Wissen · Form · Sumkra
Torus & Feldlinien
Der Torus ist eine Fläche mit genau einem Loch. In der Natur taucht er als Feldschale, als Wirbel und als Bauform auf – aber nicht überall, wo man ihn sieht.
Das Wort bezeichnet in Mathematik, Physik und Technik sehr Verschiedenes: eine Fläche, eine Schale aus Magnetfeldlinien, einen Wirbel in Rauch oder Blut, die Bauform von Spulen und Reaktoren. Diese Seite geht die Fälle einzeln durch, mit Rechnern zum Selbstprüfen. Was ist ein Torus, und wo kommt er wirklich vor?
Hier finden Sie eine Feldlinien-Werkstatt, Linien auf dem Torus, einen Ringspulen-Rechner, einen Erdfeld-Rechner, ein Wirbelring-Schema und einen Atlas mit acht Fundorten, jeweils mit Quellen.
Zum Ausprobieren · Feldlinien-Werkstatt
Aus Schleifen werden Schalen.
Feldlinien-Werkstatt. Wählen Sie eine Quelle. Der Querschnitt zeigt die Feldlinien, die Schale entsteht, wenn man sie um die Achse dreht.
Modell: das Feld einer kreisförmigen Stromschleife nach Biot und Savart (elliptische Integrale), Linien in der Querschnittsebene verfolgt, Schalen durch Drehen um die Achse; „Loch“ ist der innere Radius der Schale geteilt durch ihren äußeren. Eigene Rechnung; an der Achse gegen die bekannte Formel B = μ0·I·R² ÷ (2·(x² + R²)3/2) geprüft.
Mathematik
Eine Fläche mit einem Loch
Ein Torus ist topologisch das Produkt zweier Kreise, eine Fläche vom Genus 1. Tasse und Donut sind für die Topologie dieselbe Fläche.
Feldlinien
Schalen, nicht Ringe
Die Feldlinien eines Punktdipols laufen alle durch seine Mitte; ihre Schalen sind dort eingeschnürt. Echte Tori entstehen um ausgedehnte Quellen wie eine Stromschleife.
Strömung
Wirbelringe drehen sich wirklich
Im Rauchring, im Herzen und bei Quallen dreht sich Material um eine geschlossene Linie. Ab etwa vier Rohrdurchmessern Hublänge reißt der Ring ab.
Technik
Eine Bauform mit Grund
Ringkerntransformator und Tokamak nutzen den Torus, weil sich Feldlinien in ihm ohne Ende schließen können.
I · Die Form
Eine Fläche mit genau einem Loch.
Dreht man einen Kreis um eine Achse, die ihn nicht berührt, entsteht ein Torus. Fläche und Volumen rechnet die Torus-Werkstatt auf der Hauptseite. Hier geht es darum, was die Form für Mathematik und Physik besonders macht: Man kann auf ihr auf zwei verschiedene Arten im Kreis laufen.
- Quelle
- Wikipedia, „Torus“ und „Hairy ball theorem“ (Nachschlagewerke). Hier in eigenen Worten.
- Topologie
- Ein Ring-Torus ist topologisch das Produkt zweier Kreise, eine geschlossene Fläche vom Genus 1 (ein Loch). Die Oberfläche einer Kaffeetasse und die eines Donuts sind für die Topologie dieselbe Fläche.
- Kämmen
- Die Euler-Charakteristik des Torus ist 0. Deshalb lässt sich ein „behaarter Donut“ glatt kämmen, eine behaarte Kugel nicht: Sie behält mindestens einen Wirbel.
- Meine Verbindung
- Magnetfeldlinien haben weder Anfang noch Ende. Eine geschlossene Fläche, auf der sie überall und ohne Nullstelle entlanglaufen, muss deshalb wie ein Torus gebaut sein. Das ist meine Folgerung aus dem Kämm-Satz, keine Aussage der Quellen.
- Quelle
- Wikipedia, „Torus“ und „Safety factor (plasma physics)“. Hier in eigenen Worten.
- Zwei Wege
- Toroidal heißt der lange Weg um das Loch herum, poloidal der kurze Weg um die Röhre.
- Herkunft
- Die Begriffe wurden zuerst für das Erdmagnetfeld gebraucht („poloidal“ für die Richtung zu den Polen). Heute dienen sie vor allem für Fusionsanlagen.
