Физика Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Материалы к уроку

Конспект урока

Вспомним, как можно обнаружить магнитное поле, ведь оно невидимо и наши органы чувств его не воспринимают?  Магнитное поле можно обнаружить только по его действию на другие тела, например, на магнитную стрелку. Поле действует на стрелку с какой-то силой, заставляющей ее изменить первоначальную ориентацию. Магнитное поле создается при движении зарядов вдоль проводника в цепи или за счет одинаковой ориентации кольцевых токов в постоянных магнитах. Открытие Эрстеда, о взаимосвязи между электричеством и магнетизмом побудила ученых проводить различные опыты, с помощью которых были установлены новые закономерности.  Мы уже знаем, что вокруг проводника с током создается магнитное поле. А как будет вести себя проводник с током, если его поместить в другое магнитное поле? 
Проведем опыт.
Соберем установку, состоящую из подвижной рамки из меди, закрепленной на изолирующей штанге, источника тока, реостата и ключа. Включи цепь. Рамка останется неподвижной. Мы уже знаем, что вокруг проводника есть магнитное поле, но обнаружить мы его не можем. Разомкнем цепь.  Расположим дугообразный магнит вблизи рамки так, чтобы горизонтальная часть рамки располагалась между его полюсами (т.к. вблизи полюсов магнитное поле наиболее сильное). Вокруг дугового магнита так же есть магнитное поле, но пока в рамке не течет ток, обнаружить его мы так же не можем. Замкнем цепь. Рамка пришла в движение и отклонилась влево.  Некоторая сила, направленная в сторону магнита привела рамку в движение и отклонила ее на некоторый угол. Магнитное поле вокруг проводника создается электрическим током. Обнаружить магнитное поле можно по его действию электрический ток.  На рисунке отмечено направление движения тока в проводнике.

За направление тока выбрано движение от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу. Изменим направление тока, поменяв полярность. Замыкаем цепь и опять обнаруживаем магнитное поле по действию на рамку — она отклонилась на некоторый угол в противоположную от магнита сторону. Если в последнем опыте поменять расположение полюсов магнита на противоположное, рамка втянется в дуговой магнит. Направление силы, под действием которой проводник движется в конкретном направлении, можно определить по правилу левой руки.  Это мнемоническое правило, с помощью которого легко определить, куда будет направлена сила, обозначим ее на рисунке буквой F. Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили перпендикулярно в ладонь, четыре пальца показывали направление тока, тогда отставленный на 900 большой палец покажет направление действующей на проводник силы.  Запомните, что за направление тока выбрано движение от плюса к минусу. Так в проводящей среде движутся положительные заряды, создающие ток.  Значит, по правилу правой руки так же можно определить направление силы для положительно заряженной частицы. А когда мы хотим определить направление силы, действующей на отрицательную частицу, четыре пальца должны располагаться против движения отрицательно заряженной частицы.
Определите, как расположены полюса магнита, направление силы тока и силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. Воспользуемся правилом левой руки. Четыре пальца левой руки показывают направление тока. Проводник расположен перпендикулярно плоскости, а так как мы видим оперение стрелы (крест), следовательно, ток движется от нас. Направление силы, действующей со стороны магнитного поля, показывает отставленный на 900 большой палец. Ладонь левой руки смотрит вверх, следовательно, в нее будут входить линии магнитного поля, то есть северный полюс магнита должен располагаться сверху.      Если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линией магнитной индукции или параллельны ей, то сила действия магнитного поля или движущуюся заряженную частицу равна нулю.  

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитораОставить заявку на подбор

В чем проявляется действие магнитного поля на проводник с током?

Статьи › Магнит › Магнит создает вокруг себя Магнитное поле где будет проявляться действие этого поля наиболее сильно

При пропускании по проводнику и рамке электрического тока рамка поворачивается и располагается так, что оказывается в одной плоскости с проводником с током (рис. 141, б). Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, аналогичное действию на стрелку компаса.

1. В чем заключается действие магнитного поля на проводник с током?
2. Как можно обнаружить действие магнитного поля на проводник с током?
3. Какая сила действует на проводник с током в магнитном поле?
4. В каком случае магнитное поле не действует на проводник с током?
5. Какое действие оказывает ток на проводник с током?
6. Когда магнитное поле действует на проводник?
7. Что является источником магнитного поля в проводнике с током?
8. Какие опыты могут подтвердить существование магнитного поля вокруг проводника с током?
9. Как можно обнаружить магнитное действие тока?
10. Какие силы действуют на проводник?
11. Как называется сила с которой магнитное поле действует на помещённый В него проводник с током *?
12. Какие силы действуют со стороны магнитного поля?
13. В каком случае магнитное поле не возникает?
14. Каким простым способом можно обнаружить существование магнитного поля вокруг проводника с током?
15. Какая сила действует на проводник с током В магнитном поле как определить ее направление?
16. Какие основные свойства магнитного поля?
17. Какая сила действует в магнитном поле на прямой проводник с током и на проводник произвольной формы?
18. Как называется сила действующая на проводник находящийся в магнитном поле?

В чем заключается действие магнитного поля на проводник с током?

Следовательно, со стороны магнитного поля на помещенный в это поле проводник с током действует сила, направление которой зависит как от направления электрического тока в проводнике, так и от направления линий магнитного поля.

Как можно обнаружить действие магнитного поля на проводник с током?

Правило левой руки для проводника с током

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца указывали направление тока, то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера.

Какая сила действует на проводник с током в магнитном поле?

На проводник длиной L, по которому протекает ток с силой тока I, в магнитном поле индукцией В действует сила Ампера Fамп, значение которой определяется формулой: Fамп = I * B * L * sinα, где ∠α — угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции В.

В каком случае магнитное поле не действует на проводник с током?

Магнитное поле не окажет действие на проводник с током, если расположить проводник вдоль силовых линий магнитного поля. Это объясняется правилом левой руки.

Какое действие оказывает ток на проводник с током?

Направленное (упорядоченное) движение свободных заряженных частиц под действием электрического поля называется электрическим током. При прохождении тока через проводник он оказывает следующие действия: Тепловое (нагревание проводника током). Например: работа электрического чайника, утюга и т.

Когда магнитное поле действует на проводник?

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в нем. Если проводник, по которому протекает электрический ток подвесить в магнитном поле, например, между полюсами магнита, то магнитное поле будет действовать на проводник с некоторой силой и отклонять его.

Что является источником магнитного поля в проводнике с током?

Это означает, что вокруг проводника с током (т. е. движущихся зарядов) существует как электрическое, так и магнитное поле. Поэтому электрический ток считают источником магнитного поля.

Какие опыты могут подтвердить существование магнитного поля вокруг проводника с током?

Опыт Эрстеда — классический опыт, проведённый в 1820 году Эрстедом и являющийся первым экспериментальным доказательством воздействия электрического тока на магнит.

Как можно обнаружить магнитное действие тока?

Электрический ток создает магнитное поле, его можно обнаружить по действию на постоянный магнит. Для подтверждения мы можем проделать простой опыт: к проводнику по которому протекает электрический ток, поднести компас, стрелка компаса, отклонится от своего первоначального положения.

Какие силы действуют на проводник?

Силы, действующие на проводники в электрическом поле:

• Сила, действующая на точечный заряд
• Поверхностная плотность силы
• Результирующая сила

Как называется сила с которой магнитное поле действует на помещённый В него проводник с током *?

Искомая сила, с которой магнитное поле действует на проводник, является силой Ампера и может быть рассчитана по формуле: Fа = B * I * l * sinα.

Какие силы действуют со стороны магнитного поля?

Сила, с которой магнитное поле действует на заряженную частицу, называется силой Лоренца. Опыт показывает, что вектор F силы Лоренца находится следующим образом. Здесь q абсолютная величина заряда, v скорость заряда, B индукция магнитного поля, α угол между векторами v и B.

В каком случае магнитное поле не возникает?

Магнитное поле возникает тогда, когда электрон двигается равномерно прямолинейно, когда электрон движется равномерно по окружности и когда электрон движется равноускоренно прямолинейно. Не возникает же магнитное поле только тогда, когда электрон двигается по кругу.

Каким простым способом можно обнаружить существование магнитного поля вокруг проводника с током?

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются.

Какая сила действует на проводник с током В магнитном поле как определить ее направление?

В магнитном поле на проводник с током действует сила Ампера. Ее направление определяется по правилу «левой руки». Линии магнитной индукции должны «входить» в ладонь, четыре пальца указывают направление силы тока, текущего по проводнику, а большой палец должен показывать напрмавление силы Ампера.

Какие основные свойства магнитного поля?

Магнитное поле обладает следующими свойствами: Cиловые линии магнитного поля всегда замкнуты, никогда не пересекаются и проходят через любую среду, в том числе вакуум; Магнитные поля взаимодействуют друг с другом, поля одного направления — отталкиваются (одинаковые полюса отталкиваются), поля различных направлений –

Какая сила действует в магнитном поле на прямой проводник с током и на проводник произвольной формы?

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.

Как называется сила действующая на проводник находящийся в магнитном поле?

Эту силу, действующую на проводник с током, находящийся в магнитном поле, называют силой Ампера. Заметим, что эта сила направлена так, что проводники притягиваются, если ток по ним течёт в одну сторону, а если в противоположные стороны, то проводники отталкиваются.

Биоэлектричество | биология | Britannica

Ключевые люди:

Луиджи Гальвани Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон

Похожие темы:

гиперполяризация биоэлектрический ток биоэлектрический потенциал реполяризация деполяризация

См. весь связанный контент →

биоэлектричество , электрические потенциалы и токи, создаваемые живыми организмами или происходящие внутри них. Биоэлектрические потенциалы генерируются различными биологическими процессами и обычно имеют силу от одного до нескольких сотен милливольт. Однако у электрического угря генерируются токи в один ампер при напряжении от 600 до 1000 вольт. Далее следует краткое рассмотрение биоэлектричества. Для полного лечения см. электричество: Биоэлектрические эффекты.

Биоэлектрические эффекты были известны еще в древности по активности таких электрических рыб, как нильский сом и электрический угорь. Опыты Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта в 18 веке по связи между электричеством и сокращением мышц у лягушек и других животных имели важное значение в развитии наук физики и физиологии. В наше время измерение биоэлектрических потенциалов стало рутинной практикой в ​​клинической медицине. Например, электрические эффекты, происходящие в активных клетках сердца и мозга, обычно отслеживаются и анализируются в диагностических целях.

Викторина по Британике

Биология Бонанза

Биоэлектрические потенциалы идентичны потенциалам, создаваемым такими устройствами, как батареи или генераторы. Однако почти во всех случаях биоэлектрический ток состоит из потока ионов (

, т. е. электрически заряженных атомов или молекул), тогда как электрический ток, используемый для освещения, связи или питания, представляет собой движение электронов. Если два раствора с разной концентрацией иона разделены мембраной, которая блокирует поток ионов между ними, дисбаланс концентраций приводит к возникновению разности электрических потенциалов между растворами. В большинстве растворов ионы данного электрического заряда сопровождаются ионами противоположного заряда, так что сам раствор не имеет суммарного заряда. Если два раствора с различной концентрацией разделены мембраной, которая пропускает один тип ионов, но не пропускает другой, то концентрации ионов, которые могут пройти, будут иметь тенденцию к выравниванию за счет диффузии, создавая одинаковые и противоположные суммарные заряды в двух растворах.

В живых клетках два решения находятся внутри и вне клетки. Клеточная мембрана, отделяющая внутреннюю часть от внешней, полупроницаема, пропуская одни ионы и блокируя другие. В частности, мембраны нервных и мышечных клеток слабо проницаемы для положительных ионов калия, которые диффундируют наружу, оставляя в клетке суммарный отрицательный заряд.

Биоэлектрический потенциал клеточной мембраны обычно составляет около 50 милливольт; этот потенциал известен как потенциал покоя. Все клетки используют свои биоэлектрические потенциалы для поддержки или контроля метаболических процессов, но некоторые клетки специально используют биоэлектрические потенциалы и токи для определенных физиологических функций. Примеры такого использования можно найти в нервных и мышечных клетках. Информация переносится электрическими импульсами (называемыми потенциалами действия), проходящими по нервным волокнам. Подобные импульсы в мышечных клетках сопровождают мышечное сокращение. В нервных и мышечных клетках химическая или электрохимическая стимуляция приводит к временным изменениям проницаемости клеточных мембран, позволяя электрическому потенциалу между внутренней и внешней частью разряжаться в виде тока, который распространяется по нервным волокнам или активирует сократительный механизм мышечных волокон.

Транспорт ионов натрия участвует в производстве потенциалов действия. К другим клеткам, специализированные функции которых зависят от поддержания биоэлектрических потенциалов, относятся рецепторные клетки, чувствительные к свету, звуку и прикосновению, а также многие клетки, секретирующие гормоны или другие вещества.

Различные рыбы, как морские, так и пресноводные, имеют специальные органы, способные генерировать сильные электрические разряды, в то время как другие имеют ткани, способные ощущать слабые электрические поля в воде. У более чем 200 видов рыб биоэлектрический орган участвует в самообороне или охоте. Торпеда, или электрический скат, и электрический угорь имеют особенно мощные электрические органы, которые они, по-видимому, используют для обездвиживания или убийства добычи. Электрический угорь имеет три пары электрических органов; они составляют большую часть массы тела и около четырех пятых общей длины рыбы. Считается, что эта рыба способна генерировать достаточно мощный электрический разряд, чтобы оглушить человека. Электрические скаты имеют два больших дисковидных электрических органа, по одному с каждой стороны тела, которые вносят свой вклад в дискообразную форму тела.

