Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Самодельную батарейку можно собрать, воткнув в лимон цинковый штырек (гвоздь, гальванически покрытый цинком), а потом сделать сбоку у лимона надрез и всунуть туда медную монетку. Между штырьком и монеткой установится разность потенциалов, примерно равная одному вольту. Если несколько таких лимонных батареек соединить последовательно (одну за другой) и подсоединить к маленькой лампочке, она будет гореть, хотя и слабо — из-за высокого сопротивления лимона. Как в лимоне может возникнуть ток и разность потенциалов? Вместо лимона можно использовать и некоторые другие пищевые продукты.

Вы заметите похожее явление во рту, если в зубе есть металлическая пломба и на него случайно попал кусочек алюминиевой фольги или еще какая-нибудь полоска металла, — там тоже может возникнуть ток и разность потенциалов. Что вызывает покалывание, которое вы в этом случае чувствуете в зубе и прилегающей десне?

Хозяйки часто заворачивают еду в алюминиевую фольгу. Однако если пищевые продукты положены в контейнер из нержавеющей стали и закрыты фольгой, а та контактирует с едой, фольга постепенно может раствориться в пище в местах ее контакта с фольгой. Почему это происходит?

ОТВЕТ • Лимон с двумя электродами работает как любой гальванический элемент, описанный в школьных учебниках. Вкратце: атомы данного вещества имеют тенденцию забирать электроны у соседних атомов другого вещества или отдавать их ему. Когда гальванизированный гвоздь втыкается в лимон, цинк, которым покрыт гвоздь, стремится отдать электроны, в результате на его поверхности образуются положительные ионы цинка и на нем устанавливается определенный электрический потенциал. Вблизи медной монетки в лимоне ионы водорода из лимонного сока стремятся забрать электроны и превратиться в нейтральные атомы водорода. И в этом случае тоже возникает некоторый электрический потенциал. Если гвоздь соединить проводом с монеткой, электроны, ушедшие из цинка, покрывающего гвоздь, перейдут по проводу к монетке и в результате достанутся ионам водорода.

Похожий процесс потери и получения электронов идет, когда алюминиевая фольга касается металлической пломбы в вашем зубе, а пространство между двумя этими поверхностями в основном заполнено слюной. Система «фольга — слюна — пломба» образует батарейку, и через точки прямого контакта между фольгой и пломбой или через окружающую зуб десну начинает идти ток.

Аналогичный процесс происходит и когда пищевые продукты кладутся в миску из нержавеющей стали и накрываются алюминиевой фольгой. Система «сталь — пища — фольга» может стать батарейкой, в которой ток пойдет через точки непосредственного контакта фольги со стальной миской (скорее всего, контакт возникнет по всей длине ободка, по которому фольга обычно прижимается к миске). Когда фольга окисляется, то есть атомы алюминия превращаются в ионы алюминия, они растворяются в пище, особенно если в миске находится что-то вроде томатной пасты. Поэтому совет: используйте пластиковую пленку вместо алюминиевой фольги или же пластиковый контейнер вместо стального.

5.28. Электрические скаты и угри

Рыбы вроде гигантского электрического ската Torpedo nobiliana из Северной Атлантики или электрических угрей Electrophorus из Амазонки способны вырабатывать достаточно большой ток — настолько, что он может убить или оглушить жертву и даже парализовать человека. К примеру, по некоторым данным, электрический скат может послать импульсный разряд с напряжением 60 В при силе тока 50 А (разные авторы называют разные значения, в частности — на порядок меньшие токи). Раньше электрические рыбы использовались в медицине, например при постоянных мигренях, — электрического ската прикладывали прямо к болевым точкам в качестве примитивной формы шоковой терапии. Электрические свойства рыб были известны и древним охотникам, они быстро разобрались, какую рыбу нельзя хватать голыми руками или насаживать на мокрое, то есть проводящее, копье.

Многие другие виды рыб производят электрическое поле для того, чтобы ориентироваться в темной и мутной воде или находить нужный объект, в частности особь своего вида. Эти рыбы могут изменять свое электрическое поле таким образом, чтобы их можно было опознать. Каким же образом живым существам удается вырабатывать ток, создавать электрическое поле и электрический потенциал?

ОТВЕТ • Источник этих электрических эффектов следует искать в так называемых электроцитах — клетках, похожих на нервные и мышечные клетки. В обычном состоянии их мембраны пропускают ионы калия, а ионы натрия задерживают, поэтому концентрации ионов натрия и калия с разных сторон мембраны различны. Поскольку эти ионы заряжены, разность концентраций приводит к разности электрического потенциала на стенках мембраны.

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.