ЗАДАЧИ УРОКА
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ:
- систематизировать знания учащихся по теме “Электрическое поле и его применение на производстве и в биологии”,
- продолжить формирование умения группировать материал по заданной теме.
РАЗВИВАЮЩИЕ:
- уметь выделять главные мысли при ответе в работе с научно-популярной литературой;
- находить связь между учебными предметами и производством, между учебными предметами физики и биологии.
ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ:
- продолжить формирование представления о единстве природы;
- уметь раскрывать межпредметные связи физики и биологии.
Особая форма материи, окружающая электрический заряд, посредством которой они взаимодействуют друг с другом, называется электрическим полем. Все опыты доказывают, что заряд и электрическое поле всегда существуют, представляя собой некое единство. Материя в форме электрического поля не влияет на наши органы чувств, и потому мы не можем её видеть, осязать. Но электрическое поле действует на электрические заряды и этим обнаруживает себя.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ В ТЕХНИКЕ
1. ОБОГАЩЕНИЕ полезных ископаемых путём сепарации (разделения) руд, отходов обработки руд, черных металлов, угольной мелочи, стекольных песков (удаление вредных включений), формовочных песков и т.д. Сепарируемый материал дробится на мелкие частицы. Падающие под действием силы тяжести, они движутся в электрическом поле большой напряженности, создаваемом в сепараторе, заряжаются и получают различной величины заряды. Электрическое поле действует на них с разными силами,
вследствие чего пути движения частиц расходятся. Например, используя такие виды электрической сепарации:
а). Сепарация, основанная на использовании различия электропроводности. Заряжение частиц происходит путём непосредственного соприкосновения их с заряженным металлическим электродом сепаратора. Частицы с большей проводимостью получают относительно больший заряд от электрода и отталкиваются от него, а частицы из непроводящего вещества остаются практически незаряженными и не изменяют своего движения в сепараторе.
б). Сепарация, основанная на электризации трением. В таких сепараторах частицы до поступления в электрическое поле проходят некоторый путь, трутся друг о друга и получают заряды: одни - положительные, другие – отрицательные. При дальнейшем движении в электрическом поле пути их расходятся.
2. СОРТИРОВКА с помощью электростатической сепарации (например, выделение муки высших сортов из муки простого помола, обеспыливание зерна, крупы, и очистка их от сорных примесей и т.д.).
3. УЛАВЛИВАНИЕ редких металлов.
4. ОЧИСТКА топочных и других промышленных газов от взвешенных в них частиц. Электрофильтр представляет собой вертикальный металлический цилиндр, по его оси натянут провод, на который подаётся отрицательный потенциал, а на цилиндр – положительный. Взвешенные в газе частицы заряжаются (за счёт осаждающихся на них ионов) и передвигаются к проводу, где и улавливаются.
5. ЭЛЕКТРООКРАШИВАНИЕ. Окрашиваемые детали подвешиваются к цепи конвейера, на которую подаётся высокий положительный потенциал. На расстоянии примерно 30 см. от деталей располагается медная сетка, на неё подаётся отрицательный потенциал (от источника постоянного тока высокого напряжения порядка десяти тысяч вольт). Сильное электрическое поле ионизирует воздух между сеткой и деталями. Краска подаётся в зону поля распылителями. Частицы краски заряжаются отрицательно и притягиваются к положительно заряженным деталям. Электроокрашивание экономит до 60% краски, увеличивает производительность на 50-70% и повышает качество окраски.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ЖИВЫЕ КЛЕТКИ
1. Одна из характерных особенностей нашей планеты – наличие постоянного электрического поля в атмосфере. Как правило, на Земной поверхности располагаются отрицательные электрические заряды. Поскольку всё, что не изолированно, находится на земном шаре и обладает его потенциалом, то и посевы имеют заряды отрицательного знака. Над Землёй, на высоте 100-200 км, существует прослойка из положительно заряженных частиц – ионосфера. В 1971 году космонавтам даже удалось её увидеть-это светящаяся прозрачная сфера.
