Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №1»
Реферат
по теме
Выполнила: ученица 11 класса «А»
МОУ «СОШ №1»
г. Изобильного
Волкова Евгения
Проверила: учитель физики
Васина И. В.
г.Изобильный, 2011
Содержание.
Цели и задачи работы.
История открытия электрического явления.
Опыты Гальвани.
Человек и электричество.
Птицы и электричество.
Рыбы и электричество.
Биохимия электричества
Исследовательская часть.
Литература.
Цели и задачи работы.
Целью выполнения моей работы является теоретически и экспериментально исследовать возникновение электричества в живой природе.
В связи с этим перед собой я ставлю следующие задачи:
Установить факторы и условия, способствующие возникновению электричества в живой природе.
Установить характер воздействия электричества на живые организмы.
Сформулировать направления полезного использования получившихся результатов.
История открытия электрического явления
Во взаимодействии с электромагнитными полями возникла и развилась жизнь на Земле. Электричество присуще всему живому, в том числе и наиболее сложной его форме – жизнедеятельности человека.
Очень много сделано учёными в изучении этого удивительного взаимодействия электричества и живого, но многое пока ещё скрывает от нас природа.
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.
Опыты Гальвани
Пионером исследования роли электрического поля в живом организме явился профессор анатомии из Болонского университета Луиджи Гальвани. Начиная с 1775 года он стал интересоваться взаимосвязью между "электричеством и жизнью". В конце 1780 года Л.Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы отпрепарированных лягушек.
Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате работал его приятель-физик, производивший опыты с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина (генератор статического электричества), и каждый раз, когда машина давала разряд, мышца лягушки сокращалась.
В это время в комнату вошла жена Гальвани. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу.
Столкнувшись с необъясненным явлением, Гальвани счел за лучшее детально исследовать его на опыте.
Последуем же за Гальвани в его опытах.
«Я разрезал лягушку и положил ее без всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем и в тот же момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях
Другой ассистент, обыкновенно помогавший мне в опытах по электричеству, заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины извлекалась искра.
Пораженным новым явлением, я тотчас же обратил на него внимание, хотя замышлял в этот момент совсем иное и был всецело поглощен своими мыслями. Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это и пролить свет на то, что было под этим скрыто.»
Гальвани решил, что все дело в электрических искрах. Чтобы получить более сильный эффект, он во время грозы вывесил на балкон несколько отпрепарированных лягушачьих лапок на медных проволочках. Однако молнии – гигантские электрические разряды никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Что не удалось молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушачьи лапки раскачивались и иногда касались железных прутьев балкона. Как только это случилось, лапки дергались. Гальвани, однако, отнес явление все-таки на счет грозовых электрических разрядов.
«После успешных опытов во время грозы я пожелал, - пишет Гальвани, - обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное мною над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные медным крючком, были подвешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и тогда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты.
Когда я производил под открытым небом, я был склонен принять теорию, что сокращения возникают вследствие атмосферного электричества, которое, постепенно проникнув в животное и собравшись в нем, неожиданно разряжалось, когда крючок приходил в соприкосновение с железными перилами.
Но, однако, в продолжение ряда дней в различные часы я наблюдал подвешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах.
Когда же я перенес лягушку в комнату, положил на железную дощечку и прижал медный крючок к дощечке, те же самые спазматические содрогания были налицо.
Так легко обманываем мы себя при опытах и думаем, что действительно видели то, что желаем видеть.
Я произвел опыт с разными металлами в различные часы дня в разных местах – результат был один и тот же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.
Затем я испытал различные тела, которые не являются проводником электричества, например стекло, смолу, резину, камень, и сухое дерево.
Явлений не было.
Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что элекутричество находится внутри животного…»
Гальвани провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Гальвани заключил, что каким-то образом электричество "входит" в нерв и это приводит к сокращению мышцы. Он показал, что для эффекта необходимы металлы. Пять лет он посвятил изучению роли различных металлов в их способности вызывать мышечные сокращения. При наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет. Гальвани пришел к выводу, что если нерв и мышца лежат на одинаковых металлических пластинах, то замыкание пластин проволокой не дает никакого эффекта. Но если пластины изготовлены из разных металлов, их замыкание сопровождается мышечным сокращением. Наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта. Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».
Человек и электричество.
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. 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. Какова (приблизительно) электроемкость человека? Если положение человека таково, что его тело находится в соседстве с заземленным проводником (удалено, например, от стен комнаты), то электроемкость его равна приблизительно 30 см. Это значит, что электроемкость человеческого тела при указанных условиях равна емкости шарообразного проводника радиуса 30 см. Почему случайное прохождение тока через две близко расположенные точки тела, например два пальца одной и той же руки, ощущаете только этими пальцами, но и всей нервной системой человека? Из всех тканей, составляющих тело, наименьшей проводимостью обладают наружные слои кожи, наибольшей - нервные волокна, поэтому электрический ток в теле проходит большей частью по нервным волокнам и этим самым оказывает воздействие на всю нервную систему. При проверке качества батарейки от карманного фонарика иногда прикасаются языком к металлическим пластинам. Если язык ощущает горьковатый привкус, то батарейка хорошая. Почему же электричество батарейки горьковато на вкус? Слюна человека содержит в незначительном количестве различные органические соли (натрия, калия, кальция и др.). Когда через слюну проходит электрический ток, эти соли подвергаются электролизу, на полюсах батарейки выделяются их составные части и язык ощущает горьковатый привкус. Животные и электричество.
