Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных достаточно много исследовалось. Наблюдаемые при этом эффекты, если они и возникают, до сих пор не ясны и трудно поддаются определению, поэтому эта тема остается по-прежнему актуальной.

Магнитные поля на нашей планете имеют двоякое происхождение - естественное и антропогенное. Естественные магнитные поля, так называемые магнитные бури, зарождаются в магнитосфере Земли. Антропогенные магнитные возмущения охватывают меньшую территорию, чем природные, зато их проявление значительно интенсивнее, а следовательно, приносит и более ощутимый ущерб. В результате технической деятельности человек создает искусственные электромагнитные поля, которые в сотни раз сильнее естественного магнитного поля Земли. Источниками антропогенных излучений являются: мощные радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные средства, линии электропередачи.

Частотный диапазон и длины волн некоторых источников электромагнитного излучения

Один из наиболее сильных возбудителей электромагнитных волн - токи промышленной частоты (50 Гц). Так, напряженность электрического поля непосредственно под линией электропередачи может достигать нескольких тысяч вольт на метр почвы, хотя из-за свойства снижения напряженности почвой уже при удалении от линии на 100 м напряженность резко падает до нескольких десятков вольт на метр.

Исследования биологического воздействия электрического поля обнаружили, что уже при напряженности 1 кВ/м оно оказывает неблагоприятное влияние на нервную систему человека, что в свою очередь ведет к нарушениям эндокринного аппарата и обмена веществ в организме (меди, цинка, железа и кобальта), нарушает физиологические функции: ритм сердечных сокращений, уровень кровяного давления, активность мозга, ход обменных процессов и иммунную активность.

Начиная с 1972 г. появились публикации, в которых рассматривалось влияние на людей и животных электрических полей с величинами напряженности более 10 кВ/м.

Напряженность магнитного поля пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию; напряженность электрического поля пропорциональна напряжению (заряду) и обратно пропорциональна расстоянию. Параметры этих полей зависят от класса напряжения, конструктивных особенностей и геометрических размеров высоковольтной ЛЭП. Появление мощного и протяженного источника электромагнитного поля приводит к изменению тех естественных факторов, при которых сформировалась экосистема. Электрические и магнитные поля могут индуцировать поверхностные заряды и токи в теле человека.

Исследования показали, что максимальный ток в теле человека, индуцированный электрическим полем, намного выше, чем ток, вызванный магнитным полем. Так, вредное воздействие магнитного поля проявляется лишь при его напряженности около 200 А/м, что бывает на расстоянии 1-1,5 м от проводов фазы линии и опасно только для обслуживающего персонала при работах под напряжением. Это обстоятельство позволило сделать вывод об отсутствии биологического влияния магнитных полей промышленной частоты на людей и животных, находящихся под ЛЭП Таким образом, электрическое поле ЛЭП является главным биологически действенным фактором протяженной электропередачи, который может оказаться барьером на пути миграции движения разных видов водной и сухопутной фауны.

Силовые линии электрического и магнитного полей воздействующих на человека, стоящего под воздушной линией электропередачи переменного тока

Исходя из конструктивных особенностей электропередачи (провисания провода) наибольшее влияние поля проявляется в середине пролета, где напряженность для линий сверх - и ультравысокого напряжения на уровне роста человека составляет 5 - 20 кВ/м и выше в зависимости от класса напряжения и конструкции линии.

У опор, где высота подвеса проводов наибольшая и сказывается экранирующее влияние опор, напряженность поля наименьшая. Так как под проводами ЛЭП могут находиться люди, животные, транспорт, то возникает необходимость оценки возможных последствий длительного и кратковременного пребывания живых существ в электрическом поле различной напряженности.

Наиболее чувствительны к электрическим полям копытные животные и человек в обуви, изолирующей его от земли. Копыто животных также является хорошим изолятором. Наведенный потенциал в этом случае может достигать 10 кВ, а импульс тока через организм при касании к заземленному предмету (ветке куста, травинке) 100 - 200 мкА. Такие импульсы тока безопасны для организма, но неприятные ощущения заставляют копытных животных избегать трассы высоковольтных ЛЭП в летнее время.

В действии электрического поля на человека доминирующую роль играют протекающие через его тело токи. Это определяется высокой проводимостью тела человека, где преобладают органы с циркулирующей в них кровью и лимфой.

В настоящее время экспериментами на животных и людях-добровольцах установлено, что плотность тока проводимостью 0,1 мкА/см и ниже не влияет на работу мозга, так как импульсные биотоки, обычно протекающие в мозгу, существенно превышают плотность такого тока проводимости.

При плотностью тока проводимостью 1 мкА/см в глазах человека наблюдается мелькание световых кругов, более высокие плотности токов уже захватывают пороговые значения стимуляции сенсорных рецепторов, а также нервных и мышечных клеток, что ведет к появлению испуга, непроизвольным двигательным реакциям.

В случае касания человека к изолированным от земли объектам в зоне электрического поля значительной интенсивности, плотность тока в зоне сердца сильно зависит от состояния «подстилающих» условий (вида обуви, состояния почвы и т. д.), но уже может достигать этих величин.

При максимальном токе, соответствующем Еmах == 15 кВ/м (6,225 мА), известной доле этого тока, втекающего через область головы (около 1/3), и площади головы (около 100 см) плотность тока<0,1 мкА/см, что и подтверждает допустимость принятой напряженности 15 кВ/м под проводами воздушной линии.

Для здоровья человека проблема состоит в определении связи между плотностью тока, наведенного в тканях, и магнитной индукцией внешнего поля, В. Вычисление плотности тока

осложняется тем, что его точный путь зависит от распределения проводимости у в тканях тела.

Так, удельную проводимость мозга определяют у=0,2 см/м, а сердечной мышцы у=0,25 см/м. Если принять радиус головы 7,5 см, а сердца 6 см, то произведение yR получается одинаковым в обоих случаях. Поэтому можно давать одно представление для плотности тока на периферии сердца и мозга.

