Что измеряет электрический заряд: Каким прибором можно измерять электрический заряд?

Содержание

Каким прибором можно измерять электрический заряд?

Срочно!!! Дам 50 баловсанчата скочуються з гори завдовжки 10 м за 2с. знайдіть кут нахилу гори, якщо коефіцієнт тертя ковзання полозів об сніг 0,02 на … йти кут

Знайти імпульс, повну і кінетичну енергії електрона, який рухатися ршвидкістю 0,7 с.

ДУЖЕ ТЕРМІНОВО!!! Задача Яка кількість теплоти потрібна щоб перетворити на пару 2 кг снігу, що має температуру -30°С? Варіанти відповіді: А. 6230000Дж … Б. 62300 Дж В. 623000 Дж

ФИЗИКА 7 КЛАСС БЖБ! ПОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА!! ХОТЯ БЫ С 2 ЗАДАНИЕМ ! СРОЧЧНООООО

1. Три однакових резистори, з’єднані послідовно, мають загальний опір R1=9 Ом. Чому дорівнюватиме загальний опір R2, якщо ці самі резистори з’єднати п … аралельно?2. В герметично закритій посудині у воді плаває шматок льоду масою M=0,1кг, в центр якого вмерзла шротинка масою m=5г. Яку кількість теплоти треба затратити, щоб шротинка почала тонути? Температура води в посудині дорівнює 0°С.

3. В чашку, в якій знаходиться m1=500г льоду при t=0°C, влили m2=200г води при температурі t2=800C. Яка температура встановиться в чашці? Що там знаходитиметься? Втратами теплоти знехтувати.

у воду масою 10 кг, взяту при температурі 5 °С, поклали шматок заліза, нагрітий до 450 °С. Визначте масу заліза, якщо температура суміші стала дорівню … вати 50 °С.

Колонна войск во время похода движется скоростью 5км/ч,растянувшись по дороге на расстоянии 400 м.Командир,находящийся в хвосте колонны, посылает вело … сипедиста с поручением к головному отряду.Велосипедист отправляется и едет со скоростью 25/км.ч ,и на ходу выполнив поручение сразу же возвращается обратно с той же скоростью.Через какое время он вернулся обратно?желательно с графиком.

задано уравнение :х=1+2t , определите начальную координату, скорость движения постройте график взаимности х(t) и v(t)

Камень свободно падает с высоты 100м. Какой путь он проделает за последние 2с?

Диск диаметром 30см катится по горизонтальной поверхности. Сколько оборотов сделает диск, преодолев путь 30м?

Измерение электрического заряда | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Признаком того, что тело имеет электрический заряд, является его взаимодействие с другими телами. Об этом шла речь в предшествующем параграфе. Но такое взаимодействие в каждом отдельном случае по интенсивности может быть разным. Это дает основание утверждать, что свойство тела, называющееся электрическим зарядом, может иметь количественную меру.

Термин «электрический заряд» часто употребляют и просто для обозначения «тела, имеющего электрический заряд».

Количественную меру электрического заряда сначала назвали количеством электричества. Но со временем эта мера получила название просто электрического заряда. Итак, если говорят о значении электрического заряда, то подразумевают количественную меру свойства тела — электрического заряда.

Электрический заряд — это свойство тела, проявляющееся во взаимодействии с электромагнитным полем. Электрический заряд — это также мера свойства тела, имеющего электрический заряд.

Значение заряда протяженного тела обозначается буквой Q. Если же речь идет о заряде точечного тела, то он обозначается маленькой буквой q.

Для измерения электрического заряда используют специальные приборы. Одним из таких приборов является электрометр.

Рис. 4.4. Электрометр конструкции Брауна

Рис. 4.5. Электронный зарядометр для лабораторных исследований

Главная часть электрометра — это металлический стержень, закрепленный в металлическом корпусе с помощью втулки из непроводящего вещества (рис. 4.4). В нижней части стержня находится легкая металлическая стрелка, которая может вращаться на горизонтальной оси. Ось стрелки проходит несколько выше ее центра масс. Под действием только силы тяжести стрелка в обычном состоянии будет находиться в вертикальном положении. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Если верхнего конца стержня коснуться заряженным металлическим шариком, то стержень и стрелка получат электрический заряд. Вследствие взаимодействия одноименно заряженных стержня и стрелки возникнет сила, которая повернет стрелку на определенный угол. Экспериментально установлено, что угол отклонения стрелки будет зависеть от значения заряда на стержне и стрелке. Таким образом, измерив угол отклонения стрелки, можно сделать вывод о значении электрического заряда. Чтобы на стрелку не влияли другие тела, металлический корпус обязательно соединяют с землей.

В технике и научных исследованиях используют более сложные и более чувствительные приборы для измерения электрических зарядов, которые называют

кулон-метрами (рис.

4.5). Это, как правило, электронные приборы, принцип действия которых основан на явлении изменения параметров некоторых элементов электронных систем при сообщении им электрического заряда.

Вопросы по этому материалу:

Как называется количественная мера электрического заряда?
Какие приборы применяют для непосредственного измерения электрического заряда?
Для чего металлический корпус электрометра соединяют с землей?

ЭЛЕКТРОМЕТР — это… Что такое ЭЛЕКТРОМЕТР?

ЭЛЕКТРОМЕ́ТР -а; м. [от сл. электрический и греч. metron — мера] Электрический прибор для измерения разностей электрических потенциалов небольших электрических зарядов и слабых токов.

ЭЛЕКТРО́МЕТР (от электричество (см. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО) и греч. metron — мера, metreo — измеряю), чувствительный электроизмерительный прибор для измерения малых значений напряжения (см. НАПРЯЖЕНИЕ (электрическое)), а также для обнаружения и измерения электрического заряда (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД).
Электрометр представляет собой металлический цилиндрический корпус, передняя и задняя стенки которого стеклянные. Корпус закреплен на подставке. Через изолирующую втулку внутрь корпуса сверху проходит металлическая трубка, заканчивающаяся стержнем с установленной на нем легкоподвижной стрелкой, отклонение которой определяется величиной заряда. Стрелка может вращаться вокруг горизонтальной оси. Внутри корпуса установлена шкала электрометра.
При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке. Силы отталкивания, действующие между одноименными зарядами на стержне и стрелке, вызывают поворот стрелки. В результате отталкивания одноименных зарядов стрелка-указатель поворачивается на тот или иной угол в зависимости от величины сообщенного заряда.
Для измерения разности потенциалов между проводниками один проводник соединяют со стержнем, другой проводник с корпусом электрометра.

Жесткий металлический корпус является принципиально необходимой частью электрометра, отличающей его от электроскопа (см. ЭЛЕКТРОСКОП). Электрометр всегда измеряет разность потенциалов (см. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ) между его листками и корпусом.
Но электрометр представляет собой конденсатор, одним из проводников которого является стержень с листочками, а вторым — корпус. Так как в электрометре они закреплены, то емкость электрометра будет практически постоянной, что дает возможность измерять электрический заряд. Так как расхождение листков электрометра определяется полем между ними и корпусом прибора, т. е. разностью потенциалов U между ними, которая равна:
U = Cq, где С — емкость электрометра, являющаяся для данного прибора постоянной, то q — величина измеряемого заряда.
Таким образом, при помощи электрометра можно судить и о заряде, и о разности потенциалов. Проградуировав прибор либо в вольтах (см. ВОЛЬТ), либо в кулонах (см. КУЛОН (единица количества электричества)), можно проводить соответствующие измерения.

Физика 8 класс. Два рода электрических зарядов. Взаимодействие заряженных тел. Электроскоп :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ДВА РОДА ЗАРЯДОВ

Существуют два рода электрических зарядов: положительные и отрицательные.

Условились считать:
заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, положительным,
а заряд, полученный на эбоните, потертом о шерсть, отрицательным.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ

Наэлектризованные тела взаимодействуют друг с другом:

Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются.
А тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

ЭЛЕКТРОСКОП

Существуют две близкие разновидности приборов для обнаружения электрических зарядов:
электроскоп или электрометр.

Электроскоп состоит из металлического стержня, пропущенного через диэлектрическую пробку, и подвешенных к нему двух лепестков из металлической фольги.

При прикосновении к стержню заряженным телом листочки оказываются одноименно заряженными и отклоняются друг от друга.

В электрометре к металлическому стержню подсоединена металлическая стрелка, которая может свободно вращаться. При прикосновении к стержню заряженным телом стрелка получает заряд такого же знака и пытается оттолкнуться от одноименно заряженного стержня, указывая на измерительной шкале величину заряда.

По величине угла расхождения лепестков электроскопа или по углу отклонения стрелки электрометра можно судить о величине электрического заряда.

Заряженный электроскоп позволяет обнаружить зарядом какого знака наэлектризовано тело.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

… что ученый Роберт Бойль родился в Ирландии в 1627 г.
Наука 17 века знала два проявления электрического поля – электрическое притяжение и отталкивание. Посредством опытов Бойль доказал, что в пустоте электрические опыты удаются так же, как и в обычных условиях. То есть с современной точки зрения был сделан вывод о том, что электрическое поле может существовать в вакууме.
Бойль сделал ряд наблюдений над свойствами наэлектризованных тел. Например, что дым также притягивается наэлектризованными телами и, что не только наэлектризованное тело притягивает не наэлектризованное, но и наоборот, первое притягивается вторым.

КАК ИЗОБРЕТАЛИ ЭЛЕКТРОСКОП?

Как известно, самая первая приемлемая конструкция электроскопа была предложена Г.В.Рихманом, который измерял электрический заряд по отклонению от заряженной стойки льняной нити.
К нижнему концу шеста прикрепляли железную линейку, к верхней части которой приклеивали шелковую нить. При приближении грозы металлический шест и линейка с нитью заряжались, и нить, отталкиваясь от нее, отклонялась на некоторый угол. При близкой и сильной грозе из линейки извлекали искры.

___

Затем для этих же целей аббат Нолле предложил пользоваться двумя взаимно отталкивающимися нитями.

___

Член Лондонского королевского общества Джон Кантон в 1753 году разработал конструкцию, в которой нити уже не так чувствительно реагировали на движение воздуха или на дыхание экспериментатора. Он подвешивал на концы нитей шарики из пробки или бузины.
Вот как был устроен электроскоп Кантона: «Подвесьте к потолку на льняных нитях два пробковых шарика величиной с малую горошину каждый так, чтобы они соприкасались друг с другом. Подведите к шарикам снизу возбужденную электричеством стеклянную трубку
– тогда шарики разойдутся».

Устали? — Отдыхаем!

Тест по физике Электрические заряды и электрический ток 8 класс

Тест по физике Электрические заряды и электрический ток для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 2 вариантов в каждом по 20 заданий.

1 вариант

1. На рисунке схематично показаны три пары наэлектризованных шаров. В какой паре шары должны притянуться друг к другу?

1) №1
2) №2
3) №3

2. На каком явлении основано действие электроскопа? Что он показывает?

1) На взаимодействии электрических зарядов; есть ли на теле заряд
2) На отталкивании друг от друга отрицательных зарядов; заряд какого знака находится на наэлектризованном теле
3) На отталкивании друг от друга положительных зарядов; большой или малый заряд на теле

3. Около положительно заряженных тяжелых шаров находятся наэлектризованные бумажные цилиндрики, взаимодействующие с ними так, как показано на рисунке. Как заряжен цилиндрик №1? Одинаковые ли знаки зарядов у цилиндриков №2 и №3?

