Электричество в живой природе. Презентация Этапы работы над проектом

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Электрические процессы в живых организмах

Боголюбова Александра Евгеньевна, студентка 1 курса

Руководитель : Мокрова Ирина Иннокентьевна, преподаватель физики

Образовательная организация: ГБПОУ Московский технологический колледж

2015г

г.Москва

Содержание

Введение.

2.Электрические токи в живых организмах

2.1. Электрические рыбы

2.1.1.Электрический угорь

2.1.2.Электрический сом

2.1.3.Электрический скат

2.3.1.Общая характеристика действия тока на тело человека

2.3.5. Действие зарядов лейденской банки на человека

2.3.6. Изобретение дефибриллятора постоянного тока

2.3.7. Электролечение

2.3.8.Метод Фолля

Заключение

Введение

С давних времен человек пытался понять явления в природе. Много гениальных гипотез, объясняющих происходящее вокруг человека, появилось в разное время и в разных странах. Мысли греческих и римских ученых и философов, живших еще до нашей эры: Архимеда, Евклида, Лукреция, Аристотеля, Демокрита и других - и сейчас помогают развитию научных исследований.

Способность некоторых животных вырабатывать электричество известно давно. Но природа проявления электрических явлений в живых организмах стала объектом наблюдения двести лет назад. И до сих пор некоторые явления, происходящие в живых организмах, недостаточно изучены. В нашей работе мы попытались систематизировать случаи проявления электрических взаимодействий в животной и растительной среде, проследить историю создания лейденской банки и ее дальнейшее использование в медицине.

1. История открытия животного электричества

1.1. Открытие Луиджи Гальвани

Всем известно что электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным. С электрическими явлениями древние египтяне были знакомы еще четыре с половиной тысячи лет назад. Об этом свидетельствует надгробный памятник в Соккаре, на котором изображен электрический сом, живущий в верховьях Нила. Но лишь в итальянский профессор анатомии обнаружил, что электрические разряды заставляют подергиваться конечности мертвой лягушки. Это событие произошло отчасти случайно. Рассказывают, что синьоре Гальвани, жене болонского профессора анатомии, приходилось самой ходить в мясную лавку, где продавались и лягушачьи окорочка. История утверждает, что лягушачьи лапки, развешанные гроздьями на медных крючках, прикрепленных к железным перекладинам, поразили воображение синьоры Гальвани. К ее великому удивлению и ужасу, отрезанная лапка лягушки, касаясь железа, вздрагивала, точно живая. Утверждают, будто синьора так надоела мужу, рассказывая о напугавшем ее явлении, объясняя его близостью мясника с нечистой силой, что профессор решил провести наблюдения за лягушками у себя дома

В один из осенних вечеров 1789 г. итальянский естествоиспытатель и врач Луиджи Гальвани (1737-1798) делал опыты над мышцами лягушки. Особенно его интересовало действие на мускулы ног животного электрических разрядов, которые получали тогда от электрофорной машины. Препарированная лягушка (со снятой кожей) подвешивалась на медном крючке. Как только в мышцу конечности пропускали электрический разряд, мышца вздрагивала, сокращалась, лапка подпрыгивала.

Каково же было удивление ученого, когда он заметил, что сокращение мышц происходит и без воздействия электрических разрядов, а просто от соприкосновения с ножом, скальпелем или железной проволокой. Явление казалось загадочным.

После долгих поисков ему удалось доказать, что лапка лягушки сокращается и без всякого соприкосновения с металлом. Из тщательно поставленных опытов был сделан неоспоримый вывод, что в животных тканях образуется и собственное электричество. Классические опыты Гальвани сделали его отцом электрофизиологии. Гальвани, осуществив ряд экспериментов, пришел к выводу о существовании нового источника и нового вида электричества. Его привели к такому выводу опыты составления замкнутой цепи из проводящих тел и металлов (лучше всего по признанию самого учёного было использовать разные металлы, например железный ключ и серебряную монету) и лягушечного препарата.

После долгих научных изысканий Гальвани предположил, что мышца является своеобразной батареей лейденских банок, непрерывно возбуждаемой действием мозга, которое передается по нервам. Именно так и была рождена теория животного электричества, именно эта теория создала базу для возникновения электромедицины, и открытие Гальвани произвело сенсацию.

1.2.История изобретения первого источника постоянного тока

Вскоре этими вопросами заинтересовался другой итальянский ученый Алессандро Вольта (1745-1827).Вольта провёл ряд опытов и показал, что наблюдаемые явления связаны с наличием замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных металлов и жидкости. Вольта считал причины «гальванизма» физическими, а физиологические действия – одними из проявлений этого физического процесса. Проведя опыты с разными парами электродов, Вольта установил, что физиологическое раздражение нервов тем сильнее, чем дальше отстоят друг от друга два металла в следующем ряду: цинк, оловянная фольга, олово, свинец, железо, латунь и т.д. до серебра, ртути, графита. Этот знаменитый ряд напряжений (активностей) Вольта и составлял ядро эффекта; мышца лягушки была лишь пассивным, хотя и очень чувствительным электрометром, а активными звеньями являлись металлы, от контакта которых и происходила их взаимная электризация.

Проводя многочисленные сравнительно-физиологические опыты, Вольта наблюдал у животных большую электрическую возбудимость нервов по сравнению с мышцами, а также гладкой мускулатуры кишечника и желудка по сравнению со скелетной. Он обнаружил (1792-1795) электрическую раздражимость органов зрения и вкуса у человека. Эти работы имели большое значение в истории методов физиологического эксперимента.

В 1800 г. Вольта изобрёл так называемый Вольтов столб – первый источник постоянного тока, состоявший из 20 пар кружочков из двух различных металлов, разделённых смоченными солёной водой или раствором щёлочи прослойками ткани или бумаги. Изобретение вольтова столба доставило Вольта всемирную славу и оказало огромное влияние не только на развитие науки об электричестве, но и на всю историю человеческой цивилизации. Вольтов столб возвестил о наступлении новой эпохи – эпохи электричества. Позднее такие элемен¬ты стали называть гальваническими.

Вольта был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Именем Вольта названа единица электрического напряжения – вольт.

рис.1.Вольтов столб

Установив это, ученый изобрел первую электрическую батарею постоянного тока – Вольтов столб, который состоял из 20 пар медных и цинковых кружков, разделенных картонными прокладками, смоченными кислотой. Положительным электродом в этой батарее служил кружочек из меди, отрицательным – кружочек из цинка. Позднее такие элементы стали называть гальваническими.

Предоставим слово современнику той поры - выдающемуся французскому ученому Араго, написавшему биографию Вольты:

"В начале 1800 года вследствие теоретических соображений знаменитый профессор придумал составить длинный столб из кружков: медного, цинкового и мокрого суконного. Чего ожидать заранее от такого столба? Это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины".

Он поставил следующий эксперимент: четырех своих помощников он поставил на смолу, чтобы изолировать от земли. Первому из стоящих велел взять в мокрую правую руку цинковую пластинку, а левой коснуться языка своего соседа. Тот, в свою очередь, должен был мокрым пальцем коснуться глазного яблока следующего. Третий и четвертый держали в руках свежепрепарированную лягушку. И кроме того, у четвертого в свободной мокрой руке была зажата серебряная пластинка. Когда серебро касалось цинка, язык второго чувствовал кислый вкус, в глазу у третьего вспыхивало световое пятно, лапки лягушки между третьим и четвертым начинали дергаться. Превосходный результат! Разве не доказывает он, что никакого "животного электричества" не существует? Все дело в контакте различных металлов.

После статьи в "Физико-медицинском журнале" в 1794 г., где он утверждал, что надо говорить не о "животном" электричестве, а об электричестве "металлическом", оставалось дожидаться только одного: появления технического устройства из металлов, генерирующего электрический ток. Но идеи подобного устройства у Вольты в то время не было. Прошло пять лет, наполненных опытами, дискуссиями, размышлениями, сомнениями. Но вот в самом конце 1799 г. Вольта изготавливает источник электрического тока из двух разнородных металлов, разделенных влажным телом. Это был вольтов столб.

В Парижской академии наук организовали специальную комиссию по изучению гальванизма. В нее вошли самые известные ученые. Они соорудили по описаниям вольтов столб и повторили все эксперименты итальянского исследователя перед его приездом. Погрузив один из концов "электродвигательного прибора" в воду и присоединив к другому его концу металлическую проволоку, академики засовывали руку в чашку с водой и одновременно прикладывали второй электрод к языку, к веку, к кончику носа или на лоб. В момент замыкания цепи следовал такой удар, что некоторые чуть не лишались языка. Но... наука требует жертв. Ощущения были настолько неожиданными! При наложении проволоки на веко создавалось ощущение вспышки. А когда два электрода от противоположных полюсов батареи вставляли в уши, в голове раздавался шум... "Это было нечто вроде треска или лопанья, как если бы кипело какое-то масло или вязкое вещество", - писал сам Вольта. Он полагал, что в дальнейшем его прибор сможет послужить медикам для излечения болезней. Другого применения гальваническому электричеству он не представлял.

После опытов Гальвани ученые заинтересовались и “животным” электричеством, как его назвал Дюбуа Реймон (1818-1896). И. М. Сеченов (1829-1905), А. Ф. Самойлов, Б. Ф. Вериго и другие русские физиологи внесли значительный вклад в изучение этого интересного явления. В 1881 г. И. М. Сеченов в спинном и головном мозгу лягушки обнаружил так называемые спонтанные (сами собой возникающие) электрические колебания.

В 1882 г. Знаменитый русский физиолог Н. Е. Введенский впервые в мире с помощью телефона услышал биоэлектрические токи, возникающие в мышцах и нервах человека.

По мере того как совершенствовались электроизмерительные приборы, электрические токи (или биотоки) обнаруживались у все большего числа животных и растений. Из отдельных работ выросла специальная научная дисциплина – электрофизиология.

2..Электрические токи в живых организмах

2.1. Электрические рыбы

Люди узнали про электрических рыб довольно давно: ещё в Древнем Египте для лечения эпилепсии использовали электрического ската, анатомия электрического угря подсказала Алессандро Вольте идею его знаменитых батарей, а Майкл Фарадей первым рассчитал мощность “батарей” электрического угря: она равна 15 заряженным лейденским банкам с общей рабочей поверхностью элементов – 2250 квадратных метров.

Несмотря на то что во времена Фарадея техника регистрации токов была несовершенна, его опыты оказались безупречными.Электроды, которые Фарадей прикладывал к голове и хвосту рыб, были подключены к соленоиду со стальной иглой. В момент прохождения по соленоиду импульса тока игла намагничивалась, и по магнитным полюсам на концах иглы ученый определял полярность исследуемых участков тела рыб.

Рыбы используют разряды:чтобы освещать свой путь;для защиты, нападения и оглушения жертвы; - передают сигналы друг другу и обнаруживают заблаговременно препятствия.

Сначала биологи обнаружили странное поведение небольшой пресноводной рыбки – американского сомика. Он чувствовал приближение к нему металлической палочки в воде на расстоянии нескольких миллиметров. Английский ученый Ганс Лиссман заключал в парафиновую или стеклянную оболочку металлические предметы, опускал их в воду и рыбка чувствовала металл. Действительно, оказалось, что рыбы имеют специальные органы, которые воспринимают слабую напряженность электрического поля.

Проверяя чувствительность электрорецепторов у рыб, ученые проводили опыт. Закрывали аквариум с рыбкой темной тканью или бумагой и водили рядом по воздуху небольшим магнитом. Рыбка чувствовала магнитное поле. Потом исследователи просто водили возле аквариума руками. И она реагировала даже на самое слабое, создаваемое человеческой рукой, биоэлектрическое поле.

Рыбы не хуже, а порой и лучше самых чувствительных в мире приборов регистрируют электрическое поле и замечают малейшее изменение его напряженности. Рыбы, как оказалось, не только плавающие “гальванометры”, но и плавающие “электрогенераторы”. Они излучают в воду электрический ток и создают вокруг себя электрическое поле.С помощью электрических сигналов рыбы могут даже особым образом “переговариваться”. Угри, например, при виде пищи начинают генерировать импульсы тока определенной частоты, привлекая тем самым своих собратьев. А если двух рыб поместить в один аквариум, частота их электрических разрядов сразу же увеличивается.

