Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

— 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.

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