- Sicherheitsfaktor
- In Fusionsanlagen heißt q, wie oft eine Feldlinie den langen Weg läuft, während sie den kurzen einmal läuft. Es soll größer als 1 sein (Grenze nach Kruskal und Shafranov); in einem typischen Tokamak liegt es innen bei 1 und außen bei 6 bis 8.
Zum Ausprobieren · Linien auf dem Torus
Eine Linie läuft q-mal den langen Weg, während sie den kurzen einmal läuft. Stellen Sie q ein und sehen Sie, ob sich die Linie schließt oder die Fläche mit der Zeit füllt.
Gezeichnet werden 24 Umläufe auf dem langen Weg. Ob die Linie sich schließt, prüft die Anzeige mit Brüchen bis zu 12 Umläufen auf dem kurzen Weg. Eigenes Modell; zur Lage der Linien auf dem Torus siehe Wikipedia, „Irrational winding of a torus“.
II · Magnete
Aus Schleifen werden Schalen, aus Spulen werden Ringe.
Magnetfeldlinien haben weder Anfang noch Ende; sie schließen sich zu Schleifen. Dreht man eine Schleife um die Achse der Quelle, entsteht eine Schale. Ob diese Schale ein Torus ist, hängt von der Quelle ab, wie die Werkstatt im Einstieg zeigt.
- Quelle
- Wikipedia, „Magnetic dipole“, „L-shell“ und „Biot–Savart law“ (Nachschlagewerke). Hier in eigenen Worten.
- Zwei Modelle
- Einen Dipol kann man sich als zwei entgegengesetzte Pole oder als Stromschleife denken. Die Schleife ist die richtigere Beschreibung („Amperian loop model“); Pole gibt es einzeln nicht.
- Feldlinien
- Für einen zentrierten Dipol beschreibt r = L · cos²λ eine Feldlinie (L: Abstand in Radien, in dem sie den Äquator kreuzt; λ: Breite). Im Raum ergeben diese Linien „Schalen“.
- Folge
- Jede dieser Linien läuft durch den Mittelpunkt. Die Schale ist dort eingeschnürt und berührt die Achse, ähnlich einem Horn-Torus. Das ist meine Rechnung aus der Formel, nicht eine Aussage der Quellen.
- Schleife
- Das Feld einer Stromschleife außerhalb der Achse braucht elliptische Integrale (Biot–Savart-Artikel). Um den Draht schließen sich die Linien zu Kreisen; jede Schale ist dort ein echter Torus mit Loch (Werkstatt).
- Grenze
- Das Modell verwendet einen idealen, unendlich dünnen Draht. Echte Magnete sind weder Punkte noch dünne Schleifen.
- Quellen
- Wikipedia, „Toroidal inductors and transformers“; HyperPhysics (Georgia State University), „Toroid“. Hier in eigenen Worten.
- Bauform
- Ein ringförmiger Kern aus Eisen oder Ferrit mit gewickeltem Draht. Wegen der Symmetrie entweicht wenig Magnetfluss nach außen (Streufluss); das kann den Wirkungsgrad erhöhen und Störstrahlung senken.
- Gewicht
- Ringkern-Bauteile sind meist kompakter, nach Wikipedia bis zu etwa 50 Prozent leichter.
- Feld
- In einer idealen Ringspule mit N Windungen und dem Strom I gilt B = μ0 · N · I ÷ (2π · r). Das Feld ist innen ungleichmäßig und am inneren Rand am stärksten.
- Außen
- Dass das Feld außerhalb des Rings null ist, folgt aus dem Ampèreschen Gesetz (meine Herleitung). Echte Spulen streuen ein wenig.
- Einordnung
- Der Torus ist hier eine Bauform mit technischem Grund, keine Hülle um etwas herum.
Zum Ausprobieren · Ringspulen-Rechner
Eine ideale Ringspule mit Luftkern, innerer Radius 4 cm, äußerer Radius 8 cm. Stellen Sie Windungen, Strom und den Radius ein, an dem Sie messen.
Eigene Rechnung nach B = μ0 · N · I ÷ (2π · r) mit μ0 = 4π · 10−7 Vs/Am. Zum Vergleich dient das Erdfeld mit rund 50 µT. Ideale Wicklung; echte Spulen weichen ab.
- Quellen
- Wikipedia, „Tokamak“ und „Safety factor (plasma physics)“. Hier in eigenen Worten.
