Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Когда рыба хочет применить импульсный разряд, она посылает в мембрану нервный импульс, под действием которого проницаемость мембраны меняется и она начинает пропускать ионы натрия. В результате разность потенциалов на поверхностях мембраны мгновенно меняется, и через нее начинают проходить заряженные частицы, то есть возникает электрический ток. И изменение разности потенциалов, и величина тока малы, но у рыбы может быть несколько тысяч электроцитов, соединенных последовательно (рис. 5.4а), поэтому результирующий потенциал и полный ток оказываются большими (если сопротивление клеток не слишком велико).

Рис. 5.4 / Задача 5.28.а) Ряд из пяти последовательно соединенных электроцитов. б) Три параллельно соединенных ряда таких клеток.

Полный ток должен выйти из одного конца рыбы (хвоста или головы), пройти через воду (и, возможно, через жертву, например человека), а затем войти в рыбу с другого конца. Однако, если в рыбе есть только один ряд электроцитов, этот большой ток оглушит или убьет саму рыбу. Чтобы такого не случилось, у рыбы имеются сотни рядов этих клеток, соединенных параллельно (рис. 5.4б), так что полный ток распределяется равномерно между этими рядами, поэтому ток, идущий по какому-то одному ряду клеток, не может навредить рыбе.

Электрические рыбы, живущие в соленой воде, отличаются строением от рыб, живущих в пресной воде, поскольку у соленой воды электрическое сопротивление гораздо меньше. Поэтому морским рыбам требуется гораздо меньше электроцитов в каждом ряду последовательно соединенных клеток для того, чтобы произвести достаточно сильный ток, убивающий или оглушающий добычу.

Так называемые слабоэлектрические рыбы не пытаются послать токовый импульс через окружающую воду. Их электроциты просто создают слабое электрическое поле в воде, которое играет роль зонда: рыбы очень чувствительны к величине этого поля и способны ощутить малейшее его изменение при попадании в него других объектов. Кроме того, они могут определенным образом изменять свое собственное поле, посылая коммуникационные сигналы другим рыбам того же вида.

Как проволочная изгородь может зарядиться электричеством, если ее обдувает ветер со снегом? Иногда длинная проволочная изгородь заряжается так сильно, что, если к ней притронуться, можно получить сильный удар, а в некоторых случаях она может даже оглушить.

Почему при сильном ветре, который несет с собой пыль и песок, например во время пыльной бури, торнадо или хамсина, некоторые материалы сильно заряжаются? В тех редких случаях, когда человеку удавалось заглянуть внутрь воронки торнадо и не только выжить, но и поделиться впечатлениями, он вспоминал, что все пространство внутри торнадо было залито мерцающим светом и прошито длинными перекрещивающимися разрядами.

Как в этих примерах происходит электризация?

ОТВЕТ •Процесс, при котором во время снежной бури электричеством заряжается снег, достаточно сложный, но кое-что мы об этом знаем. Если две нейтральные льдинки с разными температурами столкнутся, то они могут зарядиться, однако знак заряда в разных исследованиях оказывался разным — по-видимому, из-за разных условий столкновения. Если два кончика нейтральной льдинки имеют разные температуры, более теплый конец заряжается положительно, а более холодный — отрицательно. Поэтому если льдинка раскалывается при столкновении на части, два осколка оказываются разноименно заряженными. Таким образом, снег во время снежной бури может быть заряжен и, налетев на изгородь, может зарядить и ее.

Пыль, летящая по воздуху во время урагана, пыльной бури или торнадо, при контакте с землей или другими пылинками обычно заряжается. Контакта двух объектов достаточно, чтобы электроны с одного предмета перешли на другой. Зарядится ли пыль положительно или отрицательно, зависит от природы пылинок и состояния поверхности земли. В некоторых ситуациях пылинки теряют электроны, когда касаются земли и становятся положительно заряженными, в других получают электроны и становятся отрицательно заряженными. А уже в воздухе пылинки могут обмениваться зарядами при столкновениях.

Пыльные бури на Марсе гораздо более свирепы, чем на Земле, поэтому пыльный вихрь там может быть сильнее заряженным, но у заряда, который может нести пыльный вихрь, есть предел. Это легко объяснить: когда заряд увеличивается, увеличивается и электрическое поле на поверхности вихря. В конце концов оно становится таким большим, что поверхность начинает искрить, то есть разряжаться, и электроны начинают утекать с его поверхности. Когда условия, при которых может начаться искрение, уже достигнуты, любой дополнительный заряд, который пыльный вихрь приобретает при движении, уходит с искрой.

Заряд в торнадо образуется не только за счет пыли, которую оно поднимает, но и за счет электрических зарядов сопровождающей торнадо грозы. Поэтому вспышки света, которые очевидцы наблюдали в воронке торнадо, — это, скорее всего, разряды между заряженными сгустками пыли и обломками, которые унес торнадо. Кроме того, часть молний могут быть обычными грозовыми молниями. Старая гипотеза о том, что торнадо возникает, когда между облаками и землей начинает течь более-менее продолжительный ток, позже была опровергнута.

При извержениях вулканов, например японского вулкана Сакураяма, наблюдатели замечали вспыхивающие над кратером электрические разряды, которые освещали небо и сопровождались звуками, похожими на гром. Что вызывает такое звуковое и световое шоу?

ОТВЕТ •Разряды возникают из-за заряженных частиц, которые уносятся вверх с газом и пеплом, вырывающимися из кратера вулкана. В выбросах могут преобладать положительно заряженные частицы, но попадаются и кластеры отрицательно заряженных частиц. Эти разноименно заряженные области могут разряжаться друг на друга или на землю. При этом ток разряда может так сильно нагреть воздух, что он начинает расширяться быстрее скорости звука, и тогда возникнет ударная волна, которая дойдет до наблюдателя (надо надеяться, находящегося на безопасном расстоянии) в виде громкого хлопка.

Наличие заряженных частиц в выбросах вулкана можно объяснить несколькими эффектами.

1. Если вода попадает на расплавленную лаву, она мгновенно разбивается на капли, над лавой образуется слой пара, и капли воды начинают парить на этом слое, как на воздушной подушке — только на подушке из собственного пара ( эффект Лейденфроста ). Однако через какое-то время каждая большая капля расщепляется на маленькие заряженные капельки, которые уносятся вверх в атмосферу потоком горячего воздуха и водяного пара.