Elekter

Elektrivoolu juures näitavad amprid laenguga osakeste hulka, mis sekundis vaadeldavat punkti läbivad (6.241 × 10¹⁸ elektroni või prootoni jagu laenguid omavaid osakesi sekundis) ja voldid erinevust juhtmete eri osade vahel. Analoogiana võib juhtmeid võrrelda toruga, kus ampreid saab võrrelda läbivate molekulide hulgaga ja volte surve erinevusega toru eri osades. Voolu poolne võimsus vattides saab ideaalis võrduda amprite ja voltide korrutisega. 1 vatt = 1 amper x 1 volt ja see võrdub 1 dzauliga sekundis. Maa gravitatsiooni juures peaks dzaul võrduma energiahulgaga, mis kulub sekundis 102 grammise objekti õhus hoidmiseks.

Elektroni mass on 9.1×10⁻³¹ kg. Arvutamisel sain ampris läbinud elektronide massiks 5,6 nanogrammi sekundis. Need 5,6 ng suudaks ühe voldise pingeerinevuse juures 102 grammise objekti gravitatsiooni energiaga võrduda (18 miljardi kordne masside erinevus).

Südame peatamise tõttu surmavalt mõjuvaks vooluhulgaks on ~0,1-0,2 amprit. 1-5 milliamprit loetakse tavaliselt tuntavaks ja alates 10'st milliamprist hakkab valu tekkima.

Elektrivoolu poolt tekitatud magnetvälja suunda saab mäletada parema käe haarde reegliga, mille järgi välja juhtme hoidmisel väljasirutatud põial tähistab voolu suunda ja sõrmed tähistavad magnetvälja liikumise suunda ja tasapinda.

Vool väljub katoodi (tavaliselt tähistatud miinusega) kaudu ja siseneb anoodi (tavaliselt plussiga) kaudu.

Elektrivool liigub samasuunaliselt positiivselt laetud osakestega ning vastupidises suunas negatiivselt laetud osakestega nagu näiteks elektronidega.

Generaatorid

Vahelduvvool ja alalisvool tekivad mõlemad magentvälja liigutamisel juhtme suhtes. Vahelduvvoolu üheks praktilisemaks erinevuseks on selle tugevuse suhteliselt hea säilimine juhtmes kaugel asuvate seadmeteni saatmisel. Patareidest ja akudest tuleb alalisvoolu ning see peaks kehtima elektrit tekitavate keemiliste reaktsioonide puhul.

Pildil on algne elektrigeneraator (Faraday disc). A on hobuseraua kujuline magnet. D on metallketas, millel tekkis vool ja B'd tähistavad voolu sisse ja välja kandvaid kohti.
See oli ebaefektiivne, sest magnetist kaugemale jäänud kettal olev elektriline potentsiaal summutas osa tekkinud voolust ning analoogset probleemi paistab ka alalisvoolu juhtmesse suunamisel.

Pildil on vahelduvvoolu generaatori tööpõhimõte. Ma ei lugenud seda kusagilt otse välja (füüsikud võivad parandada), kuid kõikuvasuunalise voolu tekkekohas punaselt värvitud juhtmes peaks olema vahelduvate magnetväljade mõju, mis sunnib elektrone esialgu voolama ühes suunas ning veidi hiljem vastassuunas. Voolu stabiilsusele tugevuse säilivuse osas võib kaasa aidata (oletan) see, et voolu ei "suruta" kaua ühes suunas ja ruttu tekitatakse madala pinge tekitamisel võimalus vastassuunalise liikumisega sellel jälle tagasi voolata. Vahelduvvoolu mootorid võivad mõlemasuunalisel liikumisel seda ära kasutada.

Närvisüsteemis



Närvisüsteemi valges mateerias on aksonid suures osas müeliinkihiga kaetud, aga selles kattes esineb umbes iga 0,2-2 millimeetri järel 1-2 mikromeetriseid katmata alasid (node of Ranvier), kuhu on kontsentreerunud ioonkanalid. Kui ühes Ranvieri noodulis tekib membraanipotentsiaali muutus piisab sellest ~0,1 voldisest muutusest, et tekitada närviimpulsi tekkeks vajalik membraanilaengu muutus järgmises Ranvieri noodulis. Kaetud aladel ei voola laengut kanvad ioonid liigselt välja ja tekkinud elektriline aktiivsus jõuab närviimpulsi jaoks piisaval määral järgmise katmata alani. Müeliinita aksonites liiguvad signaalid tavaliselt mõnikümmend sentimeetrit sekundis, kuid müeliiniga rakkudes võivad need liikuda üle 100 meetri sekundis.

Kahtlustan magnetvälja osalust teadvuse juures, kuid see paistab väga nõrgana. Impulsi tekkel voolavad positiivselt laetud naatriumi ja kaltsiumi ioonid rakku ning selliste osakeste vool on samasuunaline elektri vooluga. Närviimpulsi ajal tekkinud siselaengu tõus on selle arusaamaga kooskõlas. Teiseks elektrivooluga piirkonnaks on Ranvieri noodulite vaheline müeliiniga piirkond. Kuna nende noodulite vahel tekib impulsi jõudmine esimese noodulini elektrilise potentsiaali erinevus sarnaselt juhtmes olevaga peaks nende vahel toimuma suhteliselt sirge elektrivool. Parema käe haarde reegli järgi peaks müeliinkihi sisse jääv piirkond tekitama sellisel juhul aksoni ümber liikuvat magnetvälja. Ranvieri noodulis toimuvat magnetvälja (ioonide sisse-ja väljavoolul läbi silindrikujulise piirkonna külgede) oleks keerulisem kujutleda.

Aju poolt tekitatud magnetvälja tugevus (miljardik või sajamiljondik gaussi) paistab kümneid miljoneid kordi nõrgemana Maa magnetväljaga. 1000 gaussi on 1 Tesla. MRI skännerid kasutavad teadvust ilmselt moonutamata üle 1 Teslaseid magnetväljasid. Mainitud aju magnetvälja tugevuse mõõtmiskohta seal ei paistnud, kuid see võib koljuväliselt mõõdetud olla, sest ajus peaks suutma tekkida mitme vatine elektrivool. Magnetväli nõrgeneb distantsi kahekordistusel tekkekohast umbes neljakordselt ja keha summutab ka osa.


Raadiolaineid tekitab elektri juhtimine läbi juhtme ja selle katkemine või suuna muutus (näiteks vahelduvvoolu korral). Kuna närviimpulsi käigus toimub paari millisekundi jooksul mõlemasuunaline liikumine võib selle käigus elektromagnetkiirgust tekkida, mis jääks madala sagedusega raadiolainete piiresse jääma. Aju elektrilise aktiivsuse mõõtmisel jäävad uuritud sagedused tavaliselt 0-100 hZ vahele. Magnetvälja tugevuse kohta käinud jutt eelnevas lõigus peaks ka raadiolainete kohta käima.

Närviimpulsi tekkel võib voolata rakku 20-40 nanoampri jagu laetud osakesi ja pinge võib muutuda ~100+/- 20 mV. 1 nanoamper on võrdne 6,2 miljardi elektroni või prootoni liikumisega läbi vaadeldud punkti sekundis. Naatriumi ioonide (Na+) laeng peaks olema võrreldav elektroni laengu suurusega, kui nende absoluutväärtuseid arvestada. Amprite ja voltide korrutamisel paistab, et iga impulsiga võib rakus toimuda 2-4 nanovatise võimsusega elektriline tegevus. Kui impulss tekib 10's miljardis neuronis, siis kokku teevad nad 2-4 vatti tööd.

Elektromagnetkiirguse spekter

Enamus allikatest oli Wikipediast ja osa võib põhi- või keskkoolist tuttav olla.

Elektromagnetkiirguse kandvaid osakesi nimetatakse ka valguskvantideks või footoniteks. Need kõik liiguvad valguse kiirusel (keskkond võib seda kiirust mõjutada) ning neis kõigis toimub vaheldumisi elektrilise ja magneetilise välja teke ning lainepikkus näitab kui pika distantsi läbimisel need lainetused korduvad. Mida kiiremini see toimub seda rohkem energiat on selles osakeses ja energiarikkamad kvandid tekivad äärmuslikemates keskkondades nagu tugeva elektrivoolu või kuumuse korral.
Vaatamata EM kiirguse tüübile sisaldavad neid kiirguseid kandvad kvandid laineliselt muutliku tugevusega elektrilist ja magneetilist välja. Sarnaselt juhtmetes toimuvaga on magneetiline ja elektriline väli üksteise suhtes täisnurga all.

Ioniseeriva kiirguse vahemikku jääv EM kiirgus suudab aatomitelt eemaldada elektrone ning see omadus hakkab lainepikkuse lühenedes paistma umbes sealmaal, kus lainepikkus hakkab molekulide mõõtmete suurusest väiksemaks jääma lühema lainepikkusega UV valguse spektrist.

Absoluutset miinimumi gammakiirguse või maksimumi raadiolainete lainepikkustele ei teata.

Kiirguse kümnekordsel sageduse muutusel muutub kümnekordselt ka selle footonite energiasisaldus ning sügavamalt läbivad erinevaid materjale energilisemad osakesed.

Kvantide energiasisaldust saab leida sagedust teades kiirguse sageduse korrutamisel Planck'i konstandiga.

Elektronvolt on 1,6 korda 10 astmes -19 dzauli. 1 dzaul on energia hulk, mis kulub 1 kg kiirendamisel ühe sekundiga kiirusele 1 meeter sekundis. Umbes sama energiahulk kulub Maa gravitatsiooni juures 100 grammisele objektile 1 sekundi jooksul. Elektronvoldi energiat saaks kujutleda nii: Kui dzauli tähistada kuubikuga, mille külg oleks miljoni millimeetri pikkused, siis 1 elektronvolt moodustaks sellest 1 km küljepikkusega kuubist 0,16 kuupmillimeetrit. Raadiolained jäävad ~100 megahertsi piirkonda ja nende energiasisaldus paistab üle miljardi korra väiksema energiahulgaga, kui need 1,6 kuupmilliteetrit.

Aatomite diameeter jääb 62-520 pikomeetri vahele.

Gamma kiirguse lainepikkus on alla 10 pikomeetri ja selles toimuv võnkumine võib piisava energiasisalduse korral toimuda vaatamata valguse kiirusel liikumisele korduvalt aatomituuma mõõtmetes piirkonna läbimisel.

Röngtenkiirgus algab sellest madalama lainepikkuse kiirguse korral olles 0,01-10 nanomeetrit.

Ultraviolettvalguse lainepikkus on 10-390 nm.

Nähtava valguse lainepikkus on 390-750 nanomeetrit.

Infrapunavalguse lainepikkus on 0,7-300 mikromeetrit ja normaalsel kehatemperatuuril kiirgab keha seda ~12 mikromeetrise lainepikkuse juures. See omab soojendavat effekti nagu ka kõik teised elektromagnetkiirguse versioonid.

Mikrolainete lainepikkused jäävad ~1 mm ja 30 cm vahele.

Raadiolained on infrapunakiirgusest pikema lainepikkusega lained, millele pole maksimumpikkust antud. Neid saab tekitada elektri juhtimisel läbi juhtme ja voolu järgneval peatamisel. Vahelduvvoolu korral muudab vool juhtmes oma suunda tihedalt ja selle suunamuutuse sageduse juures võib tekkida raadiolaineid.


Fluorestsents on tavaliselt nõrgema energiasisaldusega elektromagnetlainete eritumine pärast teise sagedusega footonite eritumist. Elektronid suudavad omastada footoni ja saadud energia tõttu minna kõrgemale orbiidile aatomituuma ümber (ergastatud olek). See ei kesta kaua ja ruttu lagetakse madalamale orbiidile, misjärel eraldub osa energiat kaotanud footon. Tiheda kiirguse juures võib esineda enne madalamale orbiidile tagasilangemist mitme footoni neeldumine ja see võib põhjustada erandina algkiirgusest suurema energiasisaldusega footonite eritumist.

UV kiirgust saab tekitada elektri juhtimisel läbi elavhõbeda aurude. Fluorentslambid töötavad sellel põhimõttel, kuid nähtava valguse saamiseks neeldub UV ümbritsevas materjalis ja footonid vabanevad fluorestsentsiga nähtavas vahemikus pärast energia kaotust.


Röngtenkiirguse tekitamiseks juhitakse mitmetuhande voldist elektrivoolu läbi vaakumilähedase keskkonna. Röngtenkiirguse footonid erituvad umbes ristisuunas elektrivooluga.

Nähtava valguse tekitamiseks sobib kuumus. 525 kraadi C (Draper'i punkt) juures hakkavad peaaegu kõik tahked materjalid punast valgust eritama. Kõrgemate temperatuuride korral eritub lühema lainepikkusega nähtava valguse footoneid.

Nähtavat valgust kasutav mikroskoop ei suuda eristada objekte, mis on väiksemad selle poolest lainepikkusest.

Võib-olla sarnasel põhjusel kasutatakse molekulide ehituse aatomi täpsusel tuvastamiseks röngtenkiirgust (röngtenkristallograafia), kus korrapäraselt kristallis asuvates molekulidest juhitakse läbi röngtenkiirgust, mille lainepikkus võib olla kordades väiksem ka kõige väiksematest aatomitest.

Gamma kiirgusel footoneid saab tekitada radioaktiivsete tuumade lagunemisel koos teiste lagunemisel vabanenud osakestega.

Lasereid võib luua lisaks infrapuna, valguse ja UV kiirgusele luua ka röngtenkiirte eritamiseks. Mikrolaineid ja raadiolaineid sarnaselt tekitavaid seadmeid nimetatakse maseriteks.

Sissejuhatus

Mateeria tutvumiseks mõtlesin omaette lehekülje teha jätkuosana teadvuse mõistmisel selleks, et mateeriat fundamentaalsemal tasandil tundes neuronite tegevusega kaasnevast vajalikku leida.

Ma olen bioloogiatudeng ning ainult mõne loengu füüsikast läbinud kuid sarnane olukord oli ka neurobioloogias, kuigi sellest suutsin siiski paarsada lehekülge kirjutada. Kuna ma tegin esimese enda jaoks olulise avastuse füüsikas, siis on see teine valdkond, kus ma kirjutan neurobioloogiaga sarnase entuasmiga.

Osaliselt tahaks näha kui palju võib asjatundmatum inimene endale võõramas valdkonnas leida ja kui hästi sobivad neurobioloogia uurimisel kasutatud põhimõtted füüsika uurimisel.
Nende põhimõtete all mõtlen näiteks endale vähemtuntud teemade mittemainimist kuni tunnen kindlamalt ja et lihtsamate teemade samm-sammult õppimisega võib ruttu ka raskeid asju tunda.

Sarnaselt neurobioloogiaga arvan, et esimese paarikümne teemaga on vähe uut ning teemad on mulle nagu selle valdkonna tähestikku õppimine, et edasipidi asjadest paremini aru saada.

Loodan, et minul amatöörina neurobioloogias ja kvantfüüsikas õpitut nähes läheb teistel enneaegne eneseupitus ja tarkusega uhkustamine harvemaks või vähemalt ebamugavamaks.

Ühe lihtsaima moodusena asjade mõistmisel tasuks teada kuidas see algselt leiti. Näiteks absoluutse nulli arvutamisel märgati, et gaasi rõhk langes kindlas hulgas selle jahutamisel iga teatud temperatuurivahemiku võrra ning selle sirge graafiku järgi võis joonlauaga joonistada sirge rõhu nullpunktini, kus jahtumisel kadunud osakeste liikumise tõttu kaoks nende rõhk ning tekiks vaakum.

Kuna ma sain oma enesekindluse küllastada neurobioloogias õpitu ja avastatuga, siis ei muretse ma läbikukkumiste pärast vähemalt bioloogia-keemia-füüsika teemadel ning saan vabamalt tundes asju avalikult uurida.

Veidi sain ideid stiilivaliku osas Jim Al-Khalili sarjadest (youtube'st otsides vabalt saadaval) mida avastasin natuke enne kvarkidest kirjutamist. Kohati oli seal väga praktiliselt kirjeldatud lähenemine, millega need avastused tehti.
Richard Hammondi saade "Engineering connections" oli teine suurem mõjutaja ning sealt sain teada, et rõhu muutus on temperatuuri muutja.

Üldiselt eelistan õppida kõige huvitavamat asja, mida saan vähima vaevaga endale selgeks teha. Umbes nagu vesi, mis voolab vähima takistuse suunas.
Osalt on psühhologilise energia allikaks pisiavastused mida ma üritan peaaegu igas lõigus teha ning maailmavaate täienemisel võib olla tugev elevust andev mõju.

Eriti meeldib mulle näha inimlike võimekuse piire, mis paistavad vägagi muljetavaldavad ja peaaegu kõigile saavutatavad kui nad takistavaid vabandusi ei otsi. Seni paistavad need palju paremad kui nooremana arvasin.

Tüüpsuhtumisena üritan iga päev vähemalt paari lause jagu uusi asju selgeks teha ning õpitu peaks aitama mõista seadete tööpõhimõtteid, et sellest oleks igapäevaelus abi. Igaüks peaks sellise tempoga hakkama saama aga sellise info väljasõelumine võtab ettearvamatult palju-vähe aega.
Piesoelektriline efekt oli selles osas omamoodi "jackpot" (nagu ka pooljuhtide osa). Korraga sain selgeks mis tööpõhimõttega töötavad elektroonilised kaalud, surve ja rõhu sensorid, mikrofonid, lihtsamad kõlarid, sonar, ultraheliaparaadid ning aatomite täpsusega liigutusi vajavad aatomeid näitavad-liigutavad mikroskoobid.

Võrreldes neurobioloogiaga on kvantfüüsikal omad julgustavad omadused. Kui närvisüsteemis on vähemalt sadu erinevaid närvikimpe, ajutuumasid ja ajukoore alasid, siis näiteks aatomis on erinevateks osadeks elektronid, prootonid ja neutronid. Viimased kahes on teadaolevalt gluuonväli ja kahte erinevat tüüpi kvarke. Kaasates footonid ja mesonid saab umbes 10 eri osa, millest aatommudel kokku panna. Põhiprobleemiks on ainult asjade väiksus ja kaudsed meetodid nende osakeste tuvastuseks.