Билеты 4, 8, 24

Электродинамика

Тексты с описанием различных физических явлений или процессов, наблюдаемых в природе или в повседневной жизни

Билеты 4, 8, 24

1. Среди вечных полярных льдов тоже существует жизнь. В различных районах Арктики и Антарктики, в вечных снегах высочайших горных массивов обнаружены микроскопические одноклеточные водоросли, которые назвали «хламидомонада снежная». Для того чтобы хламидомонада развивалась нужно очень много солнечного света и достаточно холодная погода. Уже при температуре + 4 ⁰C хламидомонада погибает от «жары».

Долгое время учёных мучила загадка: как удаётся снежным водорослям поддерживать высокий уровень обмена веществ и размножаться при низких температурах? Откуда они черпают для этого энергию? Таким свойством не обладают другие организмы на нашей планете. Недавно выяснилось, что снежные водоросли сами создают для себя благоприятную обстановку. В солнечную погоду тёмные скопления водорослей нагреваются, снег вокруг них тает, образуется ямка. Вода на поверхности ямки замерзает, получается маленький парничек с температурой около 0⁰ C.

Но не только повышение температуры до нуля градусов обеспечивает водорослям благоприятные условия существования. Учёные предполагают, что хламидомонады снабжены устройством, работающим аналогично полупроводниковым электрическим батареям. Для получения электрического тока необходимо, чтобы одна часть полупроводникового прибора была нагрета, а другая охлаждена. Чем значительнее будет отличаться их температура, тем больше будет получено электроэнергии. У снежных водорослей происходит то же самое. Одна сторона нагревается солнцем, другая сильно охлаждается. Видимо, это и обеспечивает водоросли необходимой для их жизнедеятельности энергией.

 

2. Издавна повелось сравнивать хитроумные творения природы с более простыми и понятными выдумками человеческого гения. Такие сопоставления помогают учёным нагляднее представлять многие сложнейшие явления. Неудивительно, что ещё в прошлом веке заметили аналогию при передаче информации по нервам, как по проводам.

Раздражение любых органов чувств преобразуется в электрические импульсы и в таком виде попадает в мозг. Да и в мозгу вся информация, циркулирующая между различными его отделами, передаётся в виде импульсов. Электрические импульсы распространяются очень медленно: в нервной сети млекопитающих всего со скоростью 0, 5 – 100 м/с. Напомним, что электрический ток – упорядоченное движение электронов. И хотя сами электроны движутся со скоростью один миллиметр в секунду, электромагнитное поле, которое вызывает их движение, распространяется почти со скоростью света. Поэтому, если в Москве на электрический кабель подать напряжение, на другом его конце, во Владивостоке, за 10 тысяч километров от Москвы, электроны придут в движение уже через 1/30 секунды.

 

3. Сопротивление отдельных нервных волокон, составляющих нервный ствол, очень велико. Один метр нервного волокна имеет такое же сопротивление, как 16 миллиардов километров обычного медного провода, и возбуждение распространяется не за счёт энергии рецептора или нервного центра, а за счёт энергии, вырабатываемой самим нервом. Нервы состоят из волокон диаметром ничтожно малым по сравнению с его длиной, всего 0,1 – 10 микрон. В нервной сети различают два вида волокон: тонкие – голые, одетые лишь тончайшей, невидимой в оптический микроскоп оболочкой, и мякотные, покрытые толстой миелиновой оболочкой.

Собственная тонкая оболочка нервного волокна проницаема для катионов калия и водорода, служит преградой для более крупных катионов натрия, не пропускает анионы. Так как ионов калия в 20 раз больше, чем натрия и хлора, то катионы калия устремляются наружу и создают на внешней поверхности нервного волокна положительный заряд. Анионы скапливаются на внутренней поверхности, создавая отрицательный заряд. Разность этих зарядов, или потенциал покоя, равна 50 -70 милливольтам.