В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические и воспринимающие

Сильноэлектрические

Слабоэлектрические

Воспринимающие

Электрический угорь до 600 в

Электрический сом до 350 В

Электрический скат

Рыба-нож

Рыба-слон

Акулы

большинство скатов

Коньки

большинство сомов

Веслонос

2.1.1.Электрический угорь

Электрический угорь - рыба из , единственный вид рода Electrophorus . Населяют реки северо-восточной части и притоки среднего и нижнего течения .

Еще первые завоеватели Америки нашли свою смерть в непроходимых лесах и болотах Южной Америки. Но это не останавливало жадных до золота авантюристов. В джунгли отправлялись все новые и новые экспедиции.

Одному из таких отрядов удалось проникнуть в верховье Амазонки. Несколько месяцев плыли люди по реке, прежде чем достигли ее истоков. Дальше плыть стало невозможно, и отряд двинулся в джунгли по суше. Дорогу преграждали непроходимые заросли, страшные топкие болота. Все шло хорошо, пока отряд не достиг цепочки соединенных между собой мелких луж. Индейцы носильщики категорически отказались войти в воду. В глазах их отражался ужас. Европейцы никак не могли понять, в чем дело. Лужи были такие мелкие, что в них не могли прятаться ни крокодилы, ни гигантские анаконды. Гроза южноамериканских рек - рыбы пираньи также не могли здесь оказаться.

Один из европейцев пошел вперед, чтобы подать пример испуганным носильщикам. Но едва он сделал несколько шагов, как с нечеловеческим криком рухнул навзничь, точно сбитый с ног могучим ударом. Два товарища, бросившиеся ему на помощь, в ту же секунду оказались в грязи, опрокинутые все тем же невидимым противником. Лишь через час их спутники отважились осторожно войти в воду и вынесли на сушу пострадавших товарищей. Все трое остались живы, но продолжать путь отряд уже не мог. У жертв невидимого врага были парализованы ноги. К вечеру ноги понемногу начали двигаться, но только через несколько дней больные окончательно выздоровели. Отряд решил вернуться назад. Так впервые европейцы узнали еще об одной подводной электростанции, которая находится в теле довольно крупной рыбы – пресноводного угря. Теперь эти рыбы получили название электрических угрей. Размеры их 1,5 - 2 метра, а вес 15 - 20 килограммов. Живут они в мелких ручьях и болотах. Когда болота пересыхают, угри зарываются в ил, пока не наступит следующий сезон дождей.

Кожа у электрического угря голая, без чешуи, тело сильно удлинённое, округлое в передней части и несколько сжатое с боков в задней части. Окраска взрослых электрических угрей оливково-коричневая, нижняя сторона головы и горла ярко-оранжевая, край анального плавника светлый, глаза изумрудно-зелёные. Питается угорь в основном, мелкой рыбешкой. Электрический угорь - опаснейшая рыба среди всех электрических рыб. . В тех местах, в которых живет угорь, чаще всего большой недостаток кислорода. Поэтому у электрического угря появилась особенность поведения. Под водой угри находятся около 2 часов, а потом выплывают на поверхность и дышат там в течение 10 минут, тогда как обычным рыбам достаточно всплывать на несколько секунд. Электрический угорь агрессивен. Может напасть без предупреждения, даже если никакой угрозы для него не существует. Если что-то живое попадет в зону действия его силового поля, то угорь не станет прятаться или уплывать прочь. Электрические органы помогают угрю искать добычу: он испускает сравнительно слабые электрические импульсы, напряжение которых не превышает 40 - 50 вольт; эти низковольтные разряды помогают ему находить мелких морских обитателей, которыми угорь питается. Кроме того, электрические угри способны воспринимать электрические разряды друг друга - во всяком случае, когда один из них ударом электрического тока парализует жертву, к добыче устремляются и другие угри..

Европейцы знакомы с электрическим угрем с 1729 года. Английский ученый Фарадей первым рассчитал мощность “батарей” электрического угря: она равна 15 заряженным лейденским банкам с общей рабочей поверхностью элементов – 2250 квадратных метров.

Несмотря на то что во времена Фарадея техника регистрации токов была несовершенна, его опыты оказались безупречными.

Электроды, которые Фарадей прикладывал к голове и хвосту рыб, были подключены к соленоиду со стальной иглой. В момент прохождения по соленоиду импульса тока игла намагничивалась, и по магнитным полюсам на концах иглы ученый определял полярность исследуемых участков тела рыб.

Приблизившись к преследуемой жертве, угорь разряжает свой парализующий удар, действие которого до того сильно, что в одно мгновение все рыбы и крабы в районе распространения этого удара опрокидываются навзничь и становятся неподвижными. Тогда он выбирает себе подходящую жертву и проглатывает ее с помощью сильного всасывающего движения, производящего явственный шум.

Обращение с электрическим угрем - дело довольно опасное. В Лондонском зоопарке угорь однажды сильно ударил электрическим током служителя, который его кормил. Другой угорь начал генерировать электрические разряды, когда его переносили в металлической коробке, и служителю пришлось бросить коробку на землю. Но только при непосредственном контакте удар угря оказывается смертельным; однако пловец, оказавшийся в воде недалеко от места разряда, может утонуть, находясь в состоянии шока. . Мясо электрического угря в Южной Америке едят. Но ловить его опасно. Один из способов ловли рассчитан на то, что угорь, разрядивший свою батарею, надолго становится безопасен. Поэтому рыбаки поступают так: в реку загоняют стадо коров, угри нападают на них и расходуют свой запас электричества. Прогнав коров из реки, рыбаки бьют угрей острогами.

Подсчитано, что 10 тыс. угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезду пришлось бы стоять несколько суток, пока угри восстановили бы свой запас электрической энергии. Почти 4/5 длины всего тела занято электрическими органами, которые тянутся от заднего конца полости тела до конца хвоста, и на них приходится треть общего веса. Электрический орган, студневидная ткань, разделенная соединительными перегородками, занимает большую часть тела этой удивительной рыбы: до 5/6 ее длины и 3/8 веса. Положительный полюс – у головы, отрицательный – у хвоста. Собственно, электрических органов у угря всего до полумиллиона – это миниатюрные клетки, производящие электричество, соединенные нервами последовательно, благодаря этому разряд трехметрового угря достигает 650 вольт. Электрические клетки-пластинки сложены столбиками, которые соединены между собой параллельно, что увеличивает общую силу тока до двух ампер, а мощность – до киловатта!

Рис. 2. Клетки угря под микроскопом

Электрические разряды угря различны в зависимости от назначения. Они подразделяются на импульсы покоя, поиска, лова и защиты. Угорь, спокойно лежащий на дне, не генерирует электрических сигналов. Если угорь голоден, он медленно плавает, регулярно посылая импульсы напряжением до 50 В и длительностью около 2 мс. Количество таких разрядов может сильно варьировать, а форма импульсов характеризуется пологим (постепенным) подъемом. Когда угорь обнаруживает добычу, частота и амплитуда импульсов резко увеличиваются. Он начинает испускать серии из 50-400 импульсов напряженностью 300-600 В, продолжительностью 0,6-2,0 с. Чем меньше добыча, тем выше частота следования генерируемых импульсов. Он посылает импульсы до тех пор, пока не приводит жертву в состояние наркоза. Этого достаточно что бы парализовать большинство рыб, и даже животное размером с лошадь.Между разрядами наступают продолжительные паузы, во время которых энергия восстанавливается.

Рис.3.Электрический угорь

Рис. 4. Разряд электрического угря

Защитные импульсы угорь использует при встрече с врагом. В экспериментальных условиях они возникают, если угря потревожить палочкой. При этом рыба излучает серии редких импульсов высокого напряжения - обычно два (в некоторых случаях до семи) - и три поисковых импульса небольшой амплитуды.

2.1.2.Электрический сом.

Электрический сом (лат. Malapterurus electricus) - вид придонных пресноводных рыб из рода Malapterurus семейства Электрические сомы (Malapteruridae), обитающих в тропических и субтропических водоёмах Африки. Электрического сома причисляют к сильноэлектрическим рыбам.

Ритс.5.Электрический сом

Это довольно крупная рыба: длина отдельных особей превышает 1 метр. Масса крупной особи может составить 23 кг. Тело вытянутое. Голова несёт три пары усиков. Глаза маленькие, светящиеся в темноте. Окраска довольно пёстрая: тёмно-коричневая спина, буроватые бока и желтоватое брюхо. По телу разбросаны многочисленные тёмные пятна, грудные и брюшные плавники розовые, хвостовой плавник с тёмным основанием и широкой красной или оранжево-красной оторочкой. Спинного плавника у электрического сома нет. Грудные плавники не имеют колючек. Эти рыбы обитают в бассейне Ниле и реках Западной Африки . Электрические сомы представляют большую опасность для человека, чем электрические скаты. Электрические органы сома способны производить электрические разряды, напряжение которых достигает 360 вольт. Если человек дотронется до тела сома, то может мгновенно погибнуть. Существуют рассказы о том, что пойманная рыба, которая пролежала на воздухе несколько минут (заснувшая) может производить электрические разряды, которые способны парализовать взрослого человека.

У сома хвост заряжен положительно относительно головы. Напряжение и сила тока в отдельных импульсах разряда электрического сома длиной свыше 80см могут достигать 250В и 0,5А.

Залпы, производимые сомом при захвате и заглатывании мелкой добычи, относительно коротки - в среднем они состоят из 71 импульса. Продолжительность залпов и количество составляющих их импульсов увеличиваются, если сом атакует более крупную жертву. Так, сом длиной 16 см при захвате рыбы длиной 5,5 см генерирует залп в 1297 импульсов при средней продолжительности залпа 24,8 с. Таким образом, сом в каждом конкретном случае «выбирает» наиболее оптимальный режим разрядной деятельности.

Рис. 6. Разряд электрического сома

Напряжение разряда электрического сома в воде может достигать 350 В при силе тока в десятые доли ампера. Максимальная разность потенциалов при этом образуется между головой и хвостом рыбы. После относительно мощных разрядов его электрические органы нагреваются. Характер разрядов теснейшим образом связан с условиями среды (температурой, освещенностью, временем года) и состоянием самой рыбы.

Полярность электрических полей у сома и угря различна. Впервые структуру таких полей и направление в них тока определил в 1838 г. Фарадей. У многих рыб (гимнарха, рыбыножа, гнатонемуса) голова заряжается положительно, хвост – отрицательно, а вот у электрического сома, наоборот, хвост – положительно, а голова – отрицательно.

2.1.3.Электрические скаты

Рис.7..Электрический скат

Электрический скат упоминается во многих легендах, дошедших до нас из глубины веков; толкователи снов считали, что он предвещает близкое несчастье. Греки и римляне знали, что скат владеет источником какой-то странной энергии, и, поскольку электричество тогда не было известно, полагали, что источник ее - какое-то неведомое вещество. Существовало и еще одно поверье - будто скат, пойманный на бронзовый крючок, убивает забросившего снасть рыбака, причем смерть наступает от свертывания крови

Электрические скаты, обитающие и в умеренной, и в тропической зонах, способны создать на своих "электродах" напряжение до 50 вольт и выше; этого достаточно, чтобы убивать рыб и ракообразных, которыми питаются скаты. Электрический скат похож на гибкий блин с длинным и толстым хвостом. Охотясь, скат бросается на жертву всем телом и "обнимает" ее своими "крыльями", на концах которых находятся электрические органы. Объятие смыкается, "электроды" разряжаются - и скат убивает свою жертву разрядом тока.

Самый крупный из электрических скатов - это Torpedo nоbiliana, обитатель вод Северной Атлантики; в длину он достигает 1,8 метра, весит около 100 килограммов и способен создавать разность потенциалов в 200 вольт - этого достаточно, чтобы убить любое животное, оказавшееся в воде поблизости. Особая действенность электрического разряда в воде объясняется тем, что вода - хороший проводник электрического тока.

Скаты излучают разряды залпами, в каждом из которых насчитывается 2-10 и более импульсов. Продолжительность каждого 3-5 мс В отличие от электрического угря скаты не испускают слабых импульсов. В 1960 г. на выставке, организованной английским Научным королев¬ским обществом в честь 300-летия со дня его основания, среди загадок природы, которые человеку предстоит раскрыть, демонстрировался обычный стеклянный аквариум с находящейся в нем рыбой -электрическим скатом. К аквариуму через металлические электроды был подключен вольтметр. Когда рыба была в покое, стрелка вольтметра стояла на нуле. При движении рыбы вольтметр показывал напряжение, идостигавшее при активных движениях 400 В. Надпись гласила: "Природу этого электрического явления, наблюдавшегося задолго до организации английского королевского общества, человек разгадать до сих пор не может".

В момент излучения мощных импульсов как вне, так и внутри тела сильноэлектрических рыб проходят токи высокого напряжения. Почему же эти рыбы не подвергаются действию собственных разрядов? Подобная невосприимчивость объясняется тем, что в их теле находятся особые «электропровода» - участки, отличающиеся от соседних более высокой электропроводностью. Так, у мраморного электрического ската сопротивление участков кожи, покрывающих электрические органы, в 3-4 раза ниже, чем сопротивление участков кожи, покрывающих другие органы. Электрический ток в основном проходит через эти участки, почти не воздействуя на остальные.

В родной стихии скат не реагирует на разряды благодаря высокой электропроводности морской воды. Если же ската вынуть из воды, каждый разряд будет вызывать непроизвольное сокращение его мускулатуры.

2.1.4.Слабоэлектрические рыбы

Слабоэлектрические рыбы излучают серии почти непрерывных и ритмичных импульсов. Напряжение тока, генерируемого слабоэлектрическими рыбами, измеряется десятыми долями вольта. По характеру разрядов все эти рыбы могут быть подразделены на две группы.

К первой относят рыб, у которых разряды регулярные, монофазные, с относительно большой длительностью импульсов (2-10 мс). Частота следования импульсов варьирует от 60 до 940 в секунду. Среди рыб этой группы наиболее изучен гимнарх.

Рис.8 Гимнарх

Его разряды состоят из электрических импульсов, непрерывно следующих друг за другом с частотой приблизительно 300 импульсов в секунду. Импульсы гимнарха можно зарегистрировать и вне воды, если держать рыбу в воздухе, а электроды наложить непосредственно на кожу. Частота излучения электрических импульсов у гимнарха меняется только при изменении температуры воды (раздражение и физиологическое состояние не оказывают влияния). Наиболее четко проявляются разряды при температуре воды 28°.

Рис.9.Электрическое поле гимнарха (вид сверху).Рис 10. Одиночные импульсы гимнарха

Излучаемые гимнархом разряды состоят из отдельных монофазных импульсов длительностью 1,3 мс с интервалами 2,3 мс (рис. 10). Хвост рыбы становится электроотрицательным относительно головы. Разность потенциалов, возникающих на хвосте и голове,- сотые доли вольта.

Каждый разрядный импульс образует вокруг гимнарха характерное электрическое поле (рис. 9), оно расположено горизонтально по оси тела. Поле у головы и хвоста рыбы несимметрично - вокруг головы более растянуто, что обусловлено расположением электрических органов на хвосте гимнарха.

Наиболее типичный и хорошо исследованный представитель этой группы - африканский слоник. Его разряды состоят из отдельных двухфазных синусоидальных импульсов, амплитуда и частота следования которых зависят от степени возбуждения рыбы и факторов окружающей среды: температуры, освещенности, солености воды, присутствия различных объектов (рис. 10). Частота следования импульсов колеблется от 5 до 50 в секунду.

Рис.11.Африканский слоник. Рис 12.Импульсы африканского слоника

2.2. Электрические явления в мире растений

Электрические явления растений изучены на сегодняшний день недостаточно. Электрические импульсы растений - все еще весьма новая область исследований. В ней многое неизвестно, поэтому можно привести лишь одиночные примеры

Способность растений к опылению известно со времен Чарлза Дарвина. Одни цветки привлекают насекомых яркой окраской своих лепестков, другие - своим запахом, третьи имитируют образ привлекательных для спаривания насекомых... И вот новое открытие!

Группа ученых бристольской школы биологических наук (Bristol"s School of Biological Sciences) под руководством профессора Дэниела Роберта (Daniel Robert) обнаружила, что у растений есть своя система электрических сигналов, которая помогает им привлекать опылителей.

Известно, что растения окружены слабым электрическим током и несут отрицательный заряд. Шмели же несут на себе положительный заряд до 220 вольт. Из-за трения в воздухе о частицы взвешенной пыли они теряют часть своих электронов, поэтому, при подлете к цветку, возникает лишь небольшая электрическая сила, которая может передавать определенную информацию.

Ученые поместили в стеблях полусотни петуний электроды и обнаружили, что, когда пчела приземляется на цветок, его заряд на несколько минут становится положительным. Исследователи предполагают, что таким образом растение сообщает другим пчелам, что его нектаром уже полакомились. С другой стороны ученые были удивлены тем, что главным привлекающим фактором для насекомых является вовсе не аромат цветка, а его электрическое поле. Это выяснилось в результате следующего эксперимента.

Шмелей запустили на площадку с искусственными цветами. Одни из них имели положительный заряд и были обработаны сахарозой (аналог нектара). Другие цветки были заземлены и имели горький "нектар".Первоначально шмели садились на цветки с электрическим зарядом и сахарозой. Когда искусственные цветки отключили от электричества, шмели стали садиться на "сладкие" и "горькие" цветки в произвольном порядке. К тому же, вероятно, электрическое поле цветка усиливает для насекомого и привлекательность окраски его лепестков. Ученые собираются доказать, что способностью к электрорецепции обладают не только шмели, но также бабочки и мотыльки.

Первые бесспорные доказательства существования электрических процессов в растительных тканях были получены в середине XIX в. Так называемые токи повреждения обнаружились в различных растительных тканях. Срезы листьев, стебля, клубней всегда заряжены отрицательно по отношению к нормальной ткани.Если разрезать яблоко пополам и вынуть середину, то оба электрода, приложенные к кожуре, не выявят разницы потенциалов. Если же один электрод приложить к кожуре, а другой перенести во внутреннюю часть мякоти, гальванометр отметит появление тока повреждения.

Выяснилось, что в момент гибели некоторых растительных тканей их потенциал резко возрастает. Индийский исследователь Бос соединил внешнюю и внутреннюю части зеленой горошины с гальванометром и затем нагрел ее до температуры 60 °С. При этом был зарегистрирован электрический потенциал 0,5 В!

Были открыты электрические ритмы растений. Если поместить кончик корня молодого бобового растения в воду и измерить разность потенциалов между корнем и наружной средой, то эта величина колеблется с периодом 5 - 20 мин, причем амплитуда колебаний уменьшается по мере удаления от ко нчика корня, а частота сильно зависит от температуры окружающей средыСпособность многих цветов и листьев складываться или раскрываться в зависимости от времени суток также обусловливается электрическими сигналами, представляющими собой потенциал действия. Закрытие листьев можно стимулировать искусственно с помощью электрического раздражения.

Известна реакция многих цветов на механические раздражения - выделение нектара. Оказалось, что при механическом раздражении некоторых частей цветка возникают электрические импульсы, передающиеся по железистым клеткам в проводящие пучки, и, достигая нектарника, стимулируют его деятельность. Реакция нектарника очень быстрая: выделение нектара начинается сразу же после того, как насекомое садится на цветок.

Движения листьев мимозы тоже управляются с помощью электрической системы сигнализации. Бос установил, что если сочленовую подушечку мимозы раздражать короткими импульсами электрического тока, ее реакция (механическое движение) будет не мгновенной, а с запаздыванием на 0,1 с. Такая скорость реакции сравнима со скоростью реакции многих животных. Время складывания листа составляет около 3 с. После непродолжительного покоя лист начинает подниматься. Возвращение листа в исходное состояние занимает около 16 с. Если последовательные раздражения осуществлять слишком часто, наступает утомление - как и при раздражении мышцы животного.

2.3. Эффекты действия токов в теле человека

Тело человека – хороший проводник электрического тока. Сопротивление тела человека при нормальном кожном покрове составляет 3 – 100 кОм. Безопасным является электрический ток, длительное прохождение которого не причиняет организму вреда и не ощущается человеком.

По технике безопасности величина силы тока не должна превышать 50 мкА.

Человек способен ощущать электрический ток от 1 мА. Опасным ток становится - 0,01А(переменный), 0,05А (постоянный ток).При таком воздействии током человек способен разорвать электрическую цепь. Если сила тока выше данных значений, то для человека,это становится смертельно опасной Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от трещин и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа - весьма плохой проводник. Электрический ток, проходя через организм человека, возбуждает живые ткани организма. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и его вида (переменный или постоянный).

Классификация токов по степени воздействия на человека

Воздействие, ощущение

Переменный, мА

Постоянный, мА

1. Предел ощущения (легкое покалывание)

0.6 – 1.2

5 – 8

Допустимый

2. Ощущаемый ток (острая боль, но можно оттолкнуть, отбросить токоведущую часть)

8 – 10

20 – 25

3. Не отпускающий (происходит судорожное сжатие мышц, человека необходимо отрывать от токоведущих частей)

20 – 25

50 – 80

Недопустимый

4. Фибриляционный электрический ток (смертельно опасный: нарушение работы сердца)

50 –100

250

2.3.2.Открытие лейденской банки

Лейденская банка- один из видов электрических конденсаторов,называется иногда банкой Клейста. Его электрическое действие впервые было апробировано на человеке. Лейденская банка была изобретена почти одновременно немецким физиком Клейстом и голландским физиком Мушенбруком в 1745 - 1746 гг. Свое название она получила по имени города Лейдена, где Мушенбрук впервые проделал с ней опыты по изучению электрических явлений.

Рис.13. Лейденская банка Рис.14..Первоначальная форма лейденской банки

Этот конденсатор имеет форму банки(рис.14), т. е. цилиндра с более или менее широким горлом или же просто цилиндра, обыкновенно стеклянного. Банка обклеена листовым оловом снаружи и внутри (наружная и внутренняя обкладки) примерно до 2 / 3 высоты и прикрыта деревянной крышкой, сквозь которую проходит проволока с цепочкой, частью ложащейся на дно банки, тоже оклеенное оловом внутри и снаружи. Такова была банка в первоначальном виде, когда ее устроил (1745) голландский физик Мушенброк и когда впервые испытал удар от разряда банки лейденский гражданин Кунеус.

.

Рис.14 . Голландский физик Питер Мушенброк

Мушенбрук так описывал свое изобретение в письме к французскому ученому Реомюру: «Хочу сообщить Вам новый, но ужасный опыт, который не советую повторять. Я занимался изучением электрической силы. Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искру. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии.Несмотря на то что сосуд, сделанный из тонкого стекла, не разбивается и кисть руки обычно не смещается при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами, я думал, что пришел конец».

В 1745 г. Эвальд Георг фон Клейст (1700 – 1748) уже 24-й год занимал должность декана (старшего священника) собора в маленьком городке Каммин в Померании. До этого он получил образование в университетах Лейпцига и Лейдена (Голландия), где обучался юриспруденции.

В свободное от служб в соборе время Клейст потихоньку ставил электрические опыты, используя в качестве источника электричества электростатическую машину. Однажды Клейст решил зарядить железный гвоздь. 11 октября 1745 г. он вставил его для изоляции в медицинскую склянку и поднес его к кондуктору работающей электростатической машины; спустя некоторое небольшое время гвоздь должен был зарядиться. Для того чтобы вытащить гвоздь из склянки, Клейст, держа склянку в одной руке, другой взялся за головку гвоздя и получил ощутимый электрический удар. Клейст наполнил склянку вначале спиртом, потом ртутью и повторил опыт. Удары усилились. Они приводили в содрогание всю руку и плечо.

Вскоре лейденская банка была усовершенствована: внешнюю и внутреннюю поверхность стеклянного сосуда стали обклеивать металлической фольгой(рис13). В крышку банки вставляли металлический стержень, который сверху заканчивался металлическим шариком, а нижний конец стержня при помощи металлической цепочки соединялся с внутренней обкладкой.

В июне 1772 года член Королевского общества и английского парламента сэр Джон Уолш приехал во Францию с лейденской банкой и дал местным рыбакам возможность ощутить прелесть ее физиологического воздействия, спрашивая при этом, схоже ли оно с воздействием нарковых скатов. Ответы были единодушно утвердительными. Воздействие ската передавалось через замкнутую цепь людей и прекращалось при малейших разрывах цепи или при включении в нее изоляторов.