Известно также, что заряды между Землёй и ионосферой переносятся аэроионами – электрически заряженными частицами воздуха. Носители отрицательных зарядов устремляются к ионосфере, а положительные аэроионы движутся к земной поверхности. Здесь они встречаются со всевозможными предметами, сооружениями и растениями. Между ними, почвой и любыми “земными” предметами, с одной стороны, и атмосферой с другой стороны, имеется электрическое поле, созданное как бы обкладкой гигантского сферического конденсатора. Электрическое поле почти всегда (за редким исключением) направлено вниз, к земной поверхности. Значит, жизнь на нашей планете развивалась в условиях постоянного воздействия электрического поля. Когда идешь по полю, улице, скверу, то движешься в электрическом поле, дышишь электрическими зарядами. Но в разных местах чувствуешь себя по-разному – это зависит от количества электрических зарядов и, главным образом, отрицательных. Так, в Москве в 1 см3 воздуха содержится 4 отрицательных заряда, в Сан-Петербурге-9 таких зарядов, в Кисловодске, где эталон частоты воздуха, - 1,5 тыс. частиц, а в Домбае, на юге Кузбасса, в смешанных лесах предгорья этих частиц доходит до 6 тыс. Значит, где больше отрицательных частиц, там легче дышится, где пыль – человеку достаётся их меньше, т.к. частицы оседают на неё.
2. Свежесть воздуху придают отрицательные аэроионы. Они снимают усталость, вызывают чувство бодрости. В медицине применяется метод лечения ионизированным воздухом, способствующий лучшему обмену веществ в организме, электрический душ. Больного помещают между двумя электродами, соединёнными с источником постоянного напряжения 40-50 кВ. Один электрод в виде звезды с небольшими остриями, направленными к больному, располагают над головой на расстоянии 10-15 см. Второй электрод находится под ногами на изолирующей подставке. Электрическое поле имеет наибольшую напряженность около остриёв головного электрода, где и возникает тихий электрический разряд. Образующийся в зоне разряда поток ионов направляется к телу больного преимущественно в области его головы и шеи. Аэроионы действуют на нервные окончания, заложенные в кожных покровах этой области, а также на рецепторы слизистых оболочек при вдыхании ионизированного воздуха.
Всегда чистый и свежий воздух в жилых помещениях достигается с помощью бытового аэроионизатора “Электроника”.
3. Более 200 лет назад французский аббат П. Берталони заметил, что вокруг молниеотвода, установленного поблизости от его церкви, растительность пышнее и сочнее, чем вдали. Аббат приписал это действие огням святого Эльма и не ошибся. Свечение коронных разрядов атмосфере вызывают положительные заряды аэроионов, устремляющихся к отрицательно заряженному прутку молниеотвода. Они-то и действовали благотворно на растущую поблизости зелень. Сейчас можно заметить, что растительность вдоль высоковольтных линий электропередач более высокая и кустистая, чем через несколько метров в сторону от проводов.
Разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы очень велика. Градиент потенциала у поверхности почвы (оп данным Московского ГУ) 100-130 В на метр в ясную погоду. А в пору грозы – это тысяча и десятки тысяч В/м.
В погожий день над равниной электрический потенциал по мере подъёма возрастает с каждым метром примерно на 100 В и даже выше. Это означает, что например, на лугу, поле, достаточно широкой улице потенциал на уровне лица человека примерно на 180 В выше. Чем на уровне Земли.
У людей, впервые узнавших о существовании электрического поля большой напряженности над поверхностью земли, сразу же возникают вопросы: почему в таком случае не поражает током человека и другие живые организмы, как только они оказываются на открытой местности? Нельзя ли с пользой применить это электричество? Дело в том, что наше тело – довольно хороший проводник. Когда мы стоим на земле, мы вместе с нею приобретаем одинаковый заряд, и, как считают физики, тело образует с землёй эквипотенциальную поверхность. Обычно эквипотенциальные поверхности параллельны поверхности местности, но когда на ней оказывается человек, животное, машина, любой неизолированный предмет, то эти поверхности смешиваются, и электрическое поле над предметами. Растениями или неровностями земли становится изогнутым, искажённым. В итоге напряжение между головой и ступенями человека приблизительно равно нулю, и он не ощущает атмосферного электричества.
С увеличением высоты электрическое поле продолжает существовать, только становится слабее. На высоте 50 км напряженность едва приметна, так что большая часть разности потенциалов приходится на малые высоты. Вся разность потенциалов между поверхностью Земли и верхом атмосферы приблизительно равна 400 тыс. вольт. Но это только в спокойную, ясную погоду. Все явления атмосферного электричества чрезвычайно изменчивы: сильно влияние облаков, гроз и других метеоусловий; перед грозой же меняются в тысячи раз, причем, иногда может трансформироваться и направление электрического поля: поверхность Земли становится положительной, а атмосфера – отрицательной. В мире ежедневно гремит около 300 гроз. В нижней части грозового облака собираются отрицательные заряды в количестве гораздо большем, чем в земле. Это называется аномальной электризацией облаков. Бьет молния и переносит часть заряда на землю. Считается, что именно молнии и дожди подзаряжают нашу планету отрицательным электричеством. А в районах с хорошей погодой происходит постоянная утечка зарядов в обратном направлении.
Аэроны (положительные и отрицательные ионы), в основном, возникают при ионизации атмосферы космическим излучением. На земле – от ионизации различными излучениями: линиями электропередач, радиоволнами, рентгеновскими и радиоактивными излучениями. Но откуда берутся заряды на дождевых каплях и почему они скапливаются внизу? Сейчас известно более 30 теорий электризации облачных капель, но, по – видимому, ни одна из них не дает удовлетворительное объяснение этому явлению. Данный вопрос ждет своего решения в будущем.
4. Отсюда возникает и такой вопрос: влияют ли изменения электрического поля (если да, то как) на процессы жизнедеятельности растений, которые зародились и развивались в условиях, специфичных для нашей планеты?
Первые опыты по изучению влияния естественного атмосферного электричества на растения поставил в 15 столетии итальянец Ф. Гардини. Исследователь намеревался установить, как развиваются растения в металлической, предварительно заземленной крупноячеистой клетке (клетке Фарадея), при полном отсутствии электрического поля.
В своем саду над деревьями Ф. Гардини натянул несколько рядов железной проволоки и заземлил ее. Эксперимент длился 3 года. Деревья начали сохнуть, перестали плодоносить. Но стоило убрать проволоку, и деревья ожили.
Несколько позже англичанин С.Лемстрем поставил еще эксперимент: тоже натянул над опытным участком металлическую сетку и соединил ее не с землей, а с клеммами высоковольтной электрической машины. Но вскоре стало ясно, что чрезмерная электризация воздуха не идет на пользу растениям. Значит, растениям одинаково вредно и отсутствие электричества, и чрезмерное его наличие. Очевидно, истина где – то посередине. Поиск ее ведется в нескольких направлениях. Одно из них – стимулирование роста растений путем предварительной обработки семян в высоковольтном электростатическом поле.
5. Летом в атмосфере больше положительных аэроинов, чем отрицательных. С наступлением осени солнце начинает светить слабее, и растения получают из ионосферы все меньшее количество положительно заряженных частиц. А когда вступает в силу еще и холод, семена погружаются в анабиоз.
На увеличение отрицательных частиц реагирует живой организм, в частности, человеческий. У человека отрицательные частицы стимулируют активность, в то время как летом положительные аэроины обусловливают большую утомляемость и даже головные боли.
Представьте себе, что вашим собеседником может стать ... обыкновенное растение, скажем, огурец, фасоль, мимоза или тыква. Разговаривает растение на электрическом языке, буквы и слова которого – электрические импульсы, бегущие от очага раздражения по артериям растения – проводящим пучкам – со скоростью значительно большей, чем скорость перемещения химических веществ. Растение, восприняв пришедший импульс и получив, таким образом информацию о переменах в окружающей среде, “приспосабливается” - изменяет дыхание, фотосинтез, поглощение минеральных веществ.
6 . Зачем растению электрический язык? Чтобы поддержать свою жизнедеятельность, выжить в экстремальных ситуациях, подготовить свои системы саморегулирования к восприятию чрезвычайных раздражителей. Большинство исследователей сходятся на ионной природе биоэлектрических потенциалов. При этом измеряемая разность потенциалов живых клеток рассматривается как следствие неравномерного распределения ионов между клеткой и средой и перераспределения их при раздражении. Любые воздействия на растения в той или иной мере изменяют свойства клеточных мембран. Вызывают перераспределение ионов и изменяют биопотенциалы. Изучая электрический язык растений, можно убедиться в необычайной их чувствительности на внешние раздражители, понять, как они уязвимы, как тонко реагируют на малейшие нарушения экологических условий произрастания.
Электрофизиологические показатели помогают ученым исследовать весьма сложные явления живой природы, познание которых имеет большое теоретическое и практическое значение. Удалось, например, прогнозировать степень зимостойкости плодовых растений, дать сравнительную характеристику термостойкости овощных и злаковых культур, повысить сохранность плодоовощей и картофеля, создать индикаторы качества некоторых видов сельскохозяйственной продукции. На чем основано действие индикатора качества? Если растение (плод или клубень) начинают портиться, загнивать, сопротивление его электрическому току падает. Вычисляется коэффициент индуцированной проводимости, который начинает понижаться задолго (недели за две) до загнивания овощей. Следовательно, надо применять профилактические меры: включить вентиляцию, изменить температуру, наконец, реализовать продукцию.
Изучение электрофизиологических процессов, протекающих в живых тканях растений, не самоцель. В итоге мы хотели бы выращивать продукцию с заданными свойствами, например, с большим содержанием необходимых человеку аминокислот. Селекционный путь увеличения аминокислот в белках связан, как правило, с понижением урожайности или устойчивости, в то время как с помощью электрофизиологического воздействия можно направить биосинтез в сторону накопления необходимых аминокислот, сохраняя при этом высокие урожаи, сопротивление болезням и неблагоприятным факторам среды.
Большие и заманчивые перспективы открывает изучение электрофизиологических свойств растений. Свой вклад в это благородное дело могут внести и школьники. Сельское хозяйство 21 века ждет новых открытий и разработок.
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. МАГНИТНЫЕ БУРИ И ЧЕЛОВЕК.
“В воздухе пахнет электричеством”, - говорят иногда во время грозы. Но не только во время грозы существует электричество. Оно вообще присуще атмосфере и характеризует ее состояние. Зарядоносителями – ионами могут быть заряженные остатки атомов и молекул. Это – макрочастицы водяного тумана, дождевые капли, микроорганизмы, мелкодисперсионная пыль. В окружающей среде зарядоносители непрерывно передвигаются по всем направлениям. Экспериментально установлена плотность электрических зарядов на поверхности Земли: 7•105 элементарных зарядов. Электрические заряды перемещаются с поверхности Земли в верхние слои атмосферы и наоборот – из верхних слоев атмосферы стремятся к ее поверхности.
Что же обуславливает наличие электричества между верхними слоями атмосферы и поверхностью Земли? Причин несколько. На одну из них указывал М.В.Ломоносов: статическое электричество возникает при трении воздушных масс. Но это не все. Один из основных источников электризации атмосферы находится в космосе, за пределами однородной атмосферы. Потоки ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений от Солнца направляются к Земле. Они не равнозначны по плотности, интенсивности и энергии. Достигая верхних слоев атмосферы, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения ионизируют атомы атмосферы, превращая их из нейтральных в электрически заряженные. Кроме того возникает множество иных заряженных элементарных частиц, обладающих различными энергиями. На некотором расстоянии от Земли образуется сплошной объемный ионизированный слой, охватывающий Землю. Первый такой слой охватывает Землю на высоте 110 – 120 км, он имеет относительно небольшую толщину и стабильные границы. Второй слой с переменной толщиной находится на высоте 180 – 300 км. Кроме этих постоянных электрически заряженных слоев имеются “плавающие”, локально образующиеся области заряженных частиц. Ими – то, в основном, и можно объяснить резко изменяющиеся значения напряженности поля в различных районах земного шара.
Всякое движение зарядоносителей сопровождается появлением магнитного поля. Влияние магнитных полей на живое известно давно: обнаружена биологическая ориентация развития растений, перелета птиц и т. д. Доказано, что при отсутствии каких – либо четко выраженных естественных или искусственных ориентиров животные при свободном перемещении ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли.
В зависимости от того, как расположены в почве семена кукурузы и пшеницы относительно силовых линий Земли существенно изменяются процессы их прорастания. Семена, высаженные перпендикулярно силовым линиям, прорастут хуже, чем при параллельном расположении. Магнитное поле окружающей человека среды складывается из двух составляющих: магнитных полей, создаваемых электрифицированным транспортом, работающими двигателями и генераторами и т. д. и магнитного поля Земли. Магнитные поля, создаваемые движением заряженных частиц в верхних слоях атмосферы, накладываются на магнитные поля вихревых токов массы Земли, в результате чего во всех слоях атмосферы существует суммарное единое магнитное поле, в котором возникла жизнь, а затем и человек. Напряженность магнитного поля на поверхности Земли в целом невелика и непостоянна: она колеблется по суткам, месяцам, годам. Происходят резкие локальные изменения напряженности. Причина их – явления, происходящие на Солнце и сопровождающиеся изменением солнечной активности. При этих явлениях от Солнца к Земле устремляются потоки ультрафиолетовой и рентгеновской радиации, радиации более жесткого и корпускулярного излучения. Взаимодействие их с элементарными частицами в верхних слоях атмосферы приводит к резкому увеличению напряженности магнитного поля Земли, называемого магнитной бурей. Во время магнитных бурь, продолжающихся от минуты до суток, напряженность магнитного поля Земли возрастает в сотни, а иногда и в тысячи раз. Установлено влияние на человека магнитных полей вообще и магнитных бурь в частности.
Еще в 30-х годах 20 столетия академик Александр Чижевский установил связь между возрастанием солнечной активности и вспышками эпидемии чумы, холеры, дифтерии, гриппа, менингита и даже возвратного тифа. Английскими учеными установлен четко выраженный рост нервно – психических заболеваний при магнитных бурях. Подобные данные получены на 40000 заболеваниях. В периоды солнечной активности возрастают размножение и токсичность ряда болезнетворных микробов, повышается скорость свертываемости крови и число лимфоцитов. Установлены четкие изменения биопотенциалов. Одни люди могут реагировать на наступающую магнитную бурю за 3 – 4 дня, другие – за сутки, третьи – в момент бури, четвертые – через 2 – 3 дня после бури, на состоянии некоторых магнитная буря не отражается.
Через какие механизмы осуществляется это влияние? Если влияние магнитного поля обнаружено, то можно предположить: поле взаимодействует с магнитными свойствами живого организма. Характерная особенность взаимодействия заключается в том, что организм “прозрачен” для магнитного поля. Проникающая радиация частично или полностью поглощается в поверхностных областях тела. А магнитное поле действует на весь организм сразу: от тела и органа до клетки и отдельных ее молекул и атомов.
Источниками магнитных полей живого организма, в частности, и магнитных полей сердечной мышцы, являются биотоки, создаваемые мигрирующими по молекуле электронами и ионами. Это показывает, что на биоэлектричество распространяются общие законы электромагнетизма: возникает и изменяется величина тока, возникают и изменяются магнитные поля. Магнитные явления отражают очень тонкие и сложные изменения, происходящие в живом организме.
Учеными сделан сравнительный анализ действия магнитных полей окружающей среды на состояние сердечно – сосудистой системы человека. Произведенная обработка данных дала неожиданный результат: число вызовов “скорой помощи” зависит от параметров окружающей среды. Речь идет о характере изменения напряженности магнитного поля во времени. Вывод: сердечно – сосудистая система обладает удивительно тонко выраженной чувствительностью к изменению магнитного поля Земли и частотных составляющих перепада атмосферного давления. Обследования людей, работающих вблизи источников магнитного поля, показали наличие жалоб на ухудшение состояния здоровья.
Биоэлектрические и биомагнитные явления неразрывно связаны с электричеством и магнетизмом окружающей атмосферы и всеми физическими ее параметрами. Изучение этих связей открывает удивительные перспективы в познании живой материи, а главное, дает возможность регулировать и создавать оптимальные условия среды, окружающей человека, и условия его деятельности.
Литература.
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика - 10 . М.: Просвещение, 2012.
- Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь.- М.,1973.
- Чижевский А.Л. Эпидемические катастрофы и периодическая деятельность Солнца. – М., 1930.