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.

Все на­гре­тые тела из­лу­ча­ют элек­тро­маг­нит­ные волны. Чтобы экс­пе­ри­мен­таль­но ис­сле­до­вать за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния от длины волны, не­об­хо­ди­мо:

1)  раз­ло­жить из­лу­че­ние в спектр;

2)  из­ме­рить рас­пре­де­ле­ние энер­гии в спек­тре.

Для по­лу­че­ния и ис­сле­до­ва­ния спек­тров слу­жат спек­траль­ные ап­па­ра­ты -спек­тро­гра­фы. Схема приз­мен­но­го спек­тро­гра­фа пред­став­ле­на на ри­сун­ке. Ис­сле­ду­е­мое из­лу­че­ние по­сту­па­ет сна­ча­ла в трубу, на одном конце ко­то­рой име­ет­ся ширма с узкой щелью, а на дру­гом - со­би­ра­ю­щая линза L₁. Щель на­хо­дит­ся в фо­ку­се линзы. По­это­му рас­хо­дя­щий­ся све­то­вой пучок, по­па­да­ю­щий на линзу из щели, вы­хо­дит из нее па­рал­лель­ным пуч­ком и па­да­ет на приз­му Р.

Так как раз­ным ча­сто­там со­от­вет­ству­ют раз­лич­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния, то из приз­мы вы­хо­дят па­рал­лель­ные пучки раз­но­го цвета, не сов­па­да­ю­щие по на­прав­ле­нию. Они па­да­ют на линзу L₂. На фо­кус­ном рас­сто­я­нии от этой линзы рас­по­ла­га­ет­ся экран, ма­то­вое стек­ло или фо­то­пла­стин­ка. Линза L₂ фо­ку­си­ру­ет па­рал­лель­ные пучки лучей на экра­не, и вме­сто од­но­го изоб­ра­же­ния щели по­лу­ча­ет­ся целый ряд изоб­ра­же­ний. Каж­дой ча­сто­те (точ­нее, уз­ко­му спек­траль­но­му ин­тер­ва­лу) со­от­вет­ству­ет свое изоб­ра­же­ние в виде цвет­ной по­лос­ки. Все эти изоб­ра­же­ния вме­сте и об­ра­зу­ют спектр. Энер­гия из­лу­че­ния вы­зы­ва­ет на­гре­ва­ние тела, по­это­му до­ста­точ­но из­ме­рить тем­пе­ра­ту­ру тела и по ней су­дить о ко­ли­че­стве по­гло­щен­ной в еди­ни­цу вре­ме­ни энер­гии. В ка­че­стве чув­стви­тель­но­го эле­мен­та можно взять тон­кую ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну, по­кры­тую тон­ким слоем сажи, и по на­гре­ва­нию пла­сти­ны су­дить об энер­гии из­лу­че­ния в дан­ной части спек­тра.

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.

Возь­мем в руки кусок са­ха­ра и кос­нем­ся им по­верх­но­сти ки­пят­ка. Ки­пя­ток втя­нет­ся в сахар и дой­дет до наших паль­цев. Од­на­ко мы не по­чув­ству­ем ожога, как по­чув­ство­ва­ли бы, если бы вме­сто са­ха­ра был кусок ваты. Это на­блю­де­ние по­ка­зы­ва­ет, что рас­тво­ре­ние са­ха­ра со­про­вож­да­ет­ся охла­жде­ни­ем рас­тво­ра. Если бы мы хо­те­ли со­хра­нить тем­пе­ра­ту­ру рас­тво­ра не­из­мен­ной, то долж­ны были бы под­во­дить к рас­тво­ру энер­гию. От­сю­да сле­ду­ет, что при рас­тво­ре­нии са­ха­ра внут­рен­няя энер­гия си­сте­мы сахар-вода уве­ли­чи­ва­ет­ся.

То же самое про­ис­хо­дит при рас­тво­ре­нии боль­шин­ства дру­гих кри­стал­ли­че­ских ве­ществ. Во всех по­доб­ных слу­ча­ях внут­рен­няя энер­гия рас­тво­ра боль­ше, чем внут­рен­няя энер­гия взя­тых в от­дель­но­сти кри­стал­ла и рас­тво­ри­те­ля при той же тем­пе­ра­ту­ре.

В при­ме­ре с са­ха­ром не­об­хо­ди­мое для его рас­тво­ре­ния ко­ли­че­ство теп­ло­ты от­да­ет ки­пя­ток, охла­жде­ние ко­то­ро­го за­мет­но даже по не­по­сред­ствен­но­му ощу­ще­нию.

Если рас­тво­ре­ние про­ис­хо­дит в воде при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, то тем­пе­ра­ту­ра по­лу­чив­шей­ся смеси в не­ко­то­рых слу­ча­ях может ока­зать­ся даже ниже 0 °C, хотя смесь и оста­ет­ся жид­кой, по­сколь­ку тем­пе­ра­ту­ра за­сты­ва­ния рас­тво­ра может быть зна­чи­тель­но ниже нуля. Этот эф­фект ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния силь­но охла­жден­ных сме­сей из снега и раз­лич­ных солей.