- Idee
- Magnetfelder halten ein Plasma in einem achsensymmetrischen Torus. In einer geraden Spule laufen die Teilchen am Ende hinaus; biegt man sie zum Ring, schließen sich die Linien ohne Ende.
- Problem
- Im Ring liegen die Spulen innen enger als außen. Das ungleichmäßige Feld lässt die Teilchen von ihren Linien abdriften.
- Lösung
- Ein zweites, poloidales Feld dreht die Linien zur Schraube. Ein Teilchen ist dann abwechselnd innen und außen, und die Abdrift gleicht sich nahezu aus.
- Kennzahl
- Der Sicherheitsfaktor q (Kapitel I): in einem typischen Tokamak innen etwa 1, außen 6 bis 8.
- Grenze
- Wikipedia nennt den Tokamak den führenden Kandidaten unter den Entwürfen für Fusion mit magnetischem Einschluss. Wann oder ob Fusionskraftwerke Strom liefern, sagt diese Seite nicht.
Feldschale und Bauform
Zwei Arten von Torus, zwei Fragen.
Die Feldschale ist ein Rechenbild: Man dreht eine Feldlinie um die Achse und betrachtet die Fläche. Der Ringkern und der Tokamak sind dagegen Bauteile, die Menschen so geformt haben, damit sich Feldlinien schließen können. Beides heißt Torus. Dass eine Anlage so gebaut ist, sagt nichts darüber, ob ein Torus „in der Natur“ als Energiehülle vorkommt.
III · Erde und Weltraum
Ein Dipol, verformt vom Sonnenwind.
In Bodennähe lässt sich das Erdfeld gut als Dipol beschreiben, der um etwa 11 Grad gegen die Drehachse geneigt ist (Wikipedia). Weit draußen verbiegt der Sonnenwind die Feldlinien; dort ist das Feld kein Dipol mehr.
Zum Ausprobieren · Erdfeld-Rechner
Die Feldlinien eines Dipols bilden Schalen, die man mit dem L-Wert benennt: der Abstand in Erdradien, in dem die Schale den Äquator kreuzt. Wählen Sie einen L-Wert.
Eigene Rechnung nach r = L · cos²λ (Wikipedia, „L-shell“) mit dem mittleren Erdradius 6.371 km; Äquatorfeld am Boden 31 µT (Wikipedia, „Orders of magnitude (magnetic field)“), nach außen mit 1 ÷ L³. Ein zentrierter, ungeneigter Dipol; Neigung, Versatz und Sonnenwind sind nicht enthalten.
- Quellen
- Wikipedia, „Earth’s magnetic field“, „L-shell“, „Magnetosphere“. Hier in eigenen Worten.
- Näherung
- Nahe der Erde gleicht das Feld dem eines Dipols im Erdmittelpunkt, der um etwa 11 Grad gegen die Drehachse geneigt ist.
- Genauer
- Das echte Feld ist nach dem Artikel zur L-Schale gegen die Drehachse geneigt und um einige hundert Kilometer versetzt.
- Weit draußen
- Fernab der Erde verzerrt der Sonnenwind die Feldlinien erheblich. Die Magnetosphäre ist deshalb kein ruhiger Dipol und kein Torus.
- Quelle
- Wikipedia, „Van Allen radiation belt“. Hier in eigenen Worten.
- Was
- Eine Zone energiereicher geladener Teilchen, die das Magnetfeld eines Planeten festhält. Die Erde hat zwei Hauptgürtel.
- Innen
- Der innere Gürtel reicht nach Wikipedia von 0,2 bis 2 Erdradien über der Oberfläche (L-Werte 1,2 bis 3).
- Außen
- Der äußere Gürtel ist „fast torusförmig“ und reicht von 3 bis 10 Erdradien, mit größter Intensität bei 4 bis 5. Der Artikel sagt „Höhe“, ohne klar zu machen, ob vom Boden oder vom Erdmittelpunkt gezählt wird.
- Einordnung
- Das ist ein Torus als Region, in der sich Teilchen aufhalten. Die Feldlinien darin sind Schleifen, keine Ringe. Der äußere Gürtel verändert sich nach Wikipedia stärker mit der Sonnenaktivität als der innere.
IV · Strömung
Ein Torus, der sich wirklich dreht.
Ein Wirbelring ist ein torusförmiger Wirbel in einer Flüssigkeit oder einem Gas: Das Fluid dreht sich um eine geschlossene Linie (Wikipedia, „Vortex ring“). Rauchringe sind das bekannteste Beispiel. Ein Wirbelring trägt Masse weiter und mit weniger Streuung als ein gerader Strahl; deshalb läuft ein Rauchring noch, wenn der übrige Rauch längst verweht ist.
