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.