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.

Электричество - достояние не только нашей цивилизации, рыбы научились использовать его задолго до появления людей. Электрический скат, угорь и еще представители более чем 300 видов имеют электрические органы, которые представляют собой видоизмененные мышцы. Эти органы способны генерировать импульсы до 5 киловатт и разность потенциалов до 1200 вольт, что может быть крайне опасно для людей. Рыбы используют эти органы по-разному: для охоты, для привлечения жертв, для навигации и даже для генерации кислорода из воды, чтобы дышать.

Нильский слоник и амазонская рыба-нож используют электрические органы только для навигации, подобно тому, как летучие мыши ориентируются с помощью эхолокации. Они создают вокруг себя слабое электрическое поле и объект, попадающий в него, вызывает искажение, которое зависит от его проводимости. Эти искажения рыбы считывают с помощью электрорецепторов на коже и интерпретируют для построения маршрута. Чем-то напоминает металлоискатель.

Электрические угри - пресноводные рыбы, они способны генерировать самые мощные электрические разряды, конечно, такая мощь используется как оружие для отпугивания хищников и оглушения жертв. Угри стали особенно популярны в Викторианскую эпоху, когда у ученых проснулся интерес к электричеству. Электрический сом , тоже пресноводный обитатель и подобно угрю использует этот орган как оружие. Благодаря электрическим разрядам, который разлагает молекулы воды на кислород и водород, вода вокруг этих рыб обогащена кислородом, что дополнительно привлекает потенциальных жертв. Разряды этих пресноводных хищников опасны для людей, убить может и не убьют, но будет очень больно.

Электрический скат - морской житель, имеет крайне слабое зрение, что компенсирует электрорецепцией, помимо ориентирования электрическими разрядами эти хрящевые рыбы могут убить достаточно крупную жертву. Тоже весьма опасны.

Это лишь самые известные обладатели электрических органов, однако их разнообразие по истине огромно и крайне интересно.

Электрические органы оказались настолько полезны, что за время существования рыб эволюционно возникали независимо 6 раз (согласно последним генетическим исследованиям, опубликованным в Science)! Но, несмотря на это, группы генов, вовлеченные в формирование электроцитов (клеток, отвечающих за генерацию электричества) очень схожи у всех видов, другими словами они использовали те же самые генетические инструменты, чтобы на клеточном уровне на ранних этапах развития преобразовать мышечные клетки в специфические структуры электрического органа. Все мышечные клетки (не только рыб) обладают электрическим потенциалом, и при сокращении можно фиксировать небольшое электрическое напряжение на поверхности тела. Именно эту разность потенциалов измеряют, когда, например, снимают электрокардиограмму . Порядка 100 млн лет назад рыбы научились преумножать этот потенциал, превращая мышечные клетки в гораздо большие по размеру электроциты. Вместе эти клетки способны генерировать весьма мощные заряды.

(Lindsay Block a.k.a. bionic woman)
Подобные исследования имеют и прикладную ценность. Если мы будет понимать, как происходит образование электроцитов на молекулярном уровне, то сможем использовать это в биотехнологии для создания «живых батарей», от которых могут работать бионические протезы и другие медицинские приборы, улучшающие качество жизни людей. Только подумать - электроника, которую запитывает само человеческое тело, и не надо никаких батареек!

Слайд 2

История открытия электрического явления

Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский за 600 лет до н.э. Он обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть, приобретет свойства притягивать легкие предметы: пушинки, кусочки бумаги. Позже считалось, что таким свойством обладает только янтарь. В середине XVII века Отто фон Гарике разработал электрическую машину трения. Кроме того, им было обнаружено свойство электрического отталкивания однополярно заряженных предметов, а в 1729 году английский ученый Стивен Грей обнаружил разделение тел на проводники электрического тока и изоляторы. Вскоре его коллега Роберт Симмер, наблюдая за электризацией своих шелковых чулок, пришел к выводу, что электрические явления обусловлены разделением на положительный и отрицательный заряд тел. Тела при трении друг о друга вызывают электризацию этих тел, то есть электризация – это накопление на теле заряда одного типа, причем заряды одного знака отталкиваются, а заряды разного знака притягиваются друг к другу и компенсируются при соединении, делая тело нейтральным (незаряженным). В 1729 году Шарль Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Опыты, проведенные Дюфе, говорили, что один из зарядов образуется при трении стекла о шелк, а другой – при трении смолы о шерсть. Понятие о положительном и отрицательном заряде ввел немецкий естествоиспытатель Георг Кристоф. Первым количественным исследователем был закон взаимодействия зарядов, экспериментально установленный в 1785 году Шарлем Кулоном с помощью разработанных им чувствительных крутильных весов.

Слайд 3

Почему у наэлектризованных людей волосы поднимаются вверх?

Волосы электризуются одноименным зарядом. Как известно, одноименные заряды отталкиваются, поэтому волосы, подобно листочкам бумажного султана, расходятся во все стороны. Если любое проводящее тело, в том числе и человеческое, изолировать от земли, то его можно зарядить до большого потенциала. Так, с помощью электростатической машины тело человека можно зарядить до потенциала в десятки тысяч вольт.

Слайд 4

Оказывает ли электрический заряд, размещенный в таком случае на теле человека, влияние на нервную систему?

Человеческое тело - проводник электричества. Если его изолировать от земли и зарядить, то заряд располагается исключительно по поверхности тела, поэтому заряжение до сравнительно высокого потенциала не влияет на нервную систему, так как нервные волокна находятся под кожей. Влияние электрического заряда на нервную систему сказывается в момент разряда, при котором происходит перераспределение зарядов на теле. Это перераспределение представляет собой кратковременный электрический ток, проходящий не по поверхности, а внутри организма.

Слайд 5

Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной передачи?

Тело сидящей на проводе птицы представляет собою ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Следует добавить еще, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала.

Слайд 6

Рыбы и электричество.

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

Слайд 7

Самыми известными электрическими рыбами являются электрический угорь, электрический скат и электрический сом. У этих рыб имеются специальные органы для накопления электрической энергии. Небольшие напряжения, возникающие в обычных мышечных волокнах, суммируются здесь благодаря последовательному включению множества отдельных элементов, которые нервами, как проводниками, соединены в длинные батареи.

Слайд 8

Скаты.

«Эта рыба заставляет цепенеть животных, которых она хочет поймать, пересиливая их силой удара, живущего у нее в теле». Аристотель

Слайд 9

Сом.

Электрические органы расположены почти по всей длине тела рыбы, дают разряды напряжением до 360 В.

Слайд 10

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УГОРЬ

Самые мощные электрические органы у угрей, обитающих в реках тропической Америки. Их разряды достигают напряжения 650 В.

Слайд 11

Гром одно из грозных явлений.

Гром и молния – это одно из грозных, но величественных явлений, с которыми человек был еще готов с древности. Разбушевавшаяся стихия. Обрушивалась на него в виде ослепляющий гигантских молний, грозных громовых ударов, ливня и града. В страхе перед грозой люди обожествляли её, считая орудием богов.

Слайд 12

Молния

Чаще всего мы наблюдаем молнию, напоминающую извилистую реку с притоками. Такие молнии называют линейными, их длина при разряде между облаками достигает более 20км. Молнии других видов можно увидеть значительно реже. Электрический разряд в атмосфере в виде линейной молнии представляет собой электрический ток. Причем сила тока меняется за 0,2 – 0,3 секунды. Примерно 65% всех молний. Которые наблюдаются у нас имеют значение силы тока 10000 А, но редко достигают и 230 000 А. Канал молнии, через который протекает ток, сильно разогревается и ярко светит. Температура канала достигает десятков тысяч градусов, давление повышается, воздух расширяется проходит как бы взрыв раскаленных газов. Это мы воспринимаем как гром. Удар молнии в наземный предмет может вызвать пожар.

Слайд 13

При ударе молнии, например в дерево. Оно нагревается, влага из него испаряется, а давление образовавшегося пара и нагревшихся газов приводят к разрушениям. Для защиты зданий от грозовых разрядов применяют молниеотводы, которые представляют собой металлический стержень, возвышающийся над защищаемым объектом.

Слайд 14

Молния.