За помощью в решении этого сложнейшего вопроса Джон Уолш обращается к самому легендарному физику Великой Британии - сэру Генри Кавендишу, человеку незадолго до этого экспериментально проверившему закон, который позже был назван именем Кулона. Кавендиш изготовил дипольную модель, имитирующую ската. Используя батарею из 49 лейденских банок, соединенных в семь параллельных столбов, удалось вызвать физиологический эффект от модели не только в воздухе, но и в морской воде.

Так в 1773 году Уолш с помощью Кавендиша доказал электрическую природу разрядов электрических рыб. Кавендиш предположил, что электрические органы представляют собой батарею из большого числа маленьких слабозаряженных лейденских банок. Описывая пути протекания токов в проводящей среде, он предложил идею силовых линий и первым изобразил электрическое поле ската. Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины это было первое сравнительно широкое практическое применена электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучении электрических явлений.

Опыт Мушенбрука был преведен в присутствии французского короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик десятков людей». От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного стоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком - так, появился простейший конденсатор.

В 1746 г. профессор физики Лейпцигского университета Иоганн Генрих Винклер с большим энтузиазмом принялся повторять опыт с лейденской банкой. По окончании опыта он говорил, что у него были сильные конвульсии в теле и дважды кровотечения из носа, чего с ним прежде никогда не бывало. С его женой, тоже попробовавшей на себе действие зарядов лейденской банки, случилось то же самое.

2.3.4.Первые исследования действия тока на тело человека

Как мы видели выше, уже Мушенбрук, описывая изобретение лейденской банки, обратил внимание на сильное и необычное действие электрического разряда на человека.

Первые опыты по действию на тело электрического тока был выполнен племянником - Джованни Альдини. Прославился он тем, что смешал серьёзное исследование с леденящим душу зрелищем. Он практиковал так называемые электрические пляски, проявлявшиеся в форме публичных экспериментов, которые были призваны подчеркнуть эффективность электрического возбуждения для получения спазматических движений мускулов, для демонстрации этого использовались отсеченные головы казненных преступников. Он предложил вниманию широкой публики эксперимент над телом казненного убийцы Джорджа Форстера. . в Лондоне была его самая выдающаяся демонстрация, а именно гальванические экзерсисы с купленным телом повешенного убийцы. Он подсоединял полюса 120-вольтного аккумулятора к телу казненного убийцы Джорджа Форстера, после чего тело пустилось в омерзительный пляс. Когда он подсоединял провода к лицу, оно корчилось в жутких гримасах, левый глаз открывался, как будто хотел посмотреть на своего учителя. Некоторые зрители боялись, что преступник на самом деле оживет, и тогда придется казнить его снова. Газета London Times писала: «Несведущей части публики могло показаться, что несчастный вот-вот оживет».

Рис..15. Опыты Джованни Альдини

Вот как был описан этот опыт Альдини, одним из его современников: «Восстановилось тяжелое конвульсивное дыхание; глаза вновь открылись, губы зашевелились и лицо убийцы, не подчиняясь больше никакому управляющему инстинкту, стало корчить такие странные гримасы, что один из ассистентов лишился от ужаса чувств и на протяжении нескольких дней страдал настоящим умственным расстройством».

Вольта повторил перед Наполеоном опыты по оживлению отрезанных членов с помощью малых количеств электричества. "Я делал их не только над лягушками, но и над угрями и над другими рыбами, над ящерицами, саламандрами, змеями и, что важнее, над мелкими теплокровными животными, именно над мышами и птицами", - писал ученый в 1792 году, в самом начале исследований, приведших в итоге к великому изобретению. Представьте себе разнообразные отрезанные части различных животных, лежащие совершенно недвижно, как и подобает отрезанным членам, из коих вытекла жизненная сила. Малейшее прикосновение Вольтова столба - и плоть оживает, трепещет, сокращается и содрогается. Были ли в истории науки опыты, более потрясающие воображение?

В 1801 году в Париже произошло яркое событие, неоднократно описанное историками науки: в присутствии Наполеона Бонапарта состоялось представление работы "Искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската" с демонстрацией модели этого органа. Наполеон щедро наградил автора: в честь ученого была выбита медаль и учреждена премия в 80 000 экю. Все ведущие научные общества того времени, включая Петербургскую академию наук, изъявили желание видеть его в своих рядах, а лучшие университеты Европы были готовы предоставить ему свои кафедры. Позднее он получил титул графа и был назначен членом сената Королевства Италия. Речь идет об Алессандро Вольте и его изобретении - Вольтовом столбе, прообразе всех современных батарей и аккумуляторов. Вскоре этим действием заинтересовались врачи. Возникла мысль о том, что в живом организме существуют электрические токи, которые играют в нем какую-то важную роль. Вместе с этим пришло убеждение о возможности применения электричества для лечения болезней.

С этой целью стали производить опыты по электризации людей, пропусканию через тело человека электрического тока и т. д.

В начале прошлого столетия известный французский ученый профессор Ледюк сделал замечательное открытие. Он установил, что прерывистый постоянный электрический ток умеренной силы, пропускаемый через головной и спинной мозг, не убивает животное, а приводит его в состояние глубокого сна с потерей подвижности и чувствительности. Это состояние было названо ученым электрическим наркозом. Наркотизирующий ток не опасен: если его выключить, животное быстро просыпается и кажется вполне нормальным.

Профессор Ледюк изобрел аппарат, главная деталь которого - особый прерыватель тока, проходящего через тело подопытного животного.

Испытав действие своего аппарата на животных, Ледюк решил испытать его пригодность для наркоза людей. Первый опыт он сделал на себе. Однако полного наркоза осуществить не удалось, так как сердце ученого начало плохо работать уже при силе тока в 4 миллиампера, а по расчету для наркоза требовалось не менее 7 миллиампер. Узнав о действии электронаркоза на сердце, Ледюк отказался от опытов на людях, решив, что аппарат и сама методика еще недостаточно усовершенствованы, и стал производить систематические эксперименты на животных.

Однако опыты на людях производились другими учеными. Замечательнее всего оказалось, что тот же, обычно наркотизирующий, ток в некоторых случаях был способен восстанавливать жизнедеятельность организма.

В 1787 г. английский врач и физик Адаме впервые создал специальную электростатическую машину для лечебных целей. Ею он широко пользовался в своей медицинской практике (рис. 16) и получал положительные результаты, которые можно объяснить и стимулирующим действием тока, и психотерапевтическим эффектом, и специфическим действием разряда на человека.

Эпоха электростатики и магнитостатики, к которой относится все, о чем говорилось выше, завершается разработкой математических основ этих наук, выполненной Пуассоном, Остроградским, Гауссом.

Рис. 16. Сеанс электролечения (со старинной гравюры)

Использование электрических разрядов в медицине и биологии получило ши рокое обсуждение и споры.

Интерес к использованию электричества в медицине возрастал. Руанская академия объявила конкурс на лучшую работу

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Электричество

2. История

4. Электричество в природе

1. Электричество

Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните -- Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества.

2. История

Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н. э., который обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч.?лекфспн: электрон) приобретает свойства притягивать легкие предметы. Однако долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году появился сам термин электричество («янтарность»), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 годуангличанин Стивен Грей провел опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шелк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор -- Лейденская банка.

Первую теорию электричества создает американец Б. Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона.

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока -- гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

Майкл Фарадей -- основоположник учения об электромагнитном поле

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создает на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятиеэлектрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы -- частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», -- утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель -- проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества -- электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединенную теорию электрослабых взаимодействий.

Электрический заряд -- это свойство тел (количественно характеризуемое физической величиной того же названия), проявляющееся, прежде всего, в способности создавать вокруг себя электрическое поле и посредством него оказывать воздействие на другие заряженные (то есть обладающие электрическим зарядом) тела. Электрические заряды разделяют на положительные и отрицательные (выбор, какой именно заряд назвать положительным, а какой отрицательным, считается в науке чисто условным, однако этот выбор уже исторически сделан и теперь -- хоть и условно -- за каждым из зарядов закреплен вполне определенный знак). Тела, заряженные зарядом одного знака, отталкиваются, а противоположно заряженные -- притягиваются. При движении заряженных тел (как макроскопических тел, так и микроскопических заряженных частиц, переносящих электрический ток в проводниках) возникает магнитное поле и имеют, таким образом, место явления, позволяющие установить родство электричества и магнетизма (электромагнетизм) (Эрстед, Фарадей, Максвелл). В структуре материи электрический заряд как свойство тел восходит к заряженным элементарным частицам, например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон и позитрон -- положительный.

Наиболее общая фундаментальная наука, имеющая предметом электрические заряды, их взаимодействие и поля, ими порождаемые и действующие на них (то есть практически полностью покрывающая тему электричества, за исключением таких деталей, как электрические свойства конкретных веществ, как тоэлектропроводность (и т. п.) -- это электродинамика. Квантовые свойства электромагнитных полей, заряженных частиц (и т. п.) изучаются наиболее глубококвантовой электродинамикой, хотя часть из них может быть объяснена более простыми квантовыми теориями.

4. Электричество в природе

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий, именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера -- Юри и Теория Опарина -- Холдейна).

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 -- 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передается без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия.

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Разряды напряжения южно-американского электрического угря могут достигать величины напряжения в 500 вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создает напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде.

5. Образ электричества в культуре

В мифологии существуют боги, способные метать разряды молнии: у греков Зевс, Юпитер, Волгенче из марийского пантеона, Агни -- бог индусов, одна из форм которого -- молния, Перун -- бог-громовержец в древнерусском пантеоне, Тор -- бог грома и бури в германо-скандинавской мифологии.

Одной из первых попыталась осмыслить образ электричества Мэри Шелли в драме «Франкенштейн, или Современный Прометей», где оно предстает силой, с помощью которой можно оживлять трупы. В диснеевском мультфильме Чёрный Плащ существует повелевающий электричеством антигерой Мегавольт, а в японской анимации и играх -- электрические покемоны (самый известный из которых Пикачу).

6. Производство и практическое использование

фарадей электричество природа заряд

Генерирование и передача

Ранние эксперименты эпохи античности, такие, как опыты Фалеса с янтарными палочками, были фактически первыми попытками изучения вопросов, связанных с производством электрической энергии. Этот метод в настоящее время известен как трибоэлектрический эффект, и хотя с его помощью можно притягивать легкие предметы и порождать искры, в сущности он чрезвычайно малоэффективен. Функциональный источник электричества появился только в XVIII веке, когда было изобретено первое устройство для его получения -- вольтов столб. Он и его современный вариант, электрическая батарея, являются химическими источниками электрического тока: в основе их работы лежит взаимодействие веществ в электролите. Батарея дает возможность получить электричество в случае необходимости, является многофункциональным и широко распространенным источником питания, который хорошо подходит для применения в различных условиях и ситуациях, однако ее запас энергии конечен, и после истощения последнего батарея нуждается в замене или перезарядке. Для удовлетворения более существенных потребностей в большем ее объеме электрическая энергия должна непрерывно генерироваться и передаваться по линиям электропередач.

Обычно для ее порождения применяются электромеханические генераторы, приводимые в действие либо за счет сжигания ископаемого топлива, либо с использованием энергии от ядерных реакций, либо посредством силы воздушных или водных течений. Современная паровая турбина, изобретенная Ч. Парсонсом в1884 году, в настоящее время генерирует примерно 80 % всего электричества в мире, используя те или иные источники нагрева. Эти устройства более не напоминают униполярный дисковый генератор Фарадея, созданный им в 1831 году, однако в их основе по-прежнему лежит открытый им принцип электромагнитной индукции -- возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Ближе к концу XIX века был изобретен трансформатор, что позволило более эффективно передавать электроэнергию при более высоком напряжении и меньшей силе тока. В свою очередь, эффективность передачи энергии обусловливала возможность генерировать электричество на централизованных электростанциях с выгодой для последних и затем перенаправлять его на довольно протяженные дистанции к конечным потребителям.

Получение электричества из кинетической энергии ветра набирает популярность во многих странах мира

Поскольку электроэнергию затруднительно хранить в таких количествах, которые были бы достаточны в масштабах государства, необходимо соблюдать баланс: генерировать ровно столько электричества, сколько потребляется пользователями. Для этого энергетическим компаниям необходимо тщательно прогнозировать нагрузку и постоянно координировать производственный процесс со своими электростанциями. Некоторое количество мощностей при этом держится в резерве, чтобы в случае возникновения тех или иных проблем или потерь энергии подстраховывать электросети.

