Электричество и человек

Электричество и человек

Содержание

1 Введение

2.1 Виды проводников. Типы электропроводимости.

2.2 Теории электропроводимости применительно к органическим системам

2.2.1 Электронная теория существования живого

2.2.2 Электрический ток и органические системы

2.2.3 Понятие о потенциале. Биоэлектрический ток.

2.2.4 Организм и биоэлектрический ток

2.2.5 Влияние внешнего электрического тока на клетку и организм

2.3 Теория существования магнитного поля

2..3.1 Влияние магнитного поля среды на организм. Значение.

Введение

Существует раздел науки с очень красивым именем – бионика. Родилась

она в результате слияния физики, биологии и инженерии в одну отрасль.

Причем сделано это было не случайно. Можно привести такой пример: как

известно, летучие мыши «видят» с помощью ультразвука. Самым интересным

оказалось то, что созданные человеком локаторы, пусть управляемые самым

совершенным компьютером, по параметрам сильно уступают локатору летучей

мыши – она различает даже тоненькие паутинные нити, перегораживающие нити.

Пришлось инженерам поломать голову, как же создать такое же устройство. Им

пришли на помощь физики и биологи, изучающие строение биологических тел и

физические их свойства. Изучали они не только живые «локаторы», но и другие

удивительные изобретения природы, и, как показали эти изучения, у всех

существ есть сходные системы и аппараты. И человек, как венец творения

природы, не сильно отличается по своим внутренним системам от более простых

организмов – практически у всех них сходные процессы регуляции и

управления, а также многие другие. А самое главное – каждому биологическому

объекту присуща переработка и использование энергии. Об биоэнергии в целом,

а также взаимодействии биоэнергии и внешней энергии я и хочу рассказать.

Виды проводников. Типы электропроводимости

Для возникновения и существования электрического тока необходимо

наличие свободно заряженных частиц, движущихся направленно и упорядоченно.

В зависимости от рода проводника эти заряженные частицы различны, а значит,

различны и типы проводимости. Существуют несколько видов проводимости –

электронная, дырочная, электронно-дырочная и ионная проводимости.

а) электронная проводимость

Электронная проводимость – это способ проводимости, присущий в большей

степени металлам, а также некоторым соединениям и веществам. Для него

характерно наличие свободных заряженных частиц – электронов, с помощью

которых при определенном факторе – наличии электрического поля – возникает

электрический ток. При электронной проводимости сопротивление проводников

прямо пропорционально зависит от температуры. Зависимость эта выражается

линейной функцией;

б) дырочная и электронно-дырочная проводимости

Электронно-дырочная и дырочная проводимости присущи искусственным

полупроводникам. Чистые полупроводники начинают проводить ток при

воздействии внешних факторов: световом, радиационном облучении и

нагревании. Для придания определенного типа проводимости в кристалл чистого

полупроводника вводят небольшое количество вещества, после чего в данном

кристалле имеется либо избыток электронов либо их недостаток. В первом

случае электроны становятся переносчиками заряда, во втором эту роль играют

валентные места – дырки. В зависимости от способа переноса заряда

полупроводники делят на группы: с электронно-дырочной проводимостью и с

дырочной проводимостью;

в) ионная проводимость

Вещества, обладающие ионной проводимостью, это вещества, которые в

расплавах и растворах диссоциируют на заряженные частицы – ионы. Причем в

жидком состоянии эти ионы обладают большой подвижностью, поэтому они

являются свободными заряженными частицами, т.е. при воздействии

электрического поля начинают двигаться направленно и упорядоченно –

возникает электрический ток.

Вообще в природе существуют как проводники так и непроводники, к

которым относятся изоляторы и полупроводники.

С развитием органической химии началось производство веществ, у

которых отсутствовали свободные электроны. Эти вещества были признаны

хорошими изоляторами (их противопоставляли фарфору и стеклу). В то время

известны были только неорганические полупроводники. Их и использовали в

технике, постепенно изучая их свойства. Органические вещества считали в

основном только изоляторами, которые как нельзя лучше подходили для

электротехники. Их было легко изготовить, они были простыми в употреблении

и в то же время очень надежными. Но со временем при дальнейших

исследованиях представление об органических веществах как об изоляторах

изменилось, поскольку были найдены вещества со своеобразной формой

электропроводимости. Первым таким веществом стал антрацен, при воздействии

на него светом, проводимость его начинает резко увеличиваться при

увеличении интенсивности освещения. Вслед за этим удивительным явлением

были обнаружены и другие особенности некоторых материалов, как, например,

зависимость проводимости от давления, влажности, проникающей радиации.

Зарядоносителями могут выступать как электроны, так и дырки, как было

сказано выше. Причем дырочная проводимость, как и у неорганических

полупроводников обуславливается присутствием весьма сильного акцептора

электронов (в органических системах эту роль играет абсорбированный

кислород).

Электронную проводимость придают цепочки атомов углерода, соединенных

простой связью. В этих системах электроны становятся не связанными с

атомами, т.е. они могут отрываться, создавая единую электронную систему.

Однако некоторые вещества, имеющие простую связь между атомами углерода, не

создают свободных электронов.

Изучение неорганических и органических полупроводников показало, что в

них возникают следующие виды зарядоносителей:

а) атомы, которые, потеряв свой электрон с внешней оболочки,

становятся положительно заряженными частицами и участвуют в переносе

положительных зарядов;

б) освобожденные при этом изменении электроны, которые становятся

носителями зарядов;

в) ионизированные атомы-акцепторы, т.е. атомы, захватившие у

соседнего атома электрон; они тоже являются отрицательно заряженными

частицами и участвуют в переносе отрицательных частиц;

г) дырки, образовавшиеся при захвате у атома валентных электронов;

они начинают притягивать электроны от соседнего атома и становятся

своеобразными носителями положительного электричества.

Значительно больше видов движения зарядоносителей у органических

полупроводников. Здесь их перемещение представляет собой совмещение сложных

явлений, одно из которых обусловлено «блуждающими» по молекуле электронами.

Так как молекулы различны, то и связи их с электроном различны.

Электронная теория существования живых организмов

Реаниматология – наука о спасении жизни достигла очень многих

успехов, и основные связаны с активностью сердца. Существуют приборы,

способные регистрировать биоэлектрическую активность сердца. И вот один из

работников реанимации сделал следующее наблюдение: жизнь человека угасает,

но кривая, характеризующая электрическую активность сердца, сохраняет свою

форму. Пока сохраняется электрическая активность сердца, борьба за жизнь

продолжается, и во многих случаях её удается спасти.

Что же происходит, если наступает смерть? Появляются изменения

электрической активности (фиксируемые кардиограммой), которые очень быстро

нарастают, а затем электрическая активность пропадает. Беспорядочные

отдельные электрические импульсы наблюдаются иногда в течение часа. Число

молекул и атомов (количества вещества, из которого состоят ткани) осталось

одним и тем же. Из процессов изменилось только движение зарядоносителей –

электронов и ионов. Может, в этом заключается тайна смерти и жизни, и

очень вероятно, что со временем исследователи установят закономерность

движения зарядоносителей с процессами жизнедеятельности. Скорее всего, одно

из главных отличий между живым и неживым как раз и заключается в иных

молекулярных, атомных и межмолекулярных электронных связях. Отличие может

быть и в разной миграции электронов от молекулы к молекуле, в своеобразном

движении ионов, в результате чего появляются особый вид электропроводимости

и особый вид поляризации, характеризуемые накоплением зарядоносителей,

фиксируемых электрокардиограммой.

Тончайший механизм клеточной регуляции, энергетических

преобразований, быстрота реакции организма в целом и отдельных

анализаторов на внешние раздражители, быстрота обработки информации,

оцениваемая по значению электрической активности, объяснимы наличием в

основе этих процессов движения зарядоносителей, следовательно, изменениями

биоэнергетических явлений на уровнях элементарных частиц. А сложнейшие

биохимические обменные процессы в клетке, преобразования различных видов

энергии в клетке или в ее элементах, как, например, в митохондриях,

объяснимы только тем, что перенос энергии осуществляется частицами,

обладающими массой, меньшей массы атома, и в первую очередь прямо и

косвенно электронами. С возникновением живого организма любого вида

появляются биоэлектрические импульсы, которые гаснут с гибелью организма.

Причем электропроводимость живых тканей рассматривается как один из

параметров, характеризующих жизнедеятельность, или главный отличительный

признак живого от неживого.

Подытоживая выше сказанное, можно предположить, что молекулы живого –

это молекулы, взаимосвязанные энергетикой движения зарядоносителей,

миграцией электронов, обладающие специфической проводимостью, присущей

только живому организму.

Электрический ток и органические системы

Электрические свойства живого организма были обнаружены и стали

предметом исследований, проводимых в середине 20 века. И.П. Тишков провел

первые исследования электропроводимости тела живого человека. В своей

работе «О сопротивлении человеческого тела электрическому току», выпущенной

в 1886г. он приводит численные значения сопротивления, не раскрывая его

закономерности. Ученый Вебер, проводя аналогичные исследования, пытался

доказать, что тело человека можно рассматривать в качестве соляных

растворов или обычных электролитов. Это положение много лет принималось за

верное, хотя многие факты противоречат данным Вебера.

Затем перед самым началом второй мировой войны выдающийся венгерский

ученый Альберт Сцент-Дьёрдьи высказал мысль о важности изучения

«электрических свойств» живых тканей в познании электрофизики живого

организма.

Блестящая идея сопоставления свойств гигантских биологических молекул

со свойствами полупроводников, выдвинутая им вызвала огромный интерес. Ведь

жизнь есть непрерывный процесс поглощения, преобразования и перемещения

энергии различных значений и различных видов. Необходим механизм,

объясняющий миграцию энергии вдоль 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, хотя происходящие в ней

явления гораздо сложнее. Поэтому, имея централизованную систему анализа и

управления функциями отдельных тканей, органов и организма в целом, 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 него электрического тока. Этим веществом была гелеподобная

матрица. При изучении ее свойств было выяснено, что при подаче на нее

незначительного напряжения (вырабатываемого клеткой) происходит

существенное ускорение протекания химической реакции. А раз была найдена

структура, требующая именно электрическую энергию , то необходимо найти

своеобразный генератор биоэлектричества. Для объяснения этого явления

необходимо обратиться к потенциалам.

Понятие о потенциале в биоэнергетике

Важнейшую роль приобретает понятие потенциала в биоэнергетике,

особенно в раскрытии природы 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.

Рассмотрим элементарную систему – атом водорода.

Вокруг ядра атома перемещается по определенной оболочке электрон,

несущий отрицательный заряд электричества. Электрон удерживается на орбите

вблизи атомного ядра, обладающего положительным зарядом, силами

электростатического притяжения. 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.

Приведу общее определение потенциала. Потенциал – это скалярная

величина, численно равная энергии единицы точечного положительного

электрического заряда в данной точке. Он равен работе, совершаемой при

перемещении единицы электрического заряда из рассматриваемой точки в точку,

потенциал которой условно принимается равным нулю. На отрыв электронов от

системы атома или молекулы требуются различные энергии. В среднем энергия

связи равна 30-50 эВ. В ткани живого организма энергия связи электрона с

ядром во много раз меньше этой величины и в ряде случаев составляет доли

электрон-вольта.

Ионизационный потенциал – одно из употребительных и простых понятий.

Но с ионизацией происходящей в живом организме все происходит гораздо

сложнее, хотя она и обуславливает обменные процессы живого организма.

Сложность состоит в том, что значение биопотенциала в причудливо

организованных молекулах живого организма иногда весьма мало – не превышает

сотых долей эВ, а электрон-вольт сам по себе очень малая величина. И

измерять столь ничтожную энергию связи крайне сложно.

В биологических системах электроны имеют минимальные значения

энергии, когда они связаны с кислородом в молекуле воды. С энергетической

точки зрения вода – основа жизни всего организма. Поэтому можно принять ее

ионизационный потенциал за исходный и вести отсчет энергии от него.

Относительно значения ионизационного потенциала воды можно найти значения

потенциалов всех биологических соединений. Получится шкала ионизационных

потенциалов – её еще называют шкалой биопотенциалов. Под ионизационным

потенциалом понимают энергию того электрона, у которого энергия связи

минимальна.

Таким образом, биопотенциал – это ионизационный потенциал

биологических соединений, характеризуемый исключительно малым значением

энергии связи. Но взаимодействие между элементарными частицами на этих

уровнях энергии обуславливают макроявления, выражающиеся, в частности, в

суммарной биоэлектрической активности, при которой разность потенциалов

достигает единиц милливольт. Изменения же этой разности отображают

нормальные и патологические процессы, возникающие в организме. Разность

потенциалов свидетельствует о реакции организма на факторы внешней среды, а

«перемещение» электричества по организму – о временном последствии внешних

факторов.

Особенностью электрофизических свойств белковых и других биообъектов

является также огромная подвижность зарядоносителей. Результаты,

позволяющие установить это, получены путем применения к белковым

соединениям теории потенциального барьера.

По-видимому, в этом случае большое значение имеют углеродно-

кислородные и азотно-водородные связи. В такой системе водородных связей

возбужденный электрон посредством туннельного эффекта может проникать через

потенциальный барьер, а следовательно, мигрировать по всей системе белковой

молекулы. Это приводит к значительному суммарному смещению электрона и

обуславливает его подвижность, делая белковую систему высокопроводящей.

Организм и биоэлектрический ток

Особенности электрофизических явлений в биообъектах позволяют

утверждать, что носителями зарядов в белках и других элементах живого

организма являются ионы, которые в совокупности с системой электронно-

дырочной проводимости создают единую, присущую только живому организму

проводимость. При увеличении количества воды зарядоносителями могут

преимущественно быть протоны, в высушенных белках – преимущественно

электроны. Но установлено, что включенное в состав белка некоторое

количество вещества, содержащего хлор, названного хлорамином, играет роль

акцептора. Оно повышает собственную проводимость белка в миллион раз, но

добавление вместо него некоторого количества воды уменьшает проводимость в

10 раз.

Наряду с белками в организме важную роль играют нуклеиновые кислоты.

По своей структуре, водородным связям и другим элементам они отличаются от

белковых соединений, но имеют аналоги среди небиологических веществ

(графит). Для них характерны общие электрофизические свойства белковых

соединений. Так энергия связи находится в пределах 2,5 эВ. Удельная

проводимость велика, но на несколько порядков меньше проводимости белков.

Несколько ниже и подвижность зарядоносителей. Но в целом электрофизические

характеристики и явления, их вызывающие, имеют общие закономерности с

аналогичными характеристиками белков.

Нуклеиновые кислоты обладают присущими только им свойствами. Удалось

установить, что нуклеиновые 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 раз подтвердило наличие и у этих веществ пока

не характеризуемо точно специфической проводимости.

Постоянно изменяющееся возбужденное их состояние оказывает

специфическое влияние на подвижность и движение электронов и ионов в живом

организме.

Сказанное, прежде всего, относится к нервной ткани, и особенно к

центральной нервной системе. Только сложностью такого наложения и

совмещения биоэлектрофизических явлений можно объяснить исключительно малую

скорость распространения ответных реакций организма на воздействие

некоторых факторов окружающей среды. Именно малая скорость защитных реакций

и объясняет, почему столь микроскопическая доза яда как 0,0000007 мг, может

погубить человека при ботулизме.

Электрическая активность мозга оценивается импульсами напряжения

различной частоты и спектральной плотности биопотенциалов. После изучения

ритмов (импульс в секунду) нескольких тысяч людей, животных была получена

следующая закономерность:

Дельта-ритм…………0,5 – 0,3

Тета-ритм……………4 – 7

Альфа-ритм………….8 – 13

Бета-ритм……………14 – 35

Гамма-ритм………….35 – 55

Амплитуда этих импульсов находиться в пределах 500 мкВ. Получить

такие импульсы от зарядоносителей только ионного типа невозможно.

Электрохимические источники тока инерционны. Таких изменений электрических

величин во времени, даже при малых амплитудах ионной проводимости

непосредственно не получится. Это уже может быть отнесено к прямым

доказательствам наличия в мозгу и нервной системе в целом электронного

движения зарядоносителей.

И не случайно эффективность метода дефибрилляции сердца связывают с

формой кривой импульса подаваемого напряжения, а также его спектральной

плотностью. Таким образом, при дефибрилляции происходит упорядочение,

восстановление присущего всему живому движения зарядоносителей –

восстановление электропроводимости.

Авторы дефибрилляционного метода восстановления предполагают, что при

подаче напряжения на электроды, наложенные на область сердца, импульсы

будут действовать непосредственно на сердечную мышцу. Не отрицая

возможности такого положения, необходимо добавить, что имеет место также

воздействие импульсов на сердце через центральную нервную систему, по

которой импульс тока достигает жизненно важных регулирующих центров нервной

системы. Нервная система обладает значительно большей проводимостью, чем

мышечная ткань и система кровообращения; она взаимодействует со всем, что

обуславливает жизнедеятельность, намного опережая другие системы организма

по быстроте реакции на любой, и в первую очередь электрический

раздражитель. Таким образом, доминирующим в процессе восстановления

последовательности сокращения сердца лежит восстановление специфического

движения зарядоносителей, присущего живому.

Далее, уже давно обнаружено резкое изменение сопротивления по

действием внезапных раздражающих факторов. Например, при испуге, резкой

вспышке света, взрыве сопротивление тела человека резко уменьшается. При

этом восстановление сопротивления к его первоначальному уровню происходит

довольно медленно, при этом наблюдается зависимость от характера

раздражения. Если бы тело человека обладало только ионной проводимостью

электролита, т.е. проводимостью, связанной с переносом вещества, то процесс

изменения электрического сопротивления проходил бы гораздо медленнее.

Быстрое изменение сопротивления может объясниться только наличием в

«суммарном» электрического сопротивлении сопротивления, обусловленного той

или иной электронной проводимости. Новые достижения электротехники

Страницы: 1, 2, 3