Несмотря на свою сложность, такие приборы незаменимы при изучении разрядов. Они позволяют увидеть всю мгновенную жизнь искры или другого разряда, начиная с момента рождения и кончая исчезновением плазмы.
Но плазму «штурмуют» не только в лабораториях. Ею занимаются и ученые-теоретики, вооруженные знаниями математики и физики.
Нагромождая этажи сложных формул, эти ученые пишут математическую летопись плазмы. Они предсказывают то, что потом должен подтвердить опыт.
Ученые-теоретики и ученые-экспериментаторы сообща раскрывают законы электродинамики — науки о движущихся электрических зарядах. В этом содружестве — залог окончательного покорения плазмы.
Глава IVПодвиги ученых и плазма
Случилось это много лет назад, в начале прошлого века. Уже была открыта электрическая дуга Василия Петрова, уже ученые умели получать некоторые электрические разряды и были сделаны первые шаги в их изучении. Однако никто не знал еще, какие процессы происходят внутри светящегося газа, какие законы заставляют его так резко менять свои свойства, когда к электродам подводят высокое напряжение и газ начинает светиться.
Не было и слова «плазма» для обозначения четвертого состояния вещества.
И несмотря на все это, плазма уже тогда начала приносить пользу.
Здесь я расскажу о том, как маленькая искорка помогла английскому ученому Майклу Фарадею открыть важный закон физики.
Сын кузнеца, Майкл Фарадей с двенадцати лет начал зарабатывать себе на хлеб в переплетной мастерской. Здесь он все свободное время отдает чтению книг, которые приходилось переплетать. Фарадей посещает общедоступные лекции по физике и химии и наконец пишет письмо знаменитому химику сэру Гемпфри Дэви. К письму он прикладывает записанный и переплетенный конспект лекций.
Это произвело впечатление на маститого ученого, и Майкл Фарадей становится его помощником. Попав в научную лабораторию, Фарадей, кроме подметания полов и мытья посуды, участвует в опытах ученого, а вскоре начинает проводить их самостоятельно.
Блестящие способности Майкла Фарадея, упорство в достижении намеченной цели, ясность научного мышления позволили Фарадею, не получившему специального образования, стать крупным ученым своего времени. Мировую славу Фарадею принесли его опыты по изучению электрических и магнитных явлений.
В 1822 году Фарадей поставил смелую задачу, которую он сформулировал так: «Превратить в магнетизм электричество». Эту задачу ученый блестяще решает, поставив свой знаменитый опыт.
Повторим опыт Фарадея. Возьмем связку пластин от старого трансформатора и намотаем на этот пакет несколько десятков витков провода в изоляции. Закрепив концы этой первичной обмотки, намотаем поверх нее еще одну обмотку, но витков положим в десять раз больше. Теперь соберем схему, изображенную на рисунке (стр. 50).
В цепь аккумуляторной батареи входит амперметр, первичная обмотка и рубильник.
Последовательно с большой, вторичной обмоткой присоединен миллиамперметр с реостатом, служащим для предохранения прибора от перегрузки.
Здесь все, как в опыте Фарадея, если не считать того, что мы применили современный источник тока и приборы и намотали обмотки не на железном кольце, как Фарадей, а на пакете трансформаторных пластин.
Фарадей, ставя этот опыт, хотел доказать единство электрических и магнитных сил. Сотни раз переделывал он схему, но ничего не получалось.
Он видел, что в момент включения рубильника между его контактами проскакивала маленькая, еле заметная искорка. Стрелка амперметра отклонялась от нулевого положения, показывая потребление тока первичной обмотки. Стрелка же второго прибора была неподвижна, как бы пристально ни смотрел на нее ученый.
И вот однажды, замыкая рубильник, Фарадей случайно взглянул на миллиамперметр. В момент замыкания стрелка его чуть-чуть отклонялась вправо и затем снова возвращалась на нуль. То же самое происходило и при размыкании рубильника.
Это было замечательное открытие. Существование электромагнитной индукции было доказано.
Сейчас каждый, кто окончил восемь классов, знает, в чем состоит суть открытого Фарадеем явления. Поэтому я расскажу о нем коротко.
Еще до Фарадея датский ученый Эрстед установил, что как только в проводнике возникает ток, вокруг проводника образуются магнитные силы, появляется магнитное поле. В этом легко убедиться: поднесите к проводу с током магнитную стрелку; она тотчас займет положение, перпендикулярное проводнику, — вдоль магнитных силовых линий.
Но никто тогда не знал и не мог доказать, что магнитное поле может рождать ток; иными словами, наука ничего не знала о единстве электрических и магнитных явлений.
Если бы не искорка, проскакивающая в рубильнике, то и Фарадей вряд ли смог бы доказать это.
Дело в том, что в то время ученые имели в своем распоряжении только постоянный ток. Источники переменного тока изобретены еще не были, а для того чтобы во вторичной обмотке возникал ток, в первичной должен быть ток не постоянный по величине, а переменный.
Искорка в рубильнике помогла выйти из затруднения.
При замыкании рубильника ток в цепи первичной обмотки достигал максимума в течение какого-то небольшого отрезка времени. Магнитные силовые линии появлялись вокруг витков первичной обмотки тоже постепенно.
Они расходились в стороны подобно тому, как расходятся круги на воде, когда в нее бросают камень. Пересекая витки вторичной обмотки, эти магнитные силовые линии заставляли свободные электроны двигаться в одну сторону, иными словами, во вторичной цепи возникал ток. Когда же ток в первичной обмотке достигал предела, становясь обычным постоянным током, магнитное поле «замирало», движения магнитных силовых линий не было, и ток во вторичной цепи прекращался.
При размыкании рубильника эффект был тот же, только теперь ток возникал от пересечения «сжимающимися» магнитными линиями.
Если бы Фарадей вместо рубильника поставил, скажем, реостат и, выводя его — уменьшая сопротивление, получал бы в первичной обмотке тот же самый ток, явления электромагнитной индукции он бы не заметил. Маленькая искорка в рубильнике «включала» ток быстро, толчком, и это позволило на миг создавать меняющееся магнитное поле — необходимое условие для проявления электромагнитной индукции.
Так небольшой кусочек плазмы — искра в рубильнике — позволил сделать Майклу Фарадею открытие мирового значения.
Фарадей немало сделал для изучения самих электрических разрядов в газе. Много времени и сил уделил он изучению искрового разряда. Он обнаружил, например, что первая искра проскакивает между электродами при более высоком напряжении, чем вторая, третья, четвертая…
Во времена Фарадея трудно было объяснить этот факт. Сейчас сделать это легко: первая искра сильно ионизирует газ в разрядном промежутке. После нее заряды еще продолжают «жить» нередко в течение нескольких минут; они-то и облегчают следующий искровой пробой.
Чутье Фарадея-ученого подсказывало ему, что электрическим разрядам в газах принадлежит замечательное будущее. Он так и писал: «…Результаты, связанные с различными явлениями положительного и отрицательного разряда, повлияют на теорию электричества сильнее, чем мы теперь думаем…»
А теперь вернемся с английских островов снова на континент.
Мы в лаборатории немецкого физика Генриха Герца. 1888 год. Герц, не зная усталости, настойчиво изучает электромагнитные явления. Ученый поставил перед собой трудную задачу: на опыте подтвердить положения «Трактата об электричестве и магнетизме», изданного пятнадцатью годами раньше английским физиком Максвеллом.
Джемс Максвелл был необыкновенным ученым. Он не работал в лаборатории, не строил «громовых машин», гальванических батарей, не придумывал опытов, чтобы выманить у природы новые тайны.
Максвелл был ученым-теоретиком. Бумага и перо и, конечно, необыкновенная одаренность и знания — вот его оружие.
Едва Джемсу исполнилось пятнадцать лет, он уже выполнил первую научную работу, «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами» — так называлась эта работа. В восемнадцать лет Максвелл был уже вполне сложившимся ученым. Его блестящие выводы, облеченные в безукоризненно четкую математическую форму, поражали всех. Он доказывает, разумеется, по-прежнему с пером и бумагой, что кольца планеты Сатурн, наблюдаемые в телескопы, не сплошные твердые или жидкие массы, а рой метеоритов-спутников.
Но больше всего прославили Максвелла его работы по электричеству. Опираясь на фундамент опытов Фарадея, Томсона и других ученых, он доказал, что любой проводник с переменным током обязательно должен излучать в пространство электромагнитные волны. Эти волны, говорил Максвелл, распространяются с колоссальной скоростью в триста тысяч километров в секунду и представляют собой совокупность электрических и магнитных сил, точнее полей, взаимозависимых и взаимообусловленных. Ученый смело заявлял, что свет также имеет электромагнитную природу.
Если для света есть прозрачные и непрозрачные тела, говорил Максвелл, то и электромагнитные волны через одни тела — дерево, кирпич, фарфор — проходят беспрепятственно, а другими телами, например металлами, отражаются и поглощаются. Максвелл утверждал, что электромагнитные волны обладают энергией.
Свои смелые выводы ученый преподнес в виде стройной системы математических уравнений. Сейчас ими пользуется почти всякий физик; современники же Максвелла встретили его теорию с большим недоверием.
Но Генрих Герц верит Максвеллу и ставит перед собой задачу доказать теорию Максвелла на практике.
После долгих и настойчивых поисков был создан знаменитый вибратор Герца — генератор, излучающий в пространство радиоволны.
По своему устройству прибор этот несложен. Два металлических шара соединены проволокой. В середине проволока разорвана, и в месте разрыва на концы отрезков проволоки насажены два, тоже металлических, шарика. К шарикам через выключатель присоединена электрическая батарея высокого напряжения.