Электрический угорь. Электрогенераторы у рыб

В морях и океанах есть существа, обладающие удивительными и поразительными способностями вырабатывать электричество. Одним из таких созданий является электрический скат.

Как скаты вырабатывают электричество?

Все благодаря специальным электрическим органам, находящимся внутри этих существ. Они возникли как у пресноводных, так и у морских рыб. Известно, что такие же органы имели некоторые их ископаемые предки. Современная ихтиология насчитывает более 300 видов разных рыб, имеющих электрические органы. Эти органы представляют собой видоизмененные мышцы. У тех или иных «электрорыб» они отличаются своим местоположением. Например, у скатов они представляют собой почковидные образования.

Если говорить простым языком, то электрические органы скатов – это своеобразные мини-генераторы, вырабатывающие весьма приличный заряд тока. Этого заряда хватит на то, чтобы обездвижить не только рыбу, но и человека! Есть специалисты, которые утверждают, что скаты могут за один раз вырабатывать напряжение в 300 вольт. Электрические органы располагаются в спинной и брюшной частях тела этой «электрорыбы». Их можно сравнить с гальванической или электрической батареей.

Каждый из таких органов состоит из многочисленных электрических пластин, собранных в столбики. Это видоизмененные нервные, мышечные и железистые клетки. Между их мембранами и генерируется разность потенциалов. Электрические органы иннервируются специальными ветвями языкоглоточного, лицевого и блуждающего нервов, которые, в свою очередь, подходят к электроотрицательной стороне вышеупомянутых пластинок.

В каких случаях скаты вырабатывают электричество?

Эти создания используют свои уникальные электрогенные свойства в двух случаях: если им угрожает какая-либо опасность, или во время охоты (поиска добычи). Любопытно, что сами скаты не страдают от выпускаемого ими электрического разряда. Это объясняется специальной «изоляцией», которой наградила их матушка-природа. Кстати, электрогенными свойствами обладают не только электрические скаты, но и некоторые другие их виды, не относящиеся к семейству электрических: органы этих существ расположены только на хвосте.

Те рыбаки, которые имели неосторожность на себе почувствовать всю силу воздействия этой «электрорыбы», оставались крайне недовольными. По их словам, удар током от электрического ската сопровождается продолжительной сонливостью, дрожью в ногах, потерей чувствительности, онемением верхних конечностей.

Любопытно, что такое удивительное электрогенное свойство этих созданий успешно эксплуатировалось еще в Древней Греции. Греки использовали этих чудо-рыб для обезболивания во время какого-либо оперативного вмешательства, либо при деторождении.

Все интересное

С древнейших времен люди наблюдали электрические явления, однако постичь, описать и реализовать их получилось относительно недавно. А началась история открытия электричества и его импульсов с исследованием природного «солнечного камня» -…

Любой человек, не особенно посвященный в область электротехники, наслышан о том, что различают ток постоянный и ток переменный. Специалисты говорят еще о пульсирующем электрическом токе. Где, в каких областях энергетики используют тот и иной ток, и…

Самая крупная река в мире – Амазонка. Она же признана и самой опасной. Причиной тому является обилие различного рода фауны, опасной для жизни человека. Хищники АмазонкиАмазонка – южноамериканская река, имеющая протяженность 6992,06 км. Глубина ее…

Кровля – это часть архитектурного образа здания. По сути, это важнейший защитный элемент конструкции строения. От качества крыши зависит не только долговечность постройки, но и внешний вид дома, а также комфортность проживания в нем. Поэтому выбор…

Далеко не каждый может позволить себе установить в своем доме или квартире настоящий камин. Отличной заменой ему является камин электрический - теплый, яркий, красивый, отличающийся от настоящего лишь тем, что вместо огня в нем «пылает»…

Человечеству стоит заранее готовиться к будущему энергетическому голоду. Во-первых, истощаются производящие электричество ресурсы. Во-вторых, мы не можем в тех же темпах его производить дальше, иначе настанет тепловая катастрофа планетарного масштаба. Вероятно, второй момент нас будет все еще очень мало заботить, потому что наш мир на все 100% зависит от энергетики. Отказаться от нее хотя бы на половину будет означать смерть цивилизации. Поэтому мы будем до последнего издыхания искать новые источники электричества.

Через пол века на планете закончится нефть. Еще через пол века не станет газа. И вот только тогда мы перейдем на новый уровень развития, характеризующийся новыми технологиями и возможностями. В принципе, мы могли бы это сделать уже давно, но техническая революция откладывается из-за сугубо меркантильных интересов, о чем речь пойдет немного позже. Что это будут за источники, какова будет их природа и потенциал - со всем этим мы попытаемся разобраться в данной главе.

Начнем с самих себя. Ни для кого не секрет, что в идеале наш организм мог бы дать нам возможность обеспечивать нас же самыми элементарными электрическими ресурсами. Конечно, речь не идет о подогреве чайника или работы лампового телевизора, но значительная часть электроприборов могла бы получать энергию прямо от нашего организма.

Обычно в этом ракурсе понимается наша возможность с помощью физических движений вырабатывать электричество в генераторах. В этом нет ничего удивительного, когда осознаешь насколько человек силен и энергичен в своих действиях. Сила и выносливость его мышц вполне подходит для выработки электроэнергии, что особенно актуально в век приборов, которым нужно все меньше этой самой электроэнергии. В программе «Необъяснимо, но факт» можно было наблюдать изобретателя Мартына Нунупарова, который демонстрировал целый ряд приборов, которые работают от физической силы человека:

Мартын Нунупаров - заведующий лабораторией микроэлектроники института общей физики РАН; изобретатель; обладатель гран-при конкурса русский инноваций 2004 года.

— В приборах может появляться электричество, которое получается при механическом нажатии на специальную клавишу. Это изобретение, которое мы сделали, позволяет делать массу электронных приборов, для которых не нужно ни розетки, ни батарейки, и которые могут служить вечно.

Ученый предлагает использовать целый ряд изобретений, способных генерировать ток практически из любого человеческого действия, будь то даже вдоха, энергия которого равна 1Вт. По его словам, даже энергию ходьбы человека и взмаха руками во время этого процесса достаточно, чтобы питать лампу 60Вт.

Но еще дальше ушли некоторые другие изобретатели, которые, похоже, решили из человека сделать настоящую электрическую станцию. К примеру, группа американских ученых их Georgia Institute of Technology создала действующий прототип наногенератора из оксида цинка, который вживляется в человеческое тело и получает из него ток, используя наши движения. В будущем предлагается оснащать людей множеством таких наноприборов, чтобы мы могли в любой момент получать необходимую энергию.

Все это, по большей части, лишь предложения к массовому использованию. Однако в мире уже создано не мало прецедентов, которые в повседневной жизни используют человека, как источника тока. Например, в одном из вокзалов технологичной Японии стоят вырабатывающие электричество турникеты. Каждый пассажир, а их многие тысячи ежедневно, проходит через такую систему и питает весь терминал дополнительным чистым источником электричества. Конечно, о больших объемах получаемой энергии говорить не приходится. Она едва ли обеспечивает и несколько процентов потребности, но сам прецедент заслуживает не только внимания, но и уважения. Возможно, по такому принципу когда-нибудь будут работать многие предприятия.

Вероятно, за такими составляющими, как Нунупаров и его изобретения, стоит будущее человечества. Однако все это больше относится к тому, что было всегда известно, но просто мало кто понимал, как правильно получать и использовать электричество из физических действий человека. На самом деле, электричество мы можем генерировать напрямую, избегая переходных систем импульс-движение и движение-генератор. Дело в том, что сама природа любого живого организма, а не только человека, это замкнутая электрическая система, в которой есть свои генераторы, линии передач и потребители. Уж не попробовать ли качать ток прямо из нашего нутра?

Такая идея изначально витала только в умах фантастов. Казалось, это просто невозможно. Вспомним культовый фильм «Матрица», где электричество вырабатывали человеческие мозги, подключенные в одну сплошную генераторную станцию. Но мир движется вперед и основная роль его движения заключается в том, чтобы делать невозможное повседневной реальностью. Однако сначала стоит разобраться с причинами того, почему человек может быть использован в качестве источника энергии и откуда она в нем берется.

Дело в том, что у человека есть все необходимые звенья любой полной электрической цепи. Во-первых, это генераторы. Они делятся на внутренние(сердце и мозг) и внешние(органы чувств). В мозгу ток образуется в месте ретикуло-эндотелиальной формации, откуда по нервам распространяется по всему организму в виде биотоков. В сердце биотоки возникают в синатриальном узле, откуда они через посредников передают импульсы сердечной мышце, а затем растворяются в теле. Именно благодаря этому узлу сердце может какое-то время биться даже вне тела.

В глазах ток возникает в виде потока электронов по нервам к мозгу от сетчатки. Во внутреннем ухе формируется электричество под действием звуковых волн. Физическое и температурное воздействие на рецепторы кожи формирует в них биотоки, которые направляются к головному мозгу на обработку. Это самые мелкие генераторы тока в человеческом организме. В носу электричество вырабатывают митральные клетки, воздействие запаха на которых генерирует биоимпульсы. Во роту под воздействием химических веществ ток вырабатывают вкусовые сосочки.

Если суммировать все вырабатываемое нами внутреннее электричество, то окажется, что более половины берет на себя сердце. Десятую часть тока генерируют органы чувств, а все остальное, около 40%, производит головной мозг. Однако при больших болях органы чувств, болевые рецепторы, могут давать абсолютное большинство всего электричества в организме. В общем, все это не удивительно, если понимать, что биотоки являются главным движущим и поддерживающим живое существо фактором.

Некоторые умы упорно решают задачу, как взять хотя бы часть всего внутричеловеческого тока и использовать его для нужд самого человека. Вероятно, это не даст серьезных сдвигов в уровне развития цивилизации, но в чем-то может сыграть свою положительную роль. Так, к примеру, внутреннее электричество могло бы питать вживленные чипы человека будущего или искусственные органы. Но еще дальше уходят идеи искусственной культивации тех же рецепторов боли в промышленных масштабах, чтобы из них вырабатывать ток в больших объемах. Бесспорно, эта идея далекого будущего. Но некоторые современные достижения выглядят не менее фантастично.

Так, в японской лаборатории Matsushita Electric научились получать ток напрямую из крови человека. Дело в том, что она полна электронов от ферментного окисления глюкозы. А тот же Нунупаров предлагает использовать для получения электричества не только наши движения, но и те лишние отложения жировых тканей, что нас так сильно раздражают у зеркала и на фотографиях. По его подсчетам, одного грамма такого жирка хватит на подзарядку аж четырех батареек АА. Без труда можно подсчитать, что брюхо среднего европейского мужчины может питать до 40 тыс. батареек, что представляет из себя внушительный запас электричества. Остается только решить, насколько выгодней производить человеку жир для энергетических целей?

Но все вышеописанное не идет ни в какие сравнения с тем, как собираются решить энергетический вопрос в Лондонском музее науки. Как и полагается настоящим деятелем науки, руководство музея решило найти консенсус между тремя миллионами посетителей в год и огромными счетами за электроэнергию. В отличие от безобидных японских турникетов, которые вырабатывают электричество, когда сквозь них проходят клиенты железнодорожной станции, англичане решили использовать обед посетителей. Впрочем, как и завтрак и ужин. В общем, все, что осталось в кишечнике.

Кто-то мозговитый решил, что слишком большое расточительство выкидывать содержимое унитазов в сточные воды, ведь это содержимое творят три миллиона человек в год. Это ж сколько можно добра сделать! Было подсчитано, если грамотно использовать данные продукты жизнедеятельности, то из счетов за электроэнергию можно будет вычеркнуть около 15000 лампочек, которые смогут «освещать», посетители музейных унитазов.

Нечто подобное придумали сингапурские ученые. Они решили ограничиться небольшим - мочой. Группа Института биотехнологий и нанотехнологий изобрела бумагу, состоящую из вымоченного в дихлориде меди бумажного слоя между полосками магния и меди. Когда на это чудо попадает всего 0,2 мл. мочи, вырабатывается 1,5-вольтовое напряжение с солидной мощностью. Об использовании такой батареи в промышленных генерациях электричество никто пока не говорит. Изначально стояла цель создать медицинские приборы, способные самостоятельно делать анализ мочи без посторонних источников энергии.

