Solar wind
Chương 7: "Bong bóng cách điện"

Ngoài điện trở rất thấp của nó, một đặc tính nữa của plasma là khả năng tạo ra một loại "bong bóng cách điện" bao bọc các vật thể tích điện.
Irving Langmuir khám phá ra rằng một trong những đặc tính quan trọng nhất của plasma là khả năng nó cô lập về điện một phần không gian bên trong nó với phần còn lại. Bức tường cách ly được tạo ra bởi hai lớp gần và song song với nhau, một lớp bao gồm các điện tích dương và lớp kia bao gồm các điện tích âm. Langmuir gọi nó là một vỏ kép. Ngày nay, nó được gọi là một lớp kép (double layer), viết tắt là DL.

Do plasma là chất dẫn điện rất tốt, không có sự sụt điện thế đáng kể từ điểm này đến điểm khác trong plasma khi nó đang mang dòng. Nếu có hiệu điện thế đáng kể giữa hai điểm trong plasma, một DL sẽ hình thành giữa chúng và hầu hết hiệu điện thế được chứa trong đó. Nói một cách khác, DL là nơi có điện trường mạnh nhất trong bất kỳ plasma nào. Plasma có khả năng gần như huyền diệu để tự cô lập chúng khỏi những vật thể xâm nhập từ bên ngoài.
Lưu ý là khi điện thế của một thiên thể trở nên bằng với điện thế của plasma xung quanh, bong bóng cách điện biến mất. Đây là điều xảy ra với mặt trăng của chúng ta. Không có bất kỳ bong bóng cách điện nào bao bọc quanh nó.

Hình dưới là mô hình một lớp cắt của một vật thể tích điện (trái) và DL xung quanh nó (phải). DL có ba phần cụ thể. Phần giữa chiếm hầu hết không gian của DL. Điện thế trong khu vực rộng này tương đối đồng bộ, tạo ra một điện trường rất yếu. Kết quả là dòng điện tương đối bị hạn chế, dẫn đến tính chất cách điện của DL. Hầu hết sự khác biệt điện thế xảy ra tại vùng biên, nơi DL tiếp cận vật thể tích điện (trái) hoặc plasma bao bọc xung quanh (phải).
Ảnh

DL hạn chế đáng kể sự phóng điện của vật thể tích điện. Nếu không có DL, bề mặt vật thể sẽ tiếp xúc trực tiếp với không gian xung quanh, nơi có một điện thế khác hẳn. Hiệu điện thế này sẽ dẫn đến sự phóng điện nhanh chóng và hoàn toàn của vật thể. Nhìn theo cách này, các thiên thể khá giống với các tụ điện cầu.

Ảnh
© Wikimedia Commons
Một tụ điện đĩa từ thế kỷ 19. Không khí giữa hai cái đĩa đóng vai trò điện môi.
Một tụ điện chỉ đơn giản là hai cực điện ngăn cách với nhau bởi một lớp cách điện gọi là "điện môi". Điện môi có thể là không khí, giấy, gỗ, thủy tinh, v.v... Khi tụ điện được nối với nguồn điện như một cục pin, điện tích sẽ từ từ tích tụ tại hai điện cực và điện trường giữa hai điện cực gia tăng. Vào lúc này, hầu như không có chút dòng điện nào chạy giữa hai điện cực. Khi điện trường đạt tới một giá trị tới hạn (được gọi là "điện áp đánh thủng"), sự phóng điện xảy ra và một dòng điện mạnh, đột ngột chạy giữa hai điện cực. Sau đó, điện tích lại bắt đầu được tích tụ lại một cách chậm chạp.

Súng Taser hay súng bắn điện gây tê là một ứng dụng điển hình của tụ điện. Một nguồn pin 9V nạp một tụ điện trong vài giây, sau đó nó có thể cung cấp một phóng điện rất ngắn với điện áp cao (lên đến 150.000 volt).

Nếu chúng ta coi thiên thể tích điện như một tụ điện thì một điện cực là bản thân thiên thể đó, điện cực kia là lớp ngoài của "bong bóng cách điện" hay DL, và lớp điện môi (chất cách điện) của tụ điện là plasma chứa bên trong "bong bóng", được biết đến dưới cái tên tầng điện ly.

