Покоренная плазма

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 перемешивает 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

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 этой 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.