Элек­три­че­ская дуга  — это один из видов га­зо­во­го раз­ря­да. По­лу­чить ее можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом. В шта­ти­ве за­креп­ля­ют два уголь­ных стерж­ня за­ост­рен­ны­ми кон­ца­ми друг к другу и при­со­еди­ня­ют к ис­точ­ни­ку тока. Когда угли при­во­дят в со­при­кос­но­ве­ние, а затем слег­ка раз­дви­га­ют, между кон­ца­ми углей об­ра­зу­ет­ся яркое пламя, а сами угли рас­ка­ля­ют­ся до­бе­ла. Дуга горит устой­чи­во, если через нее про­хо­дит по­сто­ян­ный элек­три­че­ский ток. В этом слу­чае один элек­трод яв­ля­ет­ся все время по­ло­жи­тель­ным (анод), а дру­гой  — от­ри­ца­тель­ным (катод). Между элек­тро­да­ми на­хо­дит­ся столб рас­ка­лен­но­го газа, хо­ро­шо про­во­дя­ще­го элек­три­че­ство. По­ло­жи­тель­ный уголь, имея более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, сго­ра­ет быст­рее, и в нем об­ра­зу­ет­ся углуб­ле­ние  — по­ло­жи­тель­ный кра­тер. Тем­пе­ра­ту­ра кра­те­ра в воз­ду­хе при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии до­хо­дит до 4000 °C.

Дуга может го­реть и между ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми. При этом элек­тро­ды пла­вят­ся и быст­ро ис­па­ря­ют­ся, на что рас­хо­ду­ет­ся боль­шая энер­гия. По­это­му тем­пе­ра­ту­ра кра­те­ра ме­тал­ли­че­ско­го элек­тро­да обыч­но ниже, чем уголь­но­го (2000−2500 °C). При го­ре­нии дуги в газе при вы­со­ком дав­ле­нии (около 2·10⁶ Па) тем­пе­ра­ту­ру кра­те­ра уда­лось до­ве­сти до 5900 °C, т. е. до тем­пе­ра­ту­ры по­верх­но­сти Солн­ца. Столб газов или паров, через ко­то­рые идет раз­ряд, имеет еще более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру  — до 6000−7000 °C. По­это­му в стол­бе дуги пла­вят­ся и об­ра­ща­ют­ся в пар почти все из­вест­ные ве­ще­ства.

Для под­дер­жа­ния ду­го­во­го раз­ря­да нужно не­боль­шое на­пря­же­ние, дуга горит при на­пря­же­нии на ее элек­тро­дах 40 В. Сила тока в дуге до­воль­но зна­чи­тель­на, а со­про­тив­ле­ние не­ве­ли­ко; сле­до­ва­тель­но, све­тя­щий­ся га­зо­вый столб хо­ро­шо про­во­дит элек­три­че­ский ток. Иони­за­цию мо­ле­кул газа в про­стран­стве между элек­тро­да­ми вы­зы­ва­ют сво­и­ми уда­ра­ми элек­тро­ны, ис­пус­ка­е­мые ка­то­дом дуги. Боль­шое ко­ли­че­ство ис­пус­ка­е­мых элек­тро­нов обес­пе­чи­ва­ет­ся тем, что катод на­грет до очень вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры. Когда для за­жи­га­ния дуги вна­ча­ле угли при­во­дят в со­при­кос­но­ве­ние, то в месте кон­так­та, об­ла­да­ю­щем очень боль­шим со­про­тив­ле­ни­ем, вы­де­ля­ет­ся огром­ное ко­ли­че­ство теп­ло­ты. По­это­му концы углей силь­но разо­гре­ва­ют­ся, и этого до­ста­точ­но для того, чтобы при их раз­дви­же­нии между ними вспых­ну­ла дуга. В даль­ней­шем катод дуги под­дер­жи­ва­ет­ся в на­ка­лен­ном со­сто­я­нии самим током, про­хо­дя­щим через дугу.

Масс-спек­тро­граф  — это при­бор для раз­де­ле­ния ионов по ве­ли­чи­не от­но­ше­ния их за­ря­да к массе. В самой про­стой мо­ди­фи­ка­ции схема при­бо­ра пред­став­ле­на на ри­сун­ке.

Ис­сле­ду­е­мый об­ра­зец спе­ци­аль­ны­ми ме­то­да­ми (ис­па­ре­ни­ем, элек­трон­ным уда­ром) пе­ре­во­дит­ся в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, затем об­ра­зо­вав­ший­ся газ иони­зи­ру­ет­ся в ис­точ­ни­ке 1. Затем ионы уско­ря­ют­ся элек­три­че­ским полем и фор­ми­ру­ют­ся в узкий пучок в уско­ря­ю­щем устрой­стве 2, после чего через узкую вход­ную щель по­па­да­ют в ка­ме­ру 3, в ко­то­рой со­зда­но од­но­род­ное маг­нит­ное поле. Маг­нит­ное поле из­ме­ня­ет тра­ек­то­рию дви­же­ния ча­стиц. Под дей­стви­ем силы Ло­рен­ца ионы на­чи­на­ют дви­гать­ся по дуге окруж­но­сти и по­па­да­ют на экран 4, где ре­ги­стри­ру­ет­ся место их по­па­да­ния. Ме­то­ды ре­ги­стра­ции могут быть раз­лич­ны­ми: фо­то­гра­фи­че­ские, элек­трон­ные и т. д. Ра­ди­ус тра­ек­то­рии опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

где U  — элек­три­че­ское на­пря­же­ние уско­ря­ю­ще­го элек­три­че­ско­го поля; B  — ин­дук­ция маг­нит­но­го поля; m и q  — со­от­вет­ствен­но масса и заряд ча­сти­цы.

Так как ра­ди­ус тра­ек­то­рии за­ви­сит от массы и за­ря­да иона, то раз­ные ионы по­па­да­ют на экран на раз­лич­ном рас­сто­я­нии от ис­точ­ни­ка, что и поз­во­ля­ет их раз­де­лять и ана­ли­зи­ро­вать со­став об­раз­ца.

В на­сто­я­щее время раз­ра­бо­та­ны мно­го­чис­лен­ные типы масс-спек­тро­мет­ров, прин­ци­пы ра­бо­ты ко­то­рых от­ли­ча­ют­ся от рас­смот­рен­но­го выше. Из­го­тав­ли­ва­ют­ся, на­при­мер, ди­на­ми­че­ские масс-спек­тро­мет­ры, в ко­то­рых массы ис­сле­ду­е­мых ионов опре­де­ля­ют­ся по вре­ме­ни про­ле­та от ис­точ­ни­ка до ре­ги­стри­ру­ю­ще­го устрой­ства.

По­ляр­ное си­я­ние  — одно из самых кра­си­вых яв­ле­ний в при­ро­де. Формы по­ляр­но­го си­я­ния очень раз­но­об­раз­ны: то это свое­об­раз­ные свет­лые стол­бы, то изу­мруд­но-зе­ле­ные с крас­ной ба­хро­мой пы­ла­ю­щие длин­ные ленты, рас­хо­дя­щи­е­ся мно­го­чис­лен­ные лучи-стре­лы, а то и про­сто бес­фор­мен­ные свет­лые, ино­гда цвет­ные пятна на небе.

При­чуд­ли­вый свет на небе свер­ка­ет, как пламя, охва­ты­вая порой боль­ше чем пол­не­ба. Эта фан­та­сти­че­ская игра при­род­ных сил длит­ся не­сколь­ко часов, то уга­сая, то раз­го­ра­ясь.

По­ляр­ные си­я­ния чаще всего на­блю­да­ют­ся в при­по­ляр­ных ре­ги­о­нах, от­ку­да и про­ис­хо­дит это на­зва­ние. По­ляр­ные си­я­ния могут быть видны не толь­ко на да­ле­ком Се­ве­ре, но и южнее. На­при­мер, в 1938 году по­ляр­ное си­я­ние на­блю­да­лось на южном бе­ре­гу Крыма, что объ­яс­ня­ет­ся уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти воз­бу­ди­те­ля све­че­ния  — сол­неч­но­го ветра.

На­ча­ло изу­че­нию по­ляр­ных си­я­ний по­ло­жил ве­ли­кий рус­ский уче­ный М. В. Ло­мо­но­сов, вы­ска­зав­ший ги­по­те­зу о том, что при­чи­ной этого яв­ле­ния слу­жат элек­три­че­ские раз­ря­ды в раз­ре­жен­ном воз­ду­хе.

Опыты под­твер­ди­ли на­уч­ное пред­по­ло­же­ние уче­но­го.

По­ляр­ные си­я­ния  — это элек­три­че­ское све­че­ние верх­них очень раз­ре­жен­ных слоев ат­мо­сфе­ры на вы­со­те (обыч­но) от 80 до 1000 км. Све­че­ние это про­ис­хо­дит под вли­я­ни­ем быст­ро дви­жу­щих­ся элек­три­че­ски за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов и про­то­нов), при­хо­дя­щих от Солн­ца. Вза­и­мо­дей­ствие сол­неч­но­го ветра с маг­нит­ным полем Земли при­во­дит к по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц в зонах, окру­жа­ю­щих гео­маг­нит­ные по­лю­са Земли. Имен­но в этих зонах и на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний.

Столк­но­ве­ния быст­рых элек­тро­нов и про­то­нов с ато­ма­ми кис­ло­ро­да и азота при­во­дят атомы в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. Вы­де­ляя из­бы­ток энер­гии, атомы кис­ло­ро­да дают яркое из­лу­че­ние в зе­ле­ной и крас­ной об­ла­стях спек­тра, мо­ле­ку­лы азота  — в фи­о­ле­то­вой. Со­че­та­ние всех этих из­лу­че­ний и при­да­ет по­ляр­ным си­я­ни­ям кра­си­вую, часто ме­ня­ю­щу­ю­ся окрас­ку. Такие про­цес­сы могут про­ис­хо­дить толь­ко в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры, по­то­му что, во-пер­вых, в ниж­них плот­ных слоях столк­но­ве­ния ато­мов и мо­ле­кул воз­ду­ха друг с дру­гом сразу от­ни­ма­ют у них энер­гию, по­лу­ча­е­мую от сол­неч­ных ча­стиц, а во-вто­рых, сами кос­ми­че­ские ча­сти­цы не могут про­ник­нуть глу­бо­ко в зем­ную ат­мо­сфе­ру.

По­ляр­ные си­я­ния про­ис­хо­дят чаще и бы­ва­ют ярче в годы мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти, а также в дни по­яв­ле­ния на Солн­це мощ­ных вспы­шек и дру­гих форм уси­ле­ния сол­неч­ной ак­тив­но­сти, так как с ее по­вы­ше­ни­ем уси­ли­ва­ет­ся ин­тен­сив­ность сол­неч­но­го ветра, ко­то­рый яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния по­ляр­ных си­я­ний.

Кра­си­вое и не­без­опас­ное яв­ле­ние при­ро­ды — мол­ния — пред­став­ля­ет собой ис­кро­вой раз­ряд в ат­мо­сфе­ре.

Уже в се­ре­ди­не XVIII в. ис­сле­до­ва­те­ли об­ра­ти­ли вни­ма­ние на внеш­нее сход­ство мол­нии с элек­три­че­ской ис­крой. Вы­ска­зы­ва­лось пред­по­ло­же­ние, что гро­зо­вые об­ла­ка несут в себе боль­шие элек­три­че­ские за­ря­ды и мол­ния есть ги­гант­ская искра, ничем, кроме раз­ме­ров, не от­ли­ча­ю­ща­я­ся от искры между ша­ра­ми элек­тро­фор­ной ма­ши­ны. На это ука­зы­вал М. В. Ло­мо­но­сов, за­ни­мав­ший­ся изу­че­ни­ем ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства.

Ло­мо­но­сов по­стро­ил «гро­мо­вую ма­ши­ну» — кон­ден­са­тор, на­хо­див­ший­ся в его ла­бо­ра­то­рии и за­ря­жав­ший­ся ат­мо­сфер­ным элек­три­че­ством по­сред­ством про­во­да, конец ко­то­ро­го был вы­ве­ден из по­ме­ще­ния и под­нят на вы­со­ком шесте. Во время грозы из кон­ден­са­то­ра можно было из­вле­кать искры. Таким об­ра­зом, было по­ка­за­но, что гро­зо­вые об­ла­ка дей­стви­тель­но несут на себе огром­ный элек­три­че­ский заряд.

Раз­ные части гро­зо­во­го об­ла­ка несут за­ря­ды раз­ных зна­ков. Чаще всего ниж­няя часть об­ла­ка (об­ра­щен­ная к Земле) бы­ва­ет за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но, а верх­няя — по­ло­жи­тель­но. По­это­му если два об­ла­ка сбли­жа­ют­ся раз­но­имен­но за­ря­жен­ны­ми ча­стя­ми, то между ними про­ска­ки­ва­ет мол­ния.

Од­на­ко гро­зо­вой раз­ряд может про­изой­ти и иначе. Про­хо­дя над Зем­лей, гро­зо­вое об­ла­ко со­зда­ет на ее по­верх­но­сти боль­шой ин­ду­ци­ро­ван­ный заряд, и по­это­му об­ла­ко и по­верх­ность Земли об­ра­зу­ют две об­клад­ки боль­шо­го кон­ден­са­то­ра. На­пря­же­ние между об­ла­ком и Зем­лей до­сти­га­ет не­сколь­ких мил­ли­о­нов вольт, и в воз­ду­хе воз­ни­ка­ет силь­ное элек­три­че­ское поле. В ре­зуль­та­те может про­изой­ти про­бой, т. е. мол­ния, ко­то­рая уда­рит в землю. При этом мол­ния ино­гда по­ра­жа­ет людей, дома, де­ре­вья.

Гром, воз­ни­ка­ю­щий после мол­нии, имеет такое же про­ис­хож­де­ние, что и треск при про­ска­ки­ва­нии искры. Он по­яв­ля­ет­ся из-за того, что воз­дух внут­ри ка­на­ла мол­нии силь­но разо­гре­ва­ет­ся и рас­ши­ря­ет­ся, от­че­го и воз­ни­ка­ют зву­ко­вые волны. Эти волны, от­ра­жа­ясь от об­ла­ков, гор и дру­гих объ­ек­тов, со­зда­ют дли­тель­ное мно­го­крат­ное эхо, по­это­му и слыш­ны гро­мо­вые рас­ка­ты.

В пе­ри­од ак­тив­но­сти на Солн­це на­блю­да­ют­ся вспыш­ки. Вспыш­ка пред­став­ля­ет собой нечто по­доб­ное взры­ву, в ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся на­прав­лен­ный поток очень быст­рых за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов, про­то­нов и др.). По­то­ки за­ря­жен­ных ча­стиц, не­су­щих­ся с огром­ной ско­ро­стью, из­ме­ня­ют маг­нит­ное поле Земли, то есть при­во­дят к по­яв­ле­нию маг­нит­ных бурь на нашей пла­не­те.

За­хва­чен­ные маг­нит­ным полем Земли за­ря­жен­ные ча­сти­цы дви­жут­ся вдоль маг­нит­ных си­ло­вых линий и наи­бо­лее близ­ко к по­верх­но­сти Земли про­ни­ка­ют в об­ла­сти маг­нит­ных по­лю­сов Земли. В ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний за­ря­жен­ных ча­стиц с мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха воз­ни­ка­ет элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние  — по­ляр­ное си­я­ние.

Цвет по­ляр­но­го си­я­ния опре­де­ля­ет­ся хи­ми­че­ским со­ста­вом ат­мо­сфе­ры. На вы­со­тах от 300 до 500 км, где воз­дух раз­ре­жен, пре­об­ла­да­ет кис­ло­род. Цвет си­я­ния здесь может быть зе­ле­ным или крас­но­ва­тым. Ниже уже пре­об­ла­да­ет азот, да­ю­щий си­я­ния ярко-крас­но­го и фи­о­ле­то­во­го цве­тов.

Наи­бо­лее убе­ди­тель­ным до­во­дом в поль­зу того, что мы пра­виль­но по­ни­ма­ем при­ро­ду по­ляр­но­го си­я­ния, яв­ля­ет­ся его по­вто­ре­ние в ла­бо­ра­то­рии. Такой экс­пе­ри­мент, по­лу­чив­ший на­зва­ние «Араке», был про­ве­ден в 1985 году сов­мест­но рос­сий­ски­ми и фран­цуз­ски­ми ис­сле­до­ва­те­ля­ми.

В ка­че­стве ла­бо­ра­то­рий были вы­бра­ны две точки на по­верх­но­сти Земли, ле­жа­щие вдоль одной и той же си­ло­вой линии маг­нит­но­го поля. Этими точ­ка­ми слу­жи­ли в Южном по­лу­ша­рии фран­цуз­ский ост­ров Кер­ге­лен в Ин­дий­ском оке­а­не и в Се­вер­ном по­лу­ша­рии по­се­лок Согра в Ар­хан­гель­ской об­ла­сти. С ост­ро­ва Кер­ге­лен стар­то­ва­ла гео­фи­зи­че­ская ра­ке­та с не­боль­шим уско­ри­те­лем ча­стиц, ко­то­рый на опре­де­лен­ной вы­со­те со­здал поток элек­тро­нов. Дви­га­ясь вдоль маг­нит­ной си­ло­вой линии, эти элек­тро­ны про­ник­ли в Се­вер­ное по­лу­ша­рие и вы­зва­ли ис­кус­ствен­ное по­ляр­ное си­я­ние над Со­грой.