Электричество и человек
| Сдавался/использовался | 2000г., Тверь |
| Загрузить архив: | |
| Файл: ref-23209.zip (33kb [zip], Скачиваний: 176) скачать |
Тверь 2000
Содержание
1. Введение……………………………………………………………………3
2.Физика. Человек. Окружающий мир…………………………………5
3.Электрические явления… ……………………………… … ………… 6
4.Электрическое поле Земли… … … …………………… …………… 8
5.Электрическая активность планеты и жизнь……………………9
6.Электические свойства воды………………………………………… 10
7. Электрические свойства тела человека… ………………………11
8. Поражение электрическим током………………………………… 12
9. Заключение……………………………………………………………… 14
10. Приложение………………………………………………………… 16
11.Список используемой литературы……………………………… 21
Введение
Бесконечно разнообразен мир.
Бесконечно разнообразна окружающая нас природа.
Бесконечно сложныи различны люди - части этой при-
роды.
Многие физики, правда, глубоко убеждены, что в осно-
ве своей природа проста и большинство ее"загадок",все
еще приводящих исследователейв недоумение, лишь свиде-
тельствуют, что мы пока еще не способны понятьязык, на
котором мир рассказывает о себе.
Во все времена людей интересовало, как устроена Зем-
ля и Вселенная, в чем причина природных явлений. Люди да-
вали свои толкования окружающему - всякий разпо-своему,
в зависимости от уровня имевшихся знаний,от уровня раз-
вития человеческой мысли.Но одни уповалипри этомна
высшую силу, даже собственные достижения считали резуль-
татом откровенья божьего... Другие же кропотливо собирали
крупицы повседневного опыта, старались обобщить их, вос-
произвести то, что наблюдали в природе.
Как нам оценить путь,который успело пройти человечество?
Раскроем "Беседу трех святителей", сочинение, созданное около IV века нашей эры.Авторитетнейшиевизантийские писатели рассуждают о мировых тайнах:"Иоаннъ рече:Отъ чего громъ и молниясотворено бысть?-Василий рече: Гласъ господенъ въ колеснице огненной утверженъ и ангела громная приставлена..." На славянский язык это сочинение было переведено в XI веке, и написанное в нем принималось за истину еще многие столетия!
А сейчас,можно сказать,на наших глазах рождается
единая физическая теория так называемого "великого объединения ": она охватываетвсеслучаи электромагнитного
взаимодействия, в том числе и атмосферныеразряды – молнии и сильныевзаимодействия,ответственные за целостность атомных ядер, и слабые, делающие возможными радиоактивные превращения одних химических элементов в другие...
Вот каков скачок в знаниях людей о природе. Сделало
его человечество зашестнадцать веков,причем главные,
поистине семимильные шаги пройденыза последниедвести
лет.
Пройдя тропу, ведущую от мифов и легенд далёкого прошлого к некоторым основополагающим событиям настоящего, люди построили совершенно особый, не похожий на природный «электрический мир» .
И всё же почемуименно « Человек и электричество»? Познание природы электрических явлений – величайшее достижение человеческого гения. Великий Максвелл предложил систему математических уравнений, которые красочно и лаконично описывали фундаментальные законы, лежащие в основе этих явлений, а заодно объясняли тепловое излучение и распространение радиоволн (открытых, кстати, значительно позже!).
Конечно, случилось это не вдруг, не спонтанно; не было это и откровением свыше. Общая теория электрических явлений позволила не только демонстрировать эффект притягивания пушинок или получения искр – теперь наука и техника быстро изыскали способы передачи информации на расстояние (притом безошибочной передачи и на огромные расстояния), начали конструировать машины с искусственным интеллектом…
Примеров применения электричества необоримое множество. Еще в 1912 году было сказано: «Электрификация всех фабрик и железных дорог сделает условия труда более гигиеничными, избавит миллионы рабочих от дыма, пыли и грязи, ускорит превращение грязных, отвратительных мастерских в чистые, светлые, достойные человека лаборатории». Мы живём в удивительное время. Достижения техники и науки так «уменьшили» размеры нашей планеты, а население её так разрослось, что сегодня нельзя не понимать: составляя планы развития хозяйства в некотором регионе, надо думать о будущем всей Земли. Ведь сейчас даже оптимисты говорят, что примерно через полтора столетия на Земле иссякнут запасы основных видов топлива – нефти, газа, угля… лишь тогда снова загудели домны, снова забили из леток тугие струи раскаленного металла.
