Информация

В чем разница между электронами и энергией?

В чем разница между электронами и энергией?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Я сейчас изучаю микробиологию, и я наткнулся на что-то непонятное для меня. Я думал, что электроны обеспечивают клетку энергией, участвуя в снижении мощности и, в конечном итоге, стимулируя синтез АТФ. Однако в классификации микробов источники энергии (фото, химиотерапия) и источники электронов (лито, органо) разделены.

Есть ли сценарий, в котором источник электронов и энергия различны (помимо фототрофии)?


По сути, вы путаете источник топлива с производимой им энергией. Например, машина горит бензин. Это не значит, что бензин - это энергия, просто бензин может быть использовал производить энергию. Точно так же клетка использует электроны для производства АТФ (источника):

На изображении выше электроны (обозначенные плоской стрелкой, идущей от $ mathit {NADH} $ + $ H ^ + $ к $ frac {1} {2} O_2 $ + $ 2H ^ + $) текут из NADH- От Q-редуктазы (I) до цитохромредуктазы (III), до цитохромоксидазы (IV). Электронный поток через эти комплексы вызывает перекачку катионов водорода (протонов) через мембрану во внеклеточное пространство. Это, в свою очередь, создает градиент pH и мембранный потенциал, которые используются для управления синтезом АТФ ($ F_1F_0 $ ATPase), который может расщепляться с высвобождением энергии (источник):

Итак, электроны нужны1 производство АТФ и АТФ можно рассматривать как накопитель энергии. Когда АТФ расщепляется с образованием АМФ и фосфата, энергия выделяется в виде тепла. Вот почему АТФ считается «энергетической валютой». Однако ни АТФ, ни электроны сами по себе не являются «энергией».2. Не больше бензина есть.


1 Находятся использовал, в любом случае. Есть и другие варианты.

2 По крайней мере, не больше, чем любая другая форма материи. На самом деле вы можете думать о материи как о конденсированной энергии, но это действительно относится к сфере физики, а не биологии.


  • Когда к соединению добавляются электроны, соединение восстанавливается, соединение, которое восстанавливает другое, называется восстанавливающим агентом.
  • Когда электроны удаляются из соединения, соединение считается окисленным, соединение, которое окисляет другое соединение, называется окислителем.
  • Передача энергии в виде электронов позволяет клетке передавать и использовать энергию поэтапно.
  • Основными переносчиками электронов являются НАД + и НАДН, поскольку они легко окисляются и восстанавливаются соответственно.
  • НАД + - это окисленная форма ниацина, а НАДН - это восстановленная форма после того, как он принял два электрона и протон.
  • окисление: Реакция, в которой атомы элемента теряют электроны, а валентность элемента увеличивается.
  • снижение: Реакция, в которой приобретаются электроны, а валентность снижается, часто за счет удаления кислорода или добавления водорода.
  • никотинамид аденин динуклеотид: (НАД) Органический кофермент, участвующий в реакциях биологического окисления и восстановления.
  • электронный шаттл: молекулы, которые связывают и переносят электроны высокой энергии между соединениями в клеточных путях

Энергия

Способность одной системы выполнять работу над другой системой. Есть много видов энергии: химическая энергия ископаемого топлива, электрическая энергия, распределяемая коммунальной компанией, лучистая энергия Солнца и ядерная энергия реактора. Единицы энергии включают эрги, джоули, фут-фунты и фут-фунты. Работа и тепло имеют те же единицы, что и энергия, но представляют собой совершенно разные физические концепции. Видеть Тепло, Работа

Любая частица или система частиц, на которые действуют консервативные силы, обладают двумя видами энергии: потенциальной энергией и кинетической энергией. Потенциальная энергия - это энергия, обусловленная положением или конфигурацией, а кинетическая энергия - это энергия движения.

Энергия сохраняется для всех изолированных механических систем. Это связано с тем, что, если система A изолирована, нет другой системы B, которой она могла бы отдавать какую-либо энергию, и ее общая энергия должна оставаться постоянной. Эта система A может преобразовывать кинетическую энергию в потенциальную энергию, и она может преобразовывать одну форму потенциальной энергии в другую, но общая энергия должна оставаться неизменной. Значение сохраненной полной энергии состоит в том, что система всегда имеет одно и то же значение полной энергии. Видеть Сохранение энергии

В 1905 году А. Эйнштейн показал, что при высоких скоростях, близких к скорости света, в физические концепции должны быть внесены важные изменения. Одна особенно радикальная идея, которую он выдвинул, заключалась в том, что пространство и время не независимы, а, скорее, являются двумя аспектами одного и того же объекта, многообразия пространства-времени. Это потребовало пересмотра концепции энергии и привело к выводу, что инерция или масса м, зависит от его энергии через соотношение масса-энергия, показанное ниже, где


Просвечивающая электронная микроскопия и сканирующая электронная микроскопия

Электронные микроскопы превратились в мощный инструмент для определения характеристик широкого спектра материалов. Их универсальность и чрезвычайно высокое пространственное разрешение делают их очень ценным инструментом для многих приложений. Двумя основными типами электронных микроскопов являются просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ). Здесь мы кратко опишем их сходства и различия.

Разница между SEM и TEM

Основное различие между SEM и TEM заключается в том, что SEM создает изображение, обнаруживая отраженные или выбитые электроны, в то время как TEM использует прошедшие электроны (электроны, которые проходят через образец) для создания изображения. В результате ПЭМ предоставляет ценную информацию о внутренней структуре образца, например, о кристаллической структуре, морфологии и напряженном состоянии, в то время как СЭМ предоставляет информацию о поверхности образца и его составе.

Принцип работы растровых электронных микроскопов и просвечивающих электронных микроскопов

Начнем с сходства. В обоих методах для получения изображений образцов используются электроны. Их основные составляющие одинаковы:

  • Источник электронов
  • Серия электромагнитных и электростатических линз для управления формой и траекторией электронного луча.
  • Электронные апертуры

Все эти компоненты размещены внутри камеры, находящейся под высоким вакуумом.

Теперь о различиях. В SEM используется специальный набор катушек для сканирования луча в виде растрового изображения и сбора рассеянных электронов.

Принцип просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), как следует из названия, заключается в использовании прошедших электронов, электронов, которые проходят через образец, прежде чем они будут собраны. В результате ПЭМ предоставляет бесценную информацию о внутренней структуре образца, такую ​​как кристаллическая структура, морфология и сведения о напряженном состоянии, в то время как СЭМ предоставляет информацию о поверхности образца и его составе.

Более того, одно из наиболее заметных различий между этими двумя методами - это оптимальное пространственное разрешение, которого они могут достичь. Разрешение SEM ограничено

0,5 нм, в то время как недавние разработки ПЭМ с коррекцией аберраций позволили получить изображения с пространственным разрешением даже менее 50 мкм.

Какой метод электронной микроскопии лучше всего подходит для вашего анализа?

Все зависит от того, какой тип анализа вы хотите провести. Например, если вы хотите получить информацию о поверхности вашего образца, такую ​​как определение шероховатости или загрязнения, вам следует выбрать SEM. С другой стороны, если вы хотите узнать, какова кристаллическая структура вашего образца, или если вы хотите найти возможные структурные дефекты или примеси, то использование ПЭМ - единственный способ сделать это.

СЭМ обеспечивают трехмерное изображение поверхности образца, тогда как ПЭМ-изображения представляют собой двухмерные проекции образца, что в некоторых случаях затрудняет интерпретацию результатов для оператора.

Из-за требований к проходящим электронам образцы ПЭМ должны быть очень тонкими (обычно менее 150 нм), а в случаях, когда требуется получение изображений с высоким разрешением, даже менее 30 нм, тогда как для получения изображений с помощью SEM таких особых требований нет.

Это выявляет еще одно важное различие между двумя методами: пробоподготовка. Образцы, полученные на сканирующем электронном микроскопе, не требуют особых усилий для подготовки образцов и могут быть непосредственно отображены, установив их на алюминиевый стержень.

В отличие от этого, подготовка проб для ТЕА - довольно сложная и утомительная процедура, которой могут успешно следовать только обученные и опытные пользователи. Образцы должны быть очень тонкими, как можно более плоскими, а методика подготовки не должна приводить к появлению в образце каких-либо артефактов (таких как осадки или аморфизация). Было разработано множество методов, включая электрополировку, механическую полировку и фрезерование сфокусированным ионным пучком. Для крепления образцов ПЭМ используются специальные решетки и держатели.

SEM против TEM: различия в работе

Две электромагнитные системы также различаются по способу работы. В SEM обычно используются ускоряющие напряжения до 30 кВ, в то время как пользователи TEM могут установить его в диапазоне 60–300 кВ.

Увеличение, которое предлагают ПЭМ, также намного выше, чем у ПЭМ. Пользователи ПЭМ могут увеличивать свои образцы более чем в 50 миллионов раз, в то время как для SEM это ограничено 1–2 миллионами раз.

Однако максимальное поле обзора (FOV), которое может достичь SEM, намного больше, чем у TEM, что означает, что пользователи TEM могут отображать только очень небольшую часть своего образца. Точно так же глубина резкости систем SEM намного выше, чем в системах TEM.

Кроме того, способы создания изображений в этих двух системах различаются. В SEM образцы располагаются внизу электронного столбца, и рассеянные электроны (обратно рассеянные или вторичные) улавливаются детекторами электронов. Затем фотоумножители используются для преобразования этого сигнала в сигнал напряжения, который усиливается для создания изображения на экране ПК.

В ПЭМ-микроскопе образец находится в середине колонки. Переданные электроны проходят через него и через ряд линз под образцом (промежуточные линзы и линзы проектора). Изображение отображается непосредственно на флуоресцентном экране или через камеру устройства с зарядовой связью (ПЗС) на экране ПК.

Резюме основных различий между SEM и TEM.

  • Любой
  • Обычно & lt150 нм
  • 3D изображение поверхности
  • 2D проекционное изображение внутренней конструкции
  • & lt50 вечера
  • Электроны улавливаются и подсчитываются детекторами, изображение на экране ПК.
  • Прямое отображение на флуоресцентном экране или экране ПК с помощью ПЗС-матрицы
  • Незначительная пробоподготовка или ее отсутствие, простота использования
  • Кропотливая подготовка проб, требуются обученные пользователи

Как правило, ТЕА более сложны в эксплуатации. Пользователям ТЕА требуется интенсивное обучение, прежде чем они смогут с ними работать. Перед каждым использованием необходимо выполнять специальные процедуры, включая несколько этапов, которые гарантируют идеальное выравнивание электронного луча. В таблице выше вы можете увидеть сводку основных различий между SEM и TEM.

Сочетание технологий SEM и TEM

Следует упомянуть еще один метод электронной микроскопии, который представляет собой комбинацию ПЭМ и СЭМ, а именно сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (STEM). Его можно применить к обеим системам, но его полные возможности раскрываются при применении к инструменту ТЕМ. Большинство современных ПЭМ можно переключить в «режим STEM», и пользователю нужно только изменить их процедуру юстировки. В режиме STEM луч точно фокусируется и сканирует область образца (как это делает SEM), в то время как изображение создается проходящими электронами (как в TEM).

При работе в режиме STEM пользователи могут воспользоваться возможностями обоих методов. Они могут смотреть на внутреннюю структуру образцов с очень высокой разрешающей способностью (даже выше, чем разрешение ПЭМ), но также могут использовать другие сигналы, такие как рентгеновские лучи и потери энергии электронов. Эти сигналы могут использоваться в спектроскопических методах: энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и спектроскопии потерь энергии электронов (EELS).

Конечно, EDX также является обычной практикой в ​​системах SEM и используется для определения химического состава образцов путем обнаружения характерных рентгеновских лучей, которые испускаются материалами, когда они бомбардируются электронами.

EELS может быть реализован только в системе TEM, работающей в режиме STEM, и позволяет исследовать атомный и химический состав, электронные свойства и локальные измерения толщины материалов.

Другие факторы принятия решения при выборе и покупке электронного микроскопа

Скорость

Настольные системы SEM требуют минимальной подготовки образца, а их невысокие требования к вакууму и небольшой откачиваемый объем позволяют системе представить изображение намного быстрее, чем типичная система модели пола.

Более того, настольные SEM обычно управляются потребителем информации, что исключает время, необходимое выделенному оператору для выполнения анализа, подготовки отчета и передачи результатов.

Помимо более быстрых ответов, нематериальную ценность имеет оперативность анализа и способность пользователя направлять расследование в режиме реального времени в ответ на наблюдения.

Наконец, в некоторых приложениях, таких как инспекция, более длительные задержки влекут за собой ощутимые затраты, поскольку ставят под угрозу большее количество незавершенных работ.

Приложения

Хорошо ли определена процедура приложения? Если это так, и настольный SEM может предоставить необходимую информацию, зачем тратить больше? Обеспокоенность относительно будущих требований, превышающих возможности настольных компьютеров, следует оценивать с точки зрения определенности и сроков выполнения потенциальных требований, а также наличия внешних ресурсов для более требовательных приложений.

Даже в тех случаях, когда будущие требования будут превышать возможности настольного компьютера, первоначальные инвестиции в настольный SEM могут по-прежнему приносить прибыль, поскольку эта система будет использоваться в качестве дополнения к будущей системе напольной модели.

Возможно, в качестве скрининга или для продолжения выполнения рутинных анализов, в то время как система модели пола применяется к более требовательным приложениям.

Настольная система также может служить пошаговым подходом к обоснованию более крупной системы, устанавливая ценность SEM, позволяя при этом основанную на опыте оценку потребности и стоимости более продвинутых возможностей от внешнего поставщика.

Пользователи

Сколько человек будет пользоваться системой? Обучены ли пользователи? Если нет, сколько времени они готовы потратить на обучение? Настольные SEM просты в эксплуатации и практически не требуют подготовки проб. Получить изображение можно простым нажатием пары кнопок.

Пользователи с особыми потребностями могут получить доступ к более сложным процедурам, которые готовы потратить немного времени на обучение. В целом, требования к обучению операторов для настольной системы намного ниже, а сама система намного надежнее. Его сложнее сломать, а потенциальная стоимость ремонта намного ниже.

Выбор между SEM и TEM

Из всего, что мы упомянули, ясно, что не существует «лучшей» техники, все зависит от типа анализа, который вам нужен. ПЭМ - это выбор, когда вы хотите получить информацию из внутренней структуры, в то время как ПЭМ предпочтительнее, когда требуется информация о поверхности. Конечно, основными факторами принятия решения являются большая разница в цене между двумя системами, а также простота использования. ПЭМ могут обеспечить гораздо большую разрешающую способность и универсальность для пользователя, но они намного дороже и больше, чем ПЭМ, и требуют больших усилий для получения и интерпретации результатов.

Чтобы узнать больше о СЭМ и узнать, соответствует ли он вашим требованиям к исследованиям, вы можете взглянуть на наше бесплатное электронное руководство: Как выбрать сканирующий электронный микроскоп. Это электронное руководство предназначено для помощи в выборе наиболее подходящих систем растрового электронного микроскопа (СЭМ) для ваших исследований.

Документ

Как выбрать сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

Рекомендации по выбору подходящего микроскопа для ваших исследований.


Редокс-потенциалы

Редокс-потенциал - это мера (в вольт) сродства вещества к электронам & mdash его электроотрицательность & mdash по сравнению с водород (который установлен на 0).

Вещества более электроотрицательные, чем водород (т. Е. Способные окислять), имеют положительный окислительно-восстановительные потенциалы. Вещества менее электроотрицательные, чем водород (т.е. способные восстанавливать), имеют отрицательный окислительно-восстановительные потенциалы.

Ссылка на обсуждение электроотрицательности.

Окисление и восстановление всегда идут рука об руку. Их называют окислительно-восстановительными реакциями.

Когда электроны текут "вниз" в окислительно-восстановительной реакции, они выделяют свободную энергию.

Обсуждение
Обозначаем это символом & Дельтаграмм (дельта грамм), которому предшествует минус подписать.

Требуется ввод свободной энергии, чтобы заставить электроны двигаться «в гору» в окислительно-восстановительной реакции. Мы показываем это с помощью & Дельтаграмм предшествует плюс подписать.

Электроотрицательность вещества также можно выразить как окислительно-восстановительный потенциал (обозначенный E)

Стандарт - водород, поэтому его окислительно-восстановительный потенциал выражается как E = 0.

Любое вещество & mdash атом, ион или молекула & mdash, которое является более электроотрицательным, чем водород, получает положительный (+) окислительно-восстановительный потенциал тем менее электроотрицательный отрицательный (&минус) окислительно-восстановительный потенциал.

Чем больше разница между окислительно-восстановительными потенциалами двух веществ (& ДельтаE), тем с большей силой электроны будут спонтанно перетекать от менее положительного к более положительному (более электроотрицательному) веществу.

Разница потенциалов (& ДельтаE) в некотором смысле является мерой давления между ними. & ДельтаE выражается в вольт.

Если мы приведем два разных вещества E вместе с потенциальным путем для потока электронов между ними мы создали батарею. Хотя он может быть в митохондрии, это такой же аккумулятор, как и свинцово-кислотный аккумулятор в автомобиле.

Чем больше напряжение, & ДельтаEмежду двумя компонентами батареи тем больше энергии, доступной при возникновении потока электронов. Фактически, можно количественно определить количество доступной свободной энергии. Отношения таковы:

& Дельтаграмм = & минус п (23,062 ккал) (& ДельтаE)

  • п число молей перенесенных электронов и
  • 23,062 - количество энергии (в ккал) высвобождается, когда один моль электронов проходит через падение потенциала в 1 вольт.

Клеточное дыхание

  • На каждую вдыхаемую молекулу глюкозы 24 электрона проходят по дыхательной цепи к конечному акцептору: молекулам кислорода.
    Обсуждение
  • Углерод, восстановленный до такой степени, что присутствует в углеводах, таких как глюкоза (только частично восстановленный), имеет окислительно-восстановительный потенциал примерно & минус 0,42 вольт.
  • Кислород, как самое электроотрицательное вещество в системе, естественно, имеет самый большой E: + 0,82 вольт

& Дельтаграмм = & минус (24) (23,062) (1,24) = & минус 686 ккал

Фотосинтез

  • 24 электрона должны быть удалены из молекул воды, где они удерживались окислительно-восстановительным потенциалом кислорода (+0,82 вольт), и перекачаны "в гору" до
  • атомы углерода, которые они частично восстанавливают до углеводов с окислительно-восстановительным потенциалом & минус 0,42 вольт.

& Дельтаграмм = + (24) (23,062) (1,24) = + 686 ккал

& Дельтаграмм здесь положительно, потому что электроны движутся против градиента (от положительного к отрицательному), а не вместе с ним, как при клеточном дыхании. Таким образом, энергия (от света) должна поступать в систему.


Цитировать эту страницу

Стиль MLA

Стиль АПА

Краткое изложение основных концепций

  • Заряженные частицы - часто отрицательно заряженные электроны - основа электричества.
  • Статическое электричество - это дисбаланс положительных и отрицательных электрических зарядов.
  • Противоположные электрические заряды притягиваются, как электрические заряды отталкиваются.

Что такое статическое электричество?

Мы используем электрические устройства, такие как фонари, радио, сотовые телефоны, компьютеры и многое другое каждый день. Подключаем устройства к розетке в стене или заряжаем их батареями, но что такое электричество?

Чтобы понять электричество, нам сначала нужно изучить атом. Атомы являются основными строительными блоками всего материала вокруг нас. Они состоят из нескольких более мелких частиц, включая электроны. Электроны есть отрицательный электрический заряд и вертеться вокруг положительно заряженный ядро (из положительно заряженного протоны, а также нейтроны, не несущие электрического заряда) внутри атомов. Иногда эти электроны убегают и перемещаются между атомами или захватываются другим атомом. Эти ускользнувшие электроны - основа электричества, которое вы используете каждый день.

Некоторые материалы называются изоляторы очень крепко удерживают свои электроны. Электроны не могут легко перемещаться через эти материалы. Примеры: пластик, дерево, ткань, стекло или сухой воздух. Хотя электроны обычно не проходят через изоляторы, они является все еще возможно переносить часть электронов от одного изолятора к другому. Один из распространенных способов - потереть два таких предмета вместе. Это создает дисбаланс положительных и отрицательных зарядов, называемый статическое электричество . Если вы когда-либо терли воздушный шар о ткань, а затем прикрепляли его к стене, это пример статического электричества. Волосы встают дыбом в холодный зимний день - еще один пример статического электричества. Статическое электричество может накапливаться практически на любом материале.

Но ты знаешь Почему воздушный шар прилипает к стене, или волосы встают дыбом? Это происходит потому, что они становятся электрически заряженными, а электрические заряды толкают и притягивают друг друга. Противоположные заряды (положительный и отрицательный) притягиваются или притягиваются друг к другу. Подобные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются или отталкиваются друг от друга. На рисунке 1 ниже показано это взаимодействие между зарядами.


Рисунок 1. Подобные электрические заряды (два положительных заряда, как показано, или два отрицательных заряда) отталкивают друг друга или отталкивают друг друга, в то время как противоположные заряды (положительный и отрицательный заряды) притягиваются или притягиваются друг к другу. На этом рисунке показано, что произошло бы, если бы у вас были электрически заряженные шары, свисающие с веревок. Два одинаковых заряда отталкиваются друг от друга, а два противоположных заряда тянутся друг к другу.

Нечто похожее на то, что изображено на рисунке 1 (левый рисунок), происходит, когда волосы встают дыбом на вашей голове, когда вы снимаете шерстяную шапку в холодный зимний день. Трение волос о шерстяную шляпу электрически заряжает волосы, и поскольку все волосы имеют «одинаковые» электрические заряды, они отталкиваются друг от друга, поэтому волосы удаляются как можно дальше друг от друга.

Иногда, когда на объекте накапливается достаточно статического электричества, он создает Искра. Искра - это когда электроны прыгают по воздуху от одного близлежащего объекта к другому. Это называется статический разряд. Вы можете почувствовать крошечный статический разряд, шаркая ногами по ковру, а затем коснувшись металлического предмета, например дверной ручки. Молния - это пример очень большого (и опасного!) Статического разряда.

Атом, теряющий один или несколько электронов, имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных (электронов). Следовательно, он заряжен положительно. Атом, который захватывает один или несколько дополнительных электронов, получает полный отрицательный заряд. Заряженные атомы называются ионы.

Связанные научные проекты

Щелкните здесь, чтобы просмотреть список научных проектов, связанных со статическим электричеством.

Резюме ключевых концепций

ПеременнаяОписаниеЕд. изм Аббревиатура единицы
Плата Количество электричества может быть положительным, отрицательным или нейтральным. Кулон C
Текущий Количество электрического заряда, проходящего через область в секунду. Ампер А
Напряжение Также называется электрическим потенциалом или «давлением», заставляющим ток течь. Вольт V
Сопротивление Как трудно течь току. Ом &Омега
Власть Энергия, используемая или производимая в секунду. Ватт W

Что такое электрический ток?

Заряженные частицы лежат в основе всего электричества. Статическое электричество - это явление, вызванное электрическими зарядами в состоянии покоя. В этом разделе вы изучите, что происходит, когда заряженные частицы начинают коллективно двигаться. В этом разделе мы обсудим электроны как носители заряда, но другие типы частиц также могут нести заряд. Более подробную информацию см. В Техническом примечании: Направление электрического тока.

У некоторых материалов есть несколько слабо удерживаемых электронов, которые могут вылетать из одного атома и легко перемещаться между другими атомами. Мы называем эти электроны свободные электроны. Материалы с большим количеством свободных электронов называются проводники. Они хорошо проводят электричество. Большинство металлов являются хорошими проводниками.

Когда множество свободных электронов движется в одном направлении, мы называем это электрический ток. Величина электрического тока относится к количеству электронов (точнее, их зарядов), проходящих через площадь за единицу времени, и измеряется в амперы (обычно называется усилители для краткости, сокращенно с заглавной буквы A). Один ампер равен примерно 6,24 и умножить на 10 18 или 6,24 квинтиллион электроны проходят за 1 секунду. Поскольку у электрона такой малый заряд, кулон (сокращенно с заглавной буквы C) часто используется как единица заряда для 6,24 и умноженных на 10 18 электронов. В этих устройствах 1 ампер (A) - это ток, создаваемый 1 кулоном (C), проходящим в секунду. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, а кулон означает положительный заряд, необходимы некоторые определения. Они объяснены в Техническом примечании: Направление электрического тока.

Точно так же, как воде требуется перепад давления, чтобы начать течь, электроны требуют разность электрических потенциалов заставить их двигаться. Разность потенциалов дает энергию для движения. Разность электрических потенциалов также называется Напряжение и это измеряется в вольт (сокращенно V). В случае воды давление может создаваться водяным насосом или перепадом высоты, как в водонапорной башне. В электронике батареи и электрические генераторы являются обычными источниками напряжения. Наличие двух разных зарядов также создает напряжение, которое дает электрическим зарядам энергию для протекания.

Проводники позволяют току легко проходить через них, и заряды не теряют много энергии при прохождении через эти материалы. Подобно тому, как вода замедляется, когда сталкивается с меньшим участком трубы, электрический ток может встречаться с материалами, через которые труднее пройти. Это препятствие потоку измеряется переменной, называемой сопротивление и измеряется в Ом (сокращенно &Омега). Чем выше значение сопротивления, тем больше материал препятствует (или сопротивляется) току и тем больше энергии теряется при прохождении через него тока. Напряжение, ток, который он генерирует, и сопротивление связаны, и теперь эта связь известна как Закон Ома и заявляет, что напряжение равно току, умноженному на сопротивление, или в форме уравнения:

Общая электрическая энергия Источник представляет собой сумму заряда, умноженную на напряжение. Источник, обеспечивающий большее напряжение или большее количество зарядов (больше электронов), приведет к доставке большего количества электроэнергии, что, в свою очередь, позволяет ему питать «более тяжелые» электрические устройства или приборы. Техническое примечание: «Потребляемая энергия» объясняет это более подробно.

Техническое примечание: направление электрического тока

Электроны, будучи маленькими и легкими, легко перемещаются и создают основную часть электрического тока, с которым мы сталкиваемся, например, тока, получаемого от настенных розеток или производимого большинством батарей. По этой причине мы продолжим обсуждать электричество как поток электронов. Иногда электрический ток создается потоком Другие заряженные частицы, подобные ионы (атомы, которые имеют чистый электрический заряд из-за недостатка или избытка электронов). Чтобы учесть все вариации, электрический ток более точно определяется как количество электрического заряда, проходящего за единицу времени, независимо от того, какие частицы несут электрический заряд.

Пока мы описали только количество тока. В направление задается знаком (положительным или отрицательным) тока. Обычно положительный электрический ток равен противоположный направление электронного потока. Это называется обычный ток. Это означает, что если вы нарисуете стрелку в направлении, в котором электроны движутся по проводу, обычный ток укажет в противоположном направлении.


Фигура 2. Если ток представлен положительной переменной (называемой общепринятый ток, представленный красной стрелкой на рисунке), стрелка, представляющая направление тока, будет указывать противоположно движению электронов (показано синей стрелкой).

Аккумуляторы часто используются как источник электрического тока. Батарея имеет положительный полюс, помеченный символом «+», и отрицательный полюс (хотя «-» обозначает отрицательный полюс, он обычно не печатается на батарее). Отрицательный вывод имеет избыток электронов, что придает ему отрицательный заряд. Эти электроны текут из отрицательный терминал к положительный вывод, когда их соединяет токопроводящий путь. Направление обычного тока противоположно этому & mdashиз положительный терминал к отрицательный вывод, как показано на рисунке 3.


Рисунок 3. Когда проводящий материал соединяет две клеммы батареи, электроны будут течь от отрицательной клеммы к положительной. Обычный ток будет указывать с положительной клеммы на отрицательную.

Техническое примечание: потребляемая энергия

Большинство наших приборов указывают, сколько электроэнергии им требуется в секунду, когда они используются. Это называется власть выраженный в Вт (сокращенно W). Мощность представляет собой количество электроэнергии (или напряжение, умноженное на заряд), потребляемое приборами в секунду, когда они работают. Если вы запишете эти отношения в форме уравнения:

А затем немного измените уравнения (попробуйте это, если вы знаете, как делать алгебру), вы можете увидеть, что электрическая мощность равна напряжению, умноженному на ток:

И эта энергия равна мощности, умноженной на время:

Ваш счет за электричество выражает потребление электроэнергии в киловатт-часах. 1 киловатт-час означает использование 1000 ватт (Вт) в течение 1 часа (ч). Однако учтите, что электричество, подаваемое в ваш дом по линиям электропередач, переменный ток, что означает, что напряжение и ток изменяются со временем, а не остаются постоянными. Это объясняется в следующем разделе.

Связанные научные проекты

Щелкните здесь, чтобы просмотреть список научных проектов, связанных с электрическим током.

Резюме ключевых концепций

  • Ток может течь только в замкнутой цепи из проводящего материала.
  • В постоянном токе (DC) все электроны движутся в одном направлении. В переменном токе (AC) электроны движутся вперед и назад с определенной частотой, измеряемой в герц (Гц).
  • Осторожность: Никогда не подключайте самодельную электрическую цепь непосредственно к розетке - переменный ток от розетки может серьезно навредить вам.

Как течет ток: постоянный и переменный ток

В разделе «Текущее электричество» вы узнали об электрическом заряде, токе, напряжении и других связанных темах. Но то, что у вас есть напряжение, не означает, что электрический ток будет течь. Электроны также нуждаются в полной петле из проводящего материала для протекания, называемой закрытая схема.

Посмотрим на выключатель света. Когда вы включаете переключатель, он создает путь, по которому проходит электричество, и электроны начинают двигаться, что означает протекание электрического тока, и загорается свет. Как только вы выключаете переключатель, путь прерывается, и электроны больше не могут течь. Переключатель подобен подъемному мосту, его включение - это опускание моста, поэтому электроны могут пересекать (точно так же, как автомобили, пересекающие мост) и передавать энергию лампочке.


Рисунок 4. Иллюстрация того, как электрический ток может проходить через замкнутый контур из проводящего материала (левый рисунок), но прекращает течь, когда контур разрывается (правый рисунок). На этом рисунке показано, как загорается лампочка при подключении к замкнутой цепи. Обратите внимание, что желтые стрелки показывают направление обычного тока.

Поэтому помните, что для протекания электрического тока должен быть замкнутый контур из проводящего материала. Есть два разных способа, которыми электроны могут двигаться через петлю из проводящего материала и создавать электрический ток: постоянный ток и переменный ток.

В случае постоянный ток (сокращенно ОКРУГ КОЛУМБИЯ) электроны всегда движутся по петле в одном и том же направлении (так что обычный ток тоже имеет постоянное направление). На рисунке 5 ниже показан постоянный ток или все электроны, движущиеся в одном направлении по проводящему проводу. Все устройства с батарейным питанием, такие как сотовые телефоны и фонарики, работают от постоянного тока. Обратите внимание, что постоянное напряжение создает постоянный ток.



Рисунок 5. В случае постоянного тока (DC) свободные электроны всегда вместе движутся в одном направлении. Важный: Эта цифра не в масштабе. Прочтите техническое примечание ниже, чтобы получить более точное описание.

In the case of an alternating current (AC), electrons travel back and forth. Figure 6, below, shows an animation of alternating current. One moment they all move collectively in one direction, and the next moment they all move collectively in the opposite direction, creating an oscillating electrical current. One back-and-forth oscillation is called a cycle, and the number of cycles delivered per time unit is called the частота. Frequency is measured in герц (Hz). One cycle per second is 1 Hz, ten cycles per second is 10 Hz, etc. Note that the voltage creating this current will alternate with the same frequency.



Рисунок 6. In the case of alternating current (AC), the free electrons collectively move back and forth. Remember, just like in Figure 5, this figure is not to scale. Read the technical note, below, to get a more accurate view.

Power lines deliver alternating electric current to our homes. Depending on what country you are in, alternating current from power outlets is usually 50 or 60 cycles per second (Hz). Most electric appliances we "plug into the wall" run on alternating current. Some appliances need an "adapter" or "converter" to convert alternating current to direct current, like a cell phone charger.

When looking at the figures above, always remember that for a current of 1 amp (A), there are actually quintillions of electrons going through a conducting wire per second. Also, these electrons do not actually move in a straight line. In reality, electrons bounce all around between atoms in a conductor, as illustrated in Figure 7, below. The overall drift toward one direction creates the electric current. Remember that the direction of conventional current is opposite the direction of electron motion, as shown in the figure.


Рисунок 7. Illustration of how electrons bounce around between atoms in a conductor where the overall drift in one direction creates the electric current. Note that this figure is also not to scale&mdashelectrons are много smaller than atoms, but they are so tiny that it is impossible to draw an accurate to-scale figure where you can see the electrons.

To understand the difference between AC and DC, you can also make a graph of electric current versus time. For direct current, the current is constant (a straight line). For alternating current, the current oscillates back and forth:

Example graph of amperes over time show alternating and direct currents. The alternating current in blue has an ampere value that changes from a positive 1 to a negative 1 forming a wave with constant frequency. The direct current is a straight horizontal line in red that maintains a constant ampere value of 1.


Рисунок 8. Graphical representation of current (y-axis) versus time (x-axis) of direct current and alternating current. In this figure, the alternating current completes one cycle every second, i.e. it has a frequency of 1 Hz. Note that a negative current represents a current in the opposite direction.

Safety Tips

Electricity can be dangerous for humans. Actually, our brains, muscles and nerves run on tiny electrical signals. A small and short шок from a small amount of electric charge running through your body will not hurt you. Larger amounts of electricity, however, can interfere with the electrical signals in your body (for example, the signal that makes your heart beat regularly), and can create heat that can burn tissue, so всегда be careful with electricity. Most home science projects involve battery-operated circuits. While there are some safety precautions you need to follow when using batteries (for example, if there is a short circuit, the batteries and wires connected to them can get very hot, and the batteries can even explode), in general batteries are not a serious electric shock hazard. However, the alternating current from wall outlets in your home is very dangerous. Вам следует никогда attempt to use electricity directly from a wall outlet to power a homemade circuit, unless you are having an adult help you use an AC/DC converter (a device that converts AC from a wall outlet to safe levels of DC, such as cell phone and laptop chargers).

Related Science Projects

Click here for a list of science projects related to making circuits, or here for a list of projects related to electric current.

Summary of Key Concepts

  • Every magnet has a north pole and a south pole. A north and a south pole attract each other, whereas similar poles (north-north or south-south) push each other away.
  • Magnets are surrounded by a magnetic field, which creates a push or a pull on other magnets or magnetic materials in the field.
  • Magnets (especially neodymium or rare earth magnets) can be dangerous always read the safety precautions before you handle them.

What is Magnetism?

The following pages explain the science behind how магниты Работа. Before you continue reading, watch our short video about magnetism:


A brief introductory video to magnets and electromagnets. Continue reading for more details.

When playing with magnets, you probably noticed that a magnet can be used to attract certain materials or objects, but not others. Figure 9, below, shows a magnet picking up metal screws and paper clips, but having no effect on wood, rubber, Styrofoam®, or paper.


Рисунок 9. A magnet can be used to pick up many metal objects, like screws or paper clips (left), but has no effect on some materials, including plastic, rubber, wood, or even certain metals (right).

If you have ever played with two or more magnets at once, you probably noticed that magnets can either attract or repel each other, depending on how they are positioned. This is because every magnet has a north pole и Южный полюс. Противоположный poles attract each other (north and south) and похожий poles repel each other (north-north or south-south). Magnets are often labeled with an N for the north pole and an S for the south pole, as shown in Figure 10.


Рисунок 10. Every magnet has a north pole and a south pole. Противоположный poles pull toward each other, and похожий poles push away from each other.

If you watched the video above, you may have noticed that magnetic poles can push and pull on each other without touching each other. Magnets can do this because they are surrounded by a магнитное поле. It is the magnetic field that creates the сила (a push or a pull) on other magnets or magnetic materials in the field. The magnetic field gets weaker as you get farther and farther away from a magnet so magnets can be very strong up close, but they do not have much of an effect on objects (like other magnets) that are very far away.

Magnetic fields are invisible you cannot see them with your eyes. So, how do we know they are there, or what they look like? Scientists represent the invisible magnetic field by drawing magnetic field lines. These are lines that point из the north pole к the south pole outside of the magnet (внутри the magnet they point from the south pole to the north pole). The magnetic field is strongest (or the magnet has the strongest pull or push on other magnetic material) where these lines are bunched closely together, and weakest where they are spaced farther apart. A common way to visualize magnetic field lines is to sprinkle many tiny iron filings near a magnet. The iron filings line up with the magnetic field lines, as shown in Figure 11.


Рисунок 11. On the left, magnetic field lines point from the north pole of a magnet to the south pole outside the magnet (image credit Wikimedia Commons user Geek3, 2010). On the right, you can see these lines using iron filings.

You can also detect a magnetic field by using a компас. A compass&mdashlike the one shown in Figure 12&mdashis actually a small bar magnet that is free to rotate on a pivot.


Рисунок 12. A compass is a device with a rotating magnetic needle that can be used to navigate. The N, S, E and W on the compass stand for north, south, east, and west, respectively. In this image, the N and S are partially hidden behind the needle.

Normally, a compass will align with Earth's magnetic field, so its needle will align itself roughly with the geographic north-south direction (not perfectly, though there is actually a slight offset between Earth's magnetic and geographic poles). This means that a compass can be used to navigate so you can determine which directions are north, south, east, and west. However, if you bring a compass very close to another magnet, that magnet will have a stronger effect on the needle than Earth's magnetic field. The compass needle will align with the местный (or "nearby") magnetic field (the lines shown in Figure 11).

Earth actually acts like it has a big "upside-down" bar magnet inside of it. В south pole of that bar magnet is actually near (but not perfectly lined up with) Earth's север pole, and vice versa. So, the part of a compass needle (usually the red end) that points toward the south pole of a magnet (like in Figure 13), will point toward Earth's geographic north pole. This can be confusing just look at Figure 13 if you need to remember which end of the compass needle is which!


Рисунок 13. You can imagine Earth's magnetic field like there is a giant bar magnet buried inside Earth. The magnet's south pole is close to Earth's geographic север pole, and the magnet's север pole is close to Earth's geographic south столб. Earth's magnetic and geographic poles do not line up with each other perfectly, but they are very close.

There are several different types of magnets. Постоянные магниты are magnets that permanently retain their magnetic field. This is different from a temporary magnet, which usually only has a magnetic field when it is placed in a bigger, stronger magnetic field, or when electric current flows through it. The bar magnet and paper clips from Figure 9 are examples of permanent and temporary magnets, respectively. The bar magnet is always surrounded by a magnetic field, so it is a permanent magnet. The paper clips do нет normally have a magnetic field in other words, you cannot use one paper clip to pick up another paper clip. However, when you bring the bar magnet near the paper clips, they become magnetized and behave like magnets, so they are temporary magnets. Another type of temporary magnet, called an electromagnet, uses electricity to create a magnet. See the Electromagnetism tab to learn more about electromagnets.

In everyday language, we usually just refer to magnets, and materials that are attracted to magnets, as "magnetic." Technically, these materials are called ferromagnetic. Важно отметить, что not all metals are ferromagnetic. You will notice this if you try to pick up a copper penny or a piece of aluminum foil with a magnet. The most common ferromagnetic metals are iron, nickel, and cobalt.

Ferromagnetic material contains many tiny magnetic domains at the microscopic level. Each magnetic domain has its own tiny magnetic field with a north and a south pole. Normally, these domains point randomly in all different directions, so all the tiny magnetic fields cancel each other out, and the overall material is not surrounded by a magnetic field. However, when a material is magnetized (usually by putting it in a strong magnetic field), all of these tiny magnetic fields line up, creating an overall larger magnetic field.


Рис 14. In ferromagnetic material, tiny magnetic fields can be oriented randomly in different directions, canceling each other out. In this case, the material will not show magnetic characteristics (left). When the magnetic fields line up and all point in the same direction, they combine and create a large magnetic field. The material will then show the characteristic of a magnet (right).

How, exactly, the tiny magnetic fields are generated depends on how электроны move inside atoms. This is one example of how magnetism and electricity are connected.

  • To learn more about electrons and electricity, see the Static Electricity tab.
  • To learn more about how magnetism and electricity are connected, see the Electromagnetism tab.

Safety Tips

Magnets are fun and useful, but can also be dangerous if they are not handled properly. Small magnets should always be kept away from small children and pets, because they can cause serious injury if they are swallowed. Very strong magnets, like neodymium magnets, can pull together with a very high force, pinching your fingers if they are caught in between. You should always keep magnets away from electronic devices, like computers and cell phones, and away from credit cards (or any other card with a magnetic strip). This is because the data on these devices is often stored using magnetic recording, and can be erased when it comes close to a strong magnetic field. If you are doing a Science Buddies project involving magnets, be sure to read the safety precautions for that specific project before you start.

Related Science Projects

Click here for a list of science projects related to magnetism.

Summary of Key Concepts

  • Electromagnetism includes the study of electricity, magnetism, and how they are connected.
  • An electromagnet is a temporary magnet that only generates a magnetic field when electric current is flowing.
  • Some electromagnets create very strong magnetic fields when current is flowing.

What Is Electromagnetism?

Примечание: We recommend reading the section on Magnetism and watching our introductory video before you read the section about electromagnetism. The video includes a segment about electromagnets.

Electricity and magnetism are very closely related. The study of both, and how they are connected, is called electromagnetism. This page is just a brief introduction to electromagnetism, and contains information you may find useful for Science Buddies projects. There are entire учебники written about electromagnetism, though this is just the beginning!

One common example of the interaction between electricity and magnetism is an electromagnet. An electromagnet is a special type of temporary magnet that only generates a magnetic field when electric current is flowing (you can learn more about electric current in the Current Electricity tab). This makes electromagnets very convenient because they can easily be turned on or off, and can create very strong magnetic fields.

A single, straight wire with current flowing through it creates a circular magnetic field configuration, as shown in Figure 15.


Рисунок 15. This illustration shows the magnetic field around a current-carrying wire. The current (capital letter "I") is represented by the white arrow. The magnetic field (capital letter "B") is represented by the red arrows. You can use your right hand, as depicted, to determine the direction of the magnetic field. See the technical note, below, for more information about the "right-hand rule." (image credit Wikimedia Commons user Jfmelero, 2008)

The hand in Figure 15 represents the правило правой руки, used to predict the direction of the magnetic field induced (or created) by a current. When you point the thumb on your right hand in the direction of current flow, your fingers curl in the direction of the magnetic field. If the current reverses direction, the magnetic field lines will also reverse direction.

A bigger current will produce a stronger magnetic field. However, even a strong current in a single wire does not make a very strong electromagnet. To make a much stronger electromagnet, you can wrap the wire into a coil, as shown in Figure 16. The magnetic field near a coil of wire looks very similar to the magnetic field near a bar magnet. (Can you figure this out using the right-hand rule explained above?) Just like with a single wire, if the electric current reverses direction, the magnetic field around the coil will also reverse direction.


Рисунок 16. When there is no current flowing through a wire coil, there is no magnetic field (top). When electric current flows through the coil, it creates a magnetic field very similar to the field around a bar magnet, represented by the green/red arrow in the coil (middle)). If the direction of the current reverses, the direction of the magnetic field also reverses (bottom).

To make an electromagnet even stronger, you can wrap the coil around a ferromagnetic основной, as shown in Figure 17 (refer back to the Magnetism tab to learn about ferromagnetic materials). That way, when the electromagnet turns on, it magnetizes the core. The magnetic fields of the coil and the core then add up, creating an even stronger electromagnet.


Рисунок 17. Many electromagnets are made by wrapping wire around a ferromagnetic core (like a nail or a bolt). When the coil is not powered by a battery or other source of electricity (open circuit), no magnetic field is present, as shown in the picture to the left. When the coil is connected to a battery and electric current flows through it (closed circuit), a magnetic field is created, allowing the electromagnet to pick up the paper clips, as shown in the picture to the right. When the current shuts off again (circuit is opened again), the magnetic field goes away, and the paper clips are dropped. You can see this effect much more clearly in our Introduction to Magnetism video.

An electric current is nothing more than moving electric charges. Anytime an electric charge moves, a magnetic field is created. You might wonder if moving magnets (or a changing magnetic field) would create an electric current or get electric charges to move. The answer is yes, it can. This aspect of electromagnetism is often used to create electricity in electric generators. You can learn more about the link between electromagnetism and generating electricity in some of the hands-on projects linked below.


Can someone explain to me the difference between potential and potential energy in details?And,work done in a conservative force field is the difference in potential or potential energy?

Потенциал basically tells us the способность of an object to do some work .

А также Потенциальная энергия is the amount of energy it acquires due to that Potential difference.

Explanation:

"NOTE" - Mostly we talk of Potential difference скорее, чем Absolute Potential because it is a relative quantity.

Potential Energy is the energy which arises due to the difference in Potential.

Important observation :-

  • Each object in the universe tries to attain low POTENTIAL state.
  • That's why electric charges (+ve or -ve) move from region of high potential to low potential.
  • Objects fall toward earth in the direction of уменьшение POTENTIAL
  • Electrons tend to be near the nucleus of the atom #ie# in the region of least potential.

# Potential energy is a relative quantity, it depends on where we choose the potential energy to be Zero (Datum).

Due to difference in vertical height , the Gravitational Potential changes and so does the Gravitational potential energy and this Gravitational potential energy is given by the formula :

#PE_g=mgh# where #m# is the mass of the object #g# is the acceleration due to gravity and #h# is the height above the Datum line (which is the floor/ground normally).

The relation between the Force and Potential is :-
#vecF=-vecgradU# where #F# is the Force and #U# is the potential.

In case of a charged parallel plate Capacitor we can see that due to accumulated opposite charges on the plates a Potential difference is generated #ie# it has ability to do some work and the amount of work it can do is known as the Потенциальная энергия stored inside that capacitor.


The answer is getting quite long, so I can't write more examples I hope it helps :)


Определения

Растровый электронный микроскоп

A Scanning Electron Microscope uses a beam of electrons to scan the surface of an object to create an image detailing the topography and composition of the object’s surface.

Просвечивающий электронный микроскоп

A Transmission Electron Microscope is a piece of scientific equipment used to magnify objects. It aims a beam of electrons onto the object to form a magnified image called a micrograph.


Energy state

Наши редакторы проверит присланный вами материал и решат, нужно ли редактировать статью.

Energy state, также называемый Уровень энергии, in physics, any discrete value from a set of values of total energy for a subatomic particle confined by a force to a limited space or for a system of such particles, such as an atom or a nucleus. A particular hydrogen atom, for example, may exist in any of several configurations, each having a different energy. These energy states, in their essentials, remain fixed and are referred to as stationary states.

The state of a hydrogen atom, or any submicroscopic system, however, may change from one configuration to another by emitting or absorbing a discrete amount of energy. Such configurations are also called energy levels the atom, or system, is said to undergo a transition between two energy levels when it emits or absorbs energy. The lowest energy level of a system is called its ground state higher energy levels are called excited states. Смотрите также Franck-Hertz experiment.


Использованная литература

  1. ↑ 1.01.1 PV Education. (September 26, 2015). Band Gap [Online]. Available: http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/band-gap
  2. ↑ HyperPhysics. (September 26, 2015). Band Theory of Solids [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/band.html
  3. ↑ Wikimedia Commons. (September 26, 2015). Band Gap Comparison [Online]. Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0b/Band_gap_comparison.svg/2000px-Band_gap_comparison.svg.png
  4. ↑ HyperPhysics. (September 26, 2015). Insulator Energy Bands [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/band.html#c4
  5. ↑ HyperPhysics. (September 26, 2015). Conductor Energy Bands [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/band.html#c6
  6. ↑ HyperPhysics. (September 26, 2015). Semiconductor Energy Bands [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/band.html#c5