Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

Зондовый метод не единственный. Не менее надежным является другой — оптический.

Свет — обязательный спутник плазмы. Излучает его она не беспорядочно, не как попало, а по строгим физическим законам. Десятки приборов ловят световые лучи плазмы и помогают ответить на вопросы, которые прежде ставили ученых в тупик.

Попробуйте, например, определить температуру внутри огненного шнура дуги. Ни один термометр не выдержит «жары» в тысячи градусов — он расплавится. Но ученые и не думают помещать туда термометры. Они узнают температуру газа по силе и по характеру его свечения.

Оптические приборы дают возможность, не влезая в плазму, узнать, какой процент молекул газа излучает свет, определить, с какой скоростью они движутся.

Приборы чутко реагируют на рождение новых веществ в разряде и позволяют безошибочно определить, какие примеси имеются в газе.

Подробнее о роли видимых и невидимых лучей, испускаемых плазмой, мы еще поговорим.

Большую трудность представляет изучение разрядов, которые протекают очень быстро. К таким относятся искровой разряд и все высокочастотные разряды.

При их изучении ученые часто пускают в дело осциллографы — электронные приборы, во многом похожие на телевизоры. У осциллографа тоже есть экран, на котором появляется изображение, только не людей, а зеленых светящихся линий. Эти «живые» линии-змеи говорят о многом: о том, как изменяются напряжение и ток в трубке, какие импульсы тока возникают при разряде, как начинается и как заканчивается разряд.

При изучении искровых разрядов, например, молний, большую помощь оказывает фотографирование разряда. Но для этого применяются не обычные фотоаппараты, а сверхскоростные фотокамеры. Сейчас созданы и используются камеры, которые делают в секунду сотни тысяч и миллионы снимков. На Брюссельской выставке, например, СССР демонстрировал фотокамеру, делающую тридцать три миллиона снимков в секунду!

Несмотря на свою сложность, такие приборы незаменимы при изучении разрядов. Они позволяют увидеть всю мгновенную жизнь искры или другого разряда, начиная с момента рождения и кончая исчезновением плазмы.

Но плазму «штурмуют» не только в лабораториях. Ею занимаются и ученые-теоретики, вооруженные знаниями математики и физики.

Нагромождая этажи сложных формул, эти ученые пишут математическую летопись плазмы. Они предсказывают то, что потом должен подтвердить опыт.

Ученые-теоретики и ученые-экспериментаторы сообща раскрывают законы электродинамики — науки о движущихся электрических зарядах. В этом содружестве — залог окончательного покорения плазмы.

Глава IV

Подвиги ученых и плазма

Плазма помогла Фарадею

Случилось это много лет назад, в начале прошлого века. Уже была открыта электрическая дуга Василия Петрова, уже ученые умели получать некоторые электрические разряды и были сделаны первые шаги в их изучении. Однако никто не знал еще, какие процессы происходят внутри светящегося газа, какие законы заставляют его так резко менять свои свойства, когда к электродам подводят высокое напряжение и газ начинает светиться.

Не было и слова «плазма» для обозначения четвертого состояния вещества.

И несмотря на все это, плазма уже тогда начала приносить пользу.

Здесь я расскажу о том, как маленькая искорка помогла английскому ученому Майклу Фарадею открыть важный закон физики.

Сын кузнеца, Майкл Фарадей с двенадцати лет начал зарабатывать себе на хлеб в переплетной мастерской. Здесь он все свободное время отдает чтению книг, которые приходилось переплетать. Фарадей посещает общедоступные лекции по физике и химии и наконец пишет письмо знаменитому химику сэру Гемпфри Дэви. К письму он прикладывает записанный и переплетенный конспект лекций.

Это произвело впечатление на маститого ученого, и Майкл Фарадей становится его помощником. Попав в научную лабораторию, Фарадей, кроме подметания полов и мытья посуды, участвует в опытах ученого, а вскоре начинает проводить их самостоятельно.

Блестящие способности Майкла Фарадея, упорство в достижении намеченной цели, ясность научного мышления позволили Фарадею, не получившему специального образования, стать крупным ученым своего времени. Мировую славу Фарадею принесли его опыты по изучению электрических и магнитных явлений.

В 1822 году Фарадей поставил смелую задачу, которую он сформулировал так: «Превратить в магнетизм электричество». Эту задачу ученый блестяще решает, поставив свой знаменитый опыт.

Повторим опыт Фарадея. Возьмем связку пластин от старого трансформатора и намотаем на этот пакет несколько десятков витков провода в изоляции. Закрепив концы этой первичной обмотки, намотаем поверх нее еще одну обмотку, но витков положим в десять раз больше. Теперь соберем схему, изображенную на рисунке (стр. 50).

В цепь аккумуляторной батареи входит амперметр, первичная обмотка и рубильник.

Последовательно с большой, вторичной обмоткой присоединен миллиамперметр с реостатом, служащим для предохранения прибора от перегрузки.

Здесь все, как в опыте Фарадея, если не считать того, что мы применили современный источник тока и приборы и намотали обмотки не на железном кольце, как Фарадей, а на пакете трансформаторных пластин.

Фарадей, ставя этот опыт, хотел доказать единство электрических и магнитных сил. Сотни раз переделывал он схему, но ничего не получалось.

Он видел, что в момент включения рубильника между его контактами проскакивала маленькая, еле заметная искорка. Стрелка амперметра отклонялась от нулевого положения, показывая потребление тока первичной обмотки. Стрелка же второго прибора была неподвижна, как бы пристально ни смотрел на нее ученый.

И вот однажды, замыкая рубильник, Фарадей случайно взглянул на миллиамперметр. В момент замыкания стрелка его чуть-чуть отклонялась вправо и затем снова возвращалась на нуль. То же самое происходило и при размыкании рубильника.

Это было замечательное открытие. Существование электромагнитной индукции было доказано.

Сейчас каждый, кто окончил восемь классов, знает, в чем состоит суть открытого Фарадеем явления. Поэтому я расскажу о нем коротко.

Еще до Фарадея датский ученый Эрстед установил, что как только в проводнике возникает ток, вокруг проводника образуются магнитные силы, появляется магнитное поле. В этом легко убедиться: поднесите к проводу с током магнитную стрелку; она тотчас займет положение, перпендикулярное проводнику, — вдоль магнитных силовых линий.

Но никто тогда не знал и не мог доказать, что магнитное поле может рождать ток; иными словами, наука ничего не знала о единстве электрических и магнитных явлений.

Если бы не искорка, проскакивающая в рубильнике, то и Фарадей вряд ли смог бы доказать это.

Дело в том, что в то время ученые имели в своем распоряжении только постоянный ток. Источники переменного тока изобретены еще не были, а для того чтобы во вторичной обмотке возникал ток, в первичной должен быть ток не постоянный по величине, а переменный.

Искорка в рубильнике помогла выйти из затруднения.

При замыкании рубильника ток в цепи первичной обмотки достигал максимума в течение какого-то небольшого отрезка времени. Магнитные силовые линии появлялись вокруг витков первичной