Снег, на­чи­ная таять при 0 °C, пре­вра­ща­ет­ся в воду, в ко­то­рой рас­тво­ря­ет­ся соль; не­смот­ря на по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, со­про­вож­да­ю­щее рас­тво­ре­ние, по­лу­чив­ша­я­ся смесь не за­твер­де­ва­ет. Снег, сме­шан­ный с этим рас­тво­ром, про­дол­жа­ет таять, за­би­рая энер­гию от рас­тво­ра и, со­от­вет­ствен­но, охла­ждая его. Про­цесс может про­дол­жать­ся до тех пор, пока не будет до­стиг­ну­та тем­пе­ра­ту­ра за­мер­за­ния по­лу­чен­но­го рас­тво­ра. Смесь снега и по­ва­рен­ной соли в от­но­ше­нии 2 : 1 поз­во­ля­ет, таким об­ра­зом, по­лу­чить охла­жде­ние до −21 °C; смесь снега с хло­ри­стым каль­ци­ем (СаСl₂) в от­но­ше­нии 7 : 10 — до −50 °C.

Гало  — оп­ти­че­ское яв­ле­ние, за­клю­ча­ю­ще­е­ся в об­ра­зо­ва­нии све­тя­ще­го­ся коль­ца во­круг ис­точ­ни­ка света. Тер­мин про­изо­шел от фр. halo и греч. halos -«све­то­вое коль­цо».

Гало обыч­но воз­ни­ка­ют во­круг Солн­ца или Луны, ино­гда  — во­круг дру­гих мощ­ных ис­точ­ни­ков света, таких как улич­ные огни. Они вы­зва­ны пре­иму­ще­ствен­но от­ра­же­ни­ем и пре­лом­ле­ни­ем света ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми в пе­ри­стых об­ла­ках и ту­ма­нах. Для воз­ник­но­ве­ния не­ко­то­рых гало не­об­хо­ди­мо, чтобы ле­дя­ные кри­стал­лы, име­ю­щие форму ше­сти­гран­ных призм, были ори­ен­ти­ро­ва­ны по от­но­ше­нию к вер­ти­ка­ли оди­на­ко­вым или хотя бы пре­иму­ще­ствен­ным об­ра­зом.

От­ра­жен­ный и пре­лом­лен­ный ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми свет не­ред­ко раз­ла­га­ет­ся в спектр, что де­ла­ет гало по­хо­жим на ра­ду­гу, од­на­ко гало в усло­ви­ях низ­кой осве­щен­но­сти имеет малую цвет­ность. Окра­шен­ные гало об­ра­зу­ют­ся при пре­лом­ле­нии света в ше­сти­гран­ных кри­стал­лах ле­дя­ных об­ла­ков; не­окра­шен­ные (бес­цвет­ные) формы  — при его от­ра­же­нии от гра­ней кри­стал­лов. Ино­гда в мо­роз­ную по­го­ду гало об­ра­зу­ет­ся очень близ­ко к зем­ной по­верх­но­сти. В этом слу­чае кри­стал­лы на­по­ми­на­ют си­я­ю­щие дра­го­цен­ные камни.

Вид на­блю­да­е­мо­го гало за­ви­сит от формы и рас­по­ло­же­ния кри­стал­лов. Наи­бо­лее обыч­ные формы гало: ра­дуж­ные круги во­круг диска Солн­ца или Луны; пар­ге­лии, или «лож­ные Солн­ца», - слег­ка окра­шен­ные свет­лые пятна на одном уров­не с Солн­цем спра­ва и слева от него; пар­ге­ли­че­ский круг  — белый го­ри­зон­таль­ный круг, про­хо­дя­щий через диск све­ти­ла; столб  — часть бе­ло­го вер­ти­каль­но­го круга, про­хо­дя­ще­го через диск све­ти­ла; он в со­че­та­нии с пар­ге­ли­че­ским кру­гом об­ра­зу­ет белый крест.

Гало сле­ду­ет от­ли­чать от вен­цов, ко­то­рые внеш­не схожи с ним, но имеют дру­гое про­ис­хож­де­ние. Венцы воз­ни­ка­ют в тон­ких во­дя­ных об­ла­ках, со­сто­я­щих из мел­ких од­но­род­ных ка­пель (обыч­но это вы­со­ко­ку­че­вые об­ла­ка) и за­кры­ва­ю­щих диск све­ти­ла, за счет ди­фрак­ции. Они могут по­явить­ся также в ту­ма­не около ис­кус­ствен­ных ис­точ­ни­ков света. Ос­нов­ная, а часто един­ствен­ная часть венца  — свет­лый круг не­боль­шо­го ра­ди­у­са, окру­жа­ю­щий вплот­ную диск све­ти­ла (или ис­кус­ствен­ный ис­точ­ник света). Круг в ос­нов­ном имеет го­лу­бо­ва­тый цвет и лишь по внеш­не­му краю  — крас­но­ва­тый. Его на­зы­ва­ют также орео­лом. Он может быть окру­жен одним или не­сколь­ки­ми до­пол­ни­тель­ны­ми коль­ца­ми такой же, но более свет­лой окрас­ки, не при­мы­ка­ю­щи­ми вплот­ную к кругу и друг к другу.