В лиственных деревьях ток проходит внутри ствола по сердцевине, где много сока, который под действием тока закипает и пары разрывают дерево.

Посмотреть все слайды

Продолжаем публикацию научно-популярных лекций, прочитанных молодыми вузовскими преподавателями, получившими гранты Благотворительного фонда В. Потанина. На этот раз предлагаем вниманию читателей изложение лекции, которую прочла доцент кафедры физиологии человека и животных Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского кандидат биологических наук Оксана Семячкина-Глушковская.

Живые электростанции

Электричество играет порой невидимую, но жизненно важную роль в существовании многих организмов, включая человека.

Удивительно, но электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным, в частности электрическим рыбам. Например, в основе электрофизиологического направления в медицине лежит использование в лечебных процедурах электрических скатов. Живые источники электричества в свою врачебную практику впервые ввёл известный древнеримский врач Клавдий Гален. Сын богатого архитектора, Гален получил вместе с хорошим образованием внушительное наследство, что позволило ему путешествовать в течение нескольких лет по берегам Средиземного моря. Однажды в одной из маленьких деревушек Гален увидел странное зрелище: двое местных жителей шли ему навстречу с привязанными к голове скатами. Это «обезболивающее средство» нашло применение при лечении ран гладиаторов в Риме, куда Гален вернулся после завершения путешествия. Своеобразные физиопроцедуры оказались настолько действенными, что даже император Марк Антоний, страдавший болями в спине, рискнул воспользоваться непривычным способом лечения. Избавившись от изнурительного недуга, император назначил Галена личным врачом.

Однако многие электрические рыбы используют электричество далеко не в мирных целях, в частности для того, чтобы убивать свою добычу.

Впервые европейцы столкнулись с чудовищными живыми электростанциями в джунглях Южной Америки. Отряд искателей приключений, проникших в верховья Амазонки, наткнулся на множество мелких ручейков. Но как только один из участников экспедиции ступил ногой в тёплую воду ручейка, он упал без сознания и пробыл в таком состоянии два дня. Всё дело было в электрических угрях, обитающих в этих широтах. Амазонские электрические угри, достигающие трёх метров в длину, способны генерировать электричество напряжением более 550 В. Электрический удар в пресной воде оглушает добычу, которая обычно состоит из рыб и лягушек, но способен также убить человека и даже лошадь, если они в момент разряда находятся вблизи угря.

Неизвестно, когда бы всерьёз человечество взялось за электричество, если бы не удивительный случай, произошедший с женой известного болонского профессора Луиджи Гальвани. Не секрет, что итальянцы славятся широтой вкусовых пристрастий. Поэтому они не прочь иногда побаловаться лягушачьими лапками. День был ненастный, дул сильный ветер. Когда сеньора Гальвани зашла в мясную лавку, то её глазам открылась ужасная картина. Лапки мёртвых лягушек, словно живые, дёргались, когда касались железных перил при сильном порыве ветра. Сеньора так надоедала мужу своими рассказами о близости мясника с нечистой силой, что профессор решил сам выяснить, что же происходит на самом деле.

Это был тот самый счастливый случай, который разом перевернул жизнь итальянского анатома и физиолога. Принеся домой лягушачьи лапки, Гальвани убедился в правдивости слов жены: они действительно дёргались, когда касались железных предметов. В то время профессору было всего 34 года. Последующие 25 лет он потратил на то, чтобы найти разумное объяснение этому удивительному явлению. Результатом многолетних трудов явилась книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении», которая стала настоящим бестселлером и взволновала умы многих исследователей. Впервые заговорили о том, что электричество есть в каждом из нас и что именно нервы являются своеобразными «электропроводами». Гальвани казалось, что мышцы накапливают в себе электричество, а при сокращении испускают его. Эта гипотеза требовала дальнейших исследований. Но политические события, связанные с приходом к власти Наполеона Бонапарта, помешали профессору закончить эксперименты. В силу своего вольнодумства Гальвани был в бесчестии изгнан из университета и через год после этих трагических событий скончался в возрасте шестидесяти одного года.

