Есть ли что либо общее между гигантским шаром Солнца и электрической искоркой, проскочившей в выключателе’ Между молнией и ртутной лампой Между северным сиянием и светящимися трубками реклам Оказывается, есть И Солнце, и молния, и светящиеся трубки, и северное сияние — все это плазма, четвертое состояние вещества В книге «Покоренная плазма» в доступной форме рассказано о плазме, встречающейся в природе и созданной человеком, об ученых, покоряющих плазму, о том, как и где применяется плазма в науке, технике, медицине, в быту.
Рисунки Р. Билалова Обложка Г. Алимова
Предисловие
Осенью 1958 года ученые Москвы готовились к важному событию: в столицу съезжались их коллеги из многих городов страны. Большой отряд профессоров, доцентов, научных работников прибыл из Ленинграда, немало посланцев науки было из Киева, Харькова, Львова, из городов Сибири, Средней Азии, Дальнего Востока. Ехали ученые и из-за рубежа.
Прибыв в Москву, все задавали один и тот же вопрос: как попасть на Ленинские горы, в Университет?
Что за конференция собиралась в стенах прославленного русского университета и почему на нее торопились попасть ученые многих стран?
Конференция была посвящена плазме. Правда, официально она называлась иначе: Вторая Всесоюзная конференция по газовым разрядам. Но даже малоискушенные в науке люди знают, что электрический разряд в газах и плазма — это две стороны одной медали. Там, где возникает разряд, там, как правило, рождается и плазма.
Но что же такое плазма?
С таким вопросом в дни работы конференции обратился корреспондент одной московской газеты к академику Льву Андреевичу Арцимовичу.
Академик Л. А. Арцимович — крупнейший специалист по физике плазмы. Он — лауреат Ленинской премии, удостоенный этой высокой награды за работы по исследованию высокотемпературной плазмы. Чаще эти исследования называются работами по управляемым термоядерным реакциям.
Все это говорит о том, что корреспондент обратился по надежному, верному адресу.
Но ученый был очень занят. Участие в конференции, работа в научно-исследовательском институте, лекции в Университете — все это оставляет мало времени для бесед с журналистами. Поэтому он давал короткие, лаконичные ответы.
Журналист не успел исписать двух-трех страниц в своем блокноте, как академик был увлечен водоворотом новых дел. Извинившись, он исчез.
— Не густо, — пробормотал корреспондент и побрел по длинному факультетскому коридору вдоль застекленных дверей лабораторий.
Тут я его и встретил. Я участвовал в работе «штаба» конференции, обеспечивающего четкую работу всех ее секций, и поэтому большую часть дня находился среди участников.
— Не можете ли вы мне помочь? — спросил меня корреспондент.
— Чем?
— Ну хотя бы порекомендовать популярную книжку о плазме. Поверьте, нелегко писать о научной проблеме, когда ее представляешь только в общих чертах.
Я согласился помочь журналисту.
Не откладывая дела в долгий ящик, я направился в нашу университетскую библиотеку.
А через час пожалел, что так неосмотрительно пообещал корреспонденту достать нужную ему книгу. Я перерыл весь каталог университетской библиотеки, но ничего подходящего не нашел.
В библиотеке имелись толстые книги, посвященные плазме, но это были либо учебники, либо монографии, щедро заполненные математическими формулами. Читать подобные книги может только хорошо подготовленный человек, знающий высшую математику. Моему случайному знакомому журналисту мало что дали бы эти затейливые кривые, многоэтажные формулы и таблицы, которыми были усеяны страницы специальных книг. Ему нужен был простой рассказ о плазме.
Но я не сдавался. Вечером этого же дня побывал в главном каталоге Библиотеки имени В. И. Ленина. И там ждало меня разочарование. Научно-популярных книг о плазме и ее применении не оказалось даже здесь.
Когда я позвонил журналисту и рассказал о своей неудаче, то услышал от него такой ответ:
— Жаль, конечно, что так получилось! Но читатели нашей газеты не могут ждать, когда физики раскачаются написать популярную книжку о плазме. А она так нужна! Ну, а мою беседу с академиком Арцимовичем решили поместить в газете как обычное интервью...
И вот в моих руках газета. В глаза бросается заголовок, набранный красными буквами: «Что такое плазма?» Под ним одна небольшая колонка текста с высказываниями Льва Андреевича Арцимовича.
«Каждому, вероятно, известно, — прочел я, — что все вещества в природе находятся либо в твердом, либо в жидком, либо в газообразном состоянии. А нет ли еще какого нового, четвертого состояния вещества?
Оказывается, есть. В этом случае вещество находится в виде так называемой плазмы...»
И дальше академик Арцимович рассказывает, что такое плазма, перечисляет основные ее применения. Просто, понятно и... коротко.
По четкости мысли, образности изложения, умению выразить сложное через простое чувствовалось, что говорит именно академик Арцимович. Его лекции и доклады мне не раз приходилось посещать.
И все же мне стало немного обидно. Обидно за плазму, за то, что о ней слишком мало говорят и пишут наши популяризаторы науки. А плазма — стоящий герой для научно-популярной книги. Герой со своей обширной историей, богатым настоящим и замечательным будущим. И хотя само слово «Плазма» как обозначение физического понятия живет еще только сорок лет (его ввел в 1923 году известный американский физик И. Ленгмюр), люди давно пользуются ее помощью, ее благами. Целый ряд научных открытий был сделан благодаря тому, что вещества могут находиться в четвертом, плазменном состоянии. Тысячи удивительных машин и приборов работают потому, что в них «впряжена» плазма.
«И очень обидно, — думал я, читая газетную статью, — что о плазме почти не написано книг для рядового читателя, для читателя-нефизика».
И все же не эти размышления заставили меня испробовать перо и начать свой рассказ о плазме.
Наука о плазме сравнительно молода. Но человек уже сумел добиться больших успехов в ее покорении. Однако главные достоинства, главные «козыри» плазмы раскроются в
будущем. Сейчас ученые прилагают огромные усилия, чтобы это будущее приблизить, заставить осуществиться раньше.
Для этого нужно, чтобы ряды покорителей плазмы множились.
Кто питает науку новыми силами, новыми энтузиастами?
Молодежь, школа.
Именно для тех, кто молод, кто еще учится сейчас в школе, прежде всего и написана эта книжка.
И если среди ее читателей найдутся такие, которые, перевернув последнюю страницу, заинтересуются удивительным миром четвертого состояния вещества и захотят узнать о нем побольше, я буду считать, что не напрасно написал свой рассказ о плазме.
Глава I
ПРЕЖДЕ ЧЕМ ГОВОРИТЬ О ПЛАЗМЕ
Легенда о Фалесе Милетском
Две с половиной тысячи лет назад в Древней Греции жил один замечательный ученый. Звали этого ученого Фалес. Родился он не в Греции, а в малоазиатском городе Милете, поэтому современники звали его Фалесом Милетским.
Ученый этот сделал немало открытий в самых различных науках — в арифметике, геометрии, астрономии. Это он первый доказал, что углы у основания равнобедренного треугольника равны между собой, это ему принадлежит доказательство известной теоремы о равенстве треугольников, у которых одинаковы одна сторона и два прилежащих к ней угла.
Славу выдающегося ученого Фалесу принесла, однако, не геометрия, а наука, которой тогда увлекались многие, — астрономия.
В 585 году до н. э. ученый предсказал солнечное затмение Да него никому в Греции не удавалось этого сделать. Фалес первый установил также и то, что год на Земле равен 365 дням.
Все эти открытия, которые для нас являются азбучными истинами, в те времена были большим шагом в познании природы.
Но о Фалесе Милетском я заговорил совсем по другой причине. С именем этого ученого связана легенда, которая имеет отношение к тому, что будет рассказано в этой книжке.
У Фалеса Милетского была дочь. Отец старался воспитать ее старательной и трудолюбивой, поэтому заставлял выполнять всевозможную домашнюю работу: готовить пищу, ткать, наводить в доме чистоту и порядок.
Однажды дочь пряла шерсть. В ее руке ловко кружилось веретено. Веретено было особенное. Оно было сделано не из дерева, а из особой ископаемой смолы светло-желтого цвета — янтаря.
Во время работы к веретену прилипло так много шерстинок, что девушка решила обтереть его шерстью. Но что за чудо? Чем больше терла она веретено, тем больше кусочков шерсти к нему прилипало. Некоторые наиболее легкие шерстинки даже подскакивали к веретену со стола.
О «чуде» дочь рассказала отцу. Тот проверил ее рассказ и приписал янтарю особые силы, способные притягивать шерсть. Эти силы он назвал янтарными. А так как янтарь
по-гречески «электрон», то и непонятные тогда и таинственные силы стали называться электрическими.
Так, если верить легенде, было открыто электричество.
Как шло дальше познание природы электричества, известно уже любому восьмикласснику, поэтому я расскажу об этом коротко.
Об электричестве после Фалеса Милетского заговорили лишь в XVII веке, то есть более чем через два тысячелетия. Стали изучать непонятное явление и обнаружили, что такие же свойства, как у янтаря, есть и у других тел — сургуча, каучука, стекла.
Но сразу же «электрические» тела стали удивлять ученых. Пришлось разбить их на две группы, потому что одни тела вели себя как янтарь, а другие — как стекло. Значит, и электричество было двух сортов: «янтарное» и «стеклянное». Позднее заряды, возникающие у янтаря, стали называть отрицательными, а «стеклянные» — положительными.
Ничего не зная о природе электричества, ученые уверенно демонстрировали опыты, в которых наэлектризованные тела словно оживали. Янтарная и стеклянная палочки, подвешенные на нитях, притягивались друг к другу; если же рядом оказывались палочки, заряженные электричеством одного и того же «сорта», например две стеклянные, они взаимно отталкивались.
— Чудеса, — говорили зрители, наблюдавшие за опы-тами.
Ученые только пожимали плечами. Они знали так мало, что сами были не прочь назвать электричество чудом.
Но никакого чуда не было. Просто тогда наука только начинала выходить из пеленок и еще была не в состоянии объяснить вещи, которые сейчас понятны каждому школьнику.
Беспокойное хозяйство „неделимого"
Давайте ответим на такие два вопроса: как должен был Фалес Милетский объяснить дочери странное поведение янтарного веретена, знай он современную теорию строения вещества? И второй вопрос: что должны были в этом случае рассказывать ученые XVII века во время опытов с заряженными телами?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно заглянуть в глубь микромира, узнать, из чего состоят окружающие нас тела.
Уже в Древней Греции, правда после смерти Фалеса, уче-
ные говорили, что материя, все тела состоят из атомов — мельчайших, абсолютно плотных, неизменяющихся частиц. Друг от друга атомы отличаются только формой. Они — неделимы. Об этой особенности атома говорит само название. Атом по-гречески значит «неделимый».
Сейчас от старых представлений об атоме осталось только название. Наука доказала, что атом — сложное физическое тело, он состоит из различных частиц, каждая из которых обладает своим «характером». В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена вся масса атома. Вокруг ядра вращаются электроны, которые образуют так называемую электронную оболочку атома.
Предположим, мы создали прибор, посмотрев в который, можно было бы увидеть атом вместе с ядром. Чтобы ядро стало видимым, заняв пространство, скажем, в одну десятую миллиметра, прибор наш должен увеличивать в добрый десяток миллиардов раз. Так мало ядро!
Где же в этом случае окажутся электроны? Они будут отстоять от этого увеличенного ядра метров на десять, не меньше. Так велик атом по сравнению с ядром!
Выходит, древние греки ошибались, утверждая, что атом состоит из абсолютно плотной, неделимой массы.
Почему же электроны не улетают, если они так «далеко» отстоят от центра?
Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Ядро несет в себе положительный заряд, электроны — отрицательный, а, как известно, разноименные заряды притягиваются. Не «падают» электроны на ядро потому, что они вращаются вокруг ядра. Ведь и Земля не падает на Солнце, хотя испытывает колоссальное притяжение.
Атомы различных элементов не похожи друг на друга. И ядра у них имеют разный заряд и вес, и число электронов у них неодинаково.
Разобраться в этом вопросе будет легко, если посмотреть на Периодическую систему элементов Менделеева. Великий русский ученый составил ее в 1869 году. Все известные тогда элементы он расположил по строгому, научно обоснованному порядку.
На первом месте в этой таблице стоит водород. У него самый легкий атом. Затем идут гелий, литий и другие элементы по мере возрастания их атомных весов.
Современная наука считает: каков порядковый номер того или иного элемента в системе Менделеева, столько и электронов «кружится» вокруг ядра. Значит, у водорода есть всего один электрон, у гелия — два, у лития — три, у неона — десять. Соответственно этому число положительных зарядов ядра неодинаково. Оно точно равно числу электронов.
У электронов, которые непрерывно совершают свой бег вокруг ядер, тоже существует строгий порядок. Как планеты солнечной системы имеют каждая свою орбиту, так и электроны распределены по своим орбитам вращения. Ученые установили, что на ближайшей к ядру орбите может быть не более двух электронов. Остальные, если они есть у атома, располагаются на других орбитах, более удаленных от ядра. На этих Орбитах тоже может быть вполне определенное число электронов на каждой.
Я подробно рассказываю о сложном «атомном хозяйстве» потому, что без этого трудно понять, как возникает плазма и почему она (и не только она) излучает свет.
Пожалуй, теперь вы сами можете разгадать тайну электризации янтарного веретена, натертого шерстью.
В самом деле, почему янтарное веретено оказалось заря-Женным отрицательным электричеством? Очевидно, потому, то у него оказался избыток электронов.
Натирая шерстью янтарь, мы «отбираем» электроны у атомов шерсти и переносим их на поверхность янтаря.
Со стеклом получается иное: натирая его кожей, мы «сдираем» с поверхности стекла электроны. Недостаток электронов в стеклянной палочке тоже сказывается: в ней остается больше положительно? заряженных ядер атомов и ведет себя палочка тоже как заряженное тело, но заряженное другим «сортом» электричества.
Из этого разговора можно сделать два важных вывода, которые нам пригодятся, когда мы заглянем внутрь плазмы.
Во-первых, электроны не так уж «навечно» привязаны к своим атомам. При известных условиях их можно отделить.
Во-вторых, если мы у тела или отдельного атома отнимем один или несколько электронов, то «остаток» оказывается заряженным положительно; добавка же электронов сверх положенного делает тело заряженным отрицательно.
Итак, секрет электризации тел нами раскрыт, механизм появления зарядов ясен.
Теперь нужно объяснить, почему заряженные тела влияют друг на друга, почему они взаимодействуют. Какие нити связывают ядро и электроны атома или янтарное веретено и кусочки шерсти, лежащие на столе? Почему наэлектризованные стеклянная и янтарная палочки, оказавшись по соседству, стремятся друг к другу, а две стеклянные палочки стараются разойтись, оттолкнуться?
Ответить на эти вопросы можно только тогда, когда уяснишь себе, что такое электрическое поле.
Поле с невидимыми бороздами
В школе на уроке физики вам, наверное, демонстрировали такой опыт: брали обыкновенный магнит, клали на него лист плотной бумаги или картона и посыпали его железными опилками. Потом, когда встряхивали лист, опилки, как по волшебству, образовывали красивый узор.
Учитель объяснял вам, что причина этого явления состоит в том, что вокруг магнита существуют магнитные силы, или магнитное поле. Благодаря этому кусочки железа намагнитились и заняли места вдоль магнитных силовых линий.
В природе существует не только магнитное, но и электрическое поле. Оно — непременный спутник любого электрического заряда. Собственно, мы узнаём о существовании заряда по электрическим силам, которые обнаруживаются вокруг него, по электрическому полю, которое возникает одновременно с возникновением заряда.
Электрические силы влияют на любой заряд, который попал в пространство, где существует поле. Предположим, мы наэлектризовали стеклянную палочку. Вдруг около нее оказывается пылинка, на которой «осели» электроны, зарядившие эту пылинку отрицательным электричеством. Ее неудержимо потянет к стеклянной палочке. Сделают это силы поля.
Если бы палочка была не стеклянной, а янтарной, то есть несла бы не положительный, а отрицательный заряд, то силы поля погнали бы пылинку прочь от палочки. Конечно, и пылинка отталкивает палочку, но она почти невесома, а палочка массивна и сдвинуть с места такую тяжесть не так просто.
Это легко понять из такого сравнения: вы подплыли к барже, потом уперлись в ее борт ногами и оттолкнулись. Барже хоть бы что, она осталась на месте, а вы оказались в нескольких метрах от нее.
Теперь легко понять, почему к янтарному веретену в опыте Фалеса Милетского прыгали легкие шерстинки. Благодаря электрическому полю на ближайших к веретену шерстинках скопились положительные заряды. Их потянуло к отрицатель-
но заряженному веретену. Электрические силы преодолели силы тяжести, и шерстинки начали прыгать на веретено.
Когда заряженные тела «равноправны», например две стеклянные палочки, то электрические силы заметно отклоняют и то и другое тело. Поэтому мы и видим, как притягиваются или отталкиваются обе заряженные палочки.
Чтобы лучше разобраться в том, как взаимодействуют друг с другом заряженные тела, английский физик Фарадей предложил изображать электрические поля с помощью линий. Чем больше электрические силы, тем гуще располагаются электрические силовые линии в данном месте.
На рисунке показана картина поля между двумя разноименно заряженными телами. Электрические силовые линии наиболее густы вблизи зарядов. Выйдя из одного заряда, например, положительного, они веером расходятся в стороны и вновь сходятся в другом заряде.
Можно получить равномерное электрическое поле. Для этого нужно взять две металлические пластины, поместить их одну против другой и зарядить разноименным электричеством. Силовые линии, как видно из второго рисунка, распределяются между пластинами равномерно.
Давайте поместим мельчайший электрический заряд в пространство между пластинами. Если это будет отрицательный
заряд, например, электрон, то электрические силы неудержимо увлекут его вверх, к положительно заряженной пластине. Заряд противоположного, положительного знака будет двигаться к нижней пластине.
Силовые линии показывают направление действия электрических сил. Вдоль этих линий и движутся в электрическом поле заряды.
Образно выражаясь, силовые линии — это невидимые бороздки, по которым катятся заряды. Уйти из борозды, изменить направление движения электрический заряд не может. Он во власти сил поля, он не может двигаться, куда ему вздумается.
«Массовое» упорядоченное движение электрических зарядов и образует электрический ток.
Возьмем обыкновенную батарейку от карманного фонаря. Подключим к ней лампочку. Она загорится. Почему?
Внутри батарейки идут химические превращения веществ. Благодаря им на одном зажиме создается избыток электронов, на другом — недостаток. Но электроны с отрицательного зажима не могут «перепрыгнуть» по воздуху на положительный — слишком велико сопротивление воздушной среды.
Другое дело, когда мы соединим полюса батарейки проводами. В металле много свободных электронов, не связанных с атомами. Электрические силы поля подхватят эти электроны и заставят их двигаться по проводнику. В цепи возникнет ток, который тотчас начнет совершать работу — заставит светиться нить лампочки, начнет нагревать провода и т. д.
А источник тока — батарейка — будет добросовестно выталкивать в цепь все новые и новые электроны, расходуя заключенную внутри нее химическую энергию.
Газ — изолятор, но в нем тоже может возникать ток. Как это происходит, вы узнаете позже, когда будет ясно значение слова «плазма».
Глава II
ЧЕТЫРЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Что могут рассказать снежинки
Я сижу у окна и смотрю, как пушистые, почти невесомые снежинки падают на широкий карниз, который тянется вдоль окон четвертого этажа нашего дома. Снежинок много, они как белые мухи летают за окном и, утомившись, садятся на первые попавшиеся предметы — на перекладины пожарной лестницы, на выступы кирпичной стены, на изгибы сточной грубы. Но больше всего их на карнизе; на нем снежинки еще с утра начали вязать белопуховый шарф — и теперь этот шарф накинут на плечи всему дому и будет украшать его до весны.
Я открываю форточку, и несколько снежинок опускаются на мой стол. Мне не удается даже как следует рассмотреть эти изящные, изумительно правильные снежные звездочки. Едва приземлившись, они на моих глазах превращаются в капельки воды.
Мысленно пытаюсь я проследить жизнь этих недолговечных созданий природы. С чего она начинается? Решить это так же трудно, как трудно в кольце найти начало и конец.
В воздухе, которым мы дышим и который бьет нам в лицо, когда мы мчимся на лыжах с крутой горы, носятся многие миллиарды миллиардов молекул воды. Молекулы эти по устройству нехитры: в каждой из них объединились в одну семью два атома водорода и один атом кислорода.
Благодаря солнечному теплу вода даже зимой испаряется, превращаясь в молекулы-одиночки, в газ.
Влажный и теплый воздух поднимается от земли вверх, при своем движении он расширяется и теряет тепло. На высоте пять — семь километров молекулы воды, бывшие ранее одиночками, вновь соединяются в большие группы, снова образуют мельчайшие капельки воды. Если вверху очень холодно, то вместо капелек могут возникнуть крохотные кристаллики льда.
Вы не задумывались над тем, из чего состоят причудливые нагромождения облаков? Из таких вот мельчайших капелек воды или кристалликов льда.
Но вот в воздухе повеяло холодом. Капельки воды замерзают и начинают быстро расти. К ним примыкают другие, еще не замерзшие капельки воды, довольно быстро превращая еле видимый кристаллик в снежинку причудливой формы.
Миллиарды соединившихся воедино молекул образовали мельчайшую капельку воды, миллионы таких капелек создали снежинку, которая упала ко мне на стол и растаяла. Через несколько минут на столе не останется и следа от этой капли. Молекулы воды начнут новое путешествие по кругу.
Я сознательно рассказал так подробно о снежинках. Их рождение, жизнь и гибель тесно связаны с превращениями вещества, в данном случае воды, с переходом ее из одного состояния в другое.
Кристаллы, из которых построена снежинка, — это твердое состояние воды, капелька на моем столе — жидкое ее состояние, и, наконец, в третьем, газообразном состоянии, вода оказалась после того, как капелька испарилась, исчезла со стола.
Не все вещества так легко переходят из одного состояния в другое.
Возьмем, например, азот — газ, который составляет четыре пятых воздуха. Как его ни замораживай, он ни за что не хочет сжижаться. И лишь при температуре двести десять градусов ниже нуля он становится жидкостью. Такого холода не бывает даже и в Антарктиде. Но ученые научились добывать «искусственный» холод и с его помощью заставлять азот превращаться в жидкость.
И вот в дьюарах — специальных сосудах с двойными стенками — жидкий азот путешествует с завода, где его получили, к различным потребителям. Нужен он и в лабораториях, где занимаются изучением плазмы. Например, для вымораживания паров ртути из разрядных трубок, куда эти пары попадают при работе ртутных насосов.
Твердые тела тоже неохотно расстаются со своим состоянием. Если кусок олова превращается в жидкость при температуре 232 градуса выше нуля, то медь начинает плавиться только при 1073 градусах.
Люди давно научились превращать вещества из одного состояния в другое. Научились и умело этим пользуются. Вспомните, как оловом паяют различные детали. Зачистят место стыка, покроют расплавленным металлом, и тот, затвердев, прочно соединяет детали.
Каждому из нас приходилось видеть, как продавщицы мороженого достают из бело-голубых ящиков любимое лакомство, завернутое в бумагу. Несмотря на жару, мороженое не собирается «раскисать», переходить из твердого состояния в жидкое. Почему? Загляните в ящик, и вы увидите куски
дымящегося сухого льда, которым переложены пачки мороженого. Это углекислота — бесцветный газ, который при «морозе» 78,9 градуса превращается в лед Испаряясь, он забирает от мороженого тепло, не дает его температуре повыситься.
Это пример того, как твердое вещество может превращаться в газ, минуя жидкое состояние.
Физика объясняет
Что же изменяется при переходе веществ из одного состояния в другое? Состав вещества? Нет. Он остается прежним. Молекулы льда, пара и обыкновенной воды одинаковы. Газообразная двуокись углерода и сухой лед имеют одинаковый химический состав. В чем же дело?
Ответ на этот вопрос можно найти, если разгадать, как молекулы вещества взаимодействуют друг с другом.
Вот перед нами книга, стакан, ножницы — целый набор твердых предметов. Почему молекулы, из которых они состоят, не рассеиваются в воздухе, а сами предметы не рассыпаются, как домики, сделанные детьми из песка? Задумывались ли вы над этим вопросом? А вот и ответ на него, который дает физика: молекулы твердых тел прочно «держатся» друг за друга, между ними существуют так называемые силы сцепления, зависящие от строения и свойств атомов. И хотя для ученых в этом вопросе остается еще мною невыясненного, бесспорно одно: силы сцепления есть, причем у твердых тел они велики, и именно им обязаны твердые тела своей прочностью, способностью сохранять форму.
У большинства твердых тел молекулы располагаются в определенном порядке. Этот порядок назван кристаллической решеткой вещества. Но это не значит, что молекулы и атомы, из которых построено твердое тело, неподвижны. Нет, они все время колеблются, только размах этих колебаний невелик.
В жидкостях — воде, спирте, бензине, растительном масле — «дисциплины» меньше. В них молекулы тоже довольно крепко «держатся» друг за друга, но ведут себя иначе: если в твердом теле их можно сравнить со стройными шеренгами спортсменов на параде, то в жидкости они похожи на неорганизованную толпу. Здесь они беспрестанно движутся, снуют туда-сюда, хотя каждая из них, находясь в непосредственной близости от соседних двух-трех молекул, постоянно испытыва-
ет их притяжение. Стоит открыть кран, и жидкость потечет из сосуда: силы притяжения между молекулами не смогут преодолеть сил тяжести.
Близость молекул друг к другу в твердых телах и жидкостях облегчает переход электронов от одного атома к другому, соседнему. Если это происходит легко, то тело ведет себя как проводник тока, и наоборот, если электроны с трудом отрываются от атомов, то тело является изолятором.
Среди твердых и жидких тел, которые, как мы выяснили, имеют «тесное» расположение молекул, много металлов, являющихся хорошими проводниками электричества. В металлах много свободных электронов, которые с приложением сил электрического поля начинают двигаться «гурьбой», образуют ток.
У жидкости и твердых тел есть один общий признак: если их сжимать или нагревать, плотность их меняется мало.
Почему? Все потому, что молекулы у этих тел расположены сравнительно близко друг от друга и силы, которые держат их. вместе, достаточно велики, поэтому изменить расстояние между молекулами намного не удается. Нагревая твердое тело, можно заставить молекулы совершать большие колебания и даже превратить это тело в жидкость, но объем при этом все равно изменится мало.
Совсем другое дело — газы. Если откачать из стеклянного баллона 99,99 процента всего газа, то оставшиеся молекулы равномерно распределятся в предоставленном объеме. Плотность газа может уменьшаться неограниченно. Проверить это может каждый. Откройте флакон одеколона или духов и отойдите в противоположный угол комнаты. Вскоре вы почувствуете запах духов: испарившись, они заполнили всю комнату. Но в то же время трудно будет заметить, что уровень жидкости во флаконе изменился. t В чем причина такого поведения газов?
По-прежнему в силах сцепления между молекулами. У газов эти силы тоже есть, но они очень малы, потому что молекулы газа расположены друг от друга значительно -дальше, чем в жидкостях и твердых телах.
В воздухе, например, молекулы так далеки друг от друга, что между двумя соседними молекулами можно поместить их еще десяток. Поэтому-то они так легко «разбегаются» в разные стороны.
Нужно обратить внимание еще на одно свойство тел в третьем, газообразном состоянии: все они при обычных температурах не проводят электричества; иными словами, газы — хорошие изоляторы.
Понять это тоже нетрудно. Молекулы газа находятся далеко друг от друга, и электронам, этим мельчайшим носителям электричества, трудно оторваться от своих атомов.
«А металлы, — могут спросить меня, — не перестанут быть проводниками, если их испарить?»
Оказывается, перестанут. Превратившись в газ, они «отказываются» пропускать через себя электрический ток. Такое поведение объясняется увеличением расстояния между атомами, благодаря чему заряды не могут передаваться от одного атома к другому.
Вот мы и познакомились с тремя состояниями вещества, уяснили основные черты их характеров.
Теперь настало время начать разговор о главном дейст» вующем лице нашей книги — о плазме.
Плазма — четвертое состояние вещества
Люди давно научились делать сами многое из того, что есть в природе в готовом виде.
Потребовалось заложить фундамент для нового дома — делают бетон. Для этого нужны цемент, песок, щебень и вода. Искусственный камень — бетон вполне заменяет природный, например, гранит.
Раньше люди одежду делали из волокон растений или шерсти животных. В наше время на химических заводах вырабатываются тонны искусственного волокна, шерсти и кожи. По качеству они нередко бывают даже лучше естественных.
Или возьмем электричество. В природной «кухне» его немало. Но человек не собирает его из атмосферы, не ждет, когда начнется гроза, а получает его миллиардами киловатт-часов на тысячах электростанций. И здесь разум людей сумел превзойти природу. Есть в природе и плазма — вещество в четвертом состоянии. Но стоит ли гоняться за природной плазмой — тем более, это дело нелегкое, — если можно получить плазму искусственную? Не стоит.
Все знают, что для того, чтобы изготовить что-нибудь, нужны, кроме умения, еще материал и инструмент.
Посмотрите на рисунок. На нем изображено все необходимое для получения плазмы (стр. 21).
Предположим, мы решили получить плазму в «закупоренном» виде. Для этого из стекла делается разрядная трубка — баллончик, чаще всего цилиндрической формы. В противоположных концах трубки смонтированы электроды — кружочки, которые делаются из листа меди, никеля или вольфрама. Две вольфрамовые проволочки, на которых висят электроды, выходят через стекло наружу.
Любая разрядная трубка имеет специальный стеклянный выступ. Через него механические легкие насоса могут быстро откачать воздух.
Чтобы лед превратить в воду, нужно затратить тепло, энергию. Плазма тоже не получается сама собой; для ее получения нужна энергия, высокое напряжение. Для того чтобы получить высокое напряжение, в сеть включается высоковольтный выпрямитель. Он вырабатывает постоянное напряжение в несколько тысяч вольт.
Когда медные провода соединят «плюс» и «минус» источника с электродами трубки, можно считать, что для начала работы все готово.
А материала для плазмы кругом сколько угодно. Мы купаемся в этом материале.
Плазма получается из газа, значит, обыкновенный воздух тоже может быть «сырьем» для нее.
В стеклянной трубке, в которой должна образоваться плазма, воздух есть тоже. Поэтому не будем тратить время в поисках другого материала и включим нашу установку.
Но что это? Включение высоковольтного источника напряжения ничего не дало. Вольтметр показывает максимум напряжения, которое может дать источник, а тока через разрядную трубку нет. Стрелка амперметра почти не сдвинулась с нуля.
Пока я не буду объяснять причину такого нежелания воздуха превращаться в плазму, а предложу включить насос и начать откачивать воздух из трубки Его становится все меньше и меньше.
И вдруг трубка вспыхнула белесовато-голубым светом. Стрелка амперметра прыгнула вправо, значит, через трубку пошел ток. Свечение воздуха в трубке стало совсем ярким. Пора остановить насос. Мы достигли цели: остатки воздуха в разрядной трубке превратились в плазму.
Как это произошло? Почему в трубке вспыхнул электрический разряд, стоило из нее откачать побольше воздуха?
Чтобы ответить на эти вопросы, заглянем в пространство между электродами и посмотрим, что происходит в мире микроскопических частиц газа с момента начала опыта.
Большинство молекул воздуха, имеющегося в трубке, — это азот. В каждой молекуле азота — два атома.
В таблице элементов Менделеева азот стоит на седьмом месте от начала, значит, каждый его атом имеет семь электронов и семь положительных зарядов в ядре.
Таким образом, во всей молекуле газообразного азота, состоящей, как я уже сказал, из двух атомов, имеется по четырнадцати зарядов того и другого знака.
Когда включен источник высокого напряжения, то между электродами разрядной трубки возникает электрическое поле.
А мы знаем, как электрическое поле влияет на заряды. Оно заставляет их двигаться.
Приходилось вам видеть народную игру — перетягивание каната? Игроки выбирают ровную площадку, разбиваются на две равные группы, и каждая группа, ухватившись за канат, старается перетянуть противников на свою сторону. Побеждают более сильные и дружные.
С молекулой азота, попавшей в электрическое поле, происходит что-то похожее на эту игру. Все четырнадцать положительных зарядов стремятся влево, к отрицательно заряженному электроду, или катоду, а их «противники» — электроны тянут молекулу вправо, к аноду. Но силы тех и других равны, поэтому молекула оказывается «безразличной», нейтральной к электрическим силам.
Чтобы положить конец такому безразличию молекул газа к электрическому полю, нужно постороннее вмешательство. Его поначалу осуществляет сама природа.
Вспомните хотя бы о космических лучах — потоке частиц огромной энергии, приходящих из безбрежных глубин Вселенной. Мы не замечаем, не видим эти лучи, но они непрерывно врезаются в землю, в здания, в человеческие тела. Энергия их так велика, что даже глубоко под землей приборы фиксируют этих посланцев космоса.
Некоторые из космических частиц «прошивают» и разрядную трубку. При этом они производят «разрушения» — отрывают от попавшихся на пути молекул газа один или несколько электронов. Этот процесс называется ионизацией.
Как воздействует электрическое поле на свободные электроны, мы уже знаем; оно «подхватывает» их и гонит к аноду. Молекула же азота, лишившаяся электрона, оказывается положительно заряженной, и она устремляется в другую сторону — к катоду,
Но космические частицы — плохие «поставщики» зарядов, они ионизируют малое число молекул И трубке. Поэтому заметного тока заряды, рожденные ударами космических частиц, создать не могут.
Но эти заряды не бесполезны. Особенно электроны, оторванные от молекул газа.
Когда в разрядной трубке много молекул газа, эти свободные электроны не могут сильно разогнаться: они натыкаются на электронейтральные молекулы.
Представьте себе городскую площадь с большим числом снующих туда-сюда людей. Люди не прижаты друг к другу, но их много. Вы захотели перебежать площадь. Только разбежались, наткнулись на одного, потом на другого, на третьего человека. Большой скорости вам развить не удается.
Что-то похожее происходит и с электронами, созданными космическими частицами и притягивающимися к аноду, Они непрерывно сталкиваются с молекулами газа и замедляют свой бег.
Но вот пущен мотор откачивающего насоса. Меньше чем через минуту давление воздуха в трубке падает. Электронам, которые по-прежнему возникают в разрядном промежутке, становится значительно свободнее. Под влиянием электрических сил электроны теперь разгоняются до большой скорости, С молекулами газа теперь сталкиваются они реже, но зато их удары становятся «крепче».
И вот наступает момент, когда электрон, ударившись о молекулу, может сам оторвать, выбить из нее электрон. Эти два электрона — старый и новый — снова разгоняются и выбивают электроны из других встречных молекул. Возникает
лавина электронов. Она напоминает снежную лавину в горах, когда брошенный с вершины ком увлекает вниз тысячи тонн снега.
В пространстве между катодом и анодом возникает много лавин электронов, движение зарядов (электронов — к аноду, положительных ионов — к катоду) принимает массовый характер. Газ из изолятора превращается в проводник тока. В трубке возникает плазма.
У плазмы есть один верный опознавательный признак, своя «визитная карточка», по которой ее легко распознать. Это — излучение световых лучей.
Почему плазма светится, я подробно расскажу дальше. Сейчас я только замечу, что это происходит в основном тоже от соударений.
Итак, плазма — это такое состояние газа, в котором изменено внутреннее строение атомов, имеется огромное количество электронов и ионов.
Одно время в науке существовало мнение, что плазма — это не особое состояние вещества, а одна из форм существования газа. Давайте для наглядности выпишем признаки газа и плазмы и сравним их.
Как видите, разница между обычным газом и плазмой велика. Если при этом учесть, что атомы плазмы имеют измененное внутреннее строение, в результате чего они превратились в положительные ионы, то право «гражданства» у плазмы как особого, четвертого состояния вещества становится бесспорным.
То, что плазма не обычный газ, а особое состояние вещества, хорошо подтверждается изучением не только структуры плазмы, но и ее поведения.
Я уже говорил о том, что плазма, в отличие от газа, небезразлична к магнитным силам.
Газ — непроводящая среда, и в него магнитное поле проникает свободно. Плазма — проводник тока, поэтому она является преградой для магнитных силовых линий. Почему?
Электромагнитная теория гласит, что магнитное поле способно производить давление на окружающую среду. Это давление пропорционально квадрату силы поля. Предположим, что с помощью мощного электромагнита мы создали магнитное поле. Оно давит на окружающую среду с определенной силой. Если увеличить ток через катушку электромагнита таким образом, чтобы магнитных силовых линий стало в два раза больше, то эго новое поле будет давить не в два, а в четыре раза сильнее. На газ магнитное давление не действует, а на плазму оно влияет. Плазма, как и металлический экран, не хочет пускать в себя магнитные силовые линии.
Благодаря этому плазму можно сжимать магнитным полем, удерживать «стеной» из магнитных силовых линий и выталкивать магнитными силами, словно поршнем.
Специфичность плазмы как особого состояния вещества может быть проиллюстрирована еще одним очень важным фактом.
Зажжем разряд в той же самой трубке и таким же способом, как это делали мы выше, когда впервые знакомились с плазмой. Тогда в схеме были включены амперметр, который фиксировал ток через трубку, и вольтметр. Последний включали параллельно разрядной трубке, чтобы знать её напряжение при протекании тока (см. рисунок на стр. 21).
Когда известна величина тока и напряжения, то считают, что известно почти все.
Действительно, в обычной электрической цепи ток и напряжение зависят друг о.т друга.
Увеличишь в два раза напряжение, приложенное к электрической цепи, и ток во столько же раз увеличится. Уменьшишь — все получается наоборот.
Такие «взаимоотношения» между током и напряжением объясняются хорошо известным вам законом Ома.
у I — сила тока в амперах,
Вот Он: I = — , где У — напряжение в вольтах,
R R — сопротивление в омах.
Значит, чтобы численно определить силу тока, протекающего по электрической цепи, нужно напряжение на данном участке разделить на сопротивление этого участка.
Чтобы вам лучше понять, почему вдруг я заговорил о законе Ома, я расскажу один случай, который произошел в лаборатории Московского университета, где я работал.
Туда ко мне пришел школьник-восьмиклассник и с восхищением стал рассматривать разрядные трубки, светящиеся всевозможными цветами. В трубках была плазма.
Я рассказал школьнику, что такое плазма, объяснил назначение приборов, с помощью которых она исследуется, и показал различные виды разрядов.
Юный поклонник физики попросил меня продемонстрировать какой-нибудь опыт с плазмой. Я подвел его к лабораторному столу. Минут через десять для опыта все было готово: разрядную трубку укрепили на двух подставках посредине стола. От нее тянулся толстый резиновый шланг к откачивающему насосу, провода в хорошей изоляции шли от источника высокого напряжения к электродам трубки и к приборам.
— Что мы будем делать? — нетерпеливо спросил гость.
— Проверим закон Ома, — спокойно ответил я.
Школьник удивился. Действительно, какая нужда проверять то, что уже тысячи раз проверено и считается законом физики.
Я включил источник тока, питающего разрядную трубку. Потом дал поработать откачивающему насосу.
Когда внутри трубки вспыхнуло бледноватое свечение плазмы, я попросил школьника записать показания приборов — амперметра и вольтметра.
Потом я спросил его:
— Если увеличить ток через трубку, скажем, раза в полтора, что произойдет с напряжением? Что покажет вольтметр?
Школьник подумал, посмотрел на выписанную формулу закона Ома и уверенно ответил:
— Вольтметр покажет напряжение тоже в полтора раза больше. Этого требует закон Ома.
— Что же, посмотрим!
Я повернул ручку на панели источника питания. Трубка засветилась ярче. Стрелка амперметра отметила увеличение тока.
А вольтметр? Вопреки предсказанию, он стал показывать меньшее напряжение. Я еще больше увеличил ток через разрядную трубку, но вольтметр никак не хотел «исправляться» — он показал еще меньшее напряжение.
— Может, прибор неисправный? — спросил меня мальчик, который никак не хотел верить в это «чудо».
Мысленно я похвалил его: всегда, когда исследователь получает неожиданные результаты, он первым делом должен проверить измерительную схему и убедиться в правильности показаний приборов Не говоря ни слова, я достал из стоящего рядом шкафа картонную коробку с болтающейся на нитке пломбой.
Вот новый прибор, заменим...
Опыт был повторен. Однако и новый прибор не оправдал надежд. Стрелка его упорно сигнализировала об уменьшении напряжения, тогда как закон Ома требовал, чтобы оно с увеличением тока росло.
Дело было в чем-то другом, и мой гость чувствовал это.
А «секрет» весь заключался в плазме, образовавшейся в трубке. Убедиться в этом было легко. Достаточно вместо разрядной трубки включить обыкновенное сопротивление, например реостат, и вольтметр добросовестно стал бы показывать
увеличение напряжения с ростом тока. Значит, «карты путала» плазма. Она не хотела подчиняться закону Ома. Почему?
Вспомним, как возникает ток в газе.
Редкие одиночки электроны, подхваченные силами электрического поля, разгоняются и, наскакивая на молекулы газа, выбивают из них электроны. Те, в свою очередь, ионизируют другие молекулы. Возникает лавина электронов — ток резко увеличивается. В трубке возникает плазма.
Увеличив ток, мы заставили больше электронов в каждую секунду проходить через амперметр и другие звенья электрической цепи.
Что в этом случае произошло в трубке?
Возросшие электрические силы родили новые лавины электронов и создали новый «отряд» положительных ионов. Число зарядов — носителей электричества — в трубке резко возросло, в связи с чем сопротивление трубки току упало. А раз так, и напряжение, которое мы измеряли между электродами трубки, стало меньше.
Имей разрядная трубка постоянное число электрических зарядов, такого несоответствия между током и напряжением мы бы не наблюдали.
Поведение плазмы в разрядной трубке, которое сбило с толку знакомого мне восьмиклассника, конечно, не должно вызывать сомнения в правильности закона Ома. Закон этот универсален, он справедлив и для плазмы. Только пользоваться им нужно осторожно, иначе не избежать ошибки.
К плазме, хотя она и проводит ток, нельзя подходить с той же меркой, с какой мы подходим к обыкновенному металлическому проводнику. Ее поведение, свойства, характеристики зависят от режима электрического разряда, который определяется и давлением газа в трубке, и величиной приложенного напряжения, и тем, в каком газе осуществляется разряд. Физики скрупулезно взвешивают все эти факторы и могуг рассчитать величину тока, напряжения и другие характеристики плазмы при разных режимах разряда.
Попутно нужно отметить, что в последние годы удалось сделать такие разрядные трубки, в которых устанавливается так называемый квазистационарный разряд, который протекает в полном соответствии с законом Ома. Жгут плазмы в этих трубках можно рассчитывать так же, как рассчитывается спираль обыкновенной электроплитки.
Я нарисовал грубую, схематичную картину того, что происходит в разрядной трубке при изменении силы тока. В действительности физические явления в ней значительно сложней.
Но и того, что я рассказал, достаточно для объяснения странного поведения приборов во время нашего опыта.
Нежелание плазмы всегда подчиняться закону Ома — это еще одно свидетельство того, что плазма — особое состояние вещества. Законы возникновения плазмы, законы, которые объясняют ее поведение в различных условиях, очень сложны. Ученые разных стран потратили десятилетия на то, чтобы их расшифровать. Работа эта продолжается и сейчас. Современная теория строения микромира — мощное оружие в руках ученых. Именно она позволяет «раскусить твердый орешек», каким является плазма, объяснить многоликость ее существования.
Но прежде чем рассказывать о разных формах существования плазмы, посмотрим, где встречается плазма, каково ее место среди других состояний вещества.
Плазма — всюду!
Таблица элементов Д. И. Менделеева включает в себя 103 элемента. Столько разных «сортов» атомов обнаружено в природе.
Какие же из них самые распространенные? И в каком состоянии они находятся?
Эти вопросы давно волнуют науку. По крупице собирали ученые нужные сведения, пока не ответили на них. Они изучали нашу планету Землю, исследовали метеориты — вестники из межпланетного пространства, старались разгадать тайну космических лучей. Даже свет от Солнца и далеких звезд сослужил свою службу. Обыкновенный свет, на который многие из нас не обращают внимания.
Проделав огромную работу, ученые пришли к выводу, что Вселенная в основном состоит из водорода и гелия. Первого в ней примерно 76, второго — 23 процента. Все остальные элементы по весу занимают чуть побольше одного процента.
А в каком состоянии находятся водород и гелий Вселенной?
В состоянии плазмы.
Сейчас любой физик скажет, что Солнце, звезды, газовые туманности и даже межзвездный газ — это плазма.
В недрах Солнца и звезд бушуют могучие ядерные процессы. Они сопровождаются выделением огромного количества тепла. Под его воздействием разрушаются электронные оболочки атомов. Ядра оказываются оголенными и представляют
собой частицы с положительными зарядами. Это материал для новых ядерных процессов, которые и совершаются внутри звезд непрерывно.
Межзвездный газ, в основном водород, превращается в плазму не благодаря теплу, а по другой причине. Звезды излучают целые потоки световых лучей. Среди них немало ультрафиолетовых — невидимых световых волн с очень короткой длиной волны. Эти лучи, обладающие большой энергией, оказывается, способны отрывать электроны от атомов межзвездного газа и превращать этот газ в плазму.
Мы живем на дне гигантского воздушного океана, со всех сторон окружающего нашу Землю. Если бы вся атмосфера имела ту же плотность, что и на поверхности земли, то ее толщина оказалась бы равной всего лишь восьми километрам. В действительности атмосфера в верхних слоях сильно разрежена, и ее следы удалось обнаружить даже на тысячекилометровой высоте. Правда, уже на высоте ста шестидесяти километров плотность воздуха в миллиард раз меньше, чем на уровне моря.
Солнце — гигантское скопление плазмы, окруженное своей солнечной атмосферой. Верхние горячие слои этой атмосферы называются хромосферой. Они щедро излучают ультрафиолетовые лучи. Более глубокие слои рождают еще более мощное рентгеновское излучение. Эти излучения врываются в земную атмосферу и превращают ее верхние, наиболее разреженные слои в плазму.
Запуск искусственных спутников Земли, полеты космических кораблей позволили получить очень ценные сведения о плазменном «покрывале» Земли. Наибольшая концентрация зарядов оказалась на высоте примерно трехсот километров. Здесь в каждом кубическом сантиметре имеется не менее двух миллионов электронов и ионов, а температура электронов достигает десятка тысяч градусов. Радиоволны, имеющие длину более пятнадцати метров, встретившись с таким слоем плазмы, отражаются от него, как луч света от зеркала. Как известно, это давно используется для связи на далекие расстояния.
До космических полетов ученые считали, что наша планета окружена одним поясом заряженных частиц. Потом открыли второй и совсем недавно третий, отстоящий от земной поверхности на несколько десятков тысяч километров. Их существование ученые связывают с влиянием солнечного излучения и с наличием у Земли мощного магнитного поля. Именно благодаря этому магнитному полю заряженные частицы — корпускулы, — извергаемые Солнцем, отбрасываются к полюсам и рождают красочные северные сияния. Теперь ученые точно знают, что северные сияния — это свет, излучаемый плазмой.
Выше я не случайно назвал слой плазмы, окружающий Землю, «покрывалом». Плазма небезразлична к магнитным полям. Благодаря этому наша планета как бы изолирована от внешних магнитных воздействий. Кроме того, через плазменную оболочку не способно проникнуть наиболее мощное, а следовательно, и наиболее опасное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца. Исчезни плазменный пояс вокруг Земли, и наша планета превратится в безжизненную пустыню.
Итак, материя Вселенной на 99 процентов — плазма. Планеты, космическая пыль, метеоры по весу занимают очень скромное место.
Но живем мы на Земле, и поэтому интересно знать, где встречается плазма в наших, земных условиях?
Плазменную «продукцию» постоянно дает сама природа.
Что такое молния, прорезывающая небо во время грозы? Плазма, возникшая в результате разряда атмосферного электричества.
Еще Ломоносов справедливо говорил, что атмосферное электричество возникает от «трения» мелких частиц, из которых состоят водяные и другие «пары». Это отдаленно похоже на электризацию янтаря, натираемого шерстью.
Ветер постоянно перемеши-вает воздух и тем самым разделяет электрические заряды, относит их друг от друга.
Чаще всего нижняя часть облака оказывается заряженной отрицательным электричеством. Когда в этом заряде электронов запасется очень много, то между облаком и Землей — этими природными «электродами» — возникает гигантский электрический разряд — молния.
Не оставляет сомнения и то, что и другой вид молнии — так называемая шаровая молния — тоже плазма. Люди много раз наблюдали огненные шары, иногда появляющиеся после грозы; внезапно возникший шар медленно плывет с потоком воздуха, может влететь в окно, в печную трубу и, взорвавшись, поджечь здание или убить человека. Загадка шаровой молнии до сих пор полностью не разгадана, но вполне вероятно, что это тоже плазма.
Но чаще всего мы имеем дело с плазмой, созданной самим человеком.
Пламя газовой горелки и светящиеся буквы реклам, раскаленные струи, вылетающие из сопла реактивных самолетов и космических ракет, и дуга электросварки — все это плазма. Без нее не смогут работать лампы дневного света и автомобильные двигатели, без нее не получат электроэнергию пригородные электропоезда, а фотограф не сделает снимка в сумерках. Без плазмы не обходятся ни машиностроители, ни взрывники, ни химики, ни даже врачи. Она всюду, где человек занят делом, она — верный помощник человека.
Но люди добились этого не сразу. Они много потратили сил, прежде чем покорили плазму.
Глава III ТОК ЧЕРЕЗ ГАЗЫ
Искра доктора Воля
Заглянем в далекое прошлое и посмотрим, как удалось человеку получить первую «искусственную» плазму.
...Мы в Англии конца XVII века. Об электричестве знают столько же мало, как во времена Фалеса Милетского. Правда, ученые все чаще и чаще задумываются над загадкой электрических сил, проводят опыты по электризации янтаря и других тел, но это больше напоминает забаву, чем науку.
Еще не была изобретена паровая машина и, кроме силы падающей воды и ветра, люди не знали других источников энергии. Вся деятельность человека, в том числе и научная, была под большим влиянием религии.
Итак, Англия, 1698 год. Некий доктор Воль, как и другие его коллеги-ученые, занимается физическими опытами. Пробует и он электризовать янтарь.
Однажды доктору попался большой кусок этой затвердевшей смолы. Воль решил посильнее наэлектризовать его. Долго натирал он кусок янтаря шерстью, изрядно утомился, но своего занятия не бросал. Вдруг из янтаря выскочила искра длиной не меньше двух сантиметров. «При этом раздался такой звук, точно в печке треснул уголь», — так описывал этот случай сам ученый.
Почему я говорю об эгой искорке, полученной более двух с половиной веков назад таким несовершенным способом? Да потому, что это был первый искусственный разряд электричества в газе, первый кусочек плазмы, созданный человеком. Одновременно это был один из первых шагов в развитии учения об электричестве.
Так у природной искры — молнии появился «двойник» на земле — искровой электрический разряд.
Кстати замечу, что само слово «разряд» появилось много позже после опытов доктора Воля.
Почти через полстолетия после этого события житель немецкого городка Лейдена Мушенбрек построил первые кладовые для электричества — лейденские банки.
Представьте себе большой круглый стакан из стекла. Внутренняя и наружная поверхности стакана оклеены станиолем — серебристой бумагой, наподобие той, в которую заворачивают шоколадные конфеты. Это и есть лейденская банка, или конденсатор. Если при помощи проводов подключить к обкладкам этого конденсатора электростатическую машину и начать ее вращать, то на обкладках лейденской банки скопятся заряды противоположных знаков. Если замкнуть накоротко обкладки, заряды уничтожатся. А в момент замыкания возникнет электрическая искра.
Вот отсюда и пошло название «электрические разряды». Оно прочно вошло в нашу речь и сейчас употребляется всюду даже тогда, когда ток через газ получается без каких-либо конденсаторов.
Искровой разряд возникает при большом давлении газов, когда между электродами приложено высокое напряжение. Чтобы пробить слой воздуха толщиной всего пять сантиметров, при электродах-шарах диаметром по метру требуется напряжение в сто тысяч вольт. Чем меньше диаметр шаров разрядника, тем меньшее напряжение нужно для пробоя газа. При искровом разряде в плазме заряды образуют узкие, ярко светящиеся каналы, распространяющиеся с огромной скоростью.
Как только на электродах напряжение достигнет своей первоначальной величины, вслед за первой искрой проскакивает вторая, третья и т. д.
Ученые определили, что внутри безобидной на вид электрической искры температура на мгновение достигает десяти тысяч градусов! Такая температура может быть причиной дополнительной ионизации газа за счет тепла. Поэтому мы вправе считать, что искра — это небольшой кусочек солнца, изготовленный с помощью приборов.
Сейчас ученые получают нсевозможные искровые разряды. Некоторые из них обладают такой мощностью, что соперничают с молнией. Создавая их в лабораториях, ученые исследуют механизм развития грозовых разрядов.
Gолучены и такие искровые разряды, которых нет в природе. Так называемый скользящий искровой разряд получают при разряде между плоским электродом и стержнем, разделенными стеклянной или эбонитовой прокладкой. Разряд обтекает прокладку и создает очень красивое зрелище.
По фигурам, созданным скользящим разрядом, определяют величину напряжения, приложенного между электродами. Это необходимо, например, при исследованиях молний.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