Потенциал покоя сохраняется до тех пор, пока на каком- либо участке нервного волокна не возникло возбуждение. В случае наличия раздражения проницаемость мембраны немедленно меняется, она начинает пропускать ионы натрия внутрь, оболочка волокна перезаряжается. Становится электроотрицательной снаружи и электроположительной внутри. В результате два соседних участка оказываются противоположно заряженными, возникает электрический ток, возникает электрический импульс, который вызовет возбуждение следующего участка и т. д.; процесс повторится бесконечное число раз. Таким образом, осуществляется процесс прохождения по волокну нервного импульса. Нервный импульс – это движение возбудительного процесса вдоль нервного волокна, сопровождаемое возникновением электрического тока.

 

4. Только сравнительно недавно была разгадана удивительная тайна морских скатов, американских угрей, африканских сомов – рыб, которые оказались живыми подводными электростанциями. Эти рыбы способны вызывать электрические разряды такой силы, что с их помощью могут оглушить даже крупного зверя. А мелкие животные, которых касались эти морские обитатели, погибали мгновенно. Напряжение электрического тока, создаваемого сомами, достигает 400 вольт, угрями – 600 В! При этом мощность электростанции угря составляет 1000 Вт. Морские скаты создают напряжение 60 В, зато сила тока достигает 60 А!

Самый значительный ток у обычных животных вырабатывается в крупных мышцах: в сердце и в двигательной мускулатуре. Вокруг некоторых плывущих рыб можно обнаружить электрическое поле. Оно особенно велико у круглоротых (миног и миксин) и древних, примитивных рыб, которые ещё не научились экономно расходовать энергию. Вокруг головы плывущей миноги можно зарегистрировать электрические импульсы напряжением в несколько сот микровольт.

 

5. Электрический орган «электрических» рыб, основой для которого служат мышцы и нервные окончания (концевые пластинки), составляет 1/4 – 1/3 часть веса рыбы, достигают 4/5 длины (у угря), а у сома покрывают всё тело. Орган состоит из огромного количества пластинок, собранных в столбики. Все пластинки в столбиках соединены последовательно, а сами столбики – параллельно.

Механизм возникновения электрического импульса в пластинках электрического органа ничем существенным не отличается от генерации его в нерве, концевой пластинке или мышечном волокне. Даже величина импульса -150 мВ – является обычной для нервных и мышечных клеток. Однако, благодаря тому, что у угря пластинки собраны в столбики по 6 -10 тысяч, соединённые последовательно, общее напряжение может достигать 600 В. У скатов пластинок в каждом столбике немного – не больше 1000, зато столбиков, соединённых параллельно, около 200; поэтому напряжение оказывается небольшим, а сила тока значительной.

Для того, чтобы разряд достиг максимальной силы, все пластинки должны разрядиться одновременно, то есть одновременно получить нервный импульс. Работа по координации разряда совершается в особом отделе мозга рыб, который, может быть, и регулирует скорость распространения нервного импульса, для того чтобы «приказы» приходили одновременно.

 

6. Кажется, между человеком и инфузорией не осталось ничего общего. Но нет! Рецепторные клетки человека и птиц, рыб и насекомых, моллюсков и других животных воспринимают окружающий мир, любые его раздражения различными органами чувств при помощи сходно устроенных подвижных антенн. Роль подвижных антенн играют жгутики, или подвижные волоски рецепторных клеток любых органов чувств, которые воспринимают раздражение. В устройстве жгутиков разных рецепторных клеток тоже много общего. Внутри проходят две центральные опорные фибриллы (волокна), окружённые кольцом из девяти пар подвижных фибрилл. Только в очень редких случаях этот жгутик бывает видоизменён.

Жгутики играют для рецепторной клетки такую же роль, как антенна для радиоприёмника. Их так и называют – рецепторные антенны. При их помощи мы и воспринимаем окружающий мир, Антенны рецепторных клеток глаза реагируют на световую энергию – фотоны. В органе обоняния антенны воспринимают энергию молекул пахучих веществ. Антенны слуховых клеток реагируют на звук – энергию звуковой волны.

Чувствительность антенн поразительна. Достаточно энергии одного фотона, чтобы зрительная клетка возбудилась. Для антенны обонятельной клетки – одной молекулы пахучего вещества. Слуховая клетка возбуждается, когда колебания барабанной перепонки достигают всего 0,0000000006 миллиметра. Это в 10 раз меньше диаметра самого крохотного атома – атома водорода.