Mặt trời có DL của riêng nó, được gọi là nhật quyển. DL của Trái Đất được gọi là tầng điện ly. Tất cả các hành tinh trong hệ mặt trời đều nằm trong nhật quyển của mặt trời trong khi được bao bọc bởi bong bóng cách điện của riêng chúng.

Trong khi bản chất điện của tầng điện ly của Trái Đất đã được công nhận từ lâu, mãi đến năm 2004 bản chất điện của nhật quyển cuối cùng mới được quan sát:
Tàu vũ trụ Voyager 1 đã đến "rìa của hệ mặt trời" vào tháng 12 năm 2004 tại một vùng cách xa mặt trời hơn Trái Đất gấp 94 lần. Đó là vùng nơi mà người ta dự kiến rằng "gió mặt trời" sẽ đột ngột chậm lại khi nó gặp môi trường giữa các vì sao tại cái được gọi là "biên giới kết thúc sốc". So sánh kiểu cơ học chất lỏng này khác hẳn với mô hình điện, trong đó mặt trời là một cực quang bức xạ "đơn cực". Nghĩa là mặt trời tạo thành cực dương (vật thể tích điện dương) và bản thân plasma xung quanh thực hiện chức năng của cực âm (vật thể tích điện âm). Các đường dây tải điện cao thế trên Trái Đất cũng trải qua hiện tượng "bức xạ cực quang" tương tự vào không khí xung quanh, và không khí xung quanh đó tạo thành một "cực âm ảo" (không phải một vật thể mà là một khu vực mang điện tích).

Trong mô hình này, gần như toàn bộ hiệu điện thế giữa mặt trời và môi trường thiên hà của nó, ước tính cỡ hàng chục tỷ volt, được tập trung tại ranh giới giữa cực âm ảo với khoảng không gian giữa các vì sao. Vì vậy, dễ hiểu là tại sao người ta dự đoán sẽ có những dữ liệu từ Voyager 1 không phù hợp với mô hình động lực học chất lỏng mà phù hợp hơn với mô hình điện. Trong mô hình điện, Voyager 1 đã đi vào khu vực "không gian tối Faraday" của bức xạ mặt trời nơi mà điện trường mặt trời bị đảo ngược. Mô hình đó sẽ giải thích được sự gia tăng đột ngột của proton trong gió mặt trời và sự gia tăng đều đặn của các tia vũ trụ bất thường từ những vùng xa xôi trong vũ trụ.
Như hình dưới cho thấy, nhật quyển không phải hình cầu mà là hình elip. Hình dạng này có được là do toàn bộ hệ mặt trời, kể cả nhật quyển, chuyển động xung quanh trung tâm thiên hà của chúng ta. Tốc độ của mặt trời so với trung tâm thiên hà được ước tính là 220 km/s. Hệ mặt trời chuyển động về phía trái. Do vậy, phía bên trái của nhật quyển bị "nén lại", trong khi phía bên phải của nhật quyển được kéo dài ra.
Heliosphere
© Sott.net
Mặt Trời luôn luôn phát ra luồng ion và bức xạ dương. Năng lượng này từ đâu đến?
Trong nhiều năm, hình dạng của nhật quyển là một chủ đề gây tranh cãi. Một số nhà khoa học tuyên bố nó là hình cầu với mặt trời ở tâm, trong khi các nhà vũ trụ học plasma tuyên bố nó là hình elip, giống như tầng điện ly của Trái Đất hay vầng sáng ở đầu sao chổi, bởi vì chúng có cùng một cơ chế điện từ (nhớ lại khả năng thay đổi quy mô của plasma). Chỉ đến gần đây hình dạng elip của nhật quyển mới được khẳng định bởi vệ tinh Interstellar Boundary Explorer của NASA.

Ảnh
© NASA / IBEX
Mô hình nhật quyển từ vệ tinh Interstellar Boundary Explorer của NASA
Lưu ý rằng, không giống như mặt trời và các hành tinh của nó, hầu hết các vệ tinh tự nhiên trong hệ mặt trời, bao gồm cả mặt trăng của chúng ta, không có DL hay tầng điện ly của riêng chúng. Điện thế của chúng bằng với điện thế của không gian xung quanh.

