Опубликовано

Эксперименты с инерцией

Презентация к уроку

Загрузить презентацию (341,5 кБ)

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока:

— раскрыть понятие физической природы электрического тока в металлах, опытное подтверждение электронной теории;

— продолжить формирование естественно-научных представлений по изучаемой теме

— создать условия для формирования познавательного интереса, активности учащихся

— формированию навыков;

— формированию коммуникативного общения.

Оборудование: интерактивный комплекс SMART Board Notebook, локальная сеть компьютеров, интернет.

Метод ведения урока: комбинированный.

Эпиграф урока:

Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.

Фирдоуси
(Персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)

План урока.

I. Оргмомент

II. Работа в группах

III. Обсуждение итогов, монтаж презентации

IV. Рефлексия

V. Домашнее задание

Ход урока

— Здравствуйте, ребята! Садитесь. Сегодня наша работа будет проходить по группам.

Задания группам:

I. Физическая природа зарядов в металлах.

II. Опыт К.Рикке.

III. Опыт Стюарта, Толмена. Опыт Мандельштама, Папалекси.

IV. Теория Друде.

V. Вольт-амперная характеристика металлов. Закон Ома.

VI. Зависимость сопротивления проводников от температуры.

VII. Сверхпроводимость.

Содержание заданий, выполненных в группах.

1. Электрическая проводимость представляет собой способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.

По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:

А) электронную,

Б) ионную,

В) смешанную.

2. Для каждого вещества при заданных условиях характерна определенная зависимость силы тока от разности потенциалов.

По удельному сопротивлению вещества принято делить на:

А) проводники (p < 10-2 Ом*м)

Б) диэлектрики (p > 10-8 Ом*м)

В) полупроводники (10-2 Ом*м> p>10-8 Ом*м)

Однако такое деление условно, т. к. под воздействием ряда факторов (нагревания, облучения, примеси) удельное сопротивление веществ и их вольт — амперная характеристика изменяются, и иногда очень существенно.

3. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Доказано классическими опытами К. Рикке (1901 г.) – немецкий физик; Л.И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (1913 г.) – наши соотечественники; Т. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.) – американские физики.

К. Рикке

Опыт К. Рикке

Три предварительно взвешенных цилиндра (два медных и один алюминиевый) Рикке сложил отшлифованными торцами так, что алюминиевый оказался между медными. Затем цилиндры были включены в цепь постоянного тока: через них в течение года проходил большой ток. За то время через электрические цилиндры прошел электрический заряд, равный приблизительно 3.5 млн Кл. Вторичное взаимодействие цилиндров, проводившееся с до 0.03 мг, показало, что масса цилиндров в результате опыта не изменилась. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом было установлено, что имеются лишь незначительные следы проникновения металлов, которые не превышают результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют.

Л.И. Мандельштам

Н. . Папалекси

Опыт Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси

Русские ученые Л. И. Мандельштам (1879—1949; основатель школы радиофизиков) и Н. Д. Папалекси (1880—1947; крупнейший советский физик, академик, председатель Всесоюзного научного совета по радиофизике и радиотехнике при АН СССР) в 1913 году поставили оригинальный опыт. Взяли катушку с проводом и стали крутить ее в разные стороны.

Раскрутят, к примеру, по часовой стрелке, потом резко остановят и — назад.

Рассуждали они примерно так: если электроны и вправду обладают массой, то, когда катушка внезапно останавливается, электроны еще некоторое время должны двигаться по инерции. Движение электронов по проводу — электрический ток. Как задумали, так и получилось. Подсоединили к концам провода телефон и услышали звук. Раз в телефоне слышен звук, следовательно, через него ток протекает.

