Bölüm 7: Birkeland Akımları, Manyetik Halatlar ve Akım Taşıyan Çift Katmanlar

7.1 Birkeland Akımları

Plazmadaki akımların filamentleşmesinin başka bir nedeni var. Bunun nedeni, herhangi iki paralel akım arasında bir çekim gücü olmasıdır. "Paralel akımlar" derken, uzaydaki bir madde filamentindeki benzer yüklerin (örneğin elektronlar, protonlar veya iyonlar) akış yönünün veya hareketinin akımın her iki filamentinde de (veya bazı durumlarda ikiden fazla) aynı veya hemen hemen aynı yönde olduğunu kastediyoruz. Her akım elektromanyetizmanın normal yasalarına göre, birinci akımı çevreleyen ve ikinci akımı çeken bir manyetik alan oluşturur. Bu nedenle, bu eğiticide(link) gösterildiği gibi iki akım bir araya getirilir ve iki adet akım taşıyan iletkenin ve aralarında indüklenen kuvvetlerin bu kısa videosu(link), paralel akımları, paralel olmayan akımları ve ortaya çıkan kuvvetler gösterir.

Bu etki, bireysel elektron akımlarının yanı sıra akım taşıyan teller için de geçerli olacaktır. Bu nedenle bir plazmada yaygın bir akım, daha önce gördüğümüz gibi, bir filament halinde yoğunlaşma eğiliminde olacaktır. Benzer şekilde, bir akım tabakası da akan bir su tabakasının ayrı ayrı akıntılara ayrılması gibi, tek tek filamentler halinde birleşme eğiliminde olacaktır.

Örgülü akıntı tabakaları Peçe Bulutsusu'nun (the Veil Nebula) Kuğu Döngüsü (the Cygnus Loop ) boyunca görünür ve kızılötesi ışıkta yumuşak bir şekilde parlar. Görsel hakları: W. P. Blair, R.Sankrit (Johns Hopkins Üniversitesi / NASA)

Aynı çevrede iki paralel filament meydana gelirse veya filamentleşme süreçleri nedeniyle bir akım tabakasından oluşursa, bunlar birbirlerini çekecek ve başlangıçta Biot-Savart Yasası ile tanımlanan manyetik çekim altında birbirlerine doğru hareket edeceklerdir. Bu nedenle, akım silindirlerinin çiftler halinde oluşma eğilimi vardır.

Biot-Savart kuvvet yasasının akım ileten filamentler arasındaki ters mesafe bağımlılığı (şuradaki ters mesafe değişiminden bahsediyor sanırım

I akımı taşıyan bir telden a kadar uzaktaki bir P noktasındaki manyetik alan]

• B, manyetik alan (Tesla)
  μ, serbest uzayın manyetik geçirgenliği (4π*10−7)(N/A2)
• I, akım (Amper)
• a, uzaklık (metre)
• göedüğünüz gibi mesafe yani a ters orantılı

) -ilginç biçimde- filamentlerin eşleşmesine yol açar. Bu, bir hücre içinde parçacık (PIC, particle-in-cell ) bilgisayar simülasyonunda 3 akım filamentinin yalnızca ikisinin güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini, üçüncüsü hareketsiz kaldığını gösterir. Bu, önemli bir manyetik alana sahip bir plazmada birçok filament mevcut olduğunda, doğrudan "ikilik" veya "çiftliğe" yol açar. Haklar: Şekil 3.21'den uyarlanmıştır, Plazma Evreninin Fiziği, Peratt, Springer Verlag, 1992

Uzun menzilli çekim kuvveti, iki karşı paralel sarmal akımın azimutal bileşenleri arasında daha kısa menzilli bir itme ile dengelendiğinde bir denge noktasına ulaşılır. İncelemeler, çekici kuvvetlerin merkezlerinde, her akıma etki eden bir eşleşme ya da birleşme (couple) veya dönme kuvveti ile sonuçlanan bir denge (offset) olduğunu göstermektedir. İkiz akımlar bu nedenle sarmal bir hareketle ortak bir eksen etrafında dönme eğiliminde olacaktır. Daha önce olduğu gibi, sarmalın ekseni genel manyetik alanla hizalanma eğiliminde olacaktır

Akım çiftlerinin bu düzenlemesi, onları ilk olarak 20. yüzyılın başlarında inceleyen Norveçli fizikçi Kristian Birkeland'dan dolayı Birkeland Akımı olarak bilinir.

7.2 Manyetik Halatlar ( Magnetic Ropes)

Akımların birbirini saran sarmal etkisi, bükülmüş halat görünümü verir. Akımlar manyetik alanla uyumlu olduğundan, Birkeland Akımları genellikle "manyetik halatlar" veya "akı tüpleri" olarak adlandırılır. Yanlış olmasa da, bu açıklama filamentlerin akım taşıyan doğasını gizleme eğilimindedir ve etkinin yalnızca manyetik kuvvetlerden kaynaklandığını ima eder. Daha önce gördüğümüz gibi, manyetik alanlar elektrik akımları ile bir arada bulunduğundan bu doğru değildir.

Birkeland akıntıları, çevredeki bölgeden de madde çekebilir. Bunun nedeni, her eksenel akımın oluşturduğu azimut manyetik alanların, iki akım arasında minimum ışınsal olarak içeriye doğru bir basınç gradyanı oluştururken, manyetik alanların akım halatının ötesine uzanmasıdır. Bu, akım halatının dışındaki yüklü madde ve iyonize türlerin mevcut halatın merkezine doğru çekilmesine neden olur, işlem Marklund Konveksiyonu olarak bilinir (bkz. 6.12)

Etki, tek bir akım silindirinin I × B kuvvetine benzer olsa da, ikiz akımlar arasındaki minimum manyetik basınç madde konsantrasyonu için daha verimli bir mekanizma olabilir.

Halat içindeki yoğunluk artırılırken Birkeland Akımı dışındaki plazma yoğunluğu azaltılır. Bu nedenle Birkeland Akımları genellikle plazmadaki yoğunluk değişimleriyle ilişkilendirilir.

7.3 Uzaydaki Akımların Görünür Etkileri

Yukarıda açıklanan türden ipliksi yapılar uzayda yaygındır: Örnekler arasında Aurosal filamentler? (Auroral filaments), Venüs'ten gelen akı halatları, Güneş çıkıntıları ve koronal flamalar (coronal streamers), kuyruklu yıldız kuyrukları ve iplik ağlarının sıklıkla görüldüğü yıldızlararası bulutsu sayılabilir. Filamanlı nötr hidrojen yapılarından daha önce bahsedilmiştir (bkz. 6.12'de Marklund Konveksiyonu). Gökada kümelerinin dizilişinde de ipliksi yapı gözlemlenmiştir.

7.4 Akım Taşıyan Çift Katmanlar

Çift Katmanların laboratuvarda, parlama deşarj tüplerinde (glow discharge tubes) oluşabileceğini görmüştük. Açıktır ki bu DL'ler (Double Layer, Çift Katman), DL içindeki güçlü elektrik alanında iyonları ve elektronları hızlandırma özelliğine sahip olmanın yanı sıra, akımın kendi içlerinden iletilmesine izin verir. Bunlar, CFDL'lerden ayırt edilebilmesi için Akım Taşıyan Çift Katmanlar (CCDL) olarak adlandırılmıştırlar.

Bir CCDL, bir CFDL'den farklı bir yolla oluşur. Genellikle bir tür dengesizlik veya akım akışındaki değişiklik tarafından tetiklenir.

Bir CCDL'nin oluşmasına neden olan bir değişikliğe örnek olarak, plazma yoğunluğunun daha düşük olduğu bir bölgeden bir akım geçtiğinde ne olacağını düşünün. Akım çoğunlukla daha hafif elektronlar tarafından taşındığından, ilk durumda, durumu iyonlara göre düşünebiliriz.

Elektron akımı değişmediyse, düşük yoğunluklu bölge, gelen (elektron) akımın "akışı" nedeniyle hızla çok fazla elektron elde ederdi. Bu, daha düşük yoğunluklu bölgede daha fazla elektronu itecek ve akım akışını bozacak potansiyel bir farkla sonuçlanacaktır.

Akımın, elektron yoğunluğu ve elektron hızının çarpımı ile orantılı olduğunu hatırlayarak, elektron yoğunluğunun uygun seviyeye indirgenmesinin tek yolu, toplam akım korunurken elektron hızının arttırılmasıdır.

Bunun elde edilme yolu, elektronları bölgeye hızlandıran düşük yoğunluklu bölgenin sınırında bir CCDL'nin oluşturulmasıdır. DL'nin gücü, elektron yoğunluklarını düşük iyon yoğunluğuna uyacak şekilde azaltmak ve yük nötrlüğünü korumak için gerekli elektron hızını sağlamak için yeterli olana kadar artacaktır.

Tabii ki iyonlar da DL'den etkilenir, ancak genel etki az önce anlatılana benzer. Ayrıca, daha hızlı elektronlar, ek hız gereksinimini değiştiren ek iyonlaşmaya neden olabilir, ancak yine de gerekli ivmeyi sağlamak için bir DL gerekli olacaktır.

7.5 Akış İstikrarsızlıkları ve CCDL'ler

CCDL'ler ayrıca akımı oluşturan karşı akım elektronları ve iyonlarındaki akış dengesizliklerinin bir sonucu olarak da oluşabilir

Buneman istikrarsızlığının gerçek mekanizması karmaşıktır. Bununla birlikte, özünde, bir plazmadaki iyonların ve elektronların yoğunluğu her zaman yerel olarak mutlak nötrlükten farklı olacaktır. Plazma daha sonra herhangi bir dengesizliği düzeltmek için kendi kendini ayarlar. Bu yoğunluk değişimleri, plazma sıcaklığına ve plazmanın içinden geçen akıma bağlı bir sıklıkta meydana gelir. Akım yoğunluğu yeterince yüksekse, yoğunluk değişimlerinin sıklığı plazmanın kendisini ayarlayamayacağı kadar hızlı hale gelir. Durum dengesiz hale gelir.

Bu türde bir dengesizliğin bir CCDL oluşumuna yol açtığı bulunmuştur. İyon ve elektron yoğunluklarındaki değişiklikler yerel elektrik alanlarının gelişmesine neden olur. Bu alanlar, büyük genlikle salınmaya başlayan ve böylece yoğunluk değişimlerini artıran iyonlarla enerji alışverişinde bulunur. Farklı yük yoğunluğuna sahip alanlar, aralarında elektrik alanları oluşturur.

Bu yoğunluk değişimlerinden dolayı elektrik alanı arttıkça, akımdaki elektron akışı bozulur ve bazı elektronlar "tuzağa düşer" veya yerel girdaplarda geriye doğru akmaya başlar. Sonuç, hızlandırılmış elektron ve iyon popülasyonları ve DL'nin akış aşağısında sıkışmış elektronlar ve iyonlar içeren bir CCDL'nin oluşmasıdır.

Bu süreç, bazı açılardan sıvı akışı dengesizliklerine benzer. CCDL bazı yönlerden hidrolik sıçrama gibidir, burada sıvı hızları atlamanın her iki tarafında farklıdır; atlama sıkışmış sıvının girdaplarını içerir; ve atlamanın kendisi konumunda 'sabittir'.

Bir CCDL her zaman DL bölgesinde akım üreten potansiyel düşüşün bir kısmını yoğunlaştıracak ve böylece akışın geri kalanındaki potansiyel değişimi azaltacaktır.

CCDL'ler akış özelliklerinde değişiklikler meydana geldiğinde oluştuğundan, akış alanının daraldığı akımdaki sıkışmalar da akış alanının değiştiği noktada DL'lerin oluşmasına neden olabilir.

7.6 DL'lerde Enerji Tüketimi

Bir CCDL'nin potansiyel düşüşü boyunca hızlanan elektronlar, DL'nin ötesindeki nötr atomlarla çarpışmalarda enerjilerini kaybetme eğiliminde olacaktır. Bu uyarılmış atomlar, temel durumuna döndüklerinde ışımayla (radyasyonla) enerji kaybedeceklerdir. Bu nedenle bir DL oluşumu, plazmanın bir elektrik devresindeki bir dirence benzer bir şekilde fazla enerjiyi dağıtabileceği bir araç görevi görür.

Bu mekanizma, aksi takdirde daha çalkantılı dengesizliklerin gelişmesine neden olabilecek enerjiyi "güvenli bir şekilde" dağıtarak plazma devrelerinin kararlılığına katkıda bulunur.

7.7 DL'lerin sınıflandırılması

Daha önce tartışıldığı gibi, akım taşıyan çift katmanlar (CCDL) ile akım içermeyen çift katmanların (CFDL) arasında temel bir fark vardır, farklı mekanizmalar tarafından oluşturulurlar ve DL'nin önemli bir elektrik akımının kendi içinden geçmesine izin verip vermediğiyle ayırt edilirler.

Diğer bir sınıflandırma, DL'nin gücüne dayanmaktadır. Üzerindeki potansiyel düşüşe bağlı olarak, bir DL zayıf, güçlü veya göreceli olarak sınıflandırılabilir. Her sınıfın, etraflarını çevreleyen plazmadaki yüklü parçacıklar üzerinde farklı etkileri olacaktır.

DL üzerindeki potansiyel düşüş, plazma potansiyelinden daha büyükse, DL, güçlü bir DL olarak sınıflandırılır. Güçlü bir DL, DL'ye plazma potansiyelinden daha az enerjiyle yaklaşan parçacıkları yansıtacaktır. Sadece plazma potansiyelinin üzerinde enerjiye sahip parçacıklar DL'ye girecek ve hızlandırılacaktır.

Zayıf bir DL, "yanlış" taraftan yaklaşan plazma potansiyeline sahip parçacıkları yavaşlatır, ancak daha sonra DL'den geçerken onları yeniden hızlandırır.

DL üzerindeki potansiyel düşüş, parçacıkların elektronun durgun kütle enerjisinden daha büyük enerji elde etmesine neden olmak için yeterliyse, o zaman göreceli DL olarak bilinir. Göreli bir DL, bu nedenle, elektronları potansiyel düşüşten geçerken ışık hızına yaklaştıracak şekilde hızlandıracaktır. Bu, aktif radyo galaksilerinin bir veya iki kutup ekseninde bulunan güçlü akım taşıyan, koşutlanmış plazma jetlerinde(link) meydana gelebilir.