Тверь 2000
[К. В.1]
Содержание
1.Введение…………………………………………………………………… 3
2.Физика. Человек. Окружающий мир………………………………… 5
3.Электрическиеявления… ……………………………… … ………… 6
4.Электрическое поле Земли… … … …………………… …………… 8
5.Электрическая активность планеты ижизнь…………………… 9
6.Электические свойства воды………………………………………… 10
7. Электрические свойства тела человека………………………… 11
8. Поражение электрическим током………………………………… 12
9. Заключение……………………………………………………………… 14
10. Приложение………………………………………………………… 16
11.Список используемой литературы……………………………… 21
Введение
Бесконечно разнообразен мир.
Бесконечно разнообразна окружающая нас природа.
Бесконечносложны и различны люди — части этой при-
роды.
Многиефизики, правда, глубоко убеждены, что в осно-
ве своей природа проста и большинство ее «загадок», все
еще приводящих исследователей в недоумение, лишьсвиде-
тельствуют, что мы пока еще не способны понять язык, на
котором мир рассказывает о себе.
Во всевремена людей интересовало, как устроена Зем-
ля и Вселенная, в чем причина природных явлений.Люди да-
вали свои толкования окружающему — всякий раз по-своему,
в зависимости от уровня имевшихся знаний, от уровня раз-
вития человеческой мысли. Но одни уповали при этом на
высшую силу, даже собственные достижения считали резуль-
татом откровенья божьего… Другие же кропотливособирали
крупицы повседневного опыта, старались обобщить их,вос-
произвести то, что наблюдали в природе.
Как намоценить путь, который успело пройти человечество?
Раскроем«Беседу трех святителей», сочинение, созданное около IV века нашейэры. Авторитетнейшие византийские писатели рассуждают о мировыхтайнах: «Иоаннъ рече: Отъ чего громъ и молния сотворено бысть? - Василий рече: Гласъ господенъ въ колеснице огненной утверженъ и ангела громнаяприставлена...» На славянский язык это сочинение было переведено в XI веке, и написанное в нем принималось заистину еще многие столетия!
Асейчас, можно сказать, на наших глазах рождается
единая физическая теория так называемого«великого объединения »: она охватывает все случаи электромагнитного
взаимодействия, в том числе и атмосферные разряды – молнии и сильные взаимодействия, ответственные за целостность атомных ядер, и слабые, делающие возможными радиоактивныепревращения одних химических элементов в другие...
Вот каковскачок в знаниях людей о природе. Сделало
его человечество за шестнадцать веков, причем главные,
поистине семимильные шаги пройдены за последние двести
лет.
Пройдятропу, ведущую от мифов и легенд далёкого прошлого к некоторым основополагающимсобытиям настоящего, люди построили совершенно особый, не похожий на природный «электрическиймир» .
И всё жепочему именно « Человек иэлектричество»? Познание природы электрических явлений – величайшее достижениечеловеческого гения. Великий Максвелл предложил систему математическихуравнений, которые красочно и лаконично описывали фундаментальные законы, лежащиев основе этих явлений, а заодно объясняли тепловое излучение и распространениерадиоволн (открытых, кстати, значительно позже!).
Конечно,случилось это не вдруг, не спонтанно; не было это и откровением свыше. Общаятеория электрических явлений позволила не только демонстрировать эффект притягиванияпушинок или получения искр – теперь наука и техника быстро изыскали способыпередачи информации на расстояние (притом безошибочной передачи и на огромныерасстояния), начали конструировать машины с искусственным интеллектом…
Примеровприменения электричества необоримое множество. Еще в 1912 году было сказано:«Электрификация всех фабрик и железных дорог сделает условия труда более гигиеничными,избавит миллионы рабочих от дыма, пыли и грязи, ускорит превращение грязных,отвратительных мастерских в чистые, светлые, достойные человека лаборатории».Мы живём в удивительное время. Достижения техники и науки так «уменьшили»размеры нашей планеты, а население её так разрослось, что сегодня нельзя непонимать: составляя планы развития хозяйства в некотором регионе, надо думать обудущем всей Земли. Ведь сейчас даже оптимисты говорят, что примерно черезполтора столетия на Земле иссякнут запасы основных видов топлива – нефти, газа,угля… лишь тогда снова загудели домны, снова забили из леток тугие струираскаленного металла.
Где же черпать энергию? Не погибнет ли наша–«энергетическая» – цивилизация? Уместен вопрос: электричество в нашей властиили мы в его?
Сегодняэлектричество стало самостоятельной отраслью естественнонаучных знаний. Оно ещёуготовит людям немало неожиданностей. Некоторые «сюрпризы» науки мы уже можемпредугадать. И контуры будущего, вырисовывающиеся сегодня, грандиозны. Потомунам и захотелось рассказать об электричестве.
Физика. Человек. Окружающий мир.
Определяяпредмет физики как науки, говорят: «Физика наука о неживой природе».Однако человека, хотя он и относится к живой, осознающей себя материи, нельзяне считать объектом изучения физики.
Действительно человек живет в мире, устроенном и функционирующем в соответствии с законами, являющимисяпредметом изучения физики. Само происхождение человека, особенности, которымион обладает, его будущее связаны не только с эволюцией окружающего мира, но и сразвитием
свойств человека и определяется физическимиусловиями во Вселенной и физическими законами, действующими в ней.
Человек — физический объект, который наравне с объектамидругой природы совершает перемещения, участвуетв силовых воздействиях, подвергается влиянию физических полей разного рода.
Человек — сложная физическая система: функционирование отдельных её частей(физиологические системы, органы, клетки), взаимодействие с окружающей средой(метаболизм) определяется физическими процессами.
Человек — субъект познания: наблюдения, измерения, эксперимент, гипотеза,модель, теория — изобретения человека,при помощи которых он изучает и объясняет окружающий мир и себя в этом мире.
Человек — член большого сообщества себе подобных. На благо себе и человечеству онприменяет достижения наук, в том числе и физики, видоизменяя и приспосабливая ксвоим потребностям окружающую среду, стремясь тем не менее не нарушать с нейгармоничного единства.
По сравнениюс другими науками, по определению изучающими человека, — биологией,физиологией, генетикой, психологией, философией, социологией, - физика позволяет «увидеть»этот исключительный важный в современную эпоху объект исследования с новойточки зрения и дополнить психобиологическое представление о человеке физическойпричинностью.
Такимобразом, изучая физику, можно продвинуться по пути познания человекомсамого себя, лучше понять его природу и возможности, поскольку человек — часть и продукт мира,понять и объяснить который призвана физика.
Электрические явления
В мире, вкотором мы живем, действует множество законов физики. Среди них и такие, которые знает каждый
школьникиз учебников физики, и такие, которые известны
сегоднятолько немногим. С физическими явлениями мы сталкиваемся не только в лабораторияхБольшой науки, но и в
каждодневнойжизни. В наши дни не только в цехах заводов,
научныхлабораториях или медицинских кабинетах, но и у
себядома мы окружены аппаратами приборами, в которых используется электрическийток, магнетизм, электромагнитные
волныи т.д. Современные изобретатели активно осваивают
достиженияфизики: ими подсчитано, что науке известно
около5000 явлений, а любой специалист знает не более
150.Что тогда говорить о нас с вами? Нопоразмыслив над
тем,какие электрические явления нам удаетсянаблюдать в
природемы придем к выводу, что их совсемнемного. Очевидно мы вспомним, что молния — это по существу электрический заряд, однако мы воспринимаем лишь порожденные им
световыеэффекты и звук, вызванный быстрымнагревом воз-
духа,а не его электрическую «сущность». Другие явления
такие,как взаимодействие электрически заряженных тел
(отталкиваниенаэлектризованных шариков бузины) — мы знаем только в основном из школьныхопытов. Поэтому нам кажется, что состояния веществ, при которых проявляется
электричество,в природе существуют лишь какисключения.
Так,чтобы шарики бузины взаимно отталкивались, им необ-
ходимосначала сообщить электрический заряд и т.п. На ос-
нованиитолько нашего чувственного опыта мы не в состоя-
нииобнаружить, что между взаимодействием электрически
заряженныхтел и всеми явлениями, которые мы воспринимаем
нашимиорганами чувств (за исключением гравитации) существует непосредственная связь.
Нам не нужно объяснять, почему силой илипросто давлением руки можно воздействовать на какой-то предмет:
контактноесиловое воздействие — одно из наиболее распространённых и обычныхявлений в нашей повседневной жизни, кажущихся нам самоочевидными. Тем не менее,контактное взаимодействие между твердыми телами и между твердым телами и жидкостями- явление достаточно сложное.Так, из наблюдений нам известно, что,например, стеклянные пластины, плотно прижатые друг к другу, трудно потом оторвать — настолько прочно они сцепляются; мокрый снег безнадежно прилипает к немазанойповерхности лыж, но при наложении тонкогослоя лыжной мази легко отпадает. На чистом стекле вода образует тонкую пленку,а на жирной подложке собирается каплями. Целый ряд подобных примеровсвидетельствует о сложности и разнообразии поверхностных и контактных явлений ивзаимодействий. При более близком знакомстве с этими явлениями у насвполне естественно возникает вопрос: не скрывается ли за всем их разнообразием какой-то общий и простой физический закон? Но чтобы глубже выяснить причины контактных взаимодействий, недостаточно тольконаблюдений и измерений простейшими средствами.
Однако из некоторых наблюдений можносделать вывод,
чтоконтактное взаимодействие — во всяком случае, частич-
но- связано с электрическими явлениями. Например, если
потеретьсухую стеклянную пластинку замшей, тоона начи-
наетпритягивать (электростатическое притяжение) пылинки
или частички порошка. Пылинки буквальноподскакивают к
стеклу,преодолевая силу гравитации. В некоторыхслучаях
электризацияпредметов трением оказывается настолько
сильной,что буквально слышен треск искр - это происхо-
дит,например, при расчесывании сухих волос.
Опыты по электризации трениемпоказывают, что неко-
торыетела после электризации притягиваются, а другие от-
талкиваются.Так, без каких-либо сложныхприборов можно
прийтик выводу о существовании двух различных зарядов,
которыевзаимно притягиваются друг к другу; напротив, те-
ла,имеющие заряд одного и того же вида, взаимно отталки-
ваются.Бенджамин Франклин назвал заряд, который возникает на стекле, потертом кожей, положительным, а заряд эбонитовогостержня, потертого лисьим хвостом, — отрицательным. Заряды можно было бы обозначить и наоборот: как мы знаем сегодня, это было бы гораздо удобнее для описания различных электрическихявлений, которые изучаются в физике.Ведь носителями электрического тока в основном являются электроны, которым Франклин произвольно приписал отрицательныйзаряд. Вследствие этого теперь нам приходится приписывать электрическому токунаправление, противоположное тому, в котором движутся электроны.
Наблюдать взаимодействие между заряженными телами,
особенноесли речь идет о телах малых размеров, можно и
безпомощи современных электротехнических устройств. Пер-
воесообщение о такого рода наблюдениях появилось около
2500лет назад; тогда Фалес Милетский обнаружил, что при-
везенныйс севера янтарь проявляет особые свойства: если
егопотереть, то он притягивает мелкие легкие предметы, а
послесоприкосновения с ними их отталкивает. Именно отсю-
даи берет свое начало слова «электричество», ибо «элек-
трон»по-гречески означает «янтарь». Однако позднее по-
добныесвойства были обнаружены и у многих других матери-
алов.
В принципе все электрические явления моглибы быть
открытыи объяснены уже давно. Однако только где-то в на-
чале18 века стали исследовать их достаточно глубоко. Да-
жесамые развитые культуры древности, достигшие столь
значительныхуспехов в математике и философии, нераспо-
лагалинеобходимым для исследования источником тока. (Ес-
лине считать находку, хранящуюся в Багдадском музее:
одиниз экспонатов, созданный, как предполагается, за
несколько сот лет до нашей эры, некоторые специалисты в
последнеевремя склонны рассматривать как примитивный
гальванический элемент. До сих пор остается неясным,
действительноли он служил для получения электричества.)
Электрическое поле Земли
Средаобитания человека, представляющая собойповерхность нашей планеты,характеризуется многими параметрами: температурой, освещенностью, обусловленными рассеянным солнечнымсветом, газовым составом атмосферой и т.п. Одним из важнейших ее параметров является электрическое поле.
Электрическое поле Земли образовано зарядом поверхности и зарядами,сосредоточенными на некоторой высоте в атмосфере Земли. Поверхность земного шара несет отрицательныйзаряд, по модулю равный 6*10 (5) Кл. Этот заряд неочень велик. Например, если через обычную лампу мощностью 60 Вт, включеннуюв сеть, такой заряд протекает за 25 суток.
Электрическое поле Земли подобно полю сферического конденсатора, одной из обкладок которого является заряженнаяповерхность планеты. Вследствие огромной кривизны поверхности обкладкиполе можно считать однородным. (см. рис.1)
Электрическое поле Земли достаточно слабое. Но характер проводимости тела человекапозволяет ему спокойно переносить без опасности для жизни и гораздо большие разностипотенциалов.
Процессы,приводящие к образованию заряда наземной поверхности, очень сложны. Вотличие от других космических тел ее поверхности не достигает потокзаряженных частиц от Солнца — солнечный ветер, так как Земля защищена от еговоздействия геомагнитным полем и атмосферой. Отрицательный заряд Земли формируется и поддерживаетсяприблизительно постоянным в результате взаимодействия земной поверхности сприземными слоями атмосферы. Считается,что сток отрицательного заряда с поверхности Земли в атмосферу происходитв основном за счет проводимости приземного слоявоздуха, а в возвращении заряда на поверхность большую роль играют молнии. Их ежесекундно над Землей вспыхивает околосотни, причем каждая молния несет заряд, равный 10-50 Кл. Средняяплотность тока проводимости атмосферы составляет 10(-12) А/м2 (см. рис.2).Общая сила тока достигает 1800 А. Баланс электрического заряда Землиможно проиллюстрировать таблицей (см. таблицу 1).
Электрическая активностьпланеты и жизнь.
Электрическая активность атмосферыдовольно спорный фактор среди других, характеризующих условия на планете,пригодной для жизни. Так, например, известный планетолог С. Доул считает, чтослишком интенсивная электрическая активность атмосферы планеты могла бы превратитьеё в нежилую.
Однако, в начале эволюционного процесса наЗемле электрическая активность планеты сыграла, по-видимому, положительнуюроль. Известны результаты опытов по синтезу органических молекул – «кирпичиковжизни» типа аминокислот из набора простейших исходных химических соединений.Суть опыта заключалась в том, что в большом, изолированном от внешней средысосуде моделировалось атмосфера первичной Земли, представлявшая собой смесьметана, аммиака, водорода, водяного пара. Некоторое количество воды на днесосуда имитировало водоём на поверхности Земли. Необходимая для химическихреакций синтеза энергия черпалась из разных источников. В некоторых вариантахопыта в этой роли использовался электрический разряд, имитирующий электрическуюактивность древней земной атмосферы. Через некоторое время после начала опыта ивключения источника энергии в сосуде образовывались органические молекулы,входящие в состав живых организмов. В разных странах мира различные группыучёных проводили аналогичные опыты, изменяя некоторые детали (например,концентрацию и набор исходных соединений). Результаты опытов во всех случаяхполучились примерно одинаковыми, что подтверждает, по мнению учёных, догадку овозможности самопроизвольного зарождения жизни на поверхности нашей планетымного миллиардов лет назад.
Электрические свойстваводы.
Трудно переоценить значение воды для живыхсуществ. Оказывается, многие её важные для жизни свойства обусловленыструктурой молекулы воды. Молекула воды представляет собой диполь, а вещество вцелом – полярный диэлектрик. Это означает, что, хотя в целом молекула водынейтральна, центры тяжести её положительного и отрицательного зарядов несовпадают даже в отсутствии внешнего электрического поля. Атом кислородазабирает электроны от атомов водорода, обеспечивая себе большой отрицательныйэлектрический заряд, в то время как два ядра атома водорода образуютположительно заряженные области. С соседними молекулами такая молекулавзаимодействует электрически, притягивая к своему положительному концуотрицательный заряд, а к отрицательному – положительный заряд соседки. Врезультате молекулы тесно связываются друг с другом, образуя кластеры, илисупермолекулы, если вещество однородно. Высокая диэлектрическая проницаемостьводы 81 означает, что два заряда взаимодействуют в воде с силой, в 81 разменьшей, чем если бы они взаимодействовали в вакууме. Это же приводит к тому,что вода ослабляет связи между атомами растворенного вещества, т.е.способствует диссоциации.
Электрические свойства тела человека.
Электропроводность — один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что свозникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются при гибели живого существа. Человек при этом не является исключением.
Телочеловека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор(раствор электролита). Разные ткани тела человека характеризуется разной концентрацией раствора электролита и разным его составом, вследствие чего различаются по своим диэлектрическим свойствам (см. таблицу 2).
Как любойпроводник тело человека можно охарактеризовать егоэлектрической емкостью. Приближенно емкость любого проводника может быть рассчитана как емкость шара, имеющего такуюже площадь поверхности.
Посколькувнутриклеточная жидкость содержит ионы и хорошо проводит электрический ток, внутренние ткани тела человека обладают довольнонизким сопротивлением. В целом жесравнительно высокое сопротивление тела человека электрическому токуопределяется в основном сопротивлением поверхностных слоев кожи(эпидермиса). Проводимость кожи в значительной степени зависит от ее состояния и осуществляетсячерез потовые и сальные железы. Внутритела человека ток разветвляется и проходит преимущественно вдольпротоков тканевых жидкостей (кровеносных сосудов, нервных стволов, лимфатическихузлов и т.д.).
Общеесопротивление тела человека постоянному току (от конца одной руки до конца другой) при сухой неповрежденной коже руксоставляет 10(4)-10(6) Ом и ниже.
Поотношению к переменному току человеческое тело можно рассматривать какпараллельно соединенные резистор и конденсатор. Постоянный ток идет толькочерез резистор, и, если активное сопротивление тела большое, сила тока будетневелика. Переменный ток идет и через резистор, и через конденсатор. Так какрезистор и конденсатор включены параллельно, их полное сопротивление меньшечисто активного сопротивления и сила тока при данном напряжении должна бытьбольше, чем в случае постоянного тока.
Сопротивлениечеловеческого тела току различно для разных индивидуумов. Оно также зависит отсостояния здоровья человека. Определенно известно, что наличие алкоголя в кровизаметно уменьшает сопротивление человеческого тела.
Встречаютсялюди с уникальными электрическими характеристиками. Например, электрик изболгарского города Габрово Г. Иванов обладает электрическим сопротивлением в 8раз более высоким, чем у обычных людей. Он может работать с электрическимицепями, находящимися под напряжением 380 В, без защитных средств и не отключаяпитания (для обычного человека напряжение 380 В смертельно).
Определениюсопротивления тканей тела человека току (постоянному и переменному) может быть посвящена специальная лабораторная работа(см. Приложение).
Поражениеэлектрическим током
Поражение электрическим током опасно для здоровья и
дажедля жизни человека. Тяжесть поражения зависит от си-
лытока, продолжительности его действия и от того, по ка-
комупути протекает ток в теле человека. Особенно чувс-
твительнык действию тока мозг и сердце, так как возможны
нарушенияих деятельности.
Упомянем об одной возможностииспользовать свойство
слюнычеловека проводить электрический ток. Изготовленные
изразных металлов коронки зубов человека могут сыграть
рольэлектродов гальванического элемента, слюна — роль
электролита.Такой необычный источник тока может питать
микроприемникрадиоволн, вмонтированный в дупло зуба.
Преимуществотакого устройства — оно всегда будет с вами.
Большинство людей реагируют на силу тока 10(-3) А.
Сила тока в нескольких миллиампер вызывает болевыеощу-
щения,но редко бывает опасна для здоровья. При силе
больше10 мА происходит резкое сокращение мышц, и человек
можетоказаться не в состоянии освободиться от источника
тока(например, неисправного прибора или провода). В этом
случаевозможна остановка дыхания; сделанное своевременно
искусственноедыхание может вернуть человека к жизни.
Если ток свыше 70 мА проходит в областисердца, сер-
дечнаямышца начинает беспорядочно сокращаться, нарушает-
сянормальное кровообращение. Это явление называется фиб-
рилляциейсердца; вовремя не прекращенная фибрилляция
приводитк смерти. Начавшуюся фибрилляцию очень трудно
остановить.Однако иногда значительно большая сила тока
(порядка1 А) к смертельному исходу не приводит. (По-видимому, при поражении сильнымтоком происходит полная остановка сердца; после прекращения действия тока нормальная деятельность сердца возобновляется.)
При еще большей силе тока (100 мА иболее) происхо-
дитпаралич органов дыхания и наступает мгновенная
смерть.Нарушение электропроводимости центральной нервной
системы,управляющей основными, жизненно необходимыми
функциямичеловека, происходящее при этом, объясняется
следующимобразом. При очень низкой энергии связи между
электрономи ядром в сложных полимерных органических мо-
лекулахток порядка 10(6) А, проходящий черезтело чело-
векапри электротравме, выделяетэнергию, ан несколько
порядковпревышающую ту, что необходима для разрушения
межмолекулярныхсвязей.
Все рассмотренные выше случаи протекания тока через
телочеловека осуществлялись по пути рука — рука или нога
— рука. Это очень важно, так как любой другой путь для
токачреват более страшными исходами даже при более низ-
кихтоках и напряжениях. Сейчас уже неподлежит сомнению
существованиена теле человека областей, наиболееуязви-
мыхк току. К ним относятся тыльная сторона кисти, шея,
висок,плечо, спина. При прохождении тока через эти
участкитела человека смерть наступает отнарушения моз-
говогокровообращения.
Одной из самых опасных разновидностейэлектротравм
являетсяпоражение так называемым шаговым напряжением,
котороевозникает в зоне оборвавшегося провода линий
электропередачвысокого напряжения, и может действовать
нарасстояниях сотен метров то упавшего провода. Шаговое
напряжениеотносительно Земли составляет 50 кВ и более.
Считается, что электротравмы со смертельным исходом
составляют10-15% от общего количества травм с тяжким ис-
ходом.Общее количество погибших от электрического тока в
годв среднем оценивается в 22-25 тыс. человек. Это чис-
ло,конечно, существенно меньше числа людей, погибающих в
автокатострофахза то же время. Но все же оно велико, и,
чтобыпредохраниться от поражения электрическим током,
надознать, какую опасность он представляет,а также вы-
полнятьв общем-то несложные правила безопасности.
Заключение
Жизнь не менее разнообразна, чемфизика. Наш мир, обогащённый физическим знанием, может стать новой прекраснойреальностью, в которой творческое поколение профессионалов создаст ещёнепознанные человечеством блага цивилизации.
Физика ХХ века чрезвычайно расширила наши представления о природе и Вселенной.Наше столетие ознаменовалось бурным развитием физики и накоплением ею знаний оструктуре и свойствах материи.
Электричество – электроэнергия, используемаяв народном хозяйстве – основа современной цивилизации, фундамент нашейматериально-технической базы.
Электричество – основа жизни амёбы и комара,рыбы, цветка, любой птицы, любого животного, — и нас с вами.
Электричество – на редкость интересная,удивительная область, отрасль человеческого знания. Это пример силы и слабостичеловеческого общества, поставившего свою жизнь в зависимость от искусственнодобываемой энергии. Поистине мы стали пленниками джина, выпущенного из бутылки.Однако прогресс не остановим.
Гигантские генераторы и агрегаты мощностью всотни тысяч и миллионов киловатт работают на фабриках электричества, которые мыпривыкли называть электростанциями. В то же время на полигонах и в лабораторияхведутся испытания моделей, рассчитанные ещё на более высокие напряжения. Нашиученые на всех этапах развития науки об электричестве вносили в неё ощутимуюлепту. В эпоху изучения статического электричества это были Ломоносов и Рихман,Эпинус, во время «гальванизма» – Василий Петров, на пороге электротехникистояли Ленц и Якоби. Их эстафету подхватили Яблочков и Лодыгин, Чиколев и Доливо-Добровольский…Невозможно назвать имена всех выдающихся ученых и инженеров, создавших исоздающих для нас тот удивительный электрический мир, в котором мы живем.
Разумеется, картину мира, какую рисуетсовременная физика, нельзя считать законченной. Вся история развития физикискорее свидетельствует о неисчерпаемости свойств природы, о непрекращающемсявскрытии новых, всё более глубоких закономерностей.
Поэтому и в такой развитой области знаний,как физика, нельзя исключить дальнейших