Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

века, было помещено описание физического явления, ранее не известного науке.

Оно описывалось так:

«…Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля… и если металлическими изолированными направлятелями… сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ярко освещен быть может…»

Книгу эту издал профессор физики Военно-медико-хирургической академии в Петербурге, а впоследствии академик Василий Владимирович Петров. Приведенные выше слова были первым в мире описанием электрической дуги.

Тогда многие увлекались опытами с электричеством, подобно тому как сейчас увлекаются радиолюбительством. Опыты эти были несложны: люди брали цинковые и медные кружочки, между ними прокладывали суконную ткань, смоченную в уксусе, — и источник электричества готов. По имени изобретателя его называют вольтовым столбом.

Это уже не электростатическая машина с вращающимися янтарными шарами, способная на мгновение зажечь искру, — вольтов столб может создавать в электрической цепи постоянный непрекращающийся ток. Этот ток можно почувствовать, если проводами от вольтова столба прикоснуться к кончику языка. Язык начинает щипать, и чем больше взято металлических кружков, тем сильнее щиплет язык. А если сделать большой вольтов столб, то можно получить искры — более яркие, более «жирные», чем у электростатической машины.

Однако тогда было немного людей, которые в этих опытах видели не только забаву. Среди них был и Василий Петров. Дни и ночи возится он с вольтовыми столбами. Еще не изобретен вольтметр, и ученый, срезав кожу с пальцев, сам становится вольтметром, определяя по силе электрических «уколов» достоинства собранных им батарей.

Академик Петров решается провести особенный опыт. Он превращает в кружочки все свои запасы меди и цинка и собирает столб небывалой длины. Ученый торопится: стоит просохнуть хотя бы одной из четырех с лишним тысяч прокладок, и придется все начинать сначала.

Опыт ученого блестяще удался. Не отдельные искры, а яркое пламя вспыхнуло между угольными электродами. Этот сплошной, слегка изогнутый жгут плазмы позднее был назван дугой.

Работы Петрова были опубликованы только на русском языке, иностранные ученые о них не знали. Поэтому долгое время открытие дугового разряда приписывалось английскому ученому Дэви.

Академик Петров был верным последователем Ломоносова. Как и его великий учитель, он прежде всего думал о том, как и где применить открытое явление.

Поражаешься прозорливости ученого. Создав дуговой разряд, он указал, где его можно применить для освещения.

А когда вместо древесных углей он не поставил ничего, а просто сблизил провода, расплавив их, то добавил: можно использовать и для плавки металлов!

Сейчас посмотрим, что представляет собой плазма дугового разряда. Дуга — это короткое замыкание электродов жгутиком плазмы. Для ее возникновения нужен более мощный источник тока, чем тот, с помощью которого получают электрические искры.

Благодаря высокой температуре внутри шнура плазмы образование заряженных частиц — ионов и электронов — происходит главным образом за счет соударений молекул газа между собой. Удары так «крепки», что оканчиваются отрывом электронов от атомов.

В последние десятилетия широкое применение получил дуговой разряд при пониженном давлении газа. Такая низковольтная дуга очень похожа на тлеющий разряд, но имеет большую плотность тока.

Тлеющая плазма

Может сложиться мнение, что там, где возникает плазма, обязательно выделяется много тепла, непременно имеет место высокая температура. Действительно, не говоря о Солнце, звездах, ядерных взрывах, рождающих целые моря раскаленной плазмы, даже внутри обыкновенной электрической искры температура на мгновение подпрыгивает до десятка тысяч градусов. Но ведь и жизнь плазмы в искре измеряется ничтожными долями секунды. А сейчас я расскажу о таком электрическом разряде, который рождает плазму, но температура ее чуть-чуть выше температуры человеческого тела.

Разряд этот называется тлеющим. Это название говорит само за себя. Ведь и тлеющие головни нельзя считать жарко горящим костром. Но, как в тлеющем костре идет процесс горения, так и в плазме тлеющего разряда совершаются такие физические процессы, которые дают нам право считать ее вполне «равноправной».

Тлеющий разряд — один из наиболее интересных и своеобразных видов газового разряда. Получается он, как правило, при давлениях газа, значительно меньших атмосферного. Значит, для того чтобы он возник, нужна разрядная трубка и откачивающий насос. Помните опыт, в котором плазма преподнесла сюрприз с законом Ома? Сделал это тлеющий разряд, который мы зажгли в остатках воздуха. Другие виды разрядов тоже, как правило, не подчиняются закону Ома, но в тлеющем разряде эта закономерность обнаруживается наиболее легко.

Если дуга представляет собой жгут плазмы, различные участки которого мало отличаются друг от друга, то тлеющий разряд не таков: в нем легко найти катодные и анодные участки разряда. Приглядимся внимательно к светящейся трубке с тлеющим разрядом. Мы заметим, что анод и катод покрыты тонкой светящейся пленкой. Пленку светящейся плазмы у анода ученые назвали анодным свечением, а пленку у катода — первым катодным свечением.

Почему первым? Разве еще есть катодное свечение? Есть. Оно начинается после темного катодного пространства и называется отрицательным тлеющим свечением.

Если продвигаться от катода к аноду дальше, то за отрицательным тлеющим свечением снова будет несветящийся участок трубки. Это — так называемое фарадеево темное пространство. Оно как бы отделяет катодные части разряда от анодных: слева — катодные, справа — анодные.

Бóльшую часть длины трубки занимает положительный столб разряда. Он тянется от фарадеева темного пространства почти до самого анода. Если каким-либо способом измерить напряжение на отдельных участках разряда, то окажется, что напряжение вдоль разряда падает неравномерно. Самый больший перепад напряжения — несколько сот вольт — имеется между катодом и отрицательным тлеющим свечением, хотя расстояние между ними невелико.

Это говорит о том, что электрические силы в разрядном промежутке распределены неравномерно: вблизи катода они сильнее действуют на заряженные частицы, чем, например, в положительном столбе.

В тлеющем разряде, как и во всяком другом, есть два встречных потока зарядов: электроны движутся к аноду, а положительные ионы — к катоду. Последние вблизи катода сильно разгоняются и, ударяясь о катод, выбивают из него электроны. Эти электроны подхватываются электрическим полем, на своем пути ионизируют газ и заставляют его светиться.

Ученые потратили немало усилий, прежде чем выяснили, почему так неравномерно электрическое поле в пространстве катод — анод, почему движение зарядов напоминает движение воды в порожистой горной реке. Причиной оказалось то, что во время разряда в трубке возникают так называемые пространственные