Tuy nhiên, có ít nhất một ngoại lệ. Ganymede, vệ tinh thứ ba của sao Mộc và cũng là vệ tinh lớn nhất trong hệ mặt trời, có tầng điện ly (tức là DL). Đây có thể do thực tế là Ganymede là một thiên thể có điện tích riêng mới bị bắt giữ bởi sao Mộc, hành tinh có điện tích mạnh nhất trong hệ mặt trời, trong thời gian gần đây.

Chương 8: Điện tích của mặt trời, Trái Đất và DL của chúng

Như đã nói ở trên, hầu hết vũ trụ được tạo thành bởi plasma. Điều này cũng áp dụng với hệ mặt trời. Vì vậy, trong môi trường ion hóa này, điện tích có mặt ở gần như khắp mọi nơi. Trong chương này, chúng ta sẽ cố gắng hiểu rõ hơn điện tích tương đối của các loại thiên thể (sao chổi, vệ tinh, hành tinh, ngôi sao, thiên hà), trong lõi, trên bề mặt và trong DL (lớp kép) của chúng.

Nhớ rằng "điện tích tương đối" không có nghĩa là "điện tích tuyệt đối". Nói một cách khác, nói rằng A có điện tích dương hơn B không nhất thiết có nghĩa rằng điện tích tổng thể của A là dương một cách tuyệt đối so với toàn vũ trụ. Nó chỉ có nghĩa rằng A có điện tích dương trong một quan hệ "tương đối" với B.

Nói cho cùng, những điện tích tương đối này là thứ thực sự quan trọng bởi vì chính sự khác biệt trong điện tích là thứ sinh ra dòng điện, bất kể các điện tích tuyệt đối (dương hay âm) là bao nhiêu. Do mục đích của chúng ta ở đây là hiểu rõ hơn sự khác biệt giữa điện tích bề mặt, điện tích DL, điện tích lõi, v.v..., chúng ta sẽ tập trung vào điện tích tương đối.

Theo nguyên tắc chung, hầu hết các thiên thể có điện tích tổng thể là âm, và các thiên thể này thường được bao quanh bởi các DL thậm chí còn âm hơn, và các DL này lại bị bao quanh bởi plasma thiên hà còn âm hơn nữa. Áp dụng điều này với mặt trời của chúng ta, nó có nghĩa rằng trong hệ mặt trời, mặt trời là vật thể có điện dương nhất - nói một cách tương đối. Mặc dù điện tích tuyệt đối của mặt trời là âm, nó ít âm hơn các hành tinh, sao chổi, nhật quyển và không gian thiên hà bao quanh nó. Do đó, các hành tinh và sao chổi có thể được coi là những vật thể mang điện tích âm so với mặt trời.

Trong hình dưới, chúng tôi ghi chú thêm điện tích tương đối của Trái Đất, mặt trời và các DL tương ứng của chúng.
Ảnh
© Sott.net
Điện tích tương đối của Mặt Trời, Trái Đất và các DL của chúng
Ở cấp độ của mặt trời, các điện tích tương đối là như sau: lõi mặt trời mang điện dương hơn so với bề mặt mặt trời. Mặt trời (bề mặt và lõi) mang điện dương hơn so với "bong bóng" (nhật quyển) của nó, bao gồm cả Trái Đất và tất cả các hành tinh trong hệ mặt trời. Mặt trời và nhật quyển lại mang điện dương hơn so với plasma thiên hà xung quanh.

Nói về Trái Đất, chúng ta có thể thấy rằng, cũng như mặt trời, lõi Trái Đất mang điện dương hơn so với bề mặt. Tuy nhiên, toàn bộ Trái Đất (bề mặt và lõi) mang điện âm hơn so với "bong bóng" (tầng điện ly) của nó. Trái Đất và tầng điện ly của nó lại mang điện âm hơn so với plasma xung quanh (nhật quyển).

