Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология»

Скачать 1.75 Mb.

Название	Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология»
страница	14/22
Дата публикации	24.04.2015
Размер	1.75 Mb.
Тип	Учебное пособие

100-bal.ru > Физика > Учебное пособие

1 ... 10 11 12 13 14 15 16 17 ... 22

Электрический ток

Под электрическим током понимают направленное движение электрических зарядов. Различают ток проводимости и конвекционный ток. Общий признак любого тока — он является источником магнитного поля.

Плотность тока — векторная характеристика электрического тока, численно равная отношению силы тока сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, образующих ток, к площади этого элемента:

. Плотность потока частиц связана с концентрацией и скоростью их направленного движения

. Умножив на заряд

носитель тока, получим плотность тока или в векторной форме:

; для силы тока запишем следующее выражение:

Сила тока есть производная по времени от заряда, проходящего сквозь некоторое сечение или поверхность.

Для того чтобы ток протекал по проводнику, необходимо на его концах поддерживать разность потенциалов. Это осуществляется источниками тока. Электродвижущей силой (ЭДС) источника называют величину, численно равную работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда по всей цепи

. Для токов, протекающих в электрических цепях, наблюдаются закономерности, которые получили статус законов Ома для участка цепи сопротивлением

и для замкнутой цепи, содержащей источник тока с ЭДС и активным сопротивлением

, где

— внутреннее сопротивление источника тока. Таким образом, работа сторонних сил равна сумме работ на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи:

. Рассмотрим два частных случая:

а) случай короткого замыкания:

. В соответствии с законом Ома для замкнутой цепи, получим

. При этом в источнике тока выделяется большая мощность и он может выйти из строя.

б) электрическая цепь разомкнута

, следовательно,

, а напряжение будет максимально

. Значит, ЭДС численно равно максимальному напряжению на клеммах разомкнутого источника.

Работа, совершаемая электрическим полем во внешней цепи, является полезной работой, но она составляет только часть всей работы, совершаемой сторонними силами, остальная ее часть расходуется бесполезно на внутреннем участке цепи. Найдем КПД цепи:

. Таким образом, КПД цепи определяется соотношением между ее внешним и полным сопротивлениями. При

значение

, при

—

, при

—

стремится к нулю. Это изменение КПД цепи при изменении внешнего сопротивления нельзя смешивать с изменением мощности, развиваемой сторонними силами. С уменьшением КПД цепи мощность растет, так как уменьшение сопротивления вызывает увеличение тока. Мощность, выделяемая во внешней цепи, равная

, при увеличении силы тока сначала возрастает, а затем, достигнув максимума, падает и при коротком замыкании обращается в нуль.

Электрический ток в полупроводниках, газах, вакууме и электролитах. Классическая теория электропроводности различных сред достаточно полно изучалась в курсе физики средней школы, поэтому напомним только основные положения, касающиеся электропроводимости указанных выше сред.

Электрическая проводимость полупроводников, к которым относятся кремний, германий, селен, занимает промежуточное место между проводимостью металлов и диэлектриков. Проводимость этих веществ объясняется наличием в них носителей двух типов: электронов и дырок. Дыркой называют вакантное (т.е. не занятое электроном) состояние в связях между атомами полупроводника, характеризующееся избыточным положительным зарядом. При наличии электрического поля в полупроводнике возникает дрейф свободных электронов в одном направлении, а дырок — в другом. Проводимость полупроводников, обусловленная внесением в их кристаллические решетки примесей, называется примесной проводимостью и он приобретает либо электронную проводимость, либо дырочную. Различают донорную примесь, обуславливающую проводимость

-типа и акцепторную: при наличии такой примеси полупроводник обладает проводимостью

-типа.

Рис. 14
Если одна область полупроводникового кристалла имеет электронную проводимость, а другая дырочную, то на границе между ними возникает слой, называемый электронно-дырочным переходом, иначе его называют

-переходом (рис. 14). При прямом включении сопротивление

-перехода уменьшается, ток возрастает. При обратном включении

сопротивление

-перехода возрастает, поэтому ток через него оказывается пренебрежимо малым. Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью — он пропускает ток только в одном направлении. Это свойство используется в выпрямителях переменного тока. В современной технике используются полупроводниковые приборы: терморезисторы, фоторезисторы, диоды и транзисторы и т.д.

Таблица 10 Удельное сопротивление биологических тканей и жидкостей
Спинномозговая жидкость	0,55
Кровь	1,66
Мышцы
Ткань нервная	,3
Ткань жировая	,3
Кожа сухая	⁵
Кость	⁷

Газы в обычных условиях являются диэлектриками, поскольку состоят из нейтральных молекул. Для того чтобы газ стал проводить электрический ток, нужно ионизировать его молекулы. Ионизатором могут служить нагревание, радиоактивное и ультрафиолетовое излучения. Под действием ионизаторов молекулы газа распадаются на электроны и положительные ионы. В результате присоединения электронов к нейтральным молекулам образуются отрицательно заряженные ионы. Таким образом действия ионизатора могут создать условия для прохождения тока. Этот процесс называется газовым разрядом. Если разряд в газе происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии, его называют несамостоятельным разрядом. Газовый разряд, продолжающийся после прекращения действия ионизатора, называется самостоятельным разрядом. В зависимости от условий протекания тока через газ, а также состояния газа могут наблюдаться различные виды самостоятельного разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой. Вещество в области газового разряда находится в состоянии плазмы. Плазмой называют частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной. Плазму с температурой

называют низкотемпературной (плазма газовых разрядов, пламя, верхние слои атмосферы, межзвездная среда). Плазму с температурой

называют горячей, или высокотемпературной. Такая плазма существует в недрах Солнца и звезд. В лабораторных условиях высокотемпературная плазма используется в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу.

Электропроводность электролитов. Электролитами называются вещества, обладающие ионной проводимостью. К ним относятся растворы кислот, солей и щелочей. Ионная проводимость электролитов объясняется явлением электролитической диссоциации — распадом молекул на отдельные ионы. Прохождение тока через электролит сопровождается явлением электролиза, т.е. выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита. Основной закон электролиза был установлен М. Фарадеем: масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна силе тока и времени

. Коэффициент пропорциональности

в этом законе называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившейся на электроде при прохождении через электролит заряда

.

Поскольку биологические жидкости являются электролитами, рассмотрим подробнее особенности их проводимости. Электропроводность биологических жидкостей имеет сходство с электропроводностью металлов: в обеих средах в отличие от газов носители тока существуют независимо от электрического поля. Поэтому и для электролитов справедливо выражение

Однако в отличие от металлов его следует представить отдельно для положительных и отрицательных ионов:

. Суммарная плотность тока

.

Если предположить, что каждая молекула диссоциирует на два иона, то концентрация положительных и отрицательных ионов одинакова:

, где

— коэффициент диссоциации;

— концентрация молекул электролита. Направленное движение ионов в электрическом поле можно приближенно считать равномерным, при этом сила

, действующая на ион со стороны электрического поля, равна силе трения

.

Откуда, заменяя

, получаем

. Коэффициент пропорциональности

называют подвижностью ионов: он равен отношению скорости движения ионов к напряженности этого поля. Для ионов разных знаков имеем

, подставляя, найдем плотность тока

Так как

, то

— сопротивление электролита. Сравнивая с соотношением

, получаем для проводимости

. Следовательно, удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении температуры возрастает подвижность ионов и увеличивается электропроводность.

Биологические ткани и органы являются средами с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться. Это обусловливает трудности измерения электрического сопротивления живых биологических систем. Внутри организма ток распространяется в основном по кровеносным и лимфатическим сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов. Сопротивление кожи, в свою очередь, определяется ее состоянием: толщиной, влажностью и т.п. Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель. Например, при воспалении уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление, а при нервном возбуждении электропроводность кожи возрастает. В табл. 10 приведены удельные сопротивления различных тканей и жидкостей.

В структуре тканей имеются системы, состоящие из двух хорошо проводящих ток сред (тканевая жидкость), разделенных плохим проводником или диэлектриком. Такие системы в электрическом отношении подобны конденсаторам. При прохождении по тканям электрического тока имеют место поляризационные явления, происходит скопление зарядов (ионов) у полупроницаемых перегородок. Это также придает тканям емкостные свойства. Таким образом, эквивалентная схема тканей организма состоит из сопротивлений и конденсаторов, включенных последовательно, например, для слоя кожи и подкожной клетчатки или параллельно — для глубоколежащих тканей.

Задания для самостоятельной работы

Ответьте на вопросы и решите задачи.

Сформулируйте закон Ома для участка цепи; для полной цепи.

Почему напряжение на полюсах источника тока зависит от электрического сопротивления внешнего участка цепи.

Докажите, что при последовательном соединении проводников их общее сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

Почему электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью?

Опишите процесс проводимости электролитов.

В чем состоит первичное действие постоянного тока на ткани организма?

Сравните удельные сопротивления кожи и жирового слоя.

Опасным для жизни человека является поражение электрическим током при его силе более

. Какое напряжение представляет опасность для жизни человека, если электрическое сопротивление тела человека при поврежденной коже около

? Ответ:

.

Найдите мощность электрического тока, который пройдет через организм человека, если он коснется руками сетевых проводов, находящихся под напряжением

. Ответ:

1 ... 10 11 12 13 14 15 16 17 ... 22

Похожие:

	Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» Пища как экологический фактор. Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» для студентов, обучающихся по специальности...		Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Социально-культурный... Отчизноведение. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности социально-культурный сервис и туризщм – Воронеж: вгпу,...
	Учебное пособие Москва 2014 министерство образования и науки российской федерации Учебное пособие предназначено для студентов и преподавателей исторических факультетов, обучающихся по специальности «История», а...		Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся... Г46 Гигиена труда : учебное пособие / авт сост. Л. В. Козачук. — Балашов : Изд-во «Николаев», 2005. — 60 с
	Учебное пособие автор: панкин сергей фёдорович объем 38,54 А. Л.... Методическое сопровождение к презентации урока для учащихся 8 класса по теме “зож основа счастливого человека”		Учебное пособие А информатики и икт в школьном образовании, а также методические примеры, образцы выполнения лабораторных работ в курсе Теории и...
	Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки		Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей, может быть полезно практическим работникам
	Особенности наблюдения за д Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Педиатрия». …		Учебно-методическое пособие самара 2005 удк 657 Рецензенты Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения Международного института рынка, обучающихся по специальности «Финансы...
	Учебное пособие по дисциплине «Теория государства и права» Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной, заочной формам, в том числе с использованием дистанционных технологий...		Гогунов Е. Н., Мартьянов Б. И. Г 58 Психология физического воспитания... Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физическая культура и спорт»
	Учебное пособие. / Сост Учебное пособие предназначено для студентов уровня Intermediate и Upper-Intermediate, обучающихся по специальности связи с общественностью,...		Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией... Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной формы обучения для проведения теоретических и практических занятий...
	Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное... Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов заочного отделения биолого-почвенного факультета,...		Учебное пособие Допущено Научно-методическим советом по изучению... Учебное пособие предназначено для обучения по специальности «теология» ивключает план, информационный блок, вопросы для самопроверки,...

Школьные материалы