Zum Ausprobieren · Hubverhältnis
Ein Kolben schiebt eine Flüssigkeitssäule der Länge L aus einem Rohr vom Durchmesser D. Das Verhältnis L ÷ D bestimmt, ob ein einzelner Ring entsteht oder ein Ring mit Nachlaufstrahl.
Schema nach Gharib, Rambod und Shariff (1998): Übergang bei etwa 4 (Bereich 3,6 bis 4,5). Die Zeichnung ist vereinfacht; die Länge des Nachlaufstrahls ist nur eine Andeutung, keine Messung.
- Quelle
- Gharib, Rambod und Shariff, „A universal time scale for vortex ring formation“, Journal of Fluid Mechanics 360 (1998), 121–140. Zusammenfassung gelesen, hier in eigenen Worten.
- Versuch
- Ein Kolben schiebt Wasser aus einem Zylinder im Wassertank. Die Strömung wurde mit digitaler Teilchenbild-Geschwindigkeitsmessung für viele Hublängen vermessen.
- Befund
- Bei langem Hub entsteht ein führender Wirbelring mit einem Nachlaufstrahl, dessen Wirbelfeld abgetrennt ist; bei kurzem Hub nur ein einzelner Ring. Der Übergang liegt bei einem Hubverhältnis von etwa 4, der „Bildungszahl“, im Bereich 3,6 bis 4,5. Bei dieser Zahl erreicht die Zirkulation des Rings ihr Maximum.
- Grenze
- Laborversuch mit impulsiv gestarteten Strahlen. Dass die Zahl auch für andere Strömungen gilt, zeigen die Autoren nur für eine Reihe von Bedingungen (andere Durchmesser, Ränder, Kolbengeschwindigkeiten).
- Quellen
- Töger u. a., Annals of Biomedical Engineering (2012); Gharib u. a., PNAS (2006); Kilner u. a., Nature (2000); Arvidsson u. a., Scientific Reports (2016, Zahlen auf der Hauptseite). Zusammenfassungen gelesen, hier in eigenen Worten.
- Töger 2012
- Mit 4D-Fluss-MRT lässt sich das Volumen des Wirbelrings in der linken Kammer messen: bei 9 gesunden Freiwilligen 51 ± 6 Prozent des Kammervolumens, bei 4 Patienten mit erweiterter Herzmuskelschwäche 21 ± 5 Prozent. Die Wirbel im Herzen sind komplexer und unsymmetrischer als in idealisierten Versuchen.
- Gharib 2006
- Ein dimensionsloser Index der optimalen Wirbelbildung in der frühen Füllung hängt gut mit bekannten Maßen der Herzleistung zusammen, etwa der Auswurffraktion.
- Kilner 2000
- Blut strömt im erwachsenen Herzen auf geschwungenen, asymmetrisch umgelenkten Wegen.
- Grenze
- Kleine Gruppen (9 und 4), Forschungsarbeiten und keine Diagnosehilfe für Sie. Das ist ein Torus aus Strömung, nicht aus Energie; er entsteht mit jedem Herzschlag neu.
V · Der Atlas
Acht Fundorte, vier Arten von Torus.
Das Wort meint je nach Ort etwas anderes: eine Fläche, eine Schale aus Feldlinien, eine Bauform, eine Region oder eine Strömung. Wählen Sie einen Fundort und sehen Sie, was dort wirklich ringförmig ist und was nicht.
Wählen Sie oben einen Fundort.
Die vier Arten. Fläche: ein mathematisches Objekt. Feldschale: ein Rechenbild für Feldlinien. Bauform: von Menschen so gebaut. Region und Strömung: ein Ort oder eine Bewegung in der Natur.
Vertiefungen
Weiterlesen, mit eigenen Quellen.
Die Form ist ein Teil des Themas. Die anderen Seiten behandeln das Herzfeld, die Deutung und den Klang, jede mit eigenen Zahlen und Quellen.
Überblick
Das menschliche Torus-Feld
Die Karte des Themas: Form, Messung, Deutung und die Sumkra-Übersetzung.
Zur HauptseiteMessung
Das Herz und sein Magnetfeld
EKG, Magnetokardiographie, Größenordnungen und die Aussagen des HeartMath Institute gegen die Quellen.
