Если твердое вещество сильно нагреть, оно превратится в жидкость.
Если поднять температуру еще выше - жидкость испарится и превратится в
газ.
Но что произойдет, если продолжать увеличивать температуру? Атомы
вещества начнут терять свои электроны, превращаясь в положительные ионы.
Вместо газа образуется газообразная смесь, состоящая из свободно
движущихся электронов, ионов и нейтральных атомов. Она называется
плазмой.
В наше время плазма находит широкое применение в самых разных областях
науки и техники: для термической обработки металлов, нанесения на них
различных покрытий, плавки и других металлургических операций. В
последнее время плазму стали широко использовать химики. Они выяснили,
что в струе плазмы сильно увеличивается скорость и эффективность многих
химических реакций. Например, вводя в струю водородной плазмы метан,
можно превратить его в очень ценный ацетилен. Или разложить пары нефти
на ряд органических соединений - этилен, пропилен и другие, которые
служат в дальнейшем важным сырьем для получения различных полимерных
материалов.
Как создать плазму? Для этой цели и служит плазматрон, или плазменный
генератор.
Если поместить в сосуд с газом металлические электроды и приложить к
ним высокое напряжение, произойдет электрический разряд. В газе всегда
имеются свободные электроны (см. Электрический ток). Под действием
электрического поля они разгоняются и, сталкиваясь с нейтральными
атомами газа, выбивают из них электроны и образуют электрически
заряженные частицы - ионы, т. е. ионизируют атомы. Освободившиеся
электроны тоже ускоряются электрическим полем и ионизируют новые атомы,
еще увеличивая количество свободных электронов и ионов. Процесс
развивается лавинообразно, атомы вещества очень быстро ионизируются, и
вещество превращается в плазму.
Этот процесс происходит в дуговом плазматроне. Высокое напряжение
создается в нем между катодом и анодом, в качестве которого может
служить, например, металл, подвергаемый обработке с помощью плазмы. В
пространство разрядной камеры подается плазмообразующее вещество, чаще
всего газ - воздух, азот, аргон, водород, метан, кислород и т. д. Под
действием высокого напряжения в газе возникает разряд, и между катодом и
анодом образуется плазменная дуга. Чтобы избежать перегрева стенок
разрядной камеры, их охлаждают водой. Устройства такого типа называют
плазматронами с внешней плазменной дугой. Применяются они для резки,
сварки, расплавления металлов и др.
Несколько иначе устроен плазматрон для создания плазменной струи (см.
рис.). Плазмообразующий газ с большой скоростью продувается через
систему спиральных каналов и "поджигается" в пространстве между катодом
и стенками разрядной камеры, которые являются анодом. Плазма,
закрученная благодаря спиральным каналам в плотную струю, выбрасывается
из сопла, причем ее скорость может достигать от 1 до 10 000 м/с.
"Отжать" плазму от стенок камеры и сделать ее струю более плотной
помогает магнитное поле, которое создается соленоидом, или катушкой
индуктивности. Температура струи плазмы на выходе из сопла - от 3000 до
25 000 К.
Вглядитесь еще раз в этот рисунок. Не напоминает ли он вам что-то очень
хорошо известное?
Конечно, это реактивный двигатель. Тягу в реактивном двигателе создает
струя горячих газов, выбрасываемых с большой скоростью из сопла. Чем
больше скорость, тем больше тяга. А чем хуже плазма? Скорость у струи
вполне подходящая - до 10 км/с. А с помощью специальных электрических
полей плазму можно ускорить еще больше - до 100 км/с. Это примерно в 100
раз больше скорости газов в существующих реактивных двигателях. Значит,
и тяга у плазменных или электрореактивных двигателей может быть больше,
расход топлива можно будет намного уменьшить. Первые образцы плазменных
двигателей уже испытаны в космосе.
