Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в газах.

При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками — электрический ток через них не проходит.

Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц. Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей — потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.

На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

Рис. 1. Ключ

Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.

Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2, слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.

Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2, справа). Ток появляется! Почему?

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды. Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой)).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором.

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация, то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации). Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5.

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц — электрический ток в газе.

Рис. 6. Несамостоятельный разряд

На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов — к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов — к положительному электроду (аноду).

Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника. Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи. Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.

Описанный процесс, изображённый на рис. 6, называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор — и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда) показана на рис. 7.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.

При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.

С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).

При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения — а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения. Так будет происходить вплоть до некоторой точки .

После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает — начинается самостоятельный разряд. Сейчас мы разберёмся, что это такое.

Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

Начинается так называемая ионизация электронным ударом. Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.

Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе — вот почему разряд называется самостоятельным.

Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!

Вспомним ещё раз, что в газе даже при обычных условиях имеется некоторое «естественное» количество свободных зарядов, обусловленное ионизирующим радиоактивным излучением земной коры, высокочастотным излучением Солнца, космическими лучами. Мы видели, что при малых напряжениях проводимость газа, вызванная этими свободными зарядами, ничтожно мала, но теперь — при высоком напряжении — они-то и породят лавину новых частиц, дав начало самостоятельному разряду. Произойдёт, как говорят, пробой газового промежутка.

Напряжённость поля, необходимая для пробоя сухого воздуха, равна примерно кВ/см. Иными словами, чтобы между электродами, разделёнными сантиметром воздуха, проскочила искра, на них нужно подать напряжение киловольт. Вообразите же, какое напряжение необходимо для пробоя нескольких километров воздуха! А ведь именно такие пробои происходят во время грозы — это прекрасно известные вам молнии.

Движение частиц в проводнике. Постоянный электрический ток

Эти заряженные частицы в теории часто называют носителями тока. В проводниках и полупроводниках носителями тока являются электроны, в электролитах заряженные ионы. В газах носителями заряда могут быть и электроны и ионы. В металлах, например, могут перемещаться только электроны. Следовательно, электрический ток в них — есть движение электронов проводимости. Надо отметить, что результат прохождения электрического тока в металлах и электропроводящих растворах существенно отличается. В металлах не происходит химических процессов при прохождении тока. Тогда как в электролитах под воздействием тока идет выделение ионов вещества на электродах (явление электролиза). Различие в результатах действия тока объясняется тем, что носители зарядов в металле и электролите принципиально различны. В металлах — это свободные электроны, которые отделились от атомов, в растворах — это ионы, то есть атомы или их группы, которые имею заряд.

Одним из возможных решений избыточной намагниченности может быть намагничивание только поверхности детали. Этого можно добиться с помощью переменного тока и соответствующего его поверхностного эффекта. Связь между полем утечки магнитного потока и его притяжением на магнитных частицах. Способность полей утечки привлекать магнитные частицы в дополнение к упомянутым выше факторам зависит от: магнитной силы, существующей между полем Магнитная утечка потока и магнитные частицы. Силы гравитации, которые могут действовать «толкать» магнитные частицы внутри или вне разрыва.

Так, первым необходимым условием существования электрического тока, в каком — либо веществе является наличие носителей тока.

Для того чтобы заряды находились в равновесии необходимо, чтобы разность потенциалов между любыми точками проводника была равна нулю. В том случае, если это условие нарушается, то равновесия нет, тогда заряд перемещается. Следовательно, вторым необходимым условием существования электрического тока в проводнике является создание напряжения между некоторыми точками.

Для метода влажных магнитных частиц взаимодействие сил поверхностного натяжения, существующих между поверхностью объекта и среды, содержащей магнитные частицы. Некоторые из этих сил зависят от ориентации разрыва, гравитационного поля Земли, формы, размера и проницаемости магнитных частиц и среды, которая их содержит. Для сталей с более высокой проницаемостью может потребоваться более высокое магнитное поле, стараясь не перемагничивать деталь, что может привести к появлению ложных указаний, которые могут маскировать соответствующие показания.

Упорядоченное движение свободных зарядов, которое возникает в проводнике как результат воздействия электрического поля, называют током проводимости.

Однако отметим, что упорядоченное движение заряженных частиц возможно в том случае, если заряженный проводник или диэлектрик перемещать в пространстве. Подобный электрический ток называют конвекционным.

Можно считать, что магнитный поток эффективен, если он позволяет обнаруживать разрывы, ориентация которых не отклоняется более чем на 60 относительно оптимального направления. Таким образом, возможно полное покрытие путем намагничивания поверхности в двух перпендикулярных направлениях. 32.

Магнитное поле против электричества. Магнитные поля, вызванные перемещением зарядов. Материя состоит из атомов, в которых движутся электроны. Используя простую атомную модель, электронные орбиты вокруг ядра. Название: Магнитное поле Доуниверситетский молодой надежда Интенсивный физический курс, Руководство общего модуля 14 Магнетизм Дата: Магнит генерирует в своей среде магнитное поле, которое является пространством, нарушенным.

Механизм осуществления постоянного тока

Для того чтобы ток в проводнике шел постоянно, необходимо, чтобы к проводнику (или совокупности проводников — цепь проводников) было присоединено какое — либо устройство, в котором постоянно происходил процесс разделения электрических зарядов и тем самым поддерживалось напряжение в цепи. Это устройство называют источником тока (генератором). Силы, которые разделяют заряды, называют сторонними силами. Они носят неэлектрическое происхождение и действуют только внутри источника. При разделении зарядов сторонние силы создают разность потенциалов между концами цепи.

Это возмущение пространства проявляется в магнитной силе, которая. Электрические материалы Магнитные материалы Магнитные свойства материалов Электрические материалы Магнетизм проявляется силой, действующей на проводник с электрическим током. Тема 8 Магнетизм 1 Магнетизм Качество того, что некоторые материалы должны привлекать железную руду и все производные, которые мы получаем от нее. Природный магнит: магнетит обладает свойством осуществлять.

Введение В Магнезии существовал минерал, который обладал свойством привлекать, без трения, железных материалов, греки называли его магнезиальным камнем. Пьер де Марикорт придает сферическую форму. Определение и свойства магнитного поля. Магнитная сила в токе. Движение зарядов в магнитном поле. Магнитные поля, создаваемые токами.

В том случае, если электрический заряд перемещается по замкнутой цепи, то работа электростатических сил равна нулю. Значит, суммарная работа сил ($A$), которые действуют на заряд равна работе сторонних сил ($A_{st}$). Физическая величина, которая характеризует источник тока — это ЭДС источника (${\mathcal E}$), она определена как:

\[{\mathcal E}=\frac{A}{q}\left(1\right),\]

Действия внутри устройства. Нарисуйте линии магнитного поля прямолинейного магнита и подковообразного магнита. Поле, индукция Эмилио часто наблюдал использование магнитов в повседневной жизни, откуда они пришли? Тема 4: Магнитные поля. Магнетизм силы Лоренца известен с древности из-за существования естественных магнитов, особенно.

