Экология жизни: 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.
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.
Электрический угорь (Источник: youtube)
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?
Угри этого вида, как и ряд других «электрифицированных» рыб воспроизводят электричество тем же образом, что и нервы с мышцами в организмах других животных, только для этого используются электроциты - специализированные клетки. Задача выполняется при помощи фермента Na-K-АТФазы (кстати, этот же фермент очень важен и для моллюсков рода наутилус (лат. Nautilus)).
Благодаря ферменту образуется ионный насос, выкачивающий из клетки ионы натрия, и закачивающий ионы калия. Калий выводится из клеток благодаря специальным белкам, входящих в состав мембраны. Они образуют своеобразный «калиевый канал», через который и выводятся ионы калия. Внутри клетки скапливаются положительно заряженные ионы, снаружи - отрицательно заряженные. Возникает электрический градиент.
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.
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на НАШ youtube канал Эконет.ру, что позволяет смотреть онлайн, видео об оздоровлении, омоложении человека. Любовь к окружающим и к себе, как чувство высоких вибраций - важный фактор
Разряд электрической батареи
По результатам исследования Кеннета Катания (Kenneth Catania) из Университета Вандербильта (США), угорь может использовать три типа разряда своего электрического органа. Первый, как и упоминалось выше - это серия низковольтных импульсов, которые служат для коммуникации и навигационных целей.
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.
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на НАШ youtube канал Эконет.ру, что позволяет смотреть онлайн, видео об оздоровлении, омоложении человека. Любовь к окружающим и к себе, как чувство высоких вибраций - важный фактор
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?
Из рыб на это способны около 250 видов. У большинства электричество - лишь средство навигации, как, например, в случае слоника нильского (Gnathonemus petersii).
Но электрический разряд чувствительной силы способны генерировать немногие рыбы. Это электрические скаты (ряд видов), электрический сом и некоторые другие.
Электрический сом (
Всем привет, я Маша Осетрова, и сегодня я немного расскажу вам про электричество в теле человека.
Сюжет о Викторе Франкенштейне, создавшем монстра из неживой материи, идейно восходит к проведенным в XVIII веке опытам Луиджи Гальвани, который заставил мышцы лягушки сокращаться под действием электрического тока. Его эксперименты вдохновили многих исследователей на изучение функций электричества в теле живых существ. На сегодняшний день ученые сильно продвинулись в этой области: придумали обезболивающие, выяснили, что заставляет наше сердце биться, что происходит в голове у влюбленных и многое другое.
Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами — натрия, калия, кальция и водорода — и одним отрицательным хлорид-аниона.
Второе важное различие связано с направлением движения частиц. Ток в электрической цепи течет вдоль проводника, в то время как распространению электрического импульса по нейрону способствует движение ионов в перпендикулярном направлении.
В книге «Искра жизни» Фрэнсис Эшкрофт собрала воедино имеющиеся на сегодняшний день знания об электрических токах в организме человека и процессах на клеточном и молекулярном уровне, управляющих передачей электрических импульсов.
В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов в 70 мВ, которую также называют потенциалом покоя. Изменение этого потенциала возможно при проходе заряженных частиц через мембрану внутрь и наружу клетки через специальные шлюзы — ионные каналы.
Для управления ионными каналами соседей нервные клетки выпускают в синаптическую щель — место контакта нейронов — специальные вещества, нейромедиаторы. Они специфично взаимодействуют с ионными каналами в мембране целевой клетки, подходя к определенному типу каналов как ключ к замку. В результате взаимодействия канал открывается, пропуская через себя ионы внутрь или наружу клетки. Направление движения частиц при этом зависит от концентрации ионов и распределения зарядов.
В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием потенциала покоя. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону: когда это происходит, генерируется нервный импульс.
Хотя потенциально нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.
Поддержание клеток в поляризованном состоянии жизненно важно для организма и крайне энергозатратно. Один лишь мозг использует около 10% вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток.
Наибольшее значение для генерации нервного импульса имеют калиевые и натриевые каналы. Это подчеркивает тот факт, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на них и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие токсины крайне специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов.
Разные яды имеют разный механизм действия: некоторые из них закупоривают ионные поры, а некоторые выступают в роли «распора», фиксируя канал в открытом состоянии. Это приводит к тому, что результатом проникновения в организм одних токсинов является паралич, а других — чрезмерное возбуждение, вызывающее судороги.
К примеру, яд тетродотоксин, содержащийся во внутренностях иглобрюха, которого японцы называют «рыба фугу», обладает специфичностью к натриевым каналам. Прочно закупоривая ионные поры, он препятствует нормальной передаче нервных импульсов, вызывая паралич и зачастую приводя к летальному исходу. Тем не менее, гурманы со всего мира регулярно рискуют жизнью, чтобы отведать фугу: при правильном приготовлении она перестает быть ядовитой, и лишь слегка покалывает небо.
Еще один токсин, ради эффекта которого люди готовы рискнуть — ботокс, используемый в косметических целях для разглаживания морщин. Ботокс, он же ботулотоксин — яд бактерий вида Clostridium botulinum , — один из самых сильных известных природных ядов. Он препятствует сокращению мышц и постепенно приводит к смерти от удушья. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, однако инъекции ботокса под кожу в ничтожных концентрациях способствуют избавлению от мимических морщин.
На этом все, читайте умные книги, не суйте пальцы в розетку и читайте портал «Чердак»! А в следующем выпуске я расскажу вам о том, как мы делаем ЭТО.
В то время, как человечество научилось вырабатывать и применять в своих целях электричество всего пару столетий тому, некоторые из братьев наших меньших от природы получили столь необычный дар. Еще с незапамятных времен отдельные обитатели водоемов удивляли людей своими загадочными способностями. Таких животных боялись или боготворили, а их возможности находили применение даже в медицине. Естественно, в природе применение “животного электричества” ограничивается исключительно самозащитой или охотой, хотя способности некоторых организмов до сих пор недостаточно изучены.
Пожалуй, самым известным представителем фауны, обладающим подобными возможностями, является электрический скат. Специальные органы, вырабатывающие электричество с напряжением от 8 до 220 вольт (в зависимости от вида), у них расположены по бокам. Они используются преимущественно для самообороны, чтобы на время оглушить и обездвижить врага, или же для охоты. Обычно после разряда скату необходима перезарядка, поэтому некоторое время они являются вполне безвредными. Сами они никогда не нападают на людей и не представляют собой угрозу жизни, но их разряды могут быть весьма болезненными. Самым известным представителем вида является атлантический мраморный скат Торпедо (Torpedo marmorata).
Еще одним жителем вод, одаренным подобными способностями, является электрический угорь. Обитает он в основном в реках Южной Америки и считается очень опасным для людей: если сила тока и не способна убить, то лишить сознания — запросто. Электрические органы покрывают большую часть его тела, поэтому и разряд, который они производят намного больше (напряжение до до 1300 В) и опаснее. Дополнительно эта рыба имеет электрический орган, играющий роль локатора.
Электрический сом обитает в тропических и субтропических областях Африки и относится к сильноэлектрическим рыбам. На его теле также расположены электрические органы, способные производить ток напряжением до 450 В. Упоминания о необычных способностях сома часто встречаются в летописных источниках и фольклоре народов этого региона.
Помимо вышеперечисленных представителей водного мира, вырабатывать и использовать ток в своих целях могут многочисленные бактерии. К примеру недавно ученые обнаружили на дне океана странные электрические потоки. Как выяснилось в ходе исследования, их происхождение связано с жизнедеятельностью неизвестного вида микроорганизмов. Эти одноклеточные живут колониями, соединяясь в цепочки и образуя живой электрический , способный передавать электрические импульсы на значительные расстояния. Это открытие интересно не только микробиологам, но и исследователям из других областей знания. Оно еще раз подтверждает и без того несомненное могущество и непредсказуемость природы.
Доминик Стэтхем
Фото ©depositphotos.com/Yourth2007
Electrophorus electricus ) обитает в темных водах болот и рек в северной части Южной Америки. Это таинственный хищник, обладающий сложной системой электролокации и способный перемещаться и охотиться в условиях низкой видимости. Используя «электрорецепторы» для определения искажений электрического поля, вызванных его собственным телом, он способен обнаруживать потенциальную жертву, сам при этом оставаясь незамеченным. Он обездвиживает жертву с помощью сильнейшего электрического шока, достаточно сильного, чтобы оглушить такое крупное млекопитающее, как лошадь, или даже убить человека. Своей удлиненной округлой формой тела угорь напоминает рыбу, которую мы обычно называем муреной (порядок Anguilliformes); однако принадлежит к другому порядку рыб (Gymnotiformes).Рыб, способных обнаруживать электрические поля, называют электрорецептивными , а способных генерировать мощное электрическое поле, таких как электрический угорь, называют электрогенными .
Как электрический угорь генерирует такое высокое электрическое напряжение?
Электрические рыбы – не единственные, кто способен генерировать электричество. Фактически все живые организмы делают это в той или иной мере. Мышцы нашего тела, к примеру, управляются мозгом с помощью электрических сигналов. Электроны, вырабатываемые бактериями, могут быть использованы для выработки электричества в топливных клетках, которые называются электроцитами. (см. таблицу ниже). И хотя каждая из клеток несет незначительный заряд, благодаря тому, что тысячи таких клеток собираются в серии, подобно батарейкам в фонарике, может быть выработано напряжение до 650 вольт (V). Если организовать эти ряды в параллели, можно получить электрический ток силой в 1Ампер (A), что дает электрический удар силой в 650 ватт (W; 1 W = 1 V × 1 A).
Каким образом угрю удается не оглушать самого себя электрическим током?
Фото:CC-BY-SA Steven Walling via Wikipedia
Ученые не знают точно, как ответить на этот вопрос, но результаты некоторых интересных наблюдений могут пролить свет на данную проблему. Во-первых, жизненно важные органы угря (например, мозг и сердце) расположены возле головы, вдалеке от органов, вырабатывающих электричество, и окружены жировой тканью, которая может действовать в виде изоляции. Кожа также имеет изолирующие свойства, поскольку, согласно результатам наблюдений, угри с поврежденной кожей более подвержены самооглушению электрическим ударом.
Во-вторых, наиболее сильные электрические удары угри способны наносить в момент спаривания, не нанося при этом вреда партнеру. Однако если удар такой же силы нанести другому угрю не во время спаривания, это может его убить. Это предполагает, что у угрей существует некая система защиты, которую можно включать и отключать.
Мог ли электрический угорь возникнуть в результате эволюции?
Очень трудно представить себе, как это могло бы произойти в ходе незначительных изменений, как того требует процесс, предложенный Дарвиным. В случае, если ударная волна была важной с самого начала, то вместо того, чтобы оглушить, она предупреждала бы жертву об опасности. Более того, чтобы в ходе эволюции выработать способность оглушать жертву, электрическому угрю пришлось бы одновременно вырабатывать и систему самозащиты. Каждый раз, когда возникала мутация, увеличивающая силу электрического удара, должна была возникать и другая мутация, улучшающая электроизоляцию угря. Кажется маловероятным то, что одной мутации было бы достаточно. К примеру, для того, чтобы передвинуть органы ближе к голове, понадобилось бы целая серия мутаций, которые должны были возникнуть одновременно.
Хотя немногие рыбы способны оглушать свою добычу, существует множество видов, использующих электричество низкого напряжения для навигации и общения. Электрические угри относятся к группе южно-американских рыб, известных под названием «ножетелки» (семейство Mormyridae), которые тоже используют электролокацию и, как считается, развили эту способность наряду со своими южно-американскими собратьями . Более того, эволюционисты вынуждены заявлять, что электрические органы у рыб эволюционировали независимо друг от друга восемь раз . Если учесть сложность их строения, поражает уже то, что эти системы могли развиться в ходе эволюции хотя бы один раз, не говоря уже о восьми.
Ножетелки из Южной Америки и химеровые из Африки используют свои электрические органы для определения местонахождения и коммуникации, и используют ряд различных видов электрорецепторов. В обеих группах есть виды, продуцирующие электрические поля разных сложных форм волны. Два вида ножетелок, Brachyhypopomus benetti и Brachyhypopomus walteri настолько похожи друг на друга, что их можно было бы отнести к одному виду, однако первый из них вырабатывает ток постоянного напряжения, а второй – ток переменного напряжения. Эволюционная история становится еще более примечательной, если копнуть еще глубже. Для того, чтобы их аппараты электролокации не мешали друг другу и не создавали помех, некоторые виды используют специальную систему, с помощью которой каждая из рыб меняет частоту электрического разряда. Примечательно, что эта система работает практически так же (используется такой же вычислительный алгоритм), как у стеклянной ножетелки из Южной Америки (Eigenmannia ) и африканской рыбы аба-аба (Gymnarchus ). Могла ли такая система устранения помех независимо развиться в ходе эволюции у двух отдельных групп рыб, обитающих на разных континентах?
Шедевр Божьего творения
Энергетический агрегат электрического угря затмил все творения человека своей компактностью гибкостью, мобильностью, экологической безопасностью и способностью к самовосстановлению. Все части этого аппарата идеальным образом интегрированы в лощеное тело, что дает угрю возможность плыть с большой скорость и проворством. Все детали его строения – от крохотных клеток, вырабатывающих электричество, до сложнейшего вычислительного комплекса, анализирующего искажения производимых угрем электрических полей, - указывают на замысел великого Создателя.
Как электрический угорь генерирует электричество? (научно-популярная статья)
Электрические рыбы генерируют электричество подобно тому, как это делают нервы и мышцы в нашем теле. Внутри клеток-электроцитов особые энзимные протеины под названием Na-K ATФаза выкачивают натриевые ионы через клеточную мембрану, и всасывают ионы калия. (‘Na’ – химический символ натрия, а ‘K’ – химический символ калия». ‘ATФ’ – аденозинтрифосфат – энергетическая молекула, используемая для работы насоса). Дисбаланс между ионами калия внутри и снаружи клетки приводит к возникновению химического градиента, который снова выталкивает ионы калия из клетки. Подобным образом, дисбаланс между ионами натрия порождает химический градиент, который затягивает ионы натрия обратно в клетку. Другие протеины, встроенные в мембрану, действуют в виде каналов для ионов калия, пор, позволяющих ионам калия покинуть клетку. По мере того, как ионы калия с позитивным зарядом накапливаются снаружи клетки, вокруг клеточной мембраны нарастает электрический градиент, при чем наружная часть клетки имеет более позитивный заряд, чем ее внутренняя часть. Насосы Na-K ATФазы (натрий-калиевой аденозинтрифосфатазы) построены таким образом, что они выбирают лишь один позитивно заряженный ион, иначе негативно заряженные ионы также стали бы перетекать, нейтрализуя заряд.
Большая часть тела электрического угря состоит из электрических органов. Главный орган и орган Хантера отвечают за выработку и накопление электрического заряда. Орган Сакса вырабатывает электрическое поле низкого напряжения, которое используется для электролокации.
Химический градиент действует таким образом, что выталкивает ионы калия, а электрический градиент втягивает их обратно. В момент наступления баланса, когда химические и электрические силы упраздняют друг друга, снаружи клетки будет находиться примерно на 70 милливольт больше позитивного заряда, чем внутри. Таким образом, внутри клетки оказывается негативный заряд в -70 милливольт.
Однако большее количество протеинов, встроенных в клеточную мембрану, обеспечивают каналы для ионов натрия – это поры, которые позволяют ионам натрия снова попадать в клетку. В обычном состоянии эти поры перекрыты, однако когда электрические органы активируются, поры раскрываются, и ионы натрия с позитивным зарядом снова поступают в клетку под воздействием градиента химического потенциала. В данном случае баланс достигается, когда внутри клетки собирается позитивный заряд до 60 милливольт. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 милливольт, и это составляет 130 mV или 0.13 V. Этот разряд происходит очень быстро, примерно за одну миллисекунду. И поскольку в серии клеток собрано примерно 5000 электроцитов, благодаря синхронному разряду всех клеток может вырабатываться до 650 вольт (5000 × 0.13 V = 650).
Насос Na-K ATФазы (натрий-калиевой аденазинтрифосфотазы). За каждый цикл два иона калия (K +) поступают в клетку, а три иона натрия (Na +) выходят из клетки. Этот процесс приводится в движение энергией АТФ молекул.
Глоссарий
Атом или молекула, несущий электрический заряд благодаря неравному количеству электронов и протонов. Ион будет иметь негативный заряд, если в нем содержится больше электронов, чем протонов, и позитивный заряд – если в нем содержится больше протонов, нежели электронов. Ионы калия (K +) и натрия (Na +) имеют позитивный заряд.
Градиент
Изменение какой-либо величины при перемещении от одной точки пространства к другой. Например, если вы отходите от костра, температура понижается. Таким образом, костер генерирует температурный градиент, уменьшающийся с расстоянием.
Электрический градиент
Градиент изменения величины электрического заряда. Например, если снаружи клетки содержится большее количество позитивно заряженных ионов, чем внутри клетки, электрический градиент будет проходить через клеточную мембрану. Благодаря тому, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, ионы будут двигаться таким образом, чтобы сбалансировать заряд внутри и снаружи клетки. Передвижения ионов из-за электрического градиента происходят пассивно, под воздействием электрической потенциальной энергии, а не активно, под воздействием энергии, поступающей из внешнего источника, например из АТФ-молекулы.
Химический градиент
Градиент химической концентрации. Например, если снаружи клетки содержится большее количество ионов натрия, чем внутри клетки, то химический градиент натриевого иона будет проходить через клеточную мембрану. Из-за произвольного движения ионов и столкновений между ними существует тенденция, что ионы натрия будут двигаться от более высоких концентраций к более низким концентрациям до тех пор, пока не будет установлен баланс, то есть пока по обе стороны мембраны не окажется одинаковое количество ионов натрия. Это происходит пассивно, в результате диффузии. Движения обусловлены кинетической энергией ионов, а не энергией, получаемой из внешнего источника, такого как АТФ молекула.
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.