Т. Стюарт

Опыт Т. Стюарта и Р. Толмен

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

П. Друде

Теория Друде

Электроны в металле рассматриваются как электронный газ, к которому можно применить кинетическую теорию газов. Считается, что электроны, как и атомы газа в кинетической теории, представляют собой одинаковые твердые сферы, которые движутся по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся друг с другом. Предполагается, что продолжительность отдельного столкновения пренебрежимо мала, и что между молекулами не действует никаких иных сил, кроме возникающих в момент столкновения. Так как электрон — отрицательно заряженная частица, то для соблюдения условия электронейтральности в твердом теле также должны быть частицы другого сорта — положительно заряженные. Друде предположил, что компенсирующий положительный заряд принадлежит гораздо более тяжелым частицам (ионам), которые он считал неподвижными. Во времена Друде не было ясно, почему в металле существуют свободные электроны и положительно заряженные ионы, и что эти ионы из себя представляют. Ответы на эти вопросы смогла дать только квантовая теория твердого тела. Для многих веществ, однако, можно просто считать, что электронный газ составляют слабо связанные с ядром внешние валентные электроны, которые в металле «освобождаются» и получают возможность свободно передвигаться по металлу, тогда как атомные ядра с электронами внутренних оболочек (атомные остовы) остаются неизменными и играют роль неподвижных положительных ионов теории Друде.

Электрический ток в металлах

Все металлы являются проводниками электрического тока и состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов, а вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.

Основные положения электронной теории проводимости металлов.

  1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.
  2. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
  3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
  4. Сталкиваясь с ионами, колеблющимися в узлах кристаллической решетки, электроны отдают им избыточную энергию. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются.

Электрический ток в металлах.

Где v – средняя скорость направленного движения заряженных частиц, S – площадь поперечного сечения проводника, n – концентрация электронов проводимости.

Оценка скорости движения свободных электронов в проводнике при S= 1 м , I = 10 A

Отметим, что скорость распространения тока в проводнике равна скорости распространения электромагнитных волн в вакууме c = 3*108

Из закона Ома для участка цепи следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия

Напомним, что , где p – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения проводника.

Сверхпроводимость

Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящий материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. Сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Молодцы, ребята! С работой справились отлично. Получилась хорошая презентация. Спасибо за урок!

Литература.

  1. Горбушин Ш.А. Опорные конспекты для изучения физики за курс средней общеобразовательной школы. – Ижевск “Удмуртия”, 1992.
  2. Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1985.
  3. Урок физики в современной школе. Творческий поиск учителей: Книга для учителя /Сост. Э.М.Браверман/ Под редакцией В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 1993
  4. Дигелев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Книга для учащихся.- М.: Просвещение, 1986.
  5. Карцев В.Л. Приключения великих уравнений.- 3-е издание – М.: Знание, 1986. (Жизнь замечательных идей).

Толмен, Ричард Чейз

В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Толмен.

Ричард Чейз Толмен

Richard Chace Tolman


Толмен (слева) с Эйнштейном в 1932 году

Дата рождения:

4 марта 1881

Место рождения:

Уэст-Ньютон, Массачусетс

Дата смерти:

5 сентября 1948 (67 лет)

Место смерти:

Пасадина, Калифорния

Страна:

США США

Научная сфера:

математическая физика, физическая химия, статистическая механика

Место работы:

Калифорнийский технологический институт

Учёная степень:

доктор философии (PhD) по физике (1910)

Учёное звание:

профессор

Альма-матер:

Массачусетский технологический институт

Научный руководитель:

Arthur Amos Noyes

Известные ученики:

Лайнус Полинг

Известен как:

исследования термодинамических процессов релятивистских систем, автор фундаментальных трудов по статистической механике

Награды и премии:

член Американской академии искусств и науки (1922), член Национальной академии наук США (1923)
Гиббсовская лекция (1932)

Ричард Чейз Толмен (англ. Richard Chace Tolman; 4 марта 1881 — 5 сентября 1948) — американский физик-математик и физико-химик, специализировавшийся на статистической механике. Он также сделал важный вклад в теоретическую космологию в период, последовавший за открытием Эйнштейном общей относительности. Он был профессором физической химии и математической физики в Калифорнийском технологическом институте.

Биография

Толмен родился в посёлке Уэст-Ньютон (штат Массачусетс). Его брат, Эдвард Чейс Толмен, стал известным психологом-бихевиористом. Ричард изучал химическое машиностроение в Массачусетском технологическом институте, он получил степень бакалавра в 1903 году и степень доктора философии в 1910. 1904 год он провёл в Берлине. В период с 1910 по 1914 годы он работал в университетах Мичигана, Цинциннати, Беркли и Иллинойса.