Антенны всегда находятся в беспрерывном движении. Без этого нельзя воспринимать раздражения внешнего мира. Движущиеся антенны ведут активный поиск раздражителей.

Сходство между рецепторными клетками различных органов чувств, конечно, неполное. В зрительных клетках, например, содержится особое вещество, называемое зрительным пурпуром, которое изменяется под действием света, Благодаря этой фотохимической реакции и происходит восприятие света. В других клетках его нет.

Почему так много сходства в строении различных рецепторных клеток, сказать трудно. Видимо, конструкция оказалась очень удачной; поэтому природа, создавая самые разнообразные органы чувств, и использовала типовые, стандартные детали. Прошли миллионы лет, но живые организмы Земли пронесли подвижные антенны от самого зарождения жизни до наших дней.

 

7. 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 минут, причём амплитуда колебаний уменьшается по мере удаления от кончика корня, а частота сильно зависит от температуры окружающей среды.

Для изучения биоэлектрических явлений часто используются клетки харовых водорослей, имеющие длину несколько сантиметров и диаметр порядка десятых долей миллиметра. Разность потенциалов между вакуолью и наружной водной средой, в которой живёт водоросль, равна 0,15 В. Оказалось что, как и нервная клетка, клетка харовой водоросли способна генерировать потенциал действия. Реакция на раздражение электрическим импульсом при этом принципиально не отличается от реакции аксона.

Форма волны потенциала у клетки аксона кальмара и клетки харовой водоросли весьма сходна. С другой стороны, реакция растительной клетки намного медленнее: у нервных клеток скорость распространения импульса достигает десятков метров в секунду, а у растительных – лишь несколько сантиметров в секунду. Длительность самого импульса – миллисекунды для нервных клеток и секунды лил даже десятки секунд для растительных клеток. В основе лежит один и тот же механизм – способность мембран под воздействием электрического поля временно изменять свою проницаемость по отношению к определённым ионам.

 

8. Ткани живых организмов весьма разнородны по составу. Органические вещества, из которых состоят плотные части тканей, представляют собой диэлектрики. Однако жидкости содержат, кроме органических коллоидов, растворы электролитов и поэтому являются относительно хорошими проводниками.

Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость (1,8 Ом^-1м^-1), сыворотка крови; значительно меньше электропроводность внутренних органов, жировой (0,03 Ом^-1 м^-1) и соединительной тканей. К диэлектрикам следует отнести сухожилия, костную ткань без надкостницы
(10^-11 Ом^-1м^-1).Электропроводность отдельных участков тканей или областей организма, находящихся между электродами, наложенными на поверхность тела, зависит от сопротивления слоя кожи и подкожно – жировой клетчатки. Пройдя через этот слой, ток разветвляется, идёт множеством параллельных путей с наименьшим сопротивлением вдоль кровеносных, лимфатических сосудов, нервных стволов.

В структуре тканей имеются системы, состоящие из двух хорошо проводящих ток сред (тканевая жидкость), разделённых диэлектриком. Например, в основном структурном элементе тканей – клетке у наружного слоя протоплазмы (клеточной мембраны или оболочки) весьма низкая электропроводность, а у остальной части протоплазмы достаточно высокая проводимость. Такие системы в электрическом отношении подобны конденсаторам. При прохождении по тканям электрического тока имеют место поляризационные явления, например, происходит скопление зарядов (ионов) у полупроницаемых перегородок. Это также придаёт тканям ёмкостные свойства.

Таким образом, эквивалентная схема тканей организма состоит из сопротивлений и конденсатора, включённых последовательно (например, для слоя кожи и подкожной клетчатки) или параллельно (для глубоколежащих тканей); например, конечность, на которую наложены электроды, имеет сопротивление порядка 1000 – 3000 Ом и ёмкость 0,01 – 0,02 мкФ. Проводимость такого участка зависит также от частоты тока.

 

9. Первые бесспорные доказательства существования электрических процессов в растительных тканях были получены в середине XIX века. Так называемые токи повреждения, ранее обнаруженные у животных, обнаружились и 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.