По мере того, как идет модернизация и развивается экономика того или иного государства, спрос на электричество быстро возрастает. В частности, для Соединенных Штатов этот показатель составил 12 % роста в год на протяжении первой трети XX века, а в настоящее время аналогичный прогресс наблюдается у таких интенсивно развивающихся экономик, как Китай и Индия. Исторически рост потребности в электричестве опережает аналогичные показатели для других видов энергоносителей. Следует также заметить, что беспокойство по поводу влияния производств электроэнергии на окружающую среду привело к сосредоточению внимания на генерировании электричества посредством возобновляемых источников -- в особенности за счет энергии ветра и воды.

Применение

Электрическая лампа

Использование электричества обеспечивает довольно удобный способ передачи энергии, и в силу этого оно было адаптировано для существенного и по сей день растущего спектра практических приложений. Одним из первых общедоступных способов применения электричества было освещение; условия для этого оказались созданы после изобретения лампы накаливания в 1870-х годах. Хотя с электрификацией были сопряжены свои риски, замена открытого огня на электрическое освещение в значительной степени сократило количество возгораний в быту и на производстве.

В целом, начиная с XIX века, электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют не только для освещения, но и для передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина).

В целях получения электричества созданы оснащенные электрогенераторами электростанции, а для его хранения -- аккумуляторы и электрические батареи.

Сегодня также электричество используют для получения материалов (электролиз), для их обработки (сварка, сверление, резка), умерщвления преступников (электрический стул) и создания музыки (электрогитара).

Закон Джоуля-Ленца о тепловом действии электрического тока обусловливает возможности для электрического отопления помещений. Хотя такой способ довольно универсален и обеспечивает определенную степень управляемости, его можно рассматривать как излишне ресурсозатратный -- в силу того, что генерирование используемого в нем электричества уже потребовало производства тепла на электростанции. В некоторых странах, например -- в Дании, были даже приняты законодательные нормы, ограничивающие или полностью запрещающие использование электрических средств отопления в новых домах. В то же время электричество -- это практичный источник энергии для охлаждения, и одной из активно растущих областей спроса на электричество является кондиционирование воздуха.

Список используемой литературы

1. Боргман И.И.- «Электричество»

2. Матвеев А. Н.- «Электричество и магнетизм»

3. Поль Р. В.- «Учение об электричестве»

4. Тамм И. Е.- «Основы теории электричества»

5. Франклин В.- «Опыты и наблюдения над электричеством»

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Открытие электричества: работы и теории естествоиспытателей Франклина, Гальвани, Вольта, Ампера, Кулона, Эрстеда, Фарадея, Гилберта.

презентация , добавлен 29.01.2014


Природа молнии и методы ее измерения. Возникновение статического электричества при накоплении неподвижных зарядов. Шаровая молния как сферический газовый разряд, возникающий при ударе обычной молнии. Проявление электрических явлений в живой природе.

реферат , добавлен 20.10.2009


Изучение биоэлектрических явлений, открытие электрогенеза. Развитие представлений о природе "животного электричества". Механизмы биоэлектрических явлений. Мембранно-ионная теория Бернштейна. Современные представления о природе биоэлектрических явлений.

реферат , добавлен 20.04.2012


История открытия и исследования электричества. Возникновение и проявление электрического заряда в природе. Движущиеся заряды. Напряжение и электрический ток. Применение электричества, возникающего в результате трения, или статическое электричество.

реферат , добавлен 08.05.2008


Научная деятельность М. Фарадея - основоположника учения об электромагнитном поле. Обнаружение химического действия электрического тока, взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открытие явления электромагнитной индукции.

презентация , добавлен 06.04.2010


Этапы развития науки об электричестве. Теории электрических явлений. Физика и живые организмы, их связь. Электричество в различных классах живых организмах. Исследование протекания электричества в земноводных, опыты Гальвани, Александра Вольта.

реферат , добавлен 20.12.2010


Фундаментальные взаимодействия в природе, их сравнительная характеристика: гравитационное, электромагнитное. Электростатика как раздел учения об электричестве, в котором изучаются взаимодействия и свойства систем зарядов. Формулировка закона Кулона.

презентация , добавлен 22.08.2015


Сущность и физическое обоснование явления электростатического электричества, этапы его исследований. Роль Бенджамина Франклина и Кулона в развитии данной сферы знаний. Закон и формула Шарль Огюстен де Кулона, пути ее разработки и доказательство.

презентация , добавлен 29.11.2010


Вихревое электрическое поле. Интегральная форма уравнений Максвелла. Единая теория электрических и магнитных явлений. Понятие о токе смещения. Постулат Максвелла, выражающий закон создания электрических полей действием зарядов в произвольных средах.

презентация , добавлен 24.09.2013


Фундаментальные взаимодействия в природе. Взаимодействие электрических зарядов. Свойства электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда. Формулировка закона Кулона. Векторная форма и физический смысл закона Кулона. Принцип суперпозиции.

Разработки уроков (конспекты уроков)

Проектная деятельность

Основное общее образование

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Межпредметный проект: физика и биология.

Участники проекта: учащиеся 8 класса.

Оборудование: компьютеры, принтер, сканер, ксерокс, учебные плакаты наглядные пособия.

Цел и проекта:

1. Формировать знания о величинах и законах, изучаемых в разделе «Электричество».
2. Формировать умение применять законы физики для объяснения процессов, протекающих в живых организмах.
3. Развивать познавательную активность и исследовательскую деятельность учащихся.
4. Совершенствование педагогических технологий, развивающих навыки общения и сотрудничества.

Задачи проекта:

1. Научить учащихся самостоятельному поиску необходимой информации, с использованием различных источников (компьютерных баз данных, библиотек) в работе над проектом.
2. Научить учащихся обмениваться информацией, умению выразить свою точку зрения и обосновать ее.
3. Научить учащихся работать индивидуально, в парах, в группах по теме проекта.
4. Сформировать убеждение в единстве законов живой и неживой природы.
5. Развить умения и навыки организации презентации проекта.
6. Развить у школьников чувство ответственности за порученное дело.
7. Научить анализу и оценке собственных творческих и деловых возможностей учащихся и учителя.

Аннотация

Крайне малое время, отведенное на усвоение школьниками знаний в области физики в процессе учебных занятий, а также во внеурочное время, сказывается на недостаточном уровне знаний. Влияет и дефицит знаний о практическом применении законов физики в жизнедеятельности человека. Поэтому у нас возникла необходимость в разработке проекта коллективного творческого дела, реализация которого способствовала бы развитию у участников образовательного процесса представления о том, как можно применить законы физики о законах электричества применительно к живым организмам. Не менее важно знать, какие физические законы объясняют процессы, протекающие в живых организмах

Тема данного проекта является актуальной не только для учащихся конкретной школы, но и для других школ территории РТ и за ее пределами.

В процессе освоения раздела «Электричество» мы разработали интегративную модель обучения, в основе которой – личностно ориентированное обучение. По окончании изучения данного раздела целесообразно обобщить темы и рассмотреть практическое применение законов физики с использованием метода проектов.

В его основе – развитие познавательных процессов ученика, умений самостоятельно конструировать свои знания, ориентироваться в информационном пространстве. Добиться такого результата можно только тогда, когда у школьников будут сформированы самостоятельность мысли, умение находить и решать проблемы, привлекая для этого знания из разных предметных областей и сфер деятельности, способность прогнозировать результаты и возможные последствия вариантов решения, умение устанавливать причинно-следственные связи. Метод проектов направлен к тому, чтобы формировать у старшеклассников новый тип мышления – интегративное мышление.

При работе над проектом предусматривается объединение учащихся в творческие рабочие группы, специализирующиеся как:

1. Координатор (координация деятельности творческих групп).
2. Физики-теоретики (изучение и анализ раздела физики)
3. Физики-практики (формулировка и решение задач)
4. Биологи (изучение систем живых организмов)
5. Группа информационной поддержки (оформление слайдов, фотосъемка, компьютерная презентация проекта)

В ыходы:

1. Разработка внеурочного занятия «Электричество в живых организмах» (план-конспект).
2. Презентация проекта «Электричество в живых организмах» в общеобразовательном учреждении.
3. Фотоматериалы по проекту.

Этапы работы над проектом

1 ЭТАП: «Организационный»

ЗАДАЧИ: определение темы, уточнение целей, постановка задач, актуальность проблемы, выбор творческих рабочих групп и распределение в них ролей, определение источников информации, изучение методов и форм работы по уроку, выбор критериев оценки результатов.

УЧАСТНИКИ (ученики): организуются в рабочие группы, уточняют информацию, обсуждают задание, формируют задачи и способы взаимодействия, выбирают и обосновывают свои критерии успеха.

КООРДИНАТОР (учитель физики): мотивирует участников проекта, объясняет цели проекта, обсуждает методы и формы проведения урока, помогает в анализе, оговаривает сроки проведения выполнения заданий, наблюдает.

ФИЗИКИ-ТЕОРЕТИКИ: выявляют источники информации, обсуждают методическую литературу по физике.

ФИЗИКИ-ПРАКТИКИ: формулируют задачи, выявляют источники информации, обсуждают методическую литературу по физике.

БИОЛОГИ: выявляют источники информации, обсуждают методическую литературу по биологии.

МЕДИКИ: выявляют источники информации, обсуждают методическую литературу

Обсуждает формы выполнения компьютерной графики презентации проекта, создания в файлах иллюстративного материала, определяют все, что необходимо для фотоматериалов.

2 ЭТАП «Разработка проектного задания»

ЗАДАЧИ: сбор и уточнение информации, обсуждение альтернатив, выбор оптимального варианта, уточнение планов деятельности, выполнение проекта.

УЧАСТНИКИ (ученики): самостоятельная работа над заданием / индивидуальная, групповая, парная /, исследовательская деятельность по группам, работа над проектом.

КООРДИНАТОР: координирует деятельность творческих групп, выясняет круг людей, способных оказать методическую и техническую помощь в организации проекта.

ФИЗИКИ-ТЕОРЕТИКИ:

ФИЗИКИ-ПРАКТИКИ: Откуда же берется электричество?

БИОЛОГИ: Что такое, кем открыто, что собой представляют живые организмы, рассматривают строение клетки живых организмов и функции систем организмов дыхательной, кровеносной, нервной, опорно-двигательной.

МЕДИКИ: изучают вопросы влияния электрического тока на организмы, на нарушение функций дыхательной, кровеносной, нервной, опорно-двигательной систем.

ГРУППА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ: оформляют наглядный материал по физике, биологии в виде учебных таблиц, схем, рисунков; готовят компьютерную презентацию.

3 ЭТАП «Разработка проекта»

ЗАДАЧИ: выполнение проекта, обсуждение достигнутых результатов.

УЧАСТНИКИ (ученики): работа над проектом в группах.

КООРДИНАТОР: координирует деятельность творческих групп.

ФИЗИКИ-ТЕОРЕТИКИ: изучают и закрепляют знания законов физики:

ФИЗИКИ-ПРАКТИКИ: проверка экспериментально

БИОЛОГИ:

1. Земноводные.

МЕДИКИ: готовят информацию:

• последствия разрушения нервных клеток организма;
• рекомендации по сохранению здоровья человека.

ГРУППА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ: сканируют учебные схемы и рисунки с учебника биологии: Ведет подготовку к компьютерной презентации: набирает текст, вставляет отсканированный материал, оформляет слайды

4 ЭТАП «Оценка результатов»

ЗАДАЧИ: анализ выполнения проекта, обсуждение достигнутых результатов, анализ полноты достижения поставленной цели.

УЧАСТНИКИ (ученики): участвуют в коллективном самоанализе проекта, демонстрация проделанной самостоятельной работы.

КООРДИНАТОР: обсуждает презентацию проекта, формы показа, последовательность выступления, участников выступления, устанавливает регламент.

ТВОРЧЕСКАЯ ГРУППА в составе физиков-теоретиков, физиков-практиков, биологов, медиков: демонстрируют исследовательскую работу, репетируют предстоящую презентацию проекта.