В 1912 году он ввёл понятие релятивистской массы, записав что «выражение <math>m_0(1 — v^2 / c^2)^{-1/2}</math> наиболее подходит для массы движущегося тела». В эксперименте 1916 года Толмен окончательно доказал, что электричество представляет собой поток электронов, движущихся по металлическому проводнику. Побочным продуктом эксперимента была измеренная масса электрона. Однако в целом Толмен известен, прежде всего, как теоретик.

В 1922 году Толмен был избран членом Американской академии искусств и наук. В тот же год он перевёлся на факультет Калифорнийского технологического института («Калтеха»), где он стал профессором физической химии и математической физики, а затем — деканом последипломного курса (начальником отдела магистратуры и аспирантуры). Одним из студентов Толмена в Калтехе был Лайнус Полинг, который слушал у него курс доволновой квантовой механики.

В 1927 году Толмен опубликовал учебник по статистической механике под названием «Статистическая механика и её применение в физике и химии», основывающийся на старой теории квантовой механики Макса Планка, Нильса Бора и Арнольда Зоммерфельда. В 1938 году он написал совершенно новую книгу, «Принципы статистической механики», детально исследующую применение статистической механики как к классическим, так и к квантовым системам. Этот учебник оставался базовым по этому предмету долгие годы, и всё ещё представляет интерес в наши дни.

В последующие годы своей карьеры Толмен чрезвычайно заинтересовался применением термодинамики для релятивистских систем и в космологии, что вылилось в написание в 1934 году монографии «Теория относительности, термодинамика и космология». В этой книге показано, что излучение абсолютно чёрного тела в условиях расширяющейся Вселенной остывает, но остаётся тепловым — что являлось важным результатом для определения свойств фонового космического радиоизлучения. Его исследование гипотезы осциллирующей Вселенной, предложенной Эйнштейном в 1930 году, стало причиной спада интереса к ней вплоть до конца 1960-х годов.

В период Второй мировой войны он служил научным советником при генерале Лесли Гровсе в Манхэттенском проекте, а также был вице-председателем Национального комитета оборонных исследований. В 1945 году он стал старшим техническим советником при Бернарде Барухе, представителе США в Комиссии по атомной энергии ООН, а позже — председателем Комитета по рассекречиванию (Declassification Committee) Комиссии по атомной энергии США.

В честь учёного была учреждена медаль, ежегодно вручаемая Южнокалифорнийским отделением Американского химического общества «в знак признания выдающегося вклада в химию».

Отрывок, характеризующий Толмен, Ричард Чейз

Когда сначала синим и потом красным пламенем загорелись серники о трут, Щербинин зажег сальную свечку, с подсвечника которой побежали обгладывавшие ее прусаки, и осмотрел вестника. Болховитинов был весь в грязи и, рукавом обтираясь, размазывал себе лицо.
– Да кто доносит? – сказал Щербинин, взяв конверт.
– Известие верное, – сказал Болховитинов. – И пленные, и казаки, и лазутчики – все единогласно показывают одно и то же.
– Нечего делать, надо будить, – сказал Щербинин, вставая и подходя к человеку в ночном колпаке, укрытому шинелью. – Петр Петрович! – проговорил он. Коновницын не шевелился. – В главный штаб! – проговорил он, улыбнувшись, зная, что эти слова наверное разбудят его. И действительно, голова в ночном колпаке поднялась тотчас же. На красивом, твердом лице Коновницына, с лихорадочно воспаленными щеками, на мгновение оставалось еще выражение далеких от настоящего положения мечтаний сна, но потом вдруг он вздрогнул: лицо его приняло обычно спокойное и твердое выражение.
– Ну, что такое? От кого? – неторопливо, но тотчас же спросил он, мигая от света. Слушая донесение офицера, Коновницын распечатал и прочел. Едва прочтя, он опустил ноги в шерстяных чулках на земляной пол и стал обуваться. Потом снял колпак и, причесав виски, надел фуражку.
– Ты скоро доехал? Пойдем к светлейшему.
Коновницын тотчас понял, что привезенное известие имело большую важность и что нельзя медлить. Хорошо ли, дурно ли это было, он не думал и не спрашивал себя. Его это не интересовало. На все дело войны он смотрел не умом, не рассуждением, а чем то другим. В душе его было глубокое, невысказанное убеждение, что все будет хорошо; но что этому верить не надо, и тем более не надо говорить этого, а надо делать только свое дело. И это свое дело он делал, отдавая ему все свои силы.
Петр Петрович Коновницын, так же как и Дохтуров, только как бы из приличия внесенный в список так называемых героев 12 го года – Барклаев, Раевских, Ермоловых, Платовых, Милорадовичей, так же как и Дохтуров, пользовался репутацией человека весьма ограниченных способностей и сведений, и, так же как и Дохтуров, Коновницын никогда не делал проектов сражений, но всегда находился там, где было труднее всего; спал всегда с раскрытой дверью с тех пор, как был назначен дежурным генералом, приказывая каждому посланному будить себя, всегда во время сраженья был под огнем, так что Кутузов упрекал его за то и боялся посылать, и был так же, как и Дохтуров, одной из тех незаметных шестерен, которые, не треща и не шумя, составляют самую существенную часть машины.
Выходя из избы в сырую, темную ночь, Коновницын нахмурился частью от головной усилившейся боли, частью от неприятной мысли, пришедшей ему в голову о том, как теперь взволнуется все это гнездо штабных, влиятельных людей при этом известии, в особенности Бенигсен, после Тарутина бывший на ножах с Кутузовым; как будут предлагать, спорить, приказывать, отменять. И это предчувствие неприятно ему было, хотя он и знал, что без этого нельзя.
Действительно, Толь, к которому он зашел сообщить новое известие, тотчас же стал излагать свои соображения генералу, жившему с ним, и Коновницын, молча и устало слушавший, напомнил ему, что надо идти к светлейшему.
Кутузов, как и все старые люди, мало спал по ночам. Он днем часто неожиданно задремывал; но ночью он, не раздеваясь, лежа на своей постели, большею частию не спал и думал.
Так он лежал и теперь на своей кровати, облокотив тяжелую, большую изуродованную голову на пухлую руку, и думал, открытым одним глазом присматриваясь к темноте.
С тех пор как Бенигсен, переписывавшийся с государем и имевший более всех силы в штабе, избегал его, Кутузов был спокойнее в том отношении, что его с войсками не заставят опять участвовать в бесполезных наступательных действиях. Урок Тарутинского сражения и кануна его, болезненно памятный Кутузову, тоже должен был подействовать, думал он.
«Они должны понять, что мы только можем проиграть, действуя наступательно. Терпение и время, вот мои воины богатыри!» – думал Кутузов. Он знал, что не надо срывать яблоко, пока оно зелено. Оно само упадет, когда будет зрело, а сорвешь зелено, испортишь яблоко и дерево, и сам оскомину набьешь. Он, как опытный охотник, знал, что зверь ранен, ранен так, как только могла ранить вся русская сила, но смертельно или нет, это был еще не разъясненный вопрос. Теперь, по присылкам Лористона и Бертелеми и по донесениям партизанов, Кутузов почти знал, что он ранен смертельно. Но нужны были еще доказательства, надо было ждать.
«Им хочется бежать посмотреть, как они его убили. Подождите, увидите. Все маневры, все наступления! – думал он. – К чему? Все отличиться. Точно что то веселое есть в том, чтобы драться. Они точно дети, от которых не добьешься толку, как было дело, оттого что все хотят доказать, как они умеют драться. Да не в том теперь дело.
И какие искусные маневры предлагают мне все эти! Им кажется, что, когда они выдумали две три случайности (он вспомнил об общем плане из Петербурга), они выдумали их все. А им всем нет числа!»
Неразрешенный вопрос о том, смертельна или не смертельна ли была рана, нанесенная в Бородине, уже целый месяц висел над головой Кутузова. С одной стороны, французы заняли Москву. С другой стороны, несомненно всем существом своим Кутузов чувствовал, что тот страшный удар, в котором он вместе со всеми русскими людьми напряг все свои силы, должен был быть смертелен. Но во всяком случае нужны были доказательства, и он ждал их уже месяц, и чем дальше проходило время, тем нетерпеливее он становился. Лежа на своей постели в свои бессонные ночи, он делал то самое, что делала эта молодежь генералов, то самое, за что он упрекал их. Он придумывал все возможные случайности, в которых выразится эта верная, уже свершившаяся погибель Наполеона. Он придумывал эти случайности так же, как и молодежь, но только с той разницей, что он ничего не основывал на этих предположениях и что он видел их не две и три, а тысячи. Чем дальше он думал, тем больше их представлялось. Он придумывал всякого рода движения наполеоновской армии, всей или частей ее – к Петербургу, на него, в обход его, придумывал (чего он больше всего боялся) и ту случайность, что Наполеон станет бороться против него его же оружием, что он останется в Москве, выжидая его. Кутузов придумывал даже движение наполеоновской армии назад на Медынь и Юхнов, но одного, чего он не мог предвидеть, это того, что совершилось, того безумного, судорожного метания войска Наполеона в продолжение первых одиннадцати дней его выступления из Москвы, – метания, которое сделало возможным то, о чем все таки не смел еще тогда думать Кутузов: совершенное истребление французов. Донесения Дорохова о дивизии Брусье, известия от партизанов о бедствиях армии Наполеона, слухи о сборах к выступлению из Москвы – все подтверждало предположение, что французская армия разбита и сбирается бежать; но это были только предположения, казавшиеся важными для молодежи, но не для Кутузова. Он с своей шестидесятилетней опытностью знал, какой вес надо приписывать слухам, знал, как способны люди, желающие чего нибудь, группировать все известия так, что они как будто подтверждают желаемое, и знал, как в этом случае охотно упускают все противоречащее. И чем больше желал этого Кутузов, тем меньше он позволял себе этому верить. Вопрос этот занимал все его душевные силы. Все остальное было для него только привычным исполнением жизни. Таким привычным исполнением и подчинением жизни были его разговоры с штабными, письма к m me Stael, которые он писал из Тарутина, чтение романов, раздачи наград, переписка с Петербургом и т. п. Но погибель французов, предвиденная им одним, было его душевное, единственное желание.
В ночь 11 го октября он лежал, облокотившись на руку, и думал об этом.
В соседней комнате зашевелилось, и послышались шаги Толя, Коновницына и Болховитинова.
– Эй, кто там? Войдите, войди! Что новенького? – окликнул их фельдмаршал.
Пока лакей зажигал свечу, Толь рассказывал содержание известий.

