Реферат: Электричество и человек
Содержание
1 Введение
2.1 Виды проводников.Типы электропроводимости.
2.2 Теорииэлектропроводимости применительно к органическим системам
2.2.1 Электронная теориясуществования живого
2.2.2 Электрический ток иорганические системы
2.2.3 Понятие о потенциале.Биоэлектрический ток.
2.2.4 Организм ибиоэлектрический ток
2.2.5 Влияние внешнегоэлектрического тока на клетку и организм
2.3 Теория существованиямагнитного поля
2..3.1 Влияние магнитногополя среды на организм. Значение.
Введение
Существует разделнауки с очень красивым именем – бионика. Родилась она в результате слиянияфизики, биологии и инженерии в одну отрасль. Причем сделано это было неслучайно. Можно привести такой пример: как известно, летучие мыши «видят» спомощью ультразвука. Самым интересным оказалось то, что созданные человекомлокаторы, пусть управляемые самым совершенным компьютером, по параметрам сильноуступают локатору летучей мыши – она различает даже тоненькие паутинные нити,перегораживающие нити. Пришлось инженерам поломать голову, как же создать такоеже устройство. Им пришли на помощь физики и биологи, изучающие строениебиологических тел и физические их свойства. Изучали они не только живые«локаторы», но и другие удивительные изобретения природы, и, как показали этиизучения, у всех существ есть сходные системы и аппараты. И человек, как венецтворения природы, не сильно отличается по своим внутренним системам от болеепростых организмов – практически у всех них сходные процессы регуляции и управления,а также многие другие. А самое главное – каждому биологическому объекту присущапереработка и использование энергии. Об биоэнергии в целом, а такжевзаимодействии биоэнергии и внешней энергии я и хочу рассказать.
Видыпроводников. Типы электропроводимости
Для возникновения исуществования электрического тока необходимо наличие свободно заряженныхчастиц, движущихся направленно и упорядоченно. В зависимости от рода проводникаэти заряженные частицы различны, а значит, различны и типы проводимости.Существуют несколько видов проводимости – электронная, дырочная,электронно-дырочная и ионная проводимости.
а) электроннаяпроводимость
Электроннаяпроводимость – это способ проводимости, присущий в большей степени металлам, атакже некоторым соединениям и веществам. Для него характерно наличие свободныхзаряженных частиц – электронов, с помощью которых при определенном факторе –наличии электрического поля – возникает электрический ток. При электронной проводимостисопротивление проводников прямо пропорционально зависит от температуры.Зависимость эта выражается линейной функцией;
б) дырочная иэлектронно-дырочная проводимости
Электронно-дырочная идырочная проводимости присущи искусственным полупроводникам. Чистыеполупроводники начинают проводить ток при воздействии внешних факторов:световом, радиационном облучении и нагревании. Для придания определенного типапроводимости в кристалл чистого полупроводника вводят небольшое количествовещества, после чего в данном кристалле имеется либо избыток электронов либо ихнедостаток. В первом случае электроны становятся переносчиками заряда, вовтором эту роль играют валентные места – дырки. В зависимости от способапереноса заряда полупроводники делят на группы: с электронно-дырочнойпроводимостью и с дырочной проводимостью;
в) ионнаяпроводимость
Вещества, обладающиеионной проводимостью, это вещества, которые в расплавах и растворахдиссоциируют на заряженные частицы – ионы. Причем в жидком состоянии эти ионыобладают большой подвижностью, поэтому они являются свободными заряженнымичастицами, т.е. при воздействии электрического поля начинают двигатьсянаправленно и упорядоченно – возникает электрический ток.
Вообще в природесуществуют как проводники так и непроводники, к которым относятся изоляторы иполупроводники.
С развитиеморганической химии началось производство веществ, у которых отсутствовалисвободные электроны. Эти вещества были признаны хорошими изоляторами (ихпротивопоставляли фарфору и стеклу). В то время известны были тольконеорганические полупроводники. Их и использовали в технике, постепенно изучаяих свойства. Органические вещества считали в основном только изоляторами,которые как нельзя лучше подходили для электротехники. Их было легкоизготовить, они были простыми в употреблении и в то же время очень надежными.Но со временем при дальнейших исследованиях представление об органическихвеществах как об изоляторах изменилось, поскольку были найдены вещества сосвоеобразной формой электропроводимости. Первым таким веществом стал антрацен,при воздействии на него светом, проводимость его начинает резко увеличиватьсяпри увеличении интенсивности освещения. Вслед за этим удивительным явлениембыли обнаружены и другие особенности некоторых материалов, как, например,зависимость проводимости от давления, влажности, проникающей радиации.
Зарядоносителямимогут выступать как электроны, так и дырки, как было сказано выше. Причемдырочная проводимость, как и у неорганических полупроводников обуславливаетсяприсутствием весьма сильного акцептора электронов (в органических системах этуроль играет абсорбированный кислород).
Электроннуюпроводимость придают цепочки атомов углерода, соединенных простой связью. Вэтих системах электроны становятся не связанными с атомами, т.е. они могутотрываться, создавая единую электронную систему. Однако некоторые вещества,имеющие простую связь между атомами углерода, не создают свободных электронов.
Изучениенеорганических и органических полупроводников показало, что в них возникаютследующие виды зарядоносителей:
а)атомы, которые, потеряв свой электрон с внешней оболочки, становятсяположительно заряженными частицами и участвуют в переносе положительных зарядов;
б)освобожденные при этом изменении электроны, которые становятся носителямизарядов;
в)ионизированные атомы-акцепторы, т.е. атомы, захватившие у соседнего атомаэлектрон; они тоже являются отрицательно заряженными частицами и участвуют впереносе отрицательных частиц;
г)дырки, образовавшиеся при захвате у атома валентных электронов; они начинаютпритягивать электроны от соседнего атома и становятся своеобразными носителямиположительного электричества.
Значительнобольше видов движения зарядоносителей у органических полупроводников. Здесь ихперемещение представляет собой совмещение сложных явлений, одно из которыхобусловлено «блуждающими» по молекуле электронами. Так как молекулы различны,то и связи их с электроном различны.
Электроннаятеория существования живых организмов
Реаниматология– наука о спасении жизни достигла очень многих успехов, и основные связаны сактивностью сердца. Существуют приборы, способные регистрироватьбиоэлектрическую активность сердца. И вот один из работников реанимации сделалследующее наблюдение: жизнь человека угасает, но кривая, характеризующаяэлектрическую активность сердца, сохраняет свою форму. Пока сохраняетсяэлектрическая активность сердца, борьба за жизнь продолжается, и во многихслучаях её удается спасти.
Чтоже происходит, если наступает смерть? Появляются изменения электрическойактивности (фиксируемые кардиограммой), которые очень быстро нарастают, а затемэлектрическая активность пропадает. Беспорядочные отдельные электрическиеимпульсы наблюдаются иногда в течение часа. Число молекул и атомов (количествавещества, из которого состоят ткани) осталось одним и тем же. Из процессовизменилось только движение зарядоносителей – электронов и ионов. Может, в этомзаключается тайна смерти и жизни, и очень вероятно, что со временем исследователиустановят закономерность движения зарядоносителей с процессами жизнедеятельности.Скорее всего, одно из главных отличий между живым и неживым как раз изаключается в иных молекулярных, атомных и межмолекулярных электронных связях.Отличие может быть и в разной миграции электронов от молекулы к молекуле, всвоеобразном движении ионов, в результате чего появляются особый видэлектропроводимости и особый вид поляризации, характеризуемые накоплениемзарядоносителей, фиксируемых электрокардиограммой.
Тончайшиймеханизм клеточной регуляции, энергетических преобразований, быстрота реакцииорганизма в целом и отдельных анализаторов на внешние раздражители, быстротаобработки информации, оцениваемая по значению электрической активности,объяснимы наличием в основе этих процессов движения зарядоносителей,следовательно, изменениями биоэнергетических явлений на уровнях элементарныхчастиц. А сложнейшие биохимические обменные процессы в клетке, преобразованияразличных видов энергии в клетке или в ее элементах, как, например, вмитохондриях, объяснимы только тем, что перенос энергии осуществляетсячастицами, обладающими массой, меньшей массы атома, и в первую очередь прямо икосвенно электронами. С возникновением живого организма любого вида появляютсябиоэлектрические импульсы, которые гаснут с гибелью организма. Причем электропроводимостьживых тканей рассматривается как один из параметров, характеризующих жизнедеятельность,или главный отличительный признак живого от неживого.
Подытоживаявыше сказанное, можно предположить, что молекулы живого – это молекулы,взаимосвязанные энергетикой движения зарядоносителей, миграцией электронов,обладающие специфической проводимостью, присущей только живому организму.
Электрическийток и органические системы
Электрическиесвойства живого организма были обнаружены и стали предметом исследований,проводимых в середине 20 века. И.П. Тишков провел первые исследованияэлектропроводимости тела живого человека. В своей работе «О сопротивлениичеловеческого тела электрическому току», выпущенной в 1886г. он приводитчисленные значения сопротивления, не раскрывая его закономерности. УченыйВебер, проводя аналогичные исследования, пытался доказать, что тело человекаможно рассматривать в качестве соляных растворов или обычных электролитов. Этоположение много лет принималось за верное, хотя многие факты противоречатданным Вебера.
Затемперед самым началом второй мировой войны выдающийся венгерский ученый АльбертСцент-Дьёрдьи высказал мысль о важности изучения «электрических свойств» живыхтканей в познании электрофизики живого организма.
Блестящаяидея сопоставления свойств гигантских биологических молекул со свойствамиполупроводников, выдвинутая им вызвала огромный интерес. Ведь жизнь естьнепрерывный процесс поглощения, преобразования и перемещения энергии различныхзначений и различных видов. Необходим механизм, объясняющий миграцию энергиивдоль молекул живого тела. Такой механизм, объясняющий многие процессы живого –это электронная теория полупроводников, разработанная в теории твердого тела.Макромолекула живого во многом равнозначна молекуле полупроводника, хотяпроисходящие в ней явления гораздо сложнее. Поэтому, имея централизованнуюсистему анализа и управления функциями отдельных тканей, органов и организма вцелом, а именно – мозг, электрическими импульсами можно воздействовать на клетки,изменяя их проводимости, а, значит, и другие свойства. Например было найдено вещество,способное служить катализатором некоторых реакций при действии на негоэлектрического тока. Этим веществом была гелеподобная матрица. При изучении еесвойств было выяснено, что при подаче на нее незначительного напряжения(вырабатываемого клеткой) происходит существенное ускорение протеканияхимической реакции. А раз была найдена структура, требующая именноэлектрическую энергию, то необходимо найти своеобразный генератор биоэлектричества. Для объяснения этого явления необходимо обратиться к потенциалам.
Понятиео потенциале в биоэнергетике
Важнейшуюроль приобретает понятие потенциала в биоэнергетике, особенно в раскрытииприроды электрических явлений живого организма. Исходя из того, что потенциал –интегральное энергетическое понятие, рассмотрим его составляющие –ионизационный и биоэлектрический. В жизнедеятельности человека, несомненно,имеет значение и биомагнитный потенциал.
Рассмотримэлементарную систему – атом водорода.
Вокругядра атома перемещается по определенной оболочке электрон, несущийотрицательный заряд электричества. Электрон удерживается на орбите вблизиатомного ядра, обладающего положительным зарядом, силами электростатическогопритяжения. Для того, чтобы удалить электрон из системы атома водорода,требуется затратить энергию. Энергия измеряется в электрон-вольтах(электрон-вольт – это небольшая величина, равная 1,6·10-19Дж).Лишенный электрона атом водорода превращается в положительно заряженный ион,взаимодействие которого с веществом будет другим.
Приведуобщее определение потенциала. Потенциал – это скалярная величина, численноравная энергии единицы точечного положительного электрического заряда в даннойточке. Он равен работе, совершаемой при перемещении единицы электрическогозаряда из рассматриваемой точки в точку, потенциал которой условно принимаетсяравным нулю. На отрыв электронов от системы атома или молекулы требуются различныеэнергии. В среднем энергия связи равна 30-50 эВ. В ткани живого организмаэнергия связи электрона с ядром во много раз меньше этой величины и в рядеслучаев составляет доли электрон-вольта.
Ионизационныйпотенциал – одно из употребительных и простых понятий. Но с ионизациейпроисходящей в живом организме все происходит гораздо сложнее, хотя она иобуславливает обменные процессы живого организма. Сложность состоит в том, чтозначение биопотенциала в причудливо организованных молекулах живого организмаиногда весьма мало – не превышает сотых долей эВ, а электрон-вольт сам по себеочень малая величина. И измерять столь ничтожную энергию связи крайне сложно.
Вбиологических системах электроны имеют минимальные значения энергии, когда онисвязаны с кислородом в молекуле воды. С энергетической точки зрения вода –основа жизни всего организма. Поэтому можно принять ее ионизационный потенциалза исходный и вести отсчет энергии от него. Относительно значенияионизационного потенциала воды можно найти значения потенциалов всехбиологических соединений. Получится шкала ионизационных потенциалов – её ещеназывают шкалой биопотенциалов. Под ионизационным потенциалом понимают энергиютого электрона, у которого энергия связи минимальна.
Такимобразом, биопотенциал – это ионизационный потенциал биологических соединений,характеризуемый исключительно малым значением энергии связи. Но взаимодействиемежду элементарными частицами на этих уровнях энергии обуславливаютмакроявления, выражающиеся, в частности, в суммарной биоэлектрическойактивности, при которой разность потенциалов достигает единиц милливольт.Изменения же этой разности отображают нормальные и патологические процессы, возникающиев организме. Разность потенциалов свидетельствует о реакции организма нафакторы внешней среды, а «перемещение» электричества по организму – о временномпоследствии внешних факторов.
Особенностьюэлектрофизических свойств белковых и других биообъектов является также огромнаяподвижность зарядоносителей. Результаты, позволяющие установить это, полученыпутем применения к белковым соединениям теории потенциального барьера.
По-видимому,в этом случае большое значение имеют углеродно-кислородные и азотно-водородныесвязи. В такой системе водородных связей возбужденный электрон посредствомтуннельного эффекта может проникать через потенциальный барьер, аследовательно, мигрировать по всей системе белковой молекулы. Это приводит кзначительному суммарному смещению электрона и обуславливает его подвижность,делая белковую систему высокопроводящей.
Организм ибиоэлектрический ток
Особенностиэлектрофизических явлений в биообъектах позволяют утверждать, что носителямизарядов в белках и других элементах живого организма являются ионы, которые всовокупности с системой электронно-дырочной проводимости создают единую,присущую только живому организму проводимость. При увеличении количества водызарядоносителями могут преимущественно быть протоны, в высушенных белках –преимущественно электроны. Но установлено, что включенное в состав белканекоторое количество вещества, содержащего хлор, названного хлорамином, играетроль акцептора. Оно повышает собственную проводимость белка в миллион раз, нодобавление вместо него некоторого количества воды уменьшает проводимость в 10раз.
Нарядус белками в организме важную роль играют нуклеиновые кислоты. По своейструктуре, водородным связям и другим элементам они отличаются от белковыхсоединений, но имеют аналоги среди небиологических веществ (графит). Для ниххарактерны общие электрофизические свойства белковых соединений. Так энергиясвязи находится в пределах 2,5 эВ. Удельная проводимость велика, но нанесколько порядков меньше проводимости белков. Несколько ниже и подвижностьзарядоносителей. Но в целом электрофизические характеристики и явления, их вызывающие,имеют общие закономерности с аналогичными характеристиками белков.
Нуклеиновыекислоты обладают присущими только им свойствами. Удалось установить, чтонуклеиновые кислоты имеют пьезоэлектрические и термоэлектрические свойства.Оказалось, что эти свойства в значительной степени обусловлены наличием воды.Изменением её количества можно менять и пьезоэлектрические свойства.Исследование явлений электропроводимости с помощью данной методики еще разподтвердило наличие и у этих веществ пока не характеризуемо точно специфическойпроводимости.
Постоянноизменяющееся возбужденное их состояние оказывает специфическое влияние наподвижность и движение электронов и ионов в живом организме.
Сказанное,прежде всего, относится к нервной ткани, и особенно к центральной нервнойсистеме. Только сложностью такого наложения и совмещения биоэлектрофизическихявлений можно объяснить исключительно малую скорость распространения ответныхреакций организма на воздействие некоторых факторов окружающей среды. Именномалая скорость защитных реакций и объясняет, почему столь микроскопическая дозаяда как 0,0000007 мг, может погубить человека при ботулизме.
Электрическаяактивность мозга оценивается импульсами напряжения различной частоты испектральной плотности биопотенциалов. После изучения ритмов (импульс всекунду) нескольких тысяч людей, животных была получена следующаязакономерность:
Дельта-ритм…………0,5– 0,3
Тета-ритм……………4– 7
Альфа-ритм………….8– 13
Бета-ритм……………14– 35
Гамма-ритм………….35– 55
Амплитудаэтих импульсов находиться в пределах 500 мкВ. Получить такие импульсы отзарядоносителей только ионного типа невозможно. Электрохимические источникитока инерционны. Таких изменений электрических величин во времени, даже прималых амплитудах ионной проводимости непосредственно не получится. Это уже можетбыть отнесено к прямым доказательствам наличия в мозгу и нервной системе в целомэлектронного движения зарядоносителей.
Ине случайно эффективность метода дефибрилляции сердца связывают с формой кривойимпульса подаваемого напряжения, а также его спектральной плотностью. Такимобразом, при дефибрилляции происходит упорядочение, восстановление присущеговсему живому движения зарядоносителей – восстановление электропроводимости.
Авторыдефибрилляционного метода восстановления предполагают, что при подаченапряжения на электроды, наложенные на область сердца, импульсы будутдействовать непосредственно на сердечную мышцу. Не отрицая возможности такогоположения, необходимо добавить, что имеет место также воздействие импульсов насердце через центральную нервную систему, по которой импульс тока достигаетжизненно важных регулирующих центров нервной системы. Нервная система обладаетзначительно большей проводимостью, чем мышечная ткань и система кровообращения;она взаимодействует со всем, что обуславливает жизнедеятельность, намногоопережая другие системы организма по быстроте реакции на любой, и в первуюочередь электрический раздражитель. Таким образом, доминирующим в процессевосстановления последовательности сокращения сердца лежит восстановление специфическогодвижения зарядоносителей, присущего живому.
Далее, уже давнообнаружено резкое изменение сопротивления по действием внезапных раздражающихфакторов. Например, при испуге, резкой вспышке света, взрыве сопротивление телачеловека резко уменьшается. При этом восстановление сопротивления к егопервоначальному уровню происходит довольно медленно, при этом наблюдается зависимостьот характера раздражения. Если бы тело человека обладало только ионнойпроводимостью электролита, т.е. проводимостью, связанной с переносом вещества,то процесс изменения электрического сопротивления проходил бы гораздомедленнее. Быстрое изменение сопротивления может объясниться только наличием в«суммарном» электрического сопротивлении сопротивления, обусловленного той илииной электронной проводимости. Новые достижения электротехники соответственнорасширили возможности исследования «животного» электричества. Итальянский физикМаттеучи, применив созданный к тому времени гальванометр, доказал, что прижизнедеятельности мышцы возникает электрический потенциал. Разрезав мышцупоперек волокон, он соединил поперечный разрез ее с одним из полюсовгальванометра, а продольную поверхность – с другим и получил потенциал впределах 10 – 80 мВ. Значение потенциала обусловлено видом мышц. Затемфранцузский физик Пельтье опубликовал результаты работы по исследованиювзаимодействия биопотенциалов с протекающим по живой ткани постоянным током.Оказалось, что полярность биопотенциалов при этом меняется. Изменяются иамплитуды биопотенциалов, и частоты возникающих импульсов.
На приведенныхпримерах легко увидеть, что все клетки, входящие в состав организма,связываются между собой сетями электрических импульсов.
Биоэлектричество иткани, органы
Электричество икожа
Существование иразвитие человека невозможно без непрерывного взаимодействия с окружающейсредой. Влияние внешней среды на человека обычно рассматривается на примередействия электрического тока и магнитного поля. Причем это не случайно. Энергиялюбого из этих факторов так или иначе преобразуется в электрическую, которая,взаимодействуя с электричеством человека, и обуславливает реакцию человека надействие внешнего фактора.
Преобразованиеэнергии взаимодействующих факторов в электрическую подчиняется определеннойпередаточной функции. Основные процессы преобразования, описываемыепередаточной функцией, происходят через кожу. Кожа является источникоминформации о состоянии органов и тканей человека и в то же время –первозащитной оболочкой человека от вредного воздействия среды.
Кожа, осуществляющаястоль сложную связь в системе среда – человек, представляет собойтрехкомпонентную структуру, образованную эпидермисом, дермой и подкожнойжировой клетчаткой, которые находятся в функциональном разрезе. Самым тонкимслоем является эпидермис. Несмотря на незначительные размеры, он обладаетнаиболее ответственными функциями – защитной и информирования о состоянии органови тканей. Информация необходима для саморегуляции ряда биофизических процессовв организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.
Это плоский, тонкий,ороговевший слой. Представляет собой пограничную часть с многообразнымисложными барьерно-информативными функциями. Одна из основных функций – защитаот проникновения в организм чужеродных, не свойственных ему микробов,аэрозольной пыли. Он способствует защите тканей и органов от проникновенияультрафиолетового и коротковолнового рентгеновского излучения. Структурныеособенности эпидермиса обеспечивают ему высокую упругость, эластичность. Онимеет большую механическую прочность, что позволяет ему выдерживать большиемеханические нагрузки. Обладая высокими регенерационными свойствами способенпри повреждениях быстро восстанавливаться. Благодаря удивительным имногообразным видам электропроводимости он имеет исключительно высокую рецепторнуюзащитную способность.
Кожу многие ученыепредставляют как топографическую связь отдельных участков эпидермиса со всемиорганами человека. В эпидермисе находятся акупунктурные зоны – точки и участкикожи, обладающие отличным от основного состава эпидермиса значениемпроводимости. Значит, есть различие и в свойствах этих точек. Через эти зоны восновном и осуществляется связь эпидермиса с внутренними органами. Возникновениеэлектрической цепи через область эпидермиса в акупунктурных зонах можетпривести к смертельному исходу даже при очень маленьком напряжении. В то жевремя очень распространено воздействие на эти точки иглами с целью лечения илиусиления некоторых функций организма – иглотерапия.
Свойства кожиуникальны и удивительны. Уже давно было обнаружено, что клетки чистой кожиубивают болезнетворные бактерии и микробы, попадающие на ее поверхность навоздухе, и в то же время через мокрую кожу могут свободно проходить эти жемикробы. Чем это вызвано?
Эпидермис –поверхностный слой кожи относится к диэлектрикам, обладающим огромным удельнымсопротивлением, достигающим 1014 Ом и большим значениемдиэлектрической проницаемости. Под влиянием разности температур внутреннихорганов и окружающей среды возникает диффузия «электрического газа». Припрохождении газа через место ранения, обладающего высоким удельнымсопротивлением и большой диэлектрической проницаемостью, появляется статическоеэлектричество. Напряженность поля может достигнуть десятка киловольт на 1 квадратныйсантиметр. При такой напряженности клеточные мембраны разрушаются и бактериипогибают. Для разрушения нейрона или клетки достаточна электрическая энергияполя в пределах 10-20 Дж. Это свидетельствует о том, что кожаявляется своеобразным электростатическим фильтром, подобным электростатическомуфильтру, применяемому в системах жизнеобеспечения для замкнутых помещений,представляя собой стерилизатор. Но все это происходит при условии, чтосопротивление кожи поддерживается на очень высоком уровне. При наличии воды накоже или повышенной влажности кожи такое электростатическое поле возникнуть неможет – нет и «стерилизатора». Следовательно, электричество человека служиточень хорошим стражем от поражения микроорганизмами – бактериями окружающей человекавоздушной среды.
Для стимуляциисердечной мышцы применяются специальные приборы – электростимуляторы. Речь оних пойдет ниже. Для их питания можно применять специальные аккумуляторы. Тогданеобходимо вывести проводники через кожу – для заряда аккумуляторов. Можнопользоваться и специальными батареями. Но их нужно часто заменять. И то идругое очень неудобно. Поэтому ученые стали искать новые источники энергии длястимуляторов. И нашли. Им оказалась… кожа. Биоисточник, каковым является кожа,может генерировать токи напряжением до десятков милливольт и даже больше. Такиебиотоки конечно малы. Но для работы стимуляторов нужна совсем небольшаямощность источника питания. Поэтому даже такие напряжения оказываютсядостаточными. Возник другой вопрос, – как осуществить съем энергии? Для этогобыл предложен ряд способов. Биоэлектричество можно снимать непосредственно скожи теми же электродами, какие применяются для снятия электрокардиограмм. Отэлектродов, прилегающих к коже, посредством проводников электричество подаетсяк потребителю. Но осуществить подобное очень сложно: нужно провести провода через кожу, следить, чтобы они не порвались при выполнении какой-либо работы.Да и сила тока, снимаемого таким образом, достигает всего нескольких десятковмилливольт. Значительно удобнее электроды, вживляемые непосредственно в кожу.Электроды выполняются из платины, золота или титана. Напряжение при этомдостигает 2 вольт. Получаемая мощность вполне достаточна для описываемых целей.
Звук
Звук– одно из многочисленных явлений, характеризующих окружающую среду, в которойвозникла жизнь, существует живое, живет человек. В далекие времена уходитначало изучения тайны звуков окружающего мира.
Ночто такое звук? «По своей сущности физическая акустика – не что иное, как частьучения о движении упругих тел», — писал Гельмгольц. Следовательно, звук – тоили иное состояние материи, вещества. Появление звука, прежде всего,обусловлено веществом. В середине века ученые Гюкколь и Кихер проводили сериюинтересных наблюдений, в ходе которых был сделан вывод о возможностираспространения звуков в абсолютном вакууме. Но результаты опытов были оченьнеточными и поэтому неправильными, т.к. при проведении работ ученые не смоглидостичь полного удаления воздуха из-под колпака, где был подвешен колокольчик.Но более убедительным оказался вывод итальянского физика Больво, чтораспространение звука в вакууме невозможно. Опыты Больво ознаменовали новыйэтап в изучении звука, начало новой науки – акустики. Колебательные явления вовнешней среде достигают биологического приемника – уха различным путем.Большинство животных и человек воспринимают колебания, передающиеся по воздуху.
Кроменепосредственного приемника звука – уха, в реакции человека на звук участвуютвсе центральные системы и, прежде всего мозг. Разными путями доходят до негозвуки, и именно он выделяет то, на что нужно непосредственно реагировать.
Вдействительности огромные области звуковых колебаний окружающей среды человекомнепосредственно как звук не воспринимаются. К ним относятся ультразвуковые иинфразвуковые области, которые действуют на человека, но не как звуковоевосприятие среды, хотя человек способен, как это писал Сеченов, улавливатьсамые быстрые переливы звуков, анализируя их в определенном диапазоне повремени.
Отом, что звуковое раздражение, восприятие звука сопровождается электрическимсигналом, ученым стало известно давно. Также стало известно, что длина искорость распространения звуковых волн зависит от плотности вещества, о чем исвидетельствует приведенные примеры. По мягким частям тела человека и егокостям его скелета звук распространяется по-разному. Но роль электричества вскорости распространения звука по телу оставалась неясной. Об этом речь пойдетпозже.
Изучениезвуковых колебаний и электрических полей началось с эксперимента Вольта. Вольтав своих опытах пользовался своим источником тока – вольтовым столбом. При этомон подключал к ушной раковине и коже электроды, затем пускал ток. Как онописывал свои эксперименты: «Замыкание электрической цепи производит ощущениесильного удара по голове, а несколько мгновений спустя возникает ощущение звукаили скорее шума в ушах, характер которого невозможно определить». По егословам, шум напоминал прерывистое лопание пузырьков в воде или выкипаниекакой-то вязкой жидкости, напоминающее лопание пузырьков. Шум продолжался втечение всего эксперимента.
Этокрупнейшим открытием, которое по-настоящему оказалось возможным оценить всередине 20 века. Явление, которое обнаружил Вольта – преобразованиеэлектрического тока через тело человека в звук – было настоящей сенсацией ипривлекло внимание исследователей, которые собственными опытами подтвердилиполученные Вольта результаты. Так, один из исследователей Г. Риттер, проводямногочисленные опыты на себе и других людях, используя различное расположениеэлектродов и большое напряжение, подробно описал возникновение различных слуховыхощущений: шума, звона, звука, напоминающего глотание.
Значительнопозже проводились опыты по установлению общих физиологических действиях тока налюдей самых различных возрастов. При этом было обнаружено различие междуслуховыми ощущениями, возникающими у здоровых и глухих людей. Особенно былаотмечена зависимость ощущений от расположения электродов, размеров их поверхностей,полярности подключения.
Например,если основным электродом служил катод, расположенный в ушной раковине, то призамыкании цепи появлялось ощущение как бы звукового удара, иначе при другойполярности включения – при размыкании.
Новымметодом, давшим данные для раздумий, в первую очередь биофизикам, оказалсяметод, основанный на использовании емкостного разряда. Этот метод обогатилнауку сведениями о влиянии пороговых значений амплитуды и времени разряда надлительность и интенсивность слуховой реакции. Многочисленные экспериментыпозволили количественно оценить параметры, характеризующие слуховые ощущения:время действия раздражителя – тока, его плотность, продолжительность реакциипри применении переменного тока, амплитуду тока.
Большеезначение в понимании механизма слуховых ощущений приобрели результатыисследования, при котором использовались токи различных частот, что позволилоустановить появление музыкального ощущения, которое наблюдалось при применениитока с частотой 1000 Гц и в переходных режимах во время разряда конденсаторабольшой емкости. Определение частоты тока, при которой появляются слуховыеощущения, проводилось в сравнении с ощущением звука камертона, настроенного наопределенную частоту. Обобщение полученных результатов значительно расширилопредставление о механизме слухового восприятия. Было установлено, что толькотонкие волокна слухового нерва являются структурами, раздражение которых токамиразличной частоты вызывает слуховые ощущения в виде звука музыкальнойтональности, громкости звука, словом, только для них характерно дифференцированноевосприятие электрического раздражителя, полностью отсутствующее у людей,страдающих потерей слуха.
Согласнотеории передачи информации по нервам, можно представить, что частотное различиеощущения звука, адекватное частотному различию электрического тока, комплексомэлектрических импульсов, определяемых функциональным состоянием сохранившихсяслуховых нервных волокон. Причем спектр импульсов передает спектральнуюплотность раздражения мозгу. Все это является обоснованием идеи о восстановлениичастичного дифференцированного звукового восприятия у людей с полной иличастичной потерей слуха.
Слуховуюсистему можно рассматривать как крайне сложную информационно-измерительнуюсистему, попадающую под определение нового, современного направления –информатики. Все, что характеризует информатику, присуще слуховой системе, аименно первичные преобразователи информации, алгоритм ее обработки, программноеобеспечение и анализ ее. В изучении каждой из этих частей системы имеются своидостижения. В слуховой системе обработка информации происходит одновременно навсех ее структурных уровнях, начиная с первичных преобразователей. Пиковымиявляются первичная рецепторная система и ствол центральной нервной системы.
Характерно,что с точки зрения электротехники слуховая система, ее отделы при изученииреакции на действие электрического тока относятся системам с активнымиэлементами –источниками. Ими являются источники биопотенциалов, возникающих впроцессе жизнедеятельности. Происходит своеобразная, только биопотенциаламприсущая суперпозиция – наложение на биотоки токов от внешних источников исовмещение с ними.
Проводимостьслуховой системы, ее отделов, по-видимому, различна. В отдельных частях ееможет преобладать электронно-ионная проводимость, в иных – полупроводниковая и,наконец, в некоторых ионная.
Прошлостолетие, пока первые разрозненные сведения о возможности связать в единуюсистему звуковые и механические явления стали бесспорными. Слух – этовосприятие организмом звуковых колебаний среды, причем это особая реакция,выражающаяся в сложном преобразовании первичной звуковой информации в нервную(электрическую) пульсацию, которая и вызывает слуховые ощущения.
Слуховойанализатор включает в себя ухо, слуховые центры разных отделов мозга, черезкоторые проходит слуховой путь, и слуховую область височных отделов корыбольших полушарий.
Ухо состоит из трех основных отделов: наружное (раковина), среднее ивнутреннее. В слуховой части внутреннего уха расположен основной его орган,называемый кортиевым, в котором при действии звуковых колебаний на волокна сопределенной собственной частотой колебания осуществляется возбуждениеслухового нерва посредством появления электрических импульсов, выражающееся ввозникновении импульсной активности. Заканчивается в коре больших полушарий,без участия которых невозможен анализ звука, смысловое распознавание речи.Сейчас уже доказано с помощью специальных наблюдений за структурой улитки, чтопервичный анализ, осуществляемый в улитке является наиболее грубым, адекодирование нервной пульсации происходит постепенно в каждом отделе слуховогопути.
Такимобразом, при воздействии звуковой волны на волокна нарушается передача энергиив клетках-преобразователях и происходит передача энергетического импульса внервные волокна. Значит, при воздействии на эти же клетки электрическим током,промодулированном по мощности и частоте пачкой импульсов, возможен своеобразныйискусственный переход клеток-преобразователей из пассивного состояния в активноеи, как следствие, выдача импульсов в слуховой нерв. Это представляет собойочень важное свойство для людей, страдающих полной или частичной потерей слуха,т.е. дает возможность эффективного протезирования.
Зрение
Как свидетельствуютучебники по биологии, человек получает 98% информации от органа зрения. Что жеон собой представляет? Физиология второй половины 20 века четко формулирует:«Глаз – это часть мозга, выдвинутая на периферию». Но где же заканчивается мозги где начинается периферия? Для того чтобы ответить на этот вопрос понадобилосьнемало опытов и экспериментов. Глаз сам по себе – это очень сложнаяоптико-физиологическая система. Не буду останавливаться на строении глаза, таккак это являлось предметом изучения школьной программы. Поэтому сразу перейду кописанию особенностей функций, выполняемых органом зрения.
Как мы видим? Многовеков тому назад ученые представляли себе глаз как особый радар, ощупывающийокружающую среду посредством невидимых лучей. В чем-то они были правы. Но вомногом они ошибались. Мы видим благодаря электромагнитным волнам высокойчастоты или свету, отраженным от различных объектов. Но другое дело как мыможем «переправить» информацию из глаза в мозг. Происходит это благодаря«проводнику» – зрительному нерву. А раз есть проводник, то должен быть иисточник тока, поступающего в мозг. Но если будет поступать только непрерывныйток, то нечего будет анализировать мозгу – все будет представляться сплошнойстеной. Значит, должен быть какой-то модулятор (о нем речь пойдет позже). Тогданеобходимо поступление информации не целиком, а импульсно. Вот с этого иначнем.
Световой луч,попавший в глаз, воздействует на колбочки и палочки, расположенные на сетчатке– своеобразном фотоэлементе или фотопленке. При этом изменяется состав вещества,покрывающего «светочувствительные элементы», образуется импульс энергии,поступающий к НКТ и далее к мозгу. Чувствительность этих «элементов»чрезвычайно высока. Она равняется силе света свечи, удаленной от глаз нарасстояние около 100 км. При этом на каждый «элемент» попадает только одинквант энергии. Это очень небольшая величина. Как же это возможно, если учесть,что самые совершенные фотоэлементы не имеют такой высокой чувствительности?Оказывается все довольно просто. Квант света – это не источник энергии, а всеголишь «спусковой крючок», отпирающий запас энергии, хранящийся в каждой палочке.Вот как это происходит: дело в том, что стенка наружного членика фоторецептора– мембрана – представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянноготока. При нормальном состоянии количество энергии находиться на одном уровне,при попадании же кванта энергии протекают процессы, значительно увеличивающиепоступление тока в нерв. При этом происходит усиление первичного сигналапримерно в 1 миллион раз.
С появлениеминформации разобраться было несложно. Но после появились уже более сложныевопросы. Например, как информация передается с каждой колбочки. Обычно прирешении каких-либо вопросов, связанных с устройством чего-либо, люди привыклиобращаться к аналогам. А так как на тот период уже использоваласьэлектронно-лучевая трубка, то невольно представлялось, что каждая точкаизображения передается в мозг и обрабатывается, одновременно происходит изапоминание информации. Но после весьма строгих подсчетов было выяснено, при такомспособе хранения и передачи информации, что за всю жизнь мозг должен обработатьи запомнить огромное количество данных, при этом каждый из нейронов мозгадолжен был бы хранить 6 млн. бит информации, что даже по нашим временамявляется невозможным. Был проведен опыт, доказывающий неверность этогосуждения. Хирургическим путем было удалено около ¾ толщины зрительногонерва. Оказалось, что даже при таком повреждении собака способна была различатьпредметы, что было бы невозможно, если бы «картинка» строилась точечнымспособом. Тогда после дальнейших исследований было установлено, что уже присъеме информации происходит частичная обработка информации. На один передающийнейрон приходит несколько тысяч отводящих. Затем они поступают к следующейточке – модуляторе. Там показания различных точек сравниваются и значенияподаются в кору головного мозга. К особенностям нашего органа зрения следуетотнести: глаз уже на момент передачи информации в мозг уже способен четкоопределять границу между элементами геометрического слияния объектов; благодаряего особому устройству, глаз способен реагировать только на переменные по освещенностии подвижности объекты, так, например, если особым способом закрепить на глазномяблоке какой либо мелкий предмет, он моментально становится «невидимым» дляглаза, огромная способность к адаптации по уровню освещенности (примерно на 6порядков). Достигается это таким образом: в глазу существуют разные видыпалочек и колбочек, отличающихся по избирательной способности (первые реагируютна освещенность, вторые на прямые определенной длины, третьи на окружности икомбинации волнистых линий и прямых). Затем, очень многие считают, что человек,читая, водит глазами по странице, но это не так, ученые установили, что глазпрактически неподвижен, он только совершает колебательные движения, описываясложную «звездочку». В третьих, зрачок – или отверстие для света, может оченьсильно изменять свою пропускную способность посредством мышц. Эти свойства иделают глаз сверхсложной и сверхточной системой, которой не существует аналоговв технике.
Периферическая нервная система
Нервная система. Этопонятие состоит из двух основных частей – центральная и периферическая системы.Рассмотрим периферическую нервную систему. Она состоит из нервных волокон илинервов. Вообще нервная система – очень сложная и, тем не менее, эффективнаясистема. Ведь именно благодаря ей все процессы контролируются и управляются,благодаря ей проходят серии импульсов, «докладывающих» о состоянии органов, атакже внешней среды, обеспечивается приток информации, необходимой для дальнейшегоразвития.
В машинах и приборахчеловек использует провода, изготовленные из металлов, природа же используеторганические материалы, причем «проводники» — нервы – ничего от этого нетеряют, а наоборот, выигрывают. Нервы настолько совершенны, что имеютспособность к самообновлению, чем не обладают проводники, созданные человеком.
У человека имеетсянесколько сотен разновидностей сенсорных устройств, сигнализаторов, это частозатрудняет выбор и универсальность этих приборов. У живых существ их всегонесколько, но, тем не менее, они высокочувствительны при малых размерах ипрактически универсальны.
Рассмотрим строение«проводников» — нервов.
Нервы имеют сложноестроение, но в целом его можно представить как кабель связи, собственно длятого он и служит. При этом как провода с изоляцией бывают нервные волокна соболочкой – миелиновым покрытием, так и провода без изоляции – волокна безпокрытия. Но есть и некоторые различия: при передаче энергетического импульсапо проволочке, материал, из которого изготовлен проводник, остается целым, вслучае же прохождения импульса по нервному волокну, оно начинает последовательноразрушаться и восстанавливаться по пути следования импульса. Примернопредставить себе это можно, если провести такой эксперимент. Если стальнуюпроволочку натянуть в сосуде с 60 – 70% азотной кислотой, то очень скоро онапокроется слоем окиси. Если после этого каким-либо «раздражителем»(электрическим током, например) нарушить целостность пленки окиси, то от местараздражения по «нерву» пробежит «волна возбуждения», о чем свидетельствуетвыделение пузырьков и почернение проволочки. После этого «нерв» возвращается впервоначальное состояние. Но для того чтобы по нерву пробежала волна импульсов,необходимо получить эти самые импульсы. Поэтому необходимо рассмотреть также истроение нервных клеток – нейронов.
Строение подробноописано в учебнике по биологии, так что не буду останавливаться на этом.Перейду сразу к функциям.
При возбуждении нерваизменяется обмен веществ: возрастает потребление кислорода и выделениеуглекислого газа и аммиака, увеличивается распад углеводов и богатых энергиеймолекул АТФ. Растет также и выделение тепловой энергии. Последнее очень невелико– одиночный импульс вызывает выделение тепла в количестве 2*10-10кал/см2.
Но наиболее яркимпроявлением процессов возбуждения в протоплазме являются измененияэлектрохимической активности.
Как описывалось выше,клетки способны вырабатывать энергию, в данном случае это связывается сразличной концентрацией положительных и отрицательных ионов (калия и натрия).Ток покоя (или разность потенциалов между внешней и внутренней стороноймембраны) обычно равен 50 – 90 мВ. При возбуждении в мембране открываетсяпроход, и ионы натрия поступают в клетку, что изменяет ее заряд на положительный.При генерации импульса все происходит наоборот. Амплитуда тока действия теланейрона достигает обычно 80 – 110 мВ. После генерации тока действия наступаетпериод полной невозбудимости, или иначе абсолютная рефрактерная фаза. Хотя иправильность этого вывода довольно сомнительна, его используют в науке, хотявсе более устанавливается позиция электронная теория биопотенциалов.
Вернемся к нервам.Природа для увеличения скорости передачи импульса использует различные способы.
У нервов, не покрытыхоболочкой, это осуществляется увеличением диаметра.
У покрытых же нервов,обладающих высоким сопротивлением, работает, кроме того, очень интересныймеханизм. Миелиновая оболочка не сплошная, она через определенные промежуткипрерывается так называемыми перехватами Ранвье. Оказывается, возбуждениевозникает только в этих перехватах и перебрасывается, скачет от перехвата кперехвату. Таким образом, сигнал в аксонах проводиться без затухания или, какговорят,бездекрементно.
Все время говорят:«Импульс передается к тому-то, импульс происходит в результате того-то итого-то», но ведь по нерву очень редко передаются одиночные импульсы, гораздочаще информация передается пачками импульсов, причем различных как по частоте,так и по временному интервалу. Поэтому все импульсы различны и легко мозгуобнаружить и анализировать ощущения, в результате которых был подан сигнал.Таким же образом информация передается в различные участки нашего организма.
Нервные клеткиобладают способностью «отвечать» на раздражение с постоянным ритмом. Поэтомувводится понятие лабильности, или физиологической подвижности, под которойпонимается большая или меньшая скорость элементарных реакций, составляющих сутьфункциональной активности. За меру лабильности принимают наибольшее количествотоков действия, которое данное возбудимое образование может воспроизводить вединицу времени синхронно с ритмом раздражения. В ходе экспериментов быловыявлено очень интересное явление, при очень высокой частоте, нервные клеткисначала не успевают за ритмом, но постепенно они подтягиваются к нему и вскореснова появляется синхронность. Все это очень напоминает работу некоторыхэлектронных схем, или релаксационных генераторов, простейший из которых можетбыть выполнен на неоновой лампе, включенной последовательно конденсатору черезпонижающее сопротивление. Конденсатор периодически заряжается. В ходе разрядкиток через сопротивление попадает на неоновую лампу и заставляет ее вспыхивать.
Была высказанагипотеза о том, что торможение нервных реакций является последствиемрелаксационных колебаний таких генераторов, появляющихся в результатеперегрузки нервных клеток высокоэнергетическими веществами. Таким образомнервная система действует наподобие компьютера: импульсы регуляции иимпульсы-информаторы поступают не постоянно, а с некоей определенной частотой,которая, вполне может изменяться в зависимости от конкретных условий. Как былопроверено на опытах, клетка, на которую было подано предварительное низкоенапряжение, начинает гораздо быстрее (в 3 и более раз) воспринимать импульсы,поступающие извне.
Такжеизвестно то, что нервная система имеет связи со всеми ее составными частями.Было выявлено, что происходит наложение внешнего электрического тока на ток,протекающий по всем клеткам человека. При этом механизм наложения очень сильноотличается от наложения электрического тока на батарею от фонаря при химическойреакции. В таком случае изменилась бы только скорость протекания реакции инезначительно остальные параметры. В случае с человеком происходят значительныеизменения по всему организму. Попутно это доказывает, что регуляцияосуществляется именно электрическими импульсами.
Влияниевнешнего электрического тока на клетку и организм
Нескольковеков назад впервые было описано поражение человека током при случайномсоприкосновении с токоведущими частями. Смерть наступила мгновенно. Подобныеслучаи смерти, вызванной электрическим током, начали регистрировать и изучать;при этом по мере расширения применения электричества число их росло. Мнениебыло единое – смерть наступает мгновенно, без каких-либо, как правило,признаков существенных изменений на теле. Исключение составляли случаи, когдапоражение сопровождалось ожогом электрической дуги.
Важноодно: при мгновенной смерти от электрического тока, по-видимому, имеет местонарушение электропроводимости центральной нервной системы, управляющейосновными, жизненно необходимыми функциями организма.
Таккак все реакции, происходящие внутри организма, регулируются импульсамиэлектрического тока, то можно предположить, что изменение последовательностиподачи импульсов, их амплитуды, частоты появления и влечет за собой измененияпрежде всего на клеточном уровне. Объяснить это можно только нарушениемдвижения зарядоносителей в клетках центральной и периферической нервной системи их связях, которое может возникнуть в ряде случаев и при очень маленькихнапряжениях и токах от внешних источниках напряжения, а это нарушение приводитк полному или частичному прекращению питания клеток кислородом. Выше былопоказано, что в сложных биополимерных системах, энергия связи между электронамии ядром очень мала. Она может достигать 0,01 эВ и даже меньше. При токе 1 мкА,прошедшем через тело человека при электротравме, в его тканях поглощаетсяэнергия, на много порядков превышающая энергию связи электронной структурынервной системы, и поэтому есть все основания предполагать, что даже при оченьмалых токах может быть нарушена электропроводимость в организме, и, какследствие, могут наступить серьезные нарушения состояния человека. Вероятно,что в результате подобного изменения нарушается усваивание кислорода клеткой иона погибает. При этом для того, чтобы необратимые изменения наступили,необходимо совсем небольшое напряжение. Самое интересное заключается в том,почему при выполнении казни преступников посредством электрического стулаиспользуя большое напряжение (от 2000) и значительные силы тока смертьнаступает через долгий промежуток времени. Для ускорения ее необходимо либоувеличить напряжение в несколько раз, либо прикладывать это же напряжение на долгийсрок. Вероятно, что при подаче очень высокого напряжения включаетсясвоеобразный механизм защиты – весь организм или только кожа принимает свойствополупроводника обладать огромным сопротивлением при подаче обратногонапряжения, причем тело человека всегда будет обладать наибольшимсопротивлением независимо от направления тока. Возможно так своеобразнодействуют особые клетки, входящие в состав организма. Это служитдоказательством специфической проводимости живого организма при несомненномналичии в ней электронной и электронно-дырочной проводимостей.
Ноэлектрический ток обладает не только смертоносным действием. Он может ипомогать людям. Например, в ходе экспериментов по взаимодействию биотоковчеловека и электрического тока был разработан аппарат под названием«Электросон». Его действие основано на прохождении через тело человекаимпульсов тока с частотой в несколько сотен килогерц небольшой амплитуды.Электроды при этом накладываются на области висков. Через несколько десятковсекунд после включения электрического тока человек засыпает. Результаты ученыхпозволяют утверждать, что данный аппарат не оказывает побочного влияния на организмчеловека, в противоположность наркотическим средствам, применяемым для введениячеловека в состояние глубокого сна, необходимого для обезбаливания в процессеоперации. Выход из сна в данном случае очень длителен и опасен, в то время как.отключив «электросон», пробуждение происходит течение нескольких минут безпоследствий для оперируемого.
Электротокможет применяться и для введения лекарственных веществ через кожу. При этомпроцесс совершенно безболезненный и безвредный. Происходит он по свойствамэлектролиза. В данном случае электрический ток переносит ионы препарата ворганизм человека, не нарушая структуры его защитной оболочки. Называется этоявление электрофорезом.
Какбыло сказано выше тело человека обладает различным сопротивлением – отнескольких сотен килоом до десятков ом. Причем наименьшим сопротивлениемобладают особые точки, являющиеся пересечением регулирующих волокон. Привоздействии тока на эти точки можно изменять направление течения процессов,следовательно изменять состояние органов и тканей. Раньше воздействиеосуществлялось посредством игл, теперь же выяснено, что более мощнымстимулирующим действием обладает ток определенной частоты. Уже созданы ииспользуются в медицине электростимуляторы точек.
Оченьинтересен с точки зрения физики феномен телекинеза: перемещения предметовчеловеком одним усилием воли. При исследованиях было обнаружено, что в моментперемещения на руках экстрасенса присутствует своеобразный пар из заряженныхчастиц. Значит объяснить перемещение предметов можно используя свойстваэлектростатического отталкивания и притягивания тел. Другое дело как образуетсяэтот «пар». Скорее всего в этот момент клетки начинают генерировать огромное количествоэнергии, выходящее из организма посредством клеток-выводов, способныхнакапливать весьма большой заряд. Такое вполне возможно, учитывая, что емкостьтела зависит от расстояния между обкладками и площадью обкладок. На кожерасположено огромное количество клеток, которые вполне могут являтьсяконденсаторами, где обкладками будут являться мембраны, а диэлектриком – какое-тоорганическое образование, например, цитоплазма.
Теория существованиямагнитного поля
Какизвестно, магнитное поле всегда сопутствует электрическому току, поэтомунесколько слов скажем о магнитном поле окружающей среды. Магнитное полеокружающей среды. Магнитное поле складывается из двух основных составляющих:магнитных полей, создаваемых электрифицированным транспортом,электродвигателями и генераторами, линиями электропередачи и т.п.; магнитногополя земли. Магнитное поле характеризуется значением напряженности.Напряженность поля от искусственных источников можно определить только приданном числе и расположении электротехнических установок. Магнитное поле Землихарактеризуется строго определенными составляющими. Хотя тоже по численнымзначениям оно может изменяться.
Магнитноеполе Земли характеризуется следующими основными параметрами: величинамимагнитного склонения и магнитного наклонения и численными значенияминапряженности магнитного поля. Магнитное склонение представляет собой уголмежду астрономическим и магнитным меридианом. Астрономический меридиан –направление, определяющее истинное положение север – юг в данном месте.Магнитный меридиан – воображаемая линия на земной поверхности, совпадающая с направлениемземного магнитного поля. Магнитное наклонение – угол между горизонтальнойплоскостью и направлением вектора напряженности магнитного поля. За единицунапряженности магнитного поля принимают ампер на метр. (А/м).