Das Herzfeld öffnenDeutung
Biofeld & Energiefeld
Wie der Begriff entstand, wie sich Behauptungen prüfen lassen und was der Blindtest von 1998 zeigt.
Das Biofeld öffnenKlang
432 Hz & 528 Hz
Stimmtonhöhen, Geschichte, Studien und ein Stimmton-Rechner zum Hören.
Die Frequenzen öffnenKurz eingeordnet
Häufige Fragen und Antworten.
Feldlinien-Schalen: eingeschnürt oder mit Loch+
Tasse und Donut: warum sie topologisch gleich sind+
Fusionsanlagen: warum sie ringförmig sind+
Erdmagnetfeld: Dipol, Gürtel und Sonnenwind+
Zwei Tori: Wirbelring und Feldschale sind verschieden+
Der Torus als Urform: was daraus folgt+
Sumkra und die Form+
Externe QuellenNachlesen statt glauben.+
Wo „Zusammenfassung“ steht, habe ich nur die Zusammenfassung gelesen, nicht den ganzen Text. Wikipedia und HyperPhysics dienen als Nachschlagewerke, nicht als Primärquellen.
Studien und Aufsätze
- Gharib, Rambod, Shariff (1998) · A universal time scale for vortex ring formationJournal of Fluid Mechanics 360, 121–140. Gelesen: Zusammenfassung (Bildungszahl 4, Bereich 3,6 bis 4,5).
- Gharib et al. (2006) · Optimal vortex formation as an index of cardiac healthPNAS 103, 6305–6308. Gelesen: Zusammenfassung.
- Kilner et al. (2000) · Asymmetric redirection of flow through the heartNature 404, 759–761. Gelesen: Zusammenfassung.
- Töger et al. (2012) · Vortex Ring Formation in the Left Ventricle of the Heart: Analysis by 4D Flow MRI and Lagrangian Coherent StructuresAnnals of Biomedical Engineering 40, 2652–2662. Gelesen: Zusammenfassung (51 ± 6 und 21 ± 5 Prozent).
- Arvidsson et al. (2016) · Vortex ring behavior provides the epigenetic blueprint for the human heartScientific Reports 6, 22021. Gelesen: Zusammenfassung und Teile des Volltexts (siehe Hauptseite).
Weitere Quellen
- HyperPhysics (Georgia State University) · ToroidFeld einer Ringspule: B = μ · N ÷ (2π · r) · I.
- Wikipedia · TorusDefinition, Topologie (Genus 1), toroidal und poloidal.
- Wikipedia · Hairy ball theoremEuler-Charakteristik von Kugel und Torus, Kämmen.
- Wikipedia · Irrational winding of a torus (Linear flow on the torus)Bahnen sind periodisch oder dicht.
- Wikipedia · TokamakEinschluss im Torus, Abdrift, Schraubenfeld.
- Wikipedia · Safety factor (plasma physics)Definition von q, typische Werte (innen etwa 1, außen 6 bis 8), Grenze nach Kruskal und Shafranov.
- Wikipedia · Toroidal inductors and transformersStreufluss, Gewicht.
- Wikipedia · Magnetic dipoleModell mit Polen und Modell mit Stromschleife.
- Wikipedia · L-shellFeldlinien im Dipolmodell, r = L · cos²λ.
- Wikipedia · Biot–Savart lawFeld der Stromschleife, Feld auf der Achse, elliptische Integrale.
- Wikipedia · Earth’s magnetic fieldDipolnäherung, Neigung von etwa 11 Grad.
- Wikipedia · MagnetosphereVerzerrung durch den Sonnenwind.
- Wikipedia · Van Allen radiation beltZwei Gürtel, Lage, „fast torusförmig“.
- Wikipedia · Vortex ringDefinition, Eigenschaften, Beispiele, Bildungszahl.
- Wikipedia · Orders of magnitude (magnetic field)Erdfeld am Äquator (31 µT).
- Wikipedia · Earth radiusMittlerer Radius 6.371 km.
Sumkra · bewusst eingeordnet
Dieselbe Form, verschiedene Ursachen.
Dass der Torus in Mathematik, Magnetfeld, Strömung und Technik vorkommt, liegt an Symmetrie und an Linien ohne Ende – nicht an einer gemeinsamen Kraft hinter allem. Für Sumkra bleibt er ein Bild für Mittelpunkt, Kreislauf und Rückkehr.
Form · Feld · Strömung
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