Определено, что безопасная для здоровья магнитная индукция составляет около 0,4 мТл при частоте 50 или 60 Гц. В магнитных полях (от 3 до 10 мТл, f =10 - 60 Гц) наблюдалось возникновение световых мерцаний, аналогичных тем, которые возникают при надавливании на глазное яблоко.

Плотность тока, индуцированного в теле человека электрическим полем с величиной напряженности Е, вычисляется таким образом:

c различными коэффициентами к для области мозга и сердца.

Значение к=3-10 -3 см/Гцм.

По данным немецких ученых напряженность поля, при которой вибрацию волос ощущают 5% испытуемых мужчин, составляет 3 кВ/м и для 50% мужчин, подвергшихся испытаниям, она равна 20 кВ/м. В настоящее время отсутствуют данные о том, что ощущения, вызванные действием поля, создают какое-либо неблагоприятное влияние. Что касается связи плотности тока с биологическим влиянием, то можно выделить четыре области, представленные в таблице.

Последняя область значения плотности тока относится к временам воздействия порядка одного сердечного цикла, т. е. приблизительно 1 с для человека Для более коротких экспозиций пороговые значения выше. Для определения порогового значения напряженности поля были выполнены физиологические исследования на людях в лабораторных условиях при напряженности от 10 до 32 кВ/м. Установлено, что при напряженности 5 кВ/м 80% людей не испытывают болевых ощущений при разрядах в случае касания заземленных предметов. Именно эта величина была принята в качестве нормативной при работах в электроустановках без применения средств защиты.

Зависимость допустимого времени пребывания человека в электрическом поле с напряженностью Е более порогового аппроксимируется уравнением

Выполнение этого условия обеспечивает самовосстановление физиологического состояния организма в течение суток без остаточных реакций и функциональных или патологических изменений.

Ознакомимся с основными результатами исследований биологических влияний электрических и магнитных полей, проведенных советскими и зарубежными учеными.

Влияние электрических полей на персонал

Во время исследований на верхней части предплечья каждого рабочего закрепляли интегрирующий дозиметр. Установлено, что у рабочих на высоковольтных линиях среднее значение дневной экспозиции составило от 1,5 кВ/(м-ч) до 24 кВ/(м-ч). Максимальные значения отмечены в очень редких случаях. Из полученных данных исследования можно сделать вывод об отсутствии заметной взаимосвязи между экспозицией в полях и общим состоянием здоровья людей.

Электростатическое влияние на волосяной покров человека и животных

Исследования проводились в связи с гипотезой о том, что влияние поля, ощущаемое поверхностью кожи, вызвано действием электростатических сил на волосы. В результате получено, что при напряженности поля в 50 кВ/м испытуемый ощущал зуд, связанный с вибрацией волос, что зарегистрировано специальными приборами.

Влияние электрического поля на растения

Опыты проводились в специальной камере в неискаженном поле с напряженностью от 0 до 50 кВ/м. Было выявлено небольшое повреждение ткани листьев при экспозиции от 20 до 50 кВ/м, зависящее от конфигурации растения и первоначального содержания влаги в нем. Омертвление ткани наблюдалось в частях растений с острыми краями. Толстые, с гладкой закругленной поверхностью растения не повреждались при напряженности 50 кВ/м. Повреждения являются следствием короны на выступающих частях растений. У наиболее слабых растений повреждения наблюдались уже через 1 - 2 ч после экспозиции. Важно, что у сеянцев пшеницы, имеющих очень острые концы, корона и повреждения были заметны при сравнительно низкой напряженности, равной 20 кВ/м. Это был самый низкий порог появления повреждений в исследованиях.

Наиболее вероятный механизм повреждения ткани растений - тепловой. Поражение ткани появляется тогда, когда напряженность поля становится достаточно высокой, чтобы вызвать коронирование, и через кончик листка течет ток короны высокой плотности. Тепло, выделяемое при этом на сопротивлении ткани листа, приводит к гибели узкого слоя клеток, которые сравнительно быстро теряют воду, высыхают и сжимаются. Однако этот процесс имеет предел и процент высохшей поверхности растения невелик.

Влияние электрического поля на животных

Исследования проводились по двум направлениям: изучение на уровне биосистемы и изучение порогов обнаруженных влияний. Среди цыплят, помещенных в поле с напряженностью 80 кВ/м, отмечалась прибавка массы, жизнеспособность, низкая смертность. Порог восприятия поля измерялся на домашних голубях. Было показано, что голуби обладают каким-то механизмом для обнаружения электрических полей малой напряженности. Генетических изменений не наблюдалось. Отмечено, что животные, пребывающие в электрическом поле большой напряженности, могут испытывать мини-шок из-за посторонних факторов, зависящих от условий эксперимента, которые могут привести к некоторому беспокойству и возбуждению испытываемых.

В ряде стран имеются нормативные документы, ограничивающие предельные значения напряженности поля в зоне трасс воздушных ЛЭП. Максимальная напряженность 20 кВ/м была рекомендована в Испании, и такое же значение рассматривается в настоящее время как предельное в Германии.

Общественная осведомленность о влиянии электромагнитного поля на живые организмы продолжает расти, и некоторый интерес и беспокойство в связи с этим влиянием будут приводить к продолжению соответствующих медицинских исследований, особенно на людях, проживающих вблизи воздушных линий электропередачи.

Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных достаточно много исследова­лось. Наблюдаемые при этом эффекты, если они и возника­ют, до сих пор не ясны и трудно поддаются определению, поэтому эта тема остается по-прежнему актуальной.

