При слабой ионизации заряженные частицы составляют лишь 1 % от общей плотности плазмы. Космос является миром газа, подвергшегося более значительной ионизации. Громадными скоплениями такого газа оказались сильно разреженные туманности, сложенные продуктами взрывов сверхновых и т. д. Высокотемпературная сильно ионизированная плазма существует на горячих поверхностях звезд. Температура солнечной поверхности сравнительно холодна, она равняется +6000 °C. Существуют и более низкие звездные температуры — много менее +3000 °C. Самые горячие звезды, светила т. н. бело-голубого класса, нагреты до +20 000 °C и более.
Человек способен получать температуры, сопоставимые с теми, что царят в недрах звезд. В начале 1950-х гг. П. Л. Капица установил, при каких условиях в плотном газе под действием мощного разряда рождается плазменный шнур. Сегодня этот эффект используется в установках типа «ТОКАМАК», предназначенных для ядерно-физических экспериментов. Здесь плазменный тор нагревается до нескольких десятков миллионов градусов!
Применение плазмы — новые изобретения
Плазма нашла широкое применение в современной технике. Она применяется для создания неоновых трубок, ламп-вспышек для самолетов и лазеров. Лампы-вспышки на самолетах известны всем, кто наблюдал за ночным полетом самолета. Мигающие на крыльях самолета огоньки являются лампами-вспышками. Сходные лампы производят импульсы для накачки рубиновых лазеров. Есть плазменные лазеры, в которых ионизированный газ является рабочим телом.
Ошибочно думать, будто бы плазма совершенно не применяется в другой бытовой технике. Достаточно вспомнить известные всем почитателям компьютерного мира газоплазменные мониторы. Эти устройства мало популярны среди пользователей, поскольку несколько велики и потребляют много тока. Работать от аккумуляторов и батареек в переносном компьютере плазменные дисплеи не станут. И все-таки необычность устройства, высокая светимость экрана, неувядающая яркость красок, долговечность и полное отсутствие запаздывания привлекают к себе внимание ценителей прогрессивных изобретений в сфере компьютерной техники.
Устроен подобный монитор по аналогии с жидкокристаллическим. В нем установлены несколько стекол, пространство между которыми заполнено газовой смесью. Электрические импульсы поступают в эту среду и превращаются в газовые разряды, ионизирующие смесь. В результате молекулы газа возбуждаются и начинают светиться. Таким образом на дисплее высвечивается информация. Плазма внутри монитора, естественно, низкотемпературная и представляет собой слабоионизированный газ.
7. Законы тока
Настоящим переворотом в технике на рубеже XIX и XX вв. стало освоение электрической энергии и широкое ее приспособление для нужд развивающейся промышленности. Сегодня электрические приводы, электромоторы, электромагниты и прочие устройства вытеснили паровые установки из заводских цехов. Но электричество пошло гораздо дальше, оно проникло в быт, послужив толчком к созданию массы полезнейших устройств. Несомненно, открытие законов электрического тока заслуживает внимания как одно из наиболее крупных достижений физики.
Электрический заряд
Электрический ток представляет собой направленное движение элементарных частиц — электронов, являющихся единичными носителями электрического заряда. Таким образом, ток можно представить в виде течения зарядов по проводнику. Прежде чем человек открыл ток, ему предстояло обнаружить существование заряженных тел и установить законы взаимодействия зарядов, чтобы в дальнейшем прийти к мысли об их движении.
Открытие количества электрического заряда
Электрические явления были известны человеку с древнейших времен. Речь идет вовсе не о молниях, которые дали людям огонь, но при этом и порождали суеверный ужас. Молнии не так скоро связали с электричеством. В действительности история учения об электромагнетизме началась с открытия удивительного свойства, которым обладает янтарь. Древние греки заметили, что кусочек янтаря вследствие трения притягивает к себе мелкие и легкие предметы.
