Ηλεκτρικές Δυνάμεις και Πεδία

Transcript

1 Ηλεκτρικές Δυνάμεις και Πεδία Εξαιρώντας τη βαρύτητα, τελικά όλες οι δυνάμεις με τις οποίες είμαστε εξοικειωμένοι, οφείλονται σε ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Ώθηση και έλξη, τριβή, τάση, συμπίεση, διάτμηση, καθώς και ιξώδεις δυνάμεις, έχουν όλες ηλεκτρομαγνητική προέλευση. Άλλες δυνάμεις που μαθαίνουμε είναι επίσης ηλεκτρομαγνητικές, συμπεριλαμβανομένων και των ιστορικά χωριστών ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων, όπως και των διαφόρων δυνάμεων χημικού δεσμού. Το φως και άλλες μορφές (μη πυρηνικής) ακτινοβολίας είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης και μπορούν να εξασκήσουν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.

2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Το ηλεκτρικό φορτίο είναι ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων και είναι δύο ειδών, θετικό και αρνητικό. Επίσης είναι μέγεθος κβαντισμένο, πάντα πολλαπλάσιο μίας διακριτής, ελάχιστης δυνατής μονάδας. Το κβάντο του ηλεκτρικού φορτίου είναι: e = 1, C και έχει μέτρο ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου ή του πρωτονίου. Θεωρείται θετικό, άρα το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι e. Όλα τα γνωστά σωματίδια βρέθηκαν να έχουν ηλεκτρικά φορτία που είναι πολλαπλάσια του ± e.

3 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Σε μακροσκοπική κλίμακα, η ύλη είναι τυπικά ηλεκτρικά ουδέτερη, συνιστώμενη από ουδέτερα άτομα και μόρια. Όμως, επειδή ο αριθμός των μορίων είναι τόσο μεγάλος, ακόμη και ένα σχετικά μικρό ποσοστό φορτισμένων ατόμων ή μορίων (γνωστών ως ιόντα), δίνει σε ένα σώμα ένα καθαρό φορτίο, που μπορεί να οδηγήσει σε μακροσκοπικές ηλεκτρικές δυνάμεις μεταξύ φορτισμένων σωμάτων. Συχνά, ένα σώμα φορτίζεται με μεταφορά ηλεκτρονίων από ένα άλλο σώμα, ώστε το ένα να έχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων και το άλλο πλεόνασμα πρωτονίων. Ακόμη, πολλά ουδέτερα μόρια έχουν τα κέντρα θετικού και αρνητικού φορτίου σε διαφορετικές θέσεις (λέγονται πολικά μόρια). Αυτή η διαφορά μπορεί να έχει μόνιμο χαρακτήρα, όπως στο νερό, ή να επάγεται μέσω ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης με άλλα σώματα. Oυδέτερα μόρια μπορούν να αλληλεπιδρούν με καθαρά φορτία, ή ακόμη με άλλα πολικά μόρια, αν και οι δυνάμεις που παράγονται είναι ασθενέστερες από αυτές μεταξύ φορτισμένων μορίων.

4 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου Το καθαρό ηλεκτρικό φορτίο ενός απομονωμένου συστήματος παραμένει σταθερό. Η φύση, σαν απόλυτος λογιστής, φαίνεται να είναι εκπληκτικά ακριβής στο να συντηρεί το ολικό φορτίο. Σε κάθε χρονική στιγμή, το ολικό φορτίο ενός συστήματος παραμένει σταθερό, ακόμη κι αν ο αριθμός και η ταυτότητα των σωματιδίων αλλάζουν. Δεν έχει βρεθεί εξαίρεση στη διατήρηση του φορτίου, όσο πολύπλοκο κι αν είναι ένα σύστημα.

5 Το πείραμα του Millikan Προσδιορισμός της τιμής του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου Απλό: Απλοί υπολογισμοί: Αναλυτικό:

6 Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ COULOMB Ζεύγος αντίθετων δυνάμεων Coulomb μεταξύ δύο ομόσημων σημειακών φορτίων Ο εκθέτης στο r είναι ακριβώς 2. Προσεκτικά πειράματα τον υπολόγισαν ακριβώς με ακρίβεια 16 δεκαδικών ψηφίων, δηλαδή ένα στα Οι δυνάμεις Coulomb είναι δυνάμεις μακράς εμβέλειας, καθώς μειώνονται κατά 1/r 2, χωρίς να μηδενίζονται θεωρητικά. Στην πραγματικότητα οι δυνάμεις Coulomb δεν εκτείνονται απεριόριστα, διότι πάντα υπάρχουν άλλα γειτονικά φορτία που τείνουν να περιορίσουν την εμβέλεια της δύναμης (θα το επανεξετάσουμε στη συζήτηση για τα φορτία σε διάλυμα).

7 Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ COULOMB Αν τα δύο φορτία είναι στο κενό, η σταθερά k είναι: k = 9, N.m 2 /C 2 αλλά η σταθερά μεταβάλλεται σε διαφορετικά μέσα. Ο νόμος του Coulomb γράφεται συνήθως (για να απλοποιηθούν επόμενες εξισώσεις) συναρτήσει μίας άλλης σταθεράς ε 0, της διαπερατότητας του κενού, όπου k =1/4πε 0 ώστε: ε 0 = 8, C 2 /N.m 2

8 Ηλεκτρική vs βαρυτική δύναμη (στον μικρόκοσμο) Ανάμεσα σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο που απέχουν 0,1 nm ασκείται ελκτική ηλεκτρική δύναμη με μέτρο : Αν και φαίνεται μικρή δύναμη, στην πραγματικότητα είναι σχετικά μεγάλη, αν τη συγκρίνουμε με τη μετρημένη δύναμη μεταξύ των μορίων της μυοσίνης και της ακτίνης (οι σημαντικότερες πρωτεΐνες που αποτελούν τους μύες), που είναι μερικά piconewtons (10-12 N) Πόσο ισχυρότερη είναι η ηλεκτρική δύναμη μεταξύ ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου από τη μεταξύ τους βαρυτική δύναμη; mp/me = Q p = q e = e Όπου εμπλέκονται ηλεκτρικές δυνάμεις, οι βαρυτικές δυνάμεις μπορούν να παραλειφθούν εντελώς.

9 Από τα σημειακά φορτία στα πραγματικά σώματα Σημειακά φορτία όταν: η απόσταση μεταξύ των σωμάτων είναι πολύ μεγαλύτερη από τις διαστάσεις τους (προσέγγιση σωμάτων ως υλικά σημεία) σφαιρικά αντικείμενα ομοιόμορφα φορτισμένα (με τρόπο σφαιρικά συμμετρικό). Παίρνουμε σαν απόσταση r την απόσταση μεταξύ των κέντρων των σφαιρών, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ των επιφανειών τους. Πραγματικό, εκτεταμένο σώμα: Εάν είναι φορτισμένο, π.χ. με μεταφορά φορτίου στην επιφάνειά του, τότε η κατανομή φορτίου στο σώμα θα εξαρτηθεί από τις ηλεκτρικές του ιδιότητες (αγωγός μονωτής ημιαγωγός)

10 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΠΕΔΙΑ Χρησιμοποιώντας την έννοια του σημειακού φορτίου ελέγχου, που κατά σύμβαση είναι θετικό, μπορούμε να εισάγουμε τον ορισμό του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο του χώρου ως: Άρα οι μονάδες του είναι N/C. Το ηλεκτρικό πεδίο ενός σημειακού φορτίου έχει σφαιρική συμμετρία Το ηλεκτρικό πεδίο στη θέση του q* είναι ανεξάρτητο από το μέτρο του φορτίου ελέγχου, εξαρτώμενο μόνο από τα φορτία που δημιουργούν το και τη θέση τους ως προς το q*. Το ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει ανεξάρτητα από την παρουσία ή όχι του φορτίου q* σ αυτή τη θέση.

11 Ηλεκτρικό πεδίο από συνεχή κατανομή ηλεκτρικού φορτίου Για να βρούμε το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από μια συνεχή κατανομή ηλεκτρικού φορτίου, το φορτισμένο αντικείμενο διαιρείται σε μικρά στοιχεία, καθένα από τα οποία προσομοιάζει με ένα σημειακό φορτίο. Το διακριτό άθροισμα ηλεκτρικών πεδίων πρέπει να αντικατασταθεί από συνεχή άθροιση, με αλγεβρικό λογισμό

12 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΠΟΛΑ Υπολογισμός ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο της μεσοκαθέτου του ευθύγραμμου τμήματος που ενώνει ζεύγος ίσων και αντίθετων φορτίων Λόγω συμμετρίας οι y-συνιστώσες αλληλοαναιρούνται και οι x- συνιστώσες προστίθενται για να δώσουν το συνιστάμενο ηλεκτρικό πεδίο. Το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο είναι ίσο με τη συνισταμένη κατά τον άξονα x: Μας ενδιαφέρει η περίπτωση όπου η y >> d. Σ αυτό το όριο, τα ίσα και αντίθετα φορτία είναι γνωστά σαν ηλεκτρικό δίπολο και μπορούμε να αγνοήσουμε τον όρο (d/2) σε σχέση με το y στον παρονομαστή, οπότε:

13 ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΔΙΠΟΛΑ Ορίζεται ως ηλεκτρική διπολική ροπή το γινόμενο p = qd με κατεύθυνση από το αρνητικό προς το θετικό φορτίο. Ένα ηλεκτρικό δίπολο είναι ένα ζεύγος ίσων και αντίθετων φορτίων, με τη μεταξύ τους απόσταση πολύ μικρότερη από την απόσταση από το σημείο παρατήρησης. Ας σημειωθεί πως το ηλεκτρικό πεδίο του διπόλου μειώνεται ταχύτερα (σαν 1/r 3 ) σε σχέση με ένα σημειακό φορτίο (1/r 2 ), κάτι αναμενόμενο λόγω της μερικής εξουδετέρωσης των αντίθετων φορτίων του διπόλου.

14 ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ Το ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα παράδειγμα διανυσματικού πεδίου. Σε κάθε σημείο {x,y,z} αντιστοιχίζεται ένα διάνυσμα Ε, του οποίου η τιμή μπορεί να εξαρτάται και από τον χρόνο, Ε (x,y,z,t). Στην περίπτωση στατικών φορτίων, δεν θα υπάρχει εξάρτηση από τον χρόνο και σε κάθε σημείο του χώρου αντιστοιχίζεται ένα σταθερό διάνυσμα.

15 ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ Χρησιμοποιήσαμε ήδη τη χαρτογράφηση ενός διανυσματικού πεδίου όταν συζητήσαμε τη μόνιμη ροή ενός ρευστού και χρησιμοποιήσαμε την έννοια των γραμμών ροής για να απεικονίσουμε το διανυσματικό πεδίο ταχύτητας. Όπως και τώρα, χρειάστηκε να απεικονίσουμε όχι μόνο τα μέτρα των διανυσμάτων, αλλά και τις διευθύνσεις τους. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια αναπαράσταση γνωστή ως γραμμές ηλεκτρικού πεδίου (γραμμές ροής στην περίπτωση των ρευστών). Σύμφωνα με αυτή, σχεδιάζονται περιγράμματα, τα οποία σε κάθε σημείο εφάπτονται στις διευθύνσεις των διανυσμάτων του πεδίου. Για να ενσωματωθεί η πληροφορία του μέτρου των διανυσμάτων, η πυκνότητα των γραμμών είναι ανάλογη του μέτρου του πεδίου σε κάθε περιοχή. Περιοχές με πυκνές γραμμές αντιστοιχούν σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, ενώ περιοχές χωρίς γραμμές αντιστοιχούν σε ασθενή ή μηδενικά πεδία.

16 ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ

17 Ηλεκτρικό πεδίο από συνεχή κατανομή φορτίου Περιπτώσεις με υψηλή συμμετρία και ομοιόμορφη κατανομή θετικού φορτίου Λόγω συμμετρίας, το ηλεκτρικό πεδίο ενός μακρού φορτισμένου σύρματος πρέπει να είναι ακτινικό και να εξαρτάται μόνο από την απόσταση από το σύρμα (μακριά από τα άκρα του).

18 Περίσσεια ηλεκτρονιακού φορτίου σε απομονωμένο αγωγό Επειδή ένας αγωγός έχει ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια, αυτά που βρίσκονται σε περίσσεια θα υποστούν απωστικές δυνάμεις μακράς εμβέλειας και πολύ γρήγορα θα κινηθούν προς την επιφάνεια του αγωγού, απ' όπου δεν μπορούν να ξεφύγουν. Στο εσωτερικό ενός στερεού αγωγού το καθαρό φορτίο είναι μηδενικό. Φτάνοντας σ αυτή την ηλεκτροστατική ισορροπία, η κατανομή φορτίου στην επιφάνεια είναι τέτοια ώστε το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του αγωγού να είναι ακριβώς μηδέν. Αυτό αποδεικνύεται με την εις άτοπο επαγωγή: αν το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του αγωγού δεν ήταν μηδέν, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα υπόκεινται σε καθαρή δύναμη και θα κινούνται, σε αντίφαση με την υπόθεση της ηλεκτροστατικής ισορροπίας. Αυτό είναι ένα γενικό αποτέλεσμα: με την επίτευξη της ηλεκτροστατικής ισορροπίας, το καθαρό φορτίο και ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό ενός αγωγού είναι μηδέν.

19 Περίσσεια ηλεκτρονιακού φορτίου σε απομονωμένο αγωγό Εάν ο αγωγός είναι απομονωμένος και έχει υψηλή συμμετρία (σφαίρα, κύλινδρος, μεγάλη επίπεδη επιφάνεια, κ.λπ.) τότε το φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια. Εν γένει, το ηλεκτρικό πεδίο κοντά στην εξωτερική επιφάνεια ενός αγωγού είναι κάθετο στην επιφάνεια. (Και πάλι χρησιμοποιούμε το άτοπο: εάν υπήρχε συνιστώσα του παράλληλη με την επιφάνεια, θα υπήρχε καθαρή δύναμη παράλληλη με την επιφάνεια, άρα και καθαρή κίνηση φορτίων, σε αντίφαση με την υπόθεση της ισορροπίας). Κάθε καθαρό φορτίο σε έναν αγωγό κατανέμεται ώστε το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό να είναι μηδέν και στο εξωτερικό να είναι κάθετο στην επιφάνεια. Εάν ο αγωγός δεν έχει συμμετρία, το φορτίο και εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο είναι μεγαλύτερα όπου η καμπυλότητα είναι μεγαλύτερη, δηλαδή όπου η ακτίνα καμπυλότητας είναι μικρότερη.

20 Ηλεκτρικά ουδέτερος αγωγός σε εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο Ακόμη και ένας ουδέτερος αγωγός έχει ελεύθερα ηλεκτρόνια που αποκρίνονται στη δύναμη που παράγει το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Γρήγορα τα ηλεκτρόνια θα κατανεμηθούν δημιουργώντας στο εσωτερικό του αγωγού ένα ηλεκτρικό πεδίο αντίθετο με το εξωτερικό. Τότε επιτυγχάνεται η ηλεκτροστατική ισορροπία, και η σταθερή επιφανειακή κατανομή φορτίου είναι ακριβώς η κατάλληλη ώστε να εξουδετερώνει το εξωτερικό πεδίο στο εσωτερικό του αγωγού. Αρχικό ομοιόμορφο εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο Παραμόρφωση του εξωτερικού πεδίου από ένα μη φορτισμένο μεταλλικό αντικείμενο, ώστε οι γραμμές πεδίου να καταλήγουν κάθετα στην επιφάνεια του αντικειμένου. Τα επαγόμενα φορτία στην μεταλλική επιφάνεια μηδενίζουν το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του μετάλλου.

21 ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ: ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ Ηλεκτροφόρηση είναι η εξαναγκασμένη μετακίνηση φορτισμένων σωματιδίων, συνήθως μακρομορίων, σε ένα ηλεκτρικό πεδίο Εάν ένα μακρομόριο έχει καθαρό φορτίο q και εφαρμοστεί ένα σταθερό και ομοιόμορφο εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο Ε, θα ασκηθεί σε αυτό δύναμη F = q E

22 ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ: ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ Ηλεκτρικές και ιξώδεις δυνάμεις τριβής που δρουν σε ένα μακρομόριο. Με την αποκατάσταση της ισορροπίας, το μόριο θα κινηθεί στο ηλεκτρικό πεδίο με σταθερή ταχύτητα. Την υπολογίζουμε θέτοντας την ολική δύναμη ίση με το μηδέν Η ηλεκτροφορητική κινητικότητα U ορίζεται σαν το πηλίκο της ταχύτητας ως προς το ηλεκτρικό πεδίο είναι μια εσωτερική ιδιότητα του μακρομορίου, που εξαρτάται μόνο από το φορτίο του και τις ιδιότητες τριβής του.

23 ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ: ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ Φορτίο μακρομορίου σε διαλύτη Μακρομόρια σαν τις πρωτεΐνες ή τα νουκλεικά οξέα, αποτελούνται από πολλές υπομονάδες, καθεμία με πολλές ιονιζόμενες φορτισμένες ομάδες που μπορούν να είναι θετικές, ουδέτερες ή αρνητικές, ανάλογα με το ph (zwitterion ή πολυηλεκτρολύτες). Οι τρεις διαφορετικές ιοντικές μορφές της αλανίνης. Οι πρωτεΐνες, που αποτελούνται από εκατοντάδες αμινοξέα, έχουν μεγάλο αριθμό μεταβαλλόμενων ηλεκτρικών φορτίων, που εξαρτώνται από το ph του περιβάλλοντος. Ρυθμίζοντας το ph, το ολικό φορτίο ενός μακρομορίου μπορεί να γίνει θετικό, αρνητικό ή ουδέτερο. Η τιμή του ph για την οποία ένα συγκεκριμένο μακρομόριο γίνεται ηλεκτρικά ουδέτερο λέγεται ισοηλεκτρικό σημείο. Για τιμές του ph χαμηλότερες του ισοηλεκτρικού σημείου το μακρομόριο έχει θετικό ολικό φορτίο, ενώ για υψηλότερο ph το ολικό φορτίο είναι αρνητικό.

24 ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ: ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ Μήκος θωράκησης (Debye) Aν και η δύναμη Coulomb είναι μακράς εμβέλειας, συνήθως τα μακρομόρια σε διάλυμα είναι ηλεκτρικά θωρακισμένα εκτός από πολύ χαμηλές τιμές ιοντικής ισχύος Λόγω της έλξης μεταξύ αντίθετων φορτίων, ένα φορτισμένο μακρομόριο σε διάλυμα θα έχει τις φορτισμένες ομάδες του περιβλημένες από μικρά ιόντα αντίθετου φορτίου, τα αντιόντα, που σχηματίζουν ένα νέφος φορτίου που τείνει να εξαλείψει την επίδραση του μακρομοριακού φορτίου πέρα από ένα χαρακτηριστικό μήκος που ονομάζεται μήκος θωράκισης, ή μήκος Debye. Περιοχή ενός μακρομορίου με το περιβάλλον νέφος των αντιόντων. Η συγκέντρωση των αντιόντων είναι συνήθως πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή των μακρομορίων. όπου κ είναι η διηλεκτρική σταθερά, χαρακτηριστική των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του διαλύτη (για το νερό κ = 80)

25 ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ: ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑΚΑ ΦΟΡΤΙΑ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ Μήκος θωράκησης (Debye) Πρακτικά, σε ιοντικές συγκεντρώσεις άνω των mm, τα μακρομοριακά φορτία εξουδετερώνονται πλήρως και δεν υπάρχουν ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις με άλλα μακρομόρια σε αποστάσεις μεγαλύτερες του 1 nm. Σε χαμηλότερες ιοντικές συγκεντρώσεις, μπορούν να υπάρξουν αλληλεπιδράσεις μεγαλύτερης εμβέλειας μεταξύ μακρομορίων.

26 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ SDS-PAGE (polyαcrylamide gel electrophoresis) SDS gel electrophoresis SDS PAGE principles - simple animated tutorial 9fQ

27 Iσοηλεκτρική εστίαση ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ isoelectric focusing of proteins

28 ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΗΣΗΣ Συχνά η ισοηλεκτρική εστίαση συνδυάζεται με SDS-PAGE στη δισδιάστατη ηλεκτροφόρηση γέλης. Σ αυτή την περίπτωση, πρωτεΐνες στη φυσική τους δομή κινούνται σε μια γέλη με βάθμωση του ph σε μία κατεύθυνση. Όταν ολοκληρωθεί αυτή η φάση, το ηλεκτρικό πεδίο αλλάζει διεύθυνση κατά 90 και οι πρωτεΐνες κινούνται σε μια νέα γέλη κορεσμένη με SDS και αποδιατακτικά. Τότε οι πρωτεΐνες αποδιατάσσονται, αποκτούν μία επικάλυψη SDS και κινούνται ανάλογα με το μοριακό τους βάρος στη νέα κατεύθυνση. Όταν ολοκληρωθεί κι αυτό, έχει δημιουργηθεί ένας δισδιάστατος χάρτης πρωτεϊνών, ανάλογα με το ισοηλεκτρικό τους σημείο στη μία κατεύθυνση και το μοριακό τους βάρος στην άλλη. Με τον τρόπο αυτό διαχωρίζονται πρωτεΐνες ίδιου ισοηλεκτρικού σημείου ή ίδιου μοριακού βάρους, καθώς πρόκειται για ανεξάρτητες ιδιότητες. Δισδιάστατη ηλεκτροφόρηση γέλης των κυτοπλασματικών πρωτεϊνών ενός βακτηρίου. Η κατακόρυφη κλίμακα είναι το μοριακό βάρος (σε kda) και η οριζόντια κλίμακα είναι το ισοηλεκτρικό σημείο.

29 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι

30 Ηλεκτρικοί Αγωγοί Πιο συνήθη μέλη τα μέταλλα, όπως ο χαλκός, ο σίδηρος ή το αλουμίνιο. Στους αγωγούς, τα εξωτερικά ηλεκτρόνια δεν είναι δέσμια σε κάποιο συγκεκριμένο άτομο, αλλά είναι ελεύθερα να μετακινούνται στο στερεό. Αν και ο αγωγός παραμένει συνολικά ηλεκτρικά ουδέτερος, αυτά τα «ελεύθερα ηλεκτρόνια» μπορούν να μετακινούνται υπό την επίδραση ηλεκτρικών δυνάμεων και να εμφανίζεται η χαρακτηριστική ιδιότητα των αγωγών να επιτρέπουν τη ροή των ηλεκτρονίων. Σε απουσία εξωτερικής ηλεκτρικής δύναμης, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται τοπικά στο δίκτυο των θετικά φορτισμένων μεταλλικών ιόντων με μια κίνηση τυχαίας διάχυσης, ώστε το στερεό να παραμένει τοπικά ηλεκτρικά ουδέτερο. Όταν μία εξωτερική ηλεκτρική δύναμη εφαρμοστεί σε έναν αγωγό, τα ηλεκτρόνια αμέσως ανταποκρίνονται σε όλο τον αγωγό, παράγοντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα, ή ροή ηλεκτρονίων.

31 Ηλεκτρικοί μονωτές ή διηλεκτρικά Υλικά των οποίων τα εξωτερικά ηλεκτρόνια είναι ισχυρά δέσμια των ατόμων και δεν είναι διόλου ελεύθερα να κινηθούν, ακόμη και υπό την επίδραση αρκετά ισχυρών δυνάμεων. Κοινοί μονωτές είναι το καουτσούκ, το ξύλο, το γυαλί και τα περισσότερα πλαστικά. Αυτοί είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού γιατί τα ηλεκτρόνιά τους είναι δέσμια των ατόμων του στερεού πλέγματος.

32 Ημιαγωγοί Έχουν μεικτές ηλεκτρικές ιδιότητες, μερικές φορές συμπεριφερόμενα σαν μονωτές, αλλά επίσης ικανά να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα. Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι τα δυο πιο συνηθισμένα ημιαγωγά υλικά, συμπεριφερόμενα ενδογενώς ως ημιαγωγοί. Σήμερα, σχεδόν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές περιέχουν ημιαγωγά υλικά.

33 Αγωγοί - Μονωτές Υλικά που είναι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί είναι και καλοί θερμικοί αγωγοί, ενώ αυτά που είναι καλοί ηλεκτρικοί μονωτές είναι και καλοί θερμικοί μονωτές. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ο κύριος μηχανισμός για τη θερμική αγωγιμότητα (τυχαία κίνηση ή διάχυση ελευθέρων ηλεκτρονίων), όπως και για την ηλεκτρική αγωγιμότητα (κίνηση ολίσθησης ελευθέρων ηλεκτρονίων). Ο αέρας είναι καλός μονωτής, αλλά σε ακραίες συνθήκες, στις οποίες οι ηλεκτρικές δυνάμεις γίνονται πολύ μεγάλες, τα μόρια του αέρα μπορούν να ιονιστούν, σε μια διαδικασία που λέγεται διηλεκτρική κατάρρευση (π.χ. κεραυνός). Ο ιονισμένος αέρας είναι γνωστός σαν πλάσμα, ένα αέριο ιονισμένων σωματιδίων Το καθαρό νερό είναι επίσης ένας καλός μονωτής, γιατί περιέχει λίγα ιόντα για να μεταφέρουν φορτίο. Η συνήθης υψηλή αγωγιμότητα του νερού οφείλεται στην παρουσία ξένων ιόντων, συνήθως αλάτων και μεταλλικών ιόντων.

34 Αγωγοί - Μονωτές Πλεόνασμα ηλεκτρονίων σε ένα σώμα δίνει αρνητικό καθαρό φορτίο, ενώ ένα έλλειμμα ηλεκτρονίων δίνει θετικό καθαρό φορτίο. Το πλεονάζον φορτίο ενός μονωτή παραμένει τοπικό, στην περιοχή όπου αποτέθηκε, συνήθως μετά από επαφή με άλλο φορτισμένο σώμα. Πλεόνασμα φορτίου σε έναν αγωγό προστίθεται στην πυκνότητα ελευθέρων ηλεκτρονίων και γρήγορα κατανέμεται στον αγωγό, καταλήγοντας στην επιφάνειά του

35 PHET: bound-states_el

36 Oι μονωτές ή διηλεκτρικά χαρακτηρίζονται από μια πλήρως συμπληρωμένη εξωτερική ζώνη, που ονομάζεται ζώνη σθένους και ένα μεγάλο ενεργειακό χάσμα μεταξύ των ζωνών Οι αγωγοί χαρακτηρίζονται από μια μερικώς συμπληρωμένη εξωτερική ζώνη ή ζώνη αγωγιμότητας, με πολλές κοντινές διαθέσιμες καταστάσεις στις οποίες μπορούν να διεγερθούν τα ηλεκτρόνια. Μικρές προσθήκες ενέργειας στο στερεό είναι δυνατές, με τα εξώτατα ηλεκτρόνια σε αυτή τη ζώνη αγωγιμότητας να μπορούν να τις δεχθούν και να βρίσκονται κοντά σε άδειες ενεργειακές στάθμες μέσα στη ζώνη. Στους αγωγούς, τα ηλεκτρόνια σθένους δεν είναι ισχυρά συνδεδεμένα με συγκεκριμένα άτομα ή περιοχές μέσα στο στερεό και χαρακτηρίζονται ηλεκτρόνια αγωγιμότητας ή ελεύθερα ηλεκτρόνια, που έχουν τη δυνατότητα να μετακινούνται μέσα σε αυτό υπό την επίδραση ηλεκτρικών δυνάμεων. Στα μέταλλα τα ηλεκτρόνια αυτά λέγεται ότι σχηματίζουν ένα αέριο ελεύθερων ηλεκτρονίων επειδή κατανέμονται ομοιόμορφα μέσα στα όρια του μετάλλου και έχουν κάποια χαρακτηριστικά αερίων. Τα ιοντικά διαλύματα αποτελούν επίσης μια σημαντική κατηγορία καλών αγωγών του ηλεκτρισμού, όμως στην περίπτωση αυτή του ρευστού, το αγώγιμο μέσο είναι το ιόν αντί για το μεμονωμένο ηλεκτρόνιο. Μια τρίτη κατηγορία υλικών παρουσιάζει ενδιάμεση συμπεριφορά μεταξύ των αγωγών και των μονωτών, έχοντας δομή με συμπληρωμένη τη ζώνη σθένους όπως οι μονωτές, αλλά με πολύ μικρότερο ενεργειακό χάσμα, περίπου 1 ev. Τα υλικά αυτά ονομάζονται ημιαγωγοί.