И всё-таки судьбе было угодно, чтобы труды Гальвани нашли своё продолжение. Соотечественник Гальвани Алессандро Вольта, прочитав его книгу, пришёл к мысли о том, что в основе живого электричества лежат химические процессы, и создал прообраз привычных для нас батареек.

Биохимия электричества

Прошло ещё два века, прежде чем человечеству удалось раскрыть тайну живого электричества. Пока не был изобретён электронный микроскоп, учёные не могли себе даже представить, что вокруг клетки находится настоящая «таможня» со своими строгими правилами «паспортного контроля». Мембрана животной клетки - тонкая, не видимая невооружённым глазом оболочка, - обладая полупроницаемыми свойствами, является надёжным гарантом сохранения жизнеспособности клетки (поддержания её гомеостаза).

Но вернёмся к электричеству. Какая существует взаимосвязь между мембраной клетки и живым электричеством?

Итак, первая половина XX века, 1936 год. В Англии зоолог Джон Юнг публикует методику препарирования нервного волокна головоногого моллюска. Диаметр волокна достигал 1 мм. Такой видимый глазу «гигантский» нерв сохранял способность проводить электричество даже вне организма в морской воде. Вот тот самый «золотой ключик», с помощью которого будет открыта дверь в тайны живого электричества. Прошло всего три года, и соотечественники Юнга - профессор Эндрю Хаксли и его ученик Алан Ходжкин, вооружившись электродами, поставили серию экспериментов на этом нерве, результаты которых перевернули мировоззрение и «зажгли зелёный свет» на пути к электрофизиологии.

Отправной точкой в этих исследованиях явилась книга Гальвани, а именно описание им тока повреждения: если мышцу разрезать, то электрический ток «выливается» из неё, что стимулирует её сокращение. Для того чтобы повторить эти эксперименты на нерве, Хаксли проткнул двумя тонкими, как волоски, электродами мембрану нервной клетки, поместив их таким образом в её содержимое (цитоплазму). Но вот неудача! Ему не удалось зарегистрировать электрические сигналы. Тогда он вынул электроды и поместил их на поверхность нерва. Результаты были печальными: ровным счётом ничего. Казалось, фортуна отвернулась от учёных. Оставался последний вариант - один электрод поместить внутрь нерва, а другой оставить на его поверхности. И вот он, счастливый случай! Уже через 0,0003 секунды был зарегистрирован электрический импульс с живой клетки. Было очевидно, что за такое мгновение импульс не может возникнуть вновь. Это означало только одно: заряд сконцентрирован на покоящейся неповреждённой клетке.

В последующие годы подобные опыты были проделаны на бесчисленном множестве других клеток. Оказалось, что все клетки заряжены и что заряд мембраны является неотъемлемым атрибутом её жизни. Пока клетка жива, у неё есть заряд. Однако оставалось всё ещё неясным, каким же образом клетка заряжается? Задолго до экспериментов Хаксли руcский физиолог Н. А. Бернштейн (1896–1966) опубликовал свою книгу «Электробиология» (1912). В ней он, словно провидец, теоретически раскрыл главную тайну живого электричества - биохимические механизмы возникновения заряда клетки. Удивительно, но через несколько лет данная гипотеза была блестяще подтверждена в экспериментах Хаксли, за что он и был удостоен Нобелевской премии. Итак, каковы же эти механизмы?

Как известно, всё гениальное просто. Так оказалось и в этом случае. Наш организм состоит на 70% из воды, а точнее, из раствора солей и белков. Если заглянуть внутрь клетки, то окажется, что её содержимое перенасыщено ионами К + (внутри их примерно в 50 раз больше, чем за её пределами). Между клетками, в межклеточном пространстве, преобладают ионы Na + (здесь их примерно в 20 раз больше, чем в клетке). Такое неравновесие активно поддерживается мембраной, которая, подобно регулировщику, пропускает через свои «ворота» одни ионы и не пропускает другие.

Мембрана, словно бисквитный пирог, состоит из двух рыхлых слоёв сложных жиров (фосфолипидов), толщу которых пронизывают, как бусины, белки, выполняющие самые разнообразные функции, в частности они могут служить своеобразными «воротами» или каналами. Внутри таких белков есть отверстия, которые могут открываться и закрываться с помощью особых механизмов. Для каждого типа ионов существуют свои каналы. Например, движение ионов К + возможно только через К + -каналы, а Nа + - через Na + -каналы.

Когда клетка находится в состоянии покоя, для ионов К + горит зелёный свет и они беспрепятственно покидают пределы клетки через свои каналы, направляясь туда, где их мало, чтобы уравновесить свою концентрацию. Помните школьный опыт по физике? Если взять стакан с водой и капнуть в него разведённый перманганат калия (марганцовку), то через некоторое время молекулы красящего вещества равномерно заполнят весь объём стакана, окрасив воду в розовый цвет. Классический пример диффузии. Аналогичным образом это происходит с ионами К + , которые есть в избытке в клетке и имеют всегда свободный выход через мембрану. Ионы же Nа + , как персона non grata , не имеют привилегий со стороны мембраны покоящейся клетки. В этот момент для них мембрана как неприступная крепость, проникнуть через которую почти невозможно, поскольку все Nа + -каналы закрыты.

Но при чём же здесь электричество, скажете вы? Всё дело в том, что, как было отмечено выше, наш организм состоит из растворённых солей и белков. В данном случае речь идёт о солях. Что такое растворённая соль? Это дуэт связанных между собой положительных катионов и отрицательных анионов кислот. Например, раствор хлорида калия - это K + и Сl – и т. д. Кстати, физиологический раствор, который широко используется в медицине для внутривенных вливаний, представляет собой раствор хлорида натрия - NaCl (поваренной соли) в концентрации 0,9%.

В естественных условиях просто ионов К + или Nа + поодиночке не бывает, они всегда находятся с анионами кислот - SO 4 2– , Cl – , PO 4 3– и т. д., и в обычных условиях мембрана непроницаема для отрицательных частиц. Это означает, что, когда ионы К + движутся через свои каналы, связанные с ними анионы, как магниты, тянутся за ними, но, не имея возможности выйти наружу, скапливаются на внутренней поверхности мембраны. Поскольку за пределами клетки, в межклеточном пространстве, преобладают ионы Nа + , то есть положительно заряженные частицы, плюс к ним постоянно просачиваются ионы К + , на наружной поверхности мембраны концентрируется избыточный положительный заряд, а на её внутренней поверхности - отрицательный. Так что клетка в состоянии покоя «искусственно» сдерживает неравновесие двух важных ионов - К + и Nа + , в силу чего мембрана поляризуется за счёт разности зарядов по обе её стороны. Заряд в состоянии покоя клетки называют мембранным потенциалом покоя, который равен примерно -70 мВ. Именно такой величины заряд был впервые зарегистрирован Хаксли на гигантском нерве моллюска.

Когда стало ясно, откуда берётся «электричество» в клетке в состоянии покоя, тут же возник вопрос: куда же оно девается, если клетка работает, например когда наши мышцы сокращаются? Истина лежала на поверхности. Достаточно было заглянуть внутрь клетки в момент её возбуждения. Когда клетка реагирует на внешние или внутренние воздействия, в этот момент молниеносно, как по команде, открываются все Na + -каналы и ионы Na + , словно снежный ком, за доли секунд устремляются внутрь клетки. Таким образом, за мгновение, в состоянии возбуждения клетки, ионы Na + уравновешивают свою концентрацию по обе стороны мембраны, ионы К + по-прежнему медленно покидают клетку. Выход ионов К + настолько медленный, что, когда ион Na + наконец-то прорывается через неприступные стены мембраны, их там остаётся ещё достаточно много. Теперь уже внутри клетки, а именно на внутренней поверхности мембраны, сконцентрируется избыточный положительный заряд. На её же внешней поверхности будет отрицательный заряд, потому что, как и в случае с К + , за Na + устремится целая армия отрицательных анионов, для которых мембрана по-прежнему непроницаема. Удерживаемые на её внешней поверхности электростатическими силами притяжения, эти «осколки» от солей создадут здесь отрицательное электрическое поле. Это означает, что в момент возбуждения клетки мы будем наблюдать реверсию заряда, то есть смену его знака на противоположный. Этим объясняется, почему заряд при возбуждении клетки меняется с отрицательного на положительный.