Trong cả hai trường hợp, các điện tích đi dần theo một hướng. Ví dụ, nói về mặt trời, khi đi xa khỏi lõi mặt trời (từ lõi đến bề mặt, nhật quyển, nhật mãn, không gian thiên hà), điện tích ngày càng trở nên âm hơn:

Điện thế của mặt trời > điện thế của nhật quyển > điện thế của không gian thiên hà

Tương tự, đối với Trái Đất, điện tích ngày càng trở nên âm hơn khi đi xa khỏi Trái Đất:

Điện thế của Trái Đất > điện thế của tầng điện ly > điện thế của không gian xung quanh

Lưu ý sự khác biệt: mặt trời có điện tích âm (tương đối) trên bề mặt của nó, trong khi điện tích tổng thể (tương đối) của nó là dương.

Mặt trời đóng vai trò như một máy phát điện. Tại bề mặt của mặt trời, proton mang điện tích dương bị mang đi bởi "gió mặt trời" về phía lớp ngoài của nhật quyển, trong khi electron trôi ngược trở lại và tích tụ trên bề mặt của mặt trời. Hai yếu tố này giải thích tại sao bề mặt của mặt trời có điện tích âm so với lõi.

Ngược lại, Trái Đất không hoạt động như một máy phát điện. Nó được cung cấp năng lượng bởi mặt trời. Mặt trời duy trì tầng điện ly mang điện tích dương của Trái Đất. Do điện tích trái chiều thu hút lẫn nhau, tầng điện ly mang điện tích dương thu hút các electron tập trung về phía bề mặt Trái Đất, do đó tạo ra điện thế âm của bề mặt Trái Đất so với lõi của nó.

Các điện tích kể trên (bề mặt và lõi) là các giá trị trung bình. Tuy nhiên, lõi và bề mặt của các thiên thể không có cùng một mức điện tích ở mọi nơi. Điều này có nghĩa là, lấy một ví dụ, mặc dù tổng thể bề mặt Trái Đất là nhiều điện tích âm hơn bầu khí quyển, nó có thể mang nhiều điện tích dương hơn tại một số vùng cục bộ. Điều này có thể dẫn đến nhiều loại hiện tượng phóng điện.

Chớp hay sét là một hiện tượng cục bộ làm cân bằng điện tích ở các vùng nơi nó xảy ra. Sự mất cân bằng điện tích cục bộ là lý do tại sao chúng ta quan sát thấy sét từ mây xuống mặt đất (loại phổ biến nhất trong đó mặt đất mang nhiều điện tích dương hơn đám mây), nhưng cũng có sét từ mặt đất lên mây (khi mà mặt đất mang nhiều điện tích âm hơn đám mây) và chớp giữa hai đám mây (khi hai đám mây có điện thế rất khác nhau).

Những cú phóng điện khổng lồ đột ngột này cho phép cân bằng điện tích giữa hai khu vực có sự khác biệt lớn về điện tích. Chúng tôi sẽ nói chi tiết hơn về chủ đề này ở những chương sau.

Quay về ví dụ so sánh của quả cầu plasma, khi bạn chạm vào bề mặt quả cầu, một tia plasma dày hình thành giữa điện cực trung tâm và điểm bạn chạm vào trên quả cầu. Tương tự, khi một con muỗi bay vào giữa hai mặt lưới của cái vợt diệt muỗi điện, nó gây ra sự phóng điện. Trong cả hai trường hợp, một vật thể ngoại lai (ngón tay, con muỗi) làm tăng tính dẫn điện cục bộ, thiết lập một con đường ít trở ngại nhất và cho phép sự phóng điện xảy ra qua đó.

Trong khi DL hoạt động như một lớp cách điện, làm giảm sự phóng điện giữa vật thể tích điện và môi trường plasma xung quanh, DL không phải là lớp cách điện hoàn hảo. Cũng như với bất kỳ loại tụ điện nào, dòng điện vẫn chạy qua lớp cách điện, cho dù dưới dạng dòng dò rỉ chậm hay sự phóng điện mạnh mẽ hơn như ba chế độ phóng điện được mô tả ở trên (tối, phát sáng và hồ quang). Sự hiện diện của vật thể tích điện (ví dụ sao chổi, hành tinh, v.v...) trong DL của một thiên thể là cơ chế chính châm ngòi cho những cú phóng điện khổng lồ. Chúng tôi sẽ nói thêm về điểm này sau.