Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

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.

Газ (третье состояние вещества) идеальный изолятор, света не излучает, к магнитным силам равнодушен.

Плазма (четвертое состояние вещества) хороший проводник тока, излучает свет, испытывает влияние магнитных сил.

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.

Всегда ли справедлив закон Ома?

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 это 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 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