Стали накапливаться сведения об электрических явлениях, сопровождающих фотосинтез, дыхание. Выяснилось, что в момент гибели некоторых растительных тканей их потенциал резко возрастает. Индийский исследователь Бос соединил внешнюю и внутреннюю части зелёной горошины с гальванометром и затем нагрел её до температуры 60^оC. При этом был зарегистрирован электрический потенциал 0,05В!

Некоторая разность электрических потенциалов существует и между различными анатомическими элементами неповреждённых органов растений. Так, центральная жилка каштана, табака, тыквы электроположительна по отношению к поверхности листа. Наблюдается также разность потенциалов между различными частями цветка. Для обозначения таких явлений использовали термин «токи покоя» - в отличие от обширного класса электрических процессов, возникающих в живых тканях под влиянием раздражителей и называемых токами действия.

 

10. Способность многих цветов и листьев складываться или раскрываться в зависимости от времени суток обусловливается электрическими сигналами, представляющими собой потенциал действия.

Оказывается, что при механическом раздражении некоторых частей цветка возникают электрические импульсы, передающиеся по железистым клеткам в проводящие пучки. Потенциал действия как средство управления различными физиологическими функциями присущ, по-видимому, всем высшим растениям. Движения листьев мимозы тоже управляются с помощью электрической системы сигнализации. Опускание листьев мимозы под действием механического раздражителя вызвано сокращением сочленовой подушечки, поддерживающей листовой черенок.

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

Помимо потенциала действия, возникающего при раздражении ударом, в проводящих путях мимозы может распространяться и другой тип возбуждения – так называемая медленная волна, появляющаяся при порезах, надломах, ожогах и химических раздражениях. Эта волна связана с распространением раневых гормонов – специфических веществ, возникающих в ткани при её повреждении. В отличие от потенциалов действия, возникающих при ударе, медленная волна свободно минует сочленовые подушечки. Достигая стебля, медленная волна вызывает возникновение потенциала действия, передающегося вдоль стебля и приводящего к опусканию близлежащих листьев. Потенциал действия в листе мимозы распространяется со скоростью 2 см/с. Мимоза реагирует движением листа на раздражение сочленовой подушечки током 0,5 мкА. Чувствительность языка человека в 10 раз ниже.

 

11. Когда стала ясна электрическая природа молнии, Бенджамен Франклин смог осуществить главное изобретение своей жизни – громоотвод. Опыты с громоотводом Франклин проводил в 1760 году, но ещё в 1754 году чешский священник Прокопий Дивиш построил громоотвод и установил его на своём доме в Прендице (Богемия).

Громоотвод, по словам Франклина, «…либо предотвращает удар молнии из облака, либо уже при ударе отводит его в Землю без ущерба для здания.

Нижний конец прутка должен уходить в землю настолько, чтобы достичь влажного грунта, возможно, на глубину в два или три фута. А если пруток изогнут так, чтобы он отходил под землёй в горизонтальном направлении на расстояние в шесть-восемь футов наружу от фундамента и затем снова изгибался вниз на три-четыре фута, то он предохранит от повреждения любую часть кладки фундамента.

Лицо, опасающееся молнии и находящееся во время грозы в не совсем надёжном доме, поступит хорошо, избегая садиться около камина, зеркала или любой позолоченной картины и панели. Безопаснее всего сесть в кресло посреди комнаты, положив свои ноги на другое (только не под металлической люстрой, спускающейся с потолка на цепи). Ещё безопаснее положить два-три матраца или перины на середине комнаты, сложить их вдвое и водрузить на них кресло, и поскольку те проводят хуже стен, молния не может пойти по ломаному пути через воздух комнаты и матрацы, если она имеет лучший и сплошной проводник в стене. Там, где это возможно, следует подвесить на шёлковых шнурах на равном расстоянии от стен, пола и потолка гамак или подвесную кровать, что даст самое надёжное укрытие, которое только можно создать в комнате и которое действительно может считаться совершенно безопасным от удара молнии».

Такие предостережения могут сейчас показаться забавными, но тогда они были вполне злободневны.