Где же черпать энергию? Не погибнет ли наша –«энергетическая» – цивилизация? Уместен вопрос: электричество в нашей власти или мы в его?
Сегодня электричество стало самостоятельной отраслью естественнонаучных знаний. Оно ещё уготовит людям немало неожиданностей. Некоторые «сюрпризы» науки мы уже можем предугадать. И контуры будущего, вырисовывающиеся сегодня, грандиозны. Потому нам и захотелось рассказать об электричестве.
Физика. Человек. Окружающий мир.
Определяя предмет физики как науки, говорят: "Физика наука о неживой природе". Однако человека, хотя он и относится к живой, осознающей себя материи, нельзя не считать объектом изучения физики.
Действительно человек живет в мире, устроенном и функционирующем в соответствии с законами, являющимися предметом изучения физики. Само происхождение человека, особенности, которыми он обладает, его будущее связаны не толькосэволюцией окружающегомира, но и с развитием
свойств человека и определяется физическими условиями воВселеннойи физическими законами, действующими в ней.
Человек - физический объект,который наравне с объектами другой природы совершает перемещения,участвует в силовых воздействиях, подвергается влиянию физических полей разного рода.
Человек - сложная физическая система: функционирование отдельных её частей (физиологические системы, органы, клетки), взаимодействие с окружающей средой (метаболизм) определяется физическими процессами.
Человек - субъект познания:наблюдения,измерения, эксперимент, гипотеза, модель,теория - изобретения человека, при помощи которых он изучает и объясняет окружающий мир и себя в этом мире.
Человек - член большого сообщества себе подобных. На благо себе и человечеству он применяет достижения наук, в том числе и физики, видоизменяя и приспосабливая к своим потребностям окружающую среду, стремясь тем не менее не нарушать с ней гармоничного единства.
По сравнению с другими науками, по определению изучающими человека, - биологией, физиологией, генетикой, психологией, философией, социологией, -физика позволяет"увидеть" этот исключительный важный в современную эпоху объект исследования с новой точки зрения и дополнить психобиологическое представление о человеке физической причинностью.
Таким образом, изучая физику, можно продвинуться по пути познания человеком самогосебя,лучше понять его природу и возможности,поскольку человек - часть и продукт мира, понять и объяснить который призвана физика.
Электрические явления
В мире, в котором мы живем, действует множество законов физики.Среди нихитакие, которыезнает каждый
школьник из учебников физики,и такие,которые известны
сегодня только немногим. С физическими явлениями мы сталкиваемся не только в лабораториях Большой науки, но и в
каждодневной жизни. В наши дни не только в цехах заводов,
научных лабораториях или медицинских кабинетах, ноиу
себя дома мы окружены аппаратами приборами, в которых используется электрический ток, магнетизм, электромагнитные
волны ит.д. Современные изобретатели активно осваивают
достижения физики:ими подсчитано,что наукеизвестно
около 5000явлений,а любойспециалист знает не более
150. Что тогда говорить о нас с вами?Но поразмыслив над
тем, какиеэлектрические явления нам удается наблюдать в
природе мы придем к выводу,что их совсем немного.Очевидно мы вспомним,что молния - это по существу электрический заряд,однако мы воспринимаем лишь порожденные им
световые эффекты и звук,вызванный быстрым нагревом воз-
духа, а не его электрическую "сущность". Другиеявления
такие, каквзаимодействиеэлектрически заряженныхтел
(отталкивание наэлектризованных шариков бузины) - мы знаем только в основном из школьных опытов.Поэтому нам кажется, чтосостояния веществ,при которыхпроявляется
электричество, вприроде существуют лишь как исключения.
Так, чтобы шарики бузины взаимно отталкивались, им необ-
ходимо сначала сообщить электрический заряд и т.п. На ос-
новании только нашего чувственного опыта мы не в состоя-
нии обнаружить,чтомежду взаимодействием электрически
заряженных тел и всеми явлениями, которые мы воспринимаем
нашими органамичувств(за исключением гравитации) существует непосредственная связь.
Нам не нужно объяснять, почему силой или просто давлением руки можно воздействоватьнакакой-то предмет:
контактное силовоевоздействие- одно из наиболее распространённых и обычных явлений в нашей повседневной жизни, кажущихся нам самоочевидными. Тем не менее, контактное взаимодействие между твердыми телами и между твердымтелами и жидкостями- явление достаточно сложное. Так, из наблюдений нам известно,что, например, стеклянные пластины, плотно прижатые другкдругу, трудно потом оторвать - настолько прочно они сцепляются;мокрый снег безнадежно прилипает кнемазаной поверхности лыж,но при наложении тонкого слоя лыжной мази легко отпадает. На чистом стекле вода образует тонкую пленку, а на жирной подложке собирается каплями. Целый ряд подобных примеров свидетельствует о сложности и разнообразии поверхностных и контактных явлений и взаимодействий.При более близкомзнакомстве с этими явлениямиу нас вполнеестественно возникает вопрос:не скрывается ли за всем их разнообразиемкакой-то общий ипростой физический закон?Но чтобы глубже выяснить причиныконтактных взаимодействий, недостаточно только наблюдений и измерений простейшими средствами.
Однако из некоторых наблюдений можно сделатьвывод,
что контактное взаимодействие - во всяком случае, частич-
но - связано с электрическими явлениями. Например,если
потереть сухую стеклянную пластинку замшей,то она начи-
нает притягивать (электростатическое притяжение) пылинки
иличастички порошка.Пылинки буквально подскакивают к
стеклу, преодолевая силу гравитации.В некоторых случаях
электризация предметов трением оказывается настолько
сильной, что буквально слышен треск искр - этопроисхо-
дит, например, при расчесывании сухих волос.
Опыты по электризации трением показывают,что неко-
торые тела после электризации притягиваются, а другие от-
талкиваются. Так,без каких-либо сложных приборовможно
прийти квыводу о существовании двух различных зарядов,
которые взаимно притягиваются друг к другу; напротив, те-
ла, имеющие заряд одного и того же вида, взаимно отталки-
ваются. Бенджамин Франклин назвал заряд, который возникает на стекле,потертом кожей, положительным, а заряд эбонитового стержня,потертого лисьим хвостом,- отрицательным. Зарядыможно было бы обозначить и наоборот:как мы знаем сегодня,это было бы гораздо удобнее дляописания различных электрических явлений,которые изучаются в физике. Ведь носителями электрического тока в основном являются электроны,которымФранклин произвольно приписал отрицательный заряд.Вследствие этого теперь намприходится приписывать электрическому току направление, противоположное тому, в котором движутся электроны.
Наблюдать взаимодействиемежду заряженными телами,
особенно если речь идет о телах малых размеров, можнои
без помощи современных электротехнических устройств. Пер-
вое сообщение о такого рода наблюдениях появилосьоколо
2500 лет назад; тогда Фалес Милетский обнаружил, что при-
везенный с севера янтарь проявляет особые свойства: если
его потереть, то он притягивает мелкие легкие предметы, а
после соприкосновения с ними их отталкивает. Именно отсю-
да и берет свое начало слова "электричество",ибо "элек-
трон" по-гречески означает "янтарь". Однако позднеепо-
добные свойства были обнаружены и у многих других матери-
алов.