Магнитные свойства Магнитные силы Магнитные силы генерируются движением заряженных частиц электрически; Они существуют вместе с электростатическими силами. Это свойство, что тела, называемые магнитами, должны привлекать некоторые материалы, такие как железо, никель и кобальт. Название магнетизма происходит от того, что в древние времена существование было известно.

где $q$ — положительный заряд. Движение заряда идет по замкнутому контуру. ЭДС — не является силой в буквальном смысле. Единица измерения $\left[{\mathcal E}\right]=В$.

Природа сторонних сил может быть различна, так например, в гальваническом элементе сторонние силы являются результатом электрохимических процессов. В машине постоянного тока такой силой является сила Лоренца.

Введение Неизвестно, когда впервые было оценено существование магнетизма. Эта связь была обнаружена датским физиком Кристианом Эрстедом, когда он заметил, что. Заключение В этой практике магнетизма можно выделить несколько точек. Эти материалы называются ферромагнитными.

Магнетизм Магнетизм является свойством некоторых веществ, которые проявляют силы притяжения и отталкивания перед предметами из железа или стали. Органы, которые генерируют этот эффект, называются. Гравитационные и электрические линии могут начинаться или заканчиваться массами или зарядами, однако то же самое не происходит с линиями магнитного поля, которые являются линиями.

Основные характеристики тока

Направлением тока условно считают направление движения положительных частиц. Значит, направление тока в металлах имеет противоположное направление по отношению к направлению движения частиц.

Электрический ток характеризуют силой тока. Сила тока ($I$) — скалярная величина, которая равна производной от заряда ($q$) по времени для тока, который течет через поверхность S:

Департамент науки Мисс Йорма Ривера Проф. Магниты сильно привлекают металлы, такие как железо, потому что они являются материалами, которые имеют собственное магнитное поле. От ориентации иглы. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Какова сила отталкивания между двумя частицами.

Движущаяся нагрузка или набор движущихся нагрузок. Его средняя окружность имеет. Неделя Электричество 13 и магнетизм Неделя 12 Начнем! Например, поток реки выражает нам. Электромагнитная индукция Величины электрического тока. Физика 2-й бакалавр Электромагнитная индукция.

Ток может быть постоянным и переменным. В том случае, если сила тока и его направление не изменяется во времени, то такой ток называют постоянным и для него выражение для силы тока можно записать в виде:

где сила тока определена, как заряд, который проходит через поверхность S в единицу времени.

В системе СИ основной единицей измерения силы тока является Ампер (А).

Электромагнетизм Это часть физики, которая отвечает за изучение множества явлений, возникающих в результате взаимных действий между электрическими токами и магнетизмом. Поведение интерпретации. Магнитные вещества. к магнитному возбуждению. Цикл гистерезиса. магнитные цепи. Предлагаемые задачи магнитного поля.

Магнетизм Природные или искусственные магниты, такие как генерируемые ими магнитные поля или другие тела, такие как Земля, являются предметом магнетизма. Тема 4 Магнитное поле Северного сияния. Электрический удар определяется как внезапный насильственный ответ, вызванный потоком электрического тока через любую часть тела или головы. Электричество — это смерть, вызванная электричеством. Электрическое повреждение, в свою очередь, определяется как повреждение ткани, вызванное потоком электрического тока через него.

Векторной локальной характеристикой тока является его плотность. Вектор плотности тока ($\overrightarrow{j}$)- характеризует каким образом распределен ток по сечению S. Этот вектор направлен в сторону, в которую движутся положительные заряды. По модулю вектор плотности тока равен:

где $dS»$ — проекция элементарной поверхности $dS$ на плоскость, которая перпендикулярна вектору плотности тока, $dI$ — элемент силы тока, который течет через поверхности $dS\ и\ dS»$.

Электрические ожоги — это кожные поражения с некрозом, возникающие в результате потока электрического тока через кожу. Истинная частота электрических аварий неизвестна. Считается, что шанс нанести удар молнии в жизни составляет 1 в 1 миллион, а смертность этих событий составляет 30%, причем серьезные осложнения происходят, по крайней мере, в 70% случаев. {-4}\frac{м}{с}$.

Бытовые аварии в основном связаны с детьми с токами низкого напряжения. Многие люди, которые получают удар электрическим током, связаны с падением высоты, фатальными аритмиями или иным образом считаются мертвыми, и во многих из этих случаев значение поражения электрическим током не признается. Падение или внезапная смерть могут быть связаны с инфарктом миокарда или другими причинами. История должна быть осторожной, принимая во внимание показания прохожих и выживших.

Тяжелые нелетальные электрические травмы составляют от 3 до 5% от приема в центры с ожоговыми единицами, как правило, в результате контакта с высоковольтными линиями электропередач. Эти поражения часто отключаются, иногда развиваются при ампутации одного или нескольких конечностей.

Фундаментальным физическим законом является закон сохранения электрического заряда. Если выбрать произвольную замкнутую неподвижную поверхность S (рис.1), которая ограничивает объем V, то количество электричества, которое вытекает за секунду из объема V, определяется как $\oint\limits_S{j_ndS. }$ То же количество электричества можно выразить через заряд: $-\frac{\partial q}{\partial t}$, то есть мы имеем:

В дополнение к электрическим авариям, связанным с профессиональной деятельностью, двумя другими группами риска являются дети, которые получили ранения и получили ранения в домашнем хозяйстве, электрических розетках и кабелях. Вторая группа — подростки, которые занимаются рискованным поведением вокруг линий электропередач.

Электрический ток — это движение электрических зарядов; этот поток измеряется в амперах. Поток тока обусловлен электрической разностью потенциалов; эта разница измеряется как вольт. Материал, который получает электрический ток, противостоит этому потоку электрического тока; это сопротивление измеряется как Ом. Большинство биологических материалов в некоторой степени проводят электричество. Ткани с высоким содержанием жидкости и электролита проводят электричество лучше, чем ткани с меньшим содержанием жидкости и электролита.

\[\frac{\partial q}{\partial t}=-\oint\limits_S{j_ndS\left(6\right),}\]

где $j_n$ — проекция вектора плотности тока на направление нормали к элементу поверхности $dS$, при этом:

где $\alpha $ — угол между направлением нормали к dS и вектором плотности тока. В уравнении (6) употребляется частная производная для того, чтобы подчеркнуть, что поверхность S неподвижна.

Кость — это биологическая ткань с наибольшей устойчивостью к электрическому току. Сухая кожа обладает высокой устойчивостью, но потная или влажная кожа имеет сопротивление в 100 и более раз меньше. Электрический ток может быть непрерывным в направлении или с периодическим изменением направления потока тока. Переменный ток встречается в энергоснабжении домов и предприятий.

Многие из физиологических эффектов поражения электрическим током связаны с количеством, продолжительностью, типом тока и траекторией тока. Для того, чтобы ток протекал через человека, полная цепь должна быть создана с одной клеммы источника напряжения одной контактной зоны в теле, через субъекта, а затем с другой контактной области обратно к другому полюсу источника напряжения. Ток проходит через тело из одной области контакта в другую вдоль нескольких параллельных путей. Если нет только одного типа ткани, ток не течет через один «путь наименьшего сопротивления».

Уравнение (6) — есть закон сохранения заряда в макроскопической электродинамике. В том случае, если ток постоянен во времени, то закон сохранения заряда запишем в виде:

\[\oint\limits_S{j_ndS=0\left(8\right).}\]

«Физика — 10 класс»

Электрический ток
— направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.

Электрические контакты на левой и левой ножках дают ток через эти конечности и туловище, но не через другие конечности или голову. Электрический ток протекает через несколько путей в разных пропорциях, в зависимости от типа ткани, площади поперечного сечения, анатомического положения и сопротивления. В типичной конечности нервы и кровеносные сосуды имеют более низкое сопротивление ткани, за которыми следуют мышцы, а затем кости. Только небольшой процент от общего тока протекает через нервную ткань, нервы имеют более высокую плотность тока, и по этой причине нервы могут быть значительно повреждены этими поражениями, хотя большая часть тока протекает через другие близлежащие ткани с небольшим эффектом.

Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц — постоянный ток.

Какой электрический заряд называется элементарным?

Чему равен элементарный электрический заряд?

Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток
.

По мере протекания тока через резистор энергия осаждается в виде тепла. Хотя высокое напряжение является более опасным, население в целом имеет гораздо больший доступ к источникам низкого напряжения, и эти источники низкого напряжения составляют примерно половину всех телесных повреждений и смертей.

Ожоги кожи имеют тенденцию быть серьезными с высокими напряжениями, когда это требуется для серьезных повреждений, только часть секунды времени контакта может привести к ожогам кожи, которые, как правило, минимальны при несчастных случаях на дому, если контакт не остается на несколько секунд.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток имеет определённое направление.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов — отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.

Действие тока.

Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.

Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.

Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).

В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным
.

Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.

В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.

Сила тока.

Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.

Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока
.

Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно

Средняя сила тока равна отношению заряда Δq прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным
.

Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.

Сила тока, подобно заряду, — величина скалярная. Она может быть как положительной
, так и отрицательной
. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I

Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.

Пусть цилиндрический проводник (рис. 15.2) имеет поперечное сечение площадью S.

За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q 0 . В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n — концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q 0 nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (А).

Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.

Измеряют силу тока амперметрами
. Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.

Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е — модуль заряда электрона.

Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10 -6 м 2 . Модуль заряда электрона е = 1,6 10 -19 Кл. Число электронов в 1 м 3 меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 10 28 м -3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,

Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.

Условия, необходимые для существования электрического тока.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных
заряженных частиц.

Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.

Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.

Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.

На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:

Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.

Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток
. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.

9.2: Ионные связи и энергия решетки

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Развитие навыков

• Описание характеристик ионной связи.
• Количественно описать энергетические факторы, участвующие в образовании ионной связи.

Ионы – это атомы или молекулы, обладающие электрическим зарядом. Катионы заряжены положительно, а анионы заряжены отрицательно. Ионы образуются, когда атомы приобретают или теряют валентные электроны. Поскольку электроны заряжены отрицательно, атом, потерявший один или несколько электронов, станет положительно заряженным; атом, который получает один или несколько электронов, становится отрицательно заряженным. Ионная связь — это притяжение между положительно и отрицательно заряженными ионами. Эти противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу, образуя ионные сети или решетки . Электростатика объясняет, почему это происходит: противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Когда многие ионы притягиваются друг к другу, они образуют большие упорядоченные кристаллические решетки, в которых каждый ион окружен ионами противоположного заряда. Как правило, когда металлы реагируют с неметаллами, электроны передаются от металлов к неметаллам. Металлы образуют положительно заряженные ионы, а неметаллы — отрицательно заряженные ионы.

Свойства ионных соединений вытекают из упорядоченного расположения в кристаллической решетке прочно связанных заряженных частиц, из которых они состоят. Ионные соединения, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения, потому что притяжение между ионами в решетке очень сильное. Удаление ионов из решетки разрушает структуру, поэтому ионные соединения имеют тенденцию быть скорее хрупкими, чем пластичными. Ионные соединения не проводят электричество в твердом состоянии, потому что ионы не могут свободно перемещаться по решетке; однако, когда ионные соединения растворяются, они могут диссоциирует на отдельные ионы, которые свободно перемещаются в растворе и поэтому хорошо проводят электричество.

Создание ионных связей

Ионные связи образуются при химической реакции металлов и неметаллов. По определению металл относительно стабилен, если он теряет электроны, образуя полную валентную оболочку, и становится положительно заряженным. Точно так же неметалл становится стабильным, приобретая электроны, чтобы завершить свою валентную оболочку и стать отрицательно заряженным. Когда металлы и неметаллы реагируют, металлы теряют электроны, передавая их неметаллам, которые их приобретают. Следовательно, образуются ионы, которые мгновенно притягиваются друг к другу — ионная связь. В общем ионном соединении должны быть уравновешены положительные и отрицательные заряды, потому что электроны не могут создаваться или разрушаться, а только переносятся. Таким образом, общее количество электронов, потерянных катионными частицами, должно равняться общему количеству электронов, полученных анионными частицами.

Ионные соединения удерживаются вместе электростатическими силами, которые описываются в классической физике законом Кулона . Согласно этому закону, энергия электростатического притяжения (\(Е\)) между двумя заряженными частицами пропорциональна величине зарядов (\(Q)1\) и \(Q_2\)) и обратно пропорциональна межъядерное расстояние между частицами (\(r\)):

\[E \propto \dfrac{Q_{1}Q_{2}}{r} \label{Eq1a} \]

Энергия притяжения (\ (E\)) является типом потенциальной энергии , так как она основана на положении заряженных частиц относительно друг друга. Если две частицы имеют противоположные заряды (как в ионных соединениях), значение (\(E\)) будет отрицательным, а это означает, что энергия высвобождается при сближении частиц, то есть частицы естественным образом притягиваются друг друга. Согласно закону Кулона, чем больше величина заряда каждой частицы, тем сильнее будет притяжение. Так, например, Mg ^{2 +} и O ^2- будут иметь более сильное притяжение, чем Na ⁺ и Cl ^— , из-за больших зарядов. Кроме того, чем ближе заряды друг к другу, тем сильнее притяжение. Следовательно, ионы меньшего размера также образуют более прочные ионные связи.

В ионной решетке одновременно взаимодействуют более двух заряженных частиц, высвобождая количество энергии, известное как энергия решетки . Энергия решетки не совсем такая, как предсказывает закон Кулона, но применяются те же общие принципы электростатического притяжения. В ионном соединении значение энергии решетки соответствует прочности ионной связи.

Пример \(\PageIndex{1}\): Хлорид натрия

Например, в реакции Na (натрий) и Cl (хлор) каждый атом Cl отбирает один электрон у атома Na. Поэтому каждый Na становится катионом Na ⁺ , а каждый атом Cl становится анионом Cl ^— . Из-за их противоположных зарядов они притягиваются друг к другу, образуя ионную решетку. Формула (отношение положительных ионов к отрицательным) в решетке \(\ce{NaCl}\).

\[\ce{2Na (т) + Cl2(г) \rightarrow 2NaCl (т)} \номер\]

Эти ионы расположены в твердом \(\ce{NaCl}\) в правильном трехмерном расположение (или решетка):

решетка NaCl. (слева) трехмерная структура и (справа) простой двухмерный срез решетки. Изображения использованы с разрешения Википедии и Майка Блабера.

Хлор имеет высокое сродство к электронам, а натрий имеет низкую энергию ионизации. Таким образом, хлор получает электрон от атома натрия. Это можно представить с помощью точечных символов Льюиса, показывающих валентные электроны в каждом атоме (здесь мы будем рассматривать один атом хлора, а не Cl ₂ ):

Изогнутая стрелка указывает на перенос электрона от натрия к хлору с образованием иона металла Na ⁺ и иона хлорида Cl ^— . Теперь каждый ион имеет полную валентную оболочку из восьми электронов:

• Na ^+: 2s ² 2p ⁶
• Класс ^— : 3s ² 3p ⁶

Электронная конфигурация ионов

Если ионная связь становится сильнее для соединений с более высоко заряженными ионами, то почему натрий теряет только один электрон с образованием Na ⁺ вместо, скажем, Na ²⁺ ? Количество электронов, переносимых между ионами, зависит не только от энергии, выделяемой при образовании решетки, но также и от энергии, необходимой для отрыва электронов от одного атома и добавления их к другому. Другими словами, энергия решетки, высвобождаемая при образовании ионного соединения, должна быть уравновешена требуемой энергией ионизации и сродством к электрону образующихся ионов. Поскольку ион Na ⁺ имеет электронную конфигурацию благородного газа, отрыв следующего электрона от этой стабильной конфигурации потребует больше энергии, чем то, что высвобождается при формировании решетки (натрий I ₂ = 4560 кДж/моль). Таким образом, натрий присутствует в ионных соединениях в виде Na ⁺ , а не Na ²⁺ . Точно так же добавление электрона для заполнения валентной оболочки (и достижения электронной конфигурации благородного газа) является экзотермическим или лишь слегка эндотермическим. Чтобы добавить дополнительный электрон в новую подоболочку, требуется огромная энергия — больше, чем энергия решетки. Так, в ионных соединениях мы находим Cl ^— , но не Cl ^2-. Как правило, элементы главной группы образуют ионы только с ближайшей электронной конфигурацией благородного газа — в противном случае энергии решетки не хватило бы для компенсации энергии ионизации / сродства к электрону

Типичные значения энергии решетки могут компенсировать такие большие значения, как I ₃ для валентных электронов (т.е. могут лишить катионы до 3 валентных электронов). Поскольку большинству переходных металлов потребуется удалить более 3 электронов, чтобы получить ядро ​​из благородного газа, они не встречаются в ионных соединениях с ядром из благородного газа. Переходный металл всегда сначала теряет электроны с более высокой подоболочки «s», а затем теряет электроны с нижележащей подоболочки «d». (Остальные электроны в незаполненной подоболочке d являются причиной ярких цветов, наблюдаемых во многих соединениях переходных металлов!) Например, ионы железа будут , а не образуют ядро ​​благородного газа:

• Fe: [Ar]4s ² 3d ​​ ⁶
• Fe ²⁺ : [Ar] 3d ⁶
• Fe ³⁺ : [Ar] 3d ⁵

Некоторые ионы металлов могут образовывать ядро ​​псевдоблагородного газа (и быть бесцветными), например:

• Ag: [Kr]5s ¹ 4d ¹⁰ Ag ⁺ [Kr]4d ^{10 :} Соединение AgCl
• Cd: [Kr]5s ² 4d ¹⁰ Cd ²⁺ [Kr]4d ¹⁰ Соединение: CdS

Примечание: Атомы серебра и кадмия потеряли 5s-электроны при переходе в ионное состояние. Помните, что атомы всегда первыми теряли электроны из подоболочки с наибольшим квантовым числом n (то есть за 5s до 4d).

Когда из атома образуется положительный ион, электроны всегда теряются первыми из подоболочки с наибольшим главным квантовым числом.

Многоатомные ионы

Не все ионные соединения образуются только из двух элементов. Существует множество многоатомных ионов , в которых два или более атома связаны друг с другом ковалентными связями. Они образуют стабильную группу, которая несет заряд (положительный или отрицательный). Группа атомов в целом действует как заряженная частица при образовании ионного соединения с противоположно заряженным ионом. Многоатомные ионы могут быть как положительными, так и отрицательными, например:

• NH ₄ ⁺ (аммоний) = катион
• SO ₄ ^2- (сульфат) = анион

Принципы ионной связи с многоатомными ионами такие же, как и с одноатомными ионами. Противоположные ионы объединяются, образуя кристаллическую решетку, высвобождая энергию решетки. Основываясь на форме и зарядах многоатомных ионов, эти соединения могут образовывать кристаллические решетки с интересной и сложной структурой.

Энергетика образования ионных связей

Ионные связи образуются, когда положительно и отрицательно заряженные ионы притягиваются электростатическими силами. Рассмотрим одну пару ионов, один катион и один анион. Насколько велика будет сила их притяжения? Мы можем переписать Закон Кулона (уравнение \ref{Eq1a}) количественно для любых двух заряженных частиц:

\[ E = k\dfrac{Q_{1}Q_{2}}{r} \label{Eq1b} \]

где заряд каждого иона представлен символом \( Q\) , а межъядерное расстояние между частицами представлено (\(r\)). Константа пропорциональности к равна 2,31 × 10 ⁻²⁸ Дж·м. Это значение \( к\) включает заряд одного электрона (1,6022 × 10 ^-19 С) для каждого иона. Уравнение также можно записать, используя заряд каждого иона, выраженный в кулонах (Кл), включенный в константу. В этом случае константа пропорциональности k равна 8,999 × 109 Дж·м/Кл ² . В приведенном примере Q ₁ = +1 (1,6022 × 10 ⁻¹⁹ C) и Q ₂ = −1 (1,6022 × 10 ⁻¹⁹ C). Если \(Q_1\) и \(Q_2\) имеют противоположные знаки (как в \(\ce{NaCl}\), например, где Q ₁ равно +1 для Na ⁺ и Q ₂ равно −1 для Cl ⁻ ), тогда E отрицательно, что означает, что энергия высвобождается при переносе противоположно заряженных ионов вместе с бесконечного расстояния, чтобы сформировать изолированную ионную пару.

Энергия всегда высвобождается при образовании связи, и, соответственно, всегда требуется энергия для разрыва связи.

Как показано зеленой кривой в нижней половине рисунка \(\PageIndex{1}\), максимальная энергия будет выделяться, когда ионы находятся бесконечно близко друг к другу, при r = 0. Однако, поскольку ионы занимают пространство и имеют структуру с положительным ядром, окруженным электронами, они не могут находиться бесконечно близко друг к другу. На очень коротких расстояниях отталкивающие электрон-электронные взаимодействия между электронами на соседних ионах становятся сильнее, чем притягивающие взаимодействия между ионами с противоположными зарядами, как показано красной кривой в верхней половине рисунка \(\PageIndex{1}\). Полная энергия системы представляет собой баланс между притягивающими и отталкивающими взаимодействиями. Фиолетовая кривая на рисунке \(\PageIndex{1}\) показывает, что полная энергия системы достигает минимума при r ₀ , точка, в которой электростатическое отталкивание и притяжение точно сбалансированы. Это расстояние совпадает с экспериментально измеренным расстоянием связи .

Рисунок \(\PageIndex{1}\): График зависимости потенциальной энергии от межъядерного расстояния для взаимодействия между газообразным ионом Na ⁺ и газообразным ионом Cl ⁻ . Энергия системы достигает минимума на определенном расстоянии ( r 9{ 23}\; \отменить{ион\; пар}/моль\право )=-589\; кДж/моль \label{Eq3} \]

Это энергия, выделяемая при образовании 1 моль газообразных ионных пар, , а не , когда 1 моль положительных и отрицательных ионов конденсируется с образованием кристаллической решетки. Из-за дальнодействующих взаимодействий в структуре решетки эта энергия не соответствует непосредственно энергии решетки кристаллического твердого тела. Однако большое отрицательное значение указывает на то, что объединение положительных и отрицательных ионов энергетически очень выгодно, независимо от того, образуется ли ионная пара или кристаллическая решетка.

Подытожим важные моменты об ионной связи:

• При r ₀ ионы более стабильны (имеют меньшую потенциальную энергию), чем на бесконечном межъядерном расстоянии. При сближении противоположно заряженных ионов от r = ∞ до r = r ₀ энергия системы понижается (выделяется энергия).
• Из-за низкой потенциальной энергии на r ₀ , для разделения ионов в систему необходимо добавить энергию. Необходимое количество энергии – это энергия связи.
• Энергия системы достигает минимума на определенном межъядерном расстоянии (расстоянии связи).

Пример \(\PageIndex{2}\): LiF

Рассчитайте количество энергии, выделяющейся при образовании 1 моль газообразных пар ионов Li ⁺ F ⁻ из разделенных ионов. Наблюдаемое межъядерное расстояние в газовой фазе равно 156 пм.

Дано: катион и анион, количество и межъядерное расстояние

Запрошено: энергия, высвобождаемая при образовании пар газообразных ионов

Стратегия:

Подставьте соответствующие значения в уравнение }\), чтобы получить энергию, выделяемую при образовании одной пары ионов, а затем умножить это значение на число Авогадро, чтобы получить энергию, выделяемую на моль.

Решение:

Вставка значений для Li 9{23} \cancel{\text{ионная пара}}/моль\справа)\\[5pt] &−891 \;кДж/моль \end{align*}\]

Потому что Li ⁺ и F ^— меньше, чем Na ⁺ и Cl ^— (см. раздел 7.3), межъядерное расстояние в LiF короче, чем в NaCl. Следовательно, в соответствии с уравнением \(\ref{Eq1b}\), при образовании 1 моль газообразных пар ионов Li ⁺ F ^— выделяется гораздо больше энергии (-891 кДж/моль), чем при образовании 1 моль газообразный Na ⁺ Cl 9Образуется 0064 — ионных пар (-589 кДж/моль).

Упражнение \(\PageIndex{2}\): Оксид магния

Рассчитайте количество энергии, выделяющееся при образовании 1 моль газообразных пар ионов \(\ce{MgO}\) из разделенных ионов. Межъядерное расстояние в газовой фазе равно 175 пм.

Ответить

−3180 кДж/моль = −3,18 × 10 ³ кДж/моль

Резюме

Ионные соединения образуются, когда электроны переносятся между атомами или группами атомов с образованием заряженных ионов, которые затем образуют структуру кристаллической решетки благодаря электростатическому притяжению. Образование ионных соединений обычно чрезвычайно экзотермический . Сила электростатического притяжения между ионами с противоположными зарядами прямо пропорциональна величине зарядов ионов и обратно пропорциональна межъядерному расстоянию. Полная энергия системы представляет собой баланс между отталкивающими взаимодействиями между электронами на соседних ионах и притягивающими взаимодействиями между ионами с противоположными зарядами.

Авторы

• http://en.wikibooks.org/wiki/User:Jplego/Collections

• Майк Блабер (Университет штата Флорида)

• Изменено Джошуа Халперном (Университет Говарда)

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. ионная связь
   2. Энергия решетки

Зарядка капель и определение задержки капель во время эксперимента по электростатической сортировке клеток

Способ зарядки капель является одним из наиболее нелогичных и сложных аспектов сортировки клеток.

Мой собственный опыт начинающего цитометриста подтверждает это утверждение. Я отчетливо помню свои попытки понять, как именно все компоненты сортировки объединяются для выполнения задач прибора, но когда я, наконец, это сделал, , я получил гораздо более глубокое понимание сортировки клеток как целостного процесса, а не неопределенной суммы его частей.

Я надеюсь, что смогу помочь более точному представлению о процессе, основанному на реальности физики и механики, а не окутанной магией.

С этой целью наиболее важным моментом является то, что метод электростатической сортировки клеток, который является наиболее широко используемым типом сортировки, основан на зарядке капель.

Как работает электростатическая сортировка клеток в проточной цитометрии

Электростатическая сортировка клеток — сложный процесс, который продолжает совершенствоваться.

Для большинства электростатических сортировщиков клеток поток проточной жидкости, содержащий смесь частиц, исследуется лазером, а результирующий оптический сигнал собирается и обрабатывается оптическими системами и системами обработки сигнала, которые почти идентичны тем, что используются в лучших аналитических проточных цитометрах. .

Жидкости чаще всего состоят из проточной жидкости, первого компонента, который проходит через систему в ламинарном потоке. Движение этого интродьюсера может быть достигнуто несколькими механизмами, наиболее распространенным методом является использование давления, создаваемого насосами. Вторым компонентом флюидики является порт ввода пробы. Здесь образец проталкивается для введения в проточную жидкость.

Основываясь на принципах гидродинамической фокусировки, эти клетки выстраиваются в один ряд в направлении потока, где они будут проходить точку опроса. Последним основным компонентом флюидики является проточная ячейка, в которой все объединяется.

Все можно отсортировать, если оно достаточно велико, чтобы его можно было обнаружить прибором (это зависит от прибора, но для многих приборов приемлемо > 0,5 мкм) и достаточно маленькое, чтобы пройти через наконечник сопла в конце потока ячейки, не забивая ее и не вызывая нестабильности бокового потока (обычно < 1/5 размера наконечника сопла).

После опроса поток разделяется на капли одинакового размера, которые генерируются с чрезвычайно высокой, стабильной и предсказуемой скоростью.

Эти капли формируются путем подачи акустической волны через пьезоэлектрическое устройство в проточную ячейку прибора. При обнаружении целевой частицы к капле, содержащей эту целевую частицу, прикладывается заряд.

Все капли, заряженные или незаряженные, затем проходят через электрическое поле, создаваемое отклоняющими пластинами.

Заряженные частицы притягиваются к пластинам, от незаряженных капель, и попадают в сборные трубы, образуя боковые потоки, а незаряженные капли попадают в отходы (см. рисунок ниже).

Как капли заряжаются и как рассчитывается задержка капли

Первым ключом к пониманию применения заряда является то, что он происходит в проточной кювете и применяется ко всему подключенному потоку, а не к каплям по отдельности .

Это может показаться нелогичным — точка, в которой целевая капля заряжается (в месте отрыва), находится значительно ниже по потоку от места подачи заряда (в сопле).

Однако зарядка должна происходить в точке на пути жидкости, где поток может беспрепятственно взаимодействовать с проводом. Это может произойти только в проточной кювете.

Вторым ключом к пониманию применения заряда является расчет задержки сброса. Значение задержки капли, которое неизменно является наиболее важным параметром сортировки, определяется как расстояние во времени между точкой опроса лазера и точкой отрыва капли.

Отрыв капли — это стабильная и предсказуемая точка потока, в которой он начинает разделяться на капли. Выше обрыва поток непрерывен и связан; под ним поток разъединен в виде дискретных капель.

Задержка сброса определяет, как долго система должна ждать, прежде чем применит заряд после обнаружения целевой частицы.

Интересно, что задержка капель указывается не в секундах, а в единицах периодов капель, которые можно рассчитать как 1/частота капель. Например, задержка капли 34,67 означает, что сортировщик должен ждать 34,67 цикла капель, прежде чем применить заряд.

Задействованное время определяется продолжительностью, в течение которой частица перемещается от точки лазерного опроса до места отрыва капли. Расчет этого времени имеет решающее значение для получения адекватных значений восстановления сортировки, что является лучшим показателем производительности сортировки ячеек.

Что такое решение о сортировке клеток методом проточной цитометрии?

Как только целевая частица обнаружена лазером, запускается таймер обратного отсчета задержки падения.

Частица покидает точку опроса лазера и начинает двигаться по течению, приближаясь к обрыву. Как только частица попадает в разрыв, к непрерывному потоку от проволоки в сопле прикладывается потенциал.

Весь связанный поток удерживается при этом потенциале в течение времени, которое частица-мишень проводит в отрыве, что составляет ровно один период капли. В тот самый момент, когда частица покидает период отрыва и инкапсулируется в каплю, поток возвращается к своему почти нулевому потенциалу.

В результате капля, содержащая ячейку-мишень, сохранила только что приложенный потенциал, но остальная часть потока теперь не заряжена. Этот процесс повторяется каждый раз, когда целевая частица обнаруживается лазером, будь то зеленый лазер, желтый лазер, фиолетовый лазер, УФ-лазер или другой лазер для проточной цитометрии, и принимается решение о сортировке.

На этом история не заканчивается. Изолированный заряд на отколовшихся каплях оказывает электростатическое воздействие на ионы (Na ⁺ или Cl ^– ) в уже нейтрализованном потоке.

Затем соответствующие ионы мигрируют вниз по потоку к отколовшейся и противоположно заряженной капле, что приводит к небольшой изоляции заряда на других каплях по мере их отрыва. Чтобы компенсировать это, прибор должен подавать небольшое количество нейтрализующего заряда на эти капли, чтобы обеспечить заряд только целевых капель.

Этот процесс называется по-разному в зависимости от инструмента, включая «Defanning» и «2 ^nd , 3 ^rd и 4 ^th drop».

Как работают эксперименты по двусторонней сортировке клеток

Двустороннюю сортировку можно проводить, заряжая капли положительным и отрицательным потенциалами.

Капли, заряженные положительным потенциалом, будут притягиваться к отклоняющей пластине с отрицательным потенциалом, а капли, заряженные с отрицательным потенциалом, будут притягиваться к отклоняющей пластине с положительным потенциалом.

Четырех- или шестисторонняя сортировка может выполняться путем изменения количества положительного или отрицательного заряда капель. Капли с большими величинами будут притягиваться ближе к пластинам, чем капли с меньшими величинами, образуя два (или три) боковых потока по обе стороны от центрального потока.

Аналогия может помочь лучше понять это. Представьте себе очень большой универмаг с одним набором вращающихся дверей, через которые покупатели должны войти. Этот портал между внешним миром и внутренней частью магазина является разрывом. Происходит очень большая акция, и покупатели вежливо выстраиваются в очередь снаружи, гуськом, ожидая входа в магазин.

Чтобы обеспечить упорядоченный приток большого количества покупателей, пришедших на рекламную акцию, каждому покупателю предлагается идти налево или направо (или не дается никаких указаний), когда он входит в магазин, чтобы они могли взаимодействовать с торговый персонал, который еще не помогает другим клиентам.

Однако эти инструкции даются им только при прохождении через вращающиеся двери. Когда покупатели входят во вращающуюся дверь, им говорят: «Оказавшись внутри, пожалуйста, идите налево», «Оказавшись внутри, пожалуйста, идите направо» или просто тишина.

Те, кому даны инструкции, расходятся слева и справа от дверей, а те, кто не получил инструкции, продолжают двигаться вперед, в результате чего внутри магазина образуется упорядоченный поток покупателей в трех разных направлениях.

Подобно этим клиентам, капли получают свои инструкции, когда они проходят через разрыв, но все еще прикреплены к потоку и затем могут действовать в соответствии с этими инструкциями (с помощью отклоняющих пластин), когда они высвобождаются как отдельные капли. .

Поняв, как работает электростатическая сортировка клеток, в частности, как заряжаются капли и как рассчитывается задержка капель , вы сможете лучше организовать успешный эксперимент по сортировке клеток с помощью проточной цитометрии. Проведение успешного эксперимента по сортировке поможет вам достичь высоких значений восстановления сортировки, что позволит провести точный анализ ваших ячеек, а также использовать больше ячеек для последующих экспериментов.

Чтобы узнать больше об электростатической сортировке клеток и получить доступ ко всем нашим передовым материалам, включая 20 обучающих видеороликов, презентаций, рабочих тетрадей и членство в закрытых группах, запишитесь в список ожидания мастер-класса по проточной цитометрии.

Материя состоит из мельчайших частиц

Обзор урока для учителей

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать, что вы и ваши ученики будете делать на этом уроке.

Идентификатор Youtube: Ll2ao9Irwgg

Загружаемые файлы:  
План урока (PDF)  | Лист активности учащихся (PDF)  | Студенческое чтение (PDF)  | История учителя (PDF)  | Подключения к NGSS (PDF)

Цель 

Учащиеся разработают модель, описывающую, что материя состоит из крошечных частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть. Студенты будут использовать модель для описания различий в притяжении между частицами твердого тела, жидкости и газа. Наконец, учащиеся будут использовать свои модели твердых тел, жидкостей и газов, чтобы объяснить свои наблюдения на уроке.

Ключевые понятия

• Вещество на Земле находится в твердом, жидком или газообразном состоянии.
• Твердые тела, жидкости и газы состоят из крошечных частиц, называемых атомами и молекулами .
• В твердом теле частицы сильно притягиваются друг к другу. Они расположены близко друг к другу и вибрируют в одном положении, но не проходят мимо друг друга.
• В жидкости частицы притягиваются друг к другу, но не так сильно, как в твердом теле. Частицы жидкости находятся близко друг к другу, всегда движутся и могут скользить друг относительно друга.
• В газе частицы очень слабо притягиваются друг к другу. Они находятся очень далеко друг от друга по сравнению с частицами в твердом теле или жидкости и постоянно движутся. Частицы не взаимодействуют друг с другом, а просто ударяются и отскакивают друг от друга при столкновении.

Выравнивание NGSS

• NGSS 5-PS1-1:  Разработайте модель, описывающую, что материя состоит из частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть.

Резюме

• Студенты знакомятся с идеей, что материя состоит из мельчайших частиц, называемых атомами и молекулами.
• Учащиеся наблюдают за цельнометаллическим молотком и гвоздем и просматривают анимацию молекулярной модели частиц в твердом теле.
• Учащиеся сжимают гибкую пластиковую бутылку с воздушным шаром сверху бутылки, чтобы разработать модель частиц газа.
• Студенты также пытаются сжать бутылку, наполненную водой, чтобы разработать модель частиц жидкости.
• Студенты смотрят короткую анимацию, иллюстрирующую невероятно крошечные размеры атомов и молекул.
•  Наконец, студенты выдвигают аргумент, что, хотя горка крема для бритья сохраняет свою форму, она не является твердой, и что хотя песок принимает форму контейнера, он не является жидкостью.

Оценка

Распечатайте лист с заданиями учащегося и раздайте по одному учащемуся, если это указано в задании. Рабочий лист будет служить компонентом оценки плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подобранные защитные очки.

Уборка и утилизация

Напомните учащимся мыть руки после выполнения заданий.
Сохраните бутылки и песок для будущего использования. Все другие обычные бытовые или школьные материалы можно сохранить или утилизировать обычным образом.

Материалы

Демонстрационные материалы

• Молоток, гвоздь и дерево

Материалы для каждой группы

• Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18-20 унций) с крышкой
• Воздушный шар

Примечание: гибкие пластиковые бутылки из-под газировки работают лучше, чем одноразовые бутылки из-под воды из , потому что бутылки для воды часто не очень гибкие и имеют тенденцию полностью разрушаться при сжатии.

Материалы для демонстрации EXTRA EXTEND

• Крем для бритья
• Маленькая пластиковая или бумажная тарелка
• Песок
• 2 прозрачных пластиковых стаканчика

Engage

1. Продемонстрируйте, что молоток представляет собой твердое тело.

Скажите учащимся, что все, что они могут увидеть и потрогать, называется материей . Объясните, что вся материя на Земле существует в виде твердого тела, жидкости или газа и что все твердые тела, жидкости и газы состоят из мельчайших частиц, называемых атома и молекулы .

Скажите учащимся, что атом — это наименьший строительный блок материи, а молекула — это два или более атомов, соединенных вместе. Атомы и молекулы настолько малы, что мы их не видим. Ученые используют модели, чтобы попытаться понять поведение атомов и молекул и помочь объяснить свойства материи.

Примечание: Несмотря на то, что атомы и молекулы разные, в целях этого урока они оба будут представлены одинаково в виде круга или сферы. В последующих уроках они будут показаны на разных моделях.

Материалы

• Молоток
• Гвоздь
• Дерево

Процедура

1. Используйте молоток, чтобы частично вбить гвоздь в кусок дерева.
2. Поднимите молоток и объясните учащимся, что твердые твердые материалы, такие как металл молотка, состоят из атомов, которые сильно притягиваются друг к другу, поэтому они крепко держатся друг за друга.

Примечание: Если вы не хотите забивать гвоздь в дерево, просто слегка постучите молотком по твердой, прочной, небьющейся поверхности, например по столу или стулу.

Показать анимацию Частицы твердого тела.
Объясните, что частицы в твердом теле сильно притягиваются друг к другу и колеблются на месте. Сильное притяжение между частицами удерживает их близко друг к другу и делает твердые тела, такие как металл в молотке, твердыми.

Раздайте каждому учащемуся  Рабочий лист (PDF) .
Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе задания.

Исследовать

2. Предложите учащимся посмотреть на свою «пустую» бутылку, а затем поэкспериментировать с воздушным шаром на ней.

Вопрос для исследования: действительно ли пустая бутылка пуста?

Материалы для каждой группы

• Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18–20 унций) с крышкой
• Воздушный шар 

Примечание: Пластиковые одноразовые бутылки для воды не подходят, потому что они не очень гибкие и имеют тенденцию полностью разрушаться при сжатии.

Процедура

1. Предложите учащимся посмотреть на открытую бутылку и взять ее в руки.

Спросите учащихся:

• Если в бутылке нет жидкости, то является ли она полностью пустой?
  Возможно.
• В бутылке вообще что-нибудь есть?
  Да, в бутылке есть воздух.

Объясните, что в бутылке есть воздух и что воздух состоит из различных газов, таких как кислород, азот и углекислый газ, которыми мы дышим каждый день. Объясните, что газ состоит из мельчайших частиц. Скажите учащимся, что газ сильно отличается от твердого тела.

Скажите учащимся, что если они все еще сомневаются в том, что в бутылке что-то есть, они могут надеть на бутылку воздушный шар и посмотреть, что произойдет, когда они сожмут бутылку.

2. Аккуратно наденьте шарик на горлышко бутылки.
3. Держите бутылку и сжимайте ее до тех пор, пока вы не сможете сжимать ее дальше.

Спросите учащихся:

• Что происходит с шариком, когда вы сжимаете бутылку?
  Баллон расширяется.

• Как вы думаете, что произошло с молекулами газа, когда вы сжали бутылку и шарик расширился?
  Молекулы газа должны были попасть из бутылки в воздушный шар.

Объяснить

3. Покажите анимацию и обсудите, как использование воздушного шара показывает, что в бутылке должно быть что-то.

Показать анимацию Частицы газа в бутылке.

Объясните, что сферы представляют собой частицы газа. Объясните, что частицы газа не сильно притягиваются друг к другу, а просто ударяются друг о друга и отскакивают. Частицы также намного дальше друг от друга, чем в твердом теле.

Объясните, что когда бутылку сжимают, молекулы газа перемещаются из бутылки в воздушный шар, заставляя его расширяться.

4. Попросите учащихся сжать бутылку с крышкой.

Вопрос для исследования:  Можно ли заставить молекулы газа сблизиться?
 

Материалы для каждой группы

• Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18–20 унций) с крышкой

Процедура

1. Снимите баллон с флакона и плотно наденьте крышку.
2. Сожмите бутылку.

Спросите учащихся:

• В бутылке находятся молекулы газа. Когда крышка плотно закрыта, вы смогли сжать бутылку?
  Да
• Вы не можете сжать твердое тело, такое как металл или камень, так что же такого в молекулах газа, что позволяет вам сжимать его?
  Молекулы газа находятся очень далеко друг от друга, поэтому их можно сжать в меньшее пространство.

Показать анимацию  Наблюдение за газом в бутылке.

Объясните, что с закрытой крышкой бутылку все еще можно сжать, потому что молекулы газа имеют большое пространство между собой и могут быть сжаты.

Исследуйте

5. Предложите учащимся исследовать бутылку с водой.

Вопрос для исследования:  Можно ли заставить молекулы жидкости сблизиться?
 

Материалы для каждой группы

• Гибкая пластиковая бутылка из-под содовой (18–20 унций) с крышкой
• Вода

Процедура

1. Наполните бутыль до самого верха и плотно закройте бутылку крышкой.
2. Сожмите бутылку.

Ожидаемые результаты

Бутылку очень трудно сжать. Он почти кажется твердым.

Спросите учащихся:

• Удалось ли вам сжать бутылку так сильно, как когда в ней был газ?
  №
• Сдавив бутылку с газом и бутылку с жидкостью, как вы скажете, частицы жидкости ближе друг к другу или дальше друг от друга, чем частицы газа?
  Ближе друг к другу

Объяснить

6. Покажите анимацию и обсудите движение и расположение частиц жидкости.

Показать анимацию Жидкость в бутылке.

Объясните, что частицы жидкости притягиваются гораздо сильнее, чем частицы газа, и что они гораздо ближе друг к другу. Они почти так же близко друг к другу, как твердое тело, но они могут скользить друг мимо друга. Они настолько близко друг к другу, что их очень трудно сжать.

7. Покажите анимацию и сравните движение и расположение частиц твердого тела, жидкости и газа.

Показать анимацию  Сравнение твердого тела, жидкости и газа.

• Твердое тело: Объясните, что в твердом теле частицы сильно притягиваются друг к другу, поэтому они находятся близко друг к другу. Частицы могут двигаться в своих фиксированных положениях, но не могут скользить друг мимо друга.
• Жидкость: В жидкости частицы также притягиваются друг к другу, но не так сильно, как в твердом теле. Частицы находятся близко друг к другу, постоянно движутся и могут скользить друг мимо друга.
• Газ: В газе частицы почти не притягиваются друг к другу. Они находятся очень далеко друг от друга и просто ударяются и отскакивают друг от друга, постоянно перемещаясь.

Расширить

8. Покажите анимацию и обсудите, насколько малы атомы и молекулы.

Учащихся познакомили с идеей о том, что вещество, твердое, жидкое или газообразное, состоит из мельчайших частиц, называемых атомами и молекулами. Объясните учащимся, что иллюстрации и анимации атомов и молекул, которые они видели, являются моделями, используемыми для представления атомов и молекул . Объясните, что реальный размер атомов и молекул невероятно мал, в триллионы раз меньше, чем точки или сферы, которые мы используем для их представления.

На самом деле атомы и молекулы настолько малы, что миллионы из них поместились бы на месте одной точки в конце предложения.

Показать анимацию Атомы маленькие — очень маленькие.

Скажите учащимся, что анимация рассказывает о том, насколько невероятно малы атомы и молекулы. Он основан на количестве молекул воды в столовой ложке воды, что составляет около 600 000 000 000 000 000 000 000 — около 600 миллиардов триллионов, поэтому они очень маленькие.

Extra Extend

9. Подумайте, являются ли крем для бритья и песок твердыми, жидкими или газообразными.

Сообщите учащимся, что в некоторых книгах и других источниках состояния материи могут быть определены более просто следующим образом:

• Твердое тело – сохраняет свою форму даже без контейнера
• Жидкость – принимает форму контейнера
• Газ – Распределяется для заполнения любого контейнера

Вопрос для исследования:  Как классифицировать вещества, которые не соответствуют этим простым определениям твердых тел, жидкостей и газов?
 

Материалы для демонстрации

• Песок
• 2 прозрачных пластиковых стаканчика
• 1 банка крема для бритья
• 1 небольшая пластиковая или бумажная тарелка

Подготовка учителя:

• Насыпьте от ¼ до ½ стакана песка в один пластиковый стаканчик.
• Нанесите небольшое количество крема для бритья на бумажную тарелку для демонстрации.

Является ли песок жидкостью?

Процедура

1. Осторожно пересыпьте песок из одной чашки в другую.

Спросите учащихся:

• Принимает ли песок форму чаши?
  Да.
• Значит ли это, что песок является жидкостью?
  Нет. Каждый кусок песка является твердым, но эти кусочки настолько малы, что, когда вы их насыпаете, они принимают форму контейнера. Песок — твердое тело, но ведет себя как жидкость, потому что его крошечные кусочки принимают форму контейнера, в который вы его насыпаете.

Является ли крем для бритья твердым веществом?     

Процедура, продолжение

1. Покажите учащимся горку крема для бритья.

Спросите учащихся:

• Если вы не прикасаетесь к нему, сохраняет ли холмик крема для бритья свою форму без контейнера?
  Да
• Означает ли это, что это твердое тело?
  Нет.