Так человек впервые наблюдал электричество без ужаса и пытался даже объяснить поразительный феномен с натурфилософских позиций. В XVII в. англичанин Гильберт повторял опыты древних. Он убедился, что присущими янтарю свойствами обладают и другие минералы, в частности горный хрусталь и алмаз. Изучением необычных свойств камней занялись многие физики. Поскольку янтарь по-древнегречески назывался «электроном», то и природные явления, связанные с притяжением тел минералами в результате трения, получили название электрических.
В 1672 г. выходит в свет первая книга, в которой приводится описание опытов с электричеством. Ее автор — немецкий ученый О. фон Герике, известный своими экспериментами с магдебургскими полушариями. Герике является первым изобретателем электрической машины. Его установка не выполняла полезной работы, но была опытной. Устройство состояло из крупного шара, изготовленного из серы, который заряжался посредством трения.
Герике сделал немало открытий при помощи своего шара, в т. ч. обнаружил существование электрического отталкивания. Оказалось, что под действием электричества тела не только притягиваются, но и отталкиваются друг от друга.
Француз Дюфе в 1734 г. создает теорию стеклянного и смоляного электричества, в дальнейшем преобразившуюся в теорию положительного и отрицательного электричества (теорию плюсовых и минусовых зарядов). Дюфе выяснил, что янтарь притягивает к себе строго определенные тела, а другие отталкивает. Точно так же ведут себя потертые шелк, бумага и прочие материалы и минералы. Но вот стекло ведет себя с точностью до наоборот. Оно притягивает то, что отталкивает янтарь, и отталкивает то, что янтарь притягивает. Со стеклом сходны по электрическим свойствам горный хрусталь, шерсть и прочие материалы. Тем самым Дюфе убедился, что в природе существуют две группы материалов, порождающие два противоположных друг другу рода электричества.
Нелишне будет заметить, что утверждение о притягивании тел с противоположными зарядами не совсем верно, если понимать его буквально. Если тела притягиваются, то одно из них может вовсе не иметь заряда, т. е. быть электрически нейтральным. Но вот отталкивание возможно лишь между действительно заряженными телами, причем заряженными одинаково.
Сам Дюфе называл эти две разновидности стеклянным и смоляным электричеством. Новое название — положительное и отрицательное — было предложено американским ученым Б. Франклином, который больше известен как общественный деятель. Именно Франклин первым догадался об электрической природе молнии и нашел способ показать это экспериментально. Однако этой догадке предшествовало создание лейденской банки. Это устройство, являющееся первым в истории конденсатором, было создано на рубеже 1745–1746 гг. независимо двумя учеными — голландцем Мушенбруком и немцем Клейстом.
Название конденсатора происходит от города Лейден, в котором ставил свои эксперименты Мушенбрук. Посредством металлического шеста и медной проволоки он соединил источник электричества (натираемый руками стеклянный шар) с банкой, заполненной водой. Мушенбрук стремился извлечь рукой искру из металлического шеста. Банка предназначалась для отвода излишнего электричества, поскольку тогда считалось, что вода не обладает электрическими свойствами.
Эффект получился обратный ожидаемому: вода накопила в себе электрический заряд и разрядилась в Мушенбрука, который держал лейденскую банку своей правой руке. «Моя правая рука, — признавался физик в письме Реомюру, — была поражена ударом такой силы, что все тело содрогнулось, как от удара молнии». Сходство действия лейденской банки с грозой и ярчайшие искры, которые получали последующие экспериментаторы из первого конденсатора, убедили Франклина в принадлежности молнии к электрическим явлениям.
В 1750 г. Франклин составил описание машины для изучения электрической природы молнии. Он утверждал, что специальный железный шест, размещенный на крыше башни, во время грозы будет собирать атмосферное электричество и позволит ученому извлекать искры. Спустя некоторое время Франклин уже разработал на основе своего шеста громоотвод.
С этим устройством связана прелюбопытная история. Ученые долгое время спорили, какой формы громоотвод следует устанавливать на крышах — закругленный или заостренный. Ситуация в физике напоминала войну «тупоконечников» и «остроконечников» в книге Дж. Свифта «Путешествия Гулливера».
