Классификация веществ по электрической проводимости
Электрические свойства веществ определяются наличием в них электрических зарядов, взаимодействием этих зарядов м/у собой и внешними электрическими полями.
Электрические заряды с точки зрения степени их связи можно разделить на связанные и свободные.
Связанные – это положительные и отрицательные заряды, находящиеся в составе определенной структуры (микроструктуры) атомов, молекул, которые по действием внешнего электрического поля м/т лишь ограниченно смещаться в рамках данной структуры.
Свободные – это отдельно взятые положительные и отрицательные заряды, которые не связаны ни с какой структурой, и которые под действием внешнего электрического поля м/т перемещаться по всему объему вещества (свободные ē в металлах).
| Название | Проводники | Полупроводники | Диэлектрики | |||||||
| I рода (Me) | II рода (р-ры ē) | Плазма | Хим/ч | С примесями | Полярные | Неполярные | Кристаллические | |||
| Хар-ка↓ | n-тип | p-тип | ||||||||
| Основные носители заряда | Свободные | “Свободные” | Связанные | |||||||
| ē | ионы | ē ионы | ē дырки | ē | дырки | ядра атомов и ē | ядра атомов и ē | ионы | ||
| Основной процесс при действии ВЭЛ | Направленное (упорядоченное) движение свободных зарядов по всему V вещества -эл. ток | Направленное перемещение “свободных” зарядов от атома к атому – эл. ток | Направленное смещение связанных зарядов в пределах атома/молекулы и т.д. – эл. ток (как процесс), поляризация (как результат) | |||||||
| Название эл. тока, создаваемого основными носителями | Ток проводимости | Ток проводимости | Ток поляризации | |||||||
| электронный | ионный | электронный и ионный | ток собственной проводимости | Примесный | дипольный (ориентациооный) | электронный | ионный | |||
| электронной | дырочной | |||||||||
| Неосновные носители заряда | - | - | “Свободные” | Свободные | ||||||
| дырки | ē | ē | ē ионы | |||||||
| Название эл. тока, создаваемого неосновными носителями | - | - | Ток проводимости | Ток проводимости | ||||||
| дырочный | электронный | электронный | электронный; ионный | |||||||
| Сопротивление(ρ) | ρпр наименьшее < | ρ полупроводника < | ρ диэлектрика à ↑ | |||||||
| Хар-р изменения ρ при ↑ t0C | Увеличивается за счет усиления теплового движения частиц и столкновений | Уменьшается за счет увеличения числа свободных зарядов вследствие ионизации | ||||||||
| Примеры веществ | Ag; Cu; Al; Au | C; Si; Ge; S | H2O; HCl | N2; H2; O2 | NaCl | |||||
| Примеры тканей | Спинномозговая жидкость; сыворотка крови | Нервные и мозговые ткани; сухая кожа; эмаль зуба; ткани | ||||||||
Наименьшая теплопроводность у спинномозговой жидкости.
Закон Кулона (1785)
Это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов.
Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:
-точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров, впрочем, м/о доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии
-их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд
-взаимодействие в вакууме
F=k*q1*q2/r, где F – сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; q1,q2 – величина зарядов; k – коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются).
Закон Ома (1826)
Определяет связь м/у напряжением, силой тока и сопротивление проводника в электрической цепи.
I=U/R
RI=U
Сила тока в проводнике прямопропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Правила Кирхгофа
Сформулированы немецким физиком Густавом Кирхгофом.
Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.
∑Ii =0
Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, согласно которому ни в одной точке проводника не должны накапливаться или исчезать заряды.
Первое правило Кирхгофа можно сформулировать и так: количество зарядов, приходящих в данную точку проводника за некоторое время, равно количеству зарядов, уходящих из данной точки за то же время.
Второе правило Кирхгофа: является обобщением закона Ома.
В любом замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков этого контура:
∑εi = ∑ Ui
Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.
Правила Кирхгофа позволяют определить силу и направление тока в любой части разветвленной цепи, если известны сопротивления ее участков и включенные в них ЭДС.
Электрические свойства тканей организма. Эквивалентные электрические схемы.
Физиологической структурой организма является клетка.
Электрические свойства организма на любом уровне определяется электрическими свойствами клеток.
Рассмотрим основные типы зарядов клетки:
+/- +/-
Цитоплазма, околоклеточное вещество – проводники II рода
Мембрана – диэлектрик.
| Вид заряда | Процесс | |||
| Рисунок | Описание | Название эл. тока | Валентная схема | |
| Свободные ионы | E0 + - + + - Потери энергии вне эл. поля | Проходят ч/з мембрану, при этом сталкиваясь с другими частицами | Ток проводимости | R |
| Связанные ионы | E0 + - + - + - - + Потери энергии | Перемещаются только внутри/вне клетки, не проходят ч/з мембрану, накапливаясь на ней | Ток макроструктурной поляризации | RП CП |
| Связанные заряды в неполярных молекулах | Е0=0 Е0≠0 + - - + - + | ē смещаются в пределах молекулы; неполярные молекулы становятся полярными, практически без потерь энергии | Ток электронной поляризации | |
| Связанные заряды в полярных молекулах | Е0=0 Е0≠0 + - - + + - + - - + | Полярные молекулы поворачиваются, ориентируясь по эл. полю. Процесс идет с потерями энергии | Ток дипольной (ориентационной) поляризации | RДП СДП |
Пояснения к таблице
1 – резистивный элемент (резистор) – идеализированный элемент электрической схемы, моделирующий процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии.
2 – емкостный элемент (емкость, идеальный конденсатор) – идеализированный элемент электрической схемы, моделирующий процесс смещения и накопления зарядов.
3 – величины Rпров; Rпол; C – различны для клеток различных тканей.
4 – на любом уровне организации электрическая схема будет такой же, но параметры другими.
5 – упрощенные схемы:
Проводники: IПР
Диэлектрики: IПОЛ
6 – E0
+ -
Е`
- +
Е0 – направление ВЭЛ
Е` - направленность внутреннего электрического поля, созданного в результате поляризации.
Поляризация ведет к ослаблению ВЭЛ
ЕРЕЗ = Е0-Е`
ε= Е0/ЕРЕЗ – диэлектрическая проницаемость вещества, показывает во сколько раз уменьшилась направленность в результате поляризации.
U
E
+ -
Е=E/q; [E]=[Н/Кл]
U=A/q=F*l/q
U=E*l
E=U/l; [E]=[В/м]
Модели: IПР
-свободные заряды:
IПОЛ
-связанные заряды:
-все заряды совместно: IПР
IПОЛ
Для клетки:
IПР – ток проводимости при движении свободных ионов
RПР – сопротивление мембраны
IПОЛ – ток поляризации в цитоплазме клетки
RПОЛ – сопротивление цитоплазмы
Для ткани:
IПР – ток проводимости в межклеточном веществе
RПР – сопротивление межклеточного вещества
IПОЛ – ток поляризации во всех цитоплазмах клеток
RПОЛ – сопротивление всех цитоплазм клеток