a_shestopalov

Что будет с электронами металлической болванки при ее мгновенной остановке в результате удара о препятствие со скоростью 1700 м/с?

http://www.nkj.ru/archive/articles/4072/
Известно, что артиллерийский снаряд ввиде металлической болванки, летящий со скоростью 1700 м/с пробивает танк на вылет (две брони), а такой же снаряд из обедненного урана, летящий со скоростью 870-990 м/с, не пробивает. Доктор технических наук М. Марахтанов , профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана и А. Марахтанов, аспирант Калифорнийского университета, г. Беркли (США) объясняют это тем, что при столкновении ионной решетки болванки с препятствием на скорости 1700 м/с, свободные электроны продолжают двигаться по энерции. Ионы лишившись электронов под действием сил кулоновского расталкивания разлетаются. При этом выделяется энергия, равная энергии связи в металле, например, для железа, превращенная в энергию взрыва, составляет около 8·106 Дж/кг . При этом они опираются на опыт Стюарта-Толмена.

1913 r. — Мандельштам — Папалекси предложили,
1916 г. — Стюарт — Толмен осуществили экспериментально.
Длина провода = 500 м (в катушке), ка­тушка вращалась со скоростью = 500 м/с, при рез­ком торможении свободные частицы дви­гались по инерции. По отклонению стрелки гальванометра определяли удельный заряд, по направлению отклонения — знак заряда. Данные Толмена и Стюарта в последствии неоднократно проверялись и уточнялись, и на сей момент известно, что масса электрона 9,109×10-31 кг.

Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема. Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraph12/theory.html

Опыты Толмена и Стюарта

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

(электропроводность, проводимость) — способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (называемая также в некоторых странах Мо)

Электропроводность,например,водыЭто устройство было создано для контроля удельной электропроводности воды в аквариуме с очень мягкой водой (осмос). Измеряется непосредственно сопротивление пробы воды. Казалось бы, все просто – опустить в воду электроды омметра и измерить этот параметр. Однако на постоянном токе с металлическими щупами омметры показывают «погоду на Марсе». Необходимо переменное напряжение, инертные электроды, жестко зафиксированные на определенном расстоянии.

Несмотря на простоту схемы, прибор получился достаточно точным и стабильным. На датчике переменное напряжение около 1 кГц, что позволяет уменьшить влияние электрохимических реакций на результат.

Прибор сделан на распространенной микросхеме К157УД2, которая представляет собой два операционных усилителя. На первом собран генератор переменного тока, на втором – усилитель по стандартной схеме, с которого снимаются показания цифровым или аналоговым вольтметром.

Электропроводность металлов Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Riecke Carl Viktor Eduard) в 1901 году, состоял в том, что через контакты различных металлов, — двух медных и одного алюминиевого цилиндра с тщательно отшлифованными торцами, поставленными один на другой, в течение года, пропускался постоянный электрический ток. После этого исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Эти опыты показали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.

Опыты Толмена и Стюарта

Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обуславливается движением электронов, были опыты Толмена и Стюарта, проведённые в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что линейное ускорение катушки при торможении направлено вдоль проводов. При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции — направленная противоположно ускорению ( — масса электрона). Под её действием электрон ведёт себя в металле так, как если бы на него действовало некоторое эффективное электрическое поле:

Электропроводность биологических систем — количественная характеристика способности живых объектов (тканей) проводить электрический ток. Электропроводность обратно пропорциональна величине электрического сопротивления системы.

Измерение электропроводность биологических систем используют для получения информации о функциональном состоянии биол. тканей, для выявления воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов при патологии или действии на организм физических, химических и других факторов ( Проницаемость). Измерение электропроводность биологических систем лежит в основе многих методов оценки кровенаполнения сосудов органов и тканей (Реография).

При подаче разности потенциалов (U) через объект течет электрический ток силой (I), величина которой пропорциональна электропроводности (G): I—GU. Величина электропроводности зависит от количества свободных электрических зарядов и их подвижности. Чем больше количество зарядов и их подвижность, тем больше электропроводность. В клетке основными свободными зарядами являются ионы калия и органические анионы, а снаружи клетки, в межклеточных пространствах и тканевых жидкостях — ионы натрия и хлора. В биол. жидкостях (кровь, спинномозговая жидкость, моча и т. д.) электропроводность пропорциональна содержанию в них сво-бодных ионов. Связанные заряды (ионогенные группы белков, липидов, углеводов), перемещение которых ограничено, и крупные ионы с малой подвижностью не оказывают существенного влияния на величину электропроводность биологических систем.

Электропроводность или сопротивление клеток, тканей, органов и целых организмов измеряют при пропускании через них постоянного или переменного синусоидальной формы тока, частота которого может изменяться от долей герца до 1010 гц.

Для измерения электрических характеристик биол. объекта применяют металлические или угольные электроды, которые прикладывают к объекту с помощью жидкостного контакта — тонкого слоя хорошо проводящей жидкости, чаще всего — физиол. раствора. В ряде случаев, напр. при измерении электропроводности цитоплазматических мембран, один из электродов вводится внутрь клетки, а другой подводится к клетке снаружи ( Микроэлектродный метод исследования). При измерении электропроводность биологических систем на постоянном и переменном токах низкой частоты важно учитывать величину поляризации электродов, поскольку за счет электродной поляризации истинные электрические параметры биол. объекта могут значительно отличаться от измеренных. Величина поляризации электродов определяется плотностью тока, которая зависит от приложенной к системе разности потенциалов, сопротивления системы, площади измерительных электродов. Чем больше площадь электродов, тем меньше плотность тока и тем меньше искажения, вносимые в измерения электродами. Поэтому для уменьшения плотности тока используют электроды с большой эффективной поверхностью, в частности платиновые электроды, покрытые платиновой чернью (их губчатое покрытие увеличивает эффективную поверхность электродов в 100 — 1000 раз). Возможно применение и так наз. неполяризующихся электродов (напр., каломельных, хлорсе- ребряных).