В принципе всеэлектрические явления могли бы быть
открыты и объяснены уже давно. Однако только где-то в на-
чале 18 века стали исследовать их достаточно глубоко. Да-
же самые развитыекультурыдревности, достигшиестоль
значительных успехов в математике и философии,не распо-
лагали необходимым для исследования источником тока. (Ес-
ли несчитатьнаходку, хранящуюсяв Багдадском музее:
один из экспонатов,созданный,как предполагается,за
несколькосот лет до нашей эры,некоторые специалисты в
последнее времясклоннырассматривать какпримитивный
гальваническийэлемент. Досихпор остается неясным,
действительно ли он служил для получения электричества.)
Электрическое поле Земли
Среда обитания человека,представляющая собой поверхностьнашей планеты, характеризуется многими параметрами: температурой, освещенностью, обусловленными рассеянным солнечным светом,газовымсоставом атмосферой ит.п. Одним из важнейших ее параметров является электрическое поле.
Электрическое поле Земли образовано зарядом поверхности и зарядами, сосредоточенными на некоторой высоте в атмосфереЗемли.Поверхность земного шара несет отрицательный заряд, по модулю равный 6*10 (5) Кл. Этот заряд не очень велик. Например, если через обычную лампу мощностью 60 Вт, включенную в сеть, такой заряд протекает за 25 суток.
Электрическое поле Земли подобно полю сферическогоконденсатора, одной изобкладок которогоявляется заряженная поверхность планеты. Вследствие огромной кривизны поверхности обкладки полеможносчитать однородным. (см. рис.1)
Электрическое поле Земли достаточно слабое.Но характер проводимости тела человека позволяет ему спокойно переносить без опасности для жизни и гораздо большие разности потенциалов.
Процессы, приводящиек образованию заряда на земной поверхности, очень сложны.В отличие от других космических тел ее поверхностине достигает поток заряженных частиц от Солнца - солнечный ветер, так как Земля защищена от его воздействия геомагнитным полем и атмосферой. Отрицательный зарядЗемли формируетсяи поддерживается приблизительно постоянным в результате взаимодействия земной поверхности с приземными слоями атмосферы.Считается, что сток отрицательного заряда с поверхности Земли в атмосферу происходит восновномза счетпроводимости приземного слоя воздуха, а в возвращении заряда на поверхность большую роль играют молнии.Их ежесекундно над Землей вспыхивает около сотни, причем каждая молния несет заряд, равный 10-50 Кл.Средняя плотность тока проводимости атмосферы составляет 10(-12) А/м2 (см. рис.2). Общая сила тока достигает 1800 А. Баланс электрического заряда Земли можно проиллюстрировать таблицей (см. таблицу 1).
Электрическая активность планеты и жизнь.
Электрическая активность атмосферы довольно спорный фактор среди других, характеризующих условия на планете, пригодной для жизни. Так, например, известный планетолог С. Доул считает, что слишком интенсивная электрическая активность атмосферы планеты могла бы превратить её в нежилую.
Однако, в начале эволюционного процесса на Земле электрическая активность планеты сыграла, по-видимому, положительную роль. Известны результаты опытов по синтезу органических молекул – «кирпичиков жизни» типа аминокислот из набора простейших исходных химических соединений. Суть опыта заключалась в том, что в большом, изолированном от внешней среды сосуде моделировалось атмосфера первичной Земли, представлявшая собой смесь метана, аммиака, водорода, водяного пара. Некоторое количество воды на дне сосуда имитировало водоём на поверхности Земли. Необходимая для химических реакций синтеза энергия черпалась из разных источников. В некоторых вариантах опыта в этой роли использовался электрический разряд, имитирующий электрическую активность древней земной атмосферы. Через некоторое время после начала опыта и включения источника энергии в сосуде образовывались органические молекулы, входящие в состав живых организмов. В разных странах мира различные группы учёных проводили аналогичные опыты, изменяя некоторые детали (например, концентрацию и набор исходных соединений). Результаты опытов во всех случаях получились примерно одинаковыми, что подтверждает, по мнению учёных, догадку о возможности самопроизвольного зарождения жизни на поверхности нашей планеты много миллиардов лет назад.
Электрические свойства воды.
Трудно переоценить значение воды для живых существ. Оказывается, многие её важные для жизни свойства обусловлены структурой молекулы воды. Молекула воды представляет собой диполь, а вещество в целом – полярный диэлектрик. Это означает, что, хотя в целом молекула воды нейтральна, центры тяжести её положительного и отрицательного зарядов не совпадают даже в отсутствии внешнего электрического поля. Атом кислорода забирает электроны от атомов водорода, обеспечивая себе большой отрицательный электрический заряд, в то время как два ядра атома водорода образуют положительно заряженные области. С соседними молекулами такая молекула взаимодействует электрически, притягивая к своему положительному концу отрицательный заряд, а к отрицательному – положительный заряд соседки. В результате молекулы тесно связываются друг с другом, образуя кластеры, или супермолекулы, если вещество однородно. Высокая диэлектрическая проницаемость воды 81 означает, что два заряда взаимодействуют в воде с силой, в 81 раз меньшей, чем если бы они взаимодействовали в вакууме. Это же приводит к тому, что вода ослабляет связи между атомами растворенного вещества, т.е. способствует диссоциации.
Электрические свойства тела человека.
Электропроводность - один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрическиеявления, которые прекращаются при гибели живого существа.Человек при этом не является исключением.
Тело человека представляетсобой посвоимэлектрофизическим свойствам соленый раствор (раствор электролита). Разные ткани тела человека характеризуетсяразной концентрациейраствораэлектролита и разным его составом,вследствие чего различаются по своимдиэлектрическим свойствам (см. таблицу 2).
Как любой проводниктелочеловека можноохарактеризовать его электрической емкостью.Приближенноемкость любого проводника может быть рассчитана как емкость шара, имеющего такую же площадь поверхности.
Поскольку внутриклеточная жидкость содержит ионы и хорошо проводит электрический ток, внутренние ткани тела человека обладают довольно низким сопротивлением.В целом же сравнительно высокое сопротивление тела человекаэлектрическому току определяется в основном сопротивлением поверхностных слоев кожи (эпидермиса).Проводимость кожив значительной степенизависит отее состояния и осуществляется через потовые и сальные железы.Внутри тела человекатокразветвляется и проходит преимущественновдоль протоков тканевых жидкостей (кровеносных сосудов, нервных стволов, лимфатических узлов и т.д.).
Общее сопротивление тела человека постоянному току (от конца одной руки до конца другой) при сухой неповрежденной коже рук составляет 10(4)-10(6) Ом и ниже.
По отношению к переменному току человеческое тело можно рассматривать как параллельно соединенные резистор и конденсатор. Постоянный ток идет только через резистор, и, если активное сопротивление тела большое, сила тока будет невелика. Переменный ток идет и через резистор, и через конденсатор. Так как резистор и конденсатор включены параллельно, их полное сопротивление меньше чисто активного сопротивления и сила тока при данном напряжении должна быть больше, чем в случае постоянного тока.
Сопротивление человеческого тела току различно для разных индивидуумов. Оно также зависит от состояния здоровья человека. Определенно известно, что наличие алкоголя в крови заметно уменьшает сопротивление человеческого тела.
Встречаются люди с уникальными электрическими характеристиками. Например, электрик из болгарского города Габрово Г. Иванов обладает электрическим сопротивлением в 8 раз более высоким, чем у обычных людей. Он может работать с электрическими цепями, находящимися под напряжением 380 В, без защитных средств и не отключая питания (для обычного человека напряжение 380 В смертельно).
Определению сопротивления тканей тела человека току (постоянномуи переменному) может быть посвящена специальная лабораторная работа (см. Приложение).
Поражение электрическим током
Поражение электрическимтоком опасно для здоровья и
даже для жизни человека. Тяжесть поражения зависит от си-
лы тока, продолжительности его действия и от того, по ка-
кому пути протекает ток в теле человека. Особенночувс-
твительны к действию тока мозг и сердце, так как возможны
нарушения их деятельности.
Упомянем об одной возможности использоватьсвойство
слюны человека проводить электрический ток. Изготовленные
из разных металлов коронки зубов человека могутсыграть
роль электродовгальваническогоэлемента, слюна - роль
электролита. Такой необычный источник токаможетпитать
микроприемник радиоволн,вмонтированныйв дуплозуба.
Преимущество такого устройства - оно всегда будет с вами.
Большинство людей реагируютна силу тока 10(-3) А.
Силатока в нескольких миллиампер вызывает болевые ощу-
щения, норедко бываетопаснадля здоровья. При силе
больше 10 мА происходит резкое сокращение мышц, и человек
может оказаться не в состоянии освободиться от источника
тока (например, неисправного прибора или провода). В этом
случае возможна остановка дыхания; сделанное своевременно
искусственное дыхание может вернуть человека к жизни.
Если ток свыше 70 мА проходит в области сердца, сер-
дечная мышца начинает беспорядочно сокращаться, нарушает-
ся нормальное кровообращение. Это явление называется фиб-
рилляцией сердца;вовремяне прекращеннаяфибрилляция
приводит к смерти.Начавшуюся фибрилляциюочень трудно
остановить. Однакоиногдазначительно большая сила тока
(порядка 1 А) к смертельному исходу не приводит. (По-видимому, при поражении сильным током происходит полная остановка сердца; после прекращения действия тока нормальная деятельность сердца возобновляется.)
При еще большей силе тока (100 мА и более)происхо-
дит паралич органов дыхания инаступаетмгновенная
смерть. Нарушение электропроводимости центральной нервной
системы, управляющей основными,жизненно необходимыми
функциями человека, происходящееприэтом, объясняется
следующим образом.Приочень низкой энергии связи между
электроном и ядром в сложных полимерных органических мо-
лекулах ток порядка 10(6) А,проходящий через тело чело-
века при электротравме,выделяет энергию,аннесколько
порядков превышающуюту,что необходима для разрушения
межмолекулярных связей.
Все рассмотренныевыше случаи протекания тока через
тело человека осуществлялись по пути рука - рука или нога
- рука.Этоочень важно, так как любой другой путь для
тока чреват более страшными исходами даже при более низ-
ких токах и напряжениях.Сейчас уже не подлежит сомнению
существование на теле человека областей,наиболее уязви-
мых ктоку. К ним относятся тыльная сторона кисти, шея,
висок, плечо,спина.При прохождениитокачерез эти
участки телачеловека смерть наступает от нарушения моз-
гового кровообращения.
Одной из самыхопасных разновидностей электротравм
является поражение такназываемымшаговым напряжением,
которое возникаетвзоне оборвавшегосяпроводалиний
электропередач высокого напряжения,и можетдействовать
на расстояниях сотен метров то упавшего провода. Шаговое
напряжение относительно Земли составляет 50 кВ и более.
Считается, чтоэлектротравмы со смертельным исходом
составляют 10-15% от общего количества травм с тяжким ис-
ходом. Общее количество погибших от электрического тока в
год в среднем оценивается в 22-25 тыс. человек. Это чис-
ло, конечно, существенно меньше числа людей, погибающих в
автокатострофах за то же время.Но все же оно велико, и,
чтобы предохранитьсяотпоражения электрическим током,
надо знать,какую опасность он представляет, а также вы-
полнять в общем-то несложные правила безопасности.
[К. В.1]