elektŘina, magnetismus, ekustika
DESCRIPTION
ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA. Teze přednášky. Elektrické vlastnosti látek. vodiče 1. druhu (kovy atd.) 2. druhu (roztoky) polovodiče 1. vlastní 2. nevlastní nevodiče izolanty. Vodivost roztoků. je závislá na: koncentraci iontů teplotě - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/1.jpg)
ELEKTŘINA, MAGNETISMUS,EKUSTIKA
Teze přednášky
![Page 2: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/2.jpg)
Elektrické vlastnosti látek
• vodiče 1. druhu (kovy atd.)
2. druhu (roztoky)
• polovodiče 1. vlastní
2. nevlastní
• nevodiče izolanty
![Page 3: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/3.jpg)
Vodivost roztoků
• je závislá na:1. koncentraci iontů2. teplotě3. pohyblivosti iontů - velikost iontu - náboj - druh iontu
![Page 4: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/4.jpg)
Elektrochemie
• Faradayovy zákony elektrolýzy M M m = ------- Q = --------- I t z F z Fz násobek elementárního náboje iontu (mocenství)M molekulová hmotnostQ velikost náboje I proud t časF Faradayova konstanta
• Hmotnosti různých prvků vyloučených týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní.
![Page 5: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/5.jpg)
Galvanický článek
• přebytek elektronů vede k vylučování kovu na elektrodě
• nedostatek elektronů vede k rozpouštění kovu do roztoku
• elektrická práce W = Q . E • pro 1 mol W = z . F . E• chemická práce Wmax = - ΔGQ náboj G Gibbsova energie E potenciál
![Page 6: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/6.jpg)
Rovnovážný potenciál ER
R T ai(e)
ER = E(e) – E(i) = ------- ln ----------
zi F ai(i)
R T ln ai = zi F E
chemická práce = elektrické práci
![Page 7: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/7.jpg)
MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL
• velikost membránového potenciálu závisí na poměru koncentrací iontů na obou stranách membrány
• je-li membrána permeabilní pro daný iont, pak elektrochemický potenciál i-tého iontu:
μi = μio + R T ln ai + zi F E
μio potenciál daného iontu za standardních podmínek
F - Faradayova konstantaT - absolutní teplota R - univerzální plynová konstanta z - mocentství E - membránový potenciál
a aktivita
a = γ c γ aktivitní koeficient c → 0 γ → 1
![Page 8: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/8.jpg)
Potenciometrie1. elektrody pro měření pH a) vodíková – platina potažená platinovou černí a
sycená vodíkem R T H+
E(i) = E0 + ------- ln ---------- z F pH
pH parciální tlak vodíku
b) skleněná elektroda c) chinhydrinová elektroda pro pH < 8,5
![Page 9: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/9.jpg)
Potenciometrie2. elektrody pro stanovení oxidačně-redukčního
potenciálu (platinová)
R T aox
E = E0 + ------- ln ----------
zi F ared
3. iontově selektivní elektrod4. Referentní elektrody mají standardní potenciál a nesmí být
polarizovatelné
![Page 10: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/10.jpg)
Elektrické jevy na buněčné membráně
• Orientovaná dvojvrsta lipidů (fosfolipidy, glykolipidy, cholesterol) a integrovaných proteinů
• Hydrofilní skupiny vně, hydrofobní dovnitř, což vyhovuje termodynamické rovnováze
• Periferní proteiny určují vlastnosti membrán
• Vodivost je závislá na fyziologické aktivitě
• Permitivita (dielektrické vlastnosi)
je stálá εr ~ 10
![Page 11: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/11.jpg)
TYPY TRANSPORTU
transport
PASIVNÍnevyžaduje energii
AKTIVNÍvyžaduje energii
difuze osmóza
![Page 12: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/12.jpg)
Mechanismy transportu• Difuze nespecifická (prostá)
• Difuze selektivní (usnadněná) – specifické nosiče, iontové kanály
Difuze je závislá na:
1. velikosti elektrochemického gradientu
2. permeabiltě membrány pro daný iont
• Pinocytoza – strukturální změny
![Page 13: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/13.jpg)
TRANSPORT – DLE POČTU PŘENÁŠENÝCH ČÁSTIC
transport přesmembránu
jednoduchý kotransport
symport antiport
![Page 14: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/14.jpg)
SYMPORT po gradientu
• glukoza + sodík• proximální tubulus ledvin =
reabsorpce• enterocyty = resorpce ze střeva
![Page 15: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/15.jpg)
MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL• rozdíl elektrického potenciálu mezi 2 stranami rozdíl elektrického potenciálu mezi 2 stranami
buněčné membránybuněčné membrány• - z fyzikálního hlediska = elektrické napětí na - z fyzikálního hlediska = elektrické napětí na
polarizované semipermeabilní membráněpolarizované semipermeabilní membráně
- vzniká jako důsledek působení elektrochemického - vzniká jako důsledek působení elektrochemického gradientu malých iontů a protonů:gradientu malých iontů a protonů:
semipermeabilní buněčnou membránou ionty či molekuly procházejí volně jen výjimečně, jedná se o molekuly:
- rozpustné v tucích (PCB, glycerol, nekonjugovaný bilirubin)
- slabě polarizované (voda, močovina, oxid uhličitý)
• velké a nabité částice procházejí jen speciálními kanály či za využití specifických přenašečů
![Page 16: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/16.jpg)
Gibbsova-Donnanova rovnice membránové rovnováhy
• Pro i(tý) ion intracelulárně (i) a extracelulárně (e) za rovnováhy dojde k vyrovnání elektrochemických potenciálů:
μio(i) + R T ln ai(i) + zi F E(i) =
= μio(e) + R T ln ai(e) + zi F E(e)
![Page 17: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/17.jpg)
ELEKTRONEUTRALITApermeabilních iontů
[K+]e [Cl-]i
--------- = ---------
[K+]i [Cl-]e
[K+]e . [Cl-]e = [K+]i . [Cl-]i
![Page 18: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/18.jpg)
ROVNOVÁŽNÝ POTENCIÁL
• - bereme-li v úvahu jen 1 iont, pak pro rovnovážný stav platí NERNSTOVA ROVNICE upravená pro výpočty:
R T ce
E = 2,303 ----------- log -------
z F ci
•E - membránový potenciálR – molární (univerzální) plynová konstantaF - Faradayova konstantaT - absolutní teplotaz - mocentství (K+ = 1) ci - intracelulární koncentracece - extracelulární koncentrace
![Page 19: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/19.jpg)
Svalová buňka savců(koncentrace z následující tabulky)
• ER(K+) = - 0,0975 V
• ER(Na+) = + 0,0667 V
• - znamená, že strana membrány uvnitř
buňky je zápornější
• + opak
![Page 20: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/20.jpg)
Na rovnováze se podílí všechny ionty
TYPICKÁ INTRA- A EXTRA-CELULÁRNÍ KONCENTRACE IONTŮ
INTRACELULÁRNĚ [mmol/l] EXTRACELULÁRNĚ [mmol/l]
Na+ 12 Na+ 145
K+ 155 K+ 4
Ca2+ 10-8 – 10-7 Ca2+ 120
Cl- 4 Cl- 145
HCO3- 8 HCO3
- 27
proteiny (A-) 155 proteiny (A-) 0
VÝSLEDNÝ NÁBOJ VÝSLEDNÝ NÁBOJ
- +
![Page 21: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/21.jpg)
Goldmanova rovnice membránového potenciálu:
R T pK+[K+](e) + pNa+[Na+](e) + pCl-[Cl-](e)
Em= ------- ln -----------------------------------------------------------
z F pK+[K+](i) + pNa+[Na+](i) + pCl-[Cl-](i)
lze tak vypočítat klidové i akční potenciály
![Page 22: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/22.jpg)
Klidový membránový potenciál různých buněk [mV]• erytrocyt -10• hladký sval -40 až -60• příčně pruhovaný sval -70 až -80• nervová buňka -70 až -90• srdeční sval -100• nádorové buňky -10 až -40
Čím vyšší je absolutní hodnota klidového membránového potenciálu buňky - tím je buňka dráždivější!
![Page 23: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/23.jpg)
Sodnodraselná pumpa
• aktivní transport (kotransport – antiport) za dodání energie z ATP
• Enzym - Na+K+ATPasa integrovaná do buněčné membrány
• komplex Na-Enzym po dodání energie ~ P vede ke změně konfigurace, což má za následek změnu vazebného místa. Tím se uvolní Na+ a naváže se K+ .
• Následující hydrolýzou se celý komplex rozloží.
![Page 24: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/24.jpg)
Sodnodraselná pumpa
1. intracelulární strana membrány Na+
(i) + ENZ + ATP → Na+-ENZ~P + ADP
2. extracelulární strana membrány Na+-ENZ~P + K+
(e) → Na+(e) + K+-ENZ-P
3. intracelulární strana – hydrolýza komplexu K+-ENZ-P → K+
(i) + ENZ + P
![Page 25: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/25.jpg)
Vápníková pumpa
• Ca2+ATPasa zabudovaná do membrány sarkoplazmatického retikula udržuje v okolí svalových vláken nízkou koncentraci Ca2+
![Page 26: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/26.jpg)
Úkoly aktivního transportu
• extrakce živin z extracelulárního prostředí a jejich zakoncentrování intracelulárně
• regulace a udržování metabolicky ustáleného stavu (vyrovnání fluktuací okolí)
• vysoká intracelulární koncentrace elektrolytů nutná pro proteosyntézu na ribosomech
• regulace objemu a stabilita pH buňky• gradient Na+ a K+ u klidového membránového
potenciálu nutný pro následné vedení vzruchů.
![Page 27: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/27.jpg)
Přenos potenciálu vodičem
• závislost na vzdálenosti x
Ex = Eo . e-x / λ
x vzdálenost λ přenosová konstanta
Eo potenciál v místě 0
Ex potenciál v místě x
![Page 28: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/28.jpg)
MAGNETISMUS
Kolem vodiče, kterým protéká elektrický proud se vytváří magnetické pole, které působí silově na každý náboj pohybující se vůči tomuto poli (vodiči).
![Page 29: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/29.jpg)
Každý elektron vytváří magnetické pole svým pohybem vůči jádru atomu.• Magnetický moment obalu: 1. spinový 2. dipólový ∑μe = ∑ (l . μB)e
l orbitalové kvantové číslo elektronu
μB Bohrův magneton
![Page 30: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/30.jpg)
Látky
• diamagnetické – kompenzovaný mag. moment obalu ∑μe = 0
Působením D. L. magnetické momenty působí proti směru siločar původního pole
• paramagnetické - kompenzovaný mag. moment obalu ∑μe = 0
Působením P. L. magnetické momenty působí po směru siločar původního pole
• feromagnetické – nekompenzovaný mag. momenent elektron. obalu. Trvalé magnety.
![Page 31: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/31.jpg)
Magnetické pole je definováno:
• Intenzita H [ A m-1 ]
• Magnetická indukce B [ T ]
• Magnetický indukční tok Φ [ Wb ]
• Elektromagnetické vlnění představuje šíření proměnného elektromagnetického pole prostorem, které je provázeno transportem energie.
![Page 32: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/32.jpg)
Působení elektromagnetických polí• polarizace
• elektroforéza
• elektromagnetická indukce
• živý org. obsahuje dipóly, ionty a elektricky vodivé dráhy – interakce zasahují všechny úrovně od atomů až po celý organizmus
• U velmi nízkých intenzit nemusí být zevně patrný biologický efekt.
![Page 33: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/33.jpg)
Polarizace tkáně• Ve tkáních jsou náboje často vázány na makromolekuly,
které mají omezenou pohyblivost. Makromolekuly se chovají jako různě orientované elektrické dipóly jejichž dipólové momenty se vzájemně ruší.
• Působením zevního elektrického pole se dipóly orientují podle elektrického pole - dochází k jejich polarizaci. Vzniká vnitřní elektrické pole opačné polarity, a tím dochází ke snížení intenzity zevního elektromagnetického pole. Natáčením polárních molekul vzniká posuvný proud. Mírou schopnosti látky vytvářet posuvný proud je permitivita e.
![Page 34: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/34.jpg)
ZÁKLADNÍ INTERAKCE
• geomagnetické pole Země indukce 10-5 T• jeho změny 10-9 T• magnetické pole svalů indukce 10-11 T• mozku 10-12 – 10-13 T• na základní interakci je organizmus adaptován• vnímavost vůči porušení geomagnetického pole Země
nebo vůči bouřím na Slunci• využití geomagnetického pole – tah ptáků
![Page 35: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/35.jpg)
Nukleární magnetická rezonance
• Selektivní absorpce energie vysokofrekvenčního magnetického pole atomovými jádry prvků lichých protonových čísel umístěných v stálém homogenním magnetickém poli.
![Page 36: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/36.jpg)
Nukleární magnetická rezonance
• magnetický moment jádra μ
μ = γ . S
γ gyromagnetický moment
S moment hybnosti
• prvky lichých protonový čísel
μ = ± 1/2.
![Page 37: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/37.jpg)
Nukleární magnetická rezonance• precesní pohyb
• gyromagnetický moment
• Larmorova frekvence precese
• transverzální relaxace
• longitudinální relaxace
• relaxační doby jsou charakteristické pro jednotlivé protony atomů – chemické složení
![Page 38: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/38.jpg)
Magnetická rezonanční tomografie
• MRI, neinvazivní vrcholová zobrazovací technika
• rozlišovací schopnost 0,2 – 0,4 mm
• tomo – zobrazovat na řezu
• stálé pole 2 – 4 T, otevřené 0,35 T
• vysokofrekvenční cívky vytváří pulzní pole i přijímají rezonanční signály
![Page 39: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/39.jpg)
AKUSTIKA
![Page 40: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/40.jpg)
ZVUK
• mechanické vlnění
• šíření
v tekutinách podélně
v pevných látkách podélně i příčně
ve vakuu se nešíří
![Page 41: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/41.jpg)
Vnímání zvuku
• závislost na frekvenci
• člověk 16 – 20 000 Hz
• infrazvuk
• ultrazvuk
![Page 42: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/42.jpg)
Intenzita zvuku
• energie působící na jednotkovou plochu orientovanou kolmo na směr šíření vlny za jednotku času
[ W m-2]
Lidské ucho při frekvenci 1 kHz vnímá prahovou intenzitu
I0 = 10-12 W m-2
![Page 43: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/43.jpg)
Hladina intenzity zvuku IL = log -------- [ B ] I0
IL = 10 log -------- [ dB ] I0
Práh bolesti 130 dB nezávisí na frekvenci
![Page 44: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/44.jpg)
Jednotky hlasitosti
• Změna počitku je přímo úměrná změně podnětu
• frekvenční závislost !
• referenční tón 1 kHz
• fon [Ph] číselně se kryje s dB
• son číselně se kryje s 40 dB
![Page 45: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/45.jpg)
Ultrazvuk
• nad 20 kHz
• generátory
• magnetostrikční
• piezoelektrický
![Page 46: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/46.jpg)
Ultrazvuk - účinky
• mechanické• fyzikálně – chemické disperzní x koagulační• tepelné – asi 30 % energie se přemění na
teplo• zdroj volných radikálů• biologické – změny na membránách,
analgetické a spasmolytické
![Page 47: ELEKTŘINA, MAGNETISMUS, EKUSTIKA](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062221/568143d2550346895db05ee3/html5/thumbnails/47.jpg)
Využití ultrazvuku
• myčky skla
• příprava suspenzí
• defektoskopie
• sonografie
• terapeutické
• litotripsie