Поглаживая в темноте кошку сухой ладонью, можно заметить небольшие искорки, возникающие между рукой и шерстью. Что здесь происходит? При поглаживании кошки происходит электризация руки с последующим искровым разрядом. Гальвани делал следующий опыт. Соединив две проволоки из различных металлов, он концом одной из них касался лапки свежепрепарированной лягушки, а концом другой - поясничных нервов; при этом мускулы лапки судорожно сокращались. Как объяснить это явления? Два металла и жидкость лапки составляют гальванический элемент. Ток, возникающий при замыкании цепи, раздражает нервные окончания лягушки. Писатель Б. Житков рассказывает о таком случае: "Однажды в начале лета я ехал верхом поймой реки. Небо было одето тучами, собиралась гроза. И вдруг я увидел, что кончики ушей лошади начали светиться. Сейчас же над ними образовались будто пучки голубоватого огня с неясными очертаниями. Огоньки эти точно струились. Затем струи света
Птицы и электричество.
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. Бывают случаи, когда птицу, сидящую на проводе линии электропередачи, убивает током. При каких обстоятельствах это может произойти?Птицы чаще всего гибнут в тех случаях, когда они, сидя на проводе линии электропередачи, касаются столба крылом, хвостом или клювом, то есть соединяются с землей. Почему птицы слетают с провода высокого напряжения, когда включают ток? При включении высокого напряжения на перьях птицы возникает статический электрический заряд, из-за наличия которого перья птицы расходятся, как расходятся кисти бумажного султана, соединенного с электростатической машиной. Это действие статического заряда и побуждает птицу слететь с провода.
В клетках, тканях и органах животных и растений между отдельными их участками возникает определенная разность потенциалов, так называемые биоэлектропотенциалы, которые связаны с процессами обмена в организме. Какова величина биопотенциалов? Эти биоэлектропотенциалы очень малы. Напряжение их колеблется от нескольких микровольт до десятков милливольт. Для регистрации таких потенциалов, изменяющихся во времени, требуются очень чувствительные приборы, позволяющие без искажения регистрировать биотоки живой ткани.Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб.
Рыбы и электричество.
Рыбы используют разряды:
чтобы освещать свой путь;
для защиты, нападения и оглушения жертвы;
- передают сигналы друг другу и обнаруживают заблаговременно препятствия Каких рыб называют живыми электростанциями? Как велико напряжение, создаваемое ими? 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.
Среди других электрических рыб особенно выделяется скат торпедо, который встречается в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах. Размеры торпедо достигают двух метров. Каждый орган состоит из множества «колодцев», вертикальных по отношению к поверхности тела и сгруппированных подобно пчелиным сотам. В каждом колодце, заполненном студенистым веществом, помещается столбик из 350-400 лежащих друг на друге дисков. Диски выполняют роль электродов в электрической батарее. Вся система приводится в действие особой электрической долей мозга.
Торпедо способен в течение 10-16 с давать до 150 разрядов в секунду, по 80 В каждый. Электрические органы крупных торпедо развивают напряжение до 220 В.
Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Он может произвести удар мощностью больше чем в 500 вольт! Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.
У электрического угря, обитающего в водах тропической Америки, насчитывается до 8 тысяч пластинок, отделенных одна от другой студенистым веществом. К каждой пластинке подходит нерв, идущий от спинного мозга. С точки зрения физики эти приспособления представляют своего рода систему конденсаторов большой емкости. Угорь, накапливая электрическую энергию в этих конденсаторах и по своему усмотрению разряжая ее через тело, прикасающееся к нему, производит электрические удары, чрезвычайно чувствительные для человека и смертельные для мелких животных. Напряжения тока, вырабатываемого угрем, достаточно, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Он может произвести удар мощностью больше чем в 500 вольт! Угорь создает особенно сильное напряжение тока, когда изогнется дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.
Тело африканского речного сома обернуто, как шубой, студенистым слоем, в котором образуется электрический ток. На долю электрических органов приходится около четверти веса всего сома.
Напряжение разрядов его достигает 360 В, оно опасно даже для человека и, конечно, гибельно для рыб.
Характерная особенность рыб, имеющих электрические органы,- их малая восприимчивость к действию электрического тока. Так, например, электрический угорь без вреда для себя переносит напряжение 220 В. Племена, живущие по отдаленным притокам южноамериканских рек Амазонки, Ориноко и других, в местах брода у каждого берега держат на привязи лошадей. Когда кто-то хочет переправиться на противоположный берег, то он вначале гонит перед собой лошадь (но не едет на ней!), а сам идет следом за лошадью. Обратный путь он проделывает таким же образом. Чем объясняется этот весьма своеобразный способ переправы? В реках северо-восточной части Южной Америки обитает самая мощная из всех известных электрических рыб - электрический угорь. Почти двухметровые рыбы заставляют прыгнуть стрелку вольтметра до 550 В и производят достаточно тока, чтобы полдюжины стоваттных лампочек вспыхнули, как электрическая реклама. По этой причине племена, живущие по притокам этих рек, в местах брода, там, где водится много электрических угрей, устраивают переправу с помощью лошадей. Электрические угри разряжают свои батареи о ноги лошадей и не успевают перезарядить это оружие, так что люди переходят реку невредимыми. Морские миноги всегда приходят в возбуждение от одного присутствия в воде минимального количества химических веществ, выделяемых рыбами, которыми они питаются. Но только одной химической чувствительности недостаточно для захвата добычи, если, конечно, миноги не наткнутся на нее случайно. Их глаза настолько атрофированы, что не могут приносить какую-либо пользу в данном случае. Каким же образом минога может поймать свою жертву? Морская минога в возбужденном состоянии излучает короткие электрические импульсы. Каждый такой импульс представляет собой электрический ток, который из одной части тела миноги через воду попадает в другую. Минога воспринимает любые изменения посланного ею импульса. Обычно такое изменение означает, что не далее чем сантиметрах в десяти от головы находится какой-то объект, отличающегося по своей электрической проводимости от воды. Часто этот объект оказывается рыбой, к которой минога тут же присасывается бесчелюстным ртом и начинает "просверливать" отверстие, добираясь до крови.
Биохимия электричества
П
Фермент Na/К-АТ Фаза работает по принципу челнока, выкачивая из клетки три иона Na и закачивая два иона К для восстановления ..работоспособности.
рошло много времени, 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» ионов натрия и калия. Мембрана животной клетки — тонкая, не видимая невооружённым глазом оболочка, — обладая полупроницаемыми свойствами, является надёжным гарантом сохранения жизнеспособности клетки. Оказалось, что все клетки заряжены и что заряд мембраны является неотъемлемым атрибутом её жизни. Пока клетка жива, у неё есть заряд. Заряд клетки возникает благодаря биохимическим процессам, протекающим в ней. Заряд существует тогда, когда есть разность между концентрациями ионов Na+/K+, определяемая перемещением этих ионов. Когда клетка работает, она теряет свой заряд.Исследовательская часть.
Эксперимент 1: При трении многих тел о мех наблюдается электризация. Я задалась целью выяснить, чей мех электризуется больше. Предварительно просушила шерсть котёнка и собаки (электризация существенно ослабляется при большой влажности). Затем натирала расчёску по очереди о шерсть каждого животного одинаковое количество раз, подносила её к гильзе из фольги, подвешенной на нити, и измеряла угол отклонения от вертикали.
Вывод:
Чем жестче шерсть, тем лучше способность электризовать другие тела. Возможно, и кошачья шерсть обладает хорошими свойствами электризовать. Однако для проверки этих утверждений требуется дальнейшее исследование с большим числом опытов.
Эксперимент 2:
Для того, чтобы выяснить, как электричество влияет на человека, я провела опыт.
Взяла две расчески деревянную и пластмассовую. Расчесав волосы (сухие) расческами, выяснилось, что после этого волосы притягиваются к расчёски. Но лучше они притягиваются к пластмассовой расческе, а не к деревянной. Это можно объяснить тем, что дерево хуже электризуется. Перед натиранием расчёски о волосы количество положительных и отрицательных зарядов на волосах и расчёске одно и тоже. После натирания расчески о волосы на последних появляется положительный заряд, а на расчёске - отрицательный.
Вывод:
Когда электризуются волосы это не очень удобно и вообще не естественно, поэтому лучше пользоваться деревянными расчёсками, это будет лучше для ваших волос и для вас.
Эксперимент 3:
Многие цветы и листья имеют способность закрываться и раскрываться в зависимости от времени и суток. Это обусловлено электрическими сигналами, представляющими собой потенциал действия. Можно заставить листья закрываться с помощью внешних электрических раздражителей. Кроме того, у многих растений возникают токи повреждений.
Срезы листьев, стебля всегда заряжены отрицательно по отношению к нормальной ткани. Если взять лимон или яблоко и разрезать, а потом приложить к кожуре два электрода, то они не выявят разницы потенциалов. Если же один электрод приложить к кожуре, а другой к внутренней части мякоти, то появится разность потенциалов, и гальванометр отметит появление силы тока.
Электроэнергию можно получить из некоторых фруктов и овощей. Электрический ток можно получить из лимона, яблок и, самое интересное, из обычного картофеля. Я провела опыты с этими плодами и действительно получила ток. получила ток.
Заключение.
Конечно, электрическая энергия растений и животных, в настоящее время не могут заменить полноценные мощные источники энергии. Однако и недооценивать их не стоит.
С развитием современных нанотехнологий и энергосберегающих решений наука может дойти до такого совершенства, когда например, миниатюрные системы можно будет годами питать, просто воткнув их в ствол. Начало уже положено, а будущее – за нашим молодым поколением, которому предстоит стать разработчиками новейших технологий и производств, направленных на развитие экономики страны.