ГРУППА ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ: обсуждение предстоящей презентации, показ слайдов.

5 ЭТАП «Защита проекта: проведение занятия «Электричество в живых организмах»

ЗАДАЧИ: Коллективная защита проекта: проведение урока ««Электричество в живых организмах»

УЧАСТНИКИ (ученики): участвуют в коллективном проведении урока «Электричество в живых организмах»

КООРДИНАТОР: наблюдает за ходом проведения урока, направляет ход урока.

Ход занятия

Учитель сообщает тему и цели занятия.

Биологи: Что такое, кем открыто, что собой представляют живые организмы?

Живые организмы - главный предмет изучения в биологии. Живые организмы не только вписались в существующий мир, но и изолировали себя от него при помощи специальных барьеров. Среда, в которой образовались живые организмы, является пространственно – временным континуумом событий, то есть совокупностью явлений физического мира, которая определяется характеристиками и положением Земли и Солнца. Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации. Самое общее их деление на ядерные и безъядерные. По числу составляющих организм клеток их делят на одноклеточные и многоклеточные. Особое место между ними занимают колонии одноклеточных.На все живые организмы, т.е. на растения и животные действуют абиотические факторы среды (факторы неживой природы), особенно температура, свет и увлажненность. В зависимости от влияния факторов неживой природы, растения и животных делят на различные группы и у них появляются приспособленности к влиянию этих абиотических факторов. Как уже было сказано, живые организмы распределяются на большое количество. Сегодня мы рассмотрим живые организмы, на разделе их на теплокровных и хладнокровных:

• с постоянной температурой тела (теплокровные);
• с непостоянной температурой тела (хладнокровные).

Организмы с непостоянной температурой тела (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся).

Организмы с постоянной температурой тела (птицы, млекопитающие).

Физики-теоретики: Что такое, кем открыто, что собой представляет электричество?

Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский. Он провел эксперимент, потер янтарь шерстью, после таких простых движений янтарь стал обладать свойством, притягивать мелкие предметы. Это свойство больше походит не на электрические заряды, а на магнетизм. Но в 1600 году Гильберт установил различие между этими двумя явлениями.

В 1747 - 53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.

Во 2-й половине 18 в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними.

Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в конце 18 в. Л. Гальвани "животного электричества"

Главным ученым в изучении электричества и электрических зарядов является Майкл Фарадей. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения. Также в 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. В 1833 - 34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии.

И так, что же такое электричество. Электричество - это совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Явление электричество можно встретить почти везде.

К примеру, если сильно потереть пластмассовую расческу о волосы, то к ней начнут прилипать кусочки бумаги. А если потереть о рукав воздушный шарик, то он прилипнет к стене. При трении янтаря, пластмассы и ряда других материалов в них возникает электрический заряд. Само слово «электрический» происходит от латинского слова electrum, означающего «янтарь».

Физики – практики: Откуда же берется электричество?

Все окружающие нас объекты содержат миллионы электрических зарядов, состоящих из частиц, находящихся внутри атомов - основы всей материи. Ядро большинства атомов включает два вида частиц: нейтроны и протоны. Нейтроны не имеют электрического заряда, в то время как протоны несут в себе положительный заряд. Вокруг ядра вращаются еще одни частицы - электроны, имеющие отрицательный заряд. Как правило, каждый атом имеет одинаковое количество протонов и электронов, чьи равные по величине, но противоположные заряды уравновешивают друг друга. В результате мы не ощущаем никакого заряда, а вещество считается незаряженным. Однако, если мы каким-либо образом нарушим это равновесие, то данный объект будет обладать общим положительным или отрицательным зарядом в зависимости от того, каких частиц в нем останется больше - протонов или электронов.

Электрические заряды влияют друг на друга. Положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу, а два отрицательных или два положительных заряда отталкиваются друг от друга.

Опыт: Если поднести к предмету отрицательно заряженную леску, отрицательные заряды предмета переместятся на другой его конец, а положительные заряды, наоборот, переместятся поближе к леске. Положительные и отрицательные заряды лески и предмета притянут друг друга, и предмет прилипнет к леске. Этот процесс называется электростатической индукцией, и о предмете говорят, что он попадает в электростатическое поле лески.

Физики-теоретики: Чем связаны физика и живые организмы?

Понимание сущности жизни, ее возникновения и эволюции определяет все будущее человечества на Земле как вида живого. Конечно, в настоящее время накоплен огромный материал, осуществляется его тщательное изучение, особенно в области молекулярной биологии и генетики, есть схемы или модели развития, есть даже практическое клонирование человека.

Более того, биология сообщает множество интересных и важных подробностей живых организмах, упуская что-то принципиальное. Само слово «физика», по Аристотелю, означает «физис» - природа. Действительно, вся материя Вселенной, а следовательно мы сами, состоит из атомов и молекул, для которых уже получены количественные и в целом правильные законы их поведения, в том числе и на квантово-молекулярном уровне.

Тем более, что физика была и остается важным фактором общего развития изучения живых организмов в целом. В этом смысле физика как феномен культуры, а не только как область знания, создает наиболее близкое для биологии социокультурное понимание. Вероятно, именно в физическом познании отражены стили мышления. Логико-методологические аспекты познания и самой естественной науки, как известно, почти целиком основаны на опыте физических наук.

Поэтому задача научного познания живого, может быть, и состоит в обосновании возможности применения физических моделей и представлений к определению развития природы и общества также на основе физических закономерностей и научного анализа получаемых знаний о механизме процессов в живом организме. Как говорил еще 25 лет тому назад М.В. Волькенштейн, «в биологии как науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».

Биологи: Электричество в различных классах живых организмах

В конце XVIII века знаменитые ученые Гальвани и Вольта обнаружили электричество у животных. Первыми животными, на которых ученые делали опыт, чтобы подтвердить свое открытие, были лягушки. На клетку воздействуют различные факторы внешней среды - раздражители: физические - механические, температурные, электрические;

Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб. Рассмотрим явление электричество у теплокровных живых организмах.

РЫБЫ

В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические.

К первым относятся пресноводные южноамериканские электрические

угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты.

Эти рыбы генерируют очень мощные разряды: угри, например, напряжением до 600 вольт, сомы - 350. Напряжение тока крупных морских скатов невысоко, поскольку морская вода является хорошим проводником, но сила тока их разрядов, например ската Торпедо, достигает иногда 60 ампер.

Рыбы второго типа, например, мормирус и другие представители отряда клюворылообразных не излучают отдельных разрядов. Они посылают в воду серии почти непрерывных и ритмичных сигналов (импульсов) высокой частоты, этого поля проявляется в виде так называемых силовых линий. Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводности от воды, конфигурация поля изменяется: предметы с большей проводимостью сгущают вокруг себя силовые лилии, а с меньшей - рассредоточивают. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства рыб в области головы, и определяют местонахождение объекта. Таким образом эти рыбы осуществляют подлинную электрическую локацию.

Почти все они охотятся преимущественно ночью. Некоторые из них обладают плохим зрением, поэтому в процессе длительной эволюции и выработался у этих рыб такой совершенный способ для обнаружения на расстоянии пищи, врагов, различных предметов.

Физики – практики : Приемы, используемые электрическими рыбами при ловле добычи и обороне от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска и обнаружения, которые работали бы по образцу и подобию электролокаторов, созданных в мастерской природы. Учеными многих стран ведется упорная работа по созданию подобной аппаратуры.

ЗЕМНОВОДНЫЕ

Для изучения протекания электричества в земноводных возьмем опыт Гальвани. В своих опытах он использовал задние лапки лягушки, соединенные с позвоночником. Подвешивая эти препараты на медном крючке к железным перилам балкона, он обратил внимание, что, когда конечности лягушки раскачивались ветром, их мышцы сокращались при каждом прикосновении к перилам. На основании этого Гальвани пришел к выводу, что подергивания лапок были вызваны «животным электричеством», зарождающимся в спинном мозге лягушки и передаваемым по металлическим проводникам (крючку и перилам балкона) к мышцам конечностей. Против этого положения Гальвани о «животном электричестве» выступил физик Александр Вольта. В 1792 г. Вольта повторил опыты Гальвани и установил, что эти явления нельзя считать «животным электричеством». В опыте Гальвани источником тока служил не спинной мозг лягушки, а цепь, образованная из разнородных металлов – меди и железа. Вольта был прав. Первый опыт Гальвани не доказывал наличия «животного электричества», но эти исследования привлекли внимание ученых к изучению электрических явлений в живых организмах. В ответ на возражение Вольта Гальвани произвел второй опыт, уже без участия металлов. Конец седалищного нерва он набрасывал стеклянным крючком на мышцу конечности лягушки – и при этом также наблюдалось сокращение мышцы.

Физики-практики:

Задача 1. Смерть человека может наступить при силе тока 0,1А. Какое этому соответствует смертельное напряжение. Если сопротивление тела человека 100000 Ом (1500 Ом).

Задача №2. Какой ток в осветительной сети напряжением 220 В, если сопротивление тела человека 100000 Ом (1500 Ом).

Задача №3. Так, гигантский электрический скат создает напряжение (в разряде) 50-60 В, нильский электрический сом – 350 В, а угорь – электрофорус – свыше 500 В.

Вывод: Смерть человека может наступить при высоком напряжении и большом сопротивлении, так и при низком напряжении и малом сопротивлении. Следовательно, все зависит от состояния кожи.

Вывод:

1. При большом сопротивлении тела человека наступит сильное дрожание пальцев рук.
2. При малом сопротивлении тела человека наступит смерть.

Вывод: При постоянном токе человек с малым сопротивлением почувствует сильное жжение руки, а человек с большим сопротивление ничего не почувствует.

Биологи напоминают, что функции всех систем организма человека находятся под контролем нервной системы. Нервная ткань состоит из 14 млрд. нервных клеток. Если разрушить нервную клетку, то она не восстанавливается (в отличие, например, от мышечной ткани).

Медики констатируют, что к разрушению нервных клеток приводят стрессы, инфекционные болезни, нервные потрясения. Люди должны относятся друг к другу сочувственно, бережно, с уважением и любовью и помнить, что разрушение нервных клеток – процесс необратимый.

Физики-теоретики. В живом организме осуществляется и ионная проводимость. Образованию и разделению ионов в живом веществе способствует наличие воды в белковой системе. От него зависит диэлектрическая постоянная белковой системы.

Носителями зарядов в этом случае являются ионы водорода - протоны. Только в живом организме все виды проводимости реализуются одновременно.

Соотношение между разными проводимостями меняется в зависимости от количества воды в белковой системе. Сегодня люди еще не знают всех свойств комплексной электропроводности живого вещества. Но ясно то, что именно от них зависят те принципиально отличные свойства, которые присущи только живому.

На клетку воздействуют различные факторы внешней среды - раздражители: физические - механические, температурные, электрические.

Учитель подводит итог занятия.

6 ЭТАП «Рефлексия»

ЗАДАЧИ: коллективный анализ проведения занятия, оценка занятия.

КООРДИНАТОР: участвует в коллективном анализе и оценке результатов проекта. Для себя делает вывод, что при этом методе развиваются диалектическое и системное мышление учащихся, гибкость ума, умение переносить и обобщать знания из разных предметов.

ТВОРЧЕСКАЯ ГРУППА в составе физиков-теоретиков, физиков-практиков, биологов, медиков, группы информационной поддержки: анализируют и оценивают результаты проекта. Делают вывод, что такие занятия, на которых используются межпредметные связи, нравятся учащимся.

Проекты Учащихся

1. Электрический угорь (лат. Electrophorus electricus) - рыба из отряда карпообразных, подотряда гимнотовидных, единственный вид рода Electrophorus.Населяют реки северо-восточной части Южной Америки и притоки среднего и нижнего течения Амазонки.Длина от 1 до 3 м, вес до 40 кг. Кожа у электрического угря голая, без чешуи, тело сильно удлинённое, округлое в передней части и несколько сжатое с боков в задней части. Окраска взрослых электрических угрей оливково-коричневая, нижняя сторона головы и горла ярко-оранжевая, край анального плавника светлый, глаза изумрудно-зелёные. Интересно развитие у электрического угря в ротовой полости особых участков сосудистой ткани, которые позволяют ему усваивать кислород непосредственно из атмосферного воздуха. Для захватывания новой порции воздуха, угорь должен подниматься к поверхности воды по крайней мере один раз в пятнадцать минут, но обычно он проделывает это несколько чаще. Если рыбу лишить такой возможности, то она погибнет. Способность электрического угря использовать для дыхания атмосферный кислород позволяет ему в течение нескольких часов находиться вне воды, но только в том случае, если его тело и ротовая полость остаются влажными. Эта особенность обеспечивает повышенную выживаемость угрей в неблагоприятных условиях существования.