1) Отрицательно; да
2) Положительно; да
3) Отрицательно; нет

4. Какому из этих электроскопов сообщен наибольший электрический заряд? Какой из электроскопов не заряжен?

1) №1; №3
2) №2; №3
3) №2; №1

5. На каком из показанных на рисунке электроскопов был до касания их шаров наэлектризованными стержнями положительный заряд? Начальное положение листочков обозначено штриховыми линиями.

1) №1
2) №2
3) №3

6. Какое из названных здесь веществ диэлектрик?

1) Раствор поваренной соли в воде
2) Дистиллированная вода
3) Ртуть

7. Как названа частица, которая обладает наименьшим (неделимым) отрицательным электрическим зарядом?

1) Диэлектриком
2) Электрометром
3) Электроном

8. Из каких частиц, имеющих электрические заряды, построен атом?

1) Из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов
2) Из ядра и протонов
3) Из ядра и нейтронов

9. Если в атоме 6 электронов, а в его ядре 7 нейтронов, то сколько в ядре протонов?

1) 7
2) 6
3) Не хватает данных: сколько в атоме всего частиц?

10. В каком случае атом превращается в положительный ион? В каком — в отрицательный?

1) Если теряет электрон; если присоединяет к себе электрон
2) Если получает положительный заряд; если получает отрицательный заряд
3) Оба ответа неверны

11. Какие вещества проводят электричество?

1) Те, атомы (молекулы) которых могут свободно перемещаться
2) Те, которым переданы электрические заряды
3) Те, в которых есть свободные электроны или ионы

12. Что представляет собой электрический ток?

1) Движение по проводнику заряженных частиц
2) Упорядоченное движение частиц тела
3) Упорядоченное (однонаправленное) движение заряженных частиц

13. Какое устройство создает в проводнике электрическое поле?

1) Источник тока
2) Электрометр
3) Изолятор

14. Какие два условия должны быть обязательно выполнены, чтобы в цепи существовал электрический ток?

1) Наличие в цепи источника тока и потребителей тока
2) Отсутствие разрывов в цепи и наличие потребителей тока
3) Замкнутость цепи и наличие в ней источника тока

15. Какое условное обозначение из приведенных на рисунке соответствует электролампе?

1) №1
2) №2
3) №3

16. Какие приборы входят в состав электрической цепи, схема которой дана на рисунке?

1) Гальванический элемент, ключ, электроприбор
2) Источник тока, размыкающее устройство, звонок
3) Батарея элементов, выключатель, звонок

17. Какие и как движущиеся заряженные частицы образуют внутреннее строение металлов?

1) Колеблющиеся в узлах кристаллической решетки положительные ионы и свободно движущиеся среди них электроны
2) Ядра атомов, колеблющиеся в узлах кристаллической решетки, и хаотически движущиеся между ними электроны
3) Расположенные в узлах кристаллической решетки колеблющиеся отрицательные ионы и свободные электроны

18. Упорядоченное движение каких заряженных частиц в электрическом поле принято за направление электрического тока?

1) Частиц с положительным зарядом
2) Частиц с отрицательным зарядом
3) Электронов

19. Какие действия производит электрический ток?

1) Химические и тепловые
2) Магнитные и тепловые
3) Магнитные, химические, тепловые

20. В приведенных ниже примерах проявляются разные действия электрического тока. В каком случае используется магнитное действие тока?

1) Кипячение воды в электрическом чайнике
2) Получение чистого металла на электроде, опущенном в раствор соли, молекулы которой содержат этот металл
3) Сбор гвоздиков сердечником катушки с током

2 вариант

1. Трем парам одинаковых бумажных цилиндриков сообщены заряды. В какой паре цилиндрики оттолкнутся друг от друга?

1) №1
2) №2
3) №3

2. Слева висящие шарики наэлектризованы и взаимодействуют с правыми заряженными шариками так, как показано на рисунке. Какой из правых шаров заряжен положительно?

1) №1
2) №2
3) №3

3. Какое явление положено в основу действия электрометра? Что показывает этот физический прибор?

1) Взаимодействие электрических зарядов; есть ли на теле, которым касаются его стержня, заряд и какова его относительная величина
2) На отталкивании друг от друга отрицательных зарядов; какого знака заряд находится на наэлектризованном теле
3) На отталкивании друг от друга положительных зарядов; относительную величину зарядов на телах

4. Незаряженных электроскопов касаются наэлектризованными так, как показано на рисунке, палочками. Как оказался заряженным электроскоп №1? электроскоп №2?

1) №1 — отрицательно; №2 — положительно
2) №1 — положительно; №2 — отрицательно
3) №1 и №2 — отрицательно
4) №1 и №2 — положительно

5. Заряженных электроскопов (положение их листочков обозначено на рисунке пунктиром) касаются наэлектризованными палочками, в результате чего их листочки расположились иначе. Какой электроскоп был заряжен положительно?

1) №1
2) №2
3) №3

6. Какое из этих веществ — проводник электричества?

1) Резина
2) Серебро
3) Шелк

7. В каких единицах измеряют электрический заряд?

1) Ваттах (Вт)
2) Джоулях (Дж)
3) Кулонах (Кл)

8. Какие частицы заключены в ядре атома?

1) Протоны и электроны
2) Протоны и нейтроны
3) Нейтроны и электроны

9. В атоме находится 19 частиц, причем протонов в его ядре 6. Сколько в нем электронов и нейтронов?

1) 6; 7
2) 7; 6
3) 6; 6

10. При наличии 8 протонов в ядре каждого из трех атомов одного и того же вещества оказалось, что в первом из них 9 электронов, во втором — 8, в третьем — 7 электронов. Какой атом стал отрицательным ионом?

1) Первый
2) Второй
3) Третий

11. Почему металлы — хорошие проводники электричества?

1) Потому что в узлах их кристаллических решеток расположены ионы
2) Потому что в них есть свободные электроны
3) Потому что в атомах металлов много электронов

12. При каком условии в проводнике возникает электрический ток?

1) Если в нем создано электрическое поле
2) Если в нем много заряженных частиц
3) Если частицы с электрическим зарядом приходят в движение

13. За счет какой энергии положительные и отрицательные заряды разделяются в гальваническом элементе?

1) Механической
2) Внутренней
3) Энергии химических реакций

14. Что такое схема электрической цепи?

1) Рисунок, на котором условно обозначены электроприборы
2) Чертеж, на котором с помощью условных обозначений показаны соединения всех составных частей цепи
3) Чертеж, показывающий, как соединены между собой проводниками потребители тока

15. Укажите, каким из этих условных обозначений изображают замыкающее цепь устройство.

1) №1
2) №2
3) №3

16. Электрическая цепь состоит из аккумулятора, звонка и ключа. Какая из представленных здесь схем ей соответствует?

1) №1
2) №2
3) №3

17. Движение каких заряженных частиц образует электрический ток в металлах? в проводящих растворах?

1) Электронов; ионов
2) Положительных ионов; отрицательных ионов
3) Ядер атомов; любых ионов

18. Чем вызван выбор в качестве направления электрического тока направление от положительного полюса источника тока к отрицательному, т.е. противоположное действительному перемещению заряженных частиц (электронов) в обычных (металлических) проводниках?

1) Историческим фактом: незнанием в то время, когда делался этот выбор, природы электрического тока
2) Удобством нахождения этого направления
3) Неизвестно

19. Какое действие электрического тока не проявляется в металлах?

1) Магнитное
2) Химическое
3) Тепловое

20. Какой прибор предназначен для обнаружения в цепи электрического тока? Какое действие тока использовано в его устройстве?

1) Гальванический элемент; химическое
2) Электрометр; магнитное
3) Гальванометр; магнитное

Ответы на тест по физике Электрические заряды и электрический ток
1 вариант
1-3
2-1
3-1
4-2
5-3
6-2
7-3
8-1
9-2
10-1
11-3
12-3
13-1
14-3
15-2
16-2
17-1
18-1
19-3
20-3
2 вариант
1-3
2-1
3-1
4-2
5-3
6-2
7-3
8-2
9-1
10-1
11-2
12-1
13-3
14-2
15-2
16-3
17-1
18-1
19-2
20-3

Сила тока. Измерение силы тока

На прошлом уроке мы с вами говорили о действиях, которые способен оказывать электрический ток, протекая в различных средах. Познакомившись с тремя действиями тока, уместно задать себе вопрос: от чего зависит эффективность каждого из действий, то есть от чего зависит количество теплоты, выделяемой в нити накала электролампы, масса выделенной в опыте меди, подъёмная сила изготовленного электромагнита?

Эффективность этих действий будет зависеть от нескольких причин. Электрический ток, как вы знаете, — это направленное движение заряженных частиц. Поэтому чем больше электрический заряд, перенесённый частицами через поперечное сечение проводника за какое-то определённое время, тем интенсивнее будет действие тока.

Здесь можно провести аналогию: эффективность действия воды на водяной мельнице или гидроэлектростанции, конечно же, определяется массой ежесекундно протекающей в таком устройстве воды. Поэтому важнейшей характеристикой электрического тока является величина, называемая силой тока.

Сила тока — это физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Обозначают силу тока буквой I.

Пусть q — заряд, протекающий через сечение проводника за некоторый отрезок времени t. Тогда очевидно, что для нахождения ежесекундно протекающего заряда мы должны разделить весь заряд на значение промежутка времени, что и приводит нас к формуле силы тока:

Единицу силы тока не вводят через какие-либо формулы, а просто выбирают по договорённости, как это было уже сделано с единицами массы, времени и длины.

Здесь вы можете сказать, что подобная договорённость лишена логики: брать в качестве основной величины не единицу заряда, которая рассматривается значительно раньше, а единицу силы тока, то есть величину, которая получается путём логической операции с электрическим зарядом.

Вы абсолютно правы! Но все дело в том, что для всех основных единиц нужно создать эталоны, то есть устройства, позволяющие собрать и сохранить без потерь сведения о выбранной единице. Так вот, для единицы силы тока можно с гораздо большей точностью выбрать и сохранить эталон, чем для единицы электрического заряда, чем и объясняется такая «нелогичность» в выборе основной единицы.

В 1948 г. на Генеральной конференции по мерам и весам решили, что в основе определения единицы силы тока должно лежать явление взаимодействия двух проводников с током. Это явление можно пронаблюдать на опыте. Если по двум параллельным проводникам пропустить ток, то, в зависимости от направления тока, проводники либо притянутся, либо оттолкнутся.

При этом сила притяжения или отталкивания между проводниками прямо пропорциональна силе тока в них, то есть чем больше сила тока, тем сильнее взаимодействуют проводники.

Но чтобы ввести точный эталон, необходимо соблюдать очень жёсткие условия опыта. Проводники должны быть тонкими и бесконечно длинными, при этом они должны находиться в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга.

Поэтому, за единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой бесконечно длинные параллельные проводники, находящиеся на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, на каждом метре своей длины взаимодействуют с силой 2 ∙ 10⁻⁷ Н.

Эту единицу силы тока называют ампером. Названа она так в честь французского физика А. Ампера, и является основной единицей силы тока в СИ.

1 А — это очень большое значение силы тока. Поэтому в науке, технике и на практике часто используют кратные и дольные единицы силы тока:

Познакомившись с единицей силы тока, мы можем дать и строгое определение единицы электрического заряда (количества электричества). Зная формулу для расчёта силы тока, можно записать: q = It. Учитывая, что единицей силы тока является ампер, а единицей времени — секунда, получим, что 1 Кл — это заряд, протекающий за 1 с через поперечное сечение проводника с током силой 1 А.

Ещё одна очень важная особенность силы тока заключается в следующем: сила тока во всех участках проводника, по которому протекает электрический ток, одинакова. Всё дело в том, что, когда в проводнике протекает ток, заряд нигде ни в какой его части не скапливается. Так, если в начале проводника, например, металлической проволочки, сила тока равна 1 А, то и в любом поперечном сечении проводника, и в конце его она тоже обязательно 1 А.

Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называют амперметром.

Амперметр и по своему принципу действия, и по устройству похож на гальванометр. Его работа основана на магнитном действии тока.

Чем больше сила тока, проходящего по катушке, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки прибора. Поскольку с помощью амперметра измеряют силу тока, то он устроен так, чтобы включение его в цепь практически не влияло на силу тока в цепи.

Чтобы отличить амперметр от гальванометра, на его шкале ставят букву «А». На схемах амперметр изображают кружком с буквой «А» в центре:

Будьте внимательны при работе с амперметрами, так как каждый из них рассчитан на некоторую максимальную силу тока. Иначе прибор может попросту сгореть.

Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить. Иными словами, чтобы контролировать значение силы тока, протекающего в интересующей нас части цепи, мы должны обязательно сделать разрыв цепи и включить в разрыв амперметр, чтобы весь заряд, протекающий в этой части цепи, проходил через прибор.

Обратите внимание и на то, что у каждой клеммы прибора стоит свой знак: или «плюс», или «минус». Это значит, что клемму со знаком «плюс» надо обязательно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком «минус» — с отрицательным.

Если цепь состоит из нескольких последовательно соединённых проводников или приборов (это такое соединение, при котором начало одного проводника соединяется с концом другого), то амперметр будет показывать во всех точках цепи одно и то же значение силы тока.

Пример решения задачи.

Задача. По графику зависимости перенесённого заряда от времени найдите силу тока в проводнике. Какое количество электронов проходит через сечение проводника за 5 с?

Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц 5 букв

Ответы на сканворды и кроссворды

Кулон

Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц 5 букв

НАЙТИ

Электрический заряд (Q)

Что такое электрический заряд?

Электрический заряд генерирует электрическое поле. Электрический заряд влияет на другие электрические заряды с электрической силой и под влиянием другого заряжается с той же силой в противоположном направлении.

Есть 2 вида электрического заряда:

Положительный заряд (+)

Положительный заряд имеет больше протонов, чем электронов (Np> Ne).

Положительный заряд обозначается знаком плюс (+).

Положительный заряд притягивает другие отрицательные заряды и отталкивает другие положительные заряды.

Положительный заряд притягивается другим отрицательным заряды и отражаются другими положительными зарядами.

Отрицательный заряд (-)

Отрицательный заряд содержит больше электронов, чем протонов (Ne> Np).

Отрицательный заряд обозначается знаком минус (-).

Отрицательный заряд притягивает другие положительные заряды и отталкивает другие отрицательные заряды.

Отрицательный заряд притягивается другим положительным заряды и отталкиваются другими отрицательными зарядами.

Направление электрической силы (F) в зависимости от типа заряда

Заряды 1/2 кв.	Усилие на q ₁ Заряд	Усилие на q ₂ Заряд
— / —	← ⊝	⊝ →	пополнение
+ / +	← ⊕	⊕ →	пополнение
— / +	⊝ →	← ⊕	аттракцион
+ / —	⊕ →	← ⊝	аттракцион

Заряд элементарных частиц

Частица	Заряд (К)	Заряд (е)
Электрон	1.602 × 10 ^-19 С	— e
Протон	1.602 × 10 ^-19 С	+ е
Нейтрон	0 С	0

Кулон

Электрический заряд измеряется в кулонах [Кл].

Один кулон имеет заряд 6,242 × 10 ¹⁸ электроны:

1C = 6,242 × 10 ¹⁸ e

Электрический заряд расчет

Когда электрический ток течет в течение определенного времени, мы можем рассчитать сбор:

Постоянный ток

Q = I ⋅ т

Q — электрический заряд, измеренный в кулоны [C].

I — ток, измеренный в амперах [А].

t — период времени, измеряемый в секунды [с].

Кратковременный ток

Q — электрический заряд, измеренный в кулоны [C].

i ( t ) — мгновенный ток, измеряется в амперах [A].

t — период времени, измеряемый в секунды [с].

См. Также

Метод электрической подвески для измерения электрического заряда небольших капель силиконового масла, диспергированных в водных растворах

Электрический заряд малых капель жидкости, диспергированных в другой несмешивающейся жидкости, представляет фундаментальный интерес для различных коллоидных и межфазных явлений и промышленных процессов.В этой статье авторы представляют новый экспериментальный метод измерения заряда небольших капель силиконового масла в водных растворах. В основном, капля масла удерживалась неподвижной внутри испытательной ячейки между двумя электродными пластинами путем приложения электрического поля соответствующей полярности и силы. Таким образом, электрический заряд на капле масла определялся из баланса сил между электрической силой, гравитационной силой и силой плавучести, приложенной к ней. Используя метод электрической суспензии, было исследовано влияние двух различных силиконовых масел, значений pH, валентностей и концентраций трех разных электролитов на измеренный электрический заряд.Одно из двух силиконовых масел тяжелее (rho1 = 1050 кг м-3), а другое легче (rho2 = 963 кг м-3), чем водные растворы. Между измеренными электрическими зарядами двух силиконовых масел была заметная разница. Было обнаружено, что точка нулевого заряда (pzc) для более тяжелых капель нефти составляет приблизительно 5,0 pH, что по существу совпадает со значением для капель минерального масла в эмульсиях масло-в-воде (O / W), о котором сообщают другие исследователи. Было также замечено, что электрический заряд сильно зависит не только от концентраций, но и от ионных валентностей электролитов, добавляемых в растворы.Более конкретно, двухвалентные и трехвалентные катионы, такие как Ca2 + и Al3 +, легче адсорбировались на границе раздела масло-вода. Следовательно, их влияние было более выраженным, чем влияние одновалентных катионов Na +, на уменьшение отрицательного заряда или даже на изменение полярности заряда при увеличении их ионных концентраций в соответствии с разностью валентностей. Авторское право 1997 г., Academic Press. Авторские права 1997Academic Press

В этом месяце в истории физики

Июнь 1785: Кулон измеряет электрическую силу

Ричард Уильямс

Фото: Wikimedia commons

Шарль Огюстен Кулон (вверху) использовал калиброванные крутильные весы (внизу) для измерения силы между электрическими зарядами.

Около 600 г. до н.э. греческий философ Фалес писал, что, когда он натирал кусочки янтаря мехом, янтарь притягивал куски соломы и другие мелкие предметы. Когда ученые начали изучать это явление, у них уже было слово для него, благодаря Фалесу: «электричество», производное от «электрон», греческого слова, обозначающего янтарь. Изучая эту силу, другие заметили, что заряженные объекты иногда притягиваются друг к другу. Двадцать три века спустя Бенджамин Франклин объяснил этот эффект существованием двух электрических жидкостей, одной положительной, а другой отрицательной.

Большая часть современного физического описания электрических сил основана на тщательных экспериментах, проведенных французским ученым Шарлем Огюстэном Кулоном (1736–1806). Его родители происходили из богатых семей, живущих недалеко от Монпелье [1], и они переехали в Париж, когда отец Кулона начал там работать. Кулон получил степень в инженерной школе в Мезьере и стал лейтенантом военно-инженерных войск.

Как армейский инженер по образованию, он получил несколько заданий во Франции.В 1764 году Кулон отправился на Мартинику, чтобы руководить строительством форта. Кулон руководил строительством с 1764 по 1772 год, а затем вернулся во Францию. Его здоровье, подорванное тропическими недугами Мартиники, будет беспокоить его до конца жизни. С его возвращением его внимание также изменилось — после многих инженерных проектов он начал работать над чистой физикой.

Кулон заинтересовался измерением электрической силы между небольшими заряженными объектами и усовершенствовал крутильные весы, которые могли надежно измерять такие малые силы [2].Он подвесил иглу на тонком волокне из серебра, меди или шелка. Игла удерживала небольшой электрически заряженный пробковый шарик на одном конце и противовес на другом конце, уравновешенный так, чтобы игла могла вращаться в горизонтальной плоскости. Откалиброванные крутильные весы измеряли силу, необходимую для поворота иглы на заданный угол.

Поднося аналогично заряженный пробковый шарик к шарику на игле, Кулон определил силу отталкивания между заряженными шариками как функцию их разделения.Этими экспериментами он начал количественное исследование электрической силы. Он писал: «Сила отталкивания двух маленьких глобусов с одинаковой природой электричества обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами двух глобусов» [2].

Когда два пробковых шара имели заряд противоположного знака, описанный выше эксперимент не удался. Если шары подходили слишком близко друг к другу, они прыгали вместе и слипались, заканчивая эксперимент. С трудом он измерил соотношение между силой и разделением в этом случае, но он решил использовать полностью независимый метод для подтверждения результата [3].Он подвесил иглу с маленькой пластиной на одном конце, и пластина была заряжена. Противоположный заряд помещался на поверхность полого шара из меди или картона с металлическим покрытием диаметром около фута.

Кулон предположил, что большая сфера будет вести себя так, как если бы весь ее заряд был сосредоточен в точке в ее центре. Игла заставлялась колебаться по узкой дуге в горизонтальной плоскости. Период колебаний зависел от силы между заряженной сферой и заряженной пластиной на игле, точно так же, как период обычного простого маятника зависит от силы тяжести.Затем Кулон измерил период колебаний на различных расстояниях от большой сферы и, используя уравнение, подобное уравнению для маятника, связал период с силой между зарядами.

Результат: закон Кулона [3]. «Мы пришли сюда методом, совершенно отличным от первого … чтобы сделать вывод, что притяжение электрического флюида, называемое» положительным «для электрического флюида, обычно называемое» отрицательным «, равно обратному квадрату расстояния». Далее он показал, что для заряженного металлического объекта или другого проводящего объекта весь заряд находится на поверхности, независимо от формы объекта [4].

Закон Кулона лежит в основе атомной физики. Сила притяжения F между электроном с зарядом e на расстоянии r от ядра с атомным номером Z и зарядом Ze составляет F = Ze ² / r ² . Эрнест Резерфорд, изучая рассеяние альфа-частиц, использовал это уравнение, чтобы показать, что диаметр атомного ядра на порядки меньше диаметра атома, то есть что ядро фактически является точечной массой.Позднее Нильс Бор использовал этот результат как отправную точку своей теории линейчатого спектра атома водорода.

Французская революция внесла изменения в профессиональную жизнь Кулона. Его роль в Академии наук закончилась, когда она была закрыта. Его взносы в комитет мер и весов и надзор за водоснабжением прекратились во время революции, но в более поздние годы он смог возобновить часть этой работы. В июне 1806 года он заболел лихорадкой, в результате которой он умер в августе [1], но имя Кулона живет в физике.Сегодня кулон — это единица электрического заряда, а рассеяние, наблюдаемое Резерфордом, — это кулоновское рассеяние.

Дополнительная литература

1. К. Стюарт Гиллмор, Кулон и эволюция физики и техники в восемнадцатом веке, Франция, (Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1971).

2. C. A. Coulomb, Premiere Memoire sur l’electricite et le Magnetisme, Histoire de l’Academie Royale des Sciences , 569-577 (1785).Английский перевод этой статьи можно получить, выполнив поиск по запросу «Перевод Буччаррелли первых мемуаров Кулона» с помощью Google Search или Bing.

3. К. А. Кулон, Seconde Memoire sur l’electricite et le Magnetisme , Histoire de l’Academie Royale des Sciences , 578-611 (1785).

4. C. A. Coulomb, Quatrieme Memoire sur l’electricite et le Magnetisme, Histoire de l’Academie Royale des Sciences , 67–77 (1785).

Измерение электрического заряда и молекулярного покрытия на поверхности электрода с помощью переходного индуцированного молекулярно-электронного сигнала (TIMES)

Принципы работы устройства и стратегия тестирования

Мы применили метод TIMES для измерения плотности поверхностного заряда для буферов с различной концентрацией (ионная сила) , значение pH и типы буфера.Система TIMES состоит из микрожидкостного устройства с двумя параллельными микрожидкостными каналами, которые соединены с одним каналом через Y-образный переход. Внутри каждого параллельного канала шириной 1 мм и высотой 30 мкм находится платиновый электрод, подключенный к внешней цепи с помощью соединительной проволоки. Площадь электродов внутри канала составляет 1 × 1 мм ². Один из электродов используется как чувствительный электрод, а другой как электрод сравнения. Оба электрода подключены к дифференциальным входам трансимпедансного усилителя (TIA) с настраиваемым трансимпедансом (рис.1). В начале эксперимента канал с электродом сравнения заполняется буфером сравнения, а канал с датчиком

Рисунок 1

Принципиальная схема устройства и настройки TIMES.

Электрод

заполняется раствором пробы. После замачивания каждого электрода в соответствующем растворе на время, достаточное для достижения системой своего устойчивого состояния, мы вливаем эталонный буфер в канал с чувствительным электродом со скоростью 100 мкл / мин, чтобы раствор образца в контакт с чувствительным электродом замещается эталонным буфером.Мы называем этот этап «процессом стирки», и именно во время этого «процесса стирки» записывается сигнал TIMES. Другими словами, мы измеряем переходный ток, протекающий от измерительного электрода в трансимпедансный усилитель, когда раствор над измерительным электродом переключается с раствора образца на контрольный буфер.

Мы можем применить описанную выше процедуру для измерения абсолютного количества и полярности поверхностного заряда практически для любых комбинаций буфер / электрод. Относительная разница в поверхностном заряде между раствором образца и эталонным буфером может быть получена путем интегрирования текущего сигнала TIMES по продолжительности переключения буфера с раствора образца на эталонный буфер.Мы можем получить абсолютное количество поверхностного заряда для раствора образца, выбрав эталонный буфер, который имеет нулевой поверхностный заряд для определенного электрода. Поскольку мы знаем, что раствор 0,099 M KClO ₄ / 0,001 M HClO ₄ (pH = 3,4) дает нулевой поверхностный заряд с Pt-электродом ²⁶, мы можем использовать этот буфер и другой электрод (например, Au), чтобы найти поверхностный заряд. между буфером и новым электродным материалом. Точно так же для данного электрода (например, Pt) мы также можем найти поверхностный заряд между новым буфером и электродом, сравнив его сигнал с сигналом от эталона (например.грамм. 0,099 M KClO ₄ / 0,001 M HClO ₄) буфер.

В этой статье мы сначала использовали 0,099 M KClO ₄ / 0,001 M HClO ₄ (pH = 3,4) в качестве контрольного буфера для измерения поверхностного заряда 1X PBS (pH = 7,41) в контакте с Pt электродом. Затем для всех других экспериментов мы использовали 1X PBS (pH = 7,41) в качестве эталонного буфера для измерения поверхностного заряда других растворов с различной ионной силой, значением pH, типами буфера и т. Д.

Вышеупомянутый процесс можно описать в простая математическая формула.{t} \, I (\ tau) d \ tau = {Q} _ {образец} — {Q} _ {ссылка} $$

(1)

, где Q _{образец} — поверхностный заряд в двойном слое раствора образца, а Q _эталон — соответствующее количество для эталонного буфера. Уравнение (1) также показывает, что любые постоянно прикрепленные молекулы не вносят вклад в сигнал, поскольку только подвижный заряд производит ток. Используя это важное свойство, мы дополнительно продемонстрировали, как метод TIMES может использоваться для измерения покрытия поверхности молекулами, прикрепленными к поверхности, как описано ниже.

Для определения эффекта модификации поверхности адгезивными молекулами мы использовали в качестве тестовых молекул нуклеиновую кислоту, модифицированную тиолом, и 6-меркапто-1-гексанол (MCH). Первый образует прочную связь сера-платина, а молекула MCH также содержит тиольную группу и часто используется в качестве блокирующего агента для замещения более слабых адсорбционных контактов между нуклеотидами ДНК и субстратом Pt (Au) для подавления неспецифического связывания для гибридизации ДНК. эксперимент. Чтобы измерить покрытие поверхности ДНК, модифицированной тиолом, и MCH, мы пропитали чувствительный электрод растворами, содержащими различные концентрации ДНК, модифицированной тиолом.Поверхность Pt-электрода, покрытая тиол-модифицированной ДНК, содержит фиксированный заряд, который не может быть изменен вышеупомянутым процессом промывки, поэтому сигнал TIMES отсутствует. В результате, если α — часть площади, покрытой заякоренной молекулой, величина сигнала TIMES в уравнении. (1) будет уменьшен до 1-α раз сигнала без молекулярного покрытия. Это обеспечивает простой и прямой метод измерения молекулярного покрытия, количества, которое имеет решающее значение для оптимизации и воспроизводимости молекулярного зондирования, но не может быть измерено до сих пор.

Измерение поверхностной плотности заряда для буфера 1X PBS с использованием буфера с нулевым поверхностным зарядом в качестве эталона

Поскольку мы использовали 1X PBS в качестве эталонного и промывочного буфера для большинства экспериментов, обсуждаемых в статье, сначала мы опишем метод измерения плотность поверхностного заряда для 1X PBS в контакте с Pt электродом. Согласно Rizo et al ., Раствор 0,099 M KClO ₄ и 0,001 M HClO ₄ (pH = 3,4) дает нулевой заряд поверхности (ZSC) ²⁶.Следовательно, мы можем получить поверхностную плотность заряда для буфера 1X PBS (pH = 7,41), используя ZSC (KClO ₄ / HClO ₄) в качестве буфера сравнения и промывочного буфера. Следуя процедурам, описанным выше, мы получили сигнал TIMES (рис. 2a) и поверхностный заряд (рис. 2b), используя уравнение. (1) с 1X PBS в качестве «образца» и буфером ZSC в качестве «эталона». Результат показывает, что на границе раздела электродов 1X PBS / Pt существует плотность заряда 70,67 ± 0,37 мКл / м ² в двойных слоях.В следующих экспериментах, где мы используем 1X PBS в качестве эталонного и промывочного буфера, мы добавим это количество к результатам, чтобы получить фактическое количество поверхностной плотности заряда, поскольку наш метод измеряет разницу поверхностных зарядов между раствором образца и промывочным буфером.

Рисунок 2

TIMES сигнал с 1X PBS на чувствительном электроде, смещенном раствором с нулевым зарядом поверхности (ZSC). ( a ) TIMES сигнал. На вставке показана подробная форма волны переходного процесса.( b ) Изменение поверхностной плотности заряда на границе раздела раствор / твердое тело путем интегрирования сигнала TIMES во времени. Конечное значение, когда система достигает установившегося состояния, приводит к возникновению равновесной плотности поверхностного заряда жидкости (1X PBS), контактирующей с проводящей поверхностью (Pt).

Влияние ионной силы и значения pH на плотность поверхностного заряда

Сигналы TIMES, создаваемые PBS разной концентрации (или ионной силы), показаны на рис. 3a.Применяя уравнение. (1) с образцом, представляющим собой PBS разной концентрации, и эталоном (промывочный буфер), представляющим 1X PBS, мы получаем зависимость плотности поверхностного заряда от концентрации PBS (рис. 3b). Буфер 1X PBS имеет ионную силу (IS) 162 мМ и значение pH 7,41. Изменяя его ионную силу от 1,6 мМ до 1620 мМ, сохраняя при этом значение pH (путем добавления очень небольшого количества HCl или NaOH, которые не изменяли ионную силу буфера), мы обнаружили следующее соотношение между поверхностью плотность заряда и ионная сила:

$$ Q- {Q} _ {o} = — \, {Q} _ {n} \, log (\ frac {IS} {I {S} _ {o}}) , \, {Q} _ {n} = 2.{2} $$

Рисунок 3 Сигналы

TIMES ( a ) и поверхностная плотность заряда ( b ) для различных концентраций PBS (ионной силы).

Становится очевидным, что более низкая ионная сила создает большее количество положительного поверхностного заряда в растворе, контактирующем с Pt электродом. {+}]} _ {o}}), \, {Q} _ {m} = 13.{2} $$

Было обнаружено, что плотность поверхностного заряда гораздо сильнее зависит от значения pH, чем ионная сила. Кроме того, плотность поверхностного заряда становится более положительной с увеличением значения pH буфера.

Рисунок 4 Сигналы

TIMES ( a ) и поверхностная плотность заряда ( b ) для различных значений pH 1X PBS (IS = 162 мМ).

Плотность поверхностного заряда для различных типов буфера

Биологический буфер обычно состоит из слабой кислоты и ее конъюгированного основания для обеспечения стабильной среды pH.Мы измерили поверхностный заряд некоторых популярных буферных растворов для биологических образцов, включая буфер Tris и буфер HEPES. На рисунке 5 показаны результаты TIMES, когда мы использовали 25 мМ PBS, 25 мМ Трис-буфер и 25 мМ HEPES буфер в качестве растворов образцов и 1X PBS (162 мМ, pH = 7,41) в качестве контрольного и промывочного буфера при комнатной температуре (25 ° C). ). Ионная сила 25 мМ была выбрана, потому что это предпочтительная концентрация для многих биологических образцов. Также было отмечено, что для исследуемых образцов растворов мы сохранили их значение pH в их естественном состоянии: 7.26 для 25 мМ PBS, 7,56 для Tris и 7,16 для HEPES. После интегрирования сигналов TIMES, как и раньше, мы обнаружили, что плотность поверхностного заряда для 25 мМ PBS, 25 мМ Tris-буфера и 25 мМ HEPES-буфера почти одинаковы: 73,94 ± 0,03, 74,19 ± 0,04 и 75,95 ± 0,04 мКл / м ² соответственно.

Рисунок 5 Сигналы

TIMES для 25 мМ PBS, 25 мМ Tris-буфера и 25 мМ HEPES-буфера с 1X PBS (162 мМ) в качестве контрольного и промывочного буфера.

Затем мы нашли зависимость плотности поверхностного заряда от значения pH для каждого буфера, и результаты суммированы на рис.6. Сигналы TIMES на рис. 6a – c были получены при промывании тестовых образцов с различным значением pH 25 мМ буфера того же типа при его естественном значении pH (т.е. 7,26 для PBS, 7,56 для Tris буфера и 7,16 для HEPES). буфер). На рисунке 6d показана зависимость плотности поверхностного заряда от pH для всех трех буферов.

Рисунок 6 Сигналы

TIMES для 25 мМ PBS ( a ), 25 мМ Tris-буфера ( b ) и 25 мМ HEPES-буфера ( c ) с различным значением pH. ( d ) Зависимость плотности поверхностного заряда от pH для 25 мМ PBS (синий), 25 мМ Трис-буфера (оранжевый) и 25 мМ HEPES-буфера (зеленый).

Эффекты модификации поверхности и покрытия поверхности иммобилизованными молекулами

Расширяя метод TIMES, мы можем измерить эффекты модификации поверхности и долю молекулярного покрытия. Здесь мы использовали концепцию, что любой фиксированный заряд, созданный иммобилизованными молекулами на поверхности электрода, не влияет на сигнал TIMES. Следовательно, когда часть поверхности электрода покрыта иммобилизованными молекулами, величина сигналов TIMES уменьшается.При условии, что α представляет собой долю площади поверхности, покрытой типом молекулы, связанной с поверхностью, ожидается, что плотность поверхностного заряда, измеренная с помощью сигнала TIMES, будет в 1-α раз больше сигнала без покрытия поверхности. Следовательно, взяв отношение интегрированного сигнала TIMES с молекулярным покрытием и без него, мы можем получить долю молекулярного покрытия после модификации поверхности. Такая информация очень ценна, потому что количественное определение покрытия поверхности молекулами необходимо для обеспечения эффективной обработки поверхности и воспроизводимых результатов тестов для гибридизации нуклеиновых кислот, иммуноанализа, улавливания частиц и многих поверхностных реакций.В нашем эксперименте мы использовали модифицированную тиолом оцДНК и МСН, чтобы продемонстрировать возможность измерения покрытия поверхности адгезивными молекулами. Сначала мы протестировали покрытие поверхности MCH в качестве блокирующего агента для предотвращения неспецифического связывания сенсоров нуклеиновой кислоты, поскольку предполагается, что MCH покрывает любую площадь поверхности, которая не была занята зондами ДНК. Чувствительный электрод в микрофлюидном канале сначала был пропитан 1 мМ раствором MCH на 3 часа для модификации поверхности. Затем чувствительный электрод заполняли 1X PBS с pH = 5.69 как «образец раствора». Когда раствор образца был вытеснен 1X PBS с pH = 7,41, сигнал TIMES был записан, как показано на фиг. 7a. Покрытие поверхности MCH можно связать с сигналом TIMES, используя следующие соотношения:

$$ {S} _ {1} = {Q} _ {pH5.69} — {Q} _ {pH7.41} $$

(2)

$$ {S} _ {2} = (1 — {\ alpha} _ {MCH}) ({Q} _ {pH5.69} — {Q} _ {pH7.41}) $$

(3)

, где S ₁ и S ₂ — это сигналы TIMES с обработкой поверхности MCH и без нее, а α _MCH — это фракционное покрытие площади молекулой MCH.Из уравнений (2) и (3) получаем:

$$ {\ alpha} _ {MCH} = 1- \ frac {{S} _ {2}} {{S} _ {1}} $$

(4)

Рисунок 7 Сигналы

TIMES, полученные при замещении 1X PBS (pH = 5,69) 1X буфером PBS (pH = 7,41) при различных модификациях поверхности. ( a ) только обработка MCH, ( b ) модификация 1 мкМ оцДНК с последующей обработкой MCH, ( c ) модификация 10 нМ оцДНК с последующей обработкой MCH ( d ) модификация 100 пМ оцДНК с последующей обработкой MCH.

На рисунке 7a показаны сигналы TIMES указанного выше эксперимента, и было обнаружено, что фракционное покрытие поверхности для молекулы MCH составляет α _MCH = 0,943 ± 0,003, как указано в первой строке таблицы 1. Результат показывает, что 94,3 ± 0,3% площади поверхности электрода покрыто MCH как эффективным агентом для предотвращения неспецифического связывания при биосенсорстве.

Таблица 1 Доля покрытия поверхности обработкой поверхности MCH и оцДНК / MCH.

Затем мы провели эксперимент по связыванию тиол-модифицированной одноцепочечной ДНК (оцДНК) зонда различных концентраций (1 мкМ, 10 нМ и 100 пМ) к поверхности Pt.Раствор оцДНК вводили в чувствительный электрод и оставляли на ночь для достижения равновесного состояния. Затем канал с электродом, обработанным оцДНК, заполняли «раствором образца» 1X PBS с pH = 5,69. Сигналы TIMES были записаны, когда раствор образца был замещен эталонным буфером (1X PBS с pH = 7,41). После измерения 1 мМ МСН вводили в обработанный оцДНК электрод в качестве блокирующего агента для покрытия областей, не покрытых оцДНК.

Следуя той же процедуре, описанной ранее, мы измерили сигнал TIMES после лечения MCH.Ожидается, что для поверхности, обработанной оцДНК / МСН, сигналы будут соответствовать соотношению:

$$ {S} _ {4} = (1 — {\ alpha} _ {оцДНК}) ({Q} _ {pH5.69 } — {Q} _ {pH7.41}) $$

(5)

$$ {S} _ {5} = (1 — {\ alpha} _ {ssDNA} — {\ alpha} _ {MCH}) ({Q} _ {pH5.69} — {Q} _ {pH7 .41}) $$

(6)

, где S ₄ и S ₅ — это сигналы TIMES после модификации оцДНК и после обработки MCH, соответственно.Из уравнений (2), (5) и (6) мы можем получить фракционное покрытие поверхности оцДНК (α _оцДНК) и MCH (α _MCH). Сигналы TIMES для различных концентраций оцДНК и для обработки МСН, последовавшей за модификацией поверхности оцДНК, показаны на рис. 7b – d.

Доля покрытия поверхности оцДНК и MCH при различных условиях приведена в таблице 1. Было обнаружено, что при изменении объемной концентрации оцДНК от 1 мкМ до 100 пМ покрытие поверхности по поверхности Pt изменяется с 48.От 2 ± 3,3% до 12,2 ± 0,8%. Результаты приблизительно соответствуют логарифмическому соотношению:

$$ {\ alpha} _ {DNA} \ sim {\ alpha} _ {DNAo} \, log (\ frac {{n} _ {DNA}} {{n} _ {DNAo}}) $$

Еще одно интересное открытие состоит в том, что во всех случаях общее фракционное покрытие поверхности оцДНК и MCH составляет от 82,2 до 91,5% и никогда не достигает 100%. Даже с одним MCH покрытие поверхности составляет 94,3% вместо 100%. Одно из возможных объяснений этого явления состоит в том, что поверхностные молекулы отталкивают молекулы с одинаковой полярностью заряда.Поскольку тиол-модифицированная ДНК имеет более высокую плотность заряда в сахарном скелете, чем молекула MCH, мы наблюдали более высокий процент покрытия только одним MCH (94%), чем комбинацией оцДНК / MCH (82–91%). Эта гипотеза также согласуется с наблюдением, что наименьшее покрытие поверхности (82%) было получено для образца, имеющего наибольшее покрытие оцДНК ²⁷. Вышеупомянутые результаты, которые стали возможными благодаря методике измерения покрытия поверхности молекул, пролили свет на конструкцию и оптимизацию биосенсоров, основанных на связывании с поверхностными зондами.

Электричество и аналогия с водопадом

Для содержательного обсуждения электрохимии необходимо определить фундаментальные свойства электричества.

Введение

Напряжение между двумя точками — это краткое название электрической силы, которая будет управлять электрическим током между этими точками. В случае статических электрических полей напряжение между двумя точками равно разности электрических потенциалов между этими точками.В более общем случае с электрическими и магнитными полями, которые меняются со временем, эти термины больше не являются синонимами. Электрический потенциал — это энергия, необходимая для перемещения единичного электрического заряда в определенное место в статическом электрическом поле. Первое — это напряжение , обычно обозначаемое аббревиатурой «В» и измеряемое в вольт. (также сокращенно «В»). Напряжение, также иногда называемое разностью потенциалов , или электродвижущая сила (ЭДС) , относится к величине потенциала. энергия, которую электроны имеют в объекте или цепи.В некотором смысле вы можете думать об этом как о количестве «толчка», которое электроны совершают, пытаясь приблизиться к положительному заряду. Чем больше энергии у электронов, тем сильнее напряжение.

Ток означает скорость протекания электрического заряда. Этот текущий электрический заряд обычно переносится движущимися электронами в проводнике, таком как провод; в электролите он переносится ионами. Единицей измерения скорости электрического заряда в системе СИ является ампер. Электрический ток измеряется амперметром. Ток обычно обозначается аббревиатурой «I» («C» зарезервирован для принципа заряда , самого фундаментального строительного блока электричества.) Ток измеряется в ампер или ампер , сокращение «A». Ток относится к тому, сколько электричества течет — сколько электронов перемещается по цепи за единицу времени.

Сопротивление объекта является мерой его сопротивления прохождению постоянного электрического тока. Объект с однородным поперечным сечением будет иметь сопротивление, пропорциональное его длине, обратно пропорциональное его площади поперечного сечения и пропорциональное удельному сопротивлению материала.Обнаруженное Георгом Омом в 1827 году электрическое сопротивление имеет некоторые концептуальные параллели с механическим понятием трения. Единица измерения электрического сопротивления в системе СИ — ом (Ом). Сопротивление означает, насколько материал, проводящий электричество, противодействует потоку электронов. Чем выше сопротивление, тем труднее электронам протолкнуться.

Аналогия с водопадом

Если мы проведем аналогию с водопадом, напряжение будет представлять высоту водопада: чем оно выше, тем больше потенциальной энергии имеет вода в силу своего расстояния от дна водопада, и тем больше энергии она будет отдавать. владеть, когда он падает на дно.Затем ток показывает, сколько воды проходит через край водопада каждую секунду. Сопротивление относится к любым препятствиям, которые замедляют поток воды через край водопада (например, камни в реке перед краем).

Водопад	Водопад Анхель в Венесуэле	Водопад Бридалвейл в долине Йосемити (Калифорния)	Ниагарский водопад (Нью-Йорк и Канада)

Высота (напряжение)	Впечатляюще большой 979 м (3212 футов) в Венесуэле	Средний 188 м (617 футов)	Малый 52 м (167 футов)
Расход (ток)	Средний?	Средняя 1800 м ³ в минуту при высоком расходе	Впечатляюще Большой 168000 м ³ воды падает за линию гребня каждую минуту при большом потоке
Сопротивление	Незначительная	Незначительная	Незначительная

Закон Ома

Эти напряжение, ток и сопротивление связаны с помощью принципа, известного как закон Ома:

\ [V = I * R \]

, в котором указано, что напряжение в цепи равно току в цепи, умноженному на ее сопротивление.Другой способ формулировки закона Ома, который часто легче понять, это:

\ [I = V / R \]

, что означает, что ток в цепи равен напряжению, деленному на сопротивление. Это имеет смысл, если вы подумаете о нашем примере с водопадом: чем выше водопад, тем больше воды будет хотеть пройти через него, но это возможно только в той степени, в которой это возможно, в результате любых противостоящих сил. Если вы попытаетесь протянуть Ниагарский водопад через садовый шланг, вы получите столько воды каждую секунду, независимо от того, насколько высок водопад и сколько воды ждало, чтобы пройти! А если вы замените этот шланг на шланг большего диаметра, вы получите больше воды за то же время.

Электрические измерения

Введение

В этом разделе будут обсуждаться электрические измерения. Это будет сделано с помощью простых экспериментов, которые вводят источник питания постоянного тока, мультиметр и упрощенный способ представления электрических цепей с помощью принципиальной схемы.

Масса и электрический заряд, массовый расход и электрический ток

Материя обладает рядом свойств, включая массу и электрический заряд.Масса, M (в килограммах, кг), является положительной величиной. Электрический заряд, Q (измеряется в кулонах, Кл), с другой стороны, может быть как положительным, так и отрицательным. Чистый электрический заряд представляет собой сумму зарядов положительно заряженных ионных ядер и отрицательно заряженных электронов. В обычных условиях положительный и отрицательный электрические заряды материи взаимно нейтрализуются, оставляя ее нейтральной. Увеличение чистого электрического заряда может происходить либо за счет увеличения количества положительного заряда, либо за счет уменьшения количества отрицательного заряда.Для обычных металлов ядра положительных ионов неподвижны, а электроны составляют «электрическую жидкость». При постоянном массовом расходе масса жидкости, протекающей по трубе, равна скорости массового расхода (или массового тока), умноженной на время. Точно так же для постоянных расходов заряда заряд, Q , который течет через провод, равен скорости потока заряда (или электрического тока, I , измеряемого в амперах, А), умноженному на время, t .

Резервуары и конденсаторы, давление и напряжение, насосы и источники питания

Воду часто хранят в резервуаре или водонапорной башне.Мы можем думать о резервуаре как о резервуаре с водой, находящейся под давлением. Когда два резервуара с разным давлением соединяются трубой, разница давлений заставляет воду течь по трубе от резервуара с более высоким давлением к резервуару с более низким давлением. Точно так же электрический заряд может храниться в электрических резервуарах, называемых конденсаторами , , которые представляют собой металлические пластины, которые можно рассматривать как находящиеся под электрическим давлением, называемым напряжением. Когда две металлические пластины с разным напряжением соединяются проводом, разница напряжений заставляет электрический ток течь через провод от пластины с более высоким напряжением к пластине с более низким напряжением.Высокое давление воды может быть получено с помощью водяного насоса, прикрепленного к резервуару, который быстро заменяет любую используемую воду, так что давление воды не снижается. Электрический эквивалент водяного насоса может представлять собой один гальванический элемент (обычный D-элемент на 1,5 В), аккумулятор из гальванических элементов (автомобильный аккумулятор на 12 В), источник питания и т. Д.

Трубы и провода, сопротивления, цепи

Вода легко течет внутри трубы, медленно течет через почву и совсем не течет через стенки трубы (если только давление в трубе не является достаточно высоким, чтобы вызвать разрыв трубы).Точно так же электрический заряд легко течет по металлическим проводам, медленно течет по смоченной бумаге (это свойство используется в электрофорезе, который используется для снятия отпечатков пальцев ДНК) и совсем не вытекает из материала, покрывающего провод, или от провода. в воздух (если напряжение на проводе не настолько велико, что вызывает электрический пробой). Оболочка имеет электрическое сопротивление больше, чем провод. Когда мы подсоединяем шланг от резервуара высокого давления к резервуару низкого давления, сначала вода может течь легко.Однако в конце концов давления выравниваются, и поток не может возникнуть. Если мы хотим непрерывного потока через трубу, и у нас нет бесконечного количества воды в наших резервуарах, мы устанавливаем насос в трубу и рециркулируем воду, включая обратную трубу, таким образом образуя замкнутый контур. То же самое мы делаем с электричеством, когда используем источник питания для подачи электрического тока через замкнутую электрическую цепь.

Прежде чем мы начнем, нам нужно рассмотреть несколько новых концепций, которые вам понадобятся для выполнения этой лабораторной работы.

Ток, напряжение и сопротивление

Хотя вы только начинаете изучение статических электрических зарядов, когда эти же заряды движутся по цепи, они производят электрический ток, который является скоростью потока заряда. Единица измерения тока в системе СИ — ампер (А) = 1 кулон / сек. По соглашению направление тока — это направление потока положительного заряда, хотя в металлических проводниках ток возникает из-за потока отрицательного заряда (электронов) в противоположном направлении.Из-за сохранения заряда ток одинаков во всех точках однопетлевой цепи. В точке ветвления в цепи, где проводящий путь разделяется на два или более, общий ток в точке ветвления равен полному току из этой точки. Чтобы произвести эти движущиеся заряды, мы будем использовать либо аккумулятор, либо источник питания, который использует химическую или электрическую энергию, соответственно, для проталкивания этих зарядов по цепи. Обычно ток течет от положительной клеммы батареи или источника питания к отрицательной клемме.Для поддержания тока в цепи должен быть полностью проводящий путь. Напряжение — это мера разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи, а разность потенциалов между двумя точками в цепи вызывает протекание этих электрических токов. Единицей измерения потенциала в системе СИ является вольт (В). Поскольку электрическая сила является консервативной, сумма напряжений увеличивается и уменьшается вокруг любого замкнутого контура, равная нулю. Сопротивление — это свойство элемента схемы (проводника) препятствовать прохождению тока.Сопротивление определяется где В, — напряжение на элементе схемы, а I, — ток, протекающий через него. Если R постоянный, одинаковый для всех V , то элемент схемы подчиняется закону Ома. Единицей измерения сопротивления в системе СИ является ом (Ом). Сопротивление резистивного элемента цепи изменяется в зависимости от температуры. Серия

и параллельные схемы

Два резистора R ₁ и R ₂ соединены последовательно, если весь ток, который проходит через R ₁, также проходит через R ₂.Следовательно, для двух последовательно соединенных резисторов ток от I ₁ до R ₁ совпадает с током от I ₂ до R ₂, и этот ток такой же, как ток ток, I , который входит в последовательную сеть:

I = I ₁ = I ₂.

Общее напряжение В в последовательной сети представляет собой сумму напряжений В ₁ и В ₂ на каждом резисторе.То есть

V = V ₁ + V ₂.

Эквивалентное сопротивление R _с из R ₁ и R ₂ последовательно определяется по формуле Два резистора R ₁ и R ₂ соединены параллельно, если напряжения В, , _{, 1,} и В, , _{, 2}, на каждом из них одинаковы и равны напряжению, В , через параллельную сеть.То есть

V = V ₁ = V ₂.

Токи I ₁ и I ₂ через каждый из резисторов складываются, чтобы получить общий ток, I , текущий в сеть и из нее:

I = I ₁ + I ₂.

Эквивалентное сопротивление R _p из R ₁ и R ₂ параллельно определяется выражением Это также можно записать как

Амперметр и вольтметры

Амперметры используются для измерения тока.Амперметр подключается последовательно к цепи, так что весь измеряемый ток течет через амперметр. Следовательно, амперметры должны иметь очень маленькое сопротивление, чтобы не изменять ток в цепи. Вольтметры используются для измерения напряжений. Вольтметр подключается параллельно в двух точках, между которыми должна быть измерена разность потенциалов. Следовательно, вольтметр должен иметь большое сопротивление, чтобы через него проходил очень небольшой ток.

Теперь мы проведем несколько экспериментов по измерению напряжений и токов в последовательных и параллельных цепях и наблюдению за линейными и нелинейными устройствами.

Аппарат

Источник питания постоянного тока 0-40 вольт
Трансформатор переменного тока на 6 вольт
Батарея (размер D)
Лампочка на 12 вольт и розетка
Резисторы 150 и 700 Ом
Голая нихромовая проволока (серебристого цвета) и изолированная медная проволока на блоке
Цифровой мультиметр

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Измерение напряжения

Блок питания является источником разницы напряжений. Найдите источник питания постоянного тока на лабораторном столе. Нажмите кнопку POWER On / Off в положение ON . Затем нажмите кнопку RANGE в положение IN (0,85 A) (это устанавливает источник питания в диапазоне 0-35 В / 0-0,85 A). Поверните ручки регулировки напряжения и тока ADJUST против часовой стрелки до упора.Затем установите максимальный выходной ток для этого эксперимента, нажав кнопку CC Set и, удерживая ее, вращайте текущую ручку ADJUST по часовой стрелке, пока на дисплее AMPS не появится 0,20. Отпустите кнопку CC Set . Не перемещайте ручку текущей настройки ( CC Set ) после этой регулировки (если в лаборатории нет инструкций). Теперь поверните ручку регулировки напряжения ADJUST по часовой стрелке до тех пор, пока на дисплее вольт не отобразится 5,0 вольт. Ключ для рисунка 2:

1
Светодиодный дисплей напряжения и тока
2
Регулировка напряжения
3
Текущая корректировка
4
Кнопка включения / выключения
5
Кнопка диапазона выходного тока: можно выбрать предел выходного тока от 0,85 до 1,5 А.
6
Кнопка постоянного тока: позволяет переключаться с выхода постоянного напряжения на выход постоянного тока.
7
Положительный выходной разъем
8
Выходной отрицательный разъем
9
Общий / заземляющий разъем

Мультиметр — это измерительное устройство, которое используется для измерения разницы напряжений, электрических токов и электрических сопротивлений.Он также может измерять другие электрические свойства. См. Рис. 3. Вверху измерителя находится ЖК-дисплей (жидкокристаллический дисплей), посередине — переключатель функции / диапазона (или циферблат), а внизу — четыре входных разъема.

Внимание:
Измеритель особенно чувствителен (и склонен к перегоранию предохранителя) при использовании входного гнезда 200 мА (см. 4 в ключе на Рисунке 3).

Чтобы измерить заданное количество, шкала должна быть в соответствующем положении, и должны использоваться соответствующие два входных разъема.Таким образом, при повороте шкалы для перехода от одного типа измерения к другому (например, от разности напряжений к электрическому току) может потребоваться также изменить входные разъемы. При перегрузке предохранитель может перегореть. Ключ для рисунка 3:

1
Переключатель функции / диапазона: выбирает желаемую функцию и диапазон.
2
Входной разъем COM: входной разъем заземления.
3
Входное гнездо V-Ω: входной разъем для напряжения, сопротивления, проверки диодов, целостности цепи, частоты и логики.
4
Входной разъем 200 мА: Входной разъем для токов до 200 мА, L _x (индуктивность), C _x (емкость).
5
Входной разъем 20 А: входной разъем для токов до 20 А.
6
Кнопка ВКЛ / ВЫКЛ: включает и выключает питание измерителя.
7
Кнопка HI / LO: выбирает высокий или низкий уровень запуска для измерения частоты.
8
Кнопка MAX: выбирает функцию удержания максимального показания.
9
Кнопка DC / AC: выбирает напряжение постоянного или переменного тока.
10
3-1 / 2-разрядный ЖК-дисплей с сигнализаторами

Осторожно:
Для защиты счетчик гудит при перегрузке; если гудит, отсоедините провода счетчика!

Чтобы защитить измеритель от перегрузки при измерении неизвестного напряжения или тока, сначала необходимо установить измеритель на максимальную шкалу для этой функции.Если показание недостаточно велико, чтобы дать по крайней мере три значащих цифры, шкалу следует переключить (если возможно) на такую, которая позволяет проводить точное измерение.

Чтобы включить мультиметр, нажимайте верхнюю левую кнопку на измерителе, пока на его циферблате не появится дисплей. Чтобы настроить мультиметр для измерения разницы напряжений постоянного тока, ΔV, сокращенно V на измерителе, переключите верхнюю правую кнопку на DC. Убедитесь, что на дисплее глюкометра отображается постоянный ток. Поверните переключатель функций / диапазона в положение диапазона напряжения (В), а шкалу установите на 20 .Теперь измеритель настроен на считывание напряжений до 20 вольт постоянного тока. Подключите провода типа «банан-банан» к общему разъему (COM) и к разъему напряжения (V).

Подключите выводы мультиметра к клеммам + и — источника питания, как показано. См. Рисунок 4. Запишите показания напряжения на мультиметре (включая знак) и показания на измерителе источника питания.

Поменяйте местами положительный и отрицательный провода на мультиметре и снова наблюдайте за показаниями напряжения на мультиметре (включая знак).Запишите различия.

Переключить провода на клеммах блока питания и записать показания напряжения на мультиметре (включая знак). Объясните значение изменения знака постоянного напряжения при замене проводов. Показания счетчика блока питания и мультиметра могут не совпадать. (Ваши часы и часы вашего партнера показывают одинаковое время? Вероятно, нет.) Ожидается, что мультиметр будет более точным.

Прикоснитесь к выводам мультиметра к концам батареи (ячейка D) и запишите напряжение.Переключите провода и запишите напряжение. Объясните значение изменения знака постоянного напряжения при замене проводов.

Включите мультиметр для измерения переменного напряжения. Возьмите трансформатор (который изменяет напряжение на стене с почти 120 вольт до более безопасного значения), подключите его и запишите напряжение переменного тока от трансформатора. Переключите провода измерителя и снова запишите напряжение переменного тока на мультиметре. Есть ли знак, связанный с переменным напряжением?

Отключите трансформатор.Отключите мультиметр от трансформатора.

Резисторы (линейное (омическое) устройство)

Уменьшите напряжение источника питания (по часовой стрелке до нуля вольт). Подключите источник питания к резистору 700 Ом на печатной плате. (Не перенастраивайте и не изменяйте текущую настройку.)

Установите источник питания на 1 вольт и запишите ток через резистор (подключив мультиметр последовательно в цепь для измерения тока).Повторите то же самое с источником питания, установленным на 2, 3, 4 и 5 вольт.

Используя Excel, нанесите ваши текущие точки данных по вертикали и разность напряжений по горизонтали на страницу рабочего листа Excel. Используйте Excel, чтобы найти наклон и интервал y , наиболее подходящий для ваших данных.

Если вы получите ожидаемые результаты, данные будут почти лежать на прямой линии, проходящей через начало координат:

I = ΔV / R.

Обратная величина наклона называется электрическим сопротивлением R .Сопротивление — это количественная мера нагрузки, так что при заданной разнице напряжений — чем больше сопротивление, тем меньше ток. Из обратного наклона ваших данных оцените R для вашего резистора 700 Ом.

Можете ли вы сделать вывод из ваших данных, что резистор является линейным устройством? Объяснять.

Лампочки (нелинейное устройство)

Посмотрите на внешние металлические соединения лампочки. Есть два соединения: участок резьбового участка и наконечник.Они внутренне связаны с нитью, что вы можете видеть. (Номинальные параметры лампочки обычно указываются где-то на самой лампочке. Если вы можете их найти, запишите их.) Нарисуйте схему лампы и нарисуйте схему (используя символ батареи), которую можно использовать для зажигания лампочка. Что нужно, чтобы зажечь лампочку?

Контрольно-пропускной пункт:
Пусть ваш технический специалист проверит вашу диаграмму.

Прежде чем продолжить, убедитесь, что источник питания все еще настроен на выходное напряжение 5 В.

Осторожно:
Это важно для предотвращения перегорания нити накала лампы.

Присоедините бананово-банановые провода к каждому разъему основания розетки. Возьмите другой конец одного из банановых выводов и подсоедините его к положительной клемме источника питания. (Оставьте другой провод в покое.) Запишите, загорается ли лампочка. Запишите напряжение (и ток, если отображается) со счетчика источника питания.

Возьмите другой конец второго бананового штекера и также подсоедините его к положительной клемме источника питания. Запишите, горит ли лампочка. Запишите напряжение и ток, если таковые имеются, со счетчика источника питания.

Подключите лампочку к источнику питания. Запишите, загорается ли лампочка. Запишите напряжение и ток, отображаемые на измерителе источника питания. (Изменилось ли это теперь, когда лампочка загорелась? Если она не загорелась, обратитесь за помощью к инструктору лаборатории.) Если лампочка горит, мы говорим, что цепь замкнута.

Снимите провода банановой вилки с основания розетки и поменяйте их местами. Запишите напряжение и ток. Что случилось с лампочкой? Напряжение и ток отличаются от указанных в части 5?

Теперь проведем более количественное исследование свойств лампочки. УСТАНОВИТЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ НА НУЛЬ, но не выключайте питание. Не изменяйте текущую настройку ( CC Set ).Мы будем использовать мультиметр для измерения постоянного тока через лампочку в зависимости от приложенного напряжения. Для этого мы должны подключить мультиметр к лампочке, чтобы одинаковый ток проходил через оба. Это ваше первое измерение тока: поскольку при текущих настройках легко перегореть предохранитель, внимательно следуйте инструкциям.

Подключите схему, как показано на схеме на рисунке 5. Убедитесь, что подробная схема соответствует менее подробной.Установите мультиметр на шкалу постоянного тока с максимальным показанием. Это будет диапазон 20 А. Не забудьте подключить выводы к соответствующим розеткам.

Контрольная точка:
Не повышайте напряжение на блоке питания, пока ТА не проверит вашу цепь.

После того, как ваш ТА даст добро, переключите напряжение питания на 2 вольта. Запишите, горит ли лампочка.(Если это не так, обратитесь за помощью к своему инструктору по лаборатории.) Запишите показания напряжения на измерителе источника питания и текущее показание на мультиметре.

Включая вышеуказанные измерения для 2 вольт, измерьте ток и укажите относительную яркость для 2, 4, 6, 8, 10 и 12 В.

Осторожно:
Не превышайте 12 вольт.

В табличной форме на новом листе в Excel запишите показания напряжения на измерителе источника питания, текущие показания на мультиметре и то, что происходит с силой света лампочки для значений, указанных выше.

Используя рабочий лист Excel из шага 3 раздела «Резистор», постройте текущие точки данных по вертикали, а разницу напряжений по горизонтали. Этот выбор осей сделан потому, что разность напряжений является независимой переменной; это вызывает ток. Не забываем промаркировать оси. Если вы получите ожидаемые результаты, данные не будут лежать на прямой линии: реакция (ток), вызванная разностью напряжений, не будет линейной. Это связано с тем, что в лампочке нагревается вольфрамовая нить.Найдите ссылку (учебник, веб-сайт и т. Д.) О вольфрамовой нити и ознакомьтесь с объяснением ее свойств.

Измерьте ток при ненулевом напряжении по вашему выбору, которое настолько низкое, что лампочка не загорается. Сила тока не должна быть нулевой. То, что лампочка не горит, не означает, что что-то не происходит; сила лампы накаливания не является точным способом изучения электричества. Этот ток можно считать с помощью измерителя источника питания.

Сопротивление различных материалов

Выключите источник питания и отсоедините все провода от оборудования и компонентов.

Теперь мы используем мультиметр для измерения сопротивления резистора 700 Ом. Внутри мультиметра есть небольшая батарея и цепь, обеспечивающая небольшую часть этого напряжения. Когда шкала и входные разъемы выбраны для измерения сопротивления, мультиметр подает небольшое количество напряжения батареи на исследуемый объект и измеряет ток через объект. Затем, используя

I = ΔV / R

, мультиметр преобразует ток в сопротивление, которое отображается.

Установите шкалу мультиметра на диапазон сопротивления 200 кОм.

Подключите два вывода мультиметра к резистору 700 Ом. Настройте шкалу мультиметра на диапазон сопротивления, отображающий наиболее значимые цифры. Запишите показания мультиметра. Сравните это показание с результатом, определенным обратным наклоном вашего графика, и с номинальным значением 700 Ом.

Мультиметр в «режиме измерения сопротивления» теперь будет использоваться для измерения сопротивления нескольких различных объектов.Запишите эти сопротивления в таблицу, как требуется. Составьте таблицу, в которой перечислены материалы и их сопротивления в порядке увеличения сопротивления.

а
Лампочка
б
Голая серебристая нихромовая проволока
с
Узкая (1 / 16-1 / 8 дюйма) линия графита (от двух до трех дюймов в длину), которую вы рисуете карандашом на листе бумаги (вам нужно нанести изрядное количество графита, чтобы получить приличные измерения.) Определите, как изменяется сопротивление при уменьшении вдвое расстояния между выводами мультиметра. (Не старайтесь быть очень точным.) Определите, как изменяется сопротивление при увеличении толщины линии (вы можете думать об этом как о расширении линии в направлении, перпендикулярном длине линии на бумаге).
д
Ваше тело. Держите провода мультиметра пальцами, когда они высохнут. Повторите, смочив пальцы.
e
Лист бумаги: используйте шкалу максимального сопротивления.Смочите бумагу и измерьте сопротивление во влажной области.
f
Воздух: используйте шкалу максимального сопротивления. Держите провода на расстоянии примерно 1 мм друг от друга. Запишите, если сопротивление слишком велико или слишком мало для измерения.
г
Изолированный медный провод: запишите, слишком ли высокое или слишком низкое сопротивление для измерения.
ч
Резистор на 150 Ом

Резисторы серии

Подключите резисторы 150 Ом и 700 Ом, как показано на рисунке 6 (, они не должны быть подключены ни к чему другому! ).Они называются последовательными, потому что ток должен сначала пройти через один, а затем через другой. Ток встречает сопротивление каждого резистора, поэтому сопротивление сети должно увеличиваться, а ток — уменьшаться.

Измерьте и запишите сопротивление этой комбинации с помощью мультиметра в положении Ом.

Убедитесь, что напряжение источника питания установлено на ноль. Подключите источник питания к комбинации последовательных резисторов, как показано на рисунке 7.Установите блок питания на 5 вольт. С помощью мультиметра измерьте и запишите разность напряжений Δ В ₇₀₀ и Δ В ₁₅₀ на каждом резисторе, а также разность напряжений Δ В на комбинации.

Теперь установите напряжение блока питания на ноль. Отключите мультиметр от цепи.

ΔV = ΔV ₇₀₀ + ΔV ₁₅₀ или ΔV = ΔV ₇₀₀ = ΔV ₁₅₀

лучше представляют ваши данные?

Установив напряжение источника питания на ноль, подключите мультиметр последовательно с резисторами, как показано на рисунке 8.Теперь вы будете измерять ток между различными соединениями. Обязательно установите мультиметр на диапазон постоянного тока 200 мА и подключите провода мультиметра к правильным гнездам.

Контрольная точка:
Перед тем, как продолжить, попросите вашего ТА проверить правильность настройки: предохранитель может перегореть, если счетчик не подключен к нужным точкам в цепи.

Получив добро от ТА, включите источник питания и установите его на 5 вольт.Измерьте ток в проводе между двумя резисторами, проводе между резистором 700 Ом и источником питания и проводе между резистором 150 Ом и источником питания. Убедитесь, что эти три тока равны.

Измерьте и запишите ток, протекающий через два резистора. В таблице 4 запишите текущее показание мультиметра. Повторите эти действия для напряжений источника питания 2, 4, 6, 8, 10 и 12 вольт.

Когда вы закончите эти измерения, установите напряжение источника питания на ноль.Теперь используйте Excel для построения графика данных с током по вертикальной оси и напряжением по горизонтальной оси. Используйте Excel, чтобы найти наклон прямой, который лучше всего соответствует вашим данным, и запишите результат, включая единицы измерения.

Используйте закон Ома и наклон графика, чтобы вычислить эквивалентное сопротивление, R _с, двух последовательно соединенных резисторов в единицах Ом (Ом). Запишите свой результат.

Как это соотносится со значением двух резисторов, используемых в этой последовательной схеме?

Параллельные резисторы

Отключите питание от цепи сопротивления.Подключите два резистора (используя провода типа «банан-банан»), как показано на схеме на Рисунке 9. Резисторы считаются подключенными параллельно, потому что они обеспечивают параллельные пути для прохождения тока. При заданном напряжении от источника питания чистый ток должен возрасти, а значит, нагрузка (сопротивление) должна снизиться.

Измерьте и запишите сопротивление резисторов 150 и 700 Ом, подключенных параллельно мультиметру в положении Ом.

Установив напряжение источника питания на ноль, подключите его к комбинации параллельных резисторов, как показано на рисунке 10.Отрегулируйте блок питания на 5 вольт. Установите мультиметр на измерение не менее 5 вольт и используйте его для измерения разности напряжений Δ В на комбинации и на каждом резисторе. Запишите значения. Есть ли разница между Δ V , Δ V ₇₀₀ и Δ V ₁₅₀?

ΔV = ΔV ₇₀₀ + ΔV ₁₅₀ или ΔV = ΔV ₇₀₀ = ΔV ₁₅₀

лучше представляют ваши данные?

Выключите источник питания и подключите мультиметр для измерения тока, как показано на рисунке 11.Обязательно установите диапазон на измерителе на 20 А. При необходимости его можно будет изменить позже. Используйте соответствующие гнезда на измерителе.

Контрольная точка:
Попросите инструктора лаборатории проверить правильность настройки: предохранитель может перегореть, если измеритель не подключен к нужным точкам в цепи.

После того, как ваш ТА даст добро, включите источник питания и установите на 5 вольт .

С помощью мультиметра измерьте и запишите токи I ₁₅₀ и I ₇₀₀, протекающие через каждый резистор, и общий ток, I , протекающий через источник питания.

Когда вы закончите эти измерения, установите напряжение источника питания на ноль и отключите мультиметр от цепи.

I = I ₁₅₀ + I ₇₀₀ или I = I ₁₅₀ = I ₇₀₀

лучше представляют ваши данные?

Продолжите параллельную сеть резисторов.Когда напряжение источника питания установлено на ноль, подключите мультиметр для измерения полного тока, I , протекающего через источник питания. Установите мультиметр на диапазон постоянного тока 200 мА.

Контрольная точка:
Перед тем, как продолжить, попросите инструктора лаборатории проверить правильность настройки: предохранитель может перегореть, если измеритель не подключен к нужным точкам в цепи.

Получив добро от ТА, включите источник питания и установите его на 2 вольта.

В таблице 5 запишите текущее показание мультиметра. Повторите эти действия для напряжений источника питания 4, 6, 8, 10 и 12 вольт.

Используйте Excel для построения графика данных с током по вертикальной оси и напряжением по горизонтальной оси. Используйте Excel, чтобы найти наклон прямой, который лучше всего соответствует вашим данным, и запишите результат, включая единицы измерения.

Используйте закон Ома и наклон графика, чтобы рассчитать эквивалентное сопротивление R _p двух параллельно включенных резисторов в единицах Ом (Ом).Запишите свой результат.

Как это соотносится с результатом, описанным во введении к лабораторной работе, для параллельного добавления двух резисторов?

Каков общий электрический заряд Вселенной?

Категория: Космос Опубликовано: 11 января 2016 г.

Public Domain Image, источник: Кристофер С.Бэрд.

Невозможно окончательно измерить общий электрический заряд Вселенной, поскольку Вселенная бесконечна. Однако законы физики, экстраполяция локальных измерений и простые рассуждения, кажется, все говорят нам, что общий электрический заряд Вселенной в точности равен нулю. Другими словами, положительного электрического заряда во Вселенной ровно столько, сколько отрицательного электрического заряда. Теоретической причиной такого вывода является Закон сохранения заряда.Из-за определенной симметрии в структуре Вселенной полный электрический заряд изолированной системы всегда сохраняется. Это означает, что общий заряд изолированной системы одинаков во все моменты времени. Закон сохранения заряда — фундаментальный, строгий, универсальный закон. В тысячах и миллионах различных экспериментов этот закон никогда не нарушался, ни разу. Более того, этот закон — единственный логический способ объяснить окружающий мир. Короче говоря, этот закон имеет смысл.

Закон сохранения заряда не означает, что электрический заряд не может быть создан или уничтожен. Это просто означает, что каждый раз, когда создается некоторый отрицательный электрический заряд, одновременно должно создаваться равное количество положительного электрического заряда, чтобы общий заряд системы не изменился. Например, в хорошо понятном феномене образования пар гамма-луч (высокоэнергетическая форма света) превращается в частицу обычной материи и частицу антивещества, которая является аналогом обычной частицы материи.Поскольку частица антивещества всегда имеет электрический заряд, противоположный ее обычной материи, общий заряд двух частиц равен нулю. Следовательно, образование пар не изменяет общий электрический заряд системы и, таким образом, разрешено Законом сохранения заряда. Как более конкретный пример этого, гамма-луч может превращаться в электрон и антиэлектрон (то есть позитрон). Электрон имеет электрический заряд -1, а позитрон имеет заряд электрона +1. Полный заряд, добавленный к системе в результате создания электрона и позитрона, составляет: + 1-1 = 0.Дело в том, что Закон сохранения заряда налагает на нас тот факт, что каждый раз, когда электрон создается из гамма-луча, должен также создаваться позитрон. Таким образом, электрический заряд может создаваться и разрушаться, в то время как общий заряд системы может оставаться постоянным. Образование пар обычно наблюдается в лаборатории и при измерениях атмосферных ливней космических лучей.

Итак, какое отношение сохранение заряда имеет к общему заряду Вселенной? Согласно современной науке, Вселенная возникла из ничего, что ученые называют Большим взрывом.Поскольку Вселенная начиналась как ничто, она началась с нулевого электрического заряда. Следовательно, Закон сохранения заряда гласит, что у Вселенной по-прежнему должен быть нулевой общий электрический заряд.

Это имеет смысл с точки зрения наблюдений. Электромагнитная сила имеет такой же большой диапазон, как сила тяжести, и намного сильнее гравитации. Причина того, что электромагнитная сила не играет большой роли в астрономическом масштабе, заключается в том, что звезды и планеты имеют нулевой общий электрический заряд.Если бы Земля и Солнце имели большой положительный электрический заряд, то электромагнитное отталкивание между ними было бы намного сильнее, чем гравитационное притяжение между ними. В таком случае Земля не будет вращаться вокруг Солнца, а будет выброшена за пределы Солнечной системы. Тот факт, что луны образуют стабильные орбиты вокруг планет, планеты образуют стабильные орбиты вокруг звезд, а звезды образуют стабильные орбиты вокруг галактических центров, является прямым наблюдательным свидетельством того, что все луны, планеты и звезды имеют нулевой общий электрический заряд.

Каким прибором можно измерять электрический заряд?

Измерение электрического заряда | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Как называется количественная мера электрического заряда?

Какие приборы применяют для непосредственного измерения электрического заряда?

Для чего металлический корпус электрометра соединяют с зем­лей?

ЭЛЕКТРОМЕТР — это… Что такое ЭЛЕКТРОМЕТР?

Физика 8 класс. Два рода электрических зарядов. Взаимодействие заряженных тел. Электроскоп :: Класс!ная физика

Устали? — Отдыхаем!

Тест по физике Электрические заряды и электрический ток 8 класс

1 вариант

2 вариант

Сила тока. Измерение силы тока

Единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц 5 букв

Ответы на сканворды и кроссворды

Похожие вопросы в сканвордах

Похожие ответы в сканвордах

Электрический заряд (Q)

Что такое электрический заряд?

Положительный заряд (+)

Отрицательный заряд (-)

Направление электрической силы (F) в зависимости от типа заряда

Заряд элементарных частиц

Кулон

Электрический заряд расчет

Постоянный ток

Кратковременный ток

См. Также

Метод электрической подвески для измерения электрического заряда небольших капель силиконового масла, диспергированных в водных растворах

В этом месяце в истории физики

Июнь 1785: Кулон измеряет электрическую силу

Измерение электрического заряда и молекулярного покрытия на поверхности электрода с помощью переходного индуцированного молекулярно-электронного сигнала (TIMES)

Принципы работы устройства и стратегия тестирования

Измерение поверхностной плотности заряда для буфера 1X PBS с использованием буфера с нулевым поверхностным зарядом в качестве эталона

Влияние ионной силы и значения pH на плотность поверхностного заряда

Плотность поверхностного заряда для различных типов буфера

Эффекты модификации поверхности и покрытия поверхности иммобилизованными молекулами

Электричество и аналогия с водопадом

Введение

Аналогия с водопадом

Закон Ома

Электрические измерения

Введение

Масса и электрический заряд, массовый расход и электрический ток

Резервуары и конденсаторы, давление и напряжение, насосы и источники питания

Трубы и провода, сопротивления, цепи

Ток, напряжение и сопротивление

и параллельные схемы

Амперметр и вольтметры

Аппарат

Процедура

Измерение напряжения

Резисторы (линейное (омическое) устройство)

Лампочки (нелинейное устройство)

Сопротивление различных материалов

Резисторы серии

Параллельные резисторы

Каков общий электрический заряд Вселенной?

Добавить комментарий Отменить ответ

Для чего металлический корпус электрометра соединяют с землей?