Электрический сом Африки, ножевая рыба Латинской Америки и звездочеты, вероятно, используют свои биоэлектрические органы в качестве органов чувств при обнаружении других рыб.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Основным элементом биоэлектрического органа является уплощенная клетка, называемая электробляшкой. Большое количество электропластинок располагают последовательно и параллельно для наращивания напряжения и токопроизводящей способности электрического органа. Рыбы производят внезапный разряд электричества, синхронизируя нервные импульсы, которые активируют отдельные электробляшки, тем самым обеспечивая одновременное действие всего массива.

Потенциалы покоя и потенциалы действия (раздел 1, глава 1) Neuroscience Online: электронный учебник по нейронаукам | Кафедра нейробиологии и анатомии

Видео лекции

Несмотря на огромную сложность мозга, можно получить представление о его функциях, обратив внимание на две основные детали:

• Во-первых, способы, которыми отдельные нейроны, составляющие нервную систему, связаны друг с другом, чтобы генерировать поведение.
• Во-вторых, биофизические, биохимические и электрофизиологические свойства отдельных нейронов.
  

Лучше всего начать с компонентов нервной системы и того, как электрические свойства нейронов наделяют нервные клетки способностью обрабатывать и передавать информацию.

Видео лекции

1.1 Введение в потенциал действия

Рисунок 1. 1 Коснитесь цветных кругов (световой стимул) для активации.

Теории кодирования и передачи информации в нервной системе восходят к греческому врачу Галену (129-210 г. н.э.), который предложил гидравлический механизм, с помощью которого мышцы сокращаются из-за поступления в них жидкости из полых нервов. Эта базовая теория существовала веками и была развита Рене Декартом (1596–1650), который предположил, что духи животных вытекают из мозга через нервы, а затем в мышцы, чтобы производить движения (см. эту анимацию для современной интерпретации такой гидравлической теории нервных функция). Серьезный сдвиг парадигмы произошел с новаторской работой Луиджи Гальвани, который обнаружил в 179 г.4, что нерв и мышца могут быть активированы заряженными электродами, и предположил, что нервная система функционирует посредством передачи электрических сигналов (см. анимацию эксперимента Гальвани). Однако среди ученых возникли споры о том, находится ли электричество в нервах и мышцах или нервы и мышцы просто реагируют на вредный электрический удар через какой-то внутренний неэлектрический механизм. Проблема не была решена до 1930-х годов с разработкой современных электронных усилителей и записывающих устройств, позволяющих записывать электрические сигналы. Одним из примеров является новаторская работа Х.К. Hartline 80 лет назад по электрической сигнализации мечехвоста Limulus. Электроды располагали на поверхности зрительного нерва. (Помещая электроды на поверхность нерва, можно получить представление об изменениях мембранного потенциала, происходящих между внешней и внутренней частью нервной клетки.) Затем производились вспышки света различной интенсивности длительностью 1 с. предстал перед глазами; сначала тусклый свет, затем более яркий свет. Очень тусклый свет не вызывал изменений в активности, но более яркий свет вызывал небольшие повторяющиеся пикообразные события. Эти спайкоподобные события называются потенциалами действия, нервными импульсами или иногда просто спайками. Потенциалы действия — это основные события, которые нервные клетки используют для передачи информации из одного места в другое.

1.2 Особенности потенциалов действия

Записи на рисунке выше иллюстрируют три очень важные особенности нервных потенциалов действия. Сначала потенциал действия нерва имеет короткую продолжительность (около 1 мс). Второй , нервные потенциалы действия вызываются по принципу «все или ничего». Третий , нервные клетки кодируют интенсивность информации частотой потенциалов действия. При увеличении интенсивности раздражителя размер потенциала действия не увеличивается. Скорее увеличивается частота или количество потенциалов действия. Как правило, чем выше интенсивность раздражителя (будь то световой раздражитель фоторецептора, механический раздражитель кожи или растяжение мышечного рецептора), тем большее количество вызванных потенциалов действия. Точно так же для двигательной системы: чем больше потенциалов действия в мотонейроне, тем больше интенсивность сокращения мышцы, иннервируемой этим мотонейроном.

Потенциалы действия имеют большое значение для функционирования мозга, поскольку они передают информацию из нервной системы в центральную нервную систему и передают команды, инициированные в центральной нервной системе, на периферию. Следовательно, необходимо досконально разобраться в их свойствах. Чтобы ответить на вопросы о том, как инициируются и распространяются потенциалы действия, нам необходимо зарегистрировать потенциал между внутренней и внешней частью нервных клеток, используя методы внутриклеточной записи.

1.3 Внутриклеточные записи нейронов

Рисунок 1.2

Разность потенциалов на мембране нервной клетки можно измерить с помощью микроэлектрода , наконечник которого настолько мал (около микрона), что он может проникать в клетку, не вызывая каких-либо повреждений. Когда электрод находится в ванне (внеклеточной среде), потенциал не регистрируется, поскольку ванна изопотенциальна. Если микроэлектрод осторожно ввести в ячейку, происходит резкое изменение потенциала. Показание вольтметра мгновенно изменяется от 0 мВ до показания разности потенциалов -60 мВ внутри ячейки по отношению к внешней стороне. Потенциал, который регистрируется, когда живую клетку пронзают микроэлектродом, называется потенциалом покоя и варьируется от клетки к клетке. Здесь показано, что оно составляет -60 мВ, но может варьироваться от -80 мВ до -40 мВ, в зависимости от конкретного типа нервной клетки. В отсутствие какой-либо стимуляции потенциал покоя обычно постоянен.

Также можно записывать и изучать потенциал действия. На рис. 1.3 показан пример, в котором нейрон уже проколот одним микроэлектродом (записывающим электродом), который подключен к вольтметру. Электрод регистрирует потенциал покоя -60 мВ. В клетку также был проколот второй электрод, называемый стимулирующим электродом. Этот электрод подключен к батарее и устройству, которое может контролировать величину тока (I), протекающего через электрод. Изменения мембранного потенциала вызываются замыканием переключателя и систематическим изменением размера и полярности батареи. Если отрицательный полюс батареи соединить с внутренней частью ячейки, как показано на рис. 1.3А, через стимулирующий электрод будет протекать мгновенное изменение величины тока, и мембранный потенциал временно станет более отрицательным. Этот результат не должен вызывать удивления. Отрицательный полюс батареи делает внутреннюю часть ячейки более отрицательной, чем она была раньше. Изменение потенциала, увеличивающее поляризованное состояние мембраны, называется гиперполяризация . Клетка более поляризована, чем обычно. Используйте еще большую батарею, и потенциал станет еще больше. Результирующие гиперполяризации являются градуированными функциями величины стимулов, использованных для их создания.

Рисунок 1.3

Теперь рассмотрим случай, когда положительный полюс батареи соединен с электродом (рис. 1.3Б). Когда положительный полюс батареи соединен с электродом, потенциал ячейки становится более положительным, когда переключатель замкнут (рис. 1.3В). Такие потенциалы называются деполяризации . Поляризованное состояние мембраны снижается. Батареи большего размера вызывают еще большую деполяризацию. Опять же, величина ответов пропорциональна величине стимулов. Однако происходит необычное событие, когда величина деполяризации достигает уровня мембранного потенциала, называемого порогом . Инициируется совершенно новый тип сигнала; потенциал действия. Обратите внимание, что если размер батареи увеличить еще больше, амплитуда потенциала действия будет такой же, как и предыдущая (рис. 1.3Б). Процесс возбуждения потенциала действия в нервной клетке аналогичен воспламенению фитиля от источника тепла. Необходима определенная минимальная температура (порог). Температуры ниже порога не приводят к воспламенению предохранителя. Температуры, превышающие пороговую, воспламеняют фитиль точно так же, как и пороговая температура, и фитиль не горит ярче или горячее.

Если надпороговый текущий стимул будет достаточно продолжительным, будет вызвана последовательность потенциалов действия. Как правило, потенциалы действия будут продолжаться до тех пор, пока действует стимул, причем частота возбуждения пропорциональна величине стимула (рис. 1.4).

Рисунок 1.4

Потенциалы действия не только инициируются по принципу «все или ничего», но и распространяются по принципу «все или ничего». Потенциал действия, инициированный в теле клетки двигательного нейрона в спинном мозге, будет распространяться недекрементным образом до синаптических окончаний этого двигательного нейрона. Опять же, ситуация аналогична горящему предохранителю. Как только фитиль загорится, пламя распространится до его конца.

1.4 Компоненты потенциалов действия

Потенциал действия состоит из нескольких компонентов (рис. 1.3Б). Порог — это значение мембранного потенциала, при достижении которого происходит инициация потенциала действия по принципу «все или ничего». Начальная или восходящая фаза потенциала действия называется деполяризующей фазой или подъемом . Область потенциала действия между уровнем 0 мВ и амплитудой пика составляет перерегулирование . Возврат мембранного потенциала к потенциалу покоя называется фазой реполяризации . Существует также фаза потенциала действия, в течение которой мембранный потенциал может быть более отрицательным, чем потенциал покоя. Эта фаза потенциала действия называется недоразвитием или гиперполяризующим послепотенциалом . На рисунке 1.4 отрицательные импульсы потенциалов действия не становятся более отрицательными, чем потенциал покоя, потому что они «оседлают» постоянный деполяризующий стимул.

1.5 Ионные механизмы потенциалов покоя

Перед изучением ионных механизмов потенциалов действия необходимо сначала понять ионные механизмы потенциала покоя. Эти два явления тесно связаны. История потенциала покоя восходит к началу 1900-х годов, когда Юлиус Бернштейн предположил, что потенциал покоя (V _m ) равен равновесному потенциалу калия (E _K ). Где

Ключом к пониманию потенциала покоя является тот факт, что ионы неравномерно распределены внутри и снаружи клеток и что клеточные мембраны избирательно проницаемы для разных ионов. К ⁺ особенно важен для потенциала покоя. Мембрана обладает высокой проницаемостью для K ⁺ . Кроме того, внутри клетки высокая концентрация K ⁺ ([K ⁺ ] _i ), а снаружи клетки низкая концентрация K ⁺ ([K ⁺ ] _или ). Таким образом, K ⁺ естественным образом будет перемещаться путем диффузии из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Следовательно, положительный K ⁺ ионов, покидающих внутреннюю поверхность мембраны, оставляют после себя некоторое количество отрицательно заряженных ионов. Этот отрицательный заряд притягивает положительный заряд уходящего иона K ⁺ и имеет тенденцию «притягивать его обратно». Таким образом, будет иметь место электрическая сила, направленная внутрь, которая будет стремиться уравновесить диффузионную силу, направленную наружу. В конце концов установится равновесие; сила концентрации, перемещающая K ⁺ наружу, уравновешивает электрическую силу, удерживающую его. Потенциал, при котором достигается это равновесие, называется Потенциал равновесия Нернста .

Рисунок 1.5

Эксперимент по проверке гипотезы Бернштейна о том, что мембранный потенциал равен потенциалу равновесия Нернста (т.е. V _m = E _K ), показан слева.

Концентрацию K ⁺ вне клетки систематически варьировали при измерении мембранного потенциала. Также показана линия, предсказываемая уравнением Нернста. Очень близко к этой линии находятся экспериментально измеренные точки. Более того, из-за логарифмической зависимости в уравнении Нернста изменение концентрации K ⁺ с коэффициентом 10 приводит к изменению потенциала на 60 мВ.

Обратите внимание, однако, что на рисунке слева есть некоторые отклонения от того, что предсказывает уравнение Нернста. Таким образом, нельзя заключить, что V _m = E _K . Такие отклонения указывают на то, что в генерации потенциала покоя участвует и другой ион. Этот ион Na ⁺ . Высокая концентрация Na ⁺ вне клетки и относительно низкая концентрация внутри клетки приводит к химической (диффузионной) движущей силе для Na ⁺ наплыв. Существует также электрическая движущая сила, поскольку внутренняя часть клетки является отрицательной, и эта отрицательность притягивает положительные ионы натрия. Следовательно, если клетка имеет малую проницаемость для натрия, Na ⁺ будет перемещаться через мембрану, и мембранный потенциал будет более деполяризованным, чем можно было бы ожидать от равновесного потенциала K ⁺ .

1.6 Уравнение Гольдмана-Ходжкина и Катца (GHK)

Когда мембрана проницаема для двух разных ионов, уравнение Нернста больше нельзя использовать для точного определения мембранного потенциала. Однако можно применить уравнение GHK. Это уравнение описывает потенциал через мембрану, которая проницаема как для Na ⁺ и К ⁺.

Обратите внимание, что α представляет собой отношение проницаемости Na ⁺ (P _Na ) к проницаемости K ⁺ (P _K ). Отметим также, что если проницаемость мембраны для Na ⁺ равна 0, то альфа в GHK равна 0, и уравнение Гольдмана-Ходжкина-Каца сводится к равновесному потенциалу Нернста для K ⁺ . Если проницаемость мембраны для Na ⁺ очень высока, а проницаемость для калия очень низка, [Na 9Члены 0214 + ] становятся очень большими, доминирующими в уравнении по сравнению с членами [K ⁺ ], и уравнение ГХК сводится к равновесному потенциалу Нернста для Na ⁺ .

Если применить уравнение GHK к тем же данным, что и на рис. 1.5, результат будет намного лучше. Значение альфа, необходимое для получения такой хорошей подгонки, составляло 0,01. Это означает, что проницаемость калия K ⁺ в 100 раз превышает проницаемость Na ⁺ . Таким образом, потенциал покоя связан не только с высокой проницаемостью для K ⁺ . Существует также небольшая проницаемость для Na ⁺ , что делает мембранный потенциал немного более положительным, чем он был бы, если бы мембрана была проницаема только для K ⁺ .

Рисунок 1.6

1.7 Лаборатория мембранного потенциала

Щелкните здесь, чтобы перейти в интерактивную Лабораторию мембранного потенциала, чтобы поэкспериментировать с эффектами изменения внешней или внутренней концентрации ионов калия и проницаемости мембран для ионов натрия и калия. Прогнозы делаются с использованием уравнений Нернста и Гольдмана, Ходжкина, Каца.

Лаборатория мембранного потенциала

 

Проверьте свои знания

Вопрос 1 А Б С Д Е Если мембрана нерва внезапно стала одинаково проницаемой для обоих Na + и K + мембранный потенциал будет: А. Без изменений B. Подойдите к новому равновесному потенциалу K + C. Подойдите к новому равновесному потенциалу Na + D. Приблизьтесь к значению около 0 мВ E. Приблизьтесь к постоянному значению около +55 мВ Если мембрана нерва внезапно стала одинаково проницаемой для обоих Na + и K + мембранный потенциал будет: A. Без изменений Этот ответ НЕВЕРЕН. Изменение проницаемости деполяризует мембранный потенциал, поскольку альфа в уравнении GHK будет равна единице. Изначально альфа была 0,01. Попробуйте подставить различные значения альфа в уравнение GHK и вычислить результирующий мембранный потенциал. B. Подойдите к новому K + равновесный потенциал C. Подойдите к новому равновесному потенциалу Na + D. Приблизьтесь к значению около 0 мВ E. Приблизьтесь к постоянному значению около +55 мВ Если нервная мембрана вдруг станет одинаково проницаемой как для Na + , так и для K + , то мембранный потенциал будет: А. Без изменений B. Подойдите к новому равновесному потенциалу K + Этот ответ НЕВЕРЕН. Мембранный потенциал будет приближаться к равновесному потенциалу K+, только если проницаемость Na + будет уменьшена или проницаемость K + будет увеличена. Также не было бы «нового» равновесного потенциала. Изменение проницаемости не меняет равновесного потенциала. C. Подойдите к новой Na + равновесный потенциал D. Приблизьтесь к значению около 0 мВ E. Приблизьтесь к постоянному значению около +55 мВ Если нервная мембрана вдруг станет одинаково проницаемой как для Na + , так и для K + , то мембранный потенциал будет: А. Без изменений B. Подойдите к новому равновесному потенциалу K + C. Подойдите к новому равновесному потенциалу Na + . Этот ответ НЕВЕРЕН. Мембранный потенциал приблизится к равновесному потенциалу Na + , только если альфа в уравнении GHK станет очень большой (например, уменьшите PK или увеличьте PNa). Также не было бы «нового» равновесного потенциала Na + . Изменение проницаемости не меняет равновесного потенциала; он изменяет мембранный потенциал. D. Приблизьтесь к значению около 0 мВ E. Приблизьтесь к постоянному значению около +55 мВ Если нервная мембрана вдруг станет одинаково проницаемой как для Na + , так и для K + , то мембранный потенциал будет: А. Без изменений B. Подойдите к новому равновесному потенциалу K + C. Подойдите к новому равновесному потенциалу Na + D. Приблизьтесь к значению около 0 мВ. Это ПРАВИЛЬНЫЙ ответ! Грубо говоря, мембранный потенциал будет двигаться к значению, находящемуся на полпути между E K и E Na . Уравнение GHK можно использовать для определения точного значения. E. Приблизьтесь к постоянному значению около +55 мВ Если нервная мембрана вдруг станет одинаково проницаемой как для Na + , так и для K + , мембранный потенциал будет: А. Без изменений B. Подойдите к новому равновесному потенциалу K + C. Подойдите к новому равновесному потенциалу Na + D. Приблизьтесь к значению около 0 мВ E. Приблизьтесь к постоянному значению около +55 мВ. Этот ответ НЕВЕРЕН. Мембранный потенциал не приблизился бы к значению около +55 мВ (приблизительное значение E Na ), если не было значительного увеличения проницаемости для натрия без соответствующего изменения проницаемости для калия. Альфа в уравнении Голдмана должна приближаться к очень высокому значению.                     Вопрос 2 А Б С Д Е При изменении концентрации К + в цитоплазме аксона беспозвоночного до нового значения 200 мМ (Примечание: для этого аксона нормальный [K] o = 20 мМ и нормальный [K] i = 400 мМ): А. Мембранный потенциал стал бы больше отрицательный B. Равновесный потенциал K + изменится на 60 мВ C. Равновесный потенциал K + будет около -60 мВ D. Равновесный потенциал K + будет около -18 мВ E. Будет инициирован потенциал действия При изменении концентрации К + в цитоплазме аксона беспозвоночного до нового значения 200 мМ (Примечание: для этого аксона нормальный [K] o = 20 мМ и нормальный [K] i = 400 мМ): А. Мембранный потенциал стал бы больше отрицательный ответ НЕВЕРНЫЙ. Нормальное значение внеклеточного калия составляет 20 мМ, а нормальное значение внутриклеточного калия составляет 400 мМ, что дает нормальный равновесный потенциал для калия около -75 мВ. Если внутриклеточную концентрацию изменить от 400 мМ до 200 мМ, то равновесный потенциал калия, определенный по уравнению Нернста, будет равен примерно -60 мВ. Поскольку мембранный потенциал в норме составляет -60 мВ и в значительной степени зависит от Е K изменение концентрации калия и, следовательно, E K сделало бы мембранный потенциал более положительным, n или более отрицательным. B. Равновесный потенциал K + изменится на 60 мВ C. Равновесный потенциал K + будет около -60 мВ D. Равновесный потенциал K + будет около -18 мВ E. Будет инициирован потенциал действия При изменении концентрации К + в цитоплазме аксона беспозвоночного до нового значения 200 мМ (Примечание: для этого аксона нормальный [K] o = 20 мМ и нормальный [K] i = 400 мМ): А. Мембранный потенциал стал бы больше отрицательный B. Равновесный потенциал K + изменится на 60 мВ. Это НЕВЕРНЫЙ ответ. Равновесный потенциал калия не изменится на 60 мВ. Концентрация калия была изменена только с 400 мМ до 200 мМ. Можно использовать уравнение Нернста, чтобы определить точное значение, на которое изменится равновесный потенциал. Первоначально он был около -75 мВ, а в результате изменения концентрации равновесный потенциал становится -60 мВ. Таким образом, равновесный потенциал изменяется не на 60 мВ, а примерно на 15 мВ. C. Равновесный потенциал K + будет около -60 мВ D. Равновесный потенциал K + будет около -18 мВ E. Будет инициирован потенциал действия При изменении концентрации К + в цитоплазме аксона беспозвоночного до нового значения 200 мМ (Примечание: для этого аксона в норме [K] или = 20 мМ и нормальный [K] i = 400 мМ): А. Мембранный потенциал стал бы больше отрицательный B. Равновесный потенциал K + изменится на 60 мВ C. Равновесный потенциал K + будет около -60 мВ. Этот ответ ПРАВИЛЬНЫЙ! Это правильный ответ. См. логику, описанную в ответах А и Б. D. Равновесный потенциал K + будет около -18 мВ E. Будет инициирован потенциал действия При изменении концентрации К + в цитоплазме аксона беспозвоночного до нового значения 200 мМ (Примечание: для этого аксона нормальный [K] o = 20 мМ и нормальный [K] i = 400 мМ): А. Мембранный потенциал стал бы больше отрицательный B. Равновесный потенциал K + изменится на 60 мВ C. Равновесный потенциал K + будет около -60 мВ D. Равновесный потенциал K + будет около -18 мВ. Этот ответ НЕВЕРЕН. Используя уравнение Нернста, новый равновесный потенциал калия можно рассчитать равным -60 мВ. Значение -18 мВ будет рассчитано, если вы подставите [K] или = 200 и [K] i = 400 в уравнение Нернста. E. Будет инициирован потенциал действия При изменении концентрации К + в цитоплазме аксона беспозвоночного до нового значения 200 мМ (Примечание: для этого аксона в норме [K] или = 20 мМ и нормальный [K] i = 400 мМ): А. Мембранный потенциал стал бы больше отрицательный B. Равновесный потенциал K + изменится на 60 мВ C. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника