Покоренная плазма

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 от 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.

Вот он: I = V/R,

где I — сила тока в амперах, V — напряжение в вольтах, 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 могут 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.

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.