Опыты Толмена и Стюарта

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

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

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

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

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

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

Опыты Толмена и Стюарта

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Измерители электропроводности и концентратомеры

ACS-Z

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

• Диапазон измерений:

0,05…10 mS/cm (K=0.01 1/cm);

0.5…5000 mS/cm (K=0.1 1/cm);

5 mS/cm…100 mS/cm (K=1.0 1/cm)

• p_max: 16 bar
• t_max: 135°С

ACI-Z

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

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

ACM-Z

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

ACM-X

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