Различаютвертикальную и горизонтальную составляющие вектора напряженности магнитногополя. На магнитных полюсах вертикальная составляющая и вектор полнойнапряженности равны друг другу. Горизонтальная составляющая равна нулю. Умагнитных полюсов свободно подвешенная магнитная стрелка принимает вертикальноеположение. На магнитном экваторе вектор напряженности направлен горизонтально.
Строгойтеории происхождения магнитного поля Земли пока нет. В разное время выдвигалисьразличные теории, которые впоследствии опровергались. Кратко можно сказатьтолько об одной гипотезе, которая в настоящее время довольно популярна у метеорологов.
Втолще Земли, в её расплавленной части происходит движение зарядоносителей,создающих вихревые токи. Магнитное поле этих токов и образует наблюдаемоемагнитное поле. Перемещение отдельных замкнутых систем токов в ядре илиизменение их интенсивности приводит к изменению магнитного поля во времени,наблюдаемому на поверхности Земли в виде великого хода.
Следуетпринять во внимание и следующее. Существует движение зарядоносителей и ватмосфере. Особенно сильно оно в верхних слоях атмосферы, в частности в ееионизационных слоях. Магнитные поля, создаваемые этими токами, накладываются намагнитные поля вихревых токов массы Земли, в результате чего в атмосфере, вовсех ее слоях существует суммарное единое магнитное поле, в котором возниклажизнь, а затем и человек. Напряженность магнитного поля на поверхности Земли вцелом невелика и непостоянна: она колеблется по суткам, месяцам, годам.Происходят резкие локальные увеличения напряженности. Причина их – спорадическиеявления, возникающие на Солнце и сопровождающиеся изменением солнечнойактивности. При этих явлениях от Солнца к Земле устремляются потокиультрафиолетовой и рентгеновской радиации, радиации более жесткого излучения ипотоки корпускулярного излучения. Взаимодействие их с элементарными частицами вверхних слоях атмосферы приводит к резкому увеличению потоков зарядоносителей,магнитные поля которых вызывают увеличение напряженности магнитного поля Земли,называемое магнитной бурей. Во время магнитных бурь, продолжающихся от минут досуток, напряженность магнитного поля Земли возрастает в сотни и иногда дажетысячи раз.
Ночерез какие механизмы осуществляется влияние магнитных полей на человека?Электрические поля, электрические токи так или иначе проявляют свое влияниечерез взаимодействие с электрическими параметрами живого организма. А в любомпроводнике под действием изменяющегося магнитного поля возникает токсамоиндукции, который накладывается на электрические колебания, происходящие внашем организме. Влияние магнитного поля было обнаружено, поэтому можно говоритьо взаимодействии поля с магнитными свойствами живого организма. Характернаяособенность магнитного поля заключается в том, что организм «прозрачен» длямагнитного поля. От механического воздействия организм в той или иной степенизащищен мускулатурой, от система кровообращения и мускулатура, обладающиеэлектропроводимостью, могут в известной степени шунтировать опасный ток.Проникающая радиация частично или полностью поглощается в поверхностях областейтела. И только магнитное поле действует на весь организм сразу в целом: от телаи органа до клетки и отдельных ее молекул и атомов.
Примерывлияния магнитных бурь на живой организм вызвали необходимость проведенияисследований. Причем сложность заключалась в том, что область измерения малыхмагнитных величин является одной из сложнейших областей измерительной техники.Только в 60 годах появились протонные магнитометры, обладающие достаточнойразрешающей способностью и точностью, а до их появления основным прибором, измеряющиммагнитные поля, являлась, по существу, магнитная стрелка, поворачивающаяся понаправлению силовых линий магнитного поля. При исследованиях наличиепеременного магнитного поля, возникающего при работе сердечной мышцы.
Былитакже созданы приборы – магнитокардиографы. Огромная сложность ичувствительность к механическим повреждениям этого прибора обуславливается егоустройством. Достаточно сказать, что в первых преобразователях первичнойинформации в нем использовались катушки с несколькими миллионами витков.
Гдеже источники магнитных полей у живых организмов? Как они взаимодействуют смагнитными полями атмосферы?
Сначалаоб источниках. В начале мы останавливались на движении зарядоносителей, насложной природе биоэлектричества, отмечая важнейшую роль в процессахжизнедеятельности биотоков, создаваемых мигрирующими по молекуле электронами иионами. В первом приближении можно считать, что эти токи, переменные позначению, и являются источниками магнитных полей живого организма, в частностисердечной мышцы. Это показывает, что на биоэлектричество распространяются законыэлектромагнетизма: возникает и изменяется по значению ток, возникают иизменяются магнитные поля. В контуре, обладающем электропроводимостью, помещенномв переменное магнитное поле, возникает электрический ток; возникает он и в томслучае, если электропроводящий контур перемещается в постоянном магнитном поле.Все это присуще и биомагнетизму, магнитные явления, несомненно, отражают оченьтонкие и сложные явления, происходящие в живом организме.
Следующимважным этапом является изучение взаимодействия магнитного поля человека иокружающей его среды.
Проанализировавмногочисленные вызовы «скорой помощи», было выявлено следующее: число вызововзависит от параметров окружающей среды. Из них основными оказались характеризменения магнитного поля и резкие перепады суточной температуры и атмосферногодавления при определенном соотношении всех других параметров.
Биоэлектрическиеи биомагнитные явления тесно связаны с электричеством и магнетизмом окружающейатмосферы и всеми ее физическими параметрами. А человек является неотъемлемойчастью окружающей живой среды – живых организмов. Поэтому изучение связи магнитныхи электрических полей, а так как они являются неотъемлемыми частями одного поля– электромагнитного, дает возможность регулировать и создавать оптимальныеусловия среды, окружающей человека, и условия его жизнедеятельности.
Ученыедавно разделили весь электромагнитный спектр на части — по частоте излучения отнизкочастотного (иначе звуковых колебаний) до высокочастотного (иначе световыхколебаниях). Но ведь по такому принципу делится и шкала механических колебаний:от инфразвука (колебания низкой частоты) до ультразвука (колебания высокойчастоты). но части шкал примерно соответствуют друг другу (говоря о звуке, яупоминал, что низкочастотные колебания воздуха преобразуются в низкочастотныеколебания электрического тока), поэтому ультразвук и электромагнитные колебаниясверхвысокой частоты равно как инфразвук и колебания низкой частоты могутгубительно воздействовать на организм человека.
Всвоей работе я закончил изучения механизма взаимодействия электрических имагнитных полей на человека. Но в жизни осталось очень много интересных иудивительных вещей, которые волнуют разум человека. Например, о влиянииинфразвука на живые существа. Он способен вызвать чувство необъяснимого страхаили погубить живые существа – комнатные растения. Даже человек может погибнуть– этим объясняется загадочные смерти людей в море без видимых признаков насильственнойсмерти. Это подтверждается фактом увядания растений в атмосфере повышенногоинфразвукового шума. Также интересно значение проклятия – почему же онодействует и довольно эффективно? Влияет не только инфразвук, но и обычный,воспринимаемый звук – музыка. Она способна повысить показатели удоя молока укоров, а способна ввести человека в состояние транса (свойство музыки,используемое индийскими факирами). Интересно также другое: почему люди видятпривидения? Некоторые исследователи объясняют это возникновением в мозгу человекаобъемных голограмм под действием ультразвука или высокочастотныхэлектромагнитных колебаний.