Физика в мире животных: электрический угорь и его «энергостанция»

• Научно-популярное ,
• Биотехнологии ,
• Физика ,
• Экология

Электрический угорь (Источник: youtube)

Рыба вида электрический угорь (Electrophorus electricus) - единственный представитель рода электрических угрей (Electrophorus). Встречается он в ряде приток среднего и нижнего течения Амазонки. Размер тела рыбы достигает 2,5 метра в длину, а вес - 20 кг. Питается электрический угорь рыбой, земноводными, если повезет - птицами или мелкими млекопитающими. Ученые изучают электрического угря десятки (если не сотни) лет, но только сейчас начали проясняться некоторые особенности строения его тела и ряда органов.

Причем способность вырабатывать электричество - не единственная необычная черта электрического угря. К примеру, дышит он атмосферным воздухом. Это возможно благодаря большому количеству особого вида ткани ротовой полости, пронизанной кровеносными сосудами. Для дыхания угрю нужно каждые 15 минут всплывать к поверхности. Из воды кислород брать он не может, поскольку обитает он в очень мутных и мелких водоемах, где очень мало кислорода. Но, конечно, главная отличительная черта электрического угря - это его электрические органы.

Они играют роль не только оружия для оглушения или убийства его жертв, которыми угорь питается. Разряд, генерируемый электрическими органами рыбы, может быть и слабым, до 10 В. Такие разряды угорь генерирует для электролокации. Дело в том, что у рыбы есть специальные «электрорецепторы», которые позволяют определять искажения электрического поля, вызываемые его собственным телом. Электролокация помогает угрю находить путь в мутной воде и находить спрятавшихся жертв. Угорь может дать сильный разряд электричества, и в это время затаившаяся рыба или земноводное начинает хаотично дергаться из-за судорог. Эти колебания хищник без труда обнаруживает и съедает жертву. Таким образом, эта рыба является одновременно и электрорецептивной и электрогенной.

Интересно, что разряды различной силы угорь генерирует при помощи электрических органов трех типов. Они занимают примерно 4/5 длины рыбы. Высокое напряжение вырабатывают органы Хантера и Мена, а небольшие токи для навигационных целей и коммуникационных целей генерирует орган Сакса. Главный орган и орган Хантера размещаются в нижней части тела угря, орган Сакса - в хвосте. Угри «общаются» между собой при помощи электрических сигналов на расстоянии до семи метров. Определенной серией электрических разрядов они могут привлекать к себе других особей своего вида.

Как электрический угорь генерирует электрический разряд?

Разница потенциалов в результате достигает 70 мВ. В мембране той же клетки электрического органа угря есть и натриевые каналы, через которые ионы натрия могут снова попасть в клетку. В обычных условиях за 1 секунду насос выводит из клетки около 200 ионов натрия и одновременно переносит в клетку приблизительно 130 ионов калия. На квадратном микрометре мембраны может разместиться 100- 200 таких насосов. Обычно эти каналы закрыты, но в случае необходимости они открываются. Если это произошло, градиент химического потенциала приводит к тому, что ионы натрия снова поступают в клетки. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 мВ, и клетка дает разряд в 130 мВ. Продолжительность процесса - всего 1 мс. Электрические клетки соединяются между собой нервными волокнами, соединение - последовательное. Электроциты составляют своеобразные столбики, которые соединяются уже параллельно. Общее напряжение генерируемого электрического сигнала достигает 650 В, сила тока - 1А. По некоторым данным, напряжение может достигать даже 1000 В, а сила тока - 2А.

Электроциты (электрические клетки) угря под микроскопом

После разряда снова действует ионный насос, и электрические органы угря заряжаются. По мнению некоторых ученых, насчитывается 7 типов ионных каналов мембраны клеток электроцитов. Расположение этих каналов и чередование типов каналов влияет на скорость производства электричества.

Разряд электрической батареи

Второй - последовательность из 2-3 высоковольтных импульсов продолжительностью несколько миллисекунд. Этот способ используется угрем при охоте на спрятавшуюся и затаившуюся жертву. Как только дано 2-3 разряда высокого напряжения, мышцы затаившейся жертвы начинают сокращаться, и угорь может без труда обнаружить потенциальную еду.

Третий способ - ряд высоковольтных высокочастотных разрядов. Третий способ угорь использует при охоте, выдавая за секунду до 400 импульсов. Этот способ парализует практически любое животное небольшого и среднего размера (даже человека) на расстоянии до 3 метров.

Кто еще способен вырабатывать электрический ток?

Но электрический разряд чувствительной силы способны генерировать немногие рыбы. Это электрические скаты (ряд видов), электрический сом и некоторые другие.

Электрический сом (

Направленное (упорядоченное) движение частиц, носителей электрического заряда, в электромагнитном поле.

Что такое электрический ток в разных веществах? Примем, соответственно, движущиеся частицы:

• в металлах - электроны,
• в электролитах - ионы (катионы и анионы),
• в газах - ионы и электроны,
• в вакууме при определённых условиях - электроны,
• в полупроводниках - дырки (электронно-дырочная проводимость).

Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.

Электрический ток проявляется следующим образом:

• нагревает проводники (явление не наблюдается в сверхпроводниках);
• изменяет химический состав проводника (данное явление в первую очередь характерно для электролитов);
• создает магнитное поле (проявляется у всех без исключения проводников).

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ""ток проводимости"". Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют ""конвекционным"".

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

• Постоянный ток - ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
• Переменный ток - электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
• Периодический ток - электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
• Синусоидальный ток - периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
• Квазистационарный ток - относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
• Ток высокой частоты - переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
• Пульсирующий ток - это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
• Однонаправленный ток - это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи (или токи Фуко) - замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики

Исторически принято, что """направление тока""" совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Дрейфовая скорость электронов

Дрейфовая скорость направленного движения частиц в проводниках, вызванного внешним полем, зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счёт упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Сила и плотность тока

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную - силу тока, и векторную - плотность тока.

Сила ток а - физическая величина, равная отношению количества заряда

Прошедшего за некоторое время

через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в СИ измеряется в амперах (международное и русское обозначение: A).

По закону Ома сила тока

на участке цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению

Приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению

Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока средние значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна.

Поэтому применяют следующие понятия:

• мгновенные напряжение и сила тока, то есть действующие в данный момент времени.
• амплитудные напряжение и сила тока, то есть максимальные абсолютные значения
• эффективные (действующие) напряжение и сила тока определяются тепловым действием тока, то есть имеют те же значения, которые они имеют у постоянного тока с таким же тепловым эффектом.

Плотность тока - вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде

пропорциональна напряжённости электрического поля

и проводимости среды

Мощность

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:

• активное сопротивление - сопротивление теплообразованию;
• реактивное сопротивление - сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно).

Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля - Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах.

В сплошной среде объёмная мощность потерь

определяется скалярным произведением вектора плотности тока

и вектора напряжённости электрического поля

в данной точке:

Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны

Зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 ""Гц"" соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока - наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения

Векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля

во времени:

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля, что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии. Например, при зарядке и разрядке конденсатора, несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь. Ток смещения

в конденсаторе определяется по формуле:

Заряд на обкладках конденсатора,

Электрическое напряжение в между обкладками,

Электрическая ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты - жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока. Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрические токи в природе

Атмосферное электричество - электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин.

В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:

• при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
• напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
• атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
• место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю.

Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10 −12 А/м².

Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.

Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма - естественный коронный электрический разряд.

Биотоки - движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие - электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

• получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
• получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
• получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
• возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
• получения звука,
• получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
• создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

• диагностика - биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.
  • Электроэнцефалография - метод исследования функционального состояния головного мозга.
  • Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
  • Электрогастрография - метод исследования моторной деятельности желудка.
  • Электромиография - метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
• Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезнь болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

• термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
• электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
• биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
• механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

• ""безопасным"" считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
• ""минимально ощутимый"" человеком переменный ток составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5-7 мА постоянного тока;
• пороговым ""неотпускающим"" называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10-15 мА, для постоянного - 50-80 мА;
• ""фибрилляционным порогом"" называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России в соответствии c Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (Приказ Минэнерго РФ от 13.01.2003 № 6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей») и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (Приказ Минэнерго РФ от 27.12.2000 N 163 «Об утверждении Межотраслевых правил по охране труда (правил безопасности) при эксплуатации электроустановок»), установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.

Примечания

• Баумгарт К. К., Электрический ток.
• А.С. Касаткин. Электротехника.
• Ю.Г. Синдеев. Электротехника с элементами электроники.