Магнитные поля на нашей планете имеют двоякое проис­хождение- естественное и антропогенное. Естественные маг­нитные поля, так называемые магнитные бури, зарождаются в магнитосфере Земли. Антропогенные магнитные возмуще­ния охватывают меньшую территорию, чем природные, зато их проявление значительно интенсивнее, а следовательно, приносит и более ощутимый ущерб. В результате технической деятельности человек создает искусственные электромагнит­ные поля, которые в сотни раз сильнее естественного магнит­ного поля Земли. Источниками антропогенных излучений являются: мощные радиопередающие устройства, электрифици­рованные транспортные средства, линии электропередачи (рис. 2.1).

Один из наиболее сильных возбудителей электромагнит­ных волн-токи промышленной частоты (50 Гц). Так, на­пряженность электрического поля непосредственно под лини­ей электропередачи может достигать нескольких тысяч вольт на метр почвы, хотя из-за свойства снижения напряженности почвой уже при удалении от линии на 100 м напряженность резко падает до нескольких десятков вольт на метр.

Исследования биологического воздействия электрического поля обнаружили, что уже при напряженности 1 кВ/м оно оказывает неблагоприятное влияние на нервную систему чело­века, что в свою очередь ведет к нарушениям эндокринного аппарата и обмена веществ в организме (меди, цинка, желе­за и кобальта), нарушает физиологические функции: ритм сердечных сокращений, уровень кровяного давления, актив­ность мозга, ход обменных процессов и иммунную актив­ность.

Начиная с 1972 г. появились публикации, в которых рас­сматривалось влияние на людей и животных электрических полей с величинами напряженности более 10 кВ/м.

Напряженность магнитного поля пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию; напряженность электрического поля пропорциональна напряжению (заряду) и обратно пропорциональна расстоянию. Парамегры этих по­лей зависят от класса напряжения, конструктивных особен­ностей и геометрических размеров высоковольтной ЛЭП. По­явление мощного и протяженного источника электромагнит­ного поля приводит к изменению тех естественных факторов, при которых сформировалась экосистема. Электрические и магнитные поля могут индуцировать поверхностные заряды и токи в теле человека (рис. 2.2). Исследования показали,

что максимальный ток в теле человека, индуцированный этектрическим полем, намного выше, чем ток, вызванный магнитным полем. Так, вредное воздействие магнитного поля проявляется лишь при его напряженности около 200 А/м.чго бывает на расстоянии 1-1,5 м от проводов фазы линии и опасно только для обслуживающего персонала при работах под напряжением. Это обстоятельство позволило сделать вы^-вод об отсутствии биологического влияния магнитных полей промышленной частоты на людей и животных, находящихся под ЛЭП Таким образом, электрическое поле ЛЭП является главным биологически действенным фактором протяженной электропередачи, который может оказаться барьером на пу­ти миграции движения разных видов водной и сухопутной фауны.

Исходя из конструктивных особенностей электропередачи (провисания провода) наибольшее влияние поля проявляет­ся в середине пролета, где напряженность для линий сверх- и ультравысокого напряжения на уровне роста человека со­ставляет 5-20 кВ/м и выше в зависимости от класса напря­жения и конструкции линии (рис. 1.2). У опор, где высота подвеса проводов наибольшая и сказывается экранирующее влияние опор, напряженность поля наименьшая. Так как под проводами ЛЭП могут находиться люди, животные, тран­спорт, то возникает необходимость оценки возможных пос­ледствий длительного и кратковременного пребывания живых существ в электрическом поле различной напряженности. Наиболее чувствительны к электрическим полям копытные животные и человек в обуви, изолирующей его от земли. Копыто животных также является хорошим изолятором. На­веденный потенциал в этом случае может достигать 10 кВ, а импульс тока через организм при касании к заземленно­му предмету (ветке куста, травинке) 100-200 мкА. Такие импульсы тока безопасны для организма, но неприятные ощущения заставляют копытных животных избегать трассы высоковольтных ЛЭП в летнее время .

В действии электрического поля на человека доминирую­щую роль играют протекающие через его тело токи. Это оп­ределяется высокой проводимостью тела человека, где преоб­ладают органы с циркулирующей в них кровью и лимфой. В настоящее время экспериментами на животных и людях-добровольцах установлено, что плотность тока проводимо­стью 0,1 мкА/см 2 и ниже не влияет на работу мозга, так как импульсные биотоки, обычно протекающие в мозгу, сущест­венно превышают плотность такого тока проводимости. При />1 мкА/см 2 в глазах человека наблюдается мелькание све­товых кругов, более высокие плотности токов уже захватыва­ют пороговые значения стимуляции сенсорных рецепторов, а также нервных и мышечных клеток, что ведет к появлению испуга, непроизвольным двигательным реакциям. В случае касания человека к изолированным от земли объектам в зо­не электрического поля значительной интенсивности, плот­ность тока в зоне сердца сильно зависит от состояния «под­стилающих» условий (вида обуви, состояния почвы и т. д.), но уже может достигать этих величин. При максимальном токе, соответствующемЕтах ==l5 кВ/м (6,225 мА); известной доле этого тока, втекающе­го через область головы (около 1/3), и площади головы (около 100 см 2) плотность токаj <0,1 мкА/см 2 , что и под­тверждает допустимость принятой в СССР напряженности 15 кВ/м под проводами воздушной линии.

Для здоровья человека проблема состоит в определении связи между плотностью тока, наведенного в тканях, и маг­нитной индукцией внешнего поля, В. Вычисление плотности тока

осложняется тем, что его точный путь зависит от распределе­ния проводимости у в тканях тела.

Так, удельную проводимость мозга определяют =0,2 см/м, а сердечной мышцы==0,25 см/м. Если принять радиус головы 7,5 см, а сердца 6 см, то произведение R по­лучается одинаковым в обоих случаях. Поэтому можно да­вать одно представление для плотности тока на периферии сердца и мозга.

Определено, что безопасная для здоровья магнитная ин­дукция составляет около 0,4 мТл при частоте 50 или 60 Гц. В магнитных полях (от 3 до 10 мТл; f =10-60 Гц) наблю­далось возникновение световых мерцаний, аналогичных тем, которые возникают при надавливании на глазное яблоко.

Плотность тока, индуцированного в теле человека элект­рическим полем с величиной напряженности Е, вычисляется таким образом:

с различными коэффициентами k для области мозга и серд­ца. Значениеk =3  10 -3 см/Гцм. По данным ученых ФРГ напряженость поля, при которой вибрацию волос ощущают 5% испытуемых мужчин, составляет 3 кВ/м и для 50% муж­чин, подвергшихся испытаниям, она равна 20 кВ/м. В насто­ящее время отсутствуют данные о том, что ощущения, выз­ванные действием поля, создают какое-либо неблагоприятное влияние. Что касается связи плотности тока с биологическим влиянием, то можно выделить четыре области, представлен­ные в табл. 2.1

Последняя область значения плотности тока относится к временам воздействия порядка одного сердечного цикла, т. е. приблизительно 1 с для человека Для более коротких экс­позиций пороговые значения выше. Для определения порогового значения напряженности по­ля были выполнены физиологические исследования на людях в лабораторных условиях при напряженности от 10 до 32 кВ/м. Установлено, что при напряженности 5 кВ/м 80%

Таблица 2.1

людей не испытывают болевых ощущений при разрядах в случае касания заземленных предметов. Именно эта величи­на была принята в качестве нормативной при работах в электроустановках без применения средств защиты. Зависи­мость допустимого времени пребывания человека в электри­ческом поле с напряженностью Е более порогового аппрокси­мируется уравнением

Выполнение этого условия обеспечивает самовосстановле­ние физиологического состояния организма в течение суток без остаточных реакций и функциональных или патологичес­ких изменений.

Ознакомимся с основными результатами исследований биологических влияний электрических и магнитных полей, проведенных советскими и зарубежными учеными .

Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.

Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.

Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».

Характеристики атмосферного электричества

Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).

Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.

Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).

Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).

Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).

Откуда берется потенциал электрического поля Земли?

Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?

Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.

Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.

Молнии

Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).

Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.

Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.

Глобальный конденсатор

В природе существует совершенно уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — атмосферный электрический потенциал.

Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (Рис.1).

Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.

А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли , которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.

Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.

Подключиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере — является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.

Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.

Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Fкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.

Проводник в электрическом поле

Установим на поверхности Земли металлическую мачту и заземлим ее. Внешнее электрическое поле моментально начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.

Так работают законы электростатики.

Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м.

Тогда разность потенциалов (э.д.с.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна: U = h * Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт. (1)

Это — совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э.д.с., как и в мачте, и вольтметр покажет 0. Эта разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности Е электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, электроны не могут покинуть проводник. У электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.

Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник?

Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты. Значит, по мачте потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхушки мачты, в ней постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать мачту в любом, удобном нам месте и включить туда нагрузку (потребитель энергии) — и электростанция готова.

На рис.3 показана принципиальная схема такой электростанции. Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.

Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии (нагрузку). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхушки мачты?

Конструкция эмиттера

Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла с множеством иголок, расположенных по его окружности. Он «насажен» на вертикальную ось и приведен во вращение.

При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла.

Электростанция с подобным эмиттером уже существует. Правда, ее энергию никто не использует, с нею борются.
Это — вертолет, несущий на длинном металлическом стропе металлическую конструкцию при монтаже высоких строений. Здесь есть все элементы электростанции, изображенной на рис.3, за исключением потребителя энергии (нагрузки). Эмиттером являются лопасти винтов вертолета, которые обдуваются потоком влажного воздуха, мачтой служит длинный стальной строп с металлической конструкцией. И рабочие, которые устанавливают эту конструкцию на место, прекрасно знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя — «ударит током». И дейсвительно, они в этот момент становятся нагрузкой в цепи электростанции.

Безусловно, возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, сложные, основанные на разных принципах и физических эффектах см. рис. 4-5.

Эмиттера в виде готового изделия сейчас не существует. Каждый заинтересованный в этой идее вынужден самостоятельно сконструировать себе свой эмиттер.

В помощь таким творческим людям автор приводит ниже свои соображения по конструкции эмиттера.

Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров.

Первый вариант исполнения эмиттера

Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Эмиттер представляет собой щелевое сопло, вдоль которого помещен изолированный электрод А и на который подается положительный потенциал от источника И. Электрод А и острые края сопла образуют небольшую заряженную емкость. Свободные электроны собираются на острых краях сопла под воздействием положительного изолированного электрода А. Проходящий через сопло пар срывает электроны с краев сопла и уносит их в атмосферу. На рис. 4 изображено продольное сечение этой конструкции. Поскольку электрод А изолирован от внешней среды, тока в цепи источника э.д.с. нет. И этот электрод нужен здесь только для того, чтобы вместе с острыми краями сопла создать в этом промежутке сильное электрическое поле и концентрировать электроны проводимости на краях сопла. Таким образом, электрод А с положительным потенциалом является своего рода активирующим электродом. Меняя на нем потенциал, можно добиться нужной величины силы тока эмиттера.

Возникает очень важный вопрос — сколько пара нужно подавать через сопло и не получится ли так, что всю энергию станции придется израсходовать на превращение воды в пар? Проведем небольшой подсчет.

В одной граммолекуле воды (18 мл) содержится 6,02 * 1023 молекул воды (число Авогадро). Заряд одного электрона равен 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемножив эти величины, получим, что на 18 мл воды можно разместить 96 000 Кулонов электрического заряда, а на 1 литре воды — более 5 000 000 Кулонов. А это значит, что при токе 100 А одного литра воды хватит для работы установки в течение 14 часов. Для превращения в пар такого количества воды потребуется совсем небольшой процент вырабатываемой энергии.

Конечно, прицепить к каждой молекуле воды электрон — задача вряд ли выполнимая, но мы здесь определили предел, к которому можно постоянно приближаться, совершенствуя конструкцию устройства и технологии.

Кроме того, расчеты показывают, что энергетически выгоднее продувать через сопло не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах.

Второй вариант исполнения эмиттера

На вершине мачты установлен металлический сосуд с водой. Сосуд соединен с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена стеклянная капиллярная трубка. Уровень воды в трубке выше, чем в сосуде. Это создает электростатический эффект острия — в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля.

Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера.

В таком сосуде можно установить несколько капиллярных трубок. Сколько потребуется воды — расчеты см. выше.

Третий вариант исполнения эмиттера. Искровой эмиттер.

При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости.

На рис.5 показана принципиальная схема искрового эмиттера. От генератора высоковольтных импульсов отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные — на на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное автомобильной свече зажигания, но по устройству значительно проще.
Генератор высоковольтных импульсов принципиально мало чем отличается от обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки.

Главное достоинство такого устройства — возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр.

Генератор импульсов можно установить в любом удобном месте, совсем не обязательно на верхушке мачты.

Но существует один недостаток — искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, обязательно изолированной от мачты.

Четвертый вариант исполнения эмиттера

Еще одна возможность — создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов из материала эмиттера. Для этого нужен материал с очень низкой работой выхода электрона. Такие материалы существуют давно, например, паста из оксида бария-0,99 эв. Возможно, сейчас есть что-либо получше.

В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но по разным сообщениям он должен скоро появиться. Здесь вся надежда на нанотехнологии.

Достаточно поместить на верхушку мачты кусок КТСП — и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эв.)

И еще одно важное замечание. По законам электростатики иапряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях — на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие устройства лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений.

Еще хорошая идея — поднять проводник с помощью аэростата. Эмиттер, конечно, нужно устанавливать на верху аэростата. В таком случае можно получить достаточно большой потенциал для самопроизвольной эмиссии электронов из металла, придав ему форму отрия, и, значит, никаких сложных эмиттеров в этом случае не потребуется.

Существует еще одна хорошая возможность получить эмиттер. В промышленности применяется электростатическая окраска металла. Распыленная краска, вылетая из распылителя, несет на себе электрический заряд, в силу чего и оседает на окрашиваемый металл, на который подается заряд противоположного знака. Технология отработана.

Такое устройство, которое заряжает распыленную краску, как раз и является настоящим эмиттером эл. зарядов. Остается только приспособить его к описанной выше установке и заменить краску водой, если возникнет необходимомть в воде.

Вполне возможно, что влаги, всегда содержащейся в воздухе, будет достаточно для работы эмиттера.

Не исключено, что в промышленности существуют и другие подобные устройства, которые легко можно превратить в эмиттер.

Выводы

В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока. Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо). которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений.

Если мы создадим достаточно эффективный эмиттер, который сможет освобождать из верхушки мачты (или нескольких мачт), положим, 100 кулонов зарядов в секунду (100 ампер.), то мощность построенной нами электростанции будет равна 1000 000 ватт или 1 мегаватт. Вполне достойная мощность!

Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

Источник энергии является исключительно простым и удобным в использовании.

На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.

Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.

Установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации.

Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.

Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения.

В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.

Во время грозы эл.поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой.

Курилов Юрий Михайлович

ФИЗИКА

БИОЛОГИЯ

Растения и их электрический потенциал.

Выполнил: Маркевич В.В.

ГБОУ ООШ № 740 г. Москва

9 класс

Руководитель: Козлова Виолетта Владимировна

учитель физики и математики

г. Москва 2013

Содержание

Введение

1. Актуальность

   Цели и задачи работы

   Методы исследования

   Значимость работы

Анализ изученной литературы по теме «Электричество в жизни

растений»

1. Ионизация воздуха в помещении

Методика и техника исследования

1. Исследование токов повреждения у различных растений

   1. Эксперимент №1 (с лимонами)

      Эксперимент №2 (с яблоком)

      Эксперимент №3 (с листом растения)

Исследование влияния электрического поля на прорастание семян

1. Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян гороха

   Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян бобов

Выводы

Заключение

Литература

Глава 1Введение

«Как ни удивительны электрические явления,

присущие неорганической материи, они не идут

ни в какое сравнение с теми, которые связаны с

жизненными процессами».

Майкл Фарадей

В данной работе мы обращаемся к одному из самых интересных и перспективных направлений исследований – влиянию физических условий на растения.

Изучая литературу по данному вопросу, я узнал, профессору П. П. Гуляеву с помощью высокочувствительной аппаратуры удалось установить, что слабое биоэлектрическое поле окружает любое живое и еще точно известно: каждая живая клетка имеет свою собственную электростанцию. И клеточные потенциалы не так уж малы. Например, у некоторых водорослей они достигают 0,15 В.

«Если 500 пар половинок горошин собрать в определенном порядке в серии, то конечное электрическое напряжение составит 500 вольт… Хорошо, что повар не знает об опасности, которая ему угрожает, когда он готовит это особенное блюдо, и к счастью для него, горошины не соединяются в упорядоченные серии». Это высказывание индийского исследователя Дж. Босса базируется на строгом научном эксперименте. Он соединял внутренние и внешние части горошины с гальванометром и нагревал до 60°С. Прибор при этом показывал разность потенциалов 0,5 В.

Каким образом это происходит? На каком принципе работают живые генераторы и батареи? Заместитель заведующего кафедрой живых систем Московского физико-технического института кандидат физико-математических наук Эдуард Трухан считает, что один из самых главных процессов, протекающих в клетке растения, - процесс усвоения солнечной энергии, процесс фотосинтеза.

Так что, если в тот момент ученым удастся «растащить» положительно и отрицательно заряженные частицы в разные стороны, то, по идее, мы получим в свое распоряжение замечательный живой генератор, топливом для которого служили бы вода и солнечный свет, а кроме энергии, он бы еще производил и чистый кислород.

Возможно, в будущем такой генератор и будет создан. Но для осуществления этой мечты ученым придется немало потрудиться: нужно отобрать наиболее подходящие растения, а может быть, даже научиться изготавливать хлорофилловые зерна искусственно, создать какие-то мембраны, которые бы позволили разделять заряды. Оказывается, живая клетка, запасая электрическую энергию в природных конденсаторах – внутриклеточных мембранах особых клеточных образований, митохондрий, потом использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры… И это еще не все. С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит, движется, растет.

Актуальность

Уже сегодня можно утверждать: изучение электрической жизни растений несет пользу сельскому хозяйству. Еще И. В. Мичурин проводил опыты по влиянию электрического тока на прорастание гибридных сеянцев.

Предпосевная обработка семян – важнейший элемент агротехники, позволяющий повышать их всхожесть, а в конечном итоге – урожайность растений.А это особенно важно в условиях нашего не очень длинного и теплого лета.

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование наличия биоэлектрических потенциалов у растений и исследование влияния электрического поля на прорастание семян.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи :

Изучение основных положений, касающихся учения о биоэлектрических потенциалах и влияния электрического поля на жизнедеятельность растений.

Проведение экспериментов по обнаружению и наблюдению токов повреждения у различных растений.

Проведение экспериментов по наблюдению влияния электрического поля на прорастание семян.

Методы исследования

Для выполнения задач исследования используется теоретический и практический методы. Теоретический метод: поиск, изучение и анализ научной и научно-популярной литературы по данному вопросу. Из практических методов исследования используется: наблюдение, измерение, проведение экспериментов.

Значимость работы

Материал данной работы может быть использован на уроках физики и биологии, так как в учебниках этот важный вопрос не освещается. А методика проведения экспериментов – как материал для практических занятий элективного курса.

Глава 2Анализ изученной литературы

История исследования электрических свойств растений

Один из характерных признаков живых организмов – способность к раздражению.

Чарльз Дарвин придавал важное значение раздражимости растений. Он детально изучил биологические особенности насекомоядных представителей растительного мира, отличающихся высокой чувствительностью, и результаты исследований изложил в замечательной книге «О насекомоядных растениях», вышедшей в свет в 1875 году. Кроме того, внимание великого натуралиста привлекли различные движения растений. В совокупности все исследования наводили на мысль, что растительный организм удивительно схож с животным.

Широкое использование электрофизиологических методов позволило физиологам животных достичь значительного прогресса в этой области знаний. Было установлено, что в организмах животных постоянно возникают электрические токи (биотоки), распространение которых и приводит к двигательным реакциям. Ч. Дарвин предположил, что сходные электрические явления имеют место и в листьях насекомоядных растений, обладающих довольно сильно выраженной способностью к движению. Однако сам он не проверял эту гипотезу. По его просьбе эксперименты с растением Венерина мухоловка были проведены в 1874 году физиологом Оксфордского университета Бурданом Сандерсоном . Подсоединив лист этого растения к гальванометру, ученый отметил, что стрелка тотчас же отклонилась. Значит, в живом листе этого насекомоядного растения возникают электрические импульсы. Когда исследователь вызвал раздражение листьев, прикоснувшись к расположенным на их поверхности щетинкам, стрелка гальванометра отклонилась в противоположную сторону, как в опыте с мышцей животного.

Немецкий физиолог Герман Мунк , продолживший опыты, в 1876 году пришел к заключению, что листья венериной мухоловки в электромоторном отношении подобны нервам, мускулам и электрическим органам некоторых животных.

В России электрофизиологические методы были использованы Н. К. Леваковским для изучения явлений раздражимости у стыдливой мимозы. В 1867 году он опубликовал книгу под названием «О движении раздражимых органов растений». В экспериментах Н. К. Леваковского самые сильные электрические сигналы наблюдались в тех экземплярах мимозы , которые наиболее энергично отвечали на внешние раздражители. Если мимозу быстро убить нагреванием, то мертвые части растения не вырабатывают электрических сигналов. Возникновение электрических импульсов автор наблюдал также в тычинках бодяка и чертополоха, в черешках листьев росянки. Впоследствии было установлено, что

Биоэлектрические потенциалы в клетках растений

Жизнь растений связана с влагой. Поэтому электрические процессы в них наиболее полно проявляются при нормальном режиме увлажнения и затухают при увядании. Это связано с обменом зарядами между жидкостью и стенками капиллярных сосудов при протекании питательных растворов по капиллярам растений, а также с процессами обмена ионами между клетками и окружающей средой. Важнейшие для жизнедеятельности электрические поля возбуждаются в клетках.

Итак‚ нам известно‚ что…

Несомая ветром цветочная пыльца имеет отрицательный заряд ‚ приближающийся по величине к заряду пылинок при пылевых бурях. Вблизи теряющих пыльцу растений резко изменяется соотношение между положительными и отрицательными легкими ионами‚ что благоприятно сказывается на дальнейшем развитии растений.

В практике распыления ядохимикатов в сельском хозяйстве выяснено‚ что на свеклу и яблоню в большей мере осаждаются химикаты с положительным зарядом‚ на сирень - с отрицательным.

Одностороннее освещение листа возбуждает электрическую разность потенциалов между освещенными и неосвещенными его участками и черешком‚ стеблем и корнем. Эта разность потенциалов выражает реакцию растения на изменения в его организме‚ связанные с началом или прекращением процесса фотосинтеза.

Прорастание семян в сильном электрическом поле (например‚ вблизи коронирующего электрода) приводит к изменениям высоты и толщины стебля и густоты кроны развивающихся растений. происходит это в основном благодаря перераспределению в организме растения под влиянием внешнего электрического поля объемного заряда.

Поврежденное место в тканях растений всегда заряжается отрицательно относительно неповрежденных участков‚ а отмирающие участки растений приобретают отрицательный заряд по отношению к участкам‚ растущим в нормальных условиях.

Заряженные семена культурных растений имеют сравнительно высокую электропроводность и поэтому быстро теряют заряд. Семена сорняков ближе по своим свойствам к диэлектрикам и могут сохранять заряд длительное время. Это используется для отделения на конвейере семян культурных растений от сорняков.

Значительные разности потенциалов в организме растений возбуждаться не могут ‚ поскольку растения не имеют специализированного электрического органа. Поэтому среди растений не существует «древа смерти»‚ которое могло бы убивать живые существа своей электрической мощностью.

Влияние атмосферного электричества на растения

Одна из характерных особенностей нашей планеты – наличие постоянного электрического поля в атмосфере. Человек не замечает его. Но электрическое состояние атмосферы не безразлично для него и других живых существ, населяющих нашу планету, включая растения. Над Землей на высоте 100-200 км, существует прослойка из положительно заряженных частиц – ионосфера.
Значит, когда идешь по полю, улице, скверу, то движешься в электрическом поле, вдыхаешь электрические заряды .

Влияние атмосферного электричества на растения исследовалось с 1748 года многими авторами. В этом году аббат Нолет сообщал об экспериментах, в которых он электризовал растения, поместив их под заряженные электроды. Он наблюдал ускорение прорастания и роста. Грандиеу (1879) наблюдал, что растения, которые не подвергались влиянию атмосферного электричества, так как были помещены в проволочный сеточный заземленный ящик, показали уменьшение веса на 30 – 50% по сравнению с контрольными растениями.

Лемстрем (1902) подвергал растения действию ионов воздуха, располагая их под проволокой, снабженной остриями и подключенной к источнику высокого напряжения (1 м над уровнем земли, ток ионов 10 -11 – 10 -12 А/см 2 ), и он нашел увеличение в весе и длине больше, чем на 45% (например, морковь, горох, капуста).

Тот факт, что рост растений ускорялся в атмосфере с искусственно увеличенной концентрацией положительных и отрицательных малых ионов недавно подтвердился Круегером и его сотрудниками. Они нашли, что семена овса реагировали на положительные, а также отрицательные ионы (концентрация около 10 4 ионов/см 3 ) увеличением на 60% общей длины и увеличением свежего и сухого веса на 25-73%. Химический анализ надземных частей растений обнаружил увеличение содержание протеина, азота и сахара. В случае ячменя имело еще большее увеличение (приблизительно на 100%) в общем удлинении; увеличение в свежем весе не было большим, но существовало заметное увеличение в сухом весе, которое сопровождалось соответствующим увеличением содержания протеина, азота и сахара.

Эксперименты с семенами растений также проводил Ворден. Он нашел, что прорастание зеленых бобов и зеленого горошка становилось более ранним при увеличении уровня ионов любой полярности. Конечное процентное отношение проросших семян было более низким при отрицательной ионизации по сравнению с контрольной группой; прорастание в положительно ионизированной группе и контрольной было одинаковым. По мере роста сеянцев контрольные и положительно ионизированные растения продолжали свой рост, в то время как растения, подвергавшиеся отрицательной ионизации, в большинстве чахли и погибали.

Влияние в последние годы произошло сильное изменение электрического состояния атмосферы; различные районы Земли стали отличаться друг от друга по ионизированному состоянию воздуха, которое обусловлено его запыленностью, загазованностью и т.д. Электрическая проводимость воздуха – чуткий индикатор его чистоты: чем больше в воздухе посторонних частиц, тем больше число ионов оседает на них и, следовательно, меньше становится электропроводимость воздуха.
Так, в Москве в 1 см 3 воздуха содержится 4 отрицательных заряда, в Санкт-Петербурге – 9 таких зарядов, в Кисловодске, где эталон чистоты воздуха – 1,5 тыс. частиц, а на юге Кузбасса в смешанных лесах предгорья количество этих частиц доходит до 6 тысяч. Значит, где больше отрицательных частиц, там легче дышится, а где пыль – человеку достается их меньше, так как пылинки оседают на них.
Хорошо известно, что возле быстро текущей воды воздух освежает и бодрит. В нем много отрицательных ионов. Еще в XIX веке было определено, что более крупные капли в брызгах воды заряжены положительно, а капли поменьше – отрицательно. Поскольку большие капли оседают быстрее, в воздухе остаются отрицательно заряженные маленькие капельки.
Наоборот, воздух в тесных помещениях с обилием разного рода электромагнитных приборов насыщен положительными ионами. Даже сравнительно непродолжительное нахождение в таком помещении приводит к заторможенности, сонливости, головокружениям и головным болям.

Глава 3Методика проведения исследования

Исследование токов повреждения у различных растений.

Инструменты и материалы

3 лимона, яблоко, помидор, лист растения;

3 блестящих медных монеты;

3 оцинкованных винта;

провода, желательно с зажимами на концах;

небольшой нож;

несколько клеящихся листочков;

низковольтный светодиод 300мВ;

гвоздь или шило;

мультиметр.

Эксперименты по обнаружению и наблюдению токов повреждения у растений

Техника выполнения эксперимента № 1. Ток в лимонах.

Прежде всего, помяли все лимоны. Это делается для того, чтобы внутри лимона появился сок.

Вкрутили в лимоны оцинкованный винт приблизительно на треть его длины. При помощи ножа осторожно вырезали в лимоне небольшую полосу - на 1/3 его длины. Вставили в щель в лимоне медную монету таким образом, чтобы половина ее осталась снаружи.

Вставили таким же образом винты и монеты в другие два лимона. Затем подключили провода и зажимы, соединили лимоны таким образом, чтобы винт первого лимона подключался к монете второго и т.д. Подключили провода к монете из первого лимона и винту из последнего. Лимон работает как батарейка: монета - положительный (+) полюс, а винт - отрицательный (-). К сожалению, это очень слабый источник энергии. Но его можно усилить, соединив несколько лимонов.

Подключили положительный полюс диода к положительному полюсу батареи, подключили отрицательный полюс. Диод горит!!!

Со временем напряжение на полюсах лимонной батареи уменьшится. Заметили, насколько хватит лимонной батареи. Через некоторое время лимон потемнел возле винта. Если удалить винт и вставить его же (или новый) в другое место лимона, то можно частично продлить срок работы батареи. Можно еще попробовать помять батарею, время от времени передвигая монеты.

Провели эксперимент с большим количеством лимонов. Диод стал светиться ярче. Батарея теперь работает дольше.

Использовали кусочки цинка и меди большего размера.

Взяли мультиметр, измерили напряжение батареи.

Техника выполнения эксперимента № 2. Ток в яблоках.

Яблоко разрезали пополам, удалили сердцевину.

Если оба электрода, отведенных к мультиметру, приложить к наружной стороне яблока (кожуре), мультиметр не зафиксирует разности потенциалов.

Один электрод перенесли во внутреннюю часть мякоти, и мультиметр отметит появление тока повреждения.

Проведем эксперимент с овощами - томатами.

Результаты измерений поместили в таблицу.

Один электрод на кожуре,

другой – в мякоти яблока

0,21 В

Электроды в мякоти разрезанного яблока

0‚05 В

Электроды в мякоти помидора

0‚02 В

Техника выполнения эксперимента № 3. Ток в срезанном стебле.

Отрезали лист растения со стеблем.

Измерили токи повреждения у срезанного стебля на различном расстоянии между электродами.

Результаты измерений поместили в таблицу.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

Исследование влияния электрического поля на прорастание семян.

Инструменты и материалы

семена гороха, бобов;

чашки Петри;

аэроионизатор;

часы;

вода.

Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян

Техника выполнения эксперимента №1

Ежедневно включали ионизатор на 10 минут.

Прорастание 8 семян

(5 не проросли)

10.03.09

Увеличение ростков

у 10 семян (3 не проросли)

Увеличение ростков

11.03.09

Увеличение ростков

у 10 семян (3 не проросли)

Увеличение ростков

12.03.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Прорастание 3 семян

(4 не проросли)

11.03.09

Увеличение ростков семян

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

12.03.09

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что прорастание семян более быстрое и успешное под действием электрического поля ионизатора.

Порядок выполнения эксперимента №2

Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

Ежедневно включали ионизатор на 20 минут.

Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

Прорастание 6 семян

Прорастание 9 семян

(3 не проросли)

19.03.09

Прорастание 2 семян

(4 не проросли)

Увеличение ростков семян

20.03.09

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

21.03.09

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Опытная чашка

(с обработанными семенами)

Контрольная чашка

15.03.09

Замачивание семян

Замачивание семян

16.03.09

Набухание семян

Набухание семян

17.03.09

Без изменений

Без изменений

18.03.09

Прорастание 3 семян

(5 не проросли)

Прорастание 4 семян

(4 не проросли)

19.03.09

Прорастание 3 семян

(2 не проросли)

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

20.03.09

Увеличение ростков

Прорастание 1 семени

(1 не проросло)

21.03.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что более длительное воздействие электрического поля отрицательно подействовало на прорастание семян. Они проросли позже и не столь успешно.

Порядок выполнения эксперимента №3

Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

Ежедневно включали ионизатор на 40 минут.

Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

Хронометраж опытов поместили в таблицах

Прорастание 8 семян

(4 не проросли)

05.04.09

Без изменений

Увеличение ростков

06.04.09

Прорастание 2 семян

(10 не проросли)

Увеличение ростков

07.04.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Без изменений

Прорастание 3 семян

(4 не проросли)

06.04.09

Прорастание 2 семян

(5 не проросли)

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

07.04.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что более длительное воздействие электрического поля отрицательно подействовало на прорастание семян. Прорастание их заметно понизилось.

ВЫВОДЫ

В любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

Электрический потенциал зависит от вида и размеров растений, от расстояния между электродами.

Обработка семян электрическим полем в разумных пределах приводит к ускорению процесса прорастания семян и более успешному их прорастанию .

После обработки и анализа экспериментальных и контрольных образцов можно сделать предварительный вывод – увеличение времени облучения электростатическим полем действуют угнетающе, так как качество прорастания семян ниже при увеличении времени ионизации.

Глава 4Заключение

В настоящее время вопросам влияния электрических токов на растения посвящены многочисленные исследования ученых. Влияние электрических полей на растения до сих пор еще тщательно изучается.

Исследования, выполненные в Институте физиологии растений, позволили установить зависимость между интенсивностью фотосинтеза и значением разности электрических потенциалов между землей и атмосферой. Однако еще не исследован механизм, лежащий в основе этих явлений.

Приступая к исследованию, мы ставили перед собой цель: определить влияние электрического поля на семена растений.

После обработки и анализа экспериментальных и контрольных образцов можно сделать предварительный вывод – увеличение времени облучения электростатическим полем действуют угнетающе. Мы считаем, что данная работа не закончена, так как получены только первые результаты.

Дальнейшие исследования по данному вопросу можно продолжить по следующим направлениям:

Повлияла ли обработка семян электрическим полем на дальнейший рост растений?

Глава 5ЛИТЕРАТУРА

Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. - М.: Наука, 1986. 144 с.

Воротников А.А. Физика – юным. – М: Харвест, 1995-121с.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М: Просвещение, 1971-158с.

Перельман Я.И. Занимательная физика. – М: Наука, 1976-432с.

Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. – М.: Агропромиздат, 1991.

Арабаджи В. И. Загадки простой воды.- М.: «Знание», 1973.

http ://www .pereplet .ru /obrazovanie /stsoros /163.html

http ://www .npl -rez .ru /litra /bios .htm

http:// www.ionization.ru