4 Tesla Magnetlabor
des MPE in Garching
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Motivation
für das neue Hochfeld-Labor des MPE
In einem starken Magnetfeld werden im Zusammenhang mit dem
Plasmakristall-Experiment
neue Effekte der sich im Feld bewegenden geladenen Staubteilchen
erwartet.
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Mit dem neuen Hochfeld-Labor fügt das MPE dem Plasmakristall-
Experiment die letzte fehlende Komponente hinzu, die man i.A. bei
Plasmen in der Natur findet: Das Magnetfeld.
Bewegen
sich elektrisch geladene Teilchen eines Plasmas in einem Magnetfeld
B,
so werden sie rechtwinklig zu ihrer Bewegung abgelenkt (rechts,
grüner Pfeil). In einem
homogenen Magnetfeld beschreiben sie eine Kreisbahn mit einem
Radius, der umgekehrt proportional zur Magnetfeldstärke ist,
dem sog. Larmor-Radius. Ist der Larmor-Radius vergleichsweise klein
(d.h. das Magnetfeld stark),
so führt dies dazu, dass sich die geladenen Teilchen um die
Magnetfeldlinien 'herumwickeln' und sich nur noch entlang dieser
effektiv bewegen können. Dieses Verhalten beobachtet man z.B.
bei heißem Plasma, das sich auf der Sonnenoberfläche
entlang der gebogenen Magnetfelder der Sonne bewegt und diese
damit sichtbar macht (Bild unten links).
Ein weiteres Beispiel sind geladene Teilchen der kosmischen
Strahlung, die vom Magnetfeld der Erde abgelenkt und zu den
Polen hin konzentriert werden, wo sie in der Hochatmosphäre
Leuchterscheinungen, die Polarlichter, hervorrufen (Bild unten
rechts).
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Plasmen und Magnetfelder in der Natur
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Oberfläche der Sonne: Heißes Gas (Plasma) zeichnet die
Magnetfeldlinien über der Sonnenoberfläche nach.
(Quelle:
APOD)
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Polarlichter über Alaska: Die energiereichen Teilchen des
Sonnenwinds folgen dem Magnetfeld der Erde und bringen über
den Polarregionen die Hochatmosphäre zum Leuchten.
(Quelle:
APOD)
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Abschätzung der Feldstärke
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Setzt man das Plasmakristall-Experiment einem Magnetfeld aus, so
dürfte sich ein völlig neues Verhalten zeigen. Durch das
Magnetfeld wird die Bewegungsfreiheit des Systems eingeschränkt,
so dass effektiv nur ein Freiheitsgrad, nämlich entlang der
Feldlinien, zur Verfügung steht.
Wie bereits erwähnt, hängt der Larmor-Radius von der
Feldstärke, aber auch von der Masse und der Geschwindigkeit
eines Teilchens ab. Damit ist er für die einzelnen Komponenten
des komplexen Plasmas - Elektronen, Ionen und geladene Staubteilchen -
jeweils unterschiedlich. Die Abhängigkeit des Larmor-Radius'
RL von der Feldstärke
für die einzelnen
Komponenten zeigt die Abbildung rechts. Aufgetragen ist links der
Logarithmus des Radius' (0 = 1mm) gegen die Feldstärke in
Tesla unten. Die Plasmakomponenten sind durch verschieden breite,
farbige
Balken wiedergegeben. Rot: Elektronen, die mit ihrer geringen
Masse den kleinsten Radius aufweisen, grün: Ionen zweier Gase,
Ar (leichter, daher unten) und Krypton (schwerer, daher oben) und
schließlich orange: die schweren Staubteilchen mit einer
Größenverteilung von 1-9 µm.
Wie zu sehen ist, ist bei einer Magnetfeldstärke von etwa
4 Tesla der Larmor-Radius aller Komponenten kleiner oder gleich
dem typischen Abstand der Partikel im Plasmakristall bei ca. log
RL= -1 (=1/10mm).
Die Forderung an das Magnetsystem lautet also: Feldstärke
bis etwa 4 Tesla, wobei die Homogenität im Messvolumen von
10x10x10cm3 besser als 1% sein sollte,
um paramagnetische Effekte durch Gradienten auszuschließen.
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Letzte Änderung: 2005-04-17
Ansprechpartner: Michael Kretschmer
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MPE
4T Mag Lab
©
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