Есть и ещё один важный момент, который в далёкие времена описывал Гальвани, но не смог правильно объяснить. Когда Гальвани повреждал мышцу, она сокращалась. Тогда ему казалось, что это ток повреждения и он «выливается» из мышцы. В какой-то степени слова его были пророческими. Клетка действительно теряет свой заряд, когда работает. Заряд существует только тогда, когда есть разность между концентрациями ионов Na + /K + . При возбуждении клетки численность ионов Na + по обе стороны мембраны одинакова, к этому же состоянию стремится и К + . Именно поэтому при возбуждении клетки заряд уменьшается и становится равен +40 мВ.

Когда загадку «возбуждения» разгадали, неизбежно возник другой вопрос: как же клетка приходит в норму? Каким образом заряд на ней возникает вновь? Ведь не умирает же она, после того как поработает. И действительно, через несколько лет нашли этот механизм. Им оказался белок, встроенный в мембрану, но это был необычный белок. С одной стороны, выглядел он так же, как и белки-каналы. А с другой - в отличие от своих собратьев, этот белок «дорого брал за свою работу», а именно энергией, такой ценной для клетки. Причём пригодная для его работы энергия должна быть особая, в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Эти молекулы специально синтезируются на «энергетических станциях» клетки - митохондриях, бережно там хранятся и при необходимости с помощью специальных переносчиков доставляются к месту назначения. Энергия из этих «боеголовок» высвобождается при их распаде и расходуется на различные нужды клетки. В частности, в нашем случае эта энергия требуется на работу белка, названного Na/K-АТФаза, основная функция которого заключается в том, чтобы, подобно челноку, перевозить Na + наружу из клетки, а К + - в обратном направлении.

Таким образом, чтобы восстановить утраченные силы, необходимо поработать. Задумайтесь, тут скрывается реальный парадокс. Когда клетка работает, то на уровне клеточной мембраны этот процесс протекает пассивно, а для того чтобы отдохнуть, ей требуется энергия.

Как нервы «разговаривают» друг с другом

Если уколоть палец, то рука тут же отдёрнется. То есть при механическом воздействии на рецепторы кожи возбуждение, возникшее в данной локальной точке, достигает головного мозга и возвращается обратно, на периферию, для того чтобы мы могли адекватно отреагировать на ситуацию. Это пример врождённой реакции, или безусловных рефлексов, к которым относятся множество защитных ответов, таких как мигание, кашель, чихание, чесание и т. д.

Каким же образом возбуждение, возникнув на мембране одной клетки, способно двигаться дальше? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте познакомимся со строением нервной клетки - нейроном, смыл «жизни» которого состоит в проведении возбуждения или нервных импульсов.

Итак, нейрон, словно летящая комета, состоит из тела нервной клетки, вокруг которого ореолом располагаются множество маленьких отростков - дендритов, и длинного «хвоста» - аксона. Именно эти отростки служат своеобразными проводами, по которым течёт «живой ток». Поскольку вся эта сложная конструкция представляет собой единую клетку, то отростки нейрона обладают таким же набором ионов, как и его тело. Что представляет собой процесс возбуждения локального участка нейрона? Это некое возмущение «спокойствия» его внешней и внутренней среды, выражающееся в виде направленного движения ионов. Возбуждение, возникнув в том месте, куда пришёлся раздражитель, далее по цепочке распространяется по тем же принципам, что на этом участке. Только теперь раздражителем для соседних участков будет являться не внешний стимул, а внутренние процессы, вызванные потоками ионов Na + и K + и изменением заряда мембраны. Этот процесс подобен тому, как распространяются волны от камешка, брошенного в воду. Так же, как и в случае с камешком, биотоки по мембране нервного волокна распространяются круговыми волнами, вызывая возбуждение всё более отдалённых участков.

В эксперименте возбуждение от локальной точки распространяется далее в обоих направлениях. В реальных же условиях проведение нервных импульсов осуществляется однонаправленно. Связано это с тем, что тот участок, который поработал, нуждается в отдыхе. А отдых у нервной клетки, как мы уже знаем, активный и связан с затратами энергии. Возбуждение клетки есть «потеря» её заряда. Именно поэтому, как только клетка поработает, её способность к возбуждению резко падает. Этот период называют рефрактерным, от французского слова refractaire - невосприимчивый. Такая невосприимчивость может быть абсолютной (сразу же после возбуждения) или относительной (по мере восстановления заряда мембраны), когда возможно вызвать ответную реакцию, но чрезмерно сильными раздражителями.

Если задаться вопросом - какого цвета наш мозг, то окажется, что подавляющая его масса, за небольшим исключением, серо-белых тонов. Тела и короткие отростки нервных клеток серые, а длинные отростки белые. Белые они потому, что сверху на них имеется дополнительная изоляция в виде «жировых» или миелиновых подушек. Откуда возникают эти подушки? Вокруг нейрона существуют особые клетки, названные по имени немецкого нейрофизиолога, который их впервые описал, - шванновские клетки. Они, словно няньки, помогают нейрону расти и, в частности, выделяют миелин, представляющий собой своеобразное «сало» или липид, которым бережно окутываются участки растущего нейрона. Однако такой наряд покрывает не всю поверхность длинного отростка, а отдельные участки, между которыми аксон остаётся голым. Оголённые места называют перехватами Ранвье.

Интересно, но от того, как «одет» нервный отросток, зависит скорость проведения возбуждения. Нетрудно догадаться - специальная «форма одежды» существует для того, чтобы увеличить эффективность прохождения биотоков по нерву. Действительно, если в серых дендритах возбуждение двигается как черепаха (от 0,5 до 3 м/с), последовательно, не пропуская ни одного участка, то в белом аксоне нервные импульсы прыгают по «оголённым» участкам Ранвье, что существенно повышает скорость их проведения до 120 м/с. Такие быстрые нервы иннервируют в основном мышцы, обеспечивая защиту организма. Внутренние же органы не нуждаются в такой скорости. К примеру, мочевой пузырь может долго растягиваться и посылать импульсы о своём переполнении, в то время как рука должна отдёрнуться сразу от огня, иначе это грозит повреждением.

Мозг взрослого человека весит в среднем 1300 г. Эту массу составляет 10 10 нервных клеток. Такое огромное количество нейронов! С помощью каких механизмов возбуждение с одной клетки попадает на другую?

Разгадка тайны коммуникации в нервной системе имеет свою историю. В середине XIX века французский физиолог Клод Бернар получил ценную посылку из Южной Америки с ядом кураре, тем самым, которым индейцы смазывали наконечники стрел. Учёный увлекался изучением действия ядов на организм. Было известно, что животное, сражённое таким ядом, умирает от удушья вследствие паралича дыхательных мышц, но никто не знал, как именно действует молниеносный убийца. Для того чтобы это понять, Бернар проделал простой опыт. Он растворил яд в чашке Петри, поместил туда мышцу с нервом и увидел, что если в яд погрузить только нерв, то мышца остаётся здоровой и по-прежнему может работать. Если отравить ядом только мышцу, то и в этом случае сохраняется её способность к сокращению. И лишь когда в яд помещали участок между нервом и мышцей, можно было наблюдать типичную картину отравления: мышца становилась неспособной сокращаться даже при очень сильных электрических воздействиях. Стало очевидно, что между нервом и мышцей существует «разрыв», на который и действует яд.

Оказалось, подобные «разрывы» можно найти в любой точке организма, вся нейронная сеть буквально ими пронизана. Были найдены и другие вещества, например никотин, который избирательно действовал на загадочные места между нервом и мышцей, вызывая её сокращение. Поначалу эти невидимые связи называли мионевральным соединением, а впоследствии английский нейрофизиолог Чарльз Шеррингтон дал им название синапсов, от латинского слова synapsis - соединение, связь. Однако жирную точку в этой истории поставил австрийский фармаколог Отто Леви, которому удалось найти посредника между нервом и мышцей. Говорят, ему привиделось во сне, что некое вещество «выливается» из нерва и заставляет мышцу работать. На следующее утро он твёрдо решил: нужно искать именно это вещество. И он его нашёл! Всё оказалось достаточно просто. Леви взял два сердца и выделил на одном из них самый крупный нерв - nervus vagus . Заранее предвидя, что из него должно что-то выделиться, он соединил системой трубочек эти два «мышечных мотора» и стал раздражать нерв. Леви знал - при его раздражении сердце останавливается. Однако останавливалось не только то сердце, на которое действовал раздражённый нерв, но и второе, соединённое с ним раствором. Немного позже Леви удалось выделить в чистом виде это вещество, которое получило название «ацетилхолин». Таким образом, было найдено неопровержимое доказательство наличия посредника в «разговоре» между нервом и мышцей. Это открытие удостоено Нобелевской премии.

