Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в
жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного
времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет
во второе состояние.
Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в
конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье
состояние.
Ну, а если нагревать дальше? Что будет с газом, если его нагревать до 4, 5, 6 тысяч градусов?
Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос
отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется
сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию
и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.
таком ответе не было ничего удивительного. Люди не умели тогда
получать особенно высоких температур и не могли знать, что будет с
веществом, допустим, при 6000 градусов. обычных топливных печах
максимальная температура достигает только 2000, а в электрических — 3000
градусов.
Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях
добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по
«добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных
фантазий.
Институте атомной энергии научным сотрудником М. С. Иоффе были
произведены эксперименты, в которых удалось получить температуру для
дейтерия 60 миллионов градусов — в три раза более высокую, чем в центре
Солнца (по современным представлениям, температура в центре Солнца
несколько менее 20 миллионов градусов). Академик Евгений Константинович
Завойский добился еще более эффектных результатов: в своих опытах ему
вместе с сотрудниками удалось нагреть потоки электронов до температуры
свыше 100 миллионов градусов.
Сейчас уже известно точно: выше 6000 градусов газы, даже что ни на есть устойчивые, как бы испаряются.
Что же с ними происходит?
Когда при бешеных скоростях, вызванных сильным нагревом, атомы
вещества сталкиваются один с другим, из них выбиваются электроны.
Утрачивая часть электронов, атомы превращаются в положительные ионы, то
есть в «осколки», заряженные положительным электричеством. Электроны,
как известно, заряжены отрицательно. результате получается смесь из
отрицательных электронов, положительных ионов и не успевших «испариться»
нейтральных атомов. Так как положительное электричество в такой смеси
равно отрицательному электричеству, смесь в целом остается нейтральной.
Но электроны сталкиваются между собой и с ионами и заставляют
«испаренный газ» светиться (что бывает, впрочем, не всегда, а лишь при
достаточном количестве частиц; если разрежение высокое, вещество может
стать совсем невидимым).
Облако материи в таком особо возбужденном состоянии и называется
плазмой. Открыл ее в 1920 году выдающийся индийский астрофизик Мег Над
Сага.
Что плазма уже не газ, а качественно совсем иное, новое состояние вещества, ученые убедились довольно быстро.
Каждое состояние вещества имеет свои особые свойства, не похожие на свойства остальных состояний. Имеет их и плазма.
Свойства плазмы резко отличаются от свойств газа. Газ,
например, — электрический изолятор. Плазма, хотя она в целом и
нейтральна, как газ, наоборот, прекрасно проводит электрический ток.
отличие от металлов, которые проводят ток тем хуже, чем больше они
нагреты, электропроводность плазмы растет с увеличением температуры.
Теория говорит, что при очень высокой температуре плазма
практически должна обладать свойством сверхпроводимости, то есть ее
электрическое сопротивление должно быть близко к нулю. Кроме того,
плазма — идеальный проводник тепла, она — сверхтеплопроводящий материал.
плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, — порядок.
Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее
движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе —
гиротропный.
Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами.
Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо
больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать.
Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие
звезды, туманности, межзвездный газ.
Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.
Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры
своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и
выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного
облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в
мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние
ионизации, частично обратить в плазму.
Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но
ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот
ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки
прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной
горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего
сгорания.
Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия
при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого
вещества происходит образование плазмы.
Плазма образует канал электрической искры и молнии.
Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние
есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже
плазмы.
Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы.
Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с
грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя
извергали плазму. Плазма широко распространена повсюду, но, пожалуй, еще сильнее
привлекает она внимание ученых своими возможностями для техники
будущего.
Плазма — самое перспективное состояние вещества для
преобразования тепла непосредственно в электричество. По-видимому, в
безмашинных электростанциях будущего в движении будет находиться только
плазма. Проходя между полюсами сверхмощных магнитов, потоки плазмы будут
превращать энергию своего движения в энергию электрического тока.
Не за горами создание и космических кораблей с плазменными
двигателями. С такими двигателями, выбрасывающими реактивную плазменную
струю со скоростями в десятки или даже сотни тысяч километров в секунду,
можно отправиться на исследование самых далеких планет Солнечной
системы.
Весной 1965 года советские ученые провели первые успешные
испытания плазменных двигателей в космических условиях — на борту
космического корабля «Зонд-2».
Велики перспективы плазмы и в области управляемых термоядерных
реакций. Академик Л. Н. Арцимович считает даже, что это важнейшая задача
плазмы. Он писал:
«Физика плазмы не относится к магистральным направлениям науки,
но тем не менее за последнее десятилетие она разрабатывается весьма
интенсивно, так как с ней связаны надежды на решение задач
исключительного перспективного значения. Первое место среди них занимает
общеизвестная проблема управляемого термоядерного синтеза, решение
которой должно полностью устранить угрозу энергетического голода на
нашей планете».
|