Для облегчения интерпретации получаемых результатов биол. систему (ткани, суспензии клеток) часто представляют в виде модели — электрической схемы, состоящей из набора активных сопротивлений и емкостей, являющихся как бы эквивалентами биол. структур клеток или тканей, участвующих в проведении электрического тока.

Измерение электропроводность биологических систем на постоянном токе из-за высокой степени поляризации мембран и электродов крайне затруднено. На низких частотах переменного тока большая часть тока протекает по межклеточным промежуткам. При увеличении частоты электрического тока реактивное сопротивление емкости падает, поляризационные явления уменьшаются. Зависимость сопротивления и емкости объекта от частоты получила название дисперсии . На высоких частотах общее сопротивление системы зависит только от активных сопротивлений межклеточных пространств и цитоплазмы.

Измерители электропроводности и концентратомеры

Измерители удельной проводимости ACS-Z. Элемент представляет собой ввинчивающийся корпус, сделанный из пластика (PVDF), в который встроены электроды и температурный сенсор Pt 100 для измерения и компенсации. Электроды сделаны из нержавеющей стали или специального графита и поставляются с различными коэффициентами электролитического элемента (cell constant) и, таким образом, измерения ранжируются. Подключение осуществляется с помощью разъемного соединения.

  • Диапазон измерений:

0,05…10 mS/cm (K=0.01 1/cm);

0.5…5000 mS/cm (K=0.1 1/cm);

5 mS/cm…100 mS/cm (K=1.0 1/cm)

  • pmax: 16 bar
  • tmax: 135°С

Индуктивный концентратомер ACI-Z служит для измерения специфической удельной проводимости в жидких материалах. Рекомендуется использовать в веществах с крупными включениями грязи, масла, жира, или где ожидается выпадение гипса и кальция в осадок. Специфические удельные проводимости могут быть измерены этим индуктивным методом с большой надежностью даже в тяжелых условиях. Наряду с этим не встречаются коррозия и поляризация электродов. Данный концентратор был разработан для работы в поле. Корпус повышенной прочности защищает электронику от проникновения агрессивной среды (степень защиты IP 65). Прибор имеет трехпроводный трансмиттер для измерения проводимости и двухпроводный — для измерения температуры (выходной сигнал — 4…20 мА).

  • Диапазон измерений: до 1000 mS/cm
  • pmax: 10 bar
  • tmax: 120°С (кратковременно — до 140 °С)

Концентратомер ACM-Z — компактный микропроцессорный измерительный прибор, предназначенный для измерения проводимости в жидкостях. Возможно панельное крепление прибора согласно DIN 47 300 или на шину. Этот просто программируемый прибор с дружественным интерфейсом может быть применен в любой отрасли промышленной метрологии. Трансмиттер поставляется с двумя аналоговыми и одним цифровым входами. Первый аналоговый вход предназначен для подключения измерительного элемента, измеряющего проводимость с константой 0,01/0,1/1,0/3,0/10,0 cm-1. Резистивный термометр Pt 100 может быть подключен ко второму аналоговому входу. Прибор имеет двухполосный светодиодный дисплей (по 4 семисегментных цифры в каждом ряду) — красный для индикации проводимости, зеленый — для индикации температуры. На дисплее также отображается комментарии при программировании прибора. Два реле могут быть сконфигурированы как ограничители величины и/или продолжительности импульса или регуляторы частоты импульсов со структурой П, ПИ или ПИД.

Концентратомеры ACM-X в панельном или полевом исполнении могут быть использованы в системах изготовления питьевой воды, при обработке воды и сточной воды. Величина, которую необходимо измерить, выбирается в меню (проводимость или сопротивление). Измеряемая величина может быть выведена на дисплей либо на любое другое устройство вывода. Температура отображается одновременно либо в °С, либо в °F.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *