распределение электрического потенциала в среде

[rambler87]

Уважаемые форумчане, посоветуйте с техникой проведения эксперимента.
Задача такая установить распределение потенциала между двумя электродами при поддержании на этих электродах какой-то фиксированной разницы электрических потенциалов. Среда представляет собой слабый электролит.

Моя схема: вначале попробовал использовать такую схему: два электрода из инертного материала и третий электрод шунт (из того же материала) - однако, наверное, в такой схеме сам шунт вносит существенное искажение в распределение потенциала и перераспределение плотностей тока ионов в среде?

PS Важно ли тут принципиально устройство измерительного прибора: или достаточно вольтметра-милливольтметра или нужен (лучше) использовать потенциометр?
Желательно ли для соединения измерительного электрода шунта с кюветой использовать какой-то капилляр по типу капилляра Луггина.

Спасибо

[VTur]

Электролиз идет? Или на электродах возникает слой экранирующихионов?

[ Post made via Android ]

[rambler87]

если ток не идет - то потенциал в основном объеме среды рано или поздно станет одинаковым?
Дело в том, что нас интересует только градиент потенциала в среде - ток же идет порядка 1 - 10 мкА.

Спасибо

Конкретная проблема следующая: вообще, зачем все это нужно: управление поведением живых клеток в среде (которые имеют собственный мембранный потенциал (разность потенциалов на внутренней и наружной сторонах мембраны) порядка - 70 мВ относительно внутренней стороны мембраны) можно осуществить поместив (или создав) в пространстве где находится клетка градиент потенциала. Сам размер клетки порядка 250 мкм

[Zabolot]

Мои примитивные познания в электрохимии говорят, что более или менее большой скачок потенциала наблюдается только в ДЭС (двойном электрическом слое) электродов, который редко бывает более чем несколько микрон (и то в вязких средах с огромными коэффициентами диффузии). Может ли градиент создаваться при помощи хитрой проточной кюветы с ламинарным потоком мимо мембраны (т.е. ваших клеток) перпендикулярно движению заряда, если низкоподвижные ионы использовать (типа ЧАО)? Надо читать Никольского, вряд ли он обошел этот вопрос.

[MONSTA]

Вопрос таких измерений - до крайности скользкий. Прежде всего, потому что надо точно представлять, чем обусловлен потенциал всех электродов. При измерениях на постоянном токе можно взять три хлорсеребряных электрода (в голом виде! не так, как они продаются как электроды сравнения - в стеклянной рубашке), сунуть их в раствор хлорида, и измерять. Хлорсеребряный электрод имеет достаточно высокую скорость электродной реакции, и при пропускании не слишком большого тока его потенциал будет мало отличаться от равновесного. Как говорится в этом случае, имеет малую поляризацию. Поэтому даст сравнительно точные данные.

Недостатки:

1) из-за протекания электродного процесса на катоде вскоре будет одно серебро, а на аноде - его хлорид. Их нужно периодически менять местами... хотя это не спасет от других осложнений.

2) Они, например, это весьма медленное установление равновесного потенциала на "голом" хлорсеребряном электроде. Ну, тут процессы медленные, с участием осадка, с комплексообразованием... Короче, точности в десятые милливольта просто никогда не дождетесь (я некогда пытался!). Если устраивает точность в милливольты, то пойдет.

3) Но тут сразу возникает вопрос точности измерений. Мы уже знаем, что про измерения с точностью менее 1 мВ можно не думать. Значит, нам надо поднимать токи, чтобы работать с более высокими разностями потенциалов. Но тут у нашего хлорсеребряного электрода будет начинаться заметная поляризация, т.е. отклонение потенциала от равновесного. Пока оно сравнимо с дрейфом потенциала электрода, из-за медленного установления равновесия, можно в ус не дуть. То есть, это, условно говоря, средние токи, не слишком большие. При больших уже пойдет заметная погрешность.

4) Еще один нехороший момент - довольно заметная растворимость хлорида серебра в концентрированных растворах хлоридов из-за комплексообразования. Несколько опытов - и Ваши электроды больше не будут хлорсеребряными.

Типа, дисклаймер. Никогда не занимался подобными измерениями. Но кое-что можно пованговать на основании собственных знаний и опыта, а также того, что написано в книжках про кондуктометрию (похожие задачи решаются). Кажется, упомянутая книжка Никольского кондуктометрию на постоянном токе затрагивает.

[alien308]

Можно название книжки Никольского?

[Лекарь МС]

А электростатический потенциал не подходит?
За счет разведения ионов создаётся поле внутри среды(раствора).
Чтоб снизить токи утечки - применяйте фторопласт.
Замерить градиент раствора можно будет вольтметром.
Дальше измеренный потенциал на расстояние между электродами...
То, что пластины под напряжением будут снаружи резервуара, понятно?

[MONSTA]

В такой системе никогда не будет чисто электростатического потенциала, независимого от потенциалов электродных процессов, протекающих на электродах. Электроды в раствор придется пихать совместно с пресловутым "пробным зарядом" на них...

Пластины вне резервуара никогда не дадут распределения поля для случая пластин, погруженных в раствор. И, кроме того, такой вариант (с внешними пластинами) годится только для высокочастотных переменнотоковых измерений. Пристегнуть к результатам которых "внутренний" электрод - это умение на грани искусства!

[Лекарь МС]

У, как всё в кучу.
Конечно, распределение в центре пластины и по краям будет отличаться.
Так может типа чашки Петри, только одна пластина снизу, под донышком, а другая под крышкой.
Исследуемое в центре.
Чтоб был электростатический почище - посуда фторопластовая.
Если есть сомнения - погуглить "конденсатор с диэлектриком" или что-то близкое.
Градиент будет, так что если осмос уровняет, а клетка по поверхности более электропроводна,
то всё равно что-то будет.
Или одну пластину в среду, а второй электрод над средой, под крышкой.
rambler87, статьи по теме с описанием эксперимента есть?

[MONSTA]

У, как всё в кучу...

Если есть сомнения - погуглить "конденсатор с диэлектриком" или что-то близкое...

Или одну пластину в среду, а второй электрод над средой, под крышкой.

Как бы это сказать... по моему мнению, именно Вы мешаете в кучу измерения на переменном токе высокой частоты (вроде описанной диэлькометрии, типа, конденсатор с диэлектриком). Хотя, правда, с удивлением для себя обнаружил, залезши в интернет, что диэлькометрия бывает и постояннотоковой. Честно, не знал. Может, Вы где-то и правы.

Ну, пусть я в этом вопросе и был не прав, но распределение потенциала для электродов, находящихся вне раствора, и погруженных в раствор совершенно определенно должно отличаться!

[Лекарь МС]

Прав-не прав, какая сейчас разница? Тут бы ещё ТС подробнее описал бы эксперимент, вот и стало бы понятнее.
При погруженных электродах обязательно будет протекать ток со всеми вытекающими процессами.
А когда погружен только один или же среда находится внутри заряженного конденсатора - ток протекать не будет.
Кроме токов утечек, естественно.
Среда в кювете поляризуется. Кювета естественно должна быть диэлектрическая.
Считать как конденсатор с многослойным неоднородным диэлектриком.
Сродни двойному слою на электроде.
Если запитать конденсатор от генератора - получится переменное поле(синус, пила, треугольник, другая форма).
Вот будет ли успевать среда в кювете поляризоваться за этим изменением поля - второй вопрос.

[rambler87]

Спасибо за ответ.
Конкретно задача такая:
Живая клетка имеет-создает собственное электрическое поле, имеет собственный мембранный потенциал.
Поведение клетки зависит от распределения потенциала по её поверхности, который, в частности, может быть изменен при наложении внешнего электрического поля. (то есть и статические заряды по идеи могут привести к изменению поведения клеток, как в случае помещения среды содержащей клетки в пространство между пластинами заряженного конденсатора).
У нас же используются обычные металлические электроды погруженные в среду (содержание электролита в дистиллированной воде не превышает десятка ммоль)
И возникает вопрос о том, как, при подаче напряжения на электроды, распространиться мембранный потенциал между электродами и наложится на "собственный" мембранный потенциал клеток.
Простое суммирование электрических полей мембраны и внешнего электрического поля (такая интерпретация дается у Хаусмана - биолога, протозоолога) возможно не совсем корректная модель: но, так или иначе, у клеток со стороны катода и анода наблюдается частичные гиперполяризации и деполяризации мембраны.
В одной японской статье (к сожалению на японском) используется трех-электродный метод для выяснения распределения потенциала между электродами в ячейке (в отсутствии живых клеток).
http://www.k2.t.u-tokyo.ac.jp/mvf/elect ... omec04.pdf

PS 1- как я понимаю задача прямого измерения распределения потенциала в электролите - очень проблематична - в чем тут причина? Если бы нам было необходимо узнать профиль потенциала в металлическом проводнике (не в статике - когда потенциал внутри проводника постоянный, но в случае электродинамики) (от анода к катоду) - мы бы встретились с теми же трудностями - или тут бы помогло прямое измерение потенциометром, например. Или прямое измерение электрического заряда и его изменение по-вдоль проводника?
2 - предположим имеем систему зарядов (ионов) - знаем динамику их движения и распределения (с какой-то, конечно, конечной точностью - в этом случае мы можем рассчитать теоретически разность потенциалов между любыми двумя точками данной системы?

[Лекарь МС]

Ну вот почему надо опускать электроды в раствор?
Чтоб шли процессы на аноде а катоде?
Если течёт ток, то поле не статическое.
При протекании тока появляется магнитное поле.
Статьи по этой тематике должны быть ещё.
Возможно с результатами хоть какими-нибудь.
Или вы первопроходимцы?

[rambler87]

традиционно везде биологи использовали именно такие методы: вариации были только касаемо использования поляризуемых-неполяризуемых электродов - но поскольку сами биологи, как правило, были слабо знакомы с электрохимией и физикой - методы измерения распределения потенциала между электродами у них сводились к трехэлектродным ячейкам.

То есть если мы будем иметь два платиновых электрода, погруженных в проводящую жидкую среду и будем использовать третий электрод подвижный в среде (либо погружной капилляр - что наверное лучше? соединенный с ячейкой с измерительным электродом) - допустим один из питающих электродов и измерительный электроды соединены вольтметром либо потенциометром (вообщем, какую тут лучше сравнительную измерительную систему выбрать) - в результате мы все равно не получим желаемых данных: распределение электрического потенциала в среде?

[rambler87]

Ещё раз спасибо всем за ответы.
Уважаемый, Лекарь МС, вот здесь описание поведения клетки и на странице 2 объяснения механизма самого гальванотаксиса организмов (одной из возможных моделей объяснения).
http://www.k2.t.u-tokyo.ac.jp/mvf/model/ogawa_jtb06.pdf

Взаимодействие между двумя электрическими полями (мембранным и внешним) описывается так:
When an electric field is applied, a voltage gradient
appears from the anode to the cathode. According to
electrochemistry, most of the gradient is concentrated
near the regions called electric double layers formed
near the electrodes, and only a slight gradient is
produced in the bulk solution due to its electric
resistance (Bergethon, 1998).

Вообще же реальное положение дел на мембране живой клетки да при наложении ещё и внешнего поля с градиентом потенциала (а если это внешнее поле ещё и "неоднородно") очень сложная задача - но теоретически предсказать поведение такой системы ведь возможно - хотя бы не количественно, но качественно расписав происходящие процессы?

[Лекарь МС]

Пробежал по статье, сильно не вникал, поле 4,1В/см.
что-то про двойной слой на электроде.
Но моё мнение - статья "не фонтан", если не сказать более точно, но тогда менее литературно.
Для начала понимания процессов надо почитать:
1. Диполь в электростатическом поле.
2. Диэлектрик в электростатическом поле(поляризация диэлектрика).
3. Заряд в электростатическом поле.
Про поворот клетки - если она не сферическая, то естественно, что в поле она будет ориентироваться с минимальным механическим моментом. А если сферическая - не будет ли переставать быть сферической в статическом поле?
Если дрейфует к катоду - клетка заряжена положительно.
Ну как никак мембрана и всё такое...
Частота 1 кГц, кажется прямоугольник. Про синус нигде не упоминается(не заметил).
С моей точки зрения для чистоты эксперимента надо бы было убрать электродные процессы и оставить только полевые.
При этом клетка так же смогла бы поворачиваться и дрейфовать, даже без протекания тока в кювете.
Но это наверно был бы уже электротаксис. Зато японцев можно было бы поймать на не компетенции. Или у вас защита друг друга, даже если кто-то явный лжец или занимается подлогом?
Так в чём идея? Удовлетворение собственного любопытства за государственный счёт?
То, что это делалось в вузе, я вроде понял, но для руководителя как-то стыдно вузовский курс продвигать, даже на студентах.
А тем более если в теории ошибки.
Глядя на используемое оборудование, так и хочется сказать - оборудование японцы делать умеют. Больше сказать нечего.
Первопроходимцы?
rambler87, хочется быть второпроходимцем?
Или надо было прочитать статью и дать своё заключение?

[rambler87]

Ну вроде того)
Не то чтобы там дрейф идет клеток -это активный отклик работы ресничного двигательного органа клетки на мембранный потенциал.
Постулируют же они в японской статье можно сказать следующее:
1. клетка имеет на мембране собственное электрическое поле покоя (механизм опять же они не рассматривают строго в данной статье ссылаясь на другие источники- как и какими мембранными процессами это поле формируется)
2. При наложении внешнего электрического поля (опять не вдаваясь в детали как это внешнее поле лучше измерить и какова его природа и есть ли электродные процессы и есть ли ток ионов в среде) клетка в среде попадает в градиент потенциала.
3. Происходит грубо говоря "сложение" электрических полей: со стороны катода - деполяризация, со стороны анода - "гиперполяризация "- то есть уже нет потенциала покоя на мембране - более того, если идти от анода к катоду (по мембране) и каким-то образом снимать разность потенциалов между её внутренней и наружной поверхностью мы будем иметь не одинаковую разность (как в случае отсутствия внешнего электрического поля) но "плавное" (в результате векторного сложения электрических полей?) изменение потенциала от гиперполяризации до деполяризации.
4. Далее занимаемся уже электрофизиологией: грубо говоря функционирование транспортной ионной системы мембраны клетки есть какая-то функция от мембранного потенциала (электрического поля мембраны). Так как у нас изменилось распределение потенциала от анода к катоду по мембране это привело как перераспределению специфических месенджеров-регуляторов работы ресничного-двигательного аппарата клетки
5. В результате наличия на мембране одновременно: с одной стороны гиперполяризации, с другой - деполяризации ресничный аппарат в разных частях клетки будет работать по-разному.
6. Такая ассиметрия работы ресничного аппарата приведет к вращающему моменту и развернет всегда клетку к катоду: то есть действие тока и электрического поля тут не прямое, а опосредовано через мемранный потенциал и регуляцию работы ресничного аппарата клетки.

В этой статье вообще показана достаточно хорошая сопоставимость мат. модели поведения реальному поведению клеток парамеций: однако, как вы точно заметили, если с точки зрения биолога и биохимика - все "достаточно гармонично и логично звучит", то с точки зрения физики электромагнетизма, электрохимии и т.д. описание эксперимента в этом плане очень не точно и практически не воспроизводимо.

И в частности возникает такой вопрос: качественно (со сложением электрических полей и т.д.) модель не имеет серьёзных нареканий, и, во-вторых, какую методику можно использовать для оценке потенциалов в этих сложных системах? И возможно ли вообще прямое измерения или только косвенные теоретические расчеты.
Например возникают такие вопросы: представим следующую систему: источник питания и один из электродов, заряженный отрицательно, опускается в среду содержащую клетки: что будет происходить (можно ли это теоретически обдумать), измениться ли мембранный потенциал клеток в случае такой разомкнутой системы?

[rambler87]

от так предполагается изменяется разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны клетки при наложении внешнего электрического поля: в отсутствии поля эта разность в покое составляет около -70 мВ при наложении внешнего поля её считают линейно изменяющейся - то есть тут происходит суммарование векторов поля электрического внешнего и мембранного?
Не совсем корректный рисунок - на втором графике точка пересечения с осью будет ниже потенциала покоя (гиперполяризация)

[Лекарь МС]

Мда, даже в Питере биологи не стараются химию выучить, физику "проходят", от того и страдают.
Эксперимент с расческой, волосами и листиком бумаги известен со школьных времён.
А вот эксперимент "возмись за два провода из розетки" никто не проводит.
Или за два провода у троллейбуса.
Но эксперимент с розеткой и троллейбусом будет в корне разным.
rambler87, эксперимент "не чистый".
Наложение статики с протеканием тока.
И что вносит свой вклад и куда - не понятно.
Какое поверхностное сопротивление клетки?
Ток может шунтироваться по поверхности клетки, а может наоборот, обрываться на поверхности.
Какая толщина стенок(мембраны) клетки?
Напряженность поля можно посчитать.
Таким образом, можно посчитать БЕЗ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА распределения потенциала.
И много всякого прочего насчитать.
Это диплом или кандидатская? На докторскую явно не потянет.
Может написать? Сколько денег даёте или дают?
Потому как всё рассказывать жизни не хватит.

[Лекарь МС]

Проведение эксперимента без протекания тока даст значения для электротаксиса.
Потом с протеканием тока.
Кстати, почему на графике не отражён скачок на границе(мембране) клетки???