+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Постоянный электрический ток Условия возникновения тока

10. Постоянный электрический ток Условия возникновения тока. Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. Количественными характеристиками тока являются его сила тока (отношение заряда: переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени): и его плотность, определяемая соотношением: . Единицей измерения силы тока является ампер (1А — характерное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными приборами). Необходимыми условиями существования тока являются наличие свободных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение. Электрический ток может существовать в различных средах: в металлах, вакууме, газах, в растворах и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях живых организмов. При протекании тока практически всегда происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии последней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации тепловых потерь в цепях. Электрический ток в металлах обусловлен движением относительно свободных электронов через кристаллическую решетку. Причины существования свободных электронов в проводящих кристаллах может быть объяснена только на языке квантовой механики. Опыт показывает, что сила электрического тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (закон Ома). Постоянный для выбранного проводника коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением: (3) Сопротивление измеряют в омах (сопротивление человеческого тела составляет около 1000 Ом). Величина электрического сопротивления проводников слабо возрастает при увеличении их температуры. Это связано с тем, что при нагревании узлы кристаллической решетки усиливают хаотические тепловые колебания, что препятствует направленному движению электронов. Во многих задачах непосредственный учет колебаний решетки оказывается весьма трудоемким.

Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается удобным заменить их столкновениями с частицами газа гипотетических частиц — фононов, свойства которых подбираются так, чтобы получить максимально приближенное к реальности описание и могут оказываться весьма экзотическими. Объекты такого типа весьма популярны в физике и называются квазичастицами. Помимо взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации — нарушения регулярности решетки. Взаимодействия с дислокациями играют определяющую роль при низких температурах, когда тепловые колебания практически отсутствуют. Некоторые материалы при низких температурах полностью утрачивают электрическое сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таких средах может существовать без каких-либо ЭДС, поскольку потери энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхповодящее состояние при относительно высоких (комнатных) температурах и небольших токах является весьма важной задачей, решение которой произвело бы настоящий переворот в современной энергетике, т.
к. позволило бы передавать электроэнергию на большие расстояния без тепловых потерь. В настоящее время электрический ток в металлах используется главным образом для превращения электрической энергии в тепловую (нагреватели, источники света) или в механическую (электродвигатели). В последнем случае электрический ток используется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми других токов вызывает появление сил. Электрический ток в вакууме строго говоря невозможен из-за отсутствия в нем свободных электрических зарядов. Однако, некоторые проводящие вещества при нагревании или облучении светом способны испускать со своей поверхности электроны (термоэмиссия и фотоэмиссия), которые способны поддерживать электрический ток, двигаясь от катода к другому (положительному) электроду — аноду. При подаче на анод отрицательного напряжения ток в цепи обрывается. Описанное свойство обуславливает широкое применение электровакуумных приборов в электронных устройствах для выпрямления переменного тока.
До сравнительно недавнего времени электровакуумные устройства широко использовались в качестве усилителей электрических сигналов. В настоящее время они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние). В газах при комнатных температурах всегда присутствует очень небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов — возникает электрический разряд.
Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно завися от состава газа и внешних условий. Плазма. Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов, называют плазмой. Плазма, возникающая в результате сравнительно слаботочных электрических разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется весьма малыми концентрациями заряженных частиц по сравнению с нейтральными ( ). Обычно ее называют низкотемпературной, поскольку температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия гораздо более легких электронов оказывается гораздо большей. Т.о. низкотемпературная плазма является существенно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в подобных средах возможны процессы самоорганизации. Хорошо известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения. Плазма может так же может быть термодинамически равновесной.
Для ее существования необходима очень высокая температура (при которой энергия теплового движения сравнима с энергией ионизации). Такие температуры существуют на поверхности Солнца, могут возникать при очень мощных электрических разрядах (молнии), при ядерных взрывах. Такую плазму называют горячей. Атмосферное электричество. Земля является достаточно хорошим проводником электрического тока (по сравнению с сухим воздухом). На высоте около 50 км ионизирующее космическое излучение обуславливает наличие ионосферы — слоя сильно ионизированного газа. Измерения показывают, что между ионосферой и поверхностью Земли существует огромная разность потенциалов (около 5000000 В), причем ионосфера имеет положительный по отношению к Замле заряд. Наличие разности потенциалов между Землей и “небом” приводит к появлению тока очень

Каковы условия возникновения и существования электрического тока — MOREREMONTA

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых, наличие свободных заряженных частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока.

Но наличие свободных зарядов еще недостаточно для возникновения тока. Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во-вторых, снла, действующая на них в определенном направлении. Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.

На заряженные частицы, как мы знаем, действуег 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 (8. 28), существует разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный ток. Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального — на другом. Это уменьшение потенциала можно обнаружить на простом опыте.

В качестве проводника возьмем не очень сухую деревянную палку и подвесим ее горизонтально. (Такая палка, хотя и плохо, но все же проводит ток.) Источником напряжения пусть будет электростатическая машина. Для регистрации потенциала различных участков проводника относительно земли можно

использовать листочки металлической фольги, прикрепленные к палке. Один полюс машины соединим с землей, а второй — с одним концом проводника (палки). Цепь окажется незамкнутой. При вращении рукоятки машины мы обнаружим, что все листочки отклоняются на один и тот же угол (рис. 146). Значит, потенциал всех точек проводника относительно земли одинаков. Так и должно быть при равновесии зарядов на проводнике. Если теперь другой конец палки заземлить, то при вращении рукоятки машины картина изменится. (Так как земля — проводник, то заземление проводника делает цепь замкнутой.) У заземленного конца листочки вообще не разойдутся: потенциал этого конца проводника практически равен потенциалу земли (падение потенциала в металлической проволоке мало). Максимальный угол расхождения листочков будет у конца проводника, присоединенного к машине (рис. 147). Уменьшение угла расхождения листочков по мере удаления от машины свидетельствует о падении потенциала вдоль проводника.

1. Что называют электрическим током? 2. Что называют силой тока?

3. Какое направление тока принимают за положительное? 4. Какие условия необходимы для существования электрического тока?

Условия существования электрического тока
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:
-наличие в среде свободных электрических зарядов

-создание в среде электрического поля.
В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.

На данном уроке, тема которого: «Условия для существования электрического тока», мы вспомним, что такое электрический ток, что может являться носителем заряда, а также рассмотрим условия, при которых будет протекать электрический ток.

Введение

Мы изучаем электрический ток. Что нужно для его возникновения? Если в фонарик не вставить батарейку, он не будет работать, ток не потечет. Но и в батарейке, которая лежит на столе, ток тоже не течет. Почему? Разберемся в этом вопросе.

Электрический ток

Что такое электрический ток? В самом термине содержится указание – это течение электричества. Раньше, до открытия элементарных заряженных частиц, электрический заряд считали некой жидкостью, наполняющей заряженные тела. Перемещение этой жидкости и назвали электрическим током.

Сейчас, обладая знаниями о строении вещества, можно сказать, что сравнение оказалось достаточно точным и электрический ток можно действительно сравнить с течением некой жидкости (или более точное сравнение – с газом), только состоящей не из молекул, а из элементарных заряженных частиц.

На прошлом уроке мы разобрали, что такое электрический ток. Сегодня мы рассмотрим природу этого явления более подробно, чтобы понять, почему же оно возникает.

Дадим четкое определение. Мы знаем о носителях заряда, поэтому определим электрический ток как движение заряженных частиц. Вы помните из молекулярно-кинетической теории, что частицы, из которых состоит вещество, в том числе электроны, постоянно пребывают в тепловом хаотическом движении (см. рис. 1), но это не является электрическим током, как и тепловое движение молекул воды не создает течения. Все направления такого движения равновероятны, и суммарное перемещение при этом равно нулю. Течение наблюдается, когда движение направлено. Хаотическое движение при этом не прекращается, но оно складывается с направленным, и суммарное перемещение уже не равно нулю, система частиц в целом движется.

Рис. 1. Хаотическое движение

Поэтому определение тока дадим следующее.

Электрический ток – это направленное движение электрического заряда. Поскольку заряд не существует отдельно от носителя, ток можно определить как направленное движение заряженных частиц.

Скорость движения частиц

Частица обладает скоростью движения. В механике мы часто раскладывали скорость на составляющие и рассматривали их отдельно. То же можем сделать и сейчас для скоростей теплового направленного движения частицы.

Скорость ее теплового движения обычно составляет порядка сотен метров в секунду, но эта скорость нас сейчас не интересует, нас интересует направленное движение частиц.

Скорость направленного движения электронов в проводнике обычно составляет доли миллиметра в минуту, ее мы еще будем находить в одном из следующих уроков.

Заметьте: это не значит скорость распространения тока (это происходит почти мгновенно), это именно скорость движения частицы. То есть электрический ток возникает практически одновременно во всей цепи. Чтобы было понятно, проведем снова аналогию с током воды по трубе.

Например, есть труба длиной 1 метр. По ней течет вода со скоростью 10 . Суммарное перемещение молекул воды за секунду составит 10 см. Значит ли это, что ток распространится только на 10 см? Нет, вода течет по всей трубе, и любой элементарный объем воды внутри трубы переместится на 10 см (см. рис. 2).

Рис. 2. Перемещение любого объема воды в трубе

Таким образом, вода из одного конца трубы не переместится до второго конца, но течение распространится. Это произойдет потому, что по всему объему трубы по закону Паскаля распространяется давление, вызывающее ток, причем практически мгновенно. Так же в проводнике распространяется электрическое поле.

Носители заряда

Что может являться носителем заряда, образующим ток? Мы знаем два носителя электрического заряда: протон и электрон. Чтобы они могли создавать электрический ток, они также должны быть подвижными. Поэтому, например, в твердых веществах протоны, которые содержатся в ядрах атомов, не могут создавать электрический ток, поскольку атомы зафиксированы на своем месте в структуре вещества (см. рис. 3).

Рис. 3. Протоны в ядрах атомов твердых веществ

Электроны (это мы изучали на прошлом уроке) в диэлектриках не могут покидать атом, поэтому они тоже зафиксированы, а в проводниках один или несколько электронов в атоме слабо взаимодействуют с ядром и могут покидать атом. Такие электроны называются свободными.

Электрон может покинуть молекулу или атом газа, если сообщить ей достаточную для этого энергию. В этом случае получим свободный отрицательно заряженный электрон, а молекула или атом, потеряв электрон, приобретет положительный заряд и также станет свободным носителем заряда (см. рис. 4).

Рис. 4. Электрон покидает молекулу газа

Молекулы ряда веществ, которые называются электролитами, при растворении в воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные части. Эти части называются ионами (см. рис. 5), они являются свободными носителями заряда в растворах электролитов.

Рис. 5. Свободные носители зарядов в растворах электролитов

Условия существования электрического тока

Рассмотрим протекание электрического тока на примере проводников. Какие условия должны выполняться, чтобы существовал электрический ток? Первое условие очевидно: чтобы существовало движение частиц, для этого нужно, чтобы были свободные частицы, способные передвигаться. В проводниках такими носителями тока являются свободные электроны.

Что заставляет частицу двигаться? Электрический заряд взаимодействует с электрическим полем, и на него действует сила (см. рис. 6). Эта сила и заставит электрон двигаться.

Рис. 6. Действие силы на электрический заряд

Второе условие существования электрического тока – наличие электрического поля в проводнике, которое характеризуется потенциалом в каждой точке или разностью потенциалов между двумя точками.

Достаточно ли этого? Проверим. Предположим, что у нас есть проводник со свободными носителями заряда и в проводнике есть электрическое поле (см. рис. 7).

Рис. 7. Проводник со свободными зарядами

Свободные электроны будут двигаться в сторону, противоположную вектору напряженности электрического поля, и будут скапливаться у одного из краев проводника, он станет заряжен отрицательно (см. рис. 8).

Рис. 8. Движение электронов в проводнике

У противоположного края при том же количестве атомов электронов будет меньше, поэтому он будет заряжен положительно. Этот процесс подробнее рассмотрен в ответвлении, скопившиеся заряды образуют свое электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее его. При ослаблении поля уменьшится и сила, которая разносит заряды по краям проводника, пока поля не уравновесятся. Эти процессы протекают быстро, и ток, как видим, быстро исчезает. Для его поддержания нужно, очевидно, чтобы электроны не накапливались на одном из краев проводника, а возвращались на противоположный край, т. е. цепь нужно замкнуть (см. рис. 9).

Рис. 9. Пример замкнутой цепи

Проводник во внешнем электрическом поле

Возьмем твердое тело – проводящую пластину – и поместим ее в однородное электрическое поле.

В первый момент, после внесения пластины в поле, возникнет электрический ток. Свободные носители заряда под действием силы со стороны внешнего электрического поля начнут движение и переместятся в соответствующую сторону проводника. Таким образом, один край пластины окажется заряженным положительно, другой – отрицательно (см. рис. 10).

Рис. 10. Перемещение свободных носителей заряда

Если бы мы разделили пластину на две части в момент, когда она находится в электрическом поле, то обе половинки оказались бы заряженными. Одна – положительно, другая – отрицательно. Эти области скопления зарядов создают свое электрическое поле, которое будет направлено в противоположную от внешнего сторону и будет стремиться скомпенсировать его (см. рис. 11).

Рис. 11. Электрическое поле зарядов

Движение носителей заряда прекратится лишь в тот момент, когда внутреннее и внешнее поле станут равны по модулю напряженности. То есть суммарное поле внутри проводника станет равно нулю:

Таким образом, внутри проводников электрическое поле отсутствует. На этом факте основана электростатическая защита. Приборы, которые необходимо защитить от электрического поля, помещают в специальные металлические ящики.

Итак, мы разобрали три условия возникновения электрического тока: наличие свободных носителей заряда; электрическое поле, которое будет вызывать движение заряженных частиц, и замкнутая цепь.

На следующих уроках мы продолжим изучение электрического тока. А сегодняшний урок окончен, спасибо за внимание!

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.

2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Профильный уровень. 13-е издание. – М.: 2013 – 432 с.

3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: 10 кл., учебник для общеобразовательных учреждений, базовый и профильный уровни. – 19-е изд.– М.: «Просвещение», 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-сайт examen.ru (Источник)

2. Портал Естественных Наук (Источник)

3. Интернет-сайт tel-spb.ru (Источник)

Домашнее задание

1. Что такое электрический ток?

2. Какие условия существования электрического тока?

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Чтобы заниматься радиоэлектроникой нужно знать, что такое электрический ток, его свойства и законы. Вот и начнем со знакомства о том, из чего состоит и как получается электрический ток.
Еще в древности люди заметили, что если потереть янтарь о шерсть или кожу, они начинают притягивать легкие предметы. Это свойство также проявляется у окаменевшей смолы (янтаря), серы, стекла. Поскольку на греческом языке «янтарь» — «электрон», то отсюда и пошло название «электричество».
Электризацию предметов начали изучать только с семнадцатого века. Тогда ученые и решили электрический заряд, возникающий на стеклянной палочке назвать положительным, а на эбонитовой палочке — отрицательным.

Все окружающие нас вещества и предметы состоят из очень малых частиц — атомов. Каждый атом состоит из положительного ядра, вокруг которого вращаются частицы с отрицательным зарядом — электроны. В обычном состоянии количество отрицательных электронов равно числу положительных частиц ядра, а в целом атом электрически нейтрален.
С помощью нагрева, трения и т.д. с внешней орбиты атома можно отнять один или несколько электронов и тогда положительных частиц в атоме будет больше и он становится положительно заряженным или положительным ионом.
Но атом может не только отдавать электроны, но и присоединять их к себе, становясь отрицательным ионом. Например, когда трем стеклянную палочку о шерсть палочка заряжается положительно, а шерсть — отрицательно т.е. электроны переходят с палочки на шерсть. А при трении эбонитовой палочки они будут переходить с шерсти на палочку. И все это присоединение или отдача электронов от атомов называется ионизацией.
Масса одного электрона несоизмерима мала по сравнению с его электрическим зарядом, но сам заряд тоже очень мал. Только огромное количество электронов может создать существенный эффект.
Было введено понятие количества электричества, единицей которого назвали кулон. Он равен: 1 кулон = 6 300 000 000 000 000 000 электронов.

Каждое заряженное тело образует вокруг себя электрическое поле и эти поля взаимодействуют между собой. Как показали опыты, тела, наэлектризованные разноименными зарядами, притягиваются, одноименными — отталкиваются.
Так-же поля характеризуются направлением и напряженностью.
Поле, направленное от положительного заряда к отрицательному, приняли считать положительным. Для наглядности электрическое поле изображается силовыми линиями, которые выходят из положительно заряженного тела и входят в отрицательно заряженное.

Постоянный электрический ток

Вещества по свойствам проводить электрический ток можно разделить на следующие категории — проводники и изоляторы.
Проводники — это вещества, в которых имеется большое количество свободных электронов или отрицательных ионов. К ним относятся все металлы, растворы щелочи, солей, кислот и пр.
Изоляторы — вещества, у которых нет свободных носителей зарядов. Это воздух, стекло, фарфор, гетинакс и пр.
В обычном состоянии в проводниках, к примеру , металлах, электроны двигаются хаотично. Но когда на концы проводника подать напряжение, создается электрический ток.

Почему так происходит? Для этого, к примеру, возьмем обычную батарейку. На отрицательном полюсе батарейки будет избыток электронов, а на положительном — недостаток.

Значит, между ее полюсами образуется электрическое поле. Если клеммы батарейки закоротить проводником, то электрическое поле будет распространяться по проводнику создавая электрический ток. Поле действует на все электроны проводника с огромной скоростью 300 000 километров в секунду, как скорость света и заставляет двигаться их в одном направлении.
Направленное движение свободных носителей зарядов называется электрическим током.
На положительные ионы металла поле тоже действует, но они крепко связаны с веществом и остаются неподвижными.
Из этого делаем вывод, что источники электрического тока ( в нашем примере — батарейка ) электронов не производят, а только создают поле, которое двигает их в проводнике, создавая из них электрический ток.
Источниками электрического тока являются аккумуляторы, батареи, генераторы и т.д. Каждый источник тока при замыкании цепи создает в проводниках электрическое поле, которое с определенной силой действует на свободные носители зарядов. Поэтому говорят, что каждый источник тока имеет электродвижущую силу (ЭДС).
В 19 веке, когда еще не знали, что носителями электрического тока в металлах являются электроны, а не положительные заряды и приняли направления тока от плюса к минусу. Это правило, по традиции, сохранилось до сих пор. В действительности электрическое поле направлено от плюса к минусу, а ток направлен в противоположную сторону

Вверх

Урок 4. Условия существования электрического тока

И снова доброго времени суток вам, уважаемые. Без лишних прелюдий начнём наш сегодняшний разговор. Казалось бы, с причинами возникновения тока в проводнике мы давно разобрались. Поместили проводник в поле – побежали электроны, возник ток. Что еще надо. Но оказывается, чтобы этот ток существовал в проводнике постоянно, необходимо соблюдать некоторые условия. Для более ясного понимания физики процесса протекания электрического тока в проводнике рассмотрим пример.

Предположим, что у нас имеется некоторый проводник, который мы поместим в электрическое поле как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Проводник в электрическом поле

Условно обозначим величину напряженности на концах проводника как E1и E2, причем E1>E2. Как мы выяснили ранее, свободные электроны в проводнике начнут двигаться в сторону большей напряженности поля, то есть в точку А. Однако со временем потенциал, образованный скоплением электронов в точке А станет таким, что создаваемое им собственное электромагнитное поле E0 сравняется по модулю с внешним полем, причем направления полей будут противоположными, поскольку потенциал точки В – более положительный (недостаток электронов, вызванный воздействием внешнего поля).

Поскольку результирующее действие двух одинаковых противоположных сил равно нулю: |E|+|(E0)|=0, электроны прекращают упорядоченное движение, электрический ток прекращается. Для того, чтобы поток электронов был непрерывный необходимо: во-первых, приложить дополнительную силу не потенциального характера, которая бы компенсировала влияние собственного электрического поля проводника и, во-вторых, создать замкнутый контур, поскольку перемещение электронов может происходить только в проводниках (ранее мы указали, что диэлектрики хоть и имеют некоторую электропроводность, но не пропускают электрический ток) и для обеспечения постоянства компенсирующей силы необходимо постоянство полей: как внешнего так и собственного.

Начнём разбираться со второго пункта. Будем рассматривать проводник, помещенный в поле, как показано на рисунке 4.2. Предположим, что после того, как взаимодействие внешнего и собственного электромагнитных полей было скомпенсировано, мы приложили дополнительно к внешнему полю еще одно такое же поле. Суммарное действие внешнего поля составит 2•|E|. Ток в проводнике продолжит течь в том же направлении, однако ровно до того момента, пока 2•|E|>|E0|, после чего электрический ток вновь прекратиться. То есть внешнее воздействие должно увеличиваться непрерывно для обеспечения протекания тока в разомкнутом проводнике, что невозможно.
Если замкнуть проводник так, чтобы одна его часть лежала вне поля, тогда за счет работы дополнительной силы помимо внешнего поля (эта сила в таком случае должна быть не потенциальной, поскольку работа потенциальной силы в замкнутом контуре равна нулю и не зависит от формы траектории), то в проводнике возникнет электрический ток, обусловленный влиянием только внешнего поля, поскольку собственно поле проводника будет полностью скомпенсировано. Именно поэтому любая электрическая цепь всегда должна быть замкнутой.

Можно попробовать объяснить необходимость введения дополнительной силы из такого соображения: если бы мы могли заряды с конца В проводника частично перебрасывать на конец А проводника, электрический ток бы так же не прекращался. Однако, на такое «десантирование» так же требуется энергия. Значит, введение дополнительной силы всё равно необходимо. Не потенциальные силы так же называют сторонними силами. А их источники – источниками или генераторами тока.

Рисунок 4.2 – Возникновение собственного электромагнитного поля в проводнике

Так где же взять дополнительную силу, которая, притом, не должна быть создана полем, ведь без нее тока мы не получим? Оказывается, во время протекания химической восстановительно-окислительной реакции, например, взаимодействие диодксида свинца и разбавленной серной кислоты, происходит высвобождение свободных электронов:

Для того, чтобы «притянуть» все электроны, высвобожденные в процессе реакции к одной точки пространства, в раствор серной кислоты помещается несколько свинцовых решёток, называемых электродами. Одна часть электродов изготавливается из свинца и называется катод, другая – анод – изготавливается из диоксида свинца. Катод является источником свободных электродов для внешней цепи, а анод – приемником.

Приведённый пример соответствует известному всем автомобилистам (да и не только) устройству – свинцово-кислотному аккумулятору. Конечно, приведенный пример мало совпадает с тем, что происходит внутри аккумулятора в действительности, однако, суть возникновения тока отражает хорошо. Таким образом, между положительным анодом (мало электронов) и отрицательным катодом (много электронов) возникает электрическое поле, которое формирует сторонние силы и создаёт ток в проводнике. Эта сила зависит только от протекания химической реакции, то она практически постоянная до того момента, пока существуют элементы этой реакции – кислота и оксид свинца. Следовательно, если мы уберём электрическое поле и подключим проводник к аноду и катоду, электрический ток всё равно будет протекать из-за того, что аккумулятор создаёт стороннюю силу. Проводник будет иметь вокруг себя собственное электрическое поле, которое нужно преодолеть аккумулятору, чтобы перенести электрон от катода к аноду. В этом и есть суть сторонней силы.

Теперь рассмотрим ситуация с аккумулятором и подключенным к нему проводником.Электрическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда (мы говорим именно о положительных зарядах, так как направлению их движения соответствует направление тока) в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов – на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательные. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу». В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.

На рисунке 4.3 показано направление протекания тока Iв проводнике, подключенному к аккумулятору – от положительного анода к отрицательному катоду, однако внутри аккумулятора сторонние силы химической реакции производят «десантирование» электронов, пришедших из внешней цепи с анода на катод и положительных ионов с катода на анод, то есть действуют против направления движения тока и направления поля.

Рисунок 4.3 – Демонстрация сторонних сил при возникновении электрического тока

Из сделанных выше соображений можно сделать следующий вывод: силы, действующие на заряд внутри источника тока отличны от сил, действующий внутри проводника. Соответственно, необходимо эти силы отличать друг от друга. Для характеристики сторонних сил была введена величина электродвижущей силы (ЭДС) – работы, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда. Обозначается латинской буквой &#949 («эпсилон») и измеряется так же, как и разность потенциалов – в вольтах.

Поскольку разность потенциалов и ЭДС являются силами различного типа, можно говорить о том, что ЭДС вне выводов источника равно нулю. Хотя в обычной жизни этими тонкостями пренебрегают и говорят: «Напряжение на батарее 1.5В», хотя строго говоря напряжение на участке цепи – суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. В будущем мы еще будем сталкиваться с этими понятиями и они пригодятся нам при расчете сложных электрических цепей.

На этом, пожалуй всё, потому что урок получился чересчур нагруженным… Но понятия напряжение и ЭДС нужно уметь отличать.

  • Для существования электрического тока необходимо два условия:
    1)замкнутая электрическая цепь;
    2)наличие источника сторонних непотенциальных сил.
  • Электродвижущая сила (ЭДС) – работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда.
  • Источники сторонних сил в электрической цепи называются так же источниками тока.
  • Положительный вывод аккумулятора называется анод, отрицательный – катод.

Задачек на этот раз не будет, лучше лишний повторить этот урок, чтобы понимать всю физику протекания тока в проводнике. Как всегда любые возникшие вопросы, предложения и пожелания можете оставлять в комментариях ниже! До новых встреч!

← Урок 3: Закон Ома | Содержание | Урок 5: Источники питания →

Электрический ток. Условия, необходимые для возникновения электрического тока

Цели урока.

Обучающая:

формирование знаний учащихся об условиях возникновения и существования электрического тока.

Развивающая:

развитие логического мышления, внимания, умений использовать полученные знания на практике.

Воспитательная:

создание условий для проявления самостоятельности, внимательности и самооценки.

Оборудование.

  1. Гальванические элементы, аккумулятор, генератор, компас.
  2. Карточки (прилагаются).
  3. Демонстрационный материал (портреты выдающихся физиков Ампера, Вольта; плакаты “Электричество”, “Электрические заряды”).

Демонстрации:

  1. Действие электрического тока в проводнике на магнитную стрелку.
  2. Источники тока: гальванические элементы, аккумулятор, генератор.

План проведения урока

1. Организационный момент.

2. Вступительное слово преподавателя.

3. Подготовка к восприятию нового материала.

4. Изучение нового материала.

а) источники тока;

б) действия электрического тока;

в) физическая оперетта “Королева Электричество”;

г) заполнение таблицы “Электрический ток”;

д) меры безопасности при работе с электроприборами.

5. Подведение итогов урока.

6. Рефлексия.

7. Домашнее задание:

а) Опираясь на знания, полученные на уроках ОБЖ, спецтехнологии подготовить и записать в тетради памятку “Меры безопасности при работе с электроприборами”

б) Индивидуальное задание: Подготовить сообщение о применении источника тока в быту и технике.

Конспект урока

1. Организационный момент

Отметить наличие учащихся, назвать тему урока, цель.

2. Вступительное слово преподавателя

Со словами электричество, электрический ток мы знакомы с раннего детства. Электрический ток используется в наших домах, на транспорте, на производстве, в осветительной сети.

Но, что такое электрический ток, какова его природа, понять нелегко.

Слово электричество произошло от слова электрон, которое переводится с греческого языка как янтарь. Янтарь — это окаменевшая смола древних хвойных деревьев. Слово ток обозначает течение или движение чего-либо.

3. Подготовка к восприятию нового материала

Вопросы вводной беседы.

— Какие два типа зарядов существуют в природе? Как они взаимодействуют?

Ответ: В природе существуют два вида зарядов: положительные и отрицательные.

Носителями положительного заряда являются протоны, отрицательного электроны. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно заряженные притягиваются

— Существует ли электрическое поле вокруг электрона?

Ответ: Да, электрическое поле вокруг электрона существует.

— Что такое свободные электроны?

Ответ: Это электроны наиболее удаленные от ядра, они могут свободно двигаться между атомами.

4. Изучение нового материала

а) Источники тока.

На столе находятся специальные устройства. Как они называются? Для чего они нужны?

Ответ: Это гальванические элементы, аккумулятор, генератор — общее название источники тока. Они необходимы для подачи электрической энергии, создают электрическое поле в проводнике.

Мы знаем, что существуют заряженные частицы, электроны и протоны, знаем, что существуют устройства, которые называются источниками тока.

Как вы считаете, что такое электрический ток?

Ответ: Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

б) Действия электрического тока.

Скажите, как мы можем понять, что в цепи существует электрический ток, по каким действиям?

Ответ: Электрический ток оказывает различные виды действия:

  • Тепловое – проводник по которому идет электрический ток нагревается (электроплита, утюг, лампа накаливания, паяльник).
  • Химическое действие тока можно наблюдать при пропускании электрического тока через раствор медного купороса – выделение меди из раствора купороса, хромирование, никелирование.
  • Физиологическое – сокращение мышц человека и животных, по которым прошел электрический ток.
  • Магнитное – при прохождении электрического тока по проводнику, если рядом расположить магнитную стрелку она способна отклонится. Это действие является основным. Демонстрация опыта: аккумулятор, лампа накаливания, соединительные провода, компас.

в) Физическая оперетта “Королева Электричество”. (Приложение № 1)

Теперь девушки старшего курса представят вашему вниманию оперетту “Королева Электричество”. Не забываем русскую народную пословицу “Сказка ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок”. То есть, вы не только слушаете и смотрите, но и берете из нее определенную информацию. Ваша задача записать как можно больше физических терминов, которые встречаются в представлении.

г) Заполнение таблицы “Электрический ток”. (Приложение № 2)

Скажите, какое одно понятие объединяет все термины, которые вы записали?

Ответ: Электрический ток.

Приступаем к заполнению таблицы “Электрический ток”.

Заполняя таблицу, давайте, обобщим полученные на уроке знания и получим новую информацию.

В процессе заполнения таблицы делаем вывод о том, какие условия необходимы для создания электрического тока.

  • Первое условие — это наличие свободных заряженных частиц.
  • Второе условие — это наличие электрического поля внутри проводника.

д) Меры безопасности при работе с электроприборами.

Где, на производственной практике, вы сталкиваетесь с применением электрического тока? Ответы учащихся.

Главная наша задача сохранить здоровье в течение всей жизни, скажите, а какие меры безопасности необходимо соблюдать при работе с электроприборами?

Ответ: При работе с электроприборами.

Запрещено.

  • Ходить по земле, держа в руках включенные в сеть электроприборы. Особенно опасно ходить босиком по влажной почве.
  • Входить в электрощитовые и другие электротехнические помещения.
  • Браться за оборванные, оголенные, висящие и лежащие на земле провода.
  • Вбивать гвозди в стену в месте, где может располагаться скрытая проводка. Смертельно опасно в этот момент заземляться на батареи центрального отопления, водопровод.
  • Сверлить стены в местах возможной электропроводки.
  • Красить, белить, мыть стены с наружной или скрытой проводкой, находящейся под напряжением.
  • Работать с включенными электроприборами вблизи батарей или водопровода.
  • Работать с электроприборами, менять лампочки, стоя на ванной.
  • Работать с неисправными электроприборами.
  • Ремонтировать необесточенные электроприборы.

5. Подведение итогов урока

— Следуя законам физики, время неумолимо движется вперед, и наш урок подошел к своему логическому завершению.

Давайте подведем итоги нашего занятия.

Как вы считаете, что такое электрический ток?

Ответ: Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

Какие условия необходимы для создания электрического тока?

Ответ: Первое условие — это наличие свободных заряженных частиц.

Второе условие — это наличие электрического поля внутри проводника.

6. Рефлексия

Заполнение карточки. (Приложение № 3)

7. Домашнее задание

а) Опираясь на знания, полученные на уроках ОБЖ, спецтехнологии, подготовить и записать в тетради памятку “Меры безопасности при работе с электроприборами”.

б) Индивидуальное задание: Подготовить сообщение о применении источника тока в быту и технике. (Приложение № 2)

электрический ток в различных средах

 на главную   

Официальный сайт АНО ДО Центра «Логос», г. Глазов

http://logos-glz.ucoz.net/

 

 

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика 

Электростатика

Электрический ток

Электрический ток в средах

Магнитное поле Электромагнитная индукция

Оптика

Методы познания

Электрический ток в различных средах                                                      немного о физике:   

Электрическим током называют всякое  упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся  установить, какие частицы, переносят  электрический заряд в различных средах.

 

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.

 

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона,  n0 — концентрация электронов проводимости,  — средняя скорость упорядоченного движения электронов,  S — площадь поперечного сечения проводника.

 

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного металла равна

где Na — постоянная Авогадро,  A — атомная масса металла, ρ — плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 — 1029 м-3.

 

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U — напряжение на участке,  R — сопротивление участка.

 

Для однородного участка цепи:

где  ρУ— удельное сопротивление проводника, l — длина проводника,  S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и  эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу  — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α — термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — То  — изменение температуры.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в  проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G — проводимость.

 

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

 

 

 

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

 

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где  ρУ— удельное сопротивление электролита, l — длина жидкого проводника,  S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

 

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m — масса вещества, выделяющегося на электроде,  k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.

 

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

          

где М— молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

 

Объединенный закон Фарадея.

 

                    

 

 

 

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях   газы  состоят  из  нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для  получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию — энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной  энергии  возрастает скорость  движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового движения  и  при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся  в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС.

На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к.  ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами скорость направленного движения электронов  и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных частиц достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда  кинетическая энергия  достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация  приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

 

 

 

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать определенные  условия, которые помогут  получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

 

При нагревании металла  количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов  при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода.

 

                  Вакуумный диод                                            Вакуумный триод

 

                                   

                 

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны.  При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у  катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость  силы тока от напряжения, т.е. в  интервале напряжений U1 — U2 выполняется закон Ома.

 

 

Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом  значении напряжения U3все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический  ток достигает насыщения.

 

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

 

 

 

Электрический ток в полупроводниках.

 

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и  изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом ·м.  Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает  возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

 

 

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку»  в соседнем атоме. Таким образом не только  электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.

 

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический  ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле  без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.

При повышении  температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».

 

 

Примесная  проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый  станет электроном проводимости.

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа.  Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными.

 

Акцепторная  примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой  незавершенной ковалентной связи образуется «дырка». 

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа.  «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными.

 

p-n переход.

 При контакте полупроводников p-типа и  n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и «дырок» из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии.  p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а  n-область — с отрицательным полюсом, появляется  движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

 

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным  полюсом , а  n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

 

 

Принцип действия полупроводникового диода  основан на свойстве односторонней проводимости  p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой АОВ.

 

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и  при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.

Условия, необходимые для возникновения электрического тока. Сила и плотность тока. Закон Ома

1. Условия, необходимые для возникновения электрического тока. Характеристики тока. Закон Ома

2. Содержание:

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Электрический ток
Сила тока
Амперметр
Напряжение
Вольтметр
Сопротивление
Омметр
Реостат, резистор, магазин сопротивления
Закон Ома
Лабораторная работа
Вопросы для самоконтроля
Список источников
Кристаллическая решетка металла
В узлах кристаллической решетки расположены «+» ионы, между
которыми хаотично движутся свободные электроны
Металлы являются хорошими проводниками благодаря свободным
заряженным частицам – электронам
Электрический ток
Электрический ток — упорядоченное (направленное)
движение заряженных частиц
Условия возникновения электрического тока в
проводнике:
1) наличие свободных заряженных частиц (электронов,
ионов)
2) электрическое поле
Направление электрического тока: от + к –
в металле:
• электроны движутся от – к +
• ток направлен в сторону, противоположную
направлению движения электронов
Сила тока
Сила тока — физическая величина, равная заряду,
прошедшему через поперечное сечение проводника
за единицу времени
Обозначение: I
Единица измерения: 1А (Ампер)
Формула:
q
I
t
Измерительный прибор: амперметр
q I t
q
I
t
q
t
I
Амперметр
А
Амперметр включается п о с л е д о в а т е л ь н о
А
При включении амперметра в цепь не имеет значения, с какой
стороны (слева или справа) от исследуемого элемента его
подключать.
Амперметр лабораторный
Шкала амперметра
Цена деления и пределы измерения прибора
Цена деления:
B A
С
n
A 50 A
B 100 A
n 10
100 50
С

10
Пределы измерения:
П ниж 0 А
П верх 150 А
Принцип действия прибора
Шунт – проводник, подключаемый параллельно
амперметру для расширения пределов его измерений.
R
А

Часть измеряемого тока ответвляется и через амперметр
будет идти ток меньше измеряемого
Напряжение
Напряжение – скалярная физическая величина,
равная работе электрического поля по перемещению
единичного положительного заряда
Обозначение: U
Единица измерения в СИ: 1В (вольт)
Формула:
A
U
q
Измерительный прибор: вольтметр
A q U
A
U
q
A
q
U
Вольтметр
V
Вольтметр включается п а р а л л е л ь н о
V
Измерение напряжения
(видеофрагмент опыта)
Мультимедийное приложение к учебнику С.В. Громова и Н.А. Родиной «Физика. 9 класс» (Просвещение Медиа, Новый диск)
Вольтметр лабораторный
Вольтметр СССР, 1940 год
Шкала вольтметра
Цена деления и пределы измерения прибора
Цена деления:
B A
С
n
A 200 В
B 300 В
n 10
300 200
С
10 В
10
Пределы измерения:
П ниж 100 В
Пверх 500 В
Принцип действия прибора
Дополнительное сопротивление – проводник,
подключаемый последовательно с вольтметром для
расширения пределов его измерений
R
V

Ток через лампочку и напряжение на ней
А
V
Сопротивление
Сопротивление – скалярная физическая величина,
характеризующая свойство проводника
противодействовать электрическому току
Обозначение: R
Единица измерения: 1Ом (Ом)
Измерительный прибор: Омметр
Омметр
Измерение сопротивления
цифровым мультиметром
Причина электрического сопротивления:
взаимодействие электронов при их движении по
проводнику с ионами кристаллической решетки.
+
+
+
+
+
+
+
+
Направленному движению электронов мешают их столкновения с
колеблющимися тяжелыми и большими ионами кристаллической
решетки. Это и создает сопротивление движению электронов —
вызывает электрическое сопротивление металла.
Зависимость сопротивления проводника от его длины
(видеофрагмент опыта)
Мультимедийное приложение к учебнику С.В. Громова и Н.А. Родиной «Физика. 9 класс» (Просвещение Медиа, Новый диск)
Электрическое сопротивление металлов прямо
пропорционально длине проводника и обратно
пропорционально площади его поперечного сечения:
l
R
S
– удельное сопротивление
l – длина проводника
S – площадь поперечного сечения проводника
Удельное сопротивление – скалярная физическая
величина, численно равная сопротивлению
цилиндрического проводника единичной длины и
единичной площади поперечного сечения
Зависит от вещества и его состояния (температуры)
Единица измерения: 1 Ом м
Резистор – устройство с постоянным сопротивлением.
Реостат – устройство с переменным сопротивлением,
предназначенное для регулирования силы тока и
напряжения в электрической цепи.
Физика, 7-11 кл. Библиотека наглядных пособий (1С)
Реостат
(видеофрагмент опыта)
Мультимедийное приложение к учебнику С.В. Громова и Н.А. Родиной «Физика. 9 класс» (Просвещение Медиа, Новый диск)
Магазин сопротивлений
Зависимость силы тока
от напряжения и сопротивления
V
А
R
Результаты
I, А
Таблица 1
R=

1
2
3
R1
U, В
R2
I, А
R3
U, В
R1
Закон Ома
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна
напряжению на его концах и обратно
пропорциональна его сопротивлению
U
I
R
U
I
R
U I R
U
R
I
Закон Ома наглядно
Ампер Андре Мари
1775-1836
Алесандро Вольта
1745 — 1827
Георг Ом
1787 — 1854
Виртуальный тренажер
Содержание учебной работы: определение пределов измерения,
цены деления, погрешности измерения и показаний прибора;
запись результата измерения с учетом погрешности
«Виртуальная физика» (Д.В. Баяндин, О.И. Мухин, РЦИ ПГТУ).
Виртуальная лабораторная работа
Содержание учебной работы:
• Сборка электрической цепи
• Измерение силы, тока, напряжения, сопротивления с
помощью цифрового мультиметра.
• Исследование зависимости силы тока от напряжения и
сопротивления.
Начала электроники
Открытая физика: Часть 2 ( «Физикон»)
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определение электрического тока.
2. При каких условиях возникает электрический ток?
3. Чем отличается движение заряженных частиц в проводнике в
отсутствие и при наличии внешнего электрического поля?
4. Как направлен электрический ток?
5. В каком направлении движутся электроны в металлическом
проводнике, по которому протекает электрический ток?
6. Что называют силой тока?
7. Какова единица измерения силы тока?
8. Каким прибором измеряют силу тока? Как он подключается?
9. Что такое напряжение?
10.Какова единица напряжения?
11.Каким прибором измеряют напряжение? Как он подключается?
12.Что такое сопротивление? Какова причина сопротивления?
13.Какова единица сопротивления?
14.Каким прибором измеряют сопротивление? Как он
подключается?
15.Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
Список литературы
1. Перышкин А.В. Физика. 8 класс.
2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс.
Список электронных учебных изданий
1. Физика, 7-11 кл. Библиотека наглядных пособий (1С)
2. Открытая физика, ч.2 (Физикон)
3. Мультимедийное приложение к учебнику С.В. Громова и Н.А.
4. Родиной «Физика. 9 класс» (Просвещение Медиа, Новый диск)
5. «Виртуальная физика» (Д.В. Баяндин, О.И. Мухин, РЦИ ПГТУ).
6. Начала электроники (http://zeus.malishich.com )
Список ресурсов Интернет
иллюстрации
http://www.fizika.ru
http://www.go-radio.ru
http://school.xvatit.com
http://hystory.ru
http://fizportal.ru
http://radionostalgia.ca
http://slovari.yandex.ru
http://www.pribortorg.by
http://cxem.pp.ua
http://www.avito.ru
http://www.td-medstar.ru
http://omop.su
http://microschemes.pp.ua
http://www.proshkolu.ru
http://base.eworld.ru
http://masteram.com.ua
http://www.ww2.ru
http://solo-project.com
http://portal.etherway.ru

Электрические определения — Электрические 101

Направление тока — Точно неизвестно, в каком направлении протекают токи. Традиционная теория протекания тока — от положительного (+) к отрицательному (- ).

Выделенная цепь — Цепь, которая имеет только одну розетку и используется для одной нагрузки с высоким номинальным током.

Устройство * — Устройство электрической системы, которое передает или контролирует (но не использует) электрическую энергию в качестве своей основной функции.(Пример: розетка или выключатель)

Постоянный ток (DC) — Ток, который идет только в одном направлении. Питание от аккумулятора — постоянный ток.

Электрическая нагрузка — Электрооборудование (приборы, электроника, лампочки и т. Д.), Использующие электрическую энергию.

Электрическая система — Электрические компоненты, используемые для электроснабжения здания. Компоненты включают панели, проводку, розетки, приспособления и т. Д.

Неисправность — (замыкание на землю) Это происходит, когда незаземленный провод (линейный провод) входит в контакт с чем-либо, что заземлено (т.е.е. обмотка двигателя, касающаяся корпуса, или линейный провод прибора, касающийся металлического каркаса.)

Калибр — См. AWG.

Земля — ​​ Контрольная электрическая точка, которая соединяется с землей. Земля подключается к нейтрали в единственной нейтральной точке электрической системы, измеряющей нулевое напряжение (0 вольт).

Заземляющий провод — Также известен как заземляющий провод, подключается к заземлению и не пропускает ток в нормальных условиях.Он подключается к нейтрали в точке заземления электрической системы. Заземляющий провод будет проводить ток во время короткого замыкания или замыкания на землю.

Замыкание на землю — это происходит, когда незаземленный провод (линейный провод) соприкасается с чем-либо заземленным (например, обмотка двигателя касается корпуса или линейный провод прибора касается металлического корпуса).

Прерыватель замыкания на землю (GFCI) — Розетка или автоматический выключатель, который срабатывает, когда ток из линии не возвращается через нейтраль (замыкание на землю).

Винт заземления — Зеленый винт, специально используемый для подключения провода заземления к металлической электрической коробке.

Токоведущий провод — Незаземленный провод. Это проводник, на котором есть напряжение. В доме цвет провода черный или красный.

Импеданс — Электрическое измерение противостояния потока электронов в проводнике с эффектами емкости и индукции, измеряемыми в омах.

Изолятор — Материалы, которые сопротивляются потоку электронов, включая пластик, стекловолокно и резину.

киловатт — 1000 ватт

Киловатт-час (кВтч) — 1000 Вт за 1 час.

Линия — (Электролиния) источник электрического питания (электрический щит, автоматический выключатель).

Сторона линии — Клеммы подключения проводов GFCI, датчика присутствия, фотоэлемента и т. Д., Которые подключаются к автоматическому выключателю через провод.

Нагрузка — (Электрическая нагрузка) Электрооборудование (приборы, электроника, осветительные приборы и т. Д.)), которые используют электрическую энергию.

Сторона нагрузки — Клеммы подключения проводов GFCI, датчика присутствия, фотоэлемента и т. Д., Которые подключаются к нагрузке.

NEC — Национальный электротехнический кодекс.

Нейтральный проводник — Это проводник, по которому в нормальных условиях проходит ток. Он заземлен в нейтральной точке системы. Напряжение на нейтральном проводе составляет 0 вольт (или очень близко к 0 вольт в условиях нагрузки). Предупреждение: нейтральный провод может находиться под напряжением при размыкании в цепи под напряжением.

Нейтраль — Это место, где земля и нейтраль соединены в электрической системе.

Кабель

NM — кабель NM представляет собой кабель, который содержит изолированные жилы, заключенные в общую неметаллическую оболочку. Он широко известен как «Romex®», который является наиболее широко используемым брендом.

Номинальное напряжение — 120 В и 240 В — стандарты для обозначения класса напряжения для жилых домов.Все остальные напряжения относятся к категории высокого или низкого напряжения лампочек, приборов, электроники и т. Д.

Более высокие значения напряжения 125, 130, 230 и 250 вольт предназначены для выключателей, розеток, лампочек и некоторых нагрузок. Эти номинальные значения указывают верхний предел напряжения, при котором устройство или нагрузка должны работать должным образом в нормальных условиях.

Нижние значения напряжения 110, 115 и 220 В предназначены для нагрузок (бытовых приборов, двигателей и т. Д.). Эти характеристики указывают нижний предел напряжения для правильной работы в нормальных условиях.

Ом — Электрическое измерение сопротивления потока электронов в проводнике.

Обрыв цепи — Отверстие в проводнике, препятствующее нормальному прохождению электричества.

Выход — Точки доступа к электрической системе. (Розетка розетка, розетка освещения и т. Д.)

Перегрузка по току * — Любой ток, превышающий номинальный ток оборудования или допустимую токовую нагрузку проводника.Это может быть результатом перегрузки, короткого замыкания или замыкания на землю.

Перегрузка * — Эксплуатация оборудования при превышении нормальной, полной номинальной нагрузки или проводника с превышением номинальной допустимой нагрузки, которая, если сохраняется в течение достаточного времени, может вызвать повреждение или опасный перегрев. Неисправность, такая как короткое замыкание или замыкание на землю, не является перегрузкой.

Фотоэлемент — Переключатель, который замыкается, когда наступает темнота, обычно включает свет ночью.

Разница потенциалов — Разница между положительными и отрицательными зарядами; эти различия приводят к напряжению.

Мощность — Электрическое измерение общей электрической энергии, включая напряжение (силу), умноженное на ток (количество). Мощность измеряется в ваттах (Вт).

Квалифицированный специалист * — Лицо, обладающее навыками и знаниями, связанными со строительством и эксплуатацией электрического оборудования и установок, и прошедшее обучение технике безопасности, позволяющее распознавать и избегать сопряженных с этим опасностей.

Сопротивление — Противодействие потоку электронов в проводнике, измеряемое в омах.

Короткое замыкание — Ненормальное состояние, при котором линейный провод входит в контакт с нейтралью, землей или другим линейным проводом другой фазы.

Вольт — Электрическое измерение силы или разности потенциалов.

Напряжение — электрическая сила или разность потенциалов, измеряемая в вольтах (В).

Напряжение (номинальное) — См. Номинальное напряжение.

Падение напряжения — Падение напряжения от источника напряжения до нагрузки, вызванное сопротивлением цепи (в основном, проводов).

Вольт — А (ВА) — это электрическое измерение мощности (Вольт — А = Вольт * Ампер * коэффициент мощности). Вольт- ампер называется полной мощностью.

Вт — Электрическое измерение мощности (вольт x ампер).Ватты известны как кажущаяся мощность.

Сборка проводов — Два или более провода, соединенных вместе с помощью гаек внутри электрической коробки.

(* Обозначает определения статьи 100 NEC 2014)

Arc — Электроны пересекают небольшой промежуток между двумя проводниками. Дуга скорее всего возникает, когда внутри устройства слышен треск.

Arc Fault — Ненормальное состояние, при котором возникает дуга (коррозия или неплотное соединение).

Прерыватель цепи при дуговом замыкании (AFCI) — прерыватель цепи, который также срабатывает при обнаружении аномальной дуги.

Вспышка дуги — Происходит, когда что-либо, подключенное к фазе линии (например, линейный провод), касается чего-либо, что подключено к другой фазе линии, нейтрали или заземлению. Вспышка дуги фактически начинается до установления контакта, когда ток прыгает через крошечный промежуток.

Переменный ток (AC) — Ток в обоих направлениях.В жилых и коммерческих помещениях используется переменный ток.

Amp — (сокращение от amperes) Электрическое измерение количества потока электронов.

Ampacity * — Максимальный ток в амперах, который проводник может непрерывно выдерживать в условиях эксплуатации без превышения его температурного номинала.

AWG — Американский калибр проволоки, стандартная система калибра проволоки для соотнесения диаметра проволоки с номерами калибра.

Цепь — Автоматический выключатель, проводники и электрические розетки.Проводники в цепи содержат линейный, нейтральный и заземляющий провод (и). Старые системы могут не содержать заземляющих проводов.

Автоматический выключатель * — Устройство, предназначенное для размыкания и замыкания цепи неавтоматическими средствами и автоматического размыкания цепи при заданном максимальном токе без повреждения себя при правильном применении в пределах своего номинала. (Пример: автоматический выключатель сработает при коротком замыкании, замыкании на землю и перегрузке.)

Проводник — материалы, которые позволяют легко перемещаться электронам, включая серебро, медь, золото и алюминий.Электрические провода в основном из меди, некоторые из алюминия.

Непрерывность — Цепь является непрерывной, если есть непрерывный путь для прохождения электричества через цепь (без условий разомкнутой цепи). Мультиметр, тестер непрерывности и некоторые тестеры соленоидов могут измерять непрерывность.

Непрерывная нагрузка — Нагрузка, при которой ожидается, что максимальный ток будет продолжаться в течение трех часов или более.

Ток — поток электронов через проводник, количество измеряется в амперах (А).

Мы видим электричество? — Дракс

Каррака 14 -го века спокойно плывет по течениям Атлантического океана посреди ночи. Его навигация зависит от сияния звезд наверху, а его сила — от ветра, дующего сзади. Это далеко от технологически продвинутых судов, ходящих по сегодняшним морям.

Именно здесь, задолго до того, как цивилизация начала использовать и генерировать электричество, часто можно было наблюдать призрачное бело-голубое свечение электричества, действующее на молекулы воздуха, когда оно парило вокруг мачт кораблей.

Это явление известно как Огонь Святого Эльма, в честь святого Эразма Формийского — покровителя моряков — и возникает после гроз, когда электрическое поле, все еще присутствующее вокруг объекта (например, громоотвода или корабельной мачты), вызывает образование молекул воздуха. распадаться и становиться заряженными, создавая так называемую плазму.

Пожар Святого Эльма в окне кабины

Для моряков в эпоху задолго до спутникового наведения это было хорошим предзнаменованием. Однако они не осознавали, что это был один из редких случаев, когда электричество действует таким образом, что превращает ее из невидимой силы в нечто, что мы можем видеть, слышать и даже обонять.

Наука, лежащая в основе изучения электричества

Обычно мы не видим электричество. Это похоже на гравитацию — невидимую силу, которую мы узнаем только тогда, когда она действует на другие объекты. В случае электричества наиболее распространенным способом воздействия на объекты является зарядка электронов, и поскольку они такие маленькие, в большом количестве и так быстро движутся после зарядки, они почти невидимы для невооруженного человеческого глаза.

Однако есть случаи, когда условия позволяют электрическому току проходить через воздух, что может создавать звук и создавать видимую плазму.

«В некоторых случаях можно увидеть электричество, потому что оно ионизирует воздух», — говорит ведущий инженер Drax Гэри Прис. В процессе ионизации молекулы, составляющие воздух, становятся электрически заряженными, что может создать плазму.

«Электрический ток может перекрыть воздушный зазор через ионизированный воздух и попасть на землю», — объясняет Прис. «Вам нужен этот путь к земле, чтобы он породил искру».

Процесс похож на то, как работает свеча зажигания или как молния становится видимой.Хотя вокруг все еще ведутся научные дебаты о том, как облака становятся электрически заряженными, вспышки, наблюдаемые на земле, вызваны разрядами между облаками или от облаков к Земле, создавая очень горячую и яркую плазму.

Атмосферные условия на нашей Земле, состоящие в основном из кислорода и азота, придают молнии беловато-голубой цвет, как огонь Святого Эльма. Изменяя эти условия, чтобы электричество проходило через газ, такой как неон, менял цвет на красно-оранжевый оттенок, что является принципом, на котором построены неоновые огни и вывески.Чтобы добиться разных цветов, для заполнения трубки используются разные газы, такие как ртуть и гелий.

Задолго до того, как мы научились управлять электричеством для создания разноцветных знаков, мы боролись с тем, как создать видимое полезное электричество. И началось это с использования дуг.

Архитектура электрической дуги

Электрическая дуга возникает, когда электрический ток перекрывает воздушный зазор. Хотя воздух является изолятором, постоянные попытки электричества провести к земле иногда позволяют ему находить пути через него, ионизируя молекулы воздуха и создавая на этом пути видимый плазменный мост.Чем выше напряжение, тем большее расстояние может образоваться дуга между электродами.

Это свойство электричества представляет опасность, такую ​​как «вспышки» дуги, которые могут возникать во время электрических неисправностей или короткого замыкания и выделять огромное количество энергии, иногда создавая температуры до 35 000 градусов по Фаренгейту — выше, чем поверхность Солнца.

Электрические дуги могут быть очень полезны при управлении. Эти яркие светящиеся мосты использовались в первых практических электрических лампах после того, как Хамфри Дэви начал демонстрировать технологию в начале 19, и века.

Но необходимость частой замены угольных электродов, их жужжащий звук и связанные с этим выбросы угарного газа означали, что вскоре эту технологию заменили лампой накаливания.

Сегодня дуга используется при сварке и более сложной плазменной резке, которая фокусирует концентрированную струю горячей плазмы и позволяет выполнять высокоточные разрезы, в то время как дуговые печи используются в промышленных условиях, таких как производство стали.

На самом деле, некоторые даже думали, как мы могли бы использовать невероятно мощный луч плазмы для создания рабочего светового меча.И хотя теория создания этой сверхсовременной технологии «Звездных войн» убедительна, она далека от практической возможности.

В 14 веке увидеть электричество было редким и положительным предзнаменованием. Сегодня электричество стало гораздо более обычным явлением, но когда это происходит — через плазменные сферы, неоновое освещение или естественные молнии — эффект тот же: человек удивляется тому, что видит внушающую благоговение и редко встречающуюся силу.

Физика прерывания электрического тока

Напряжение и ток в полной электрической цепи подчиняются законам Кирхгофа о напряжении и токе.Эти законы просто сформулированы так: подъемы и падения напряжения вокруг любой замкнутой цепи (петли) должны в сумме равняться нулю; и общий ток, протекающий через любой переход (точку подключения), также должен быть равен нулю. Если мы хотим прервать ток в цепи, мы должны сделать это в соответствии с этими законами.

Хотя это звучит просто, прервать цепь, прервать проводящий путь или разомкнуть выключатель — это не так. Заставить проводящую цепь перейти в установившееся состояние нулевого тока совсем не просто.Часто фактическая детальная физика процесса прерывания тока затмевается кажущейся тривиальностью действия переключения — например, простым выключением фонарика. Но подумайте, что на самом деле происходит, когда фонарик выключен.

Установившийся постоянный ток (DC) течет от батарей к лампочке, когда контакты переключателя начинают двигаться. В последних микроскопических точках электрического контакта плотность тока становится достаточно высокой, чтобы части металлических поверхностей фактически плавились из-за резистивного нагрева; и состояние плазмы паров жидкого металла продолжает электропроводный путь, поскольку контакты физически разъединяются.По мере того, как контакты растягиваются на расстояние в несколько микрон (один микрон = 10 -6 метров), электроны из контакта, в который протекает ток, катодного контакта, выбрасываются в область межконтактного пространства из-за теплового излучения ( они выкипают) и автоэлектронной (они отрываются от катодного металла силами электростатического притяжения).

Часть этих электронов, испускаемых катодом, сталкивается с молекулами воздуха внутри контактного зазора и ионизирует молекулы.Это освобождает еще больше электронов, которые, в свою очередь, ионизируют еще больше молекул воздуха. Это самовоспроизводящееся действие представляет собой явление электрического пробоя, обычно называемое дугой. Это дуга, которая позволяет переключателю размыкать цепь. Дуга образуется так же, как и контакты, и продолжает проводить ток в цепи по мере того, как контакты перемещаются все дальше и дальше друг от друга.

Падение напряжения на дуге, которое пропорционально длине дуги и обратно пропорционально размеру поперечного сечения дуги, последовательно с напряжениями в контуре цепи, в которой находится переключатель.Напряжение дуги растет, когда дуга удлиняется из-за физического движения контактов, и поперечное сечение дуги уменьшается, когда дуга охлаждается за счет контакта с неионизированными молекулами воздуха.

Напряжение дуги в низковольтных цепях постоянного тока растет с такой скоростью, что оно вскоре превышает или, по крайней мере, совпадает с напряжением источника в цепи (в фонарике начальное напряжение дуги превышает напряжение батареи). Когда это происходит, ток в цепи за короткое время снижается до нуля.Все цепи имеют небольшую, но конечную индуктивность, поэтому ток не может быть мгновенно доведен до нуля. Когда ток действительно достигает нуля, дальнейшая ионизация дуги не происходит, и дуга охлаждается еще быстрее, поскольку в нее не поступает энергия. Если он на мгновение охлаждается до такого состояния, что перестает быть проводящей средой, то процесс прерывания завершается, и цепь размыкается. Важно помнить, что именно дуга приводит к нулю тока. Открытие переключателя образует дугу, но именно дуга позволяет прервать цепь.

Выключатель или устройство прерывания цепи, которое предназначено для размыкания цепей переменного тока (AC), имеет несколько более легкую задачу, чем его аналог постоянного тока. В цепях переменного тока нет необходимости принудительно устанавливать нулевое значение тока. Поскольку ток уже меняется около нуля, естественный нулевой ток возникает дважды в каждом цикле переменного тока. Любая дуга, которая образуется в коммутационном устройстве переменного тока, не должна растягиваться и охлаждаться до такой степени, что напряжение дуги превышает величину напряжения источника цепи.Однако это можно сделать, если кто-то хочет ограничить величину сверхтока, снизив его до неестественного нулевого тока.

Переменный ток может быть прерван при естественном нулевом токе, который в первую очередь определяется только схемой и практически не зависит от наличия устройства прерывания. В качестве альтернативы, переменные токи могут прерываться при принудительном обнулении тока, которое накладывается действием устройства прерывания. Рисунок 1.3 иллюстрирует эти концепции естественного и вынужденного нулей тока в цепи переменного тока.

Все механические переключатели и механические устройства прерывания цепи зависят от быстрого охлаждения среды дуги для размыкания электрической цепи. Твердотельным переключателям не нужна дуга для разрыва цепи, поскольку они питают свою собственную проводящую среду, сам полупроводниковый материал. Полупроводник может проводить ток только до тех пор, пока подвижные носители (электроны и дырки) поступают из областей питания или инжекции внутри устройства. Если инжекция мобильных носителей в полупроводниковый переключатель отключена, то полупроводниковый материал вернется в изолирующее состояние и заблокирует прохождение тока, то есть полупроводниковый переключатель выключится.

Допустимая плотность тока в полупроводниковом переключателе намного ниже, чем плотность тока, который может безопасно течь в металлическом контакте / переключателе дуги. Таким образом, размер поперечного сечения полупроводникового переключателя для устройств равного номинала всегда будет больше, чем у механического переключателя. Даже с этим недостатком простота управления полупроводниковым переключателем и надежность устройства без механически движущихся частей предвещают светлое будущее для твердотельных силовых переключателей и автоматических выключателей.

Обзор электрических схем

— Ответы № 2

Обзор электрических цепей

Переход к:

Главная страница сеанса обзора — Список тем

Electric Circuits — Главная страница || Версия для печати || Вопросы со ссылками

Ответы на вопросы: Все || # 1-7 || # 8-51 || # 52-59 || # 60-72



Часть B: множественный выбор

8.Если бы электрическая цепь была аналогична аквапарку, то аккумулятор был бы аналогичен ____.

а. трубы, по которым вода проходит через водяной контур

г. насос, который подает энергию для перемещения воды с земли на высоту

г. люди, которые текут с верха водного аттракциона на нижний водный аттракцион

г. скорость, с которой вода накачивается на горку

e. изменение потенциальной энергии гонщиков

ф.верх водной горки

г. дно водной горки

ч. длинные очереди в парке

и. скорость, с которой движутся гонщики при скольжении сверху вниз по траектории

Ответ: B

Водный аттракцион в аквапарке аналогичен электрическому контуру. Во-первых, есть сущность, которая течет — вода течет в аквапарке и (условно) + течет заряд в электрической цепи.В каждом случае жидкость самопроизвольно течет из места с высокой энергией в место с низкой энергией. Поток идет по трубам (или горкам) в аквапарке и по проводам в электрической цепи. Если трубы или провода порваны, непрерывный поток жидкости через контур невозможен. Для установления цепи требуется полный цикл.

Этот поток жидкости — будь то вода или заряд — возможен, когда создается перепад давления между двумя точками в контуре .В аквапарке перепад давления — это разница напора воды, создаваемая двумя локациями на разной высоте. Вода самопроизвольно течет из мест с высоким давлением (большая высота) в места с низким давлением (низкая высота). В электрической цепи разность электрических потенциалов между двумя выводами батареи или источника энергии обеспечивает электрическое давление, которое оказывает давление на заряд, чтобы переместить их из места высокого давления (высокого электрического потенциала) в место низкого давления (низкий электрический потенциал). потенциал).

Энергия требуется для перемещения жидкости вверх по склону . В аквапарке водяной насос используется для работы с водой, чтобы поднять ее с небольшой высоты обратно на большую. Водяной насос не подает воду; вода, которая уже есть в трубах. Напротив, водяной насос подает энергию для перекачивания воды из места с низкой энергией и низким давлением в место с высокой энергией и высоким давлением. В электрической цепи аккумулятор является зарядным насосом, который прокачивает заряд через аккумулятор от места с низким электрическим потенциалом (клемма -) к месту с высоким электрическим потенциалом (клемма +).Аккумулятор не подает электрический заряд; заряд уже в проводах. Батарея просто обеспечивает энергию для работы над зарядом, накачивая его в гору .


9. Если бы электрическая цепь была аналогична аквапарку, то положительный полюс батареи был бы аналогичен ____.

а. трубы, по которым вода проходит через водяной контур

г.насос, который подает энергию для перемещения воды с земли на высоту

г. люди, которые текут с верха водного аттракциона на нижний водный аттракцион

г. скорость, с которой вода накачивается на горку

e. изменение потенциальной энергии гонщиков

ф. верх водной горки

г. дно водной горки

ч. длинные очереди в парке

и.скорость, с которой движутся гонщики при скольжении сверху вниз по траектории


Ответ: F

Водный аттракцион в аквапарке аналогичен электрическому контуру. Во-первых, есть сущность, которая течет — вода течет в аквапарке и (условно) + течет заряд в электрической цепи. В каждом случае жидкость самопроизвольно течет из места с высокой энергией в место с низкой энергией.Поток идет по трубам (или горкам) в аквапарке и по проводам в электрической цепи. Если трубы или провода порваны, непрерывный поток жидкости через контур невозможен. Для установления цепи требуется полный цикл.

Этот поток жидкости — будь то вода или заряд — возможен, когда создается перепад давления между двумя точками в контуре . В аквапарке перепад давления — это разница напора воды, создаваемая двумя локациями на разной высоте.Вода самопроизвольно течет из мест с высоким давлением (большая высота) в места с низким давлением (низкая высота). В электрической цепи разность электрических потенциалов между двумя выводами батареи или источника энергии обеспечивает электрическое давление, которое оказывает давление на заряд, чтобы переместить их из места высокого давления (высокого электрического потенциала) в место низкого давления (низкий электрический потенциал). потенциал).

Энергия требуется для перемещения жидкости вверх по склону .В аквапарке водяной насос используется для работы с водой, чтобы поднять ее с небольшой высоты обратно на большую. Водяной насос не подает воду; вода, которая уже есть в трубах. Напротив, водяной насос подает энергию для перекачивания воды из места с низкой энергией и низким давлением в место с высокой энергией и высоким давлением. В электрической цепи аккумулятор является зарядным насосом, который прокачивает заряд через аккумулятор от места с низким электрическим потенциалом (клемма -) к месту с высоким электрическим потенциалом (клемма +).Аккумулятор не подает электрический заряд; заряд уже в проводах. Батарея просто обеспечивает энергию для работы над зарядом, накачивая его в гору .


10. Если бы электрическая цепь была аналогична аквапарку, то электрический ток был бы аналогичен ____.

а. трубы, по которым вода проходит через водяной контур

г.насос, который подает энергию для перемещения воды с земли на высоту

г. люди, которые текут с верха водного аттракциона на нижний водный аттракцион

г. скорость, с которой вода накачивается на горку

e. изменение потенциальной энергии гонщиков

ф. верх водной горки

г. дно водной горки

ч. длинные очереди в парке

и.скорость, с которой движутся гонщики при скольжении сверху вниз по трассе

Ответ: D

Поток воды в аквапарке аналогичен потоку заряда в электрической цепи. Скорость, с которой заряд проходит через точку в цепи, измеряемая в кулонах заряда в секунду (или некотором сопоставимом наборе единиц), называется током. В нашей аналогии текучая среда, которая течет, — это вода, а скорость, с которой жидкость проходит через любую заданную точку, — это течение.

11. Потенциальная энергия единицы заряда в любом заданном месте называется электрической ___.

а. текущий

г. сопротивление

г. потенциал

г. мощность

Ответ: C

Это определение электрического потенциала — понятие, которое вы должны усвоить.

[# 8 | # 9 | # 10 | # 11 | # 12 | # 13 | # 14 | # 15 | # 16 | # 17 | # 18 | # 19 | # 20 | # 21 | # 22 | # 23 | # 24 | # 25 | # 26 | # 27 | # 28 | # 29 | # 30 | # 31 | # 32 | # 33 | # 34 | # 35 | # 36 | # 37 | # 38 | # 39 | # 40 | # 41 | # 42 | # 43 | # 44 | # 45 | # 46 | # 47 | # 48 | # 49 | # 50 | # 51]

12. Один ампер — это величина тока, которая существует, когда ____ протекает через определенную точку в проводнике в ____.

а.один ватт; одна секунда

г. один джоуль; один час

г. один электрон; одна секунда

г. один электрон; один час

e. один вольт; одна секунда

ф. один вольт; один час

г.один кулон; одна секунда

ч. один кулон; один час

Ответ: G

Ампер — единица измерения электрического тока. А электрический ток определяется как скорость, с которой заряд проходит через точку в цепи, измеряемую в стандартных единицах кулонов заряда в секунду.

[# 8 | # 9 | # 10 | # 11 | # 12 | # 13 | # 14 | # 15 | # 16 | # 17 | # 18 | # 19 | # 20 | # 21 | # 22 | # 23 | # 24 | # 25 | # 26 | # 27 | # 28 | # 29 | # 30 | # 31 | # 32 | # 33 | # 34 | # 35 | # 36 | # 37 | # 38 | # 39 | # 40 | # 41 | # 42 | # 43 | # 44 | # 45 | # 46 | # 47 | # 48 | # 49 | # 50 | # 51]

13.Если 6 кулонов заряда проходят мимо точки «A» в контуре за 4 секунды, то ____ кулонов заряда проходит мимо точки «A» за 8 секунд.

а. 0,67

г. 1,5

г. 2

г. 3

e. 4

ф.6

г. 8

ч. 12

и. 24

Ответ: H

Ток (I) — это количество заряда, протекающего через точку (Q) за заданный промежуток времени (t). То есть I = Q / t. Таким образом, в этом случае ток в точке A равен (6 C) / (4 с) или 1.5 ампер. Таким образом, отношение Q / t составляет 1,5 независимо от времени. Решите уравнение

1,5 Кл / с = Q / (8 с)

для Q, чтобы получить ответ.

[# 8 | # 9 | # 10 | # 11 | # 12 | # 13 | # 14 | # 15 | # 16 | # 17 | # 18 | # 19 | # 20 | # 21 | # 22 | # 23 | # 24 | # 25 | # 26 | # 27 | # 28 | # 29 | # 30 | # 31 | # 32 | # 33 | # 34 | # 35 | # 36 | # 37 | # 38 | # 39 | # 40 | # 41 | # 42 | # 43 | # 44 | # 45 | # 46 | # 47 | # 48 | # 49 | # 50 | # 51]

14.В какой из следующих ситуаций загорится лампочка? Перечислите все подходящие варианты.

Ответ: DF

Для установления цепи должен быть замкнутый проводящий контур от положительной клеммы к отрицательной. Это будет означать, что цепи D, E и F будут цепями. Но чтобы лампочка загорелась, ее необходимо включить в электрическую цепь. Итак, в E лампочка не горит, поскольку петля не проходит в лампочку и не проходит сквозь нее; заряд будет просто вытекать из + клеммы аккумулятора и прямо обратно в отрицательную клемму аккумулятора.

Для вопросов № 15- № 17:

Простая схема, содержащая аккумулятор и лампочку, показана на схеме справа. Используйте эту диаграмму, чтобы ответить на несколько следующих вопросов.

15. Ток через батарею ___.

а. больше, чем через лампочку

г.меньше, чем через лампочку

г. то же, что и через лампочку

г. больше, чем через каждый провод

e. меньше, чем через каждый провод

Ответ: C

Начисление — это сохраняемая величина; он никогда не приобретается и не теряется.В электрической цепи заряд, присутствующий в проводах и проводящих элементах, — это то, что движется по цепи. Этот заряд заключен в провода и не может выйти (при условии, что в цепи нет неисправности). По мере того, как заряд течет, он не накапливается в данном месте. И заряд не израсходован как бы расходный объем. При этом заряд не трансформируется в другой тип сущности. Учитывая все эти рассуждения, можно было бы заключить, что ток в одном месте в электрической цепи такой же, как ток в любом другом месте в электрической цепи.

16. Заряд, протекающий по этой цепи, имеет наибольшее напряжение в ____. Выберите один лучший ответ.

а. + клемма аккумулятора

г. — вывод аккумуляторной батареи

г. непосредственно перед входом в лампочку

г. сразу после выхода из лампочки

e. … бред какой то! Энергия заряда одинакова во всем контуре.

Ответ: A

Клемма «+» батареи — это высокоэнергетическая клемма батареи.

17. Роль или назначение батареи в этой цепи — ____. Выберите три.

а. подавать электрический заряд, чтобы мог существовать ток

г. подавать энергию к заряду

г.переместите заряд с — на + вывод аккумуляторной батареи

г. преобразовать энергию из электрической энергии в световую

e. установите разность электрических потенциалов между клеммами + и —

ф. восполнить потерянный в лампочке заряд

г. Обеспечьте сопротивление потоку заряда, чтобы лампочка могла нагреваться

Ответ: до н.э.

Чтобы установить электрическую цепь, заряд должен быть переведен с низкой энергии на высокую.При достижении высокой энергии заряд самопроизвольно течет через проводящие провода и другие проводящие элементы схемы назад вниз к клемме низкой энергии. Роль батареи заключается в обеспечении энергией, необходимой для переноса заряда с клеммы — на клемму + батареи. Помещая большое количество одинакового заряда в одном месте, устанавливается электрическое давление или разность потенциалов, заставляя одинаковые заряды перемещаться от этого места к месту противоположного заряда (клемма -).


18. Аккумулятор на 12 В будет обеспечивать ___. Перечислите все подходящие варианты.

а. 3 кулоны заряда с 4 джоулями энергии

г. 4 кулоны заряда с 3 джоулями энергии

г. 12 кулонов заряда с 1 Джоулем энергии

г. 1 кулон заряда с энергией 12 джоулей

e. 0,5 кулонов заряда с энергией 24 джоулей

ф.24 кулоны заряда с 2 джоулями энергии

Ответ: D

Электрический потенциал (или напряжение) определяется как электрическая потенциальная энергия на заряд. Это джоули энергии на кулон заряда, которым обладает некоторое количество заряда в некотором месте в электрической цепи. Аккумулятор на 12 В перемещает некоторое количество заряда с клеммы — на клемму +, обеспечивая энергию заряда. Каждый кулон заряда потреблял бы 12 Джоулей энергии.Соотношение энергия / заряд будет 12 Дж / Кл.

19. Заряды, протекающие по проводам в вашем доме ____.

а. хранятся в торговых точках у вас дома

г. создаются при включении устройства

г. происходят в энергетической компании

г. берут начало в проводах между вашим домом и энергокомпанией

e. уже есть в проводах у вас дома

Ответ: E

Этот вопрос направлен против распространенного заблуждения об электрических цепях.Заблуждение предполагает, что роль электрической розетки, аккумулятора или энергокомпании заключается в обеспечении заряда, необходимого для передвижения по дому. Но энергетическая компания является только источником энергии, необходимой для приведения заряда в движение, путем установления разности электрических потенциалов. Сам заряд присутствует в проводах и токопроводящих элементах вашего дома в виде мобильных электронов.

20.Примерно сколько времени потребуется электрону, чтобы пройти от аккумуляторной батареи автомобиля до фары и обратно (полный цикл)?

а. секунды

г. часы

г.

лет

г. одна миллионная секунды

e. одна десятая секунды

Ответ: B

Электрический заряд, проходящий по электрической цепи, движется довольно медленно.Довольно удивительно для многих, что расстояние, пройденное за единицу времени, составляет порядка 1 метра в час.

21. Представленная справа электрическая схема состоит из аккумулятора и трех одинаковых лампочек. Какие из следующих утверждений относительно этой схемы верны? Перечислите все подходящие варианты.

а. Ток через точку X будет больше, чем через точку Z.

г. Ток через точку Z будет больше, чем через точку Y.

г. Ток будет одинаковым через точки X, Y и Z.

г. Ток через точку X будет больше, чем через точку Y.

e. Ток через точку Y будет больше, чем через точку X.

Ответ: C

Как обсуждалось в вопросе № 15 выше, ток в электрической цепи везде одинаков. Таким образом, ток в этих трех местах одинаков.

22. Представленная справа электрическая схема состоит из аккумулятора и трех одинаковых лампочек. Какие из следующих утверждений относительно этой схемы верны? Перечислите все подходящие варианты.

а. Разность электрических потенциалов между X и Y больше, чем между Y и Z.

г. Разность электрических потенциалов между X и Z больше, чем между Y и W.

г.Разность электрических потенциалов между X и Y такая же, как между Y и Z.

г. Разность электрических потенциалов между X и Z такая же, как между Y и W.

e. Разность электрических потенциалов между Y и W больше, чем между X и Y.

Ответ: DE

Разность электрических потенциалов на лампочке (или на любом резисторе) в электрической цепи — это просто произведение тока в этой лампочке на ее сопротивление.Каждая лампочка имеет одинаковое сопротивление (поскольку они идентичны) и одинаковый ток (поскольку ток везде одинаковый). Таким образом, разность электрических потенциалов на каждой лампочке одинакова. И падение потенциала на любых двух последовательных лампочках одинаково. И падение потенциала на двух лампах будет больше, чем на одной лампочке.

23. Электрическая схема, показанная справа, состоит из аккумулятора и трех одинаковых лампочек.Какие из следующих утверждений относительно этой схемы верны? Перечислите все подходящие варианты.

а. Обычный ток направляется по внешней цепи от точки X к Y, от Z к W.

г. Обычный ток направляется через внешнюю цепь от точки W к Z, к Y к X.

г. Обычный ток направляется по внутренней цепи от точки W к точке X.

г. Обычный ток направляется по внутренней цепи из точки X в точку W.

e. Точка, в которой заряд обладает наименьшим количеством электрической потенциальной энергии, — точка W.

Ответ: ACE

Батарея называется внутренней схемой. Заряд перемещается по внутренней цепи от клеммы — к клемме + (в направлении от W к Z). Провода и лампочки составляют внешнюю цепь; заряд движется по внешней цепи от клеммы + к клемме — (в направлении от X к Y, от Z к W).

24. Напряжение ____ в электрической цепи.

а. проходит через

г. выражается через

г. постоянно на протяжении

г. это скорость, с которой расходы проходят через

Ответ: B

Напряжение или электрический потенциал не движутся.Таким образом, варианты A и D не являются ответами, поскольку предполагают изменение напряжения. И напряжение или электрический потенциал заряда не является чем-то постоянным во всей цепи, как предполагает вариант C.

Напряжение или электрический потенциал — это мера того, насколько заряжено количество заряда в данном месте относительно клеммы -. Часто это выражается как разница между двумя точками. Возможно, вы обратили внимание на эту формулировку «потенциал через …» в нескольких ответах в этом обзоре.

25. Два или более из следующих слов и фраз означают одно и то же. Определите их, перечислив их буквы.

а. Напряжение

г. Мощность

г. Разница электрических потенциалов

г. Скорость движения платежей

e.Электрическое давление

ф. Энергия

Ответ: ACE

Напряжение или разность электрических потенциалов являются синонимами. Напряжение не является синонимом энергии. В то время как напряжение (или разность электрических потенциалов) является мерой того, насколько заряжено количество заряда в данном месте, напряжение выражается как энергия на заряд (а не просто как энергия).По аналогии между аквапарком и электрической цепью, напряжение — это мера количества электрического давления, оказываемого на заряд, заставляя его перемещаться из одного места в другое.

Мощность — это синоним мощности. Ток является синонимом скорости, с которой течет заряд.


26. Аккумулятор высокого напряжения может ____.

а. много работать над каждым зарядом, с которым он сталкивается

г.выполнять много работы в течение срока службы

г. протолкнуть много заряда через цепь

г. длиться долго

Ответ: A

Напряжение относится к энергии / заряду. Батарея, рассчитанная на высокое напряжение, может выполнять большую работу на каждый кулон заряда, с которым она сталкивается. В зависимости от размера батареи он может или не сможет выполнять большую работу в течение своего срока службы.



27. Что из перечисленного происходит при перезарядке аккумуляторной батареи?

а. Аккумулятор, мощность которого разряжена, восстанавливается.

г. Батарея, у которой закончился ток, возвращается в нее.

г. Батарея, которая разрядилась, возвращается к ней.

г. Батарея, в которой закончились химические реактивы, подверглась химическому преобразованию.

Ответ: D

Батареи выполняют свои задачи по энергоснабжению, используя энергию экзотермической окислительно-восстановительной реакции для работы при зарядке в электрической цепи. Когда батарея больше не работает, ее реагенты расходуются до такой степени, что электрический потенциал, который реагенты способны производить, невелик по сравнению с общим сопротивлением цепи. В такой момент времени способность индуцировать ток ограничена до такой степени, что элементы внешней цепи больше не работают.

Не все батареи можно перезаряжать. Те, которые являются перезаряжаемыми, могут превращать продукты обратно в реагенты. Зарядное устройство использует электрическую энергию из розетки, чтобы обратить вспять ранее экзотермическую реакцию, превращая ее продукты обратно в реагенты.


28. Птицы могут спокойно стоять на высоковольтных линиях электропередачи. Это потому что ____.

а.они имеют низкий потенциал по отношению к земле.

г. они не оказывают сопротивления току.

г. они всегда выбирают неиспользуемые линии электропередач.

г. разность потенциалов между их ногами мала.

e. они идеальные изоляторы.

ф. они прекрасные дирижеры.

Ответ: D

Для того, чтобы заряд протекал между двумя точками, между этими двумя точками должна быть установлена ​​разность электрических потенциалов.Если птица ставит левую ногу на линию электропередачи, а правую ногу на расстоянии нескольких сантиметров от той же линии электропередачи, то разницы потенциалов между его двумя ногами практически нет. Без разности электрических потенциалов заряд не будет проходить через птицу, и птица будет в безопасности.

29. Когда лампочка в вашей лампе больше не работает, это потому, что в лампочке _____.

а. заканчивается энергия и больше не может качать заряд

г.нет напряжения и необходимо зарядить

г. закончились электроны и поэтому нет больше тока

г. сгорел все ватты и больше не светит

e. сработал автоматический выключатель и должен быть закреплен на блоке предохранителей

.

ф. обрыв нити накала, что привело к обрыву цепи

г. … бред какой то! Лампочка в порядке; вашей семье просто нужно полностью оплатить счет за электроэнергию.

Ответ: F

Самая частая причина неспособности лампочки зажигать — обрыв нити накала.Спиральная вольфрамовая проволока протягивается между двумя вертикальными опорами. Если потревожить в горячем состоянии или из-за чрезмерного износа, металлический вольфрам может сломаться и оставить зазор между двумя вертикальными опорами. Этот разрыв представляет собой разрыв цепи; замкнутый проводящий контур больше не устанавливается, и заряд не течет.



30. В цепи вашего фонаря нужна батарейка, чтобы ____.

а.заряд предоставляется на провода

г. энергия света уравновешивается аккумулятором

г. возможна экзотермическая реакция, создающая свет

г. в цепи

поддерживается разность электрических потенциалов.

e. электроны подаются, чтобы зажечь лампочку

Ответ: D

Одна из функций батареи — просто установить разницу в электрическом потенциале между двумя ее выводами.Заряд с высоким потенциалом будет проходить через внешнюю цепь в место с низким потенциалом.


31. При включении освещения в помещении они сразу загораются. Лучше всего это объясняется тем, что ____.

а. электроны очень быстро перемещаются от переключателя к нити накала лампочки

г. электроны, присутствующие повсюду в цепи, движутся мгновенно

Ответ: B

Электроны очень медленно перемещаются из одного места в другое.Но как только цепь замыкается, они сразу начинают движение. Пока электроны движутся примерно на метр или за час, фактический сигнал, который говорит им начать движение, может двигаться со скоростью света. Таким образом, как только переключатель включен, по цепи циркулирует сигнал, чтобы электроны маршировали . Электроны присутствуют в нити накала цепи.


32. Скорость дрейфа подвижных носителей заряда в электрических цепях ____.

а. очень быстро; меньше, но очень близко к скорости света

г. быстрый; быстрее, чем самая быстрая машина, но далеко не скорость света

г. медленный; медленнее Майкла Джексона пробегает 220-метровую

г. очень медленно; медленнее улитки

Ответ: D

Скорость дрейфа — это расстояние, на которое заряд перемещается за единицу времени.Это значение очень мало, поскольку электроны движутся очень и очень медленно. Двигаясь со скоростью около 1 метра в час, они буквально медленнее, чем улитка.


33. Предположим, что ток в типовой цепи (постоянный ток) велик. Это признак того, что ____.

а. мобильные носители заряда движутся очень быстро

г. большое количество мобильных носителей заряда продвигается вперед в секунду

г.и a, и b верны

Ответ: B

Ток (скорость, с которой заряд движется мимо точки в цепи) и скорость дрейфа (расстояние, на которое заряд проходит за секунду) не следует путать (и часто это так). Если ток большой, можно быть уверенным только в одном: каждую секунду много зарядов движется вперед мимо точки в цепи.


34.Какие из следующих утверждений представляют собой правильные эквиваленты единиц измерения? Перечислите все подходящие варианты.

а. 1 Ампер = 1 Кулон в секунду

г. 1 Джоуль = 1 В / кулон

г. 1 Ватт = 1 Джоуль • секунда

г. 1 Вт = 1 В • Кулон в секунду

e.1 Джоуль / Ом = 1 Ампер • Кулон

ф. 1 Джоуль • Ом = 1 Вольт 2 • секунда

Ответ: ADEF

Этот вопрос требует знания как единиц измерения электрических величин, так и уравнений, связывающих эти величины.

При выборе a, ампер — это единица измерения тока (I), а кулон в секунду — это единица заряда в единицу времени (Q / t).Это согласуется с уравнением I = Q / t.

При выборе b джоуль — это единица энергии (Э), а вольт / кулон — это единица измерения напряжения на единицу заряда (В / Кв). Поскольку напряжение — это энергия, приходящаяся на заряд, мы ожидаем, что энергия будет эквивалентна напряжению • заряда. Таким образом, неправильно приравнивать единицы энергии к единицам напряжения на заряд.

При выборе c, ватт — это единица мощности (P), а джоуль • секунда — это единица энергии (E), умноженная на единицу времени (t).Но мощность — это энергия / время, а не энергия • время, так что это неправильный эквивалент единиц.

При выборе d ватт — это единица мощности (P). Справа вольт — это единица измерения напряжения (В), а кулон в секунду — это единица измерения тока (I). Так как P = I • V, это правильная эквивалентность единиц.

При выборе e джоуль / Ом — это единица энергии на единицу сопротивления (E / R). Ампер • Кулон — это единица измерения тока, умноженная на единицу заряда (I • Q).Таким образом, уравнение предполагает, что E / R = I • Q. Это можно переставить алгебраически, чтобы сказать, что E / Q = I • R. Поскольку напряжение — это энергия, приходящаяся на заряд (E / Q), уравнение можно переписать как V = I • R. Таким образом, это правильная эквивалентность единиц измерения.

При выборе f джоуль • Ом — это единица энергии, умноженная на единицу сопротивления (E • R). Вольт 2 / сек — это единица измерения напряжения 2 , умноженная на единицу времени (В 2 • t). Таким образом, это уравнение предполагает, что E • R = V 2 • t.Это можно переставить алгебраически, чтобы сказать, что E / t = V 2 / R. Правая часть уравнения эквивалентна мощности, поэтому уравнение можно переписать как P = V 2 / R. правильный способ записи уравнения мощности, эквивалентность данной единицы верна.

35. На какой из следующих схем представлены последовательно включенные резисторы? Перечислите все подходящие варианты.

Ответ: B

A и C представляют собой параллельные соединения, как показано разветвлением, которое происходит до и после резисторов.В варианте B нет разветвления, поэтому резисторы подключаются последовательно.

Вопросы № 36- № 39:

На схеме справа показаны два идентичных резистора — R 1 и R 2 , включенные в цепь с 12-вольтовой батареей. Используйте эту диаграмму, чтобы ответить на несколько следующих вопросов.

36. Эти два резистора соединены в ____.

а.серия

г. параллельно

г. ни

Ответ: A

Можно начать с плюсовой клеммы аккумулятора и начать водить пальцем по проводу. Если когда-либо есть точка, в которой провод подходит к стыку и разветвляется в двух или более направлениях, тогда схема имеет параллельное соединение.В противном случае это последовательная цепь. На этой диаграмме нет разветвления. Таким образом, это последовательная схема.

37. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) на каждом резисторе составляет ___ Вольт.

а. 6

г. 12

г. 24

г…. бред какой то!. Разность электрических потенциалов зависит от фактического сопротивления резисторов

.

Ответ: A

Заряд получает увеличение электрического потенциала на 12 вольт при перемещении по внутренней цепи (аккумулятор). Таким образом, когда заряд покидает батарею и проходит через внешнюю цепь, общее падение электрического потенциала должно составлять 12 вольт.Это падение напряжения происходит в два этапа, когда заряд проходит через каждый из резисторов. Заряд потеряет 6 вольт на первом резисторе и 6 вольт на втором резисторе, вернув его к нулю к тому времени, когда он вернется на клемму — батареи. Диаграмма потенциальных возможностей справа является визуальным средством представления этой важной концепции.


38. Если третий резистор (R 3 ), идентичный двум другим, добавить последовательно с первыми двумя, то общее сопротивление будет ____, а общий ток будет ____.

а. прибавка, прибавка

г. уменьшение, уменьшение

г. увеличение, уменьшение

г. уменьшение, увеличение

e. увеличиваются, остаются прежними

ф. уменьшаются, остаются прежними

г.оставить прежним, увеличить

ч. остаются прежними, уменьшаются

и. остаются прежними, остаются прежними

Ответ: C

Увеличение количества резисторов в последовательной цепи приведет к увеличению общего сопротивления этой цепи и уменьшению тока.(Обратное верно для параллельной схемы.)


39. Если третий резистор (R 3 ), идентичный двум другим, добавить последовательно с первыми двумя, то разность электрических потенциалов (падение напряжения) на каждом из трех отдельных резисторов будет ____.

а. увеличить

г.уменьшение

г. остаются прежними

Ответ: B

Используя те же рассуждения, что и в вопросе № 37, мы можем сказать, что заряд приобретает 12 Вольт при прохождении через батарею. Он должен будет потерять эти 12 вольт в три этапа при прохождении через внешнюю цепь. Поскольку теперь во внешней цепи есть три падения напряжения вместо двух первоначальных, каждое падение должно быть меньше, чем раньше.Таким образом, на каждом резисторе будет падение напряжения на 4 В (вместо исходных 6 В).


Вопросы № 40- № 43:

На схеме справа показаны два идентичных резистора — R 1 и R 2 , включенные в цепь с 12-вольтовой батареей. Используйте эту диаграмму, чтобы ответить на несколько следующих вопросов.

40. Эти два резистора соединены в ____.

а. серия

г. параллельно

г. ни

Ответ: B

Можно начать с плюсовой клеммы аккумулятора и начать водить пальцем по проводу. Если когда-либо есть точка, в которой провод подходит к стыку и разветвляется в двух или более направлениях, тогда схема имеет параллельное соединение.В противном случае это последовательная цепь. На этой диаграмме есть некоторые разветвления. Когда заряд достигает точки разветвления, он проходит либо через резистор в левой ветви (R 1 ), либо через резистор в правой ветви (R 2 ). Таким образом, это параллельная схема.


41. Разность электрических потенциалов (падение напряжения) на каждом резисторе составляет ___ Вольт.

а.6

г. 12

г. 24

г. … бред какой то!. Разность электрических потенциалов зависит от фактического сопротивления резисторов

.

Ответ: B

Заряд получает увеличение электрического потенциала на 12 вольт при перемещении по внутренней цепи (аккумулятор).Таким образом, когда заряд покидает батарею и проходит через внешнюю цепь, общее падение электрического потенциала должно составлять 12 вольт. Это падение напряжения происходит за один шаг, поскольку заряд проходит только через один резистор на обратном пути к батарее. Таким образом, поскольку для заряда выбирается либо левая, либо правая ветвь (но не обе), любая ветвь должна обеспечивать падение напряжения на 12 В. В параллельных цепях разность электрических потенциалов на батарее равна разности электрических потенциалов на любой ветви.Диаграмма потенциальных возможностей справа является визуальным средством представления этой важной концепции.


42. Если третий резистор (R 3 ), идентичный двум другим, добавить параллельно с первыми двумя, то общее сопротивление будет ____, а общий ток будет ____.

а. прибавка, прибавка

г.уменьшение, уменьшение

г. увеличение, уменьшение

г. уменьшение, увеличение

e. увеличиваются, остаются прежними

ф. уменьшаются, остаются прежними

г. оставить прежним, увеличить

ч.остаются прежними, уменьшаются

и. остаются прежними, остаются прежними

Ответ: D

Добавление идентичного резистора в отдельную ветвь обеспечит больше путей, по которым заряд может проходить через петлю цепи. Это было бы эквивалентом добавления еще одной будки на пункте взимания платы на платной дороге параллельно с существующей будкой.Открытие другой полосы движения снизит общее сопротивление и приведет к увеличению скорости потока автомобилей. То же самое происходит с зарядом в параллельных цепях. Больше ответвлений означает меньшее сопротивление и повышенный ток.

43. Если третий резистор (R 3 ), идентичный двум другим, добавить параллельно с первыми двумя, то разность электрических потенциалов (падение напряжения) на каждом из трех отдельных резисторов будет ____.

а. увеличить

г. уменьшение

г. остаются прежними

Ответ: C

Разность электрических потенциалов на любой ветви равна напряжению батареи. Добавление новой ветви может изменить общее сопротивление и общий ток, но не меняет разность электрических потенциалов ни на батарее, ни на ветвях.


[# 8 | # 9 | # 10 | # 11 | # 12 | # 13 | # 14 | # 15 | # 16 | # 17 | # 18 | # 19 | # 20 | # 21 | # 22 | # 23 | # 24 | # 25 | # 26 | # 27 | # 28 | # 29 | # 30 | # 31 | # 32 | # 33 | # 34 | # 35 | # 36 | # 37 | # 38 | # 39 | # 40 | # 41 | # 42 | # 43 | # 44 | # 45 | # 46 | # 47 | # 48 | # 49 | # 50 | # 51]

44. Сопротивление токонесущего провода увеличится на ____. Выберите все, что подходит.

а. длина провода увеличена

г.сечение провода увеличено

г. температура проволоки повышена

г. напряжение на концах провода увеличивается

e. провод ставим все ближе и ближе к + клемме цепи

Ответ: AC

Сопротивление провода увеличивается с увеличением длины и (в меньшей степени) с повышением температуры.Увеличение длины провода увеличивает количество столкновений заряда атома и, следовательно, величину сопротивления. Повышение температуры увеличивает удельное сопротивление материала и, таким образом, увеличивает общее сопротивление.

45. При подключении к розетке на 120 В лампочка потребляет 300 джоулей энергии в течение 5 секунд. Мощность лампочки ____ Вт.

а.0,0167

г. 0,50

г. 2,0

г. 2,50

e. 60

ф. 600

г. 1500

ч. 7200

Ответ: E

Мощность — это просто скорость, с которой энергия подается в цепь или преобразуется в ней.В этом случае мощность — это энергия, потребляемая за раз.

P = (300 Дж) / (5 секунд) = 60 Вт

46. Определенная электрическая цепь содержит аккумулятор, провода и лампочку. Если потенциальная энергия приобретается за счет заряда в месте расположения батареи, тогда заряды теряют потенциальную энергию ____.

а. только в проводах

г. в лампочке только

г. поровну в проводах и лампочке

г.в основном в проводах но немного в лампочке

e. в основном в лампочке но немного в проводах

ф. никуда

Ответ: E

Charge теряет энергию при прохождении через зоны сопротивления. При последовательном соединении участки с наибольшим сопротивлением преобразуют электрическую энергию в другие формы с большей скоростью. Таким образом, энергия будет потеряна в лампочке и в проводах в гораздо меньшей степени.



47. Электрическая лампочка с высоким сопротивлением и лампочка с низким сопротивлением последовательно подключены к 6-вольтовой батарее. Какая из двух лампочек будет светить ярче всех?

а. У них будет одинаковая яркость.

г. Лампа с низким R будет светиться ярче.

г. Лампа с высоким R будет светиться ярче.

г. Невозможно сделать такой прогноз, поскольку яркость лампы не зависит от сопротивления лампы.

Ответ: C

Поскольку две лампочки включены последовательно, каждая из них испытывает одинаковый ток (i). Мощность будет отдана продуктом i 2 • R. Поскольку i одинаково для каждой лампочки, лампа с наибольшим сопротивлением будет иметь наибольшую мощность. Таким образом, лампочка с высоким R преобразует электрическую энергию в энергию света с максимальной скоростью и, таким образом, будет светить наиболее ярко.

48.Лампочка с высоким сопротивлением и лампочка с низким сопротивлением подключены параллельно и питаются от 6-вольтовой батареи. Какая из двух лампочек будет светить ярче всех?

а. У них будет одинаковая яркость.

г. Лампа с низким R будет светиться ярче.

г. Лампа с высоким R будет светиться ярче.

г. Невозможно сделать такой прогноз, поскольку яркость лампы не зависит от сопротивления лампы.

Ответ: B

Поскольку две лампочки включены параллельно, каждая из них испытывает одинаковое падение напряжения (В).Мощность будет отдана продуктом i 2 • R. Поскольку V одинаково для каждой лампочки, лампа с наибольшим сопротивлением будет иметь наименьший ток. Ток имеет наибольшее значение при определении мощности лампочки, поскольку в уравнении он возведен в квадрат. Таким образом, лампочка с низким R будет иметь наибольший ток и, таким образом, преобразовывать электрическую энергию в энергию света с наибольшей скоростью; он будет сиять наиболее ярко.


49.Три одинаковые лампочки подключены к батарее, как показано справа. Какие настройки можно было бы внести в схему, чтобы увеличить ток, измеряемый в точке X? Включите все, что применимо.

а. увеличить сопротивление одной из лампочек

г. увеличить сопротивление двух лампочек

г. уменьшить сопротивление двух лампочек

г. увеличить напряжение АКБ

e. уменьшить напряжение АКБ

ф.снимаем одну из лампочек

Ответ: CDF

Ток в последовательной цепи (как полный ток, так и ток через отдельные резисторы) напрямую зависит от напряжения батареи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи. Этот ток можно увеличить, увеличив напряжение аккумулятора. Его также можно увеличить, уменьшив общее сопротивление. Удаление лампы уменьшило бы общее сопротивление, а уменьшение сопротивления любой отдельной лампы уменьшило бы общее сопротивление.


50. Три одинаковые лампочки (обозначенные X, Y и Z) подключены к батарее, как показано справа. Какие настройки можно внести в схему ниже, чтобы увеличить ток в точке P? Перечислите все подходящие варианты.

а. увеличить сопротивление одной из лампочек

г. увеличить сопротивление двух лампочек

г. уменьшить сопротивление двух лампочек

г.увеличить напряжение АКБ

e. уменьшить напряжение АКБ

ф. снимаем одну из лампочек

Ответ: CD

Точка P представляет собой место, где можно измерить полный ток этой параллельной цепи. Полный ток будет напрямую зависеть от общего напряжения и обратно пропорционально общему сопротивлению. Увеличение напряжения батареи приведет к увеличению тока в точке P.Уменьшение общего сопротивления приведет к увеличению тока в точке P. Общее сопротивление можно уменьшить, добавив еще один резистор в отдельную ветвь или уменьшив сопротивление любой из ветвей.

51. Три одинаковые лампочки (обозначенные X, Y и Z) подключены к батарее, как показано справа. Какие настройки можно внести в схему ниже, чтобы уменьшить ток в лампочке Z? Перечислите все подходящие варианты.

а. увеличить сопротивление лампы X

г. уменьшить сопротивление лампы X

г. увеличить сопротивление лампы Z

г. уменьшить сопротивление лампы Z

e. увеличить напряжение АКБ

ф. уменьшить напряжение АКБ

г. снять лампу Y

Ответ: CF

Ток в лампе Z зависит от падения напряжения на лампе Z и сопротивления лампы Z.В форме уравнения,

I Z = V Z / R Z

Увеличение напряжения батареи приведет к увеличению падения напряжения на лампе Z (V Z ) и, таким образом, обеспечит больший ток через лампу. Уменьшение сопротивления лампы Z также приведет к увеличению тока через лампу. Однако изменение положения лампы X или Y не повлияет на соотношение V Z / R Z .



Переход к:

Главная страница сеанса обзора — Список тем

Electric Circuits — Главная страница || Версия для печати || Вопросы со ссылками

Ответы на вопросы: Все || # 1-7 || # 8-51 || # 52-59 || # 60-72

Вам тоже может понравиться…

Пользователи The Review Session часто ищут учебные ресурсы, которые предоставляют им возможности для практики и обзора, которые включают встроенную обратную связь и инструкции. Если это то, что вы ищете, то вам также может понравиться следующее:
  1. Блокнот калькулятора

    Блокнот калькулятора включает текстовые задачи по физике, сгруппированные по темам. Каждая проблема сопровождается всплывающим ответом и аудиофайлом, в котором подробно объясняется, как подойти к проблеме и решить ее.Это идеальный ресурс для тех, кто хочет улучшить свои навыки решения проблем.

    Визит: Панель калькулятора На главную | Блокнот для калькулятора — электрические схемы

  2. Minds On Physics App Series

    Minds On Physics the App («MOP the App») представляет собой серию интерактивных модулей вопросов для учащихся, серьезно желающих улучшить свое концептуальное понимание физики. Каждый модуль этой серии посвящен отдельной теме и разбит на подтемы.«Опыт MOP» предоставит учащемуся сложные вопросы, отзывы и помощь по конкретным вопросам в контексте игровой среды. Он доступен для телефонов, планшетов, Chromebook и компьютеров Macintosh. Это идеальный ресурс для тех, кто хочет усовершенствовать свои способности к концептуальному мышлению. Четвертая часть серии включает темы «Электрические схемы».

    Посетите: MOP the App Home || MOP приложение — часть 4

Что такое электрическая неисправность? Определение, типы и вредные последствия сбоя в энергосистеме

Определение: Неисправность в электрическом оборудовании или аппарате определяется как дефект в электрической цепи, из-за которого ток отклоняется от заданного пути.Другими словами, неисправность — это ненормальное состояние электрической системы, которое повреждает электрооборудование и нарушает нормальный поток электрического тока.

Повреждение снижает прочность изоляции между фазными проводниками и землей или любым заземленным экраном, окружающим проводники. Это также снижает импеданс (свойство цепи препятствовать прохождению тока) между проводниками и землей, из-за чего сильный ток короткого замыкания протекает через систему и повреждает оборудование энергосистемы.

Вероятность отказа или возникновения аномальных неисправностей больше на линиях передачи. Примерно половина неисправностей в энергосистеме — это неисправности в линии передачи. Потому что линии электропередачи имеют широкие разветвления, большую протяженность, работают в изменчивых погодных условиях и подвергаются воздействию атмосферных возмущений электрического характера.

В соответствии с причинами возникновения, причины отказов могут быть классифицированы, как указано ниже;

  • Пробой из-за изоляции может произойти при нормальном напряжении из-за ухудшения или старения изоляции, а повреждения вызваны непредсказуемыми событиями, такими как сильный ветер, падение дерева через линию, столкновение транспортных средств с опорами или столбами , птицы, замыкающие стропы, столкновение самолетов с линией, обрывы строп и т.,
  • Пробой может произойти из-за аномального напряжения, вызванного импульсами переключения или ударами молнии, которые могут быть прямыми или индуцированными.

Линия и изоляционный аппарат также могут быть повреждены из-за переходного перенапряжения, возникающего в процессе переключения. Во время операции переключения напряжение растет с большой скоростью и может достигать пикового значения, приближающегося к трехкратному фазному напряжению и напряжению нейтрали. Следовательно, обеспечивается более высокий уровень изоляции для защиты оборудования от повреждений.

Неисправность может быть минимизирована путем улучшения конструкции системы, повышения качества оборудования и технического обслуживания. Но полностью устранить неисправность невозможно.

Типы электрических неисправностей

Самая распространенная и опасная неисправность, возникающая в энергосистеме, — это короткое замыкание или шунтирующее замыкание. При возникновении короткого замыкания через цепь протекает сильный ток или ток короткого замыкания, который повреждает изоляцию токоведущих фазных проводов, соответствующих земле, или изоляцию между фазами.Ниже описаны различные типы электрических неисправностей:

  1. Однофазное замыкание на землю — Это также называется замыканием на землю. В основном это происходит из-за пробоя изоляции между одной из фаз и землей. Однофазное замыкание наиболее часто встречается в энергосистеме. Их шансы на появление в энергосистеме составляют 70%.
  2. Междуфазное повреждение — В энергосистеме такой тип повреждения редко возникает. Это также называется межфазной неисправностью.Это происходит при коротком замыкании двух проводников. Вероятность их появления в энергосистеме едва ли составляет 15%.
  3. Короткое замыкание двух фаз на землю — При этом типе замыкания происходит нарушение изоляции между двумя фазами и землей. Это наиболее серьезный тип неисправности, но он редко встречается в энергосистеме. Это также называется замыканием между линией и землей (L-L-G). Вероятность их появления вряд ли составляет 10%.
  4. Междуфазное замыкание и третье замыкание на землю — Это комбинация междуфазного замыкания и замыкания фазы на землю.Такие типы повреждений возникают из-за пробоя изоляции между двумя фазами и одновременного пробоя изоляции между третьей фазой и землей. Вероятность возникновения такой неисправности составляет от 2% до 3%.
  5. Все три фазы на землю — Это наиболее серьезный тип неисправности, который очень редко возникает в энергосистеме. Это происходит из-за пробоя изоляции между всеми фазами, а также с землей. В энергосистеме это от 2% до 3%.
  6. Короткое замыкание всех трех фаз — Этот тип неисправности в основном возникает из-за нарушения изоляции между всеми тремя фазами.Их появление в энергосистеме редко составляет от 2% до 3%.

Первые четыре повреждения имеют несимметричный характер и вызывают несимметричный ток, то есть разные токи в трех фазах. Последние два повреждения имеют симметричный характер и вызывают симметричный ток, то есть равный ток повреждения во всех трех фазах со смещением на 120º.

Вредное влияние неисправностей на энергосистему

При возникновении неисправности в цепи протекает сильный ток короткого замыкания.Этот ток имеет следующие недостатки. Их последствия подробно описаны ниже.

  1. Сильный ток из-за неисправности вызывает чрезмерный нагрев, что может привести к возгоранию или взрыву.
  2. Иногда ток короткого замыкания принимает форму дуги, которая может привести к значительному повреждению элемента энергосистемы.
  3. Это может отрицательно сказаться на стабильности энергосистемы, и даже может произойти полное отключение энергосистемы.
  4. Повреждение другого оборудования в системе может быть вызвано перегревом и аномальными механическими силами.

Большое количество несимметричных дефектов носит временный характер и может исчезнуть в течение нескольких циклов, как это может быть причиной, когда ветка (стебель) падает на линию и перегорает или просто падает. Симметричные трехфазные КЗ, как правило, возникают из-за неосторожности обслуживающего персонала.

Лечение постоянным электрическим током в физиологических условиях солевого раствора убивает биопленки Staphylococcus epidermidis посредством электролитического образования хлорноватистой кислоты

Abstract

Целью этого исследования было изучить механизм, с помощью которого постоянный электрический ток снижает жизнеспособность биопленок Staphylococcus epidermidis в сочетании с ципрофлоксацином в физиологических условиях солевого раствора, приближенных к таковым в инфицированном искусственном суставе.Биопленки, выращенные в биопленочных реакторах CDC, подвергали воздействию тока в течение 24 часов в триптическом соевом бульоне крепостью 1/10 th , содержащем 9 г / л общего NaCl. Дозозависимые логарифмические сокращения до 6,7 log 10 КОЕ / см 2 наблюдались при приложении постоянного тока на всех четырех уровнях (от 0,7 до 1,8 мА / см 2 ) как в присутствии, так и в отсутствие ципрофлоксацина. Не было значительных различий в логарифмических сокращениях для лунок с ципрофлоксацином по сравнению с лунками без таких же текущих уровней.Когда текущие воздействия повторялись без биопленки или органических веществ в среде, было измерено значительное образование свободного хлора. Было показано, что дозы свободного хлора, эквивалентные 24-часовой конечной концентрации для каждого текущего уровня, имитируют убийство, достигаемое текущим применением. Воздействие тока (1,8 мА / см 2 ) в среде без хлора и с добавлением сульфата, нитрата или фосфата в качестве альтернативных электролитов привело к уменьшению потерь на 3, 2 и 0 log соответственно.Постоянный ток также убил биопленок Pseudomonas aeruginosa, , когда присутствовал NaCl. Вместе эти результаты показывают, что реакции электролиза с образованием хлорноватистой кислоты из хлорида, вероятно, являются основным фактором эффективности применения постоянного тока. Таким образом, физиологически релевантная концентрация NaCl является критическим параметром в дизайне эксперимента, если постоянный ток должен быть исследован для in vivo медицинских приложений.

Образец цитирования: Sandvik EL, McLeod BR, Parker AE, Stewart PS (2013) Лечение постоянным электрическим током в физиологических условиях солевого раствора убивает Staphylococcus epidermidis биопленок посредством электролитического образования хлорноватистой кислоты.PLoS ONE 8 (2): e55118. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118

Редактор: Майкл Отто, Национальные институты здоровья, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 27.08.2012; Принято к печати: 19 декабря 2012 г .; Опубликовано: 4 февраля 2013 г.

Авторские права: © 2013 Sandvik et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Эта работа была поддержана Инженерным колледжем государственного университета Монтаны, Peter Ewing Capital Management LLC, Исследовательским институтом Аллегени-Зингера и Соглашением о гранте № 08-03 Совета штата Монтана по исследованиям и коммерциализации технологий. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Обратите внимание, что эта работа была частично поддержана финансированием, предоставленным Peter Ewing Capital Management LLC.Это не влияет на соблюдение авторами всех политик PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Лечение инфекций, связанных с медицинскими имплантатами, является сложной задачей. Статья 2004 года в журнале The New England Journal of Medicine сообщала, что из 600 000 протезов суставов, ежегодно имплантируемых в США, примерно у 12 000 разовьются инфекции [1]. Наиболее частыми виновниками этих инфекций являются виды стафилококков [2] — [7], составляющие более 80% инфекций, связанных с медицинскими устройствами [6], [7].При оценке наиболее частых возбудителей ортопедических инфекций в 2011 году Staphylococcus epidermidis были определены как наиболее распространенные виды бактерий при артропротезах коленного и тазобедренного суставов, встречающиеся в половине зарегистрированных инфекций, за которыми следует Staphylococcus aureus (около 20%). случаев) и Pseudomonas aeruginosa (около 10% и 4% случаев соответственно) [7], подтверждая сообщения о коагулазонегативном стафилококке как все более узнаваемом или появляющемся патогене при инфекциях, связанных с медицинскими устройствами [7] , [8].Эти инфекции особенно устойчивы, когда бактерии производят защитный матрикс и устанавливаются в виде биопленок [9], бактериальный способ роста, который, как известно, значительно более устойчив к антимикробным агентам по сравнению с планктонными культурами того же организма. В то время как длительная противомикробная терапия с применением нескольких антибиотиков может быть эффективной в некоторых случаях [2], [3], [5], неудача лечения может потребовать удаления и замены устройства в одно- или двухэтапном хирургическом процессе, сопровождаемом обширным курс антибиотиков [3] и ориентировочная средняя стоимость медикаментозного и хирургического лечения 30 000 долларов США [1].С этими последствиями желательна разработка новых стратегий лечения.

Одна из предлагаемых стратегий — использование постоянного тока для улучшения или замены существующих схем лечения антибиотиками. Отчеты о влиянии постоянного тока различаются. Было продемонстрировано, что постоянный ток убивает планктонные бактерии в статических и проточных системах [10] — [12] с эффектами, зависящими от материала электродов и состава среды. В статье 1992 года постоянный ток использовался в сочетании с промышленными биоцидами для борьбы с бактериальными биопленками и сообщалось, что ток усиливает активность некоторых агентов [13].В исследовании сообщалось, что только постоянный ток практически не влияет на выживаемость биопленок Pseudomonas aeruginosa ; однако было показано, что комбинация постоянного тока и биоцида значительно увеличивает убивающую эффективность катона, глутаральдейда и соединения четвертичного аммония. Последующие исследования изучали использование электрического тока с антибиотиками [14] — [22]. Было высказано предположение, что это синергетическое явление, называемое биоэлектрическим эффектом, можно оптимизировать для усиления лечения антибиотиками устойчивых инфекций биопленок, когда лечение антибиотиками было минимально эффективным.Синергия между антимикробным препаратом и током, имеющая центральное значение для биоэлектрического эффекта, была воспроизведена в некоторых многочисленных исследованиях [14] — [22], с некоторыми описанными условиями с убивающим эффектом только тока [14], [19] — [22], и другие пришли к выводу, что только ток оказывает незначительное влияние или не имеет никакого эффекта [13] — [15], [17], [18]. Предложенные механизмы этого эффекта включали усиление электрофоретического транспорта антимикробных препаратов через матрикс биопленок [13] — [15], [18], электропорацию, увеличивающую поглощение антимикробных препаратов [13], [14], производство газов, таких как кислород, которые увеличивают метаболизм и метаболизм. антимикробная активность [17], [20] и образование продуктов электролиза, включая хлор [23], [24], перекись водорода [24], а также те, которые влияют на pH [23], [25].В других исследованиях сообщается, что постоянный ток влияет на прилипание бактерий или стимулирует отделение биопленки от проводящих поверхностей [23], [26] — [29]. Когда внешние электрические поля были приложены с изолированными электродами (т. Е. При отсутствии тока), не наблюдалось усиленного уничтожения бактерий антибиотиками [19] или модификации бактериальной адгезии [30].

Одной из примечательных черт почти всех работ in vitro по биоэлектрическому эффекту с антибиотиками было отсутствие хлорида в среде во время воздействия электрического тока [13], [14], [16] — [20], [ 25] — [29].Это было сделано намеренно, чтобы предотвратить электролитическое образование хлора. In vivo , однако, много хлоридов, и это упущение не имеет значения. Целью работы, представленной в этой статье, было исследование влияния постоянного электрического тока на зрелую бактериальную биопленку в условиях физиологического раствора и разбавленного питательного раствора, приближенных к условиям in vivo , таким как те, которые обнаруживаются в искусственном суставе. В качестве модельного организма мы выбрали S.epidermidis , но мы также представляем данные для грамотрицательных P. aeruginosa . Сначала мы попытались определить, влияет ли воздействие электрического тока на бактериальную биопленку в присутствии хлорида и может ли наблюдаться синергизм между током и антибиотиком в этой среде. Во-вторых, если электрический ток воздействовал на биопленку в присутствии хлорида, мы попытались установить, можно ли объяснить этот эффект электролитическим образованием хлорноватистой кислоты.

Методы

Рост биопленки

Биопленочный реактор CDC (Biosurface Technologies Corp., Bozeman, MT, модель CBR90-1DS) разработан для выращивания воспроизводимой биопленки на поликарбонатных дисках (так называемых купонах) в среде с высоким сдвигом. Реактор представляет собой стеклянный стакан объемом один литр с боковым выпускным отверстием на приблизительно 400 мл для отвода сточных вод под действием силы тяжести. Восемь полистирольных стержней, каждый из которых удерживает три поликарбонатных купона диаметром 1,27 см, вставляются через крышку, подвешивая купоны в основной жидкости реактора.Магнитная мешалка с перегородками в центре реактора обеспечивает перемешивание, а также равномерный сдвиг жидкости для каждого образца. Во время работы в непрерывном потоке используется перистальтический насос для закачки свежей среды в реактор через впускной канал в крышке. Находящийся на линии разрыв стекол во входящей линии подачи предотвращает обратное загрязнение бутыли с кормом. Второй порт в крышке прикреплен к вентиляционному отверстию для бактерий для газообмена. Всего в реакторе имеется 24 купона для отбора проб.

биопленок выращивали на поликарбонатных купонах в реакторе CDC Biofilm Reactor с использованием стандартного протокола роста для каждого организма. Протокол роста S. epidermidis аналогичен ASTM E2562-07 «Стандартный метод количественного определения биопленки Pseudomonas aeruginosa , выращенной с высоким сдвигом и непрерывным потоком с использованием биопленочного реактора CDC» [31], но был адаптирован для основных исследуемый организм, S. epidermidis RP62A (АТСС № 35984): стерилизованный реактор, содержащий 450 мл полной концентрации (30 г / л) TSB (триптический соевый бульон, среда для переваривания соевых бобов и казеина, Difco) с зажатой трубкой для сточных вод. инокулированный из замороженного запаса S.Epidermidis . Реактор помещали на пластину с магнитной мешалкой в ​​инкубатор при 37 ° C и работали периодически при перемешивании со скоростью 125 об / мин в течение 24 часов. Через 24 часа был начат непрерывный поток стерильного TSB с концентрацией 1/10 th при времени пребывания в реакторе 30 минут и сливе перелива в емкость для отходов под действием силы тяжести. Непрерывный поток протекал в течение 16 часов, по истечении которых купоны, покрытые биопленкой, были готовы для использования в протоколах экспериментов. Следует отметить, что две стороны купона (обращенные внутрь к перегородке мешалки и наружу к стеклу) испытывают разное напряжение сдвига, которое является критическим фактором роста биопленки.Для всех экспериментов внутренняя поверхность купона определялась как поверхность образца. В конце протокола роста (непосредственно перед лечением) купоны имели среднюю LD 8,46 log 10 (КОЕ / см 2 ) с SD повторяемости 0,34 log 10 (КОЕ / см 2 ). более 25 экспериментов с 30% погрешностью из-за разных источников экспериментов (метод выборки приводится ниже).

Биопленки P. aeruginosa ERC-1 (ATCC # 70088) также выращивали в реакторе CDC по аналогичному протоколу.Средние концентрации, температура и время были такими же, как и в стандартном методе ASTM E2562-07, и отличались от протокола роста S. epidermidis следующим образом: периодическая фаза работала в течение 24 часов с 1/100 th . крепость (0,3 г / л) TSB при комнатной температуре. Непрерывный поток выдерживали в течение 24 часов с TSB с концентрацией 1/300 th (0,1 г / л) при комнатной температуре. В конце протокола роста (незадолго до лечения) средняя LD = 8 купонов.08 log 10 (КОЕ / см 2 ) со стандартным отклонением повторяемости 0,25 log 10 (КОЕ / см 2 ) в 28 экспериментах с 96% погрешностью из-за разных источников экспериментов (метод отбора проб приводится ниже).

Воздействие постоянного тока и / или антибиотиков

Обработки проводились в небольших закрытых колодцах, спроектированных в Центре биопленочной инженерии, описанном ранее [19]. Внутренние размеры были 7,1 см в длину, 1,6 см в ширину и 3,4 см в высоту (рис. 1). Крышка была покрыта резиновым покрытием для предотвращения загрязнения.Двадцать четыре платиновых электрода калибра, длиной 3,8 см проталкивали через крышку на противоположных концах лунок и выдвигали на 2,5 см от крышки в лунку для обработки. Анод был подключен к положительной клемме источника питания, а катод — к отрицательной. Небольшая полоска резиновой пленки толщиной 3 мм на дне лунки на расстоянии 4,0 см от катода свободно удерживала купоны на месте, так что положения трех купонов были одинаковыми во всех экспериментах. Каждая скважина имела отдельную схему со встроенным амперметром и регулятором тока (Wavelength Electronics, No.LDD200-1M) на блоке питания, генерирующем постоянный ток. Контроллеры тока поддерживали постоянный уровень тока, в то время как напряжение слегка колебалось при изменении резистивных нагрузок на каждой скважине.

Рисунок 1. Обработка скважины из поликарбоната.

Кусок резиновой пленки на дне лунки удерживал покрытые биопленкой купоны в одном и том же положении (помечены 1–3) для каждого эксперимента. Платиновые электроды вставляли через крышку на противоположных концах лунки и подавали ток по длине.Анод был подключен к положительной клемме источника питания, а катод — к отрицательной.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g001

После выращивания купоны, покрытые биопленкой, в асептических условиях удаляли со стержней реактора CDC, погружая в 10 мл стерильной забуференной воды для разбавления (42,2 мг KH 2 PO 4 / л, 406,5 мг / л MgCl 2 • 6H 2 O / л в воде реактивной чистоты) для удаления планктонных клеток и помещения в стерильные лунки для обработки внутренней стороной купона ( из реактора CDC) лицевой стороной вверх в скважину.В каждую лунку осторожно добавляли 20 мл стерильного лечебного раствора (с антибиотиком по показаниям). Постоянный ток подавался по длине скважины.

Staphylococcus epidermidis обработки проводили в течение 24 часов при 37 ° C. Раствор для обработки представлял собой TSB с концентрацией 1/10 с общим содержанием NaCl 9 г / л (с учетом соли в TSB) с 2,5 мкг / мл ципрофлоксацина (Sigma-Aldrich) при наличии показаний. Эта концентрация ципрофлоксацина приблизительно в 40 раз превышала минимальную ингибирующую концентрацию (MIC), определенную для аэробной планктонной культуры бактерий (данные не показаны).Уровни постоянного тока 2,0, 3,0, 4,0 и 5,0 мА подавались через скважины с эффективной плотностью тока 0,7, 1,1, 1,4 и 1,8 мА / см 2 , соответственно (исходя из минимальной площади поперечного сечения жидкость в лечебном колодце при наличии талонов). Эксперименты проводили в параллельных лунках с ципрофлоксацином и без него на каждом текущем уровне. Контрольные лунки без тока, с ципрофлоксацином и без него запускали в каждом эксперименте. Когда был исследован один уровень тока, это привело к четырем параллельным лункам, соответствующим четырем уровням обработки: (1) контрольная без ципрофлоксацина и без тока, (2) лунка с ципрофлоксацином, но без тока, (3) лунка с текущим током. но без ципрофлоксацина и (4) лунка с ципрофлоксацином и током.В некоторых экспериментах применялись два уровня тока для шести параллельных скважин для обработки. Три купона были отобраны из открытых лунок, когда был изучен только один текущий уровень (всего четыре лунки). Для экспериментов с двумя текущими уровнями (всего шесть лунок) только два крайних купона (позиции 1 и 3) отбирали в каждой лунке. На каждом текущем уровне было проведено не менее трех независимых экспериментов (всего N = 11 экспериментов).

Хотя основным исследуемым организмом был S. epidermidis , лечение грамотрицательных бактерий электрическим током также исследовалось с различными концентрациями NaCl.Обработку биопленок Pseudomonas aeruginosa проводили в течение 20 часов при комнатной температуре. Раствор для обработки представлял собой TSB с концентрацией 1/300 th (для соответствия условиям непрерывного потока из реактора для выращивания) с различными концентрациями NaCl от без добавления соли (0,017 г / л NaCl из TSB) до 9 г / л общего NaCl. Тобрамицин добавляли, когда было указано 10,0 мкг / мл сульфата тобрамицина (Sigma-Aldrich), параллельно с предыдущими исследованиями биоэлектрического эффекта с использованием той же концентрации [15], [17] или половины концентрации (5.0 мкг / мл) [14] — тобрамицина против P. aeruginosa. Данные МИК, представленные в этих исследованиях, показывают, что 10,0 мкг / мл сульфата тобрамицина в 10 раз превышают МИК для исследованных штаммов P. aeruginosa [14] — [17], [19]. Использовали три режима интервала между купонами: без прокладок, сгруппированных у катода (как в экспериментах с S. epidermidis ), и крайнее расстояние с купонами на аноде, середине и катоде. По этой причине результаты P. aeruginosa представлены как среднее значение LD для купонов ( n = 2 или 3 купона на лунку) из данной обрабатываемой лунки.Всего в N = 14 экспериментах применяли ток с антибиотиком и без него, а в N = 5 экспериментов применяли только ток, в результате получилось 34 лунки только с током и 16 лунок для обработки с током и тобрамицином. Приложенные уровни тока от 0,13 до 2,0 мА (от 0,05 до 0,71 мА / см 2 ) были ограничены концентрацией соли и диапазоном регуляторов тока.

Определение количества жизнеспособных клеток биопленки

В конце обработки образцы были взяты и проанализированы, как описано в ASTM E2562-07 [31] с небольшими изменениями. Обработанные купоны были осторожно удалены из лунки для обработки с помощью стерильного кровоостанавливающего средства и помещены на стерильную поверхность для отбора образцов.Удерживая купон кровоостанавливающим зажимом, верхнюю поверхность купона соскребали стерильной деревянной палочкой, удерживаемой перпендикулярно поверхности в течение 30 секунд. Палочку взбалтывали в 9 мл стерильной забуференной воды для разбавления и затем использовали для соскабливания купона второй и третий раз. Купон был очищен таким же образом три раза по 30 секунд каждый. После третьего вращения палку выбросили. Купон держали над пробиркой для разбавления, и очищенную поверхность промывали 1 мл воды для разбавления, чтобы удалить оставшуюся биопленку, в результате чего в пробирке для разбавления получился конечный объем 10 мл.Образец гомогенизировали при 10000 об / мин в течение одной минуты для дезагрегации комков биопленки, серийно разбавляли и высевали по каплям с использованием метода капельной чашки (десять капель по 0,01 мл на разведение) на агаре. Образцы S. epidermidis высевали на триптический соевый агар (Difco), а образцы P. aeruginosa высевали на агар R2A (Difco). Колониеобразующие единицы (КОЕ) на чашках подсчитывали после инкубации в течение ночи при 37 ° C. Логарифмическая плотность биопленки (LD) жизнеспособных клеток для каждого купона была рассчитана с использованием средних КОЕ, подсчитанных для 10 капель, объема каждой капли, площади поверхности купона, объема жидкости, в которую биопленка была соскребана (нулевое разведение ), и разведение, при котором подсчитывали колонии: =.Логарифмические сокращения (LR) плотности клеток биопленки были рассчитаны для каждого образца на основе сравнения обработанного образца со средним значением для обесточенного, без антимикробного контроля (1-3 контроля на эксперимент) в рамках одного и того же эксперимента:

Мы использовали LR на образец, в отличие от LR на эксперимент, чтобы явно смоделировать влияние местоположения в лунке на среднее LR. Любое определение LR генерировало одно и то же среднее значение LR, но SEM и степени свободы для t-тестов, основанных на LR на образец, были больше.

Образцы для контроля роста

отбирали непосредственно в соответствии с протоколом роста каждый раз, когда запускали реактор, и отбирали пробы таким же образом. Купоны роста в асептических условиях извлекали из реактора и держателя купона, погружали в 10 мл стерильной воды для разбавления для удаления планктонных клеток и помещали на стерильную доску для отбора проб. Процедура соскабливания на этом этапе была такой же, как и выше.

Измерение хлора, выделяемого при воздействии электрического тока

Как биопленка, так и средние органические вещества могут быть источниками потребности в хлоре, которые быстро реагируют с доступным хлором в системе, тем самым снижая количество измеряемого свободного хлора.Следовательно, чтобы определить, образовались ли свободные формы хлора во время воздействия электрического тока, эксперименты были повторены без биопленки и без органических веществ в среде. Те же самые уровни тока, которые использовались в экспериментах S. epidermidis , применяли к 20 мл раствора NaCl 9 г / л, 0,25 г / лк 2 HPO 4 , эквивалентных концентрациям соли и буфера, присутствующим в лечебном растворе. . После 24 часов нанесения ток отключили, крышку осторожно сняли и жидкие образцы (0.По 1 мл каждый) одновременно вносили пипеткой на каждый электрод. Образцы измеряли методом хлора DPD с использованием реагента HACH DPD Free Chlorine Reagent (5 мл порошковых подушек), считываемого на спектрофотометре при 530 нм. Образцы разбавляли водой для реагентов, чтобы они соответствовали диапазону реагентов, установленному производителем. Предполагалось, что эти концентрации хлора, называемые «конечными измерениями свободного хлора», представляют совокупное количество химически активных форм хлора, образовавшихся за 24 часа обработки.

Измерение pH после воздействия электрического тока

Для оценки изменений pH были повторены эксперименты с биопленкой S. epidermidis без биопленки. Такие же уровни тока применялись к 20 мл стандартного лечебного раствора (3 г / л TSB, 9 г / л общего NaCl) при 37 ° C в течение 24 часов. Для каждой лунки отключили ток и сразу же измерили pH с помощью pH-метра на каждом электроде. В более грубом методе полоски pH (EMD colorpHast, диапазон pH 0–14) размещались на расстоянии 1 см и одновременно погружались в лунку для обработки во время протекания тока.

Эксперимент по дозированию хлора для имитации воздействия электрического тока

В другом варианте для обработки биопленок S. epidermidis вместо электрического тока использовались концентрации свободного хлора, эквивалентные 24-часовым «конечным измерениям свободного хлора» для каждого уровня тока. Для каждого уровня тока ранее измеренные концентрации свободного хлора были сгруппированы для обоих электродов и усреднены. Четыре раствора свободного хлора (соответствующие четырем текущим уровням) были приготовлены с использованием отбеливателя и стерильной воды лабораторного качества.Для контроля использовали стерильную воду (без добавления отбеливателя). Из-за быстрого характера реакций хлора питательные вещества добавляли к растворам хлора непосредственно перед нанесением на биопленку следующим образом. Каждый раствор свободного хлора был доведен до 105% целевой концентрации свободного хлора. Был приготовлен 20-кратный стерильный средний раствор, так что результирующая 1-кратная концентрация была бы стандартной 3 г / л TSB с 9 г / л общего NaCl. S. epidermidis. биопленки выращивали в реакторе CDC и переносили в лунки для обработки, как и раньше.В нулевой момент времени 1 мл раствора среды 20Х добавляли к 19 мл данного раствора свободного хлора в стерильном стеклянном флаконе, перемешивали и осторожно добавляли в лунку для обработки, содержащую купоны, покрытые биопленкой. Это было сделано для всех пяти скважин. Затем лунки обрабатывали как биопленки, подвергнутые действию электрического тока, с 24-часовой инкубацией при 37 ° C, после чего образцы биопленок отбирали, как обычно. В этом эксперименте антибиотик не использовался.

Воздействие электрического тока на биопленку с другими электролитами (без хлорида)

В этом варианте электрический ток подавался на С.epidermidis биопленки в лечебных растворах без хлорида. Электролит все еще был необходим для протекания тока, поэтому вместо 0,154 M Cl (9 г / л NaCl) в стандартном обрабатывающем растворе 0,154 M SO 4 2- (как 21,9 г / л Na 2 SO 4 ), 0,154 M NO 3 (как 13,1 г / л NaNO 3 ) или 0,154 M PO 4 (как 10,7 г / л Na 2 HPO 4 и 9,2 г / л NaH 2 PO 4 с учетом K 2 HPO 4 вкладов уже в среде) было использовано с другими компонентами TSB, добавленными по отдельности (при 1/10 th сила: 1.7 г / л панкреатического гидролизата казеина (BD Bacto Tryptone), 0,3 г / л ферментативного гидролизата соевого шрота (BD Difco Soytone Peptone), 0,25 г / л декстрозы и 0,25 г / л K 2 HPO 4 ). Для каждого альтернативного электролита прикладывания 0, 2,0 и 5,0 мА (0, 0,7 и 1,8 мА / см 2 соответственно) выполняли параллельно, и отбирали пробы из всех трех купонов в лунках. За исключением замены лечебных растворов, протоколы выращивания, обработки и отбора проб были такими же, как и в предыдущем S.epidermidis эксперименты с текущим приложением. В этих экспериментах антибиотик не присутствовал.

Окрашивание и микроскопия отделившихся клеток и биопленок

Три лунки, содержащие биопленок S. epidermidis , обрабатывали 3,0 мА (1,1 мА / см 2 ) постоянного тока в течение 24 часов с параллельными трехкратными контрольными лунками без тока (как описано выше). Образцы основной жидкости и биопленки окрашивали с использованием набора LIVE / DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (молекулярные зонды), а также отбирали образцы на жизнеспособность на TSA.Набор для окрашивания содержит зеленый флуоресцентный SYTO 9 и красный флуоресцентный йодид пропидия, чтобы различать клетки с неповрежденными мембранами («живые») и клетки с поврежденными мембранами («мертвые»), соответственно. Образцы объемом 1 мл неразбавленной основной жидкости и разведение 1 × 10 основной жидкости (в стерильном PBS) были взяты из каждой лунки и инкубированы при комнатной температуре с 3 мкл 1 × 1 раствора компонента A (SYTO 9) и Компонент Б (иодид пропидия) в темноте 15 минут. Каждый окрашенный образец фильтровали через черную поликарбонатную мембрану (GE Water & Process Technologies, 0.Размер пор 22 мкм, диаметр 25 мм). Мембрану переносили на предметное стекло микроскопа, на фильтр наносили каплю иммерсионного масла типа FF (Cargille) и наносили покровное стекло. Образцы визуализировали с помощью эпифлуоресцентного микроскопа Nikon Eclipse E800 (100-кратный масляный объектив, 1,40 NA) со стандартным фильтром FITC (например: 480/30, DM: 505 LP, em: 535/40) для визуализации зеленой флуоресценции SYTO 9 и стандартный фильтр TRITC (например: 540/25, DM: 565 LP, em: 605/55) для просмотра красной флуоресценции йодида пропидия.Парные зеленые и красные изображения были получены на двадцати случайных изображениях (16 389 мкм, 2 ) для каждого образца с использованием программного обеспечения MetaVue (Universal Imaging Corporation). Площадь покрытия клеток измерялась на каждом цифровом изображении с использованием программного обеспечения MetaMorph (Universal Imaging Corporation). Калибровка измеренной площади клеток по сравнению с ручным подсчетом клеток на цифровом изображении была выполнена для 50 кластеров размером от 1 до 32 клеток. Калиброванную среднюю площадь на ячейку использовали для преобразования измеренной площади в количество клеток для каждого изображения, что приводило к количеству «живых» и «мертвых» клеток для n = 20 изображений для каждой основной пробы жидкости.Чтобы дополнить эти измерения, из основной жидкости также брали пробы, серийно разбавляли и помещали на TSA для подсчета жизнеспособных клеток.

Образцы биопленок из тех же лунок для обработки были удалены, окрашены на купоне раствором LIVE / DEAD в соотношении 3 мкл 1 × 1 раствора SYTO 9 и пропидия йодида на 1 мл стерилизованного фильтрацией PBS и инкубированы при комнатной температуре. в темноте 30 минут. После инкубации краситель переносили пипеткой со стороны купона, и образец осторожно промывали стерилизованным на фильтре PBS для удаления избытка красителя.Затем окрашенные образцы визуализировали с помощью конфокальной микроскопии или заливали для криосрезов. Конфокальные изображения биопленки получали полностью гидратированной в чашке Петри с использованием Leica TCS SP5 Confocal (25XW LWD, 0,95 NA). Флуоресценцию SYTO 9 и иодида пропидия возбуждали с помощью лазеров с длиной волны 488 нм и 561 нм со щелями детектора, установленными на 499–551 нм и 579–647 нм, соответственно. Изображения обрабатывались с помощью программного обеспечения Imaris (Bitplane). Для проведения криосрезов окрашенные образцы купонов подвергали криозащите в O.C.T. Составная среда для заделки тканей (Tissue-Tek) на сухом льду, как описано ранее [26].Срезы залитых образцов толщиной пять мкм нарезали в криостате Leica CM1850 при -20 ° C и помещали на предметные стекла, покрытые поли-L-лизином (SuperFrost Plus, FisherBrand). Покровное стекло помещали поверх сухих образцов криосрезов, каплю воды помещали поверх покровного стекла, и криосрезы визуализировали с помощью объектива 60XWI (1,20 NA) с микроскопом эпифлуоресценции Nikon E800 и фильтрами, описанными выше. Зеленые и красные изображения криосрезов были объединены в цвет с использованием программного обеспечения MetaMorph (Universal Imaging Corporation).

Статистические методы

Статистический анализ проводился с использованием моделей линейных смешанных эффектов ( lme ) в пакете нелинейных смешанных эффектов ( nlme ) [32] в бесплатной статистической и графической программе R [33]. Модели lme учитывали плотность электрического тока, положение в скважине и концентрацию соли (только для экспериментов P. aeruginosa ) как коварианты. Антимикробная обработка, источник обработки (электрический ток в сравнении с имитируемым электрическим током для экспериментов по дозированию хлора) и электролит были категориальными переменными.Эксперимент был случайным фактором во всех моделях. Поскольку существовали неравные расхождения между не имеющими тока контроля и текущими данными (как и ожидалось), статистические анализы были выполнены на наборах данных LR (по сравнению с отсутствующим контролем, контролем без антибиотиков), которые были усечены, чтобы исключить контроли с антибиотиками. но тока нет. Следующий процесс выбора модели использовался для определения наиболее подходящей модели для данных. Первоначально все двусторонние взаимодействия между факторами были включены в модель lme .Взаимодействия были исследованы с помощью тестов значимости и графиков взаимодействия. Отбросили незначительные и неважные взаимодействия.

Следующие модели явились результатом процесса отбора. Чтобы оценить эффект уничтожения S. epidermidis постоянного тока в присутствии и в отсутствие ципрофлоксацина, LR для каждого образца оценивали как функцию присутствия / отсутствия антибиотика, плотности тока и положения в лунке с взаимодействием между антибиотиком и током. плотность.Дифференциальное глушение по всей скважине было проанализировано с использованием подмножества данных в виде разницы LR между крайними купонами (купоны 1 и 3) из той же скважины, как функция плотности тока и наличия / отсутствия антибиотика с элементом взаимодействия между двумя переменными . Для оценки уничтожения S. epidermidis дозами хлора LR для каждого образца в эксперименте по дозированию хлора анализировали как функцию имитированной плотности тока. Эксперимент по дозированию хлора ( N = 1) сравнивали с экспериментами без антимикробного воздействия, подвергающимися воздействию тока ( N = 11), как средние значения LR в каждой лунке в зависимости от приложенной (или имитированной) плотности тока и типа обработки (прямой ток или доза хлора) с условием взаимодействия между плотностью тока и типом обработки.Текущее воздействие с альтернативными электролитами было проанализировано в одной модели с использованием данных по нитратам, сульфату и фосфату, а также данных 2,0 и 5,0 мА, когда в качестве электролита использовался хлорид. LR (по сравнению с контролем без тока того же электролита) был проанализирован как функция плотности тока, электролита и положения с элементом взаимодействия между плотностью тока и электролитом.

Образование свободного хлора анализировалось на каждом электроде как концентрация свободного хлора как функция плотности тока.Градиенты хлора в лунке анализировали как разницу в концентрации свободного хлора между электродами в одной лунке (одновременные пробы) как функцию плотности тока.

Для экспериментов с P. aeruginosa использовали следующие модели lme . Чтобы оценить влияние соли на рост, LD для обесточенных контролей с и без тобрамицина были проанализированы отдельно как функция концентрации соли и совместно как LD как функция присутствия / отсутствия антибиотика и концентрации соли с условием взаимодействия между две переменные.Поскольку в экспериментах с P. aeruginosa во время обработки электрическим током использовалось несколько режимов разнесения, в качестве ответа использовались средние значения LR для каждой лунки, обработанной током. Данные биопленок, подвергнутых воздействию тока без антибиотиков, были использованы для изучения эффектов тока при различных уровнях соли. Средние LR по отдельным скважинам для обработки были оценены как функция концентрации соли и плотности тока как коварианты с элементом взаимодействия между двумя переменными. Эффекты тобрамицина с током при различных концентрациях соли оценивались только в экспериментах с параллельными лунками с антибиотиком и без него.Средние LR были проанализированы как функция плотности тока, концентрации соли и наличия / отсутствия антибиотика. Первоначально все двусторонние взаимодействия были в модели, но незначительные взаимодействия между антибиотиком и током (значение p = 0,32) и антибиотиком и солью (значение p = 0,52) были удалены из модели, что привело к одному члену взаимодействия между током и солью для эксперименты с тобрамицином.

Стандартное отклонение повторяемости (SD) для моделей lme было рассчитано на основе выхода R дисперсии внутри эксперимента, σ в пределах 2 , и дисперсии между экспериментами, σ между 2 :.Процентные вклады каждого источника дисперсии рассчитывались как дисперсия для этого источника, деленная на квадрат стандартного отклонения повторяемости. Чтобы поддерживать уровень семейных ложных открытий на уровне 5%, была реализована процедура Бенджамини-Хохберга [34]. Таким образом, тесты гипотез с индивидуальными значениями p <0,0186 считались статистически значимыми.

Результаты

Один только электрический ток убил

S. epidermidis Биопленки

Значительное сокращение S.Эпидермальные биопленки наблюдались при приложении постоянного тока в течение 24 часов при 37 ° C на всех четырех уровнях тока (0,7, 1,1, 1,4 и 1,8 мА / см 2 ), как в присутствии, так и в отсутствие ципрофлоксацина (рис. 2A). и 2Б). Данные отображаются в виде отдельных точек данных для каждого взятого купона. Более значительное снижение плотности жизнеспособных клеток биопленки наблюдалось при более высоких уровнях тока со средними значениями LR до 6,68 log 10 (КОЕ / см 2 ) на самом высоком уровне тока (1,8 мА / см 2 ) с ципрофлоксацином (p- значение <0.0001). Стандартное отклонение повторяемости LR на купонах, подвергнутых действию тока, составляло 1,71 log 10 (КОЕ / см 2 ) с 24% дисперсии из-за различных экспериментальных источников. Статистический анализ проводился на основе LR как функции текущего уровня, положения и наличия / отсутствия антибиотика. Значительная линейная зависимость увеличения LR с увеличением уровня тока наблюдалась для лунок без антибиотика (значение p = 0,0001), а также для лунок с ципрофлоксацином (значение p = 0,004), демонстрирующих дозозависимый эффект за счет одного только тока.

Рис. 2. Обработка биопленки S. epidermidis электрическим током или имитацией воздействия тока с использованием хлора.

Постоянный ток подавали параллельно к лункам (A) без антибиотика и (B) с 2,5 мкг / мл ципрофлоксацина на одном или двух уровнях тока для N = 11 экспериментов. (C) Начальная доза свободного хлора, соответствующая каждому уровню тока, была использована для имитации воздействия постоянного тока в отсутствие тока для эксперимента N = 1 (без антибиотика).Все лунки содержали 3 г / л TSB и 9 г / л общего NaCl, и обработка длилась 24 часа. Каждая точка данных обозначает LD для отдельного купона, а линии показывают связанные средние LD для каждого текущего уровня.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g002

Сочетание антибиотика с электрическим током не увеличивало гибель

S. epidermidis Биопленки

Поскольку гибель наблюдалась как в присутствии, так и в отсутствие ципрофлоксацина, линейные отношения LR и текущего уровня сравнивались для исследования роли антибиотика.Статистически значимой разницы в убийстве не наблюдалось, когда ципрофлоксацин 2,5 мкг / мл присутствовал во время воздействия постоянного тока (значение p = 0,75). Взаимодействие между током и антибиотиком было незначительным (значение p = 0,33), что указывает на то, что присутствие 2,5 мкг / мл ципрофлоксацина дополнительно не влияло на скорость дозозависимого уничтожения при текущем уровне. Поскольку биоэлектрический эффект обсуждается как синергетическое увеличение эффективности уничтожения, когда антибиотики используются в сочетании с электрическим током, взаимодействие между антибиотиком и током могло бы наблюдаться, если бы этот тип синергизма присутствовал.В этих экспериментах не наблюдалось статистически значимых синергетических или аддитивных ответов, когда 2,5 мкг / мл ципрофлоксацина присутствовали во время воздействия постоянного тока.

S. epidermidis Биопленки, расположенные ближе к катоду, больше убивают, чем более отдаленные

Неожиданным, но важным наблюдением была взаимосвязь между логарифмическими сокращениями и положением образца в лунке для обработки во время текущего воздействия (значение p = 0,0005). Чтобы определить, существовала ли определенная тенденция глушения по скважинам для обработки, была исследована разница в LR для купона на катоде (купон 3) по сравнению с купоном около центра скважины (купон 1) из той же текущей открытой скважины. для S.epidermidis экспериментов (рис. 3). Ненулевые различия указали бы на дифференциальное убийство из-за положения. Пять из тридцати девяти лунок, подвергшихся действию тока, имели полное глушение (ниже предела обнаружения) на обоих купонах и, таким образом, имели нулевую разницу положения. В 28 из 34 оставшихся экспериментов большее снижение плотности бактерий наблюдалось в купоне 3 по сравнению с купоном 1, на что указывает положительная разница LR. Эти различия LR между крайними купонами существенно не изменились с текущим уровнем (p-значение = 0.71) или наличие или отсутствие ципрофлоксацина (значение p = 0,13), но объединенная разница по всем лункам в среднем была достоверно положительной (значение p = 0,0003). Таким образом, эти данные указывают на тенденцию к увеличению глушения на катоде (купон 3) по сравнению с образцами в центре скважины при приложении постоянного тока. Когда ток не подавался (контрольные образцы), положение не имело статистически значимого эффекта.

Рисунок 3. Повышенное уничтожение биопленки S. epidermidis , прилегающей к катоду.

Внутри каждой скважины после обработки электрическим током наблюдалась тенденция к большему сокращению в купоне 3 (рядом с катодом) по сравнению с купоном 1 (рядом с центром скважины), о чем свидетельствуют положительные значения. Каждый символ обозначает измерение разницы в LR между крайними положениями купона (купон 3 минус купон 1) в текущей открытой скважине.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g003

Электрический ток, вызывающий образование свободного хлора

Из-за хлорида в среде, хлор, образующийся при электролизе, подозревался как возможный этиологический агент наблюдаемого снижения плотности биопленки.Во время воздействия электрического тока свободный хлор будет генерироваться непрерывно, но доступный хлор будет быстро реагировать с биопленкой и органическими веществами в среде и не поддается измерению при наличии этих источников потребности в хлоре. Таким образом, воздействия постоянного тока были повторены без источников потребности в хлоре (биопленка и органические вещества), и пробы на содержание хлора были взяты через 24 часа. Эти измерения называются «конечными концентрациями свободного хлора» и приблизительно отражают совокупное количество хлора, образовавшееся в процессе обработки без реакции.Значительные концентрации свободного хлора были произведены на всех четырех уровнях тока в течение 24 часов (рис. 4A). Концентрации варьировались от 400–680 ppm свободного хлора на самом низком уровне тока (0,7 мА / см 2 ) до 930–1400 ppm свободного хлора на самом высоком уровне тока (1,8 мА / см 2 ). Сильная линейная зависимость наблюдалась с увеличением свободного хлора с увеличением уровней тока (значение p <0,0001 для анодных образцов, а также для катодных образцов). Также наблюдался значительный градиент свободного хлора по всей скважине (Рисунок 4B).В среднем концентрации свободного хлора на катоде были выше по сравнению с анодом в той же скважине (значение p = 0,012). Любые изменения величины разницы хлора с увеличением уровней тока не были значительными при значении сравнения (p-значение = 0,038). Когда те же эксперименты проводились с органическими веществами в растворе, свободный хлор не определялся через 24 часа. Важно отметить, что эти концентрации хлора являются кумулятивными и даже близко не будут такими высокими в любой момент времени во время обработки электрическим током, когда присутствуют биопленка и органические источники потребности в хлоре.

Рис. 4. Образование хлора и изменение pH под действием электрического тока в отсутствие биопленки.

(A) Свободный хлор был измерен на каждом электроде после 24 часов воздействия тока, когда воздействия постоянного тока повторялись без источников потребности в хлоре (биопленка и органические вещества в среде). Эти «конечные концентрации свободного хлора» приблизительно соответствуют кумулятивному количеству хлора, образовавшемуся в процессе обработки без реакции. (B) Различия свободного хлора между электродами (катод минус анод) в каждой лунке указывают на тенденцию к более высоким концентрациям свободного хлора на катоде, о чем свидетельствуют положительные значения.(C) Измерения pH проводились на каждом электроде после подачи постоянного тока в течение 24 часов к стандартному обрабатывающему раствору (с органическими веществами). Символы указывают на отдельные измерения, а линии (A) показывают линейные модели смешанных эффектов.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g004

Электрический ток, вызывающий изменения pH

После 24 часов подачи постоянного тока на обрабатывающий раствор (3 г / л TSB, 9 г / л общего NaCl, без биопленки) было проведено

измерений pH, чтобы исследовать общее изменение pH, а также градиенты pH в лунке.Через 24 часа ток отключили и сразу же провели измерения на каждом электроде с помощью pH-метра (рис. 4C). Незначительное увеличение pH обычно наблюдалось после подачи тока, однако увеличения не были статистически значимыми по сравнению с начальным pH (значения p = 0,059 и 0,062 для измерений на аноде и катоде, соответственно). Сравнение этих измерений в каждой лунке не соответствовало тому, что pH был выше на одном электроде над другим, и не наблюдалось статистически значимой разницы, которая указывала бы на градиент pH в лунках (p-значение = 0.97). Однако, чтобы подтвердить эти наблюдения, измерения pH проводились с помощью pH-полосок во время протекания тока. Через пять минут градиенты pH около 3 на аноде и 9 на катоде наблюдались на четырех изученных уровнях тока со значениями от 6 до 7 в центре лунок (данные не показаны). Ожидается, что любой градиент pH в скважине будет быстро рассеиваться при прекращении тока из-за диффузионного и конвективного перемешивания. Эти наблюдения указывают на большой градиент pH в лунках при протекании тока, но не на чистое изменение pH раствора.

Добавление свободного хлора в отсутствие электрического тока, имитирующее уничтожение биопленок током

Чтобы исследовать вклад образования хлора в эффекты постоянного тока, был проведен следующий эксперимент, чтобы определить, можно ли использовать дозу свободного хлора, репрезентативную для концентраций, измеренных при отсутствии источников потребности в хлоре, для имитации воздействия постоянного тока. Для каждого уровня тока средние конечные концентрации свободного хлора для обоих электродов (рис. 4A) использовались для определения обрабатываемой концентрации свободного хлора для имитации эффекта постоянного тока.Усредненные концентрации составляли 0, 560, 730, 920 и 1120 частей на миллион свободного хлора для 0, 0,7, 1,1, 1,4 и 1,8 мА / см 2 соответственно. Поскольку питательные вещества представляют собой очень большой источник потребности в хлоре, растворы хлора были приготовлены в воде, и питательные вещества были добавлены непосредственно перед нанесением хлорно-питательного раствора на образцы биопленки для выдержки в течение 24 часов. Такой подход учитывал одновременные реакции хлора с биопленкой и компонентами органической среды.Значительное снижение плотности клеток наблюдалось при дозах хлора на всех уровнях (рис. 2С). Снижения следовали дозозависимому паттерну с линейной тенденцией увеличения LR с увеличением имитированного текущего уровня (т. Е. Доза хлора, p-значение = 0,003). Когда моделируемый ток с дозированием хлора ( N, = 1 эксперимент) сравнивался с воздействием постоянного тока ( N = 11 экспериментов, рис. 2A) в зависимости от плотности тока (или имитированной плотности тока), статистически значимой разницы не было. наблюдается между обработкой током по сравнению с имитируемым током с дозированием хлора (p-значение = 0.98), а также не было существенной разницы в тренде LR по сравнению с текущим (значение p = 0,76). В то время как дозозависимое уменьшение биопленки с увеличением доз хлора можно было бы ожидать, специфичность применяемой дозы к каждому текущему уровню для создания аналогичных сокращений демонстрирует более чем частичный вклад в эффективность. Эти результаты показывают, что образование хлора играет преобладающую роль в эффектах постоянного тока в этой системе, но, кроме того, делает это дозозависимым образом, который основан на применяемом текущем уровне и последующем количестве производимого свободного хлора.

Электролиты, кроме хлоридов, вызывают меньшее уничтожение биопленок электрическим током

Признаки важности образования хлора для эффективности постоянного тока заставили нас задуматься о том, будут ли эффекты электрического тока наблюдаться без хлорида в системе. В следующем варианте ток был приложен к биопленкам S. epidermidis в отсутствие хлорида с использованием альтернативных электролитов в лечебном растворе (рис. 5). Хлорид натрия — это не только электролит, но и параметр, влияющий на рост С.epidermidis , и поэтому определить идеальный электролит было трудно. Поскольку другие галогенидные соли будут генерировать аналогичные биоцидные продукты, в этих экспериментах в качестве электролитов использовались нитраты, сульфаты и фосфаты. Кривые роста планктонных культур в трех альтернативных растворах электролитов по сравнению с раствором, содержащим хлорид, были подобны во время экспоненциальной фазы, но конечные логарифмические плотности были на половину или на один логарифмический порядок ниже, чем у хлоридных (данные не показаны). Таким образом, для этих экспериментов биопленки выращивались в реакторе CDC с использованием стандартного протокола роста (с хлоридом), и применение альтернативных растворов электролита (и последующее удаление хлорида) происходило только во время текущего применения.Контроли без тока проводились параллельно, чтобы учесть любые эффекты альтернативного электролита на рост или выживаемость биопленок в течение периода лечения. Самый низкий и самый высокий уровни тока из экспериментов с хлоридом применялись к каждому раствору в течение 24 часов (Рисунок 5). Уменьшение биопленки наблюдалось при применении постоянного тока, когда сульфат или нитрат служили электролитом со статистически значимой дозовой реакцией LR с текущим уровнем для сульфата (p-значение = 0,013), но не для нитрата (p-значение = 0.066). Снижение было больше при воздействии электрического тока с сульфатом в качестве электролита (3-логарифмическое среднее уменьшение при наивысшей плотности тока) по сравнению с нитратом (2-логарифмическое среднее уменьшение при самой высокой плотности тока), однако ни один из них не показал столь сильного воздействия. эффект в виде 5-логарифмического уменьшения, наблюдаемого на самом высоком уровне тока, когда постоянный ток применялся с присутствующим хлоридом. Напротив, когда в качестве электролита использовался фосфат, применение электрического тока при тех же уровнях тока не влияло на жизнеспособность биопленки (значение p = 0.58).

Рис. 5. Обработка биопленки S. epidermidis электрическим током с использованием различных электролитов.

К биопленкам прикладывали постоянный ток в течение 24 часов. Растворы для обработки содержали все компоненты TSB, кроме NaCl. Хлорид заменяли нитратом, фосфатом или сульфатом той же молярности (0,154 М), которая использовалась для экспериментов с хлоридом. Средние результаты по хлоридам для 2 и 5 мА показаны для сравнения (полный набор данных на рисунке 2A). Каждый символ указывает LD для отдельного купона, а линии показывают подключенные средства для каждого текущего уровня.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g005

Наблюдение парадоксального увеличения количества клеток биопленки S. epidermidis

при лечении антибиотиками

Контрольные лунки для обработки (одна без антибиотика, одна с ципрофлоксацином) запускали параллельно с каждым экспериментом и не получали тока в течение 24-часовой обработки. Средняя LD для обесточенного контроля без антибиотика составляла 7,24 log 10 (КОЕ / см 2 ) с SD повторяемости, равным 0.27 log 10 (КОЕ / см 2 ) с разбросом, в основном из-за экспериментальных источников (85%). Средняя LD для обесточенных контролей с ципрофлоксацином составляла 8,00 log 10 (КОЕ / см 2 ) со стандартным отклонением повторяемости 0,28 log 10 (КОЕ / см 2 ) с расхождением в основном из-за экспериментальных источников (83%). LR из-за ципрофлоксацина в контрольной группе без тока был статистически значимым (p <0,001). Мы на 95% уверены, что увеличивает логарифмическую плотность , когда присутствует ципрофлоксацин, между 0.66 и 0,89 log 10 (КОЕ / см 2 ). Хотя это кажется противоречащим действию антибиотика, в этой системе это можно объяснить дифференциальным отрывом клеток от поверхности купона в течение 24-часовой обработки. Средняя LD на купонах в начале 24-часовой обработки составляла 8,46 log 10 (КОЕ / см 2 ), поэтому LD снижаются в течение курса лечения в обоих контрольных типах. Мы предполагаем, что в присутствии ципрофлоксацина большее количество клеток оставалось прикрепленным к поверхности купона, чем отделялось в более жестких условиях основной жидкости, содержащей антибиотик.Напротив, отслоение могло быть менее подавленным в отсутствие антибиотика. Это наблюдение подтверждается тем фактом, что контрольные лунки без тока и без антибиотика обычно были мутными после обработки, в то время как соответствующие обесточенные лунки с ципрофлоксацином не были. Отсутствие какой-либо убивающей эффективности антибиотика против бактерий биопленки показывает, что эта модельная система отражает замечательную толерантность биопленки к антибиотикам.

Отслоение клеток наблюдалось в контрольных образцах и образцах, обработанных электрическим током

Отслоение биопленки оценивали по количеству жизнеспособных клеток по TSA и окрашиванию LIVE / DEAD основной жидкости и биопленки после воздействия 3.0 мА (1,1 мА / см 2 ) постоянного тока в течение 24 часов. Набор LIVE / DEAD BacLight использует два красителя, чтобы различать клетки с неповрежденными мембранами (зеленые «живые» клетки) и клетки с поврежденными мембранами (красные «мертвые» клетки). В то время как целостность мембраны является важным параметром жизнеспособности клеток, окрашивание клеток в зеленый цвет не является строгим параметром для живых клеток, а окрашивание в красный цвет не указывает строго на нежизнеспособность, поэтому подсчет на чашках и окрашивание являются дополнительными методами. Количество жизнеспособных клеток в основной массе жидкости значительно выше в контрольных лунках без тока со средним значением LD +/- SD, равным 8.01 +/- 0,09 log 10 (КОЕ / мл) по сравнению с 1,15 +/- 0,78 log 10 (КОЕ / мл) жизнеспособных клеток в основной жидкости текущих открытых лунок. Общее количество клеток в отфильтрованных объемных образцах жидкости рассчитывали по объединенному количеству окрашенных клеток («живых» и «мертвых») с помощью микроскопии. Общее количество отделенных клеток в основной жидкости после 24 часов обработки было на 1 логарифм выше в контрольных лунках со средним логарифмическим общим числом клеток +/- SD 8,72 +/- 0,01 log 10 (клеток / мл) в контрольных лунках и 7 .67 +/- 0,45 log 10 (клеток / мл) в текущих экспонированных лунках; однако соотношение зеленых «живых» или красных «мертвых» клеток к общему количеству клеток на изображениях показало 92% «живых» клеток в основной жидкости контрольных лунок (8,68 +/- 0,03 log 10 («живые» клетки / мл)) по сравнению только с 2% «живых» клеток от общего числа отслоившихся клеток в лунках, подвергнутых воздействию постоянного тока 3,0 мА (5,40 +/- 1,12 log 10 («живых» клеток / мл)).

образцов биопленок, окрашенных LIVE / DEAD, из тех же лунок для обработки были визуализированы с помощью конфокальной микроскопии и криосрезов.Топография неэкспонированных контрольных биопленок была очень неоднородной с множеством колонн, башен и полос, характерных для зрелой биопленки (рис. 6A и 6D). Большинство различимых клеток окрашено в зеленый цвет, хотя при поиске как на конфокальных, так и на криосекционных изображениях были обнаружены прерывистые отдельные эритроциты. Более широкое красное окрашивание наблюдалось также на поверхности башенных конструкций. Напротив, биопленки, обработанные электрическим током, были более тонкими и плоскими, с большинством различимых клеток, окрашенных в красный цвет, что указывает на поврежденные клетки, для образцов биопленки в центре лунки в положении 1 (рис. 6B и 6E), а также рядом с катодом в положении 1. положение 3 (рис. 6C и 6F).Некоторое широкое красное окрашивание и редкое зеленое окрашивание наблюдались в областях сгруппированных красных клеток и, по-видимому, были связаны с рыхлым матриксным материалом, поскольку отдельные зеленые клетки не наблюдались. Образцы биопленки из позиции 1 в центре лунки визуально были немного плотнее, чем у катода, с большим количеством наблюдений тускло-зеленого цвета с скоплениями красных клеток. Образцы биопленки из позиции 3 возле катода показали в основном эритроциты, которые варьировались от плотных скоплений эритроцитов до участков разреженной биопленки толщиной всего в несколько клеток.Эта уменьшенная топография очевидна, учитывая, что все образцы биопленок (контрольные и обработанные) были взяты из одного реактора роста, и в нулевой момент времени были зрелые биопленки, напоминающие контрольную биопленку.

Рис. 6. Изображения биопленки S. epidermidis после 24 часов отсутствия тока и воздействия постоянного тока 3 мА.

Биопленки окрашены красителями LIVE / DEAD BacLight. Зеленым цветом обозначены клетки с неповрежденными мембранами («живые» клетки), а красным цветом — клетки с поврежденными мембранами («мертвые» клетки).(A) Конфокальные и (D) изображения криосрезов контрольной биопленки. Конфокальные изображения и изображения криосрезов биопленки, подвергнутой воздействию тока 3 мА, показаны для положения 1 (B и E) и положения 3 (C и F) из одной и той же лунки для обработки. Масштабная линейка для конфокальных изображений составляет 100 мкм. Масштабная линейка для изображений криосрезов составляет 50 мкм.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g006

Эти измерения биопленки и объема жидкости можно использовать для оценки компонентов наблюдаемого сокращения биопленки из-за отслоения по сравнению с уничтожением.Отделенные клетки были обнаружены в основной жидкости лунок для обработки, однако более жизнеспособные клетки, общие клетки («живые» и «мертвые») и «живые» клетки наблюдались в контрольных лунках по сравнению с лунками с электрическим током, что указывает на то, что: хотя происходит отслоение биопленки, это не связано с лечением. «Мертвая» окрашенная биопленка все еще прикреплялась к поверхности купонов после воздействия электрического тока, хотя ее толщина уменьшилась и визуально казалось, что общая плотность клеток на объем биопленки уменьшилась.Во время описанных ранее экспериментов по реакции на дозу, биопленки, обработанные электрическим током, были более рыхлыми, чем контрольные при отборе проб на жизнеспособность. Эти наблюдения могут указывать на механизм отсоединения, и, следовательно, следует рассмотреть возможность оценки компонентов LR (убийство или отсоединение). Из-за неоднородности толщины и плотности образцов биопленки количественные оценки LR на основе структуры биопленки на изображениях под микроскопом будут очень трудными, но следующие гипотетические сценарии могут помочь в интерпретации.Если предполагается гомогенная пластичная биопленка и предполагается, что эффект воздействия электрического тока вызывает только отслоение биопленки (т.е.не влияет на жизнеспособность), уменьшение толщины биопленки на 2/3 будет представлять собой только 0,5 LR биопленки. Если, кроме того, предполагалось, что обработка повлияет на структуру матрикса так, что количество клеток на объем в оставшейся биопленке плиты было уменьшено, например, до 25% клеток на объем биопленки в необработанном контроле, совокупное снижение толщина и плотность будут представлять только 1.1 LR. Хотя эти значения являются гипотетическими, сценарии отслоения и прореживания не могут полностью объяснить 4,34 log 10 (КОЕ / см 2 ) среднее значение LR, наблюдаемое при 3,0 мА (1,1 мА / см 2 ) без антибиотика (рисунок 2A). , что указывает на большой эффект из-за убийства. В совокупности эти результаты предполагают, что воздействие электрического тока предотвращает рост и уничтожает биопленку и бактерии планктонной фазы. Хотя некоторое отслоение произошло во время обработки электрическим током и, как было замечено, повлияло на структуру биопленки, преобладающим эффектом на биопленку была потеря жизнеспособности.

Электрический ток убивает

Pseudomonas aeruginosa Биопленки

Дозозависимый убивающий эффект тока наблюдался против грамотрицательных биопленок P. aeruginosa в течение двадцати часов обработки (рис. 7). Каждая точка данных на рисунке 7 представляет собой среднее значение LD для купонов ( n = 2 или 3), взятых из одной и той же лунки для обработки в одном и том же эксперименте. Стандартные ошибки (SE), связанные с каждой точкой данных (т. Е. SE среднего значения LD купонов в каждой лунке, подвергшейся действию тока более 50 лунок в N = 19 экспериментах) были между 0.05 и 1,75 log 10 (КОЕ / см 2 ), за исключением восьми лунок, в которых все образцы были ниже предела обнаружения и, следовательно, не имели вариабельности. Большая часть этой внутриэкспериментальной изменчивости наблюдалась для уровней постоянного тока 0,18–0,43 мА / см 2 для лунок без антибиотиков и 0,07–0,43 мА / см 2 для тобрамицина при стандартных ошибках менее 0,32 log 10 (КОЕ / см 2 ) наблюдались за пределами этих диапазонов. В этих экспериментах TSB снова использовался в качестве питательного вещества в обрабатывающем растворе, но в концентрации 3% от концентрации, которая использовалась в лунках во время обработки S.epidermidis и, таким образом, представляет собой систему с более низким потреблением хлора от компонентов органической среды.

Рис. 7. Обработка биопленки P. aeruginosa постоянным током.

Постоянный ток подавали на биопленку в лунках, не содержащих (A) антибиотика и (B) 10 мкг / мл сульфата тобрамицина, в течение 20 часов. Все лунки содержали 0,1 г / л TSB с различным общим количеством NaCl. Ссылки на теоретическое ограничение соли или избыток соли относятся только к скважинам с током.Каждый символ указывает средний LD на купонах по одной скважине, а линии показывают связанные средние для каждого текущего уровня.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055118.g007

Сначала были проанализированы эксперименты на предмет влияния концентрации соли во время воздействия электрического тока. В то время как уровни хлорида натрия сгруппированы в диапазоны концентраций на Рисунке 7 для ясности представления, концентрация соли использовалась в качестве ковариаты для анализа. В отсутствие тока концентрация соли в контрольных лунках в течение 20-часовой обработки не оказывала значительного влияния на LD в контрольных лунках (значение p = 0.12) и было определено, что оно не влияет на рост или выживаемость биопленок во время лечения. Средняя LD для контрольных групп без применения антибиотиков по уровням соли составила 7,50 log 10 (КОЕ / см 2 ) с SD повторяемости 0,34 log 10 (КОЕ / см 2 ) с 66 % отклонения из-за экспериментальных источников. Для любой скважины с током были рассчитаны две границы для хлора: максимальная концентрация свободного хлора, если весь хлорид в обрабатывающем растворе был преобразован в свободный хлор, и теоретическая концентрация хлора, если весь ток, который проходит через обрабатывающий раствор, идет на реакции. которые производят свободный хлор.Экспериментальные параметры, при которых теоретическая максимальная концентрация хлора, основанная на текущем уровне, превышала доступный хлорид в системе, были определены как теоретически «ограниченные соли». Средние LR были проанализированы как функция плотности тока и концентрации соли для данных без антибиотиков. Фигура 7A показывает, что средняя LD организмов на купонах уменьшалась по мере увеличения постоянного тока с той же скоростью, независимо от концентрации соли. Увеличение LR с текущим уровнем было статистически значимым (p-значение = 0.008), но не было обнаружено, что на него влияет концентрация соли (значение p = 0,72), и не наблюдалось значительного взаимодействия между двумя факторами (значение p = 0,83). Стандартное отклонение воспроизводимости среднего LR для скважин, подверженных действию тока, составляло 1,35 log 10 (КОЕ / см 2 ) со 100% дисперсией из-за экспериментальных источников. Поскольку скорость уменьшения биопленки с текущим уровнем была одинаковой для разных концентраций соли, был сделан вывод, что в скважинах для обработки было достаточно хлоридов, и, следовательно, не было «ограничений по соли» в изученном диапазоне.Оглядываясь назад на образование хлора, измеренное для текущих уровней S. epidermidis (для всех из которых имелся избыток соли), средние конечные значения измерения свободного хлора в каждой лунке (рис. 4A) составили всего 12–21% от теоретического максимума свободного хлора. уровень хлора, который был бы достигнут, если бы весь текущий поток был направлен на производство свободного хлора. Если тип электролитической «эффективности», наблюдаемый с избытком соли, также применяется к параметрам соли и тока в экспериментах P. aeruginosa , фактическое количество хлоридов, необходимое в среде, может быть намного ниже, чем теоретические крайние значения, используемые для определения ограничения соли, дающее возможное объяснение отсутствия эффектов NaCl в изученных экспериментальных условиях.

Затем был проанализирован эффект тобрамицина с различными концентрациями соли и плотностями тока (рис. 7B). В отсутствие тока биопленки, обработанные тобрамицином, имели значимое среднее значение LR 1,92 log 10 (КОЕ / см 2 ) по сравнению с контрольными образцами без применения антибиотиков (значение p <0,0005) с SD повторяемости. 0,78 log 10 (КОЕ / см 2 ) без изменения LR из-за концентрации соли (p-значение = 0,45). При подаче тока снова наблюдалась значительная линейная тенденция увеличения уменьшения биопленки с увеличением тока (p-значение = 0.001). Статистически значимое увеличение LR на 1,70 log 10 (КОЕ / см 2 ) наблюдалось, когда тобрамицин присутствовал в лунках с током по сравнению с лунками без антибиотика (p-значение = 0,001), однако взаимодействие между тобрамицином и током уровень (который указывал бы на синергизм между антибиотиком и электрическим током) не был значимым (значение p = 0,33). Стандартное отклонение воспроизводимости среднего LR для скважин, подверженных действию тока, составляло 1,17 log 10 (КОЕ / см 2 ) со 100% дисперсией из-за экспериментальных источников.Эффект тобрамицина во время текущего применения очень близок к эффекту, наблюдаемому при обесточенном контроле, и отсутствие взаимодействия с текущим уровнем не может продемонстрировать синергию между текущим и тобрамицином. Таким образом, в этой системе убийство тобрамицином, по-видимому, представляет собой отдельный аддитивный эффект, который не усиливается приложением тока.

Обсуждение

Целью этого исследования было изучить применение постоянного тока в условиях, физиологически соответствующих среде инфицированного искусственного сустава.В то время как в прошлых экспериментах с биопленками в этой области исследований для минимизации эффектов электролиза обычно использовался раствор, не содержащий хлоридов, в этой системе использовалась концентрация соли нормального физиологического раствора (0,9% NaCl) для имитации физиологически релевантной среды.

Наши результаты согласуются с электролитическим образованием хлорноватистой кислоты, сильного дезинфицирующего средства, на аноде, что приводит к уничтожению биопленки. Полураакции электролиза раствора хлорида натрия:

Газообразный хлор имеет ограниченную дезинфекционную способность, однако при его образовании в воде образует химически активные соединения свободного хлора, включая хлорноватистую кислоту (HOCl) и гипохлорит (OCl ):

В сочетании общая реакция электролиза составляет:

Хотя общая реакция не приведет к чистому изменению pH, катодная и анодная реакции указывают на локальное снижение pH на аноде и повышение на катоде в соответствии с нашими наблюдениями.

Этот механизм электролитического образования хлора в присутствии водного хлорида согласуется со следующими экспериментальными наблюдениями: 1) Убийственные эффекты, связанные с воздействием постоянного тока, наблюдались против биопленок S. epidermidis и P. aeruginosa в отсутствие антибиотик (рис. 2А и 7А). 2) Уменьшение биопленки было дозозависимым, при этом увеличивалось количество смертей, наблюдаемых с увеличением плотности тока (рис. 2A и 2B и рис. 7).Ожидается, что увеличение плотности тока увеличит скорость образования хлора. 3) Высокие концентрации свободного хлора были измерены в системе при воздействии электрического тока (рис. 4A). Количество образующегося хлора также зависит от линейной реакции на дозу с плотностью тока. 4) Эффект электрического тока был точно воспроизведен путем дозирования эквивалентной концентрации хлора (рис. 2С). 5) Меньшее количество смертельных исходов наблюдалось во время обработки электрическим током при тех же уровнях тока, когда нитрат и сульфат использовались вместо хлорида во время воздействия тока (Рисунок 5).6) Никакого убивающего эффекта не наблюдалось, когда ток подавался на тех же уровнях, когда вместо хлорида использовался фосфат. 7) Уничтожение биопленки было больше на купоне, непосредственно примыкающем к катоду, где также наблюдались более высокие концентрации хлора (рис. 3). Мы пришли к выводу, что электролитическое образование хлора, вероятно, будет важным in vivo , где хлорид-ион присутствует естественно и неизменно.

Биоэлектрический эффект обычно рассматривается как синергетический эффект между биоцидом и постоянным током, когда любой из них по отдельности будет иметь минимальное влияние или вообще не иметь его.В экспериментах с S. epidermidis эффект ципрофлоксацина отсутствовал (рис. 2A и 2B). Снижение за счет тобрамицина в экспериментах с P. aeruginosa (рис. 7) было сопоставимым при наличии или отсутствии тока и определено как аддитивный эффект, не зависящий от наличия постоянного тока. Таким образом, результаты, представленные здесь, не соответствуют модели биоэлектрического эффекта, поскольку мы находим существенное уничтожение только током и отсутствие синергетического усиления уничтожения, обеспечиваемого сочетанием тока и антибиотика.

Электролитическое образование хлора объясняет эффективность постоянного тока, наблюдаемую в этом исследовании, когда в эксперименте учитывались физиологические условия солевого раствора (9 г / л NaCl). Сообщалось, что дозы одного хлора в концентрациях от 25 до 100 мг / л частично убивают или удаляют биопленок S. epidermidis [35], [36] или S. aureus [37], и эти результаты, кроме того, подтверждаются в эта учеба. Считающийся быстродействующим средством уничтожения, хлор действует как дезинфицирующее средство, окисляя органические вещества [38].Активные против многих организмов, соли хлора и гипохлорита являются наиболее распространенным дезинфицирующим средством в городских водоочистных сооружениях [39]. HOCl также продуцируется в фаголизосомах нейтрофилов человека из Cl и H 2 O 2 миелопероксидазой для уничтожения и переваривания чужеродных микробов для иммунной защиты [40] — [42]. Несмотря на то, что HOCl, казалось бы, поддерживает хлор в организме, он изолирован от фаголизосом внутри этих клеток, и высвобождение разновидностей хлора из разорванных нейтрофилов связано с повреждением ткани хозяина [40], хотя также сообщается о системах хозяина для предотвращения повреждения ткани HOCl [43] .HOCl реагирует с рядом клеточных мишеней [44], демонстрируя широкую реактивность с бактериальными клетками и клетками-хозяевами [45]. Электролитическое образование газообразного хлора в водном растворе является средством получения этого мощного дезинфицирующего средства. Хотя хлор будет образовываться на аноде, свободный хлор был обнаружен во всей системе из-за конвективного перемешивания (рис. 3А). Однако из-за высокореактивной природы хлора свободный хлор будет оставаться очень низким в процессе обработки, и его может быть трудно обнаружить, когда потребность в хлоре в системе высока.Хлор не был обнаружен в течение 7 дней электрического тока в недавнем исследовании с 0,5 г / л NaCl от TSB [46]. В нашей системе хлор был обнаружен только тогда, когда из системы были удалены органические вещества.

Состав свободного хлора зависит от pH, так как преимущественно хлорноватистая кислота (HOCl) ниже pH 7,5 и гипохлорит-ион (OCl ) выше. Известно, что хлорноватистая кислота в 100 раз более активна, чем гипохлорит-ион, и является более сильным дезинфицирующим средством. В исследовании, описанном здесь, градиент pH от 3 на аноде до 9 на катоде наблюдался через скважины для обработки при протекании тока.Хотя сам по себе градиент pH может иметь существенное влияние на жизнеспособность бактерий, он также может влиять на состав и эффективность хлора. Понимание влияния pH по сравнению с хлором может быть получено из нового использования электролизованной воды (EW) в качестве дезинфицирующего средства в пищевой промышленности. EW обычно генерируется в результате электролиза разбавленных растворов хлорида натрия, которые затем собираются на каждом электроде для последующего применения с предполагаемым действием из-за pH, хлора и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) растворов.Недавнее сравнение кислотной EW и основной EW обработки биопленок S. aureus , проведенное Sun et al. продемонстрировали высокую эффективность уничтожения, но без удаления биопленки с помощью кислых растворов EW, но с высоким уровнем удаления и без уничтожения биопленки с помощью основных EW [47]. Эффект удаления был частично воспроизведен за счет увеличения pH без EW, но характерное снижение pH не воспроизводило эффект уничтожения, что указывает на другие свойства EW, такие как хлор или окислительные свойства, которые несут ответственность за эффективность уничтожения.В других исследованиях восстановление с помощью предварительно электролизованных кислотных EW против планктонных E. coli и L. monocytogenes воспроизводилось с концентрацией свободного хлора, близкой к концентрации, обнаруженной в соответствующем растворе EW [48]. В нашем исследовании мы использовали неэлектролизованные растворы свободного хлора для имитации постоянного тока. Снижения были очень похожими, когда использовались дозы хлора, что указывало на то, что хлор является основным фактором, хотя pH может влиять на локальные изменения в обрабатывающей скважине, а ОВП может быть дополнительным фактором.

Значение хлорида в системе было дополнительно продемонстрировано, когда те же уровни тока применялись без хлорида в системе. Эффект электрического тока не наблюдался при обработке биопленок S. epidermidis фосфатом, служащим электролитом. Промежуточные 2-логарифмические и 3-логарифмические средние сокращения наблюдались на самом высоком уровне тока, когда нитрат или сульфат служили электролитом, но ни один из них не оказал такого сильного эффекта, как 5-логарифмическое среднее снижение, когда в системе присутствовал хлорид (рис. ).Предполагается, что эффекты с сульфатом и нитратом связаны с реакциями электролиза и продуктами, отличными от тех, которые образуют хлор. Davis et al. обнаружили аналогичные результаты с вариациями электролитов в среде при обработке постоянным током планктонных культур E. coli [12]. Они сообщили, что первоначальная 8-логарифмическая культура планктонных клеток была очень минимально восстановлена ​​при использовании фосфата в среде, 1-логарифмическом снижении с сульфатом, 2-логарифмическом снижении с нитратом, но не выживаемости, когда хлорид присутствовал в течение 4 часов. обработка 400 мкА через 10 мл культуры.В исследованиях электрохимической дезинфекции сточных вод в реакторе идеального вытеснения Li et al. наблюдалась эффективность снижения E. coli , когда сточные воды содержали NaCl, но не наблюдалась эффективность дезинфекции, когда вода содержала NaNO 3 или Na 2 SO 4 [49]. Wattanakaroon и Stewart сообщили об увеличении на 4 log гибели биопленок Streptococcus gordonii при добавлении 2 г / л NaCl к раствору во время обработки электрическим током, хотя также сообщили о значительной коррозии электродов из нержавеющей стали с присутствием хлорида [21].Sun et al. сообщили, что в то время как кислая электролизованная вода, полученная при электролизе 0,1% раствора NaCl, имела сильную убивающую эффективность против биопленок S. aureus , электролизованная вода с таким же pH, полученная из 0,1% раствора NaNO 3 , имела минимальную эффективность [47]. Эти наблюдения показывают, что хлорид является важным параметром, повышающим убивающую способность электрического тока.

Еще один важный момент — материал электродов. Davis et al. сообщили, что электродный материал является критическим параметром в исследованиях приложения электрического тока к планктонным культурам [11].С золотым катодом аноды, сделанные из углерода или платины, были наиболее эффективными, в то время как серебро, никель или медь корродировали до точки разрушения во время экспериментов. В других исследованиях выделение металлов из электродов преднамеренно использовалось для доставки серебра для обработки [50], [51]. Нержавеющая сталь преимущественно использовалась для обоих электродов [13], [14], [17], [18], [20] — [23], [46], [52], как один электрод с переменной полярностью на протяжении всего экспонирования в качестве анода. или катод [13], [15], или в качестве катода [27], [29], [53] в исследованиях, изучающих электрические эффекты на биопленку, несмотря на использование платины [16], [25] и графита [22], [46] также сообщаются.В некоторых из этих исследований сообщалось о коррозии или обесцвечивании электродов из нержавеющей стали. Мы также начали наше исследование с железных электродов (данные не показаны). Эти электроды испытали значительную коррозию и выпадение цветных продуктов коррозии. Было обнаружено, что эти продукты оказали смертельное воздействие на нашу систему, что привело к использованию платиновых электродов. Недавние исследования также связали использование электродов из нержавеющей стали как с продуктами коррозии, так и с более высоким снижением количества бактерий по сравнению с графитовыми электродами [22], [46].Было высказано предположение, что использование электродов из нержавеющей стали могло способствовать большему снижению, о котором сообщалось в предыдущих исследованиях биоэлектрического эффекта [22]. Эти типы наблюдений может быть трудно обнаружить в текущей системе.

Итак, как наши результаты связаны с лечением инфекции in vivo ? В прошлом биоэлектрический эффект предлагался как способ усиления лечения инфекций антибиотиками. Наши результаты in vitro предполагают механистическую основу эффективности только электрического тока в присутствии хлорида.Это может быть частью объяснения противомикробной эффективности электрического лечения, о котором сообщалось в предыдущих исследованиях на животных. Успешное лечение электрическим током S. epidermidis было продемонстрировано на модели козы вдоль хирургических трактов штифта, соединяющих каркас внешней фиксации с костью, для использования в реконструктивной хирургии костей с штифтом, действующим как электрод [54]. Анод, который будет местом образования хлорноватистой кислоты, представляет собой платиновое кольцо, контактирующее с кожей с фиксирующим штифтом из нержавеющей стали, служащим катодом.Secinti et al. использовали титановые и покрытые серебром титановые винты в качестве анодов для изучения преднамеренного высвобождения частиц серебра для лечения S. aureus на имплантатах позвонков у кроликов [55]. В то время как оба винта, подвергнутых электрической обработке, уменьшали количество клеток, высвобождение титана было связано со значительным воспалением костной ткани, чего не было зарегистрировано для серебра. Дель Посо и др. показали убивающую эффективность применения электрического тока против S. epidermidis на имплантатах из нержавеющей стали в большеберцовой кости кроликов без антибиотиков в течение 21 дня воздействия, хотя также было отмечено изменение цвета костей [56].

Здесь мы сообщили об эффективности постоянного тока в уничтожении биопленок S. epidermidis и P. aeruginosa и пришли к выводу, что эти эффекты связаны с электролитическим образованием свободного хлора. Локализованное образование противомикробного препарата в очаге инфекции является привлекательной стратегией для лечения постоянных инфекций, связанных с устройством. Однако, хотя электролитически образующийся хлор может обладать антимикробными свойствами, как мы продемонстрировали здесь, он также может оказывать цитотоксическое действие на окружающую ткань хозяина.Мы не обязательно выступаем за применение постоянного электрического тока в качестве терапевтической стратегии. Вывод из этого исследования заключается в том, что если постоянный ток устанавливается in vivo , где много хлоридов, образование хлора является неизбежным следствием. Если необходимо рассмотреть возможность лечения электрическим током, необходимо рассмотреть возможность повреждения тканей хозяина. В будущей работе важно знать об электрохимии, которая может приводить к свободному хлору, при рассмотрении применения технологий постоянного тока in vivo .

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Бетси Питтс из Центра биопленочной инженерии за экспертную помощь в конфокальной микроскопии. Оборудование для микроскопии на объекте было закуплено на средства, предоставленные благотворительным фондом M. J. Murdock и программой NSF Major Research Instrumentation.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: ELS BRM PSS. Проведены эксперименты: ELS. Проанализированы данные: ELS AEP.Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: BRM PSS. Написал статью: ELS.

Ссылки

  1. 1. Darouiche R (2004) Лечение инфекций, связанных с хирургическими имплантатами. N Engl J Med 350: 1422–1429.
  2. 2. König D, Schierholz J, Münnich U, Rütt J (2001) Лечение стафилококковой инфекции имплантата рифампицином-ципрофлоксацином в стабильных имплантатах. Хирургия травмы Arch Orthop 121: 297–299.
  3. 3. Павони Г., Джаннелла М., Фальконе М., Скорцолини Л., Либераторе М. и др.(2004) Консервативная медикаментозная терапия инфекций протезных суставов: ретроспективный анализ 8-летнего опыта. Clin Microbiol Infect 10: 831–837.
  4. 4. Сагинур Р., Стденис М., Феррис В., Аарон С., Чан Ф. и др. (2006) Множественное комбинированное бактерицидное тестирование стафилококковых биопленок от инфекций, связанных с имплантатами. Антимикробные агенты Chemother 50: 55–61.
  5. 5. Zimmerli W, Widmer A, Blatter M, Frei R, Ochsner P (1998) Роль рифампицина для лечения стафилококковых инфекций, связанных с ортопедическими имплантатами: рандомизированное контролируемое исследование.Исследовательская группа по инфекциям инородных тел (ФБР). JAMA 279: 1537–1541.
  6. 6. Эрлих Г.Д., Ху Ф.З., Линь К., Костертон Дж. В., Пост Дж. К. (2004) Интеллектуальные имплантаты для борьбы с биопленками. Asm News 70: 127–133.
  7. 7. Montanaro L, Speziale P, Campoccia D, Ravaioli S, Cangini I и др. (2011) Пейзаж с инфекциями имплантата Staphylococcus в ортопедии. Будущая микробиология 6: 1329–1349.
  8. 8. von Eiff C, Peters G, Heilmann C (2002) Патогенез инфекций, вызванных коагулазонегативными стафилококками.Lancet Infectious Diseases 2: 677–685.
  9. 9. Вергидис П., Патель Р. (2012) Новые подходы к диагностике, профилактике и лечению инфекций, связанных с медицинскими устройствами. Клиники инфекционных заболеваний Северной Америки 26: 173–186.
  10. 10. Дэвис С.П., Арнетт Д., Уоррен М.М. (1982) Ионтофоретическое уничтожение Escherichia coli в статической жидкости и в модельной катетерной системе. Журнал клинической микробиологии 15: 891–894.
  11. 11. Дэвис С. П., Вайнберг С., Андерсон М. Д., Рао Г. М., Уоррен М. М. (1989) Влияние микроампеража, среды и концентрации бактерий на ионтофоретическое уничтожение бактерий в жидкости.Противомикробные агенты и химиотерапия 33: 442–447.
  12. 12. Davis CP, Wagle N, Anderson MD, Warren MM (1992) Ионтофорез создает противомикробный эффект, который сохраняется после прекращения ионтофореза. Противомикробные агенты и химиотерапия 36: 2552–2555.
  13. 13. Blenkinsopp S, Khoury A, Costerton J (1992) Электрическое усиление биоцидной эффективности против биопленок Pseudomonas aeruginosa . Appl Environ Microbiol 58: 3770–3773.
  14. 14. Costerton JW, Ellis B, Lam K, Johnson F, Khoury AE (1994) Механизм электрического повышения эффективности антибиотиков в уничтожении бактерий биопленки.Противомикробные агенты и химиотерапия 38: 2803–2809.
  15. 15. Хури А.Е., Лам К., Эллис Б., Костертон Дж. В. (1992) Профилактика и контроль бактериальных инфекций, связанных с медицинскими устройствами. Журнал ASAIO (Американское общество искусственных внутренних органов: 1992) 38: M174 – M178.
  16. 16. Wellman N, Fortun S, McLeod B (1996) Бактериальные биопленки и биоэлектрический эффект. Антимикробные агенты Chemother 40: 2012–2014.
  17. 17. Jass J, Costerton JW, Lappinscott HM (1995) Влияние электрических токов и тобрамицина на биопленок Pseudomonas aeruginosa .Журнал промышленной микробиологии 15: 234–242.
  18. 18. Jass J, LappinScott HM (1996) Эффективность антибиотиков, усиленная электрическим током, против биопленок Pseudomonas aeruginosa . Журнал антимикробной химиотерапии 38: 987–1000.
  19. 19. McLeod BR, Fortun S, Costerton JW, Stewart PS (1999) Усиленный контроль бактериальной биопленки с использованием электромагнитных полей в сочетании с антибиотиками. Биопленки 310: 656–670.
  20. 20. Стюарт PS, Wattanakaroon W, Goodrum L, Fortun SM, McLeod BR (1999) Электролитическое образование кислорода частично объясняет электрическое усиление эффективности тобрамицина против биопленки Pseudomonas aeruginosa .Противомикробные агенты и химиотерапия 43: 292–296.
  21. 21. Wattanakaroon W, Stewart PS (2000) Электрическое усиление уничтожения биопленки Streptococcus gordonii гентамицином. Архивы оральной биологии 45: 167–171.
  22. 22. дель Посо Дж. Л., Роуз М. С., Мандрекар Дж. Н., Сампедро М. Ф., Штекельберг Дж. М. и др. (2009) Влияние электрического тока на активность противомикробных агентов против биопленок Pseudomonas aeruginosa , Staphylococcus aureus и Staphylococcus epidermidis .Противомикробные препараты и химиотерапия 53: 35–40.
  23. 23. Рабинович C, Стюарт PS (2006) Удаление и инактивация биопленок Staphylococcus epidermidis с помощью электролиза. Прикладная и экологическая микробиология 72: 6364–6366.
  24. 24. Лю В.К., Браун MRW, Эллиотт TSJ (1997) Механизмы бактерицидной активности электрического тока малой силы тока (DC). Журнал антимикробной химиотерапии 39: 687–695.
  25. 25. Stoodley P, deBeer D, LappinScott HM (1997) Влияние электрических полей и pH на структуру биопленки в связи с биоэлектрическим эффектом.Противомикробные агенты и химиотерапия 41: 1876–1879.
  26. 26. Poortinga AT, Smit J, van der Mei HC, Busscher HJ (2001) Десорбция бактерий, вызванная электрическим полем, с субстрата, покрытого кондиционирующей пленкой. Биотехнология и биоинженерия 76: 395–399.
  27. 27. van der Borden AJ, van der Werf H, van der Mei HC, Busscher HJ (2004) Вызванное электрическим током отслоение биопленок Staphylococcus epidermidis из хирургической нержавеющей стали. Прикладная и экологическая микробиология 70: 6871–6874.
  28. 28. Хонг Ш., Чжон Дж., Шим С., Кан Х., Квон С. и др. (2008) Влияние электрических токов на отрыв и инактивацию бактерий. Биотехнология и биоинженерия 100: 379–386.
  29. 29. van der Borden AJ, van der Mei HC, Busscher H (2005) Электрический ток блокировки вызвал отслоение хирургической нержавеющей стали и снизило жизнеспособность Staphylococcus epidermidis . Биоматериалы 26: 6731–6735.
  30. 30. Poortinga AT, Bos R, Busscher HJ (2001) Отсутствие влияния внешнего электрического поля на адгезию бактерий к стеклу.Коллоиды и поверхности B-биоинтерфейсы 20: 189–194.
  31. 31. ASTM E2562-07 (2007) Стандартный метод количественного определения биопленки Pseudomonas aeruginosa , выращенной с высоким сдвигом и непрерывным потоком с использованием биопленочного реактора CDC. Вест Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов. DOI: 10.1520 / E2562-07. www.astm.org.
  32. 32. Пинейро Дж., Бейтс Д., Деброй С., Саркар Д., The R Development Core Team (2011) nlme: Linear and Nonlinear Mixed Effects Models.Пакет R версии 3.1–98.
  33. 33. R Development Core Team (2010) R: Язык и среда для статистических вычислений. Вена, Австрия: Фонд R для статистических вычислений. ISBN 3-1-07-0, URL http://www.R-project.org/.
  34. 34. Benjamini Y, Hochberg Y (1995) Контроль ложного обнаружения — практичный и мощный подход к множественному тестированию. Журнал Королевского статистического общества. Серия B-Methodological 57: 289–300.
  35. 35.Бакингем-Мейер К., Герес Д., Гамильтон М. (2007) Сравнительная оценка тестов эффективности дезинфицирующих средств биопленки. J Microbiol Methods 70: 236–244.
  36. 36. Дэвисон В.М., Питтс Б., Стюарт П.С. (2010) Пространственные и временные закономерности биоцидного действия против биопленок Staphylococcus epidermidis . Противомикробные агенты и химиотерапия 54: 2920–2927.
  37. 37. Ueda S, Kuwabara Y (2007) Чувствительность биопленки Escherichia coli , Salmonella enteritidis и Staphylococcus aureus к детергентам и дезинфицирующим средствам.Наука о биологическом контроле 12: 149–153.
  38. 38. Chapman JS (2003) Механизмы устойчивости к биоцидам. Международная организация по биоразложению и биоразложению 51: 133–138.
  39. 39. Брезоник П.Л. (1994) Химическая кинетика и динамика процессов в водных системах. Бока Ратон: Льюис. 754 с.
  40. 40. King CC, Jefferson MM, Thomas EL (1997) Секреция и инактивация миелопероксидазы изолированными нейтрофилами. Журнал биологии лейкоцитов 61: 293–302.
  41. 41.Foote CS, Goyne TE, Lehrer RI (1983) Оценка хлорирования нейтрофилами человека. Nature 301: 715–716.
  42. 42. Sam CH, Lu HK (2009) Роль хлорноватистой кислоты как одного из активных форм кислорода при заболеваниях пародонта. Журнал стоматологических наук 4: 45–54.
  43. 43. Xulu BA, Ashby MT (2010) Мелкомолекулярные, макромолекулярные и клеточные хлорамины реагируют с тиоцианатом с образованием гипотиоцианита, обеспечивающего фактор защиты человека. Биохимия 49: 2068–2074.
  44. 44. Winterbourn CC (2002) Биологическая реактивность и биомаркеры окислителя нейтрофилов, хлорноватистой кислоты. Токсикология 181: 223–227.
  45. 45. Chapman ALP, Hampton MB, Senthilmohan R, Winterbourn CC, Kettle AJ (2002) Хлорирование бактериальных и нейтрофильных белков во время фагоцитоза и уничтожение Staphylococcus aureus . Журнал биологической химии 277: 9757–9762.
  46. 46. del Pozo JL, Rouse MS, Mandrekar JN, Steckelberg JM, Patel R (2009) Электродный эффект: уменьшение биопленок Staphylococcus и Pseudomonas при длительном воздействии электрического тока низкой интенсивности.Противомикробные препараты и химиотерапия 53: 41–45.
  47. 47. Sun J-L, Zhang S-K, Chen J-Y, Han B-Z (2012) Эффективность кислотной и основной электролизованной воды в уничтожении биопленки Staphylococcus aureus . Канадский журнал микробиологии 58: 448–454.
  48. 48. Venkitanarayanan KS, Ezeike GO, Hung YC, Doyle MP (1999) Эффективность электролизованной окисляющей воды для инактивации Escherichia coli O157: H7, Salmonella enteritidis и Listeria monocytogenes .Прикладная и экологическая микробиология 65: 4276–4279.
  49. 49. Ли XY, Diao HF, Fan FXJ, Gu JD, Ding F и др. (2004) Электрохимическая дезинфекция сточных вод: определение основных бактерицидных действий. Журнал экологической инженерии-Asce 130: 1217–1221.
  50. 50. Бергер Т.Дж., Спадаро Дж.А., Бирман Р., Чапин С.Е., Беккер Р.О. (1976) Противогрибковые свойства электрически генерируемых ионов металлов. Противомикробные агенты и химиотерапия 10: 856–860.
  51. 51.Бергер Т.Дж., Спадаро Дж.А., Чапин С.Е., Беккер Р.О. (1976) Электрически генерируемые ионы серебра — количественное влияние на клетки бактерий и млекопитающих. Противомикробные агенты и химиотерапия 9: 357–358.
  52. 52. Shieldliff M, Bargmeyer A, Camper A (2005) Оценка способности биоэлектрического эффекта устранять биопленки смешанных видов. Appl Environ Microbiol 71: 6379–6382.
  53. 53. van der Borden AJ, van der Mei HC, Busscher HJ (2004) Вызванное электрическим током отслоение штаммов Staphylococcus epidermidis из хирургической нержавеющей стали.Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть B — Прикладные биоматериалы 68B: 160–164.
  54. 54. ван дер Борден AJ, Maathuis PGM, Engels E, Rakhorst G, van der Mei HC, et al. (2007) Профилактика инфекции тракта штифта в рамах внешнего фиксатора из нержавеющей стали с помощью электрического тока на модели козы. Биоматериалы 28: 2122–2126.
  55. 55. Secinti KD, Ayten M, Kahilogullari G, Kaygusuz G, Ugur HC, et al. (2008) Антибактериальные эффекты электрически активированных позвоночных имплантатов.Журнал клинической неврологии 15: 434–439.
  56. 56. Del Pozo JL, Rouse MS, Euba G, Kang C-I, Mandrekar JN, et al. (2009) Электродный эффект проявляется в экспериментальной модели хронического остеомиелита, вызванного инородным телом, Staphylococcus epidermidis . Противомикробные препараты и химиотерапия 53: 41–45.

Операция Джимми — Электричество в природе

    Молния

    Молния — одно из самых фантастических проявлений электричества в природе.Освещение возникает, когда в облаках накапливается большое количество электростатической энергии из-за энергии шторма. Когда электрически заряженные области облаков разряжают свою энергию, в небе можно увидеть большую электрическую вспышку. Освещение может происходить от облака к облаку или от облака к земле.

    Удары молнии несут огромное количество энергии. Типичный удар молнии несет электрический ток силой более 30 000 ампер и обеспечивает получение 500 мегаджоулей энергии.

    Молния также создает громкий шум, называемый громом.Это связано с тем, что воздух внутри освещения становится настолько горячим, что на короткое время превращается в плазму. Когда молекулы воздуха превращаются из газа в плазму, их расширение вызывает ударную волну, которую мы слышим как гром.

    Животные

    Некоторые животные используют электричество, чтобы выжить в природе. Многие из этих животных обитают в океане, где некоторые используют электричество, чтобы обнаруживать объекты вокруг себя (вроде как зрение), а другие используют электричество, чтобы отбиваться от хищников или даже охотиться за едой.Вероятно, самое распространенное животное с электрическими способностями — скат.

    Существует четырнадцать известных видов скатов, обитающих в ареалах от тихоокеанских берегов Калифорнии до Британской Колумбии и вплоть до различных районов Атлантического океана. Другие рыбы, принадлежащие к отряду, включают гробовых скатов, спящих скатов и оцепеневших рыб, все с электрическими способностями. Орден насчитывает более шестидесяти существ.

    Электрическое животное висит в воде или зарыто в песок, ожидая, пока в пределах досягаемости появится добыча.Когда мимо проходит ничего не подозревающая рыба, скат быстрым движением бросается вперед и заворачивает добычу в складки грудных плавников. Он будет пинать хвостом и многократно перекатываться, чтобы усилить хватку, при этом поражая жертву электрическим током.

    Максимальное напряжение при начальной атаке — 45 вольт. Луч издает более 400 быстрых импульсов постоянного тока (длительностью около 5 мс каждый) во время сильной атаки, некоторые из которых доставляют до 300 импульсов за одну секунду.Температура воды влияет на скорость импульсов, чем теплее вода, тем быстрее атака. Мощность некоторых лучей измеряется в полном киловатте. Считается, что помимо охоты скаты используют специальный орган, называемый ампулами Лоренцини, для улавливания электрических сигналов от возможной добычи рыбы в условиях плохой видимости.

    Другой хорошо известный пример — электрический угорь.

    «Пресноводный вид, который производит самый мощный электрический разряд из всех, — это амазонский электрический угорь (Electrophorus electricus), обитающий в Южной Америке.Он имеет три электрических органа высотой до 10 футов (3 м). Два из них используются для навигации и обнаружения добычи. Третий и самый большой — грозное оружие. Разделенный на две длинные боковые половины, он разряжается из хвоста, выпуская до 550 вольт в свою пресноводную среду обитания. Шок оглушает свою добычу, состоящую из рыб и лягушек, но он также достаточно силен, чтобы убивать людей и даже лошадей, если они присутствуют в воде во время выхода угря »(Shuker 2001: 53)

    Тело человека

    Мы не только можем видеть электричество в действии в природе, мы постоянно используем электричество в наших телах.Каждый раз, когда мы двигаем мышцу, это результат электрического сигнала, посылаемого от нашего мозга к нашим мышцам, говорящего им двигаться. На самом деле у нас есть сложная система нервов по всему телу, которые используют электрические сигналы для управления всем, что мы делаем. Нервный сигнал переходит между нервными клетками в синапсах. То же самое и с другими животными и птицами.

    В нашем сердце находится особый центр, который управляет частотой и ритмом ее сердца, а также потоком крови по всему телу.Это наш собственный естественный кардиостимулятор, генерирующий электрические сигналы, которые могут ускориться, например, если нам нужно бежать или сражаться. А поскольку электрические сигналы бывают быстрыми, они позволяют нам быстро найти ситуацию для нашего собственного выживания. Все сообщения, передаваемые через тело в мозг, являются электрическими импульсами, на которые наше тело полагается, чтобы оставаться в живых.

    Статическое электричество

    Молния — не единственная форма электростатической энергии, которую мы видим в природе.Вокруг нас накапливаются заряды статического электричества. Вы, наверное, заметили статическое электричество, когда спускались с горки в парке и у вас волосы встали дыбом. Трение от скольжения о ваше тело вызвало накопление заряда, из-за которого ваши волосы встали дыбом. Иногда вы даже можете накапливать на своем теле заряд, который шокирует кого-то еще, когда вы к нему прикасаетесь. Это статическое электричество.

    Земля

    Глубоко внутри Земли огромные электрические токи генерируются вращением железного ядра Земли.Эти электрические токи, в свою очередь, вызывают магнитное поле, которое распространяется далеко за пределы поверхности Земли в космическое пространство.

    Магнитное поле Земли важно, потому что оно защищает Землю от солнечного ветра Солнца. Без защиты магнитного поля на Земле, скорее всего, не было бы жизни. Магнитное поле также позволяет использовать компасы для определения направления.

    Космическая погода возникает из-за того, что электрическое поле солнца попадает в атмосферу Земли, и это то, что объясняет северное сияние и сияние полярного сияния.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *