiramente devido ao movimento de elétrons livres, porque os íons estão ligados na rede cristalina. Isto significa que um condutor de plasma é ainda mais eficiente do que os metais, como ambos os elétrons e os seus íons correspondentes são considerados livres para se moverem sob forças aplicadas.

A eficiência da condução do plasma em luzes fluorescentes compactas rapidamente substituiu fontes de luz que utilizam filamento de metal (aquecimento da resistência).

3.7 Resistência Elétrica de Plasmas

No Modelo de gravitacional, para simplificar, o plasma é frequentemente considerado como sendo um condutor perfeito, com resistência zero. No entanto, todos os plasmas têm uma resistência pequena, mas diferente de zero. Isto é fundamental para um entendimento completo da eletricidade no espaço. Porque o plasma tem uma pequena resistência diferente de zero, ele é capaz de suportar campos elétricos fracos sem curtos-circuitos.

A condutividade elétrica de um material é determinada por dois fatores: a densidade da população de portadores de carga disponíveis (os íons e elétrons) no material e a mobilidade (liberdade de movimento) desses transportadores.

No plasma no espaço, a mobilidade dos portadores de carga é extremamente alta, porque, devido à densidade global muito baixa das partículas e temperaturas geralmente baixas dos íons, eles experimentam muito poucas colisões com outras partículas. Por outro lado, a densidade de portadores de carga também disponíveis é muito baixa, o que limita a capacidade do plasma de transportar a corrente.

A resistência elétrica no plasma, que depende do inverso do produto da mobilidade da carga e a densidade de carga, por conseguinte, tem um pequeno valor, mas diferente de zero.

Porque uma força de campo magnético de partículas carregadas em movimento através do campo de mudar de direção, a resistência através de um campo magnético é efetivamente muito mais elevada do que a resistência na direção do campo magnético. Isso se torna importante quando se olha para o comportamento das correntes elétricas no plasma.

Apesar do plasma ser um condutor muito bom, não é um condutor perfeito, ou supercondutor.

3.8 Criação de diferenças de cargas

Ao longo de um volume grande o suficiente, o plasma tende a ter o mesmo número de cargas positivas e negativas porque qualquer desequilíbrio de carga é prontamente neutralizado pelo movimento dos elétrons de alta energia. Então, surge a pergunta: como podem regiões de carga diferente existir se o plasma é um bom condutor e como tal tende a neutralizar-se rapidamente?

Em pequena escala, da ordem de dezenas de metros em um plasma no espaço, as variações naturais irão ocorrer como resultado de variações aleatórias nos movimentos de elétrons, e estes irão produzir pequenas regiões adjacentes em que a neutralidade é violada temporariamente.

Numa escala maior, cargas positivas e negativas movendo num campo magnético serão automaticamente separadas até certo ponto pelo campo porque as forças do campo positivo e negativo carregam em sentidos opostos. Isto faz com que as regiões com carga diferente apareçam e se mantenham enquanto as partículas continuam a se mover no campo magnético.

Carga separada resulta num campo elétrico, e isso faz com que haja mais aceleração de íons e elétrons, de novo em direções opostas. Em outras palavras, logo que algumas pequenas heterogeneidades são criadas, isto rapidamente conduz ao início do comportamento do plasma mais complexo.

O movimento de partículas através do intenso campo magnético de Júpiter cria forte separação de carga (diferencial de tensão) resultando num circuito de corrente elétrica de cerca de 2 trilhões de watts de energia que flui entre Io e os polos de Júpiter

Acima de todas as escalas, o comportamento filamentar e celular do plasma cria finas camadas onde as cargas são separadas. Embora as próprias camadas sejam finas, elas podem estender-se por vastas áreas no espaço.

3.9 Coisas importantes para lembrar sobre o comportamento do Plasma

O ponto essencial para ter em mente quando se considera o plasma no espaço é que muitas vezes ele se comporta completamente diferente de um gás. As partículas carregadas, que são a característica definidora do plasma, são afetadas por campos eletromagnéticos, que as próprias partículas podem gerar e modificar.

Em particular, plasma forma células e filamentos dentro de si mesmo (é por isso que veio a se chamar plasma) e estes alteram o comportamento do plasma, como um loop de feedback ou ciclo de retorno infinito.

Comportamento do plasma é um pouco como o comportamento fractal. Ambos são sistemas complexos que derivam de regras relativamente simples de comportamento. Ao contrário de fractais, no entanto, o plasma é também afetado por instabilidades, que adicionam novas camadas de complexidade.
Qualquer modelo teórico ou matemática do Universo que não leve em conta esta complexidade, vai suprimir aspectos importantes do comportamento do sistema e falhar em modela-lo com precisão.

Galáxia ativa M87 no aglomerado de Virgem, com sua longa corrente elétrica de 5000 anos-luz ao longo de um filamento de plasma (o seu "jato"), apresentando torções de instabilidade ocasionais como nós brilhantes. Crédito de imagem: Instituto telescópio espacial, Hubble / NASA

Nota do tradutor: Este capítulo tem uma parte com instruções básicas sobre vetores, mas que tem o intuito de explicar pormenorizadamente como se forma e se mantêm a corrente (eletromagnética) de Birkeland.

(EG2EU) – Capítulo 4 Eletromagnetismo
Postado em 04 novembro de 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

4.1 A equação do campo eletromagnético

Os cientistas tentam explicar os sistemas físicos em termos de modelos matemáticos que descrevem e preveem o comportamento do sistema. Por exemplo, Kepler explicou o movimento dos planetas com suas três leis. Da mesma forma, o comportamento do plasma é regido pelas equações do campo eletromagnético, que descrevem os movimentos de partículas carregadas e a sua interação com campos elétricos e magnéticos. Há dois componentes das equações do campo eletromagnético: Equações de Maxwell e a Lei da Força de Lorentz. Os dois componentes atuam em conjunto como um loop de feedback (circuito de retorno):

As equações de Maxwell determinam os campos elétricos e magnéticos com base na posição e no movimento de partículas carregadas. Elas também determinam a interação dos campos elétricos e magnéticos se eles estiverem variando.

A lei da força de Lorentz determina as forças elétricas e magnéticas sobre uma partícula carregada movendo dentro dos campos. Esta força fará com que cada partícula se mova (acelere) em conformidade com as Leis de Newton. As mudanças nas posições e movimentos das partículas carregadas por sua vez causa mudanças nos campos elétricos e magnéticos.

Programas de computador têm sido desenvolvidos para seguir esses fenômenos interagindo em plasmas. Eles tipicamente envolvem uma série de etapas, cada uma representando um espaço muito curto de tempo. Em primeiro lugar, dado o estado presente de campos magnéticos e elétricos e a massa, carga, velocidade e direção de cada partícula, usando a Lei da Força de Lorentz, as forças aplicadas em cada partícula pelos valores de campo na sua posição (X, Y, Z) são calculados. A soma vetorial das forças que contribuíram é calculada, e a aceleração resultante da partícula que se move a uma distância pequena em alguma direção no intervalo do pequeno passo de tempo (Lei de Newton sobre movimento ou princípio fundamental da dinâmica). Isto é realizado para todo o conjunto de partículas.

Em seguida, tendo em vista as novas coordenadas e condições cinemáticas de cada partícula, as equações de Maxwell são usadas para determinar os valores dos campos elétricos e magnéticos. Depois disto, o programa regressa ao primeiro passo, onde as forças elétricas e magnéticas que atuam sobre cada partícula são calculadas uma vez usando a Lei de Lorentz.

O circuito é controlado pelo programa que o direciona para parar quando uma condição definida é atingida, tal como um certo número de repetições, ou se um determinado valor nas variáveis é atingido, alterado, ou ultrapassado, ou um erro de algum tipo é encontrado, e assim por diante.

Uma vez que um conjunto de condições iniciais foi definido (número de partículas, as suas cargas, massas, velocidades iniciais e uma descrição das intensidades dos campos elétricos e magnéticos assumidas ao longo de um determinado volume de espaço), o circuito desenvolvido acima pode ser descrito do seguinte modo:

1. Calcular todas as forças que atuam sobre cada partícula via Lei de Lorentz
   
2. Calcule novas localizações e velocidades para um pequeno incremento de tempo usando Leis de Newton
   
3. Calcule E e B no novo local de cada partícula carregada após este incremento de tempo
   
4. Se uma condição de Fim de Circuito não está satisfeita ainda, voltar a 1. e continuar a calculando
   

Outros aspectos podem ser adicionados para uma maior precisão ou uma melhor aproximação à "realidade", como colisões de partículas, viscosidade, força gravitacional, etc., para uma modelagem mais completa. Esta é uma tarefa complexa, e grandes modelos com muitas partículas podem ocupar meses do tempo de um supercomputador para rodar.

Este circuito de retorno pode rapidamente resultar num comportamento altamente complexo, o que é extremamente difícil de modelar matematicamente. Simplificações são frequentemente introduzidas. No entanto, hipóteses simplificadoras muitas vezes levam à omissão dos tipos de comportamento que precisamente distinguem o plasma do comportamento de um gás ou outro fluido.

A câmara de bolhas dentro de um campo magnético cria faixas visíveis de partículas carregadas, permitindo a avaliação das partículas de energia, interações e subprodutos de colisão, quando instalado em linha com um acelerador de partículas. Crédito da imagem: Tutorial para câmara de bolhas fornecido pelo CERN (link abaixo)

Tutorial para câmara de bolhas do CERN

Uma descrição completa das equações do campo eletromagnético pode ser encontrada no Apêndice II. A seguir um resumo dos pontos-chave.

4.2 Equações de Maxwell

As implicações das equações de Maxwell e a pesquisa subjacente são:

1. Um campo elétrico estático pode existir na ausência de um campo magnético; por exemplo, um condensador ou uma partícula de pó com uma carga estática Q tem um campo elétrico sem um campo magnético.
   
2. Um campo magnético constante pode existir sem um campo elétrico; por exemplo, um condutor com uma corrente constante tem um campo magnético sem um campo elétrico.
   
3. Onde campos elétricos são variáveis com o tempo, um campo magnético diferente de zero deve existir.
   
4. Onde os campos magnéticos são variáveis com o tempo, um campo elétrico diferente de zero deve existir.
   
5. Os campos magnéticos só podem ser gerados em duas outras maneiras do que por ímãs permanentes: por uma corrente elétrica, ou por um campo elétrico que varia no tempo.
   
6. Monopolos magnéticos não podem existir; todas as linhas de fluxo magnético são circuitos fechados.
   

4.3 A Lei da Força de Lorentz

A Lei da Força de Lorentz exprime a força total sobre uma partícula carregada expostas a ambos os campos elétricos e magnéticos. A força resultante dita o movimento da partícula carregada pela mecânica newtoniana. Como a equação de Lorentz é fundamental para todo o comportamento do plasma, vale a pena gastar um pouco de tempo para entender o que significa. A equação é:

F = Q (E + U × B)

(Os vetores são assinalados em texto negrito e são explicados abaixo)

Onde F é a força de Lorentz sobre a partícula; Q é a carga sobre a partícula; E representa a intensidade do campo elétrico; U é a velocidade da partícula, B é a densidade do fluxo magnético, e "x" é o símbolo do produto do vetor cruzado, não um mero sinal de multiplicação. Leia-o como "U cruza B".

A fim de entender o que realmente significa a equação, precisamos saber um pouco sobre vetores.

Um vetor é uma quantidade que tem tanto magnitude e direção. Exemplos incluem velocidade e força. É como uma flecha: ela tem um comprimento e aponta numa direção. Em contraste, uma quantidade escalar só tem magnitude. Exemplos incluem a velocidade e temperatura. Álgebra vetorial é a matemática que lida com vetores. Mais detalhes sobre álgebra vetorial serão apresentados no Apêndice III. A explicação do site Hyperphysics também é uma boa introdução. Os elementos essenciais para a compreensão da equação de Lorentz serão explicados aqui.

Em primeiro lugar, multiplicar um vetor por uma quantidade escalar é como colocar uma série de setas similares juntas de ponta a ponta. O vetor é a primeira seta; a quantidade escalar é o número de setas semelhantes. O resultado é uma seta maior no mesmo sentido que o vetor inicial.

Um exemplo simplificado é a aumentar a velocidade de um carro de três vezes a sua velocidade inicial enquanto se move numa linha reta. Imagine que o vetor de velocidade do carro é simplesmente uma seta que aponta para a frente abaixo da faixa de rodagem, com a sua base ou ponto de partida sempre no centro do carro. Imagine esta seta como sendo 20 cm de comprimento para representar uma velocidade inicial de 20 km / hora. Então você aperta o pedal do acelerador para fazer as rodas do carro girarem mais rápido e empurrarem (acelerar) o carro a uma velocidade maior. À medida que o carro acelera, o comprimento da seta aumenta de modo que ele corresponde sempre a velocidade do carro. A 60 km / hora, a seta é de 60 cm de comprimento, e sua direção ainda é paralela à estrada. Se você pressionar o pedal de freio, o carro acelera na direção oposta, reduzindo a velocidade, e a seta torna-se cada vez mais curta. À medida que o carro para, a sua velocidade cai para zero, e a seta da velocidade ou o vetor torna-se zero de comprimento.

"Isso é fácil de entender", você diz. "O que acontece se eu virar o volante para, digamos, a esquerda?" Esse tipo de recurso introduz uma força adicional no carro, em uma direção diferente do que apontar paralelo à linha central do carro.  Ele não aumenta ou diminui sua velocidade (desprezando o atrito!), mas algo muda, porque o carro está virando! O vetor de velocidade das rodas fazendo ele ir a 60 km / hora não mudou de comprimento, mas sim uma força adicional numa direção diferente foi aplicada, de modo que agora o vetor de velocidade torna-se o resultado de duas forças diferentes (duas setas que atuam no centro do carro). Contanto que você mantenha o volante no mesmo ângulo, a mesma força está sendo aplicada quer virar o carro, e move-se em torno de um círculo a uma velocidade constante.

Você pode ver que existem dois tipos de aceleração: mudanças na velocidade de movimento, mais rápido ou mais lento - apenas uma mudança de valor numérico simples na distância pela relação unidade de tempo sem referência a qualquer direção - e alterações à direção do movimento - apenas uma mudança angular da direção no espaço que alguma coisa está se dirigindo, sem referência a quão rapidamente ao longo do seu caminho ou trajetória está em movimento. Ambos os tipos de mudança são o resultado de uma força sendo aplicada a um objeto.

Multiplicar dois vetores em conjunto é um pouco mais complicado. Pense num parafuso muito grande numa tábua de madeira onde a ranhura na cabeça representa o primeiro vetor e o segundo vetor é desenhado na tábua. Como o parafuso é torcido no sentido horário até que a ranhura alinhe com o segundo vetor, o parafuso vai se mudar para a tábua em ângulo reto com ambos, a ranhura e o segundo vetor. A quantidade de movimento depende das dimensões do parafuso e do montante que for torcido. O produto do vetor transversal é um pouco como isso.

Multiplicando dois vetores em conjunto, utilizando o resultado do produto transversal em outro vetor em ângulo reto para ambos os vetores anteriores - ou seja, perpendicular ao plano que contém os dois vetores anteriores. A direção do novo vetor é dada pela direção de movimento do nosso parafuso imaginário. A magnitude (comprimento) do novo vetor depende tanto do ângulo torcido quanto do tamanho dos vetores originais.

Tal como no caso do nosso parafuso, se os vetores estão alinhados (paralelos) em primeiro lugar, então nenhum movimento do parafuso acontece. O produto cruzado de vetores alinhados é zero.

Mais formalmente, em coordenadas cartesianas, se um vetor na direção x é cruzada com um vetor na direção y, então o resultado é um vetor na direção z. A magnitude do vetor resultante é o produto triplo dos comprimentos dos dois vetores originais e o seno do ângulo menor entre elas. Se eles são paralelos, o ângulo entre elas é zero. Como seno (0 °) é igual a zero, nesse caso, não existe uma força resultante na direção z.

O efeito é muito semelhante ao efeito giroscópico na rotação de sólidos: uma força num sentido resulta em movimento numa direção em ângulo reto. Isto é conhecido como precessão.

Voltando à Lei da Força de Lorentz, vemos que a força total é composta de duas partes. A primeira parte é QE, que é o produto do valor escalar da carga sobre a partícula e a intensidade do campo elétrico do vetor. A magnitude da força, devido ao campo elétrico é o produto da carga sobre a partícula e a força do campo elétrico.

Note-se que a força, devido ao campo elétrico é constante e na direção de E, por isso, vai causar uma aceleração constante da partícula na direção de E de acordo com as leis de Newton sobre movimento, numa direção para uma carga positiva, e na direção oposta para uma carga negativa.

A segunda parte da equação, Q (U × B) é mais interessante. Aqui temos dois vetores multiplicados em conjunto, utilizando o produto cruzado e depois multiplicado pela carga sobre a partícula. Assumindo que a partícula não estava movendo em alinhamento com o campo, em primeiro lugar, quando a força seria zero, então o resultado será uma força que é em ângulos retos tanto para a direção de movimento da partícula e do campo magnético. Esta explicação (em inglês) da Regra da Mão Direita (em português) vai explicar a força "condutora" que um campo magnético, numa direção específica, exerce sobre uma partícula carregada que entra no campo.

Uma força em ângulo reto ao movimento é uma força centrípeta (definição: "em direção ao centro"). O campo magnético irá, por conseguinte, fazer com que a partícula carregada se mova em um círculo num plano perpendicular à direção do campo magnético. À medida que a partícula se move em volta do círculo a sua velocidade em qualquer ponto ainda terá um componente em ângulo reto com o campo magnético, e por isso ainda irá experimentar uma força centrípeta que a manterá em movimento no círculo. Sua direção está mudando constantemente, mas sua velocidade escalar (m / s) mantém-se inalterada, sob esta condição.

Um caso simples é considerar o que acontece quando uma partícula carregada em movimento entra em um campo magnético (fixo). Para simplificar, vamos ignorar quaisquer efeitos que a partícula pode ter sobre o campo magnético. Se ela entra no campo paralela à direção do campo, ela experimenta nenhuma força e nada sobre a sua velocidade (velocidade escalar ou direção) altera. Se ela entra no campo com um ângulo reto com a direção do campo, o traçado irá simplesmente curvar em um círculo que se fecha sobre si mesmo.

Sem um campo elétrico, a lei de Lorentz lê (força centrípeta) F = Q (U × B). A força aplicada à partícula carregada é diretamente proporcional a Q, a carga da partícula, a U, o vetor de velocidade, e a B, o vetor de campo magnético. O significado de U × B  é U vezes B vezes o seno do menor ângulo entre os dois vetores, o que significa que UB é multiplicado pelo seno do ângulo, de modo que o seu efeito varia de zero a 1. Na ilustração comparativa abaixo, a carga da partícula e o campo magnético são mantidos constantes e a velocidade da partícula, uma vez que entra no campo aumenta da esquerda para a direita. Quanto mais rápida a partícula estiver se movendo, maior será o raio do movimento circular resultante, porque o raio r é uma medida da quantidade de movimento linear da partícula mU onde m é a massa da partícula: R = mU ÷ (| Q | B). O mesmo resultado se aplicaria se a carga fosse aumentar enquanto as outras duas variáveis fossem mantidas constantes.

Se a partícula carregada entra no campo magnético com um ângulo oblíquo, com um componente do seu vetor de movimento na direção do campo, isto é, com um ângulo entre zero e 90 graus para a direção do campo, ela irá "desviar" na direção paralela ao campo, enquanto o campo força a partícula a entrar num movimento circular. Este caminho circular “à deriva” traça uma hélice ou espiral. O "centro de orientação" do círculo segue uma linha de campo do campo magnético. O raio r é conhecido como o raio Larmor ou raio cíclotron. Nas três figuras que se seguem, o ângulo de entrada da partícula e a força do campo magnético, B, permanecem os mesmos, com um pequeno movimento de desvio para a direita. A velocidade de entrada inicial é aumentada passo a passo a partir da esquerda para a direita, para mostrar que quanto mais rápido uma partícula carregada entra num campo magnético, maior será o seu raio de curvatura.

Na série de imagens abaixo, o vetor de entrada verde, tocando as linhas de campo magnético e elétrico, mostra de que maneira uma partícula positivamente carregada (por convenção) está movendo enquanto "penetra" o campo(s). A partícula poderia estar indo em qualquer direção ao longo desta linha de vetor na entrada, então há duas trajetórias que saem da ponta do vetor verde, como você vai ver. Se a partícula fosse carregada negativamente, ela iria acelerar na direção oposta, e se fosse mais pesada ou se movesse mais rápido, ela teria um círculo de diâmetro maior do que o representado. Do mesmo modo, se os campos magnéticos ou elétricos fossem alterados, mantendo outros fatores constantes, isto iria alterar de forma semelhante o comportamento da partícula. Os “tubos” estreitos laranja representam a trajetória da partícula resultante das condições de entrada.

Assim que uma partícula carregada entra num campo magnético uniforme B, o seu caminho é curvado em um círculo cujo raio r é proporcional à sua quantidade de movimento linear, vezes a velocidade de massa (mU). A velocidade da partícula não muda, assim sua energia cinética é inalterada, e o campo não exerce trabalho sobre a partícula. Isto é análogo a gravidade exercendo uma força centrípeta contínua em um satélite em órbita no espaço. A direção do campo magnético é mostrada por uma linha axial azul; ângulo de entrada da partícula por uma linha radial verde.


Como o ângulo de entrada da partícula para o campo B muda de perpendicular para paralelo, sua trajetória será alterada para uma espiral. A espiral irá diminuir em raio a medida que o ângulo diminui de 90 graus para a direção do campo magnético e se aproxima de zero ou paralelo ao campo. Note a mudança do ângulo do vetor de entrada verde, esquerda para a direita, e o alongamento helicoidal. As imagens acima foram criadas com o programa Mathematica Demonstrations

A força total será o vetor resultante das forças elétricas e magnéticas e depende do ângulo entre os dois campos (imagens abaixo).

Se os campos elétricos e magnéticos são paralelos (mais tarde faremos considerações na situação de corrente alinhada ao campo), então uma partícula carregada que se aproxima radialmente à direção axial dos campos será obrigada a mover-se numa trajetória helicoidal alinhada com a direção dos campos. Isto quer dizer, a partícula irá acelerar (mudar constantemente a sua direção para espiral em torno da direção axial do campo magnético) como um resultado da força de Lorentz, e simultaneamente vai acelerar (alterar a sua velocidade escalar) na direção do campo elétrico. Isto faz sucessivas revoluções cada vez mais distantes a medida que o componente de velocidade da partícula na direção do campo E aumente com o tempo.

Nesta situação de campo alinhados (campos paralelos E e B) uma trajetória de partícula tem a circularização centrípeta da força magnética aplicada ao mesmo tempo que o vetor de campo E (vermelho) obriga a acelerar axialmente. Com o tempo a partícula se move quase paralela aos campos.

Se a partícula carregada entra no campo associado alinhado axialmente (paralela ao campo magnético), ela experimenta campo magnético nenhum, de modo que a força para girar em torno de um centro de orientação não é exercida. O campo elétrico, porém, ainda irá acelerar a partícula ao longo das linhas de campo. Dependendo da sua carga, se a partícula entra na direção da força de aceleração, sua velocidade aumenta. Se ela entra em contra esta força, ela desacelera e pode até parar e acelerar de volta na direção oposta. Recorde-se que o "sentido" de um campo elétrico é definido como o sentido que a sua força é aplicada a uma partícula carregada positivamente.

Se os campos não estão alinhados, várias combinações de trajetória podem ocorrer dependendo das particularidades da carga, a intensidade de campo, sentido de entrada e desalinhamento angular dos campos magnéticos e elétricos.

Com um campo elétrico constante presente, sua tendência geral será a de acelerar partículas cada vez mais estreitamente alinhadas com as suas linhas de campo, e a velocidades crescentes. As imagens acima foram criadas com Mathematica Demonstrations

Embora estas trajetórias possam parecer complexas, elas envolvem apenas uma única partícula carregada de cada vez, com os campos elétricos e magnéticos constantes, com a mesma velocidade de entrada. Na prática, muitas partículas carregadas de diferentes polaridades e vetores de velocidade podem ocupar um volume de espaço de uma só vez, e suas interações elétricas e magnéticas afetarão os valores de campo em que se movem.

Também pode haver partículas neutras presentes, bem como o pó e grãos e corpos grandes, todos os quais podem exercer outras forças (gravidade, viscosidade, colisões) sobre as interações do plasma.

Campo alinhado de elétron relativístico produzindo raios-X comprimento de onda de radiação sincrotron

Notamos de passagem que os efeitos secundários dos elétrons relativísticos em espiral em torno de linhas de campo magnético no espaço são muitas vezes detectados sob a forma de radiação sincrotron. A partir da consideração da lei de força de Lorentz, sabemos que deve doravante haver um campo elétrico alinhado com o campo magnético e que o movimento axial dos elétrons em espiral com um componente de velocidade paralelo ao campo magnético constitui uma corrente de campo alinhado. Estas correntes são correntes de Birkeland; eles ocorrem em muitas escalas cósmicas.

4.4 Outros efeitos das equações de campo

Vale a pena relembrar alguns resultados básicos decorrentes da aplicação das equações de campo eletromagnético.

1. Os campos elétricos causam uma força sobre todas as partículas carregadas.
   
2. A força elétrica estará em direções opostas para partículas com cargas opostas; por conseguinte, um campo elétrico vai produzir velocidades opostas de íons e elétrons e assim tende a separá-los. Separação de carga no espaço é importante em física do plasma.
   
3. Os campos magnéticos atuam apenas sobre partículas carregadas em movimento, com um componente de movimento perpendicular ao campo magnético. Uma vez que a força depende do produto cruzado dos vetores de velocidade e de campo, o efeito será diferente em direções diferentes. Isto resulta numa resistência elétrica dependente da direção. Pense que está tentando nadar em linha reta através de um rio, em vez de com a corrente da água.
   
4. A direção da força magnética é dependente do momento e da carga; íons e elétrons, portanto, circulam em direções opostas com diferentes raios e os períodos de rotação.
   
5. Um volume de plasma movendo-se na direção de um campo magnético fará com que um campo elétrico local se desenvolva o que causará novas forças sobre as partículas carregadas.
   
6. Alterações na distribuição de partículas carregadas causará uma mudança no campo elétrico entre eles; um campo elétrico alterado gera uma alteração no campo magnético.
   
7. As Equações de Maxwell e da Lei da Força de Lorentz agem juntas como um circuito de retorno que modifica os movimentos das partículas carregadas e os campos de maneiras complexas.
   

4.5 Substituindo correntes com campos magnéticos

A questão que surge é se correntes elétricas podem ser substituídas por campos magnéticos utilizando equações de Maxwell, o que tornaria as soluções muito mais fáceis.

A resposta é, tecnicamente, sim elas podem, em determinadas situações simples, e isso muitas vezes é feito em teorias e modelos de magneto-hidrodinâmica porque é mais conveniente para o estudo de certos fenômenos do plasma. No entanto, há muitos aspectos do comportamento do plasma onde ele é necessário e crucial para considerar o movimento de partículas carregadas porque simplesmente considerando o comportamento do campo não pode modelar a complexidade observada do comportamento do plasma.

A situação é análoga à dualidade onda-partícula na física de partículas: existem algumas situações em que é necessário usar a descrição de partículas.

Exemplos de comportamento do plasma exigindo o uso da descrição de partícula ou corrente incluem celularização e filamentação, transporte de energia, e instabilidades. Consideração de correntes elétricas e circuitos também requer a utilização da descrição baseada em partículas.

Simplesmente considerando apenas os efeitos de campo nessas situações vai perder a verdadeira complexidade do comportamento do plasma. Vamos olhar para alguns destes comportamentos mais complexos a seguir.

Galáxia Centaurus A como vista pelo Chandra na "luz" de raios-X, com jato de plasma central e estruturas de plumas resultantes abrangendo dezenas de milhares de anos-luz

(EG2EU) – Capítulo 5 Bainhas de Plasma, células e camadas duplas de correntes livres
Publicado em 03 de dezembro de 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

Cor avermelhada da aurora de Saturno é característica do plasma de hidrogênio ionizado. Alimentado pelo equivalente de Saturno das (filamentosas) correntes de Birkeland, córregos de partículas carregadas do meio interplanetário e do vento solar interagem com o campo magnético do planeta afunilando para as regiões polares. Camadas duplas estão associadas com correntes filamentosas e correntes difusas, e seus campos elétricos aceleram íons e elétrons. Créditos de imagem: Wiki Commons; J.Trauger (JPL), da NASA, o Telescópio Espacial Hubble

5.1 Temperatura e potencial do Plasma

Vimos que a temperatura é uma medida da energia térmica das partículas em questão. Mais especificamente, a temperatura é uma medida da energia cinética do movimento térmico aleatório das partículas.

Um elétron tem apenas 1/1840 da massa de um próton (aproximadamente), então elétrons terão velocidades muito mais elevadas do que os íons à mesma temperatura. Isto é porque a energia cinética é proporcional à massa da partícula e o quadrado da sua velocidade, KE = 1/2 mv². Portanto, à mesma temperatura, a relação de velocidades será inversamente proporcional à raiz quadrada da massa de partículas.

Por exemplo, a velocidade média de elétrons será de cerca de 43 (isto é., √1840) vezes maior do que a velocidade de um só próton. Se os íons positivos no plasma são mais pesados do que um único próton, então a diferença aumentará em conformidade.

O que é mais, por causa do princípio da conservação do Momentum, um elétron tenderá a sofrer uma grande mudança em sua velocidade do que um íon faz numa colisão entre as duas partículas.

As elevadas velocidades dos elétrons resultam em interações mais rápidas, o que significa que os elétrons atingem o equilíbrio termodinâmico ("a mesma temperatura") entre si muito mais rápido que os íons fazem. Qualquer aumento na velocidade, quer a partir de colisões ou entradas de energia externas, portanto, é repartida entre os elétrons muito rapidamente.

Por estas razões, é comum que a temperatura do elétron no plasma seja diferente da temperatura do íon. Muitas vezes, a temperatura do elétron será maior do que do íon ou a temperatura ambiente. Isto é especialmente comum em plasmas fracamente ionizados, onde os íons estão frequentemente perto da temperatura ambiente, enquanto os elétrons que se deslocam mais rápido têm altas temperaturas. Referência sobre temperatura do plasma no Wikipedia aqui.

Em um plasma a temperatura é muitas vezes expressa como um potencial térmico que é igual à queda de potencial (mudança na voltagem) por meio do qual as partículas teriam que cair a fim de obter a mesma quantidade de energia. A energia cinética pode em seguida ser expressa em elétrons-volt ou eV.

Quanto mais quente o plasma, mais rápido os elétrons e íons estão se deslocando em movimento térmico aleatório e maior o seu potencial. Um potencial de 1 eV é equivalente a uma temperatura de 11.604,5 K. partículas com potenciais de muitas ordens de grandeza mais elevada são comuns no espaço.

Nota: é preciso ser cauteloso sobre a conversão entre elétron-volts e temperaturas térmicas no plasma. Os plasmas podem tornar-se ordenados de modo que partículas carregadas seguem caminhos que estão alinhados com a direção do campo magnético local que o acompanha. Esses fluxos de correntes são denominados correntes alinhadas ao campo. Sob esta condição, as partículas carregadas estão movendo-se aproximadamente paralelas uma à outra, e, em parte, devido à baixa densidade de partículas, a variedade de colisões térmicas podem tornar-se muito raras.

A alta temperatura alegada para a coroa solar é baseada em observações espectroscópicas da luz (radiação eletromagnética incluindo frequências fora da luz visível) que indicam o quanto de ionização de átomos ocorreu. A energia de ionização em eV é inferida a partir de comprimentos de onda da luz emitida, e convertida pela fórmula acima a temperatura equivalente. O aspecto térmico da temperatura que é causado por um grande número de colisões aleatórias não está necessariamente presente, mesmo que tenha havido uma fonte de energia suficiente para remover elétrons para longe dos seus núcleos. Os elétrons podem ser rápidos (energético), enquanto suas taxas (térmicas) de colisão são baixas.

A alta velocidade dos elétrons é especialmente importante para compreender muitos aspectos do comportamento do plasma, incluindo galáxias de rádio, jatos galácticos e estelares, e produção de radiação sincrotron e raios cósmicos.

5.2 Desenvolvimento de bainhas de superfície

Se o plasma é contido dentro de um tubo de laboratório ou outro recipiente, os elétrons e íons no plasma terão impacto sobre as paredes do recipiente com uma frequência proporcional à sua velocidade. Com o impacto, as partículas são absorvidas pelas paredes.

À medida que os elétrons têm velocidades muito maiores do que os íons, a taxa de impacto de elétrons será muitas vezes maior do que os impactos do íon. Como resultado, as paredes do recipiente vão adquirir uma carga negativa.

À medida que a carga negativa sobre a superfície se desenvolve, os elétrons que chegam tenderão a ser repelidos da superfície. Apenas os elétrons com uma velocidade suficiente para superar a repulsão serão ainda capazes de impactar a superfície. A carga negativa na superfície vai continuar a aumentar até que o número de elétrons batendo na superfície é igual ao número de íons positivos que chegam. O plasma e a superfície terão alcançado um equilíbrio, ou estado estacionário.

No estado estacionário, apenas os elétrons mais rápidos ainda serão capazes de obter através do gradiente de potencial adverso da superfície negativa. A maioria dos elétrons será impedida de se aproximar da superfície. Isto resulta em uma camada de plasma adjacente à superfície, no qual os íons superam os elétrons. Esta camada positiva é conhecida como Bainha de Debye.

Efeitos similares são encontrados quando a superfície está carregada positivamente ou negativamente, ligando a uma fonte de potencial tal como uma bateria. A carga na superfície repele como cargas no plasma, deixando para trás uma bainha de cargas opostas.

5.3 Extensão de uma bainha

Uma bainha de superfície não tem uma fronteira física definida, mas pode ser considerado término onde o potencial resultante da superfície negativa e a bainha positiva atuando em conjunto equilibram o potencial do próprio plasma. Em outras palavras, o limite de uma bainha é onde o potencial é apenas suficiente para repelir elétrons com energia igual ao potencial do plasma.

Por exemplo, se o potencial do plasma é + 1V então o limite nominal terá um potencial de -1V. A explicação é a seguinte: O limite tem um potencial negativo, porque a bainha deve repelir elétrons que se aproximam. Os elétrons no plasma têm uma energia cinética de 1eV. Portanto, a bainha precisa de -1V potencial para parar os elétrons que se aproximam de atingir a superfície.

Isto é análogo a rolar uma bola até a colina. Se a bola tiver energia cinética suficiente, então ela vai chegar ao topo. Se não, ela vai avançar uma parte do caminho antes de chegar a uma parada e então rolará para baixo novamente. O potencial da bainha é análogo à altura da colina.

Nota-se que a bainha não tem uma aresta "rígida" e de facto o campo potencial proveniente da superfície negativa continua após a "fronteira" da bainha. No entanto, a fronteira pode ser tomada como o ponto em que a superfície negativa é efetivamente "neutralizada" pela bainha porque elétrons com o potencial de plasma são 'refletidos' de volta para o plasma nesse ponto.

Químico americano e Prêmio Nobel Irving Langmuir desenvolveu métodos de medição e observações de ações do plasma. Uma interessante e útil palestra PDF, Plasma, bainhas e Superfícies - A Ciência da Descarga de Irving Langmuir, pode ser encontrada aqui (em inglês).

5.4 Corpos carregados em um Plasma

Bainhas similares se formarão em torno de qualquer corpo carregado num plasma em que o corpo tem um potencial diferente do próprio plasma. O plasma isola efetivamente o corpo estranho através da formação de uma bainha em volta dele. A bainha tenderá a filtrar o campo eletrostático da carga alheia, da mesma forma que uma bainha tende a isolar uma superfície carregada negativamente. O corpo, eventualmente, pode ser neutralizado por cargas opostas que absorve.

Se ao corpo carregado pode ser artificialmente dada uma carga positiva ou negativa, ligando-o a uma fonte externa tal como uma bateria, íons ou elétrons, dependendo da carga, serão atraídos para o corpo e por isso uma corrente irá fluir. Por cuidadosa medição da corrente para uma gama de tensões, é possível medir o potencial do próprio plasma. Tal dispositivo é chamado de sonda de Langmuir após Irving Langmuir, 1881-1957.

O fluxo de corrente do vento solar pode ser observado em planetas com campos magnéticos que têm "cúspides" ou "buracos" polares que orientam as partículas carregadas para baixo e através do corpo, criando auroras na atmosfera superior.

Lapso de tempo de meia hora da evolução da aurora oval da Terra, visto nesta imagem da NASA em luz ultravioleta (cor falsa)

Em escalas menores, algumas luas planetárias se movem em órbitas cheias de plasma, com fluxos de partículas carregadas dirigido a partir de regiões polares das luas ao longo das linhas do campo magnético para, e de “focos” nas auroras ovais do planeta maior. Exemplos incluem Ganimedes, Europa e Io em Júpiter, Enceladus em Saturno, e, possivelmente Urano e Netuno também.

Campo alinhado de correntes polares Io-Júpiter ou "tubos de fluxo", criando não vulcões, mas enormes descargas elétricas de longa duração que erodem a superfície de Io e depositam seus restos como íons e compostos em seu toro de plasma. Crédito: NASA / Cassini Equipe da imagem

Saturno e suas conexões elétricas polares com Enceladus.  Acima de Enceladus, medição da seção transversal da corrente do tubo; Jatos do polo sul de Enceladus onde a corrente está erodindo a superfície gelada para depositá-la na ionosfera e toro de plasma de Enceladus, semelhante a Io, acima. Equipe de Imagem NASA / Cassini

5.5 Celularização no Plasma

Efeitos similares também ocorrem entre duas regiões adjacentes de plasma com características diferentes. Por exemplo, as duas regiões podem ter diferentes temperaturas, densidades e graus de ionização. Nesta situação, as diferentes distribuições de velocidade nas duas regiões irão configurar uma bainha dupla no limite em que cada região se isola eficazmente da outra.

A dupla bainha vai consistir em finas camadas adjacentes de carga positiva e negativa, separados por uma distância relativamente pequena. É um tipo de Camada Dupla. Porque correntes dirigidas do exterior não estão envolvidas, bainhas entre regiões diferentes de plasma são conhecidas como Camadas Duplas de Corrente Livre (CFDL – sigla em inglês). Mais sobre camadas duplas no plasma aqui (em inglês). Observe especialmente as referências externas, documentos e publicações referenciadas na parte inferior deste artigo. Camadas duplas e bainhas são fenômenos bem conhecidos na dinâmica de plasma, descrita nos livros didáticos e melhor descrito na discussão do Wiki da equação Vlasov-Poisson:

"Em geral, as distribuições de plasma perto de uma camada dupla são necessariamente fortemente não-Maxwelliana, e, portanto, inacessível aos modelos de fluidos. A fim de analisar as camadas duplas na generalidade completa, o plasma deve ser descrito utilizando a função de distribuição de partículas, que descreve o número de partículas de espécies α tendo aproximadamente a velocidade v perto do lugar x e do tempo t "

¹ [Da Wikipédia, aplicações físicas de Maxwell-Boltzmann Distribuições: A distribuição de Maxwell-Boltzmann aplica-se a gases ideais perto do equilíbrio termodinâmico com efeitos quânticos negligenciáveis e em velocidades não-relativistas. Ela é a base da teoria cinética dos gases, o que explica muitas propriedades fundamentais do gás, incluindo pressão e difusão. ] (Ênfase dada pelo Editor)

Importância da referência acima: Esta é a razão que as equações hidrodinâmicas e magneto-hidrodinâmicas convencionais de fluxo de fluido são inadequadas para uma descrição matemática completa e razoavelmente precisa da dinâmica do plasma. Consequentemente, o método computacional chamado partícula-na-célula (particle-in-cell - PIC) de simulação foi desenvolvido para a modelagem de plasma em sistemas de computador massivamente paralelos na década de 1980. Aqui está um artigo da Wikipedia sobre PIC, e aqui (ambos em inglês) é um artigo mais técnico sobre o assunto.

5.6 Formação de uma camada dupla de corrente livre (CFDL – sigla em inglês)

Vimos que CFDLs são formadas entre as regiões de plasma com características diferentes. Como exemplo, vamos considerar o efeito de uma diferença de temperatura (em elétron-volts, ref. 5.1 acima).

Isso faz com que um campo elétrico suba, o que vai acelerar elétrons de volta para a região mais quente. Um fluxo líquido de elétrons para a região fria vai continuar a erguer o campo elétrico até que seja atingido um equilíbrio entre o número de elétrons mais quentes que se deslocam para a região fria e o número de elétrons sendo acelerados de volta para a região quente pelo campo elétrico.

Crédito: imagem de camada dupla de "Uma revisão de camada dupla", Lars P. Block, Instituto Real Sueco, Estocolmo; Astrofísica e Espaço Ciência, de julho de 1977

Crédito: "Na Física de Camadas duplas Relativísticas", Per Carlqvist, Departamento de Física do Plasma do Instituto Real de Tecnologia de Estocolmo; Astrofísica e Espaço Ciência, 1982

As regiões finas perto da fronteira contendo um excesso de íons ou elétrons constituem uma camada dupla na fronteira que tem um campo elétrico e queda potencial associada através dele.

A formação de bainhas em fronteiras entre diferentes regiões de plasma cria células de plasma. Esta celularização é uma característica definidora do comportamento de plasma. Gases não se comportam desta forma, o que é uma razão pela qual não é possível aplicar leis dos gases em plasmas.

5.7 Similaridade a Mecânica dos Fluidos

À primeira vista, uma Camada Dupla (DL - Double Layer, em inglês) parece ser algo como uma onda de choque em dinâmica dos fluidos. Com efeito, uma DL realmente partilha algumas características de uma onda de choque em que se separa regiões de diferentes características e ações de modo a acelerar o meio.

No caso de DLS, no entanto, a aceleração ocorre como resultado do forte campo elétrico criado entre as camadas de cargas opostas. À medida que a força do campo elétrico depende da carga sobre a partícula, íons e elétrons são acelerados em sentidos opostos. Partículas neutras não são aceleradas de modo algum pelo campo elétrico, mas podem ser arrastadas por meio de efeitos viscosos ou outros.

Note-se que a formação de camadas duplas não pode ser eficazmente modelada por análises de fluido como magneto-hidrodinâmica (MHD), porque é causada por e é dependente de movimentos das diferentes partículas individuais, e não sobre a maior parte do movimento do plasma.

Camadas duplas são um dos aspectos mais importantes das características de auto-organização de plasma cósmico, como veremos.

Imagem adaptada a partir de fontes acima para ilustrar as relações de carga e do potencial do campo elétrico num DL - J. Johnson, 2011

A introdução geral à Física de Plasmas do ponto de vista da Wikipédia pode ser encontrada aqui, incluindo propriedades, fenômenos e modelos matemáticos. Enquanto a Wikipedia muitas vezes tem artigos bem escritos, como qualquer outra coisa ela pode às vezes não ser confiável ou incompleta, ou propensa a edição tendenciosa, por isso tenha sempre cuidado ao avaliar artigos da Wiki, bem como outras fontes

(EG2EU) – Capítulo 6 Correntes, filamentos e apertos
Publicado em 06 de dezembro de 2011 por Bob Johnson - Jim Johnson

Nebulosas planetárias exibem frequentemente simetrias bipolares características com um aperto centrado do plasma, jatos polares, e um toro equatorial. Imagem cedida pela NASA, a ESA e a equipe da herança de Hubble

6.1 Movimento térmico e correntes

É importante fazer a distinção entre o movimento térmico aleatório e movimento linear uniforme num plasma. O último é uma corrente elétrica que flui, devido à presença de um campo elétrico.

O movimento térmico aleatório é medido pela temperatura do plasma, ou pelas temperaturas dos íons e elétrons se separadamente as suas temperaturas são diferentes. Este movimento, sendo um movimento de partículas carregadas, é também uma forma de corrente, mas que oscila em torno de uma posição média, em oposição ao movimento em apenas uma direção. Estritamente falando, a temperatura só pode ser uma medida precisa da energia se a distribuição de velocidades de partículas individuais é de Maxwell, isto é, se a distribuição é equivalente ao que resultaria de colisões elásticas entre as partículas.

Movimento linear uniforme resultada de um campo elétrico e representa uma corrente de deriva. Todas as partículas com o mesmo sinal de carga (positivo ou negativo) movimentam na mesma direção sob a influência do campo elétrico. Isto é, num plasma, onde existem aproximadamente números iguais de partículas positivas e negativas ("neutralidade"), encontramos as partículas carregadas positivamente que se deslocam em conjunto, numa direção oposta à do movimento dos elétrons.

Todas as partículas têm energia cinética, que pode ser elevada, mas que não têm uma temperatura como resultado deste movimento linear. Isso porque a temperatura só é usada para medir a energia das partículas com velocidades aleatórias, passando por colisões. Como ambos os tipos tendem a mover-se ao longo de percursos mais ou menos alinhados ou paralelos, e densidades de plasma são relativamente baixas, as colisões são menos comuns e condições de colisão Maxwelliana não são obtidas.

Os dois tipos de movimento existem simultaneamente onde uma corrente está fluindo. O movimento de corrente ou deriva das partículas é sobreposto aos movimentos aleatórios. Outra maneira de olhar para isso é pensar na posição média do movimento aleatório como movendo-se com a velocidade de deriva na direção da corrente.

6.2 Correntes de elétron e Íon

Vimos que os elétrons adquirem velocidades muito maiores do que os íons, devido à sua menor massa. No entanto, um elétron carrega a mesma magnitude da carga (negativa) como um próton carregado positivamente, a forma mais leve de íon. Portanto, a velocidade maior dos elétrons significa que eles são mais eficazes do que os íons a condução de corrente num plasma.

A relação entre a corrente de elétrons para a corrente de íons em uma corrente de plasma não relativista é proporcional à raiz quadrada da relação inversa das massas. Para o mais leve íon positivo, um próton, isto significa que a corrente de elétrons é cerca de 43 vezes maior do que a corrente de íons. [Se a massa de um elétron é tomada como 1, a massa de um próton seria cerca de 1836 vezes maior): √ (1836 ÷ 1) = 42,85] Em muitas situações, é o movimento dos elétrons que determina o comportamento do plasma.

6.3 Corrente nos Tubos de descarga de laboratório

Plasma tem sido estudado em experimentos de laboratório por mais de cem anos, e uma vasta quantidade de dados e análise experimental já está disponível. Uma das experiências fundamentais envolve um tubo de descarga luminescente em que uma corrente passa através de um gás de baixa pressão, tais como vapor de mercúrio. Isto causa a ionização do gás e criação de um plasma no interior do tubo.

Tubo evacuado (gás de baixa pressão) com anodo e catodo e fonte de alimentação de alta tensão. Crédito da imagem: Creative Commons Wiki

6.4 Os tubos de descarga luminescente

Muitas descrições de tubos de descarga estão disponíveis e não serão aqui repetidos em detalhe. Os pontos mais importantes para o presente propósito são os seguintes:

1. Dentro do tubo, existem bandas visíveis ao longo do eixo, em que o plasma é visto brilhando, intercaladas com bandas “escuras'', onde não existe tal brilho. As diferentes bandas representam dois dos três modos possíveis de funcionamento do plasma quando transporta uma corrente.
   
2. As faixas escuras representam, sem surpresa, a Corrente em Modo Escuro. Nestas regiões, a velocidade dos elétrons é inferior ao necessário para provocar excitação visível dos átomos de gás neutro, embora a ionização comece a ocorrer com correntes mais altas. No entanto, a radiação será emitida em comprimentos de onda fora da luz visível mesmo na Corrente em Modo Escuro e por isso pode ser detectada por meios não-ópticos.
   
3. As bandas brilhantes representam o Modo de Brilho Normal. Aqui, a velocidade dos elétrons provoca a ocorrência da ionização. O brilho é causado pela radiação dos elétrons de átomos neutros depois de terem sido animados por colisões com rápidos elétrons livres.
   
4. O terceiro modo de operação possível do plasma é o Modo de Arco, comum em aplicações de soldadura dolorosamente brilhantes ou relâmpago, por exemplo.
   
5. Voltando ao tubo de descarga luminescente, qualquer pessoa poderia esperar que a diferença de potencial entre os eletrodos causaria um campo elétrico uniforme ao longo do comprimento do tubo. No entanto, o plasma comporta-se de forma diferente.
   
6. Verificou-se que uma Camada Dupla (DL - Double Layer, em inglês) se desenvolve no tubo que modifica o campo elétrico aplicado externamente entre o ânodo e cátodo. A Camada Dupla se forma de tal maneira que a maior parte da queda de potencial ocorre entre as Camadas Duplas. Fora da região da Camada Dupla, a maior parte do restante do plasma é uma região de descarga luminescente conhecida como a coluna positiva. Isto pode estender-se por uma parte significativa do comprimento do tubo de descarga.
   
7. Dentro da coluna positiva existem números aproximadamente iguais de elétrons e íons. O plasma é aqui, portanto, quase neutro. Porque a maior parte da queda de potencial ocorre através da Camada Dupla, apenas um pequeno gradiente de voltagem constante, ou campo elétrico, existe no interior da coluna positiva.
   
8. Parece haver analogias entre a coluna positiva num tubo de descarga e o plasma dentro da heliosfera do Sol.
   
9. Outro resultado dos experimentos com tubo de descarga também é relevante para a nossa discussão do comportamento do plasma e será discutido na próxima seção.
   

6.5 A Densidade da Corrente - Curva de Tensão

Densidade da corrente de Plasma contra o diagrama de tensão (voltagem), modos de descarga elétrica

Se a densidade da corrente J (eixo x) é representada graficamente contra a tensão V (eixo y) em um tubo de descarga (densidade de corrente é a corrente dividida pela área do tubo de descarga), logo, verifica-se que os três diferentes modos de brilho do plasma correspondem a três seções diferentes de um gráfico descontínuo, conhecido como corrente vs tensão ou curva J-V.

Se a densidade da corrente J (eixo x) é representada graficamente contra a tensão V (eixo y) em um tubo de descarga (densidade de corrente é a corrente dividida pela área do tubo de descarga), logo, verifica-se que os três diferentes modos de brilho do plasma correspondem a três seções diferentes de um gráfico descontínuo, conhecido como corrente vs tensão ou curva J-V.

No modo de descarga escuro, a curva J-V aumenta com a tensão, embora não regularmente. Uma vez que a tensão atinge um valor alto o suficiente, ionização começa e a corrente começa a subir muito rapidamente por muito pouco aumento na tensão.

A descarga irá então mudar rapidamente para o modo de descarga luminescente. Isto é acompanhado por uma alteração dramática do passo na tensão. A tensão cai porque, quando um grande número de elétrons foi produzido por ionização, apenas uma pequena tensão é necessária a fim de gerar uma grande corrente.

Um efeito muito significativo muitas vezes ocorre na parte inferior da densidade da corrente da região de descarga luminescente. A voltagem realmente diminui com o aumento da densidade da corrente. Em outras palavras, o plasma considera mais eficiente transmitir a corrente a uma densidade de corrente mais elevada, porque a queda de voltagem é menor.

Em densidades de corrente ainda mais altas, a tensão aumenta novamente, o que significa que a seção de descarga luminescente da curva J-V tem um mínimo em um valor particular de densidade da corrente. Este mínimo representa o ponto de menor resistência para a transmissão da corrente total. Em plasmas cósmicos, este efeito pode ser significativo em causar a formação de filamentos de corrente ao confinar a corrente dentro de uma área particular da seção transversal.

Da mesma forma, no modo de descarga em arco extremamente brilhante, a tensão mais uma vez diminui com o aumento da densidade da corrente. Se o plasma é forçado a entrar no modo de arco, ele irá mais uma vez tender a filamentar de forma a reduzir a queda de tensão.

6.6 Corrente filamentar

Filamentação é observada como sendo um modo de comportamento normal para correntes num plasma, como evidenciado pela curva de J-V e por estruturas físicas no próprio espaço. Um artigo escrito pelo Dr. Anthony Peratt sobre filamentação pode ser encontrado aqui.


Em particular, correntes binárias (que consideraremos mais tarde) tendem a dividir-se em filamentos individuais devido ao desenvolvimento de vórtices. Estes vórtices são um tanto semelhantes aos encontrados nos fluxos de fluido com as camadas adjacentes de diferentes velocidades de fluxo (instabilidades Kelvin-Helmholtz).

A pequena lâmpada de plasma de cátodo central está rodeada por uma corrente binária esférica animada que é atraída para a cobertura de vidro exterior (anodo). Onde a corrente se estende para fora a partir da camada de superfície ela forma estruturas filamentosas, uma vez que se propaga através do meio de baixa pressão dentro da lâmpada. Crédito da foto: Luc Viatour / www.lucnix.be

Claramente, as condições no interior de um filamento de corrente vão ser diferentes das do resto do plasma. Isto faz com que uma camada dupla de corrente livre (CFDL - Current-Free Double Layer, em inglês) se forme no limite do filamento de uma forma normal, de tal modo que os elétrons mais rápidos são confinados ao filamento pelo campo elétrico no interior da Camada Dupla.

Podemos ver agora que os filamentos são de correntes transportando células de plasma alongadas com camadas duplas de corrente livre em seus limites.

Evidência de filamentos e correntes elétricas no espaço é abrangente. A existência de estrutura filamentar é admitida pela maioria dos astrônomos em todos os níveis, a partir do sistema solar até escalas galácticas e intergaláticas. A única área de desacordo entre o Modelo Elétrico e o Modelo da Gravidade é se esses filamentos são estruturas de transporte de corrente, naturalmente seguindo as leis da eletrodinâmica de plasma, ou de alguma forma "jatos" de fluidos com milhares anos-luz de comprimento, gravitacionalmente conduzidos de acordo com simulações de computador das forças hipotéticas da gravidade devido a matéria escura fria (CDM – Cold Dark Matter, em inglês).

Em um fluido, jatos tendem a se dissipar rapidamente em plumas de baixa velocidade.

Turbinas da aeronave expelem jatos de gás, vistos aqui como rastros de cristais de gelo precipitantes alguns metros de distância dos motores, que rapidamente se expandem e desaceleram até parar na atmosfera superior

No entanto, alguns jatos no espaço, por exemplo, o jato 4.000 anos-luz de comprimento da galáxia elíptica M87, parecem permanecer no estado jato por enormes distâncias antes de se dissipar em uma pluma. Isto pode indicar que os jatos não são jatos de fluido, mas filamentos elétricos.

O jato da galáxia M87. A galáxia é o nó brilhante, superior esquerdo, na luz visível (avermelhado); o jato se estende para baixo e para a direita, visto aqui em luz UV (branco e azul). Crédito da imagem: NASA / Hubble

Um importante artigo intitulado "Medição da Corrente em um Jato Escalar Kpc", foi publicado em 2011 no arXiv por Kronberg, Lovelace, et al, com base em suas investigações de um jato que emana da galáxia de rádio 3C303

Se assumirmos que eles são filamentos elétricos, então precisamos saber o que a teoria e a experiência pode nos dizer sobre como filamentos elétricos mantém a sua forma ao longo de distâncias astronômicas. Isto é discutido em seguida.

6.7 Apertos da corrente

Qualquer corrente I que flui num condutor ou filamento causará um campo magnético B em torno dele. As linhas de força magnética equivalente estarão sob a forma de anéis em torno do eixo da corrente. A força magnética irá diminuir com a distância radial a partir do eixo.

A partir da consideração da força de Lorentz, pode ser demonstrado que a interação entre a corrente I com o seu próprio campo magnético B irá causar uma pressão para dentro radialmente sobre o filamento da corrente, escrito como I × B (isto é, "I atravessa B" em terminologia vetorial). Isso é chamado de 'aperto' ou 'z-pinch' (na definição do fluxo da corrente como paralelo com a coordenada de direção 'z').

Em um condutor metálico, a pressão I × B é resistida pela estrutura reticular atômica do íon. Em uma corrente do plasma, a pressão pode ser equilibrada pela pressão do plasma no interior do filamento. Isso resulta em um estado estacionário em que a corrente pode fluir axialmente ao longo da sua própria azimutal ou campo magnético circundante. A equação de equilíbrio, é conhecida como a equação do aperto de Bennett ou ‘Bennett Pinch’.

Demonstrações de laboratório podem usar o efeito de aperto para esmagar latas de alumínio através da aplicação de um campo magnético forte muito rapidamente. A lata é esmagada antes que a pressão de dentro da lata seja capaz de desenvolver resistência suficiente à força do aperto. Forças do campo magnético de um raio podem criar um aperto interno que irá esmagar uma haste de aterramento de cobre sólido.

Esquerda: O campo gerado por uma descarga rápida de 2 kj através de um arame pesado de 3 voltas esmagou esta lata. Direita: Aperto feito pela natureza através de um relâmpago deformou esta haste de metal. Imagens de crédito: Wiki Creative Commons

6.8 Correntes de campo alinhados

No espaço, a pressão de gás neutro é geralmente insignificante, de modo que o equilíbrio entre a força I × B e a força de pressão não pode ocorrer. A única maneira que a situação pode ser resolvida é a força I × B desaparecer. Isto implica que I e B (direção da corrente e a direção do campo magnético) são paralelas e, por vetor de álgebra, o produto cruzado é zero.

Se outros campos magnéticos estão presentes, como eles são conhecidos por estar espalhados pelo espaço cósmico, então a força I × B deve ser calculada utilizando o campo magnético total, isto é, por adição da corrente própria B para corrente geral B, adicionados usando álgebra vetorial.

Assim, num espaço de plasma, a corrente I e o campo magnético total B realinham de modo a serem paralelos. Em outras palavras, a corrente segue o campo magnético: é uma corrente 'de campo alinhado'.

Mesmo se não houver um campo magnético externo, quaisquer pequenos elementos da corrente que flui num plasma tenderão a acumular-se naturalmente em correntes maiores que geram os seus próprios campos magnéticos e assim preservam o filamento da corrente.

O que acontece é que os elétrons mais próximos do centro do filamento fluem em linhas quase retas e geram um campo magnético azimutal (anel) em torno deles. Os elétrons mais distantes do centro são influenciados por este componente azimutal do campo magnético e movem em um caminho helicoidal mais alinhado com a direção da corrente principal. Este movimento helicoidal cria as linhas de campo magnéticas mais retilíneas perto do eixo, como se mostra no diagrama a seguir. Quanto mais próximo do centro do filamento, mais retilíneas serão as linhas do campo magnético e os caminhos dos elétrons.

Elétron flui numa corrente alinhada ao campo a diferentes distâncias do centro do filamento da corrente. Crédito da imagem: Wiki Commons

Qualquer elétron individual na corrente está então fluindo ao longo da direção do campo magnético na sua própria vizinhança, mas coletivamente, o filamento é preservado mesmo sem um campo magnético externo. Isto significa que correntes muito extensas podem ser juntadas de pequenas correntes individuais e transmitidas através de distâncias enormes.

Outra maneira de olhar para isto é a de considerar a resistência elétrica do plasma. Corrente fluindo através da direção do campo magnético vai experimentar mais resistência do que a corrente fluindo ao longo da direção do campo magnético por causa do termo I × B da lei da força de Lorentz. Com efeito, a resistência paralela é menor do que a resistência perpendicular, de modo que a corrente tende a fluir em alinhamento com o campo magnético.

6.9 Auto-constrição de Correntes

Análise matemática detalhada mostra que I e B interagem de tal forma que tanto I e B tendem a espiralar paralelas uma à outra em torno de um eixo alinhado com o B externo. O efeito líquido é que I e B ambos seguem uma trajetória helicoidal alinhada com a direção do campo exterior B.

Também se verificou que a interação dos componentes axiais e azimutal (anel) do helicoidal I e B causa tanto I e B serem confinados a um cilindro com um raio definido centrado no eixo.

Para resumir, a ausência de uma pressão significativa em plasmas espaciais faz com que as correntes fluam em filamentos cilíndricos alinhados com a direção do campo magnético geral. Dentro do filamento cilíndrico, tanto a corrente e o campo magnético vão espiralar em torno do eixo do cilindro, mantendo-se paralelas umas às outras.

Note-se que, se por qualquer razão, o alinhamento paralelo entre I e o total de B é perturbado, em seguida, uma força I × B irá surgir e causar ou compressão radial ou a expansão radial, dependendo de qual dos dois componentes é mais axial. Assim a compressão de um filamento pode ocorrer por causa de, por exemplo, alterações nos campos através dos quais a corrente filamentar estava fluindo.

6.10 Estabilidade de filamentos de corrente

Um outro fator significativo emerge a partir da análise matemática. A força livre ou o arranjo em campo alinhado é um estado de energia mínima para a corrente fluir. Isto significa que o arranjo em campo alinhado é inerentemente estável. A não ser que seja perturbado por fatores externos, correntes tenderão a permanecer alinhadas com o campo magnético.

Podemos ver agora como as correntes alinhadas ao campo podem persistir ao longo de grandes distâncias. As correntes alinhadas ao campo são, portanto, uma explicação muito mais provável dos "jatos" colimados (de fluxo paralelo) vistos se estendendo por centenas de milhares de anos-luz do que é a explicação do Modelo Gravitacional com base em fluxos de fluidos convencionais (ver 6.6 acima). O observatório de rádio do Reino Unido em Jodrell Bank tem coletado uma grande variedade de imagens de jatos galácticos vistos em comprimentos de onda de rádio, em seu Atlas de DRAGNs ('Double Radiosource Associated with Galactic Nuclei' ou fontes de rádio duplos associados com núcleo galáctico). Uma tal imagem é apresentada abaixo, mostrando um típico jato duplo:



O confinamento de correntes de campos alinhados filamentosos em corrente de cilindros definidos por forças eletromagnéticas também é consistente com a característica de queda da curva J-V observada em experimentos de laboratório em tubos de descarga. Se o plasma está em Modo Luminescente, o qual em plasmas espaciais pode significar um brilho em comprimentos de onda fora da gama visível, então o raio do cilindro da corrente será determinado por uma combinação dos efeitos dos campos elétricos e magnéticos e a forma da densidade da corrente - curva de Tensão. Leia mais sobre o processo de filamentação em z-apertos cósmicos densos neste artigo por físicos russos AB Kukushkin e VA Rantsev-Kartinov do Instituto Kurchatov, Moscou.

6.11 Condensação da Matéria

Um efeito mais relacionado com a força I × B também pode ser determinado por análise. Suponha-se que a corrente I é causada por um campo elétrico E. Agora, considere a força resultante da interação de E e B. Recordar que I tem tendência a ficar alinhada com o total B devido às forças sobre a própria corrente. Em seguida, o campo elétrico E provocador da corrente não estará totalmente alinhado com o total de B, que é a soma dos vetores do campo magnético externo através do qual a corrente flui, e o campo magnético azimutal gerado pela própria corrente.

Tal como acontece com a força I × B, existe também uma força E × B, sempre que E não é paralela à B. Esta força E × B atua em partículas carregadas na corrente do cilindro e faz com que ambos os íons e elétrons se movam em direção ao centro de um filamento. Plasmas muitas vezes contêm uma elevada proporção de grãos de pó carregados, que também serão arrastados para o filamento. Arrasto viscoso entre as partículas carregadas e átomos neutros tendem a puxar também os átomos neutros em direção ao filamento.

Por conseguinte, os filamentos da corrente no espaço tenderão a acumular matéria neles como um resultado do desalinhamento do campo elétrico causador da corrente e do campo magnético total.

Lembrando que apertos podem ocorrer se qualquer desalinhamento de I e B ocorrer, qualquer matéria que tenha sido arrastada para o filamento também será compactada se um desalinhamento de I e B ocorrer. Se a força de aperto é suficientemente grande, podem fragmentar o filamento em plasmóides esféricos discretos ou toroidais ao longo do eixo da corrente. Qualquer matéria na zona de aperto se tornaria então comprimida da mesma forma.

Uma vez que as forças eletromecânicas são muito mais fortes que a gravidade, este mecanismo oferece um meio pelo qual a matéria difusa pode ser acumulada e compactada de uma forma muito mais eficiente do que a compressão gravitacional de nuvens difusas de partículas de poeira finas.

[Nota do tradutor: penso q este mesmo processo possa justificar a formação de bolas de gelo numa chuva de granizo.]

Claro que, uma vez que a matéria foi suficientemente comprimida e se ela é neutralizada por recombinação de íons e elétrons, em seguida, as forças eletromagnéticas podem ser reduzidas ao ponto em que a gravidade se torna significativa e continua a compressão iniciada com as forças eletromagnéticas.

6.12 Convecção de Marklund

No caso de uma corrente cilíndrica, a força E x B é radialmente internalizada e resulta na auto-constrição de um filamento de corrente, como já vimos. Isso resulta num aumento na densidade das partículas perto do eixo da corrente. Duas coisas podem acontecer.

• A primeira é que o resfriamento por radiação a partir das regiões de densidade aumentada pode resultar numa diminuição da temperatura próximo ao centro, contrariamente ao aumento que se poderia intuitivamente esperar do aumento da densidade.
  
• A segunda é que a recombinação de íons e elétrons começa a ocorrer.
  

Cada elemento químico tem um nível de energia particular, conhecido como a sua energia de ionização, em que ele tanto poderá ionizar ou recombinar. Isto é análogo ao ponto de ebulição de um líquido tal como a água: a uma determinada temperatura, a fase ou o estado de matéria irá mudar de um estado para outro.

Se a energia cinética do movimento é equiparada com a energia de ionização, logo uma velocidade característica, conhecida como a Velocidade Crítica de Ionização (CIV - Critical Ionization Velocity, em inglês), pode ser derivada para cada elemento. Como a temperatura é uma medida da energia térmica, CIV pode ser relacionada com a temperatura. Os valores CIV de elementos comumente encontrados em espaço não são distribuídos aleatoriamente, mas são agrupados em quatro bandas distintas em torno de certos valores de velocidade. Dentro de cada banda, todos os elementos da banda têm CIVs semelhantes entre si.

Nas proximidades de uma corrente de campo alinhado, a força E × B provoca um desvio radial de íons e elétrons em direção ao eixo central mais frio. Por causa de suas CIVs diferentes, diferentes íons vão se recombinar em raios diferentes a medida que eles se movem em direção ao centro e entram em regiões progressivamente mais frias.

Este processo é conhecido como convecção Marklund após o físico sueco que a descobriu, Göran Marklund.

Convecção de Marklund e ordenação em uma corrente magnética comprimida. Cortesia da imagem da Wal Thornhill, www.holoscience.com

O resultado líquido é que a convecção de Marklund classifica quaisquer elementos presentes na localidade em diferentes grupos de acordo com seus potenciais de ionização. Os grupos de elementos são dispostos em conchas cilíndricas em raios diferentes dentro de uma corrente de campo cilíndrica alinhada.

Como hidrogênio tem uma alta CIV (Velocidade Crítica de Ionização) em comparação com os outros elementos, ele vai recombinar primeiro, num invólucro cilíndrico de raio maior do que as conchas dos outros elementos.

Este tipo de ordenação elétrica pode ser responsável por algumas das distribuições não-aleatórias de elementos que observamos no cosmos. Em particular, pode explicar a preponderância de hidrogênio neutro em estruturas em forma de rosca por toda a galáxia que foram detectadas por telescópios de rádio.

Poderia esta imagem da Nebulosa da Águia pelo Telescópio Espacial Hubble ser uma ilustração de um aperto (Z-pinch) magnético cósmico e o plasma de poeira resultante rodeado por um ambiente de hidrogênio e hélio?

(EG2EU) – Capítulo 7 Currentes de Birkeland, cordas magnéticas e de transporte de corrente em camadas duplas
Publicado em 4 de janeiro de 2012 por Bob Johnson - Jim Johnson

7.1 Correntes de Birkeland

Há uma outra causa da filamentação de correntes no plasma. Isto é devido ao fato de não existir uma força de atração entre duas correntes paralelas quaisquer. Cada corrente gera um campo magnético que circunda a primeira corrente e atrai a outra corrente de acordo com as leis normais de eletromagnetismo. Portanto, as duas correntes são atraídas, tal como ilustrado neste breve vídeo. (Crédito: demonstrações de física MIT)

Este efeito será aplicado aos fluxos de elétrons individuais bem como para fios transportando correntes. Portanto, em um plasma, uma corrente difusa tenderá a tornar-se concentrada num filamento, como já vimos. Da mesma forma, uma lâmina de corrente também tenderá a se aglutinar em filamentos individuais, um pouco como uma lâmina d’água caindo separando-se em fluxos individuais.

Correntes laminadas trançadas brilham suavemente na luz visível e infravermelha ao longo do laço Cygnus da Nebulosa Veil. Crédito da imagem: WP Blair, R. Sankrit (Johns Hopkins University / NASA

Se dois filamentos paralelos ocorrem na mesma vizinhança, ou formam fora de uma lâmina de corrente devido aos processos filamentação, então eles vão se atrair e inicialmente se mover em direção ao outro sob a atração magnética descrita pela Lei de Biot-Savart. Por conseguinte, há uma tendência para as correntes cilíndricas de ocorrer em pares.

A dependência do inverso do raio da lei da força de Biot-Savart entre os filamentos conduzindo correntes leva - curiosamente - para emparelhamento de filamentos. A imagem acima mostra 3 filamentos de corrente em uma partícula-em-célula (PIC) de simulação de computador, em que apenas dois irão interagir fortemente, enquanto o terceiro permanece quiescente. Isto conduz diretamente a "dualidade" ou "duplicidade" quando muitos filamentos estão presentes num plasma com um campo magnético significativo. Crédito: adaptada a partir da fig. 3,21, ‘Física do Universo do Plasma’, Peratt, Springer Verlag, 1992

Um ponto de equilíbrio é atingido quando a força de atração de longo alcance é equilibrada por uma repulsão de curto intervalo entre os componentes azimutais (anéis) das duas correntes em espiral contra-paralelo. A análise mostra que existe um deslocamento nos centros das forças de atração que resulta em um par, ou a força de rotação, atuando em cada corrente. As correntes individuais estarão, portanto, tendendo a espiralar em torno de um eixo comum em um movimento helicoidal. Tal como anteriormente, o eixo da hélice tenderá a ser alinhado com o campo magnético geral.

Este arranjo de pares de correntes é conhecido como uma corrente de Birkeland em homenagem ao físico norueguês Kristian Birkeland, que primeiro estudou-os na parte inicial do século 20.

7.2 Cordas magnéticas

O efeito espiral de correntes em torno de si dá a aparência de cordas torcidas. Porque as correntes são alinhadas com o campo magnético, as correntes de Birkeland são muitas vezes chamadas de "cordas magnéticas" ou "tubos de fluxo”. Embora não seja imprecisa, esta descrição tende a disfarçar a natureza de transporte de corrente dos filamentos e sugerem que o efeito é devido a forças magnéticas somente. Como temos visto, isso não é correto, uma vez que campos magnéticos coexistem com correntes elétricas.

Evolução de erupções emitindo raio-X sobre o Sol. Topo: Linhas simuladas de campo magnético (cor) com polaridades mostradas em escala de cinza (escuro = negativo; luz = positivo). Centro: Evolução da corrente simulada simultaneamente com as alterações do campo magnético acima, (escuro = mais intenso). Inferior: Observação do telescópio de raios-X Hinode (2007) da sequência de um ciclo eruptivo característico (ELLF - Eruptive Loop Like Feature, em inglês) ligado com um duplo-J (sigmoide) padrão de corrente elétrica. Crédito: Fig 6. da "Formação de uma toro-instável de fluxo de corda e correntes elétricas em erupção sigmoide"; Aulanier, Török, DEMOULIN & DeLuca, The Astrophysical Journal 708: 313-333, 2010 01 de janeiro

Correntes de Birkeland também podem atrair matéria da região circundante. Isto é porque os campos magnéticos azimutais criados por cada corrente axial formam um gradiente de pressão internalizado radialmente com um mínimo entre as duas correntes, enquanto que os campos magnéticos estendem para além da própria corda da corrente. Isto faz com que a matéria carregada e espécies ionizadas externas à corda da corrente sejam atraídas para o centro da corda da corrente, o processo conhecido como convecção de Marklund (ver 6.12).

Embora o efeito seja semelhante a força I × B de um único cilindro da corrente, a pressão magnética mínima entre as correntes geminadas pode ser um mecanismo mais eficiente para a concentração da matéria.

A densidade do plasma fora da corrente de Birkeland é reduzida enquanto que a densidade dentro da corda é aumentada. Correntes de Birkeland são, portanto, muitas vezes associadas com variações de densidade do plasma.

7.3 Efeitos visíveis de correntes no espaço

Filamentos de correntes torcidos na nebulosa Double Helix (Hélice Dupla), perto do centro da Via Láctea, em luz infravermelha. Crédito da imagem: NASA / JPL - Caltech / UCLA

Estruturas filamentosas do tipo que acabamos de descrever são comuns no espaço: os exemplos incluem filamentos aurorais, cordas de fluxo de Vênus, proeminências solares e flâmulas coronais, caudas de cometas e nebulosas interestelares onde redes de filamentos são muitas vezes vistos. Estruturas de hidrogênio neutro filamentosos já foram mencionados (ver convecção de Marklund em 6.12 acima). Estrutura filamentar também foi observada no arranjo dos aglomerados de galáxias.

7.4 Correntes condutoras em camadas duplas

Nós já vimos que camadas duplas podem se formar em tubos de descarga luminescente no laboratório. Obviamente estas camadas duplas permitem a transmissão da corrente através delas, bem como tem a propriedade de aceleração de íons e elétrons no forte campo elétrico dentro delas. Para distingui-las das Correntes Livres em Camadas Duplas (CFDLs – Current-Free Double Layers) elas são conhecidas como Correntes condutoras em Camadas Duplas (CCDL - Current-Carrying Double Layers).

Forma-se uma CCDL em uma forma diferente de uma CFDL. Ela é geralmente é desencadeada por alguma forma de instabilidade ou alteração no fluxo da corrente.

Como um exemplo de uma alteração que causa uma CCDL a se formar, considere o que acontece quando uma corrente passa para uma região em que a densidade do plasma é inferior. Como a corrente é transportada principalmente pelos elétrons mais leves, podemos considerar a situação em relação aos íons em primeira instância.

Se a corrente de elétrons não se alterou então a região de densidade mais baixa iria adquirir rapidamente um excesso de elétrons devido ao "fluxo" de entrada (elétron) corrente. Isto resultaria numa diferença de potencial na zona inferior densidade que repelem outros elétrons e interromper o fluxo de corrente.

Recordando que a corrente é proporcional ao produto da densidade e velocidade dos elétrons, a única maneira para a densidade de elétrons ser reduzida ao nível apropriado enquanto a corrente total é mantida é aumentando a velocidade dos elétrons.

A forma como isto é conseguido é através da formação de uma Corrente Carregando Camadas Duplas (CCDL) no limite da região de densidade mais baixa o que acelera os elétrons para a região. A força da Camada Dupla irá aumentar até que seja apenas suficiente para proporcionar a velocidade de elétrons necessária para reduzir a sua densidade para coincidir com a densidade mais baixa de íons e manter a neutralidade de carga.

É claro que os íons são também afetados pela Camada Dupla, mas o efeito global é semelhante ao que acabamos de descrever. Além disso, os elétrons mais rápidos podem provocar a ionização adicional que modifica o requisito de velocidade adicional, mas uma Camada Dupla ainda será necessária para fornecer a necessária aceleração.

7.5 Instabilidades de fluxo e Correntes Condutoras em Camadas Duplas (CCDLs)

CCDLs também podem ser formadas como um resultado de instabilidades de fluxo no contra-fluxo de elétrons e os íons contidos na corrente.

Vários tipos de instabilidade podem ocorrer. Um exemplo é a instabilidade de dois fluxos, ou Buneman, que ocorre quando a velocidade do fluxo dos elétrons (basicamente a densidade da corrente dividida pela densidade dos elétrons) excede a velocidade térmica de elétrons do plasma. Em outras palavras, a velocidade de deriva devido à corrente é maior do que a velocidade térmica aleatória.

O mecanismo real da instabilidade Buneman é complicado. No entanto, na sua essência, a densidade de íons e elétrons num plasma vai sempre variar localmente a partir de neutralidade absoluta. O plasma então se ajusta para corrigir qualquer desequilíbrio. Estas variações de densidade ocorrem com uma frequência dependente da temperatura do plasma e da passagem de corrente através dele. Se a densidade da corrente é elevada o suficiente, então a frequência das variações de densidade é muito rápida para o plasma se ajustar. A situação tornou-se instável.

Este tipo de instabilidade tem sido constatado como levando à formação de uma CCDL. As variações na densidade de íons e elétrons causam o desenvolvimento de campos elétricos locais. Estes campos trocam energia com os íons, que começam a oscilar com grande amplitude e assim ampliar as variações de densidade. Áreas de diferente densidade de carga estabelecem campos elétricos entre elas.

Com o aumento do campo elétrico devido a estas variações de densidade, o fluxo de elétrons na corrente é interrompido e alguns elétrons tornam-se "presos", ou começam a fluir para trás em vórtices locais. O resultado é a formação de uma CCDL com populações de elétrons e íons acelerados e elétrons e íons aprisionados a jusante da Camada Dupla.

Este processo é semelhante em alguns aspectos a instabilidades de escoamento de fluido. A CCDL é, de certa forma, como um ressalto hidráulico, em que as velocidades de fluido são diferentes em cada lado do ressalto; o ressalto contém vórtices de fluido aprisionado; e o próprio ressalto é "fixo" na posição.

No entanto, isto não quer dizer que as análises de fluidos sejam complexas o bastante para modelar os movimentos eletrodinâmicos de partículas carregadas nos campos que eles mesmos criam. Uma diferença de princípio é que a Camada Dupla acelera as partículas, em direções opostas dependendo da sua carga, enquanto que um ressalto hidráulico reduz a velocidade do fluxo de fluido através da introdução de turbulência.

Uma CCDL sempre irá concentrar uma parte da queda de potencial da corrente produtora dentro da região de Camada Dupla e assim reduzir o gradiente de potencial na parte restante do fluxo.

Como CCDLs acontecem quando ocorrem alterações nas características do fluxo, apertos na corrente, onde a área de fluxo é constringida, também podem causar a formação de Camadas Duplas no ponto onde a área do fluxo altera.

7.6 Dissipação de energia em Camadas Duplas

Elétrons acelerados através da queda de potencial de uma corrente condutora em camadas duplas (CCDL) tenderão a perder a sua energia em colisões com átomos neutros além da Camada Dupla. Estes átomos excitados por sua vez perderão energia por radiação a medida que eles retornam ao estado fundamental. Formação de uma Camada Dupla, por conseguinte, atua como um meio através do qual o plasma pode dissipar o excesso de energia de uma maneira análoga à de uma resistência de um circuito elétrico.

Este mecanismo contribui para a estabilidade de circuitos de plasma, dissipando " seguramente" a energia que de outro modo poderia resultar em desenvolvimento de mais turbulentas instabilidades.

7.7 Classificação de camadas duplas

Como já foi discutido, existe uma diferença principal entre a corrente condutora em camadas duplas (CCDL) e corrente livre em camadas duplas (CFDL), que são formadas por mecanismos diferentes e distinguem-se por permitir ou não que uma significativa corrente eléctrica passe através da Camada Dupla.

Outra classificação baseia-se na força da Camada Dupla. Dependendo da queda de potencial através dela, uma Camada Dupla pode ser classificada como fraca, forte ou relativista. Cada classe terá efeitos diferentes sobre partículas carregadas do plasma circundante.

Se a queda de potencial através da Camada Dupla é maior do que o potencial do plasma, em seguida, a Camada Dupla é classificada como uma Camada Dupla forte. A Camada Dupla forte irá refletir partículas que se aproximam da Camada Dupla com energias menores do que o potencial do plasma. Somente as partículas com energias acima do potencial do plasma vão entrar na Camada Dupla e ser aceleradas.

A Camada Dupla fraca irá desacelerar partículas com o potencial do plasma que se aproxima do lado "errado", mas, em seguida, volta a acelera-los à medida que passam através da Camada Dupla.

Se a queda de potencial através da Camada Dupla é suficiente para fazer com que as partículas adquiram energia maior do que o resto da energia de massa do elétron, então ela é conhecida como uma Camada Dupla relativista. Um Camada Dupla relativista irá, por conseguinte, acelerar elétrons para perto da velocidade da luz à medida que passam através da queda de potencial. Isso pode ocorrer na poderosa corrente condutora de jatos de plasma colimados encontrados ao longo de um ou ambos os eixos polares de galáxias de rádio ativas.

Jato da galáxia Centaurus A, em falsa cor composta, rádio (azul) e de raios-X (vermelho). Crédito: NASA / imagem Chandra de raios-X para; NRAO / AUI imagem de rádio para

(EG2EU) – Capítulo 8 Lâminas de Corrente, as Correntes Perpendiculares e Circuitos Elétricos
Postado em 17 jan 2012 por Bob Johnson - Jim Johnson

8.1 Lâminas de corrente de plasma

Referência já foi feita para a filamentação de lâminas de corrente. Esta seção irá explorar a natureza de lâminas de corrente e sua relação com o campo magnético.

Interpretação artística da lâmina de plasma de Saturno, com base em dados nos Instrumentos de Imagem da Magnetosfera da sonda Cassini. A lâmina de plasma, separando as metades superiores e inferiores da magnetosfera, afina gradualmente para o lado noturno do planeta. A magnetopausa indica o fluxo do vento solar desviado. Crédito: NASA / Jet Propulsion Laboratory / Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins

A lâmina de corrente é exatamente o que diz - uma superfície fina dentro da qual uma corrente flui. Ela obviamente difere de uma nuvem difusa de carga em movimento e de um filamento cilíndrico de corrente. A lâmina de corrente forma uma superfície entre duas regiões de plasma, um pouco como uma camada dupla, e, também, como uma camada dupla, muitas vezes separa regiões de características diferentes.

A corrente na lâmina flui em uma direção, contida inteiramente dentro da lâmina. Pode-se pensar nisso como se a corrente estivesse fluindo nos fios de urdidura de um lençol de tecido de linho: todos os fluxos de corrente na mesma direção em cada um dos fios da urdidura, e nenhum fluxo de corrente nos fios de trama. Uma corrente, é claro, é composta por íons e elétrons fluindo em direções opostas, de modo que a lâmina de corrente irá conter os dois tipos de partículas.

É evidente que o sentido da corrente pode mudar à medida que a lâmina em si não necessita de ser plana. Por exemplo, há uma clara evidência de uma lâmina de corrente parcialmente esférica no 'arco de choque ", onde a magnetosfera da Terra interage com o vento solar recebido.

Corte do esboço de lâminas de corrente de plasma da Terra e em torno de sua magnetosfera. Crédito da imagem: Wikipédia Images, inúmeros sites sem fonte de atribuição

Se analisarmos o campo magnético perto de uma lâmina de corrente descobriremos que a força magnética, devido à lâmina de corrente, está em direções opostas em ambos os lados da lâmina. Por exemplo, se uma corrente está fluindo até esta página, então, acima da página o campo magnético será da esquerda para a direita, e abaixo da página será da direita para a esquerda, como se poderia esperar a partir da regra de rotatividade da mão direita para qualquer "fio" individual da corrente. (Note que a regra da rotação da mão direita não é a mesma que a regra de mão direita através-produto do vetor!)

Partícula carregada à deriva em um campo magnético homogêneo.
(A) Nenhuma força perturbadora;
(B) Com um campo elétrico, E;
(C) Com uma força independente, F (por exemplo, gravidade);
(D) Em um campo magnético não homogêneo, gradiente H.
Based on Hannes Alfvén's, Cosmical Electrodynamics (1950); Redesigned by Ian Tresman, traced to SVG in OpenOffice.org Draw by User: Stannered.

Assim, um efeito principal de uma lâmina de corrente é criar áreas separadas de campos magnéticos opostos. No próprio local da lâmina, o campo magnético é zero. Esta situação é exatamente o que foi encontrada na área de cauda da magnetosfera da terra, em que uma lâmina de corrente, em relação ao plano equatorial, separa as zonas de campo magnético opostos. Neste caso, a cauda da lâmina de corrente flui azimutalmente, ou 'oeste para leste’, e os campos magnéticos são radiais, sendo alinhados em direção à Terra no hemisfério norte e para longe da terra no hemisfério sul.

O Modelo Gravitacional descreve estas lâminas de corrente como causadas pelos campos magnéticos opostos de cada lado. Recordando que os campos magnéticos são campos de força que são causados pelo movimento de partículas carregadas, ou seja, as correntes, o Modelo Gravitacional parece estar invertendo causa e efeito. O que os campos magnéticos criados pela corrente realmente fazem é comprimir a corrente na forma de uma lâmina. Eles não criam a corrente.

Lâminas de corrente são, por conseguinte, um outro meio pelo qual o plasma pode ‘celularizar’ (do inglês ‘cellularize’, separar em células distintas) em resposta a diferentes ambientes.

Lâminas de corrente também podem agir para acelerar massa em uma aplicação de propulsor de plasma pulsado. Veja o texto e vídeo do Laboratório de Propulsão Elétrica e Física do Plasma da Universidade de Princeton aqui.



Veja também EmDrive (Propulsor de cavidade ressonante RF)

Image: Tajmar et al

8.2 Correntes Perpendiculares

Já consideramos os casos onde as correntes fluem paralelamente ao (são "campos alinhados com") do campo magnético (filamentos e Correntes de Birkeland) e o caso onde as correntes fluem em regiões de campo nulo (lâminas de correntes). A possibilidade que resta é a de correntes terem um componente de vetor que é perpendicular ao campo magnético sob a influência de forças não-magnéticas que atuam em combinação com o campo magnético (ver 8.3 abaixo).

[Lembre-se que:
F é o vetor de força resultante sobre uma partícula carregada;
q é o valor da quantidade de carga sobre a partícula;
E é o vetor do vetor do campo elétrico a um período de tempo especificado e coordenada;
U é o vetor de velocidade da partícula carregada naquele tempo e coordenada, e
B é o vetor do campo magnético naquele tempo e coordenada.
Finalmente, note que os vetores em negrito referem-se a um valor de grandeza escalar além de uma direção, por exemplo; 3.000 km/s indo para o leste.]

A força de Lorentz sobre uma partícula carregada, F =q(E + U × B) no vetor de álgebra, depende da relação entre a velocidade da partícula B ao campo magnético B. A magnitude do vetor de produto cruzado U × B pode ser escrito UB sin θ, onde θ é o menor ângulo entre U e B. A direção da força produzida pelo U × B é dada pelo movimento de um parafuso destro girado de U a B, isto é, que é perpendicular a ambos U e B.

Isto faz com que uma partícula carregada em movimento em ângulos retos para o campo magnético seguir um percurso circular num plano perpendicular ao campo. Podemos chamar isso de força centrípeta. Se E é diferente de zero, a partícula também irá acelerar na direção de E.

Obviamente, se U é igual a zero ou paralelo a B, então não há força centrípeta sobre a partícula do campo magnético. Em outras palavras, se a partícula está estacionária ou movendo-se paralelamente ao campo, então ela irá experimentar nenhuma força magnética.

Em vez de considerar ângulos variáveis entre U e B, é mais fácil considerar os componentes paralelos e perpendiculares de U separadamente. Como somente o componente perpendicular provoca uma força, nós devemos nos concentrar neste componente sozinho. Iremos também assumir E = 0, salvo indicação contrária.

A velocidade das partículas que resultariam de uma combinação de um movimento de força induzida e um campo magnético pode ser considerada como um movimento circular em torno de um centro de orientação (imagem abaixo), cujo centro está à deriva perpendicularmente ao campo magnético com a velocidade v_p dada pela Equação ‘de Centro Orientador’ (Guiding Center Equation):

v_p = (F × B) / qB²

Note que F é qualquer força não magnética (por exemplo, gravidade, ou um campo elétrico) que provoca o movimento de uma partícula carregada. Este movimento, em seguida, interage com o campo magnético de acordo com a Lei de Lorentz. Quando B é na direção z e F é na direção y em coordenadas cartesianas, então, a velocidade resultante v_p é na direção x.

Trajetória helicoidal de uma partícula carregada, com seu movimento circular sobreposto ao seu vetor de velocidade de deriva. Crédito da imagem: "Fundamentos de Física de Plasma", Cambridge Press, 2006; Dr. Paul Bellan, California Institute of Technology

O que esta equação nos diz que é, quando uma partícula é sujeita a uma força externa perpendicular ao campo magnético, ela irá adquirir uma velocidade constante v_p perpendicular ao campo e a força. Como isso acontece é o que veremos a seguir:

Se uma partícula está inicialmente em repouso, uma força externa (um campo elétrico, por exemplo) vai começar a acelerá-la na direção da força de acordo com as leis de Newton. No entanto, logo que a partícula adquire uma pequena quantidade de velocidade ou velocidade de componente perpendicular ao campo magnético, em seguida, uma força centrípeta surge como um resultado do campo magnético e começa a girar o caminho da partícula para longe da trajetória induzida pela força externa.

A força externa está ainda tentando acelerar a partícula na direção da força, mas existe agora um componente de força centrípeta que se opõe à força externa. A aceleração na direção da força externa será reduzida em conformidade.

Sob a influência das forças externas e centrípetas geminadas, a partícula irá seguir um caminho curvo girando aproximadamente 90 graus. No ponto em que o caminho é perpendicular à força externa, a partícula terá adquirido a velocidade v_p dada pela Equação de Centro Orientador, e a força centrípeta devido à interação de v_p e B equilibra exatamente a força externa.

Portanto, não haverá mais aceleração no sentido da força externa, nem haverá qualquer aceleração na direção de v_p porque não existe força nesse sentido. A partícula adquiriu uma velocidade constante perpendicular a ambos B e a força externa.

Contanto que a partícula continue a mover-se com a velocidade v_p na direção perpendicular, então a situação é estável, e a força externa permanece equilibrada pela força centrípeta.

8.3 Efeito de várias forças externas

A discussão acima aplica-se a qualquer força externa constante atuando sobre uma partícula carregada num campo magnético. Várias forças podem provocar velocidades na direção perpendicular ao campo magnético. Estas incluem a gravidade, um campo elétrico, e as forças inerciais. Cada uma terá um efeito diferente dependente de se a força externa é uma função da massa da, ou da carga sobre a, partícula, como se segue:

Caso A. Força do Campo Elétrico, F_E × B para um campo elétrico perpendicular a B.

Porque F_E = qE, a Equação de Centro Orientador torna-se:

v_p = (E x B) / B²

• No caso A, a velocidade perpendicular é independente da carga sobre a partícula. Isso resulta no caso especial de íons e elétrons ambos à deriva na mesma direção, como vimos quando se considera a concentração da matéria por correntes filamentosas.
  

Caso B. Gravidade, F_g × B

Porque F_g = mg, a velocidade de deriva perpendicular resultante é dependente tanto da massa das partículas quanto da sua carga, e para o Caso B:

v_p = (g × B) × m/qB²

• Íons e elétrons irão, por conseguinte, mover-se em sentidos opostos, o que resulta em uma corrente, separação de carga, e zonas de potencial diferente (campos elétricos). Todos estes efeitos irão ocorrer simplesmente como um resultado da interação da gravidade e um campo magnético. Obviamente estes efeitos, então, começam a causar efeitos secundários da sua própria conta, e pode resultar em comportamento complexo do plasma. (Ref: Fundamentos da Cósmica Eletrodinâmica, Boris V. Somov, Kluwer Academic Publishers, 1994, capítulo 2, Movimento de uma partícula carregada em Determinados Campos)
  
  
• Além disso, a dependência da velocidade da massa das partículas, também pode resultar na separação química de íons diferentes, ou convecção de Marklund.
  
  
• Um caso em particular é de interesse aqui. Considere a Terra e seu campo magnético, que pode ser visualizado como linhas de campo espalhando-se em espaço próximo arranjado um pouco como os segmentos de uma laranja. No plano equatorial, o campo será alinhado norte-sul. A força gravitacional será interiorizada radialmente e em ângulos retos para o campo.
  
  
• Quaisquer íons e elétrons nas proximidades, por exemplo, na ionosfera, irão, portanto, adquirir velocidades perpendiculares a ambos B e g sob a influência combinada da gravidade e do campo magnético. Uma vez que as velocidades de íons e elétrons são em direções opostas, isto é equivalente a uma corrente que flui em um anel em torno do plano equatorial. Os cinturões de Van Allen são exemplos de correntes de anel.
  

• Este é um resultado inevitável da presença de partículas carregadas de um campo magnético orientado em ângulos retos para o campo gravitacional. Uma corrente irá sempre ser gerada nesta situação. Várias das luas de Júpiter e Saturno exibem essas correntes, evidenciadas pela radiação eletromagnética, onde as correntes induzidas entram em contato com atmosferas dos planetas nas proximidades de suas auroras polares ovais.
  

Caso C. Inércia, F_i = -m (du / dt) (Segunda Lei do Movimento de Newton)
Neste caso, as partículas carregadas já têm um impulso inicial mu (massa inercial vezes o vetor de velocidade) quando encontram um campo magnético. A equação de Centro Orientador indica que o impulso inicial será alterado pelo campo magnético:

v_p = -mq/B² du/dt × B

Como v_p é dependente da carga, a velocidade final de íons e elétrons é em direções opostas e, por conseguinte, representa uma corrente. Íons de diferentes massas vão adquirir diferentes velocidades finais e assim serão ordenados quimicamente. Há também um outro efeito importante de efeitos inerciais:

• Se um volume de plasma é acelerado até uma velocidade particular, devido a, por exemplo, uma força I × B na região (a qual acelera íons e elétrons se deslocando opostamente no mesmo sentido perpendicular), então o plasma terá adquirido energia cinética à custa do circuito de condução da corrente.
  
  
• Se este volume de plasma em movimento, em seguida, entra em outra região onde se pode estabelecer um circuito no plasma local, sua velocidade v_p irá provocar uma corrente perpendicular a ambos B e v_p. A interação desta corrente com B irá causar uma força no plasma em movimento que o retarda. Em outras palavras, a energia cinética do plasma é determinada de novo na geração de uma corrente em uma nova localização.
  
  
• Por conseguinte, a interação do movimento inercial de partículas carregadas e um campo magnético é um meio pelo qual a energia cinética pode ser trocada com energia eletromagnética, e por isso, é um meio pelo qual energia pode ser transportada entre diferentes locais.
  

8.4 Circuitos elétricos em Plasma

A menos que a carga esteja fluindo através de uma fonte eletrostática ou para um dissipador, ela, então, irá fazer parte de um circuito fechado. No espaço, o circuito pode não ser sempre óbvio, porque os condutores são muitas vezes invisíveis e podem fechar o circuito em vastas distâncias das áreas de interesse, mas eles devem fechar em algum lugar.

Consideração dos circuitos no espaço pode explicar o comportamento tal como o transporte de energia a partir de uma área para outra que impulsiona a atividade elétrica detectável em uma região sob investigação.

Neste contexto, é importante ressaltar que, se um plasma contendo quaisquer regiões de ligeiro desequilíbrio de carga se move em relação a uma outra região de plasma em um campo magnético, em seguida, a primeira região irá induzir um campo elétrico e correntes na segunda região devido à interação dos campos e forças eletromagnéticas.

O Modelo Gravitacional sustenta que a blindagem de Debye, que é devido a efeitos semelhantes, como origem de uma bainha de Debye em torno de um corpo carregado, limita a dimensão dos desequilíbrios de carga para o comprimento de Debye. No entanto, a força v × B a partir da equação de Lorentz é independente do comprimento de Debye e pode induzir um campo elétrico em outra região de plasma para além do limite de Debye.

8.5 Camadas Duplas como Elementos do Circuito

Qualquer Camada Dupla acelera íons e elétrons devido à queda de potencial através da Camada Dupla. Se a Camada Dupla é uma corrente condutora em Camada Dupla, então ela efetivamente faz parte de um circuito elétrico em que a corrente está fluindo. A energia para acelerar as partículas é fornecida pelo circuito e convertido dentro da Camada Dupla em energia cinética.

Por isso, a Camada Dupla age como uma resistência inercial e pode experimentar uma reação que faz com que a sua posição derive. Isto é análogo ao recuo de uma arma a medida que a sua fonte de energia acelera a massa da bala. As partículas aceleradas pela Camada Dupla causam uma pressão sobre o plasma circundante, com o qual elas interagem e causam radiação. A dissipação do excesso de energia desta forma pode permitir o plasma alcançar um estado estável através da formação de uma Camada Dupla que fornece o mecanismo necessário.

8.6 Energia e indutância

O circuito de energia fornecido a Camada Dupla pode ser originário da energia armazenada no campo magnético ou a energia cinética da massa do plasma. Em termos de circuito, um elemento que armazena energia é um indutor. O plasma pode, portanto, ser considerado como análogo a um indutor de um circuito simples. Da mesma forma, a Camada Dupla comporta-se em alguns aspectos como um capacitor, embora um com características variáveis, incluindo uma resistência que pode reduzir com o aumento da corrente.

Todos os circuitos elétricos que têm indutância são potencialmente instáveis, dependendo dos valores de tensão, de indutância, resistência e capacitância em torno do circuito. Se a resistência total do circuito é negativa, o que é frequentemente o caso no plasma por causa da característica de queda da curva I-V (corrente versus tensão), então a estabilidade do circuito indutivo é impossível. Um circuito simples que envolve tensão, indutância e resistência negativa irá, ou oscilar, ou dissipar toda a sua energia e tornar-se extinto.

Se a queda de potencial através da Camada Dupla é maior do que o potencial do plasma, em seguida, a Camada Dupla é classificada como uma Camada Dupla forte. A Camada Dupla forte irá refletir partículas que se aproximam da Camada Dupla com energias menos do que o potencial do plasma. Somente as partículas com energias acima do potencial do plasma vão entrar na Camada Dupla e ser aceleradas pelo seu diferencial de tensão, isto é, campo elétrico.

O comportamento do plasma numa Corrente Condutora em Camada Dupla (CCDL – sigla em inglês) é assim dependente das características do circuito externo que está conduzindo a formação da CCDL.

8.7 Circuitos ressonantes

Um circuito contendo indutância e capacitância tem uma frequência natural ou de ressonância na qual ele irá oscilar eletricamente. Do mesmo modo, um circuito de plasma contendo indutância sob a forma de energia magnética armazenada e uma Corrente Condutora em Camada Dupla (CCDL) exibindo resistência negativa tenderá a ter uma frequência ressonante à qual a energia é trocada entre o campo elétrico na Camada Dupla e o campo magnético no plasma. À medida que o campo elétrico na Camada Dupla aumenta, ele vai acelerar as partículas a energias mais altas da maneira normal.

É evidente que este modelo é um meio eficiente de gerar explosões de radiação de alta frequência. Por outro lado, o Modelo Gravitacional postula estrelas de nêutrons com densidade muito alta rotacionando até milhares de vezes por segundo, a fim de explicar esse fenômeno comumente observado.

Estrela de nêutrons, verdade ou mito? Nova Missão de Opportunity Explorer, da NASA vai estudar rotação rápida das estrelas de nêutrons chamados pulsares. Observatório de Raios-X Chandra da NASA capturou esta imagem do pulsar Vela cerca de 1.000 anos-luz da Terra. Crédito: NASA / CXC / Universidade de Toronto / M. Durant, et ai

Nem todas as situações resultam em uma frequência de ressonância. Variações muitas vezes resultam em oscilações de uma larga faixa de frequência. A Camada Dupla é, então, 'barulhenta' em termos de circuitos elétricos. O efeito do ruído é o de criar uma gama de energias de elétrons no feixe acelerado pela Camada Dupla. Alguns elétrons, então, têm energia suficiente para sair do campo magnético confinando da corrente, e isso pode levar a expansão do plasma.

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[Nota do tradutor: A expressão “Guiding Center Equation” foi traduzida para “Equação de Centro Orientador” livremente, sem q eu encontrasse uma nomenclatura equivalente na internet. Há pouco material em português s/ o assunto e minha fonte preferencial p/ tradução deste tipo de expressão – Wikipédia - não tem página equivalente em nossa língua. ]

(EG2EU) – Capítulo 9 Plasma Circuito Instabilidades
Publicado em 26 de fevereiro de 2012 por Bob Johnson - Jim Johnson

9.1 Explosão de camadas duplas

A energia indutiva de um circuito é uma função da corrente e da indutância. Se qualquer circuito indutivo é interrompido, por exemplo, através da abertura de um comutador, em seguida, a energia indutiva do circuito irá ser libertada no ponto de interrupção. Isto é bem conhecido o suficiente para ser utilizado rotineiramente em engenharia elétrica aplicada, como este trabalho mostra.

Formas de onda de explosão de cabo em diferentes condições em circuitos indutivos, a partir do relatório, "Iniciação de Explosivos por Explosão de Cabos", Laboratório Naval dos Estados Unidos, White Oak, Maryland, 15 de maio de 1963

Em um circuito de plasma, interrupção de corrente é muitas vezes causada pela Camada Dupla se tornar instável. Quando isso ocorre, a toda a energia indutiva do circuito é libertada na Camada Dupla. Isso pode fazer a Camada Dupla explodir, resultando em quedas de tensão extremamente grandes em toda a expansão da Camada Dupla dissipando quantidades prodigiosas de energia, em última análise, na forma de calor e radiação, como partículas aceleradas interagem com outra matéria. Este comportamento vai ocorrer sob um campo magnético constante. O campo não desempenha nenhum papel na explosão.

Uma explosão estelar, Nova Cygni 1992, mostrando os efeitos de uma grande liberação de energia repentina por uma estrela, com um plasma toroidal irradiando com mais intensidade nos "nós" de instabilidade turbulentos. Diâmetro do anel é calculado 154,5 bilhões de km ou 96 bilhões de milhas - cerca de 6 dias de luz. Crédito: telescópio espacial da NASA / Hubble, 1994

Se a corrente subjacente ainda está presente após a explosão, em seguida, o ciclo pode ser repetido indefinidamente. Forma-se uma Camada Dupla, a corrente aumenta, a Camada Dupla explode, com a consequente emissão de grandes quantidades de radiação, a corrente começa a acumular-se novamente, e a nova Camada Dupla se forma.

É óbvio que este tipo de comportamento não pode ser descrito utilizando modelos baseados em campo. Modelos baseados em correntes são essenciais para captar este nível de complexidade.

9.2 Circuitos em Expansão

A energia a partir de um circuito indutivo também pode ser libertada pela expansão explosiva de uma espira de corrente, devido às forças geradas pela própria corrente de espira. Nós já vimos como uma corrente axial causa um aperto por força magnética. A situação oposta é uma corrente de espira que gera um campo magnético axial. Neste caso, a força resultante I × B é radialmente para o exterior.

Se a pressão externa não é equilibrada por outras forças, em seguida, o próprio corrente de espira vai se expandir. Em um condutor de metal, a força de equilíbrio é fornecida internamente pela própria estrutura de rede de metal. Em um plasma, pode haver retenção insuficiente, especialmente se a energia indutiva do circuito está a ser libertada num curto período de tempo devido ao colapso de uma Camada Dupla no circuito.

Isso pode resultar em uma explosão da corrente de espira, como é visto frequentemente em Ejeção de Massa Coronal solar (CME - Coronal Mass Ejections), onde uma corrente de espira rapidamente se expande para fora da superfície do Sol. Esta explicação simples com base no comportamento elétrico conhecido contrasta com o modelo de gravidade, que invoca "reconexão magnética" de linhas de força magnética. Só que linhas de força magnética não existem em um sentido físico do mesmo jeito que linhas de latitude, é difícil ver como elas podem "quebrar" e "reconectar" e liberar energia.

Ejeção de massa coronal solar (Sol ocultado por disco), cortesia SOHO de 2002

9.3 Outras Instabilidades filamentosas

Correntes filamentosos estão sujeitas a uma força de aperto, como já vimos. No entanto, o simples aperto é em si mesmo instável num número de circunstâncias. Se a força de aperto aumenta e provoca uma contração, isto resulta em mais um aumento na força do aperto. O filamento da corrente pode tornar-se tão contraído que se forma em uma série de protuberâncias e constrições como uma corda de salsichas.

Foto de torção ou instabilidade "salsicha" em um dos dispositivos mais antigos aperto Z (z-pinch) em plasma, um tubo Pyrex usado pela equipe AEI em Aldermaston, Reino Unido, cerca de 1951-1952 – domínio público

Se a corrente axial é suficientemente forte, em seguida, os apertos podem eventualmente entrar em colapso completamente. Neste caso, a corrente axial é desviada para um anel de corrente nas zonas comprimidas, e plasmóides magnéticos em forma de anel desenvolvem ao longo da linha do filamento. Se a matéria já foi concentrada no filamento, em seguida, esta matéria será distribuída ao longo da linha da corrente alinhada ao campo como pérolas em um barbante. Isto poderia explicar muitos alinhamentos lineares dos corpos no espaço.

Crédito: Figura 3.b) a partir de "Caracterização de filamentos interestelares com Herschel em IC 5146, "Carta ao Editor sobre Astronomia e Astrofísica, 529, L6 (2011)", de D. Arzoumanian et al, com notas explicativas adicionais.

A figura acima tem sobreposto azuis "linhas de cume" ao longo das linhas de maior densidade de filamentos como visto em comprimentos de onda infravermelhos nesta região. Um levantamento dos 27 segmentos de filamento mostrou que a largura característica dos filamentos é ~ 0,1 parsec (1/3 ano-luz), independentemente da duração. Áreas que formam estrelas e "núcleos" proto-estelares foram encontrados preferencialmente situados ao longo das áreas de linha de cume nestes filamentos interestelares.

Os autores notaram que "se a turbulência em grande escala fornece um mecanismo plausível para formar os filamentos, o fato de núcleos pre-estelares formar em filamentos gravitacionalmente instáveis sugere que a gravidade é um dos principais motores da evolução posterior dos filamentos." A abordagem da UE constata que muitas instabilidades do plasma observadas no espaço também foram criadas em laboratórios de plasma na Terra, mas menção de tais mecanismos são raramente considerados nos mecanismos explicativos apresentados na ciência imprensa revista pelos pares.

Outra forma de instabilidade é a instabilidade de torção. Isto ocorre mais frequentemente em Correntes de Birkeland, onde a corrente é alinhada com o campo magnético externo. O aperto, em seguida, desenvolve um forte modo helicoidal. O efeito é para compensar a corrente em cilindro com relação à direção do campo. Esta pode parecer como uma torção na corrente quando visto a partir do ângulo apropriado.

Foto de laboratório experimental sobre instabilidade do plasma: "torção ocorre quando a coluna central se torna suficientemente longa para satisfazer a condição de instabilidade", a partir da apresentação, "Simulando Jatos Astrofísicos no Laboratório" Cortesia Prof. Paul Bellan, KTTP & Caltech

Físico do plasma Paul Bellan, com seus alunos de pós-graduação no Caltech estão pesquisando instabilidades do plasma, a fim de obter uma melhor compreensão dos poderosos fenômenos observados no Sol. Para um vídeo curto (vários quadros que representam 16,5 microssegundos de evolução) de um dos experimentos de laboratório que envolvem a formação de uma instabilidade de plasma, ver aqui, como referenciado em artigo recente de sua estudante de graduação Anna Moser na Natureza:  A reconexão magnética de uma instabilidade em cascata multiescalar.

9.4 Instabilidades de Peratt

Uma pesquisa recente por Anthony Peratt como relatado nos jornais do IEEE e outras instituições acadêmicas identificou uma série de descargas de energia muito alta no plasma que agora levam seu nome. Aqui está um artigo representativo de Peratt e Van Der Sluijs.

As Instabilidades de Peratt são modos de descarga de plasma que adotam formas definidas e que, apesar de seu nome, pode permanecer estável por períodos de tempo suficientemente longos para observá-los. Em alguns aspectos, eles são como Camadas Duplas, que são 'instabilidades' dinâmicas que podem permanecer estáticas no local enquanto envolvendo movimentos rápidos de partículas.

As Instabilidades de Peratt muitas vezes tomam a forma de uma descarga de plasma colunar que é cercada por toros de plasma empilhados. Os toros superior e inferior podem evoluir para formas de copo e sino. As bordas dos toróides frequentemente deformam para cima ou para baixo. O número de toros pode variar entre três e por volta de nove e pode assemelhar-se a qualquer coisa de cálices de escadas. Várias outras formas existem, bem como, dependendo da natureza do plasma e das correntes na mesma.

Investigação de Peratt sobre fenômenos de plasma em muitas escalas levou-o a sugerir que pode ser provável que a arte rupestre criada na história relativamente recente podem ser gravações dos avistamentos de uma forma particular de descarga de plasma com consequentes formas e estruturas de instabilidade característicos, conforme descrito no seu artigo IEEE graficamente impressionante, Características para a ocorrência de uma Aurora com Aperto-Z (Z-Pinch) e alta corrente como registrado na Antiguidade, IEEE Operações sobre Ciência do Plasma, Vol. 31, No. 6, Dezembro de 2003.

Ilustrações de plasma e petróglifos, cortesia do Dr. Anthony L. PerattFonte: Anthony L. Peratt, "Características para a ocorrência de uma alta corrente, Aurora com aperto Z (z-pinch) como registrado na Antiguidade", IEEE [Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos] Ciência de Operações com Plasma, Dezembro de 2003, vol. 31, n. 6, pp. 1192-1214, usada com permissão.

O ponto a ser enfatizado é que nenhuma destas formas de instabilidades do plasma poderia ser prevista por uma análise baseada em campos magnéticos, ainda que simulações de computador com partícula na célula produzam os mesmos resultados. Mais uma vez vemos que o comportamento do plasma é muitas vezes demasiado complicado para ser descrito por magnetohidrodinâmica, ou MHD, equações de fluidos. É necessário basear a análise sobre os movimentos de partículas, isto é, uma solução à base de corrente.

Além disso, as instabilidades do plasma podem ser mecanismos válidos para explicar muitas das complexas interações que resultam em estrelas e sistemas planetários, bem como os fenômenos energéticos observados em estrelas e na sua volta.

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Nota: “loop current” foi traduzido por ‘corrente de espira’.

(EG2EU) – Capítulo 10 Efeitos de rotação
Publicado em 29 de fevereiro de 2012 por Bob Johnson - Jim Johnson

10.1 Rotação e Motores de Faraday

Uma das razões para a suposição de grandes quantidades de Matéria Escura (Dark Matter) Criogênica (ou fria) no Modelo Gravitacional é para explicar a rotação de galáxias observadas. Os astrônomos descobriram que as estrelas individuais em galáxias não orbitam o centro da galáxia de acordo com as leis de Kepler para o movimento dos planetas. Mais especificamente, todas as estrelas fora do bojo central de uma galáxia têm aproximadamente a mesma velocidade angular, girando mais como um disco conectado rigidamente, mas de acordo com as leis de Kepler, a velocidade deveria ser menor a medida que a distância do centro aumenta.

Um diagrama de velocidade angular estelar (ascendente crescente sobre o eixo y) traçado contra a distância radial do centro ao longo do eixo-x, esquerda para a direita, ergue-se inicialmente, depois se estabiliza após a “saliência” assim que todas as estrelas começam a ter mais ou menos a mesma velocidade de rotação, independentemente da distância. Esta é a curva intrigante da "rotação plana da galáxia " muitas vezes discutida na ciência.

Curva de rotação da galáxia M33, cortesia U. de Sheffield (Reino Unido), Grupo de Física de Partículas e Astrofísica

Adicionando uma grande quantidade de Matéria Escura em um halo em torno de cada galáxia poderia modificar a força gravitacional suficiente para fazer com que as estrelas se comportem da maneira que elas fazem. Isto agora é aceito como parte do Modelo Padrão em astrofísica. A matéria escura em si nunca foi observada diretamente ou manuseada em um ambiente de laboratório. É escura, afinal de contas, por definição; e, por definição somente interage através da força gravitacional com a matéria observável "normal". No entanto, há outra justificativa que poderia fazer estrelas orbitar uma galáxia desta forma.

Michael Faraday descobriu (cerca de 1831-1832, a partir de A vida elétrica de Michael Faraday por Alan Hirshfeld, Walker & Co., 2006) que um disco de metal rotativo num campo magnético alinhado com o eixo do disco iria fazer com que uma corrente elétrica flua radialmente no disco, por isso ele inventou o primeiro gerador, conhecido como um Indutor Unipolar, ou Gerador Faraday. O efeito eventualmente, provou-se ser um resultado da força de Lorentz agindo sobre os elétrons no disco à medida que se movia através do campo magnético.

Disco de amostra de Faraday, problema trabalhado, de Electromagnetics, 2d Ed., Contornos de Schaum, cortesia McGraw-Hill

Se a corrente é fornecida por um circuito externo, o disco é feito para rodar pela mesma força que atua agora nos elétrons na corrente. Claro que a velocidade de rotação do disco estabelece diferentes forças que se opõem a corrente de condução, e um equilíbrio é alcançado entre os dois. Este arranjo é conhecido como um motor de Faraday.

Galáxias são conhecidas, através de medidas precisas (RM - rotation measures) de rotação Faraday da polarização da luz que elas emitem, por possuir campos magnéticos alinhados com seus eixos de rotação, e elas também têm plasma condutor entre suas estrelas. Partindo do princípio de que as correntes existem no plano da galáxia semelhante à lâmina de corrente equatorial conhecida por existir no sistema solar, então as condições parecem ser semelhantes àqueles em um indutor unipolar ou motor de Faraday. É claro que o disco neste caso não é rígido. O modo exato de rotação dependeria do equilíbrio entre a corrente de condução radial e a corrente oposta induzida rotativamente, como num motor de Faraday, mas é pelo menos possível que sejam estes efeitos elétricos que estão causando a rotação anormal que vemos, não alguma enorme quantidade de Matéria Escura invisível.

Neste contexto, é interessante ver a recente descoberta pelo Sloan Digital Sky Survey (pesquisa digital do céu) de um anel de estrelas no plano equatorial da Via Láctea, mas fora da nossa galáxia. A semelhança com uma corrente toroidal em torno de um aperto numa grande Corrente de Birkeland ao longo do eixo da Via Láctea sugere que mais uma vez as forças elétricas em uma escala galáctica podem ser responsáveis pelas formações que vemos.

Inesperado anel de estrelas da Via Láctea, descoberto pelo (e cortesia de imagem) Sloan Digital Sky Survey)

Estruturas semelhantes a motores Faraday foram observados em nebulosas também. Um dos exemplos mais óbvios é na Nebulosa do Caranguejo, onde a imagem de raios-X do Chandra demonstra muito claramente todos os elementos necessários de um arranjo indutor ou motor.

Cortesia, telescópio de raios-X Chandra, um dos Grandes Observatórios da NASA

10.2 Galáxias espirais e correntes de Birkeland

Anthony Peratt, que foi mencionado acima, também realizou simulações de computador partícula-na-célula (particle-in-cell) de correntes de Birkeland interagindo. Ele descobriu que a forma e as características de rotação de galáxias espirais, incluindo espirais barradas, que são uma forma muito comum no espaço, surgem naturalmente da interação de forças eletromagnéticas em grandes correntes de Birkeland.

A rotação é inerente às forças de atração entre duas correntes paralelas, como mostra esta simulação de filamento de plasma em intervalo de tempo no supercomputador por Anthony Peratt na Figura 3.19 em Ch. 3 de seu livro, Física do Plasma Universo, 1992, Springer-Verlag

Este resultado pode ajudar a explicar a origem das energias rotacionais em galáxias, que teorias com base na gravidade encontram dificuldade para fazer.

(EG2EU) – Capítulo 11 Radiação
Publicado em 30 de marco de 2012 por Bob Johnson - Jim Johnson

11.1 Luz

Nascer do sol ilumina a paisagem com luz visível (e invisível)

Luz visível varia do vermelho ao amarelo e verde para azul e violeta. Newton foi o primeiro a descobrir que a luz branca é uma mistura de todas as cores. A luz branca pode ser dividida em suas cores componentes por difração através de um prisma, que 'curva' cada cor por um montante diferente. A grade de difração é frequentemente usada na astronomia porque minúsculas ou fracas fontes de luz sofrem menor perda de energia na reflexão de uma superfície regrada e rígida do que se perde viajando através de um prisma de vidro.

A luz branca pode ser separada em suas cores componentes, refletindo a partir de um metal plano áspero finamente sulcado, imagem cedida pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA

Eventualmente, Maxwell, que definiu as equações de campo eletromagnético, provou que a luz era, de fato, composta por ondas eletromagnéticas (EM). Cada cor da luz visível tem uma frequência característica e comprimento de onda. Tal como acontece com todas as ondas, o produto da frequência e comprimento de onda dá a velocidade da onda. Obviamente, a luz viaja à velocidade da luz, mas Maxwell foi capaz de usar suas equações para mostrar que todas as ondas eletromagnéticas se deslocam com a velocidade da luz, e assim a luz também deve ser uma onda eletromagnética.

A luz visível representa apenas uma pequena parte de todas as possíveis frequências ou comprimentos de onda. O conjunto é conhecido como o espectro eletromagnético.

[Nota do tradutor: A luz viaja como uma onda ou como uma espiral? O plasma (q é escalar) toma forma de espiral, não de onda, e isso implicaria em forças subatômicas agindo. Quais forças? Uma espiral não interagiria de forma diferente q uma onda no espaço tridimensional? A luz reflete como uma onda ou ricocheteia como uma mola? Uma superfície com mesma frequência do ricocheteio de uma mola/luz poderia absorve-la enquanto as outras não. Discussão s/ o mesmo tema em um fórum em inglês.]

11.2 O espectro

Embora o espectro seja contínuo, cada região do espectro tem sido nomeada depois de um tipo comum de onda para aquela parte do espectro.

Começando com as ondas de menor frequência, comprimentos de onda mais longos, o espectro se estende de ondas de rádio por meio de micro-ondas (como em fornos), radiação tera-hertz (um desenvolvimento recente em comunicações militares), infravermelho (como em aquecedores), o espectro visível (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta), ultravioleta (lâmpadas de bronzeamento e forense, análise de materiais), raios-X (imagens médicas internas), e até raios gama (tratamentos de câncer).

O espectro é mostrado no diagrama a seguir. Note-se que o espectro visível é apenas uma pequena parte de todo o espectro. Quando o Modelo Gravitacional foi formulado, os cientistas só podiam ver a luz visível do céu.

Diagrama do espectro eletromagnético, com imagens da Nebulosa do Caranguejo, mostrando como ele iria "olhar" se pudéssemos ver além dos limites da faixa de sensibilidade à luz dos nossos olhos, cortesia da NASA

No século 20, e especialmente desde o início da Era Espacial na década de 1950, foram desenvolvidos instrumentos que permitem aos cientistas detectar praticamente todos os comprimentos de onda. A quantidade de informação disponível tem aumentado exponencialmente. Observações são muitas vezes surpreendentes, porque o que se vê na luz visível raramente é parecido com o que é encontrado em outros comprimentos de onda.

Espectro de radiação eletromagnética, detalhando a região da luz visível. Crédito da imagem: Wiki Commons

Júpiter como visto em comprimentos de onda ópticos (tons de cinza), com suas auroras que irradiam na radiação de raios-X invisível (mapeado para violeta visual, como "falsa cor" para aparecer visível para nós). Crédito da imagem: NASA Telescópio / Chandra X-ray

11.3 Radiação

A radiação é o processo pelo qual a energia é emitida por um corpo, transmitida através de um meio ou através do espaço, e, eventualmente absorvido por outro corpo. Os órgãos que emitem e absorvem podem ser tão pequenos como átomos individuais ou mesmo partículas subatômicas, como elétrons.

As ondas eletromagnéticas são os meios pelos quais a energia é transmitida. Em outras palavras, toda a radiação é eletromagnética.

Isto significa que o modo de transmissão de radiação envolve campos elétricos e magnéticos oscilantes que transportam a energia similar à maneira que as vibrações em uma corda levam energia ao longo da cadeia. Como a velocidade de transmissão de energia vibracional é constante para um determinado meio, e esse valor é igual à frequência dos tempos de onda de vibração do comprimento de onda (tempos de frequência comprimento de onda = velocidade), se você souber a frequência você pode calcular o comprimento de onda naquela frequência, e vice-versa.

O espectro representa a gama de possíveis frequências ou comprimentos de onda da radiação. A medida que a frequência aumenta, a quantidade de energia transportada pela onda também aumenta em proporção à frequência. A radiação ionizante é a radiação que carrega energia suficiente para ionizar os átomos. Em termos gerais, frequências do rádio até a luz visível não carregam energia suficiente para isso, enquanto luz ultravioleta, raios-X e radiação de raios gama pode ionizar. Conforme observado anteriormente, a energia de ionização varia com diferentes elementos e moléculas.

A radiação é emitida quando uma partícula carregada sofre aceleração. Recordando que a mudança de direção é também uma aceleração porque a direção da velocidade está mudando, então cada partícula carregada que experimenta uma mudança de direção irá emitir radiação.

Diagrama esquemático da radiação de um elétron em aceleração

As teorias atuais explicam esta emissão em termos de emissão de um fóton, ou pacote de energia. Um fóton não tem massa, mas carrega a energia irradiada na forma de ondas eletromagnéticas. Um fóton se comporta tanto como uma onda e como uma partícula. Qual modo é mais significativo dependerá das circunstâncias.

Para resumir:

• A radiação é emitida por todas as partículas carregadas submetidas a aceleração.
  
  
• Toda a radiação envolve ondas eletromagnéticas.
  
  
• Radiação transmite energia.
  
  
• O espectro representa a gama de possíveis frequências ou comprimentos de onda da radiação.
  

11.4 Radiação térmica

A radiação térmica é radiação emitida a partir de uma superfície de um corpo ou região de partículas devido à temperatura do corpo ou região.

A temperatura é uma medida da energia térmica contida em um corpo. A energia térmica faz com que as partículas carregadas dentro dos átomos do corpo vibrem de uma forma aleatória. As partículas irão, por conseguinte, emitir radiação numa gama de frequências. De modo semelhante, uma região de plasma pode ter uma temperatura.

Uma proporção desta radiação é emitida a partir da superfície do corpo ou da região em forma de calor (radiação infravermelha). Na verdade, toda a matéria com qualquer movimento térmico interno irradia energia EM: quanto mais frio é, quanto maior o comprimento de onda se irradia. Poeira interestelar fria vai irradiar tera-hertz, ou comprimento de onda de radiação sub-milimétrica, começando a uma temperatura de apenas cerca de 10 Kelvin.

Hemisfério noturno de frio profundo de Saturno fotografada em radiação infravermelha pelo espectrômetro para mapeamento térmico / óptico da Cassini em 2006. Imagem cortesia, NASA / JPL / Equipe da imagem da Cassini

Por causa da natureza aleatória das vibrações ao longo de um grande número de partículas, a radiação emitida terá uma gama de frequências, ou comprimentos de onda. A análise estatística mostra que, numa situação ideal, a energia emitida em qualquer comprimento de onda é uma função daquele comprimento de onda. Esta é conhecida como a Lei de Planck e é mostrada graficamente abaixo para uma gama de temperaturas. A radiação emitida nesta situação ideal é conhecida como radiação de corpo negro, o que significa simplesmente que tem o padrão de distribuição que seria de esperar a partir de um emissor em perfeito equilíbrio térmico. (Fonte Diagrama: Wikipedia artigo 'corpo negro')

Radiação de corpo negro ideal para 3 temperaturas, mostrando que o pico do comprimento de onda emitido se desloca para frequências mais elevadas (comprimentos de onda menores) com o aumento da temperatura. Crédito da imagem: Wiki Commons

O gráfico mostra que para uma temperatura qualquer, há um comprimento de onda no qual a maior quantidade de energia é emitida. A medida que a temperatura aumenta, o comprimento de onda do pico de energia diminui. Isso é definido por uma outra lei conhecida como Lei de Wien (Em Português). Note que a linha vermelha tem uma temperatura mais baixa e menor área sob a curva do que a linha azul mais quente.


A área sob qualquer curva de temperatura dá a quantidade total de energia emitida nessa temperatura, por unidade de área. A energia total emitida por unidade de superfície depende apenas da temperatura. Isto é conhecido como a lei de Stefan-Boltzmann.

Se o padrão de radiação emitida a partir de qualquer fonte é distribuído na forma dada pela lei de Planck, então a emissão é assumida como sendo devido a movimentos térmicos aleatórias de partículas na fonte. Então nós dizemos que a radiação é radiação térmica. Tudo isto significa é que a radiação tem uma distribuição de comprimentos de onda ou frequências que vêm das vibrações térmicas aleatórias de partículas. A radiação em si é a radiação eletromagnética como qualquer outra radiação.

Se considerarmos que a radiação é térmica, então podemos determinar a temperatura da fonte pela comparação da curva de radiação emitida às curvas ideais do "corpo preto". Isto significa que podemos determinar a temperatura de objetos distantes se a radiação que emitem é radiação térmica.  Verificou-se que estrelas têm um espectro que se aproxima de uma distribuição de corpo negro, de modo que a temperatura da cor das estrelas pode ser inferida a partir de seus espectros.

Radiação não térmica é simplesmente a radiação que não seja emitida em um padrão térmico. Deve, portanto, ser gerada por outros métodos que não movimentos aleatórios induzidos por temperatura das partículas em um sistema em equilíbrio térmico.

Isso não quer dizer que a temperatura não pode desempenhar um papel em causar esses outros padrões de radiação; é simplesmente que o sistema ou corpo que está emitindo a radiação não está em equilíbrio térmico. Em outras palavras, a energia está sendo permutada com o sistema de modo a que a sua temperatura está mudando com o tempo. Isto irá alterar o padrão de radiação ideal do corpo preto e significa que não é possível atribuir uma temperatura para o corpo.

Alternativamente, a radiação pode ser emitida por partículas individuais submetidas a aceleração causada por outros meios de colisões aleatórias com outras partículas.

11.5 Radiação óptica no Cosmos

Radiação no cosmos é comum em comprimentos de onda visíveis e de rádio. Na região óptico, a maior parte da radiação é gerada pelos elétrons que saltam para novas órbitas dentro de um átomo (transições ligado-ligado), elétrons livres recombinando com íons para formar átomos neutros (transições livres-ligado) e elétrons sendo desacelerados pela interação com outros Material (radiação livre-livre).

As transições ligado-ligado são uma fonte tanto das linhas de emissão quanto das linhas de absorção no espectro. Cada elemento químico tem uma gama de energias associadas com a gama de possíveis órbitas de elétrons em torno do núcleo para o elemento. Como um elétron salta de uma órbita para outra, a energia na forma de radiação ou é absorvida ou emitida. A energia representa a diferença nas energias orbitais e assim é definido com precisão para cada salto possível entre os níveis.

Porque a energia de um fóton é proporcional à sua frequência, essas diferenças de energia irão resultar na radiação com um conjunto definido de frequências para cada elemento. Se a energia da radiação emitida a partir de um elemento é representada para cada frequência do espectro, então haverá picos agudos no gráfico a estas frequências. Estes são conhecidos como linhas de emissão no espectro.

Por outro lado, se a luz com uma ampla gama de frequências passa através de um meio contendo certos elementos ou moléculas, esses elementos são encontrados absorvendo a energia nas suas frequências características. O espectro resultante vai estar ausente dessas frequências, e linhas escuras aparecerão. Estas são conhecidas como linhas de absorção.

Inferior, a linha da luz primária amarela da emissão de sódio, a partir de átomos de sódio aquecidos. Acima é um espectro de absorção onde a luz de uma fonte do tipo corpo negro (tal como uma estrela) passou através de um volume de espaço contendo sódio no seu caminho para o observador ou instrumento de imagem. A linha preta é onde os átomos de sódio teriam absorvido luz preferencialmente naquela frequência, deixando uma linha escura naquela "cor". Imagem cortesia do ThinkQuest (www.thinkquest.org), financiado pela Fundação Oracle Education

Aqui está uma introdução à radiação de corpo negro e linhas de absorção e radiação contínua. E aqui está mais para explorar no contexto mais amplo da espectroscopia.

Como exemplo, se um elemento é aquecido no interior de uma estrela, então ele vai desprender sua radiação característica a qual podemos detectar como brilhantes linhas de emissão na Terra. Por outro lado, se a luz de banda larga tiver passado através de um meio absorvente entre o observador e a fonte de luz, então nós podemos determinar os elementos naquele meio olhando para as linhas de absorção escuras.

Transições ligado-livre ocorrem quando elétrons são capturados por íons resultando na liberação de energia à medida que ocorre recombinação. A quantidade de energia libertada é dependente do elemento formado e da órbita que o elétron ocupa. Como na transição ligado-ligado, certas frequências podem dominar.


 
Radiação livre-livre (Bremsstrahlung) ocorre quando os elétrons passam por uma colisão sem captura com um íon ou uma partícula de poeira carregada no plasma. A trajetória do elétron irá ser alterada à medida que passa perto da outra partícula, e por isso irá emitir radiação, algumas das quais podem estar no espectro visível.

11.6 Radiação de Rádio no Cosmos

Comprimentos de onda de rádio são importantes porque muitas ondas de rádio podem penetrar a ionosfera da Terra e por isso podem ser detectadas por radiotelescópios terrestres.

Matriz de rádio telescópio em Nova Gales do Sul, Austrália. Crédito da Universidade de Waikato e Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO)

Alguma radiação de rádio no cosmos é resultado do comportamento coletivo de grande número de elétrons em um plasma. Se o plasma for suficientemente denso, então os elétrons podem oscilar coletivamente com uma frequência conhecida como a frequência de plasma, que depende apenas da densidade de elétrons na região. Estas oscilações geram radiação da maneira usual.

O Sol, como visto (em falsa cor) em uma frequência de ondas de rádio de 1,4 GHz, com fortes emissões nas regiões ativas no cinturão equatorial solar. Cortesia da imagem do National Radio Astronomy Observatory (NRAO / AUI)

Este tipo de radiação muitas vezes ocorre quando um feixe de elétrons, por exemplo, que pode ser gerado por aceleração através de uma camada dupla, passa através de uma região de neutralização de plasma.

Existem outros mecanismos geradores de radiação de rádio frequência, onde um campo magnético está presente. Estes incluem radiação cíclotron (onde os elétrons têm velocidades não-relativistas), radiação Magneto-Bremsstrahlung (onde os elétrons têm velocidades ligeiramente relativista) e radiação sincrotron (onde os elétrons têm velocidades relativistas).

Radiação sincrotron é produzida por elétrons em espiral ao longo da direção do campo magnético, tal como ocorre em correntes de Birkeland (imagem em 11.3 acima). A aceleração centrípeta causa a radiação. Mais uma vez, a radiação pode ocorrer em todas as frequências de todo o espectro.

Em astrofísica, emissão de rádio não-térmico é, na maioria dos casos, a radiação sincrotron. Isto é verdade para emissões de rádio galáctico, envelopes de supernovas, galáxias duplas de rádio, e quasares. Além disso, o Sol e Júpiter ambos produzem emissões sincrotron esporádicas.

Galáxias duplas de rádio; Image Credit: X-ray: NASA/CXC/Tokyo Institute of Technology/J.Kataoka et al, Radio: NRAO/VLA

Emissão sincrotron também pode gerar frequências ópticas, como são vistas na Nebulosa do Caranguejo e no 'jato' M87. A Nebulosa do Caranguejo (pequeno vídeo no YouTube) também emite quantidades de radiação sincrotron de raios X.

A análise de um espectro sincrotron pode dar informações sobre a fonte dos elétrons relativísticos, que podem ter uma influência sobre a origem dos raios cósmicos, raios X e raios gama no espaço. Radiação sincrotron também evidência para a existência de extensos campos magnéticos no espaço e para a conversão, armazenamento e liberação de grandes quantidades de energia em plasmas cósmicos galácticos, incluindo jatos. Mais detalhes sobre radiação sincrotron aqui (em inglês) para o explorador interessado.

Aperto Z (z-pinch) também pode gerar Radiação Sincrotron como um resultado da força v × B.

A radioastronomia pode, portanto, estender a gama de informações disponíveis para nós bem além daquelas produzidas a partir de telescópios visuais somente. Detecção de maior espectro de energia, como raios-X pode levar esse conhecimento a um outro estágio.

Ativa galáxia Centaurus A (NGC 5128), imagem composto em sub-milímetro (plumas de rádio; laranja), visível (branco) e radiação de raios-X (azul). Diâmetro da galáxia é aproximadamente 200.000 anos-luz; distância estimada de 10 milhões de anos-luz. Crédito: Raio-X: NASA / CXC / Cfa / R. Kraft et al .: sub-milímetro: MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. Optical: ESO / WFI

Um vídeo curto da NASA sobre esta galáxia está aqui, embora a UE não especule sobre ‘buracos negros’ causando jatos galácticos e sua radiação resultante.

Em todos os casos nós achamos que plasmas e correntes elétricas dentro deles são excelentes emissores de radiação, porque, como vimos, eletricidade em plasma é extremamente boa para acelerar partículas carregadas, via os campos elétricos através de camadas duplas, que as partículas então emitem radiação. Pesquisa interessante artigo arXiv postado aqui.

Arcadas de filamentos de plasma solar na baixa coroa do Sol são reveladas à luz ultravioleta distante por instrumentos de rastreio, cortesia The TRACE Picturebook, da NASA

Esta produção eficiente de radiação por mecanismos elétricos parece ser uma fonte da maior parte da radiação detectada no espaço muito mais provável do que são as enormes quantidades de matéria escura e da matéria super-densa necessárias para explicar a aceleração de partículas usando apenas a gravidade.

Claro, "reconexão magnética", a alegada quebra e reconexão de linhas de campo magnético, é também muitas vezes invocada para explicar este tipo de provas no Modelo de gravidade. Como vimos, isso é simplesmente impossível, porque as linhas do campo magnético não têm uma existência física da mesma forma que linhas de longitude.

Encélado está ligado à corrente
Publicado em 22 de fevereiro de 2016 por Stephen Smith
https://www.thunderbolts.info/wp/2016/02/22/enceladus-is-plugged-in/


Um diagrama da magnetosfera complexo de Saturno. Crédito: Espacial Mullard Science Laboratory, UCL.


Saturno exibe um circuito entre Encélado e seu ambiente elétrico.

A missão da sonda espacial Galileo a Júpiter identificou atividade elétrica entre várias luas e a vasta magnetosfera de Júpiter. O que era chamado de plumas "vulcânicas" irrompendo de Io, injetando volumes consideráveis ​​de material ionizado no ambiente de plasma do gigante de gás. Em um Universo Elétrico, filamentação e ionização significam que as plumas resultam de arcos catódicos, desintegrando-se eletricamente na superfície, enquanto explode a "neve" de dióxido de enxofre 150 quilômetros no espaço.

Io age como um gerador, uma vez que orbita dentro da plasma-esfera de Júpiter. Esse movimento orbital induz cerca de 400.000 volts através do diâmetro da lua a mais de três milhões de amperes. Esse fluxo elétrico de 1,3 trilhão watt flui numa bainha de plasma (cauda magnética de Júpiter) onde ele circula.

De acordo com um recente artigo liberado, Saturno e sua minúscula lua, Encélado, compartilham material ionizado coletado em sua própria vasta magnetosfera. A magnetosfera de Saturno se estende além da órbita de Titã, aproximadamente 1,2 milhões de quilômetros de distância, embora possa ser muito maior. A sonda Cassini descobriu, pela primeira vez, que a ionosfera de Saturno estava, ocasionalmente, fornecendo uma quantidade de plasma semelhante a de sua lua.

Marianna Felici do Mullard Space Science Laboratory na University College, em Londres, disse:

"Ao medir o fluxo das partículas na magnetocauda e mapeando-os para a região de saída da aurora, calculamos que a quantidade total da massa emitida por segundo pode ser tão grande quanto a velocidade à qual a massa é emitida a partir Encélado. Não se sabe o quanto dessa massa permanece na magnetosfera e quanto escapa abaixo da cauda magnética e junta-se com o vento solar."

Na Terra, os fluxos de partículas carregadas do Sol são capturados pela magnetosfera, e junto com íons gerados pela própria Terra, recolhidos numa folha de plasma dentro da magnetocauda, onde eles são mantidos juntos pelo campo magnético da Terra. Processos semelhantes nunca foram testemunhados em Saturno até a observação de Cassini. As partículas na magnetocauda de Saturno foram vistas mudando: íons de água ionizada desapareceram enquanto íons H+ tomaram seu lugar. A equipe relata que isto é compatível com o fluxo de carga (partículas ionizadas) da atmosfera superior de Saturno.

Os astrônomos sugerem que as plumas de vapor ionizado de Encélado ocorrem devido à gravidade de Saturno "comprimir" a lua enquanto ela orbita. As partículas ionizadas então fluem ao longo da conexão eletromagnética de Saturno com sua lua. Uma vez que a eletricidade não flui numa única direção a conexão unidirecional não deve ser correta, então como está a eletricidade se deslocando entre Encélado e Saturno?

Em 11 de agosto de 2008 sensores de plasma da Cassini constataram íons e feixes de elétrons se propagando a partir do hemisfério norte de Saturno, criando uma "pegada" ultravioleta na auroral oval. A correspondência foi encontrada entre as emissões da variável tempo das "aberturas" em Encélado e variações de brilho da pegada auroral.

Uma vez que Saturno está eletricamente conectado ao Sol, uma interação elétrica entre Saturno e suas luas significa que eles são corpos carregados e não são neutros. Saturno está em uma relação elétrica dinâmica com suas luas.

Stephen Smith

Agradecimentos à William Thompson

Atualmente a sonda Juno está reportando dados p/ a NASA s/ Júpiter, num vídeo recente do final de 2017 (12/12/17) os pesquisadores da agência espacial americana discorrem s/ suas conclusões como pode ser visto no vídeo anexo a esta mensagem. Em determinado trecho o repórter Harvie Lyford pergunta a Scott Bolton (NASA) o q ele esperava aprender com o resto da missão. Transcrito abaixo esta a pergunta e a resposta:

34:30
Harvie Lyford freelance over here, I understand the mission will end next year with one of NASA's famous controlled crashes, do you expect to learn entirely new things between now and then that you haven't talked about at all or will it mainly be refinements of what you've already learned?

36:27
[Scott Bolton] ...I think the key answer to your question is that in the remaining orbits as we complete the map of both a magnetic field the gravity field and we get more of all the remote sensing the polar magnetosphere we will be discovering a lot of new things and in fact a lot of what we've learned and discovered with Jupiter is that our ideas needed to be adjusted, that we... it was a real paradigm shift when you got up close to the planet. The deep atmosphere didn't look like we thought, the core and the interior structure didn't look like we thought, we don't actually have the new answers all the time to explain what we've seen. We just know enough to know that we were wrong! And so the rest of the mission really is going to get very critical data in order to help resolve exactly how Jupiter works and how it plays a role in the formation of the solar system and how everything gets put together you know in the early formation of the solar system.

Em bom português:

Harvie Lyford freelance aqui, eu entendo que a missão vai encerrar no próximo ano com um dos famosos acidentes controlados da NASA, você espera aprender coisas inteiramente novas entre agora e depois que você não falou ou será principalmente refinamentos do que você já aprendeu?

[Scott Bolton] ...Eu acho que a resposta-chave para sua pergunta é que, nas órbitas restantes, a medida que completarmos o mapa tanto do campo magnético quanto do campo de gravidade e obtivermos mais de todo o sensoramento remoto da magnetosfera polar, estaremos descobrindo muitas novas coisas e de fato muito do que aprendemos e descobrimos com Júpiter é que nossas ideias precisavam ser ajustadas, que nós... Foi uma verdadeira mudança de paradigma quando você se aproxima do planeta. A atmosfera profunda não se parecia com o que pensávamos, o núcleo e a estrutura do interior não se pareciam com o que pensávamos, na verdade não temos novas respostas o tempo todo para explicar o que vimos. Nós apenas sabemos o suficiente para saber que estávamos errados! E assim, o resto da missão realmente vai obter dados críticos importantes para ajudar a desvendar exatamente como Júpiter funciona e como ele desempenhou um papel na formação do sistema solar e como tudo se juntou, você sabe na formação inicial do sistema solar.
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Penso q a importância do texto destacado está em reafirmar q as certezas de hj na exploração espacial não tem se materializado quando novas descobertas são feitas e q a teoria do Universo Elétrico deve ser encarada como uma alternativa válida p/ muitos dos mistérios relacionados a história, formação e funcionamento dos planetas.