О размножении электрических угрей почти ничего не известно[источник не указан 465 дней]. Электрические угри неплохо приживаются в неволе и часто служат украшением больших публичных аквариумов. Эта рыба представляет опасность при непосредственном контакте с ней. Интересным в структуре электрических угрей являются электрические органы, которые занимают более 2/3 длины тела[источник не указан 465 дней]. Генерирует разряд напряжением до 1300 В и силой тока до 1 A. Положительный заряд находится в передней части тела, отрицательный - в задней. Электрические органы используются угрём для защиты от врагов и для парализации добычи, которую составляют в основном некрупные рыбы. Есть так же дополнительный электрический орган, который играет роль локатора.

2. Электри́ческие ска́ты (лат. Torpediniformes) - отряд хрящевых рыб, у которых по бокам расположены почкообразные электрические органы. У них, однако, отсутствуют слабые электрические органы, имеющиеся в наличии у семейства ромбовых по обе стороны хвоста. Голова и туловище образуют дискообразную форму. Относительно короткий хвост имеет хвостовой плавник, а также до двух верхних плавников. В отряде числятся 4 семейства и 69 видов. Электрические скаты известны своей способностью производить электрический заряд, напряжение которого (в зависимости от вида) колеблется от 8 до 220 вольт. Скаты используют его в обороне и могут оглушить врага. Скаты - превосходные пловцы. Благодаря округлому телу они буквально парят в воде, могут подолгу плавать в поисках пищи, не затрачивая больших усилий.

Взаимоотношения с человеком. Электрогенные свойства электрических скатов использовались издавна. Древние греки использовали их для обезболивания при операциях и деторождении.

Биоэлектричество . Среди живых организмов электрические скаты известны своей электрочувствительностью, а также глазами, расположенными сверху головы. Имея крайне слабое зрение, они компенсируют это другими чувствами, включая обнаружение электричества. Многие скаты, даже не относящиеся к семейству электрических, имеют электрические органы, расположенные на хвосте, однако электрические скаты имеют ещё два органа с каждой стороны головы, там, где струя воды при движении создает подъёмную силу, заставляя тело всплывать. Эти органы управляются четырьмя центральными нервами с каждой стороны электрической доли или специальной мозговой доли, цвет которой отличается от цвета других частей мозга. Главный нервный канал соединён с нижней частью каждой пластины-аккумулятора, которая образована гексагональными колоннами и имеет сотовидную структуру: каждая колонна содержит от 140 тысяч до полумиллиона студенистых пластинок. У морских рыб эти аккумуляторы соединены параллельно, а у пресноводных - последовательно: с передачей заряда высокого напряжения соленая вода справляется лучше пресной. С помощью этих аккумуляторов обычный электрический скат может убить довольно крупную добычу силой тока в 30 ампер при напряжении 50-200 вольт.

3. Электрический сом. Это довольно крупная рыба: длина отдельных особей превышает 1 метр. Масса крупной особи может достигать 23 кг. Тело вытянутое. Голова несёт три пары усиков. Глаза маленькие, светящиеся в темноте. Окраска довольно пёстрая: тёмно-коричневая спина, буроватые бока и желтоватое брюхо. По телу разбросаны многочисленные тёмные пятна, грудные и брюшные плавники розовые, хвостовой плавник с тёмным основанием и широкой красной или оранжево-красной оторочкой. Спинного плавника у электрического сома нет. Грудные плавники не имеют колючек.

Электрический орган . Главной особенностью электрического сома является наличие электрических органов, расположенных по всей поверхности тела, непосредственно под кожей. Они составляют 1/4 массы сома. Средний по размерам сом (50 см) способен вырабатывать напряжение, достигающее 350 В; крупные особи - до 450 В при силе тока 0,1-0,5А - это даёт основание относить электрического сома к сильноэлектрическим рыбам.

Соединительные ткани служат в качестве своего рода перегородок для разделения электрического органа на несколько столбиков, составленных из большого количества мышечных, нервных и железистых клеток дискообразной формы, называемых электроцитами или электрическими пластинками, мембраны которых являются электрическими генераторами. У электрического сома насчитывается около 2 млн электроцитов. Их связь с нервной системой осуществляется через ответвления одной большой нервной клетки в спинном мозге. В столбиках электроциты расположены таким образом, что на лицевой стороне одного электроцита находится обратная сторона другого. Противоположные стороны электроцита электрически полярны, за счёт чего связь электроцитов представляет собой последовательное электрическое соединение. Таким образом, достигается значительное увеличение общего напряжения разряда.

Ареал. Электрического сома можно найти в мутной воде в прибрежных районах водоёмов и рек тропической и субтропической Африки; предпочитает водоёмы с медленным течением. Согласно Поллу и Госсе (1969), самцы и самки осваивают гнёзда в ямах, выкопанных на отмели в воде глубиной от 1 до 3 метров. Размер самого гнезда не превышает 3 метров в длину.

Образ жизни и питание . Электрический сом - малоподвижная всеядная рыба. Охотится ночью: максимальная степень активности наблюдается через 4-5 часов после заката.] Во время ночной охоты он активно ощупывает усиками находящиеся вблизи предметы, генерируя при этом мощные разряды: он может производить более 100 разрядов в секунду. Когда запасы электроэнергии у него истощаются, он «отдыхает». Электрические органы служат сому не только для ориентации в пространстве: поражающей силы электрических разрядов достаточно для того, чтобы парализовать или даже убить малых и средних по размерам рыб, которыми электрический сом и питается. Электрическое поле вокруг сома приводит также к электролизу воды, в результате которого происходит обогащение воды кислородом, что приманивает рыб и лягушек, облегчая тем самым электрическому сому поиски жертв. Электрический сом является территориальной рыбой, агрессивно обороняющейся от любого рода вторжений.

Размножение . Половой диморфизм у электрических сомов не выражен. Условия размножения изучены плохо.] Относительно этого вопроса существуют только предположительные версии. По мнению арабов, живущих на берегах Нила, он рождает живых детёнышей, причём мечет их через рот (по некоторой аналогии с ланцетником, который мечет свои яйца через рот, и с Chromis multicolor, которая развивает икру в своей гортани и затем уже совсем развившихся рыбок выбрасывает изо рта). Согласно другой версии, самка сома роет ямку и, закончив, начинает издавать своего рода звуки (см. также утверждение Соренсена ниже), чтобы привлечь самца. Когда же последний приблизится, кладёт в неё икру и ждёт, чтобы самец её оплодотворил, а затем тотчас же его прогоняет и, прикрыв икру телом, сидит над ней до тех пор, пока из неё не выклюнутся мальки. Версии эти не подкреплены никакими доказательствами. Ни одному исследователю не довелось быть наблюдателем нереста электрического сома. Многочисленные попытки совмещения в аквариуме самца и самки оказывались неудачными, поскольку уже через неделю в живых оставалась только одна особь Все попадающие в неволю электрические сомы отловлены в дикой природе.

Охранный статус. Согласно CITES и IUCN, существование электрического сома не подвергается угрозе. Плотность расселения рыбы достаточно высока. В некоторых областях она равна одному сому на 10 м², а в озере Танганьика - одному сому на 2-3 м². Такой высокий показатель объясняется тем, что электрический сом способен защититься практически от любого хищника. Некоторую опасность для сома представляет только человек и африканская тигровая рыба.

Электрический сом и человек.Применение человеком

Некоторые свойства электрического сома - в первую очередь, электрические - находят своё применение в различных сферах жизни.

Народная медицина

Жители Египта и экваториальной Африки с давних пор используют электрические свойства сома в народной медицине. В «Открытых тайнах древних магиков и чародеев» Галле пишет: Абиссинцы излечают трех и четверодневную лихорадку судорожною и сотрясающею рыбою. Они развязывают больного крепко на столе, касаются всем частям его тела судорожною рыбою, умножают в нем лихорадку, и оставляют дрожать, пока лихорадка пройдет.

Существуют указания, что местные жители используют эту рыбу как своеобразный физиотерапевтический метод для лечения ревматизма. Прикладывать электрическую рыбу к телу больного рекомендовал и знаменитый древнеримский врач Гален. Некоторые исследователи сообщают, что туземцы Африки издавна используют электрического сома для общего укрепления организма своих детей: заставляют детей прикасаться к нему; помещают их в бочку с водой с рыбой; дают пить в больших количествах воду, в которой находилась рыба. Имеются сведения, что в лечебных целях используются не только электрические свойства: туземцы Африки и арабы вырезают электрический орган сома, сжигают его на угольях и этим дымом окуривают больных.

Нанесение физического вреда

Имеются сведения, что сильноэлектрические рыбы (включая и электрического сома) под видом лечения применялись для нанесения вреда человеку, например, для наказания не́мощных рабов. Если раб чувствовал немощность, болезнь и не мог более работать, то в целях «исцеления» его помещали в бочку с водой с сильноэлектрической рыбой, что, по всей вероятности, давало больному дополнительную мотивацию к выздоровлению и возвращению в рабочий коллектив. Впрочем, злой умысл рабовладельцев стоит под сомнением, поскольку подобное лечение практиковалось на всех, включая детей.

Электрических сомов содержат в аквариуме из эстетических соображений, а также в целях их изучения. Совмещать при этом в одном аквариуме электрического сома с другими рыбами представляется проблематичным, поскольку последние подвергаются постоянной опасности получить электрический удар. Некоторые любители-аквариумисты утверждают, что с течением времени электрический сом может сделаться «ручным»: так, например, если до рыбы попытается дотронуться посторонний, то она немедленно ударит его током; если же до рыбы касается человек, к которому она «привыкла», то удара не последует.

Использование в научных исследованиях

Электрические органы сома были использованы в научных исследованиях нейронного метаболизма, аксонального транспорта и секреции медиатора, так как являлись наиболее подходящими для этой задачи за счёт своей способности к иннервации посредством лишь одного большого нейрона (Фолькнандт и Циммерман, 1986; Янецко, 1987).

Электрический сом, обитающий в реке Огба (Нигерия), наряду с Chrysichthys nigrodigitatus был использован в исследовании загрязнённости этой реки тяжёлыми металлами (Obasohan, Oronsaye, Obano, 2006). Причина выбора именно этих рыб заключалась в их многочисленности и распространённости в качестве пищи для местного населения.

Опасность для человека

Для человека электрический сом может представлять некоторую опасность. Известны случаи электрического шока, когда человек наступал босой ногой на сома. Однако у того же Галле можно найти следующее: Между тем один негр брал рыбу в присутствии Кемпферовом очень смело и без всякого вреда. Кемпфер исследовал тайну: он и другие нашли, что можно это оглушение учинить недействующим, удерживая дыхание во время прикосновения.

Впрочем, подобное объяснение не может претендовать на серьёзность. Ещё Альфред Брем указывал, что сила заряда зависит от состояния рыбы и что в отдельных случаях сома можно взять совершенно безнаказанно. Наибольшую опасность электрический сом представляет для рыбаков. Пехуэль-Леше сообщает: Рыбаку она доставляет большие затруднения, так как он ловит её без удилища и не любит отпускать леску, потому что при этом он может потерять столь ценный для него крючок. Линдер в своей фактории убедился, что, видимо, даже заснувшая крупная рыба этого вида силой своего удара может свалить на землю неосторожного рыбака, и наблюдал, как один неопытный европеец был проучен рыбой минут через десять как раз таким образом.

В Древнем Египте электрический сом был известен даже как «тот, кто спас многих». Поводом для такого титула, по-видимому, послужил тот факт, что неопытные египетские рыбаки, получив электрический удар от мокрой сети, выпускали её из рук и лишались своего улова. Опытные же рыбаки, увидев среди улова электрического сома, целенаправленно вытряхивали всех пойманных рыб обратно в море, опасаясь получить электрический удар.

Интересные факты

В Древнем Египте электрического сома изображали на стенах храмов более 4000 лет до нашей эры (по другим данным, более 5000 лет до нашей эры.

В Египте сома называют «рааш», что созвучно арабскому слову «раад» (гром). Возможно, это указывает на то, что жители Нильской долины знали об электрической природе молнии задолго до Франклина. Впрочем, специалисты указывают на разную этимологию слов и, тем самым, на неправомерность обозначенного вывода. Соренсен утверждал (1894), что электрический сом способен издавать шипение, подобное шипению кошки. Однако это утверждение до сих пор не подкреплено соответствующими доказательствами.

Электрический сом изображён на некоторых почтовых марках Заира, Кот-д’Ивуара, Уганды, Гамбии, Мали и Нигерии

«Электричество в живых организмах»

Что такое, кем открыто, что собой представляет электричество

Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский. Он провел эксперимент, потер янтарь шерстью, после таких простых движений янтарь стал обладать свойством, притягивать мелкие предметы. Это свойство больше походит не на электрические заряды, а на магнетизм. Но в 1600 году Гильберт установил различие между этими двумя явлениями.

В 1747 - 53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрёл молниеотвод.

Во 2-й половине 18 в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений. Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основной закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними.

Следующий этап в развитии науки об Э. связан с открытием в конце 18 в. Л. Гальвани "животного электричества"

Главным ученым в изучении электричества и электрических зарядов является Майкл Фарадей. С помощью опытов он доказал, что действия электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения. Также в 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждение электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. В 1833 - 34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии.

И так, что же такое электричество. Электричество - это совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Явление электричество можно встретить почти везде.

К примеру, если сильно потереть пластмассовую расческу о волосы, то к ней начнут прилипать кусочки бумаги. А если потереть о рукав воздушный шарик, то он прилипнет к стене. При трении янтаря, пластмассы и ряда других материалов в них возникает электрический заряд. Само слово «электрический» происходит от латинского слова electrum, означающего «янтарь».

Откуда же берется электричество

Все окружающие нас объекты содержат миллионы электрических зарядов, состоящих из частиц, находящихся внутри атомов - основы всей материи. Ядро большинства атомов включает два вида частиц: нейтроны и протоны. Нейтроны не имеют электрического заряда, в то время как протоны несут в себе положительный заряд. Вокруг ядра вращаются еще одни частицы - электроны, имеющие отрицательный заряд. Как правило, каждый атом имеет одинаковое количество протонов и электронов, чьи равные по величине, но противоположные заряды уравновешивают друг друга. В результате мы не ощущаем никакого заряда, а вещество считается незаряженным. Однако, если мы каким-либо образом нарушим это равновесие, то данный объект будет обладать общим положительным или отрицательным зарядом в зависимости от того, каких частиц в нем останется больше - протонов или электронов.

Электрические заряды влияют друг на друга. Положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу, а два отрицательных или два положительных заряда отталкиваются друг от друга. Если поднести к предмету отрицательно заряженную леску, отрицательные заряды предмета переместятся на другой его конец, а положительные заряды, наоборот, переместятся поближе к леске. Положительные и отрицательные заряды лески и предмета притянут друг друга, и предмет прилипнет к леске. Этот процесс называется электростатической индукцией, и о предмете говорят, что он попадает в электростатическое поле лески.

Что такое, кем открыто, что собой представляют живые организмы

Живые организмы - главный предмет изучения в биологии. Живые организмы не только вписались в существующий мир, но и изолировали себя от него при помощи специальных барьеров. Среда, в которой образовались живые организмы, является пространственно – временным континуумом событий, то есть совокупностью явлений физического мира, которая определяется характеристиками и положением Земли и Солнца.

Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации. Самое общее их деление на ядерные и безъядерные. По числу составляющих организм клеток их делят на одноклеточные и многоклеточные. Особое место между ними занимают колонии одноклеточных.

На все живые организмы, т.е. на растения и животные действуют абиотические факторы среды (факторы неживой природы), особенно температура, свет и увлажненность. В зависимости от влияния факторов неживой природы, растения и животных делят на различные группы и у них появляются приспособленности к влиянию этих абиотических факторов.

Как уже было сказано, живые организмы распределяются на большое количество. Сегодня мы рассмотрим живые организмы, на разделе их на теплокровных и хладнокровных:

с постоянной температурой тела (теплокровные);

с непостоянной температурой тела (хладнокровные).

Организмы с непостоянной температурой тела (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся). Организмы с постоянной температурой тела (птицы, млекопитающие).

Чем связаны физика и живые организмы

Понимание сущности жизни, ее возникновения и эволюции определяет все будущее человечества на Земле как вида живого. Конечно, в настоящее время накоплен огромный материал, осуществляется его тщательное изучение, особенно в области молекулярной биологии и генетики, есть схемы или модели развития, есть даже практическое клонирование человека.

Более того, биология сообщает множество интересных и важных подробностей живых организмах, упуская что-то принципиальное. Само слово «физика», по Аристотелю, означает «физис» - природа. Действительно, вся материя Вселенной, а следовательно мы сами, состоит из атомов и молекул, для которых уже получены количественные и в целом правильные законы их поведения, в том числе и на квантово-молекулярном уровне.

Тем более, что физика была и остается важным фактором общего развития изучения живых организмов в целом. В этом смысле физика как феномен культуры, а не только как область знания, создает наиболее близкое для биологии социокультурное понимание. Вероятно, именно в физическом познании отражены стили мышления. Логико-методологические аспекты познания и самой естественной науки, как известно, почти целиком основаны на опыте физических наук.

Поэтому задача научного познания живого, может быть, и состоит в обосновании возможности применения физических моделей и представлений к определению развития природы и общества также на основе физических закономерностей и научного анализа получаемых знаний о механизме процессов в живом организме. Как говорил еще 25 лет тому назад М.В. Волькенштейн, «в биологии как науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».

Электричество в различных классах живых организмах

В конце XVIII века знаменитые ученые Гальвани и Вольта обнаружили электричество у животных. Первыми животными, на которых ученые делали опыт, чтобы подтвердить свое открытие, были лягушки. На клетку воздействуют различные факторы внешней среды - раздражители: физические - механические, температурные, электрические;

Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб. Рассмотрим явление электричество у теплокровных живых организмах.

В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические. К первым относятся пресноводные южноамериканские электрические угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты. Эти рыбы генерируют очень мощные разряды: угри, например, напряжением до 600 вольт, сомы - 350. Напряжение тока крупных морских скатов невысоко, поскольку морская вода является хорошим проводником, но сила тока их разрядов, например ската Торпедо, достигает иногда 60 ампер.

Рыбы второго типа, например, мормирус и другие представители отряда клюворылообразных не излучают отдельных разрядов. Они посылают в воду серии почти непрерывных и ритмичных сигналов (импульсов) высокой частоты, этого поля проявляется в виде так называемых силовых линий. Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводности от воды, конфигурация поля изменяется: предметы с большей проводимостью сгущают вокруг себя силовые лилии, а с меньшей - рассредоточивают. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства рыб в области головы, и определяют местонахождение объекта. Таким образом эти рыбы осуществляют подлинную электрическую локацию.

Почти все они охотятся преимущественно ночью. Некоторые из них обладают плохим зрением, поэтому в процессе длительной эволюции и выработался у этих рыб такой совершенный способ для обнаружения на расстоянии пищи, врагов, различных предметов.

Приемы, используемые электрическими рыбами при ловле добычи и обороне от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска и обнаружения, которые работали бы по образцу и подобию электролокаторов, созданных в мастерской природы. Учеными многих стран ведется упорная работа по созданию подобной аппаратуры.

ЗЕМНОВОДНЫЕ

Для изучения протекания электричества в земноводных возмем опыт Гальвани. В своих опытах он использовал задние лапки лягушки, соединенные с позвоночником. Подвешивая эти препараты на медном крючке к железным перилам балкона, он обратил внимание, что, когда конечности лягушки раскачивались ветром, их мышцы сокращались при каждом прикосновении к перилам. На основании этого Гальвани пришел к выводу, что подергивания лапок были вызваны «животным электричеством», зарождающимся в спинном мозге лягушки и передаваемым по металлическим проводникам (крючку и перилам балкона) к мышцам конечностей. Против этого положения Гальвани о «животном электричестве» выступил физик Александр Вольта. В 1792 г. Вольта повторил опыты Гальвани и установил, что эти явления нельзя считать «животным электричеством». В опыте Гальвани источником тока служил не спинной мозг лягушки, а цепь, образованная из разнородных металлов – меди и железа. Вольта был прав. Первый опыт Гальвани не доказывал наличия «животного электричества», но эти исследования привлекли внимание ученых к изучению электрических явлений в живых организмах. В ответ на возражение Вольта Гальвани произвел второй опыт, уже без участия металлов. Конец седалищного нерва он набрасывал стеклянным крючком на мышцу конечности лягушки – и при этом также наблюдалось сокращение мышцы. В живом организме осуществляется и ионная проводимость.

Образованию и разделению ионов в живом веществе способствует наличие воды в белковой системе. От него зависит диэлектрическая постоянная белковой системы.

Носителями зарядов в этом случае являются ионы водорода - протоны. Только в живом организме все виды проводимости реализуются одновременно.

Соотношение между разными проводимостями меняется в зависимости от количества воды в белковой системе. Сегодня люди еще не знают всех свойств комплексной электропроводности живого вещества. Но ясно то, что именно от них зависят те принципиально отличные свойства, которые присущи только живому.

На клетку воздействуют различные факторы внешней среды - раздражители: физические - механические, температурные, электрические.

Человечество пыталось логично объяснить различные электрические явления, примеры которых они наблюдали в природе. Так, в древности молнии считались верным признаком гнева богов, средневековые мореплаватели блаженно трепетали перед огнями святого Эльма, а наши современники чрезвычайно боятся встречи с шаровыми молниями.

Всё это - электрические явления. В природе всё, даже мы с вами, несёт в себе Если объекты с большими зарядами разной полярности сближаются, то возникает физическое взаимодействие, видимым результатом которого становится окрашенный, как правило, в жёлтый или фиолетовый цвет поток холодной плазмы между ними. Её течение прекращается, как только заряды в обоих телах уравновешиваются.

Самые распространённые электрические явления в природе - молнии. Ежесекундно в поверхность Земли их ударяет несколько сотен. Молнии выбирают своей целью, как правило, отдельностоящие высокие объекты, поскольку, согласно физическим законам, для передачи сильного заряда требуется кратчайшее расстояние между грозовым облаком и поверхностью Земли. Чтобы обезопасить здания от попадания в них молний, их хозяева устанавливают на крышах громоотводы, которые представляют собой высокие металлические конструкции с заземлением, что при попадании молний позволяет отводить весь разряд в почву.

Ещё одно электрическое явление, природа которого очень долгое время оставалась неясной. Имели с ним дело в основном моряки. Проявляли огни себя следующим образом: при попадании корабля в грозу вершины его мачт начинали полыхать ярким пламенем. Объяснение явлению оказалось очень простым - основополагающую роль играло высокое напряжение электромагнитного поля, что всякий раз наблюдается перед началом грозы. Но не только моряки могут иметь дело с огнями. Пилоты крупных авиалайнеров также сталкивались с этим явлением, когда пролетали сквозь облака пепла, подброшенного в небо извержениями вулканов. Огни возникают от трения частиц пепла об обшивку.

И молнии, и огни святого Эльма - это электрические явления, которые видели многие, а вот с столкнуться удавалось далеко не каждому. Их природа так и не изучена до конца. Обычно очевидцы описывают шаровую молнию как яркое светящееся образование шарообразной формы, хаотично перемещающееся в пространстве. Три года назад была выдвинута теория, которая поставила под сомнение реальность их существования. Если ранее считалось, что разнообразные шаровые молнии - это электрические явления, то теория предположила, что они являются не чем иным, как галлюцинациями.

Есть ещё одно явление, имеющее электромагнитную природу - северное сияние. Оно возникает вследствие воздействия солнечного ветра на верхние Северное сияние похоже на всполохи самых разных цветов и фиксируется, как правило, в довольно высоких широтах. Есть, конечно, и исключения - если достаточно высока, то сияние могут видеть в небе и жители умеренных широт.

Электрические явления являются довольно интересным объектом исследования для физиков по всей планете, так как большинство из них требует подробного обоснования и серьёзного изучения.