А дальше всё пошло гораздо быстрее. Оказалось, открытый Леви принцип общения нервов с мышцами универсальный. С помощью такой системы общаются не только нервы и мышцы, но и сами нервы друг с другом. Однако, несмотря на тот факт, что принцип такой коммуникации один, посредники, или, как впоследствии их стали обозначать, медиаторы (от латинского слова mediator - посредник), могут быть разные. У каждого нерва он свой, как пропуск. Эту закономерность установил английский фармаколог Генри Дейл, за что тоже был удостоен Нобелевской премии. Итак, язык нейронного общения стал понятен, оставалось лишь только увидеть, как эта конструкция выглядит.

Как работает синапс

Если посмотреть на нейрон в электронный микроскоп, то мы увидим, что он, словно новогодняя ёлка, весь увешан какими-то пуговками. Таких «пуговок», или, как вы уже догадались, синапсов, только на одном нейроне может быть до 10 000. Посмотрим внимательнее на одну из них. Что мы увидим? На концевом участке нейрона длинный отросток утолщается, поэтому он нам кажется в виде пуговки. В этом утолщении аксон как бы истончается и теряет своё белое одеяние в виде миелина. Внутри же «пуговки» находится огромное количество пузырьков, заполненных каким-то веществом. В 1954 году Джордж Паладе догадался, что это есть не что иное, как хранилище для медиаторов (через 20 лет за эту догадку ему дали Нобелевскую премию). Когда возбуждение доходит до концевой станции длинного отростка, то медиаторы высвобождаются из своего заточения. Для этого используются ионы Са 2+ . Двигаясь к мембране, они сливаются с ней, затем лопаются (экзоцитоз), и медиатор под давлением попадает в пространство между двумя нервными клетками, которое получило название синаптической щели. Оно ничтожно мало, поэтому молекулы медиатора быстро попадают на мембрану соседнего нейрона, на которой в свою очередь находятся особые антенны, или рецепторы (от латинского слова recipio - брать, принимать), улавливающие посредника. Происходит это по принципу «ключ к замку» - геометрическая форма рецептора полностью соответствует форме посредника. Обменявшись «рукопожатием», медиатор и рецептор вынуждены расстаться. Встреча их весьма короткая и последняя для медиатора. Достаточно всего доли секунды, чтобы медиатор запустил возбуждение на соседнем нейроне, после чего он разрушается с помощью специальных механизмов. А потом эта история повторится ещё и ещё, и так до бесконечности будет бежать живое электричество по «нервным проводам», скрывая от нас множество тайн и тем самым привлекая к себе своей загадочностью.

Нужно ли говорить о значимости открытий в области электрофизиологии? Достаточно сказать, что за приоткрытие завесы в мир живого электричества присуждено семь Нобелевских премий. Сегодня львиная доля фармацевтической промышленности построена на этих фундаментальных открытиях. К примеру, сейчас поход к дантисту не такое уж страшное испытание. Один укол лидокаина - и в месте инъекции Na + -каналы временно заблокируются. И вы уже не почувствуете болезненных процедур. У вас заболел живот, врач назначит препараты (но-шпа, папаверин, платифилин и т. д.), в основе действия которых - блокада рецепторов, чтобы с ними не мог связаться медиатор ацетилхолин, запускающий многие процессы в желудочно-кишечном тракте, и т. д. В последнее время активно развивается серия фармакологических препаратов центрального действия, направленных на улучшение памяти, речевой функции и мыслительной деятельности.