Электрофорная машина своими руками инструкция: Как сделать электрофорную машину в домашних условиях

Содержание

Как сделать электрофорную машину в домашних условиях

Конструкция электрофорной машины

Первая электростатическая машина появилась около 1650 г. Ее сконструировал немецкий ученый, бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. Работа этой машины основывалась на явлении электризации тел трением. В дальнейшем было создано большое количество разнообразных конструкций электрических машин трения, но все они имели общий существенный недостаток: работа с такими машинами требовала приложения очень больших физических усилий.

Электрофорная машина была создана в 1865 немецким физиком-экспериментатором Августом Теплером. Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорную машину изобрёл другой немецкий физик Вильгельм Гольц (1836-1913). Машина Гольца по сравнению с машиной Теплера позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока. В то же время она имела более простую конструкцию. Между 1880 и 1883 годом её усовершенствовал английский изобретатель Джеймс Вимшурст. Используемые в настоящее время для демонстраций электрофорные машины представляют собой модификации машины Вимшурста.

Электростатика — раздел электродинамики изучающей взаимодействие неподвижных электрических зарядов. В процессе изучения этой науки в качестве демонстрационного вспомогательного прибора используют электрофорную машину или генератор Вимшурста. Она предназначена для получения больших зарядов и высоких разностей потенциалов. Используя явление электромагнитной индукции на полюсах машины накапливаются электрические заряды, а разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт. Ее прототип был создан в 1865 году. Машина состоит и двух вращающихся в противоположные стороны дисков. На стойках двух лейденских банок. Внешние обкладки банок соединены между собой по средствам подвижной пластины расположенной между двумя зажимами, внутренние соединены с отдельными кондукторами. Ручки кондукторов изолированы во избежание удара током при изменении положение кондукторов относительно друг друга. На внешней стороне дисков нанесены аллюминивые секторы. В соприкосновение с ними входят счетки. Диски приводятся в движение непосредственно при помощи ременной передачи (рисунок 1). Все части машины смонтированы на пластмассовых стойках, которые вместе с лейденскими банками укреплены на общей деревянной подставке. При вращении дисков один из секторов несет некий положительный заряд, а противоположный ему сектор отрицательный. Когда секторы движутся в разные стороны их потенциалы растут за счет работы выполняемой против сил их электростатического притяжения. При вращении дисков происходит разделение заряда. Между кондукторами мы видим разряд и слышим треск. Сила тока зависит от быстроты вращения дисков. Она не велика, но напряжение огромно. Поэтому не допускается контакт с кондукторами.

Рисунок 1

Конструкция электрофорной машины

2 соосных диска вращаются друг против друга, неся при этом простейшие конденсаторы из алюминиевых секторов. Благодаря случайным процессам в первичный момент на участке одного из сегмента образуется заряд. Вызывается явление процессом трения о воздух. Из-за симметричности конструкции нельзя заранее предсказать итоговый знак.

В конструкции используются 2 лейденовские банки. Они создают из последовательно включенных конденсаторов единую систему. Это влияет на двойное уменьшение требований к рабочему напряжению в каждой емкости. Следует подбирать одинаковые номиналы, это залог равномерного распределения рабочего напряжения.

Снять напряжение призваны индукционные нейтрализаторы. Вся конструкция напоминает металлический гребень, парящий на некотором расстоянии над диском. В точку съема заряда приходят оба диска с эквивалентными знаками внешней поверхности. Нейтрализаторы спарены. После осуществления разгрузки сильно снижается заряд сегментов. В дополнительных конструкциях щетка легко соприкасается с краем диска.

Оператор за счет силы электрического привода либо собственной рукой насильно сближает отталкивающиеся элементы системы. Взаимодействующие друг с другом заряды стараются расположиться как можно дальше. Процесс способствует резкому росту поверхностной плотности зарядов во всех точках съема.

Электричество собирается в лейденовских банках с гребней нейтрализаторов. Происходит быстрый рост напряжения. Избежать выхода из строя системы помогает разрядник, прикрепленный к 2 электродам. Возможно получение дуги различно силы при регулировании дистанции между ними. Существует взаимосвязь: чем сильнее напряженность поля между 2 разрядниками, тем более шумный эффект сопровождает процесс опустошения банок Лейдена.

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Отрезок толстой проволоки из меди с щетками из тончайших проволочек, парящих на небольшой высоте или трущих сегменты, способствует замыканию указанных противоположностей. Результат – заряды на обоих сегментах приравниваются к нулю, вся энергия превращается согласно закону Джоуля-Ленца в тепло, образующееся на утолщенной медной жиле.

Электрофорная машина — электростатический генератор для экспериментов и классов физики PEG-20

Вниманию юных техников и физиков, а так же учителей физики рады представить электрофорную машину — электростатический генератор для экспериментов и классов физики PEG-20. Данный прибор это генератор статического заряда, состоящий из двух колес, вращающихся во взаимно противоположных направлениях. В наше время очень часто данное устройство используется учителями на уроках физики для демонстрации силы электрической дуги. Данный прибор представляет собой современный вариант генератор Вимшурста и является индукционной электростатической машиной. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. Прибор выполнен из пластика и металлических элементов и имеет размер 24 х 28,5 х 20 см. Принцип использования очень прост, достаточно просто начать крутить за соответствующую ручку и прибор начинает работать. При вращении рукоятки диски начинают двигаться в противоположных направлениях. Щетки начинают контактировать то с одними, то с последующими металлическими полосками. С каждым оборотом начинает накапливаться всё больший и больший заряд, что обеспечивает увеличение потенциала на контактах. Как только накопленный заряд достигает максимального значения дальнейший рост заряда прекращается. Для лучшего накопления используют конденсаторы в виде лейденских банок. После накопления заряда, приблизив контакты достаточно близко друг к другу, происходит «разрядка» которую прекрасно видно, после чего рост заряда вновь продолжается.

В быту, в таком виде данный прибор не используется, а служит лишь историческим экспонатом, иллюстрирующим историю возникновения и развития научно-технического прогресса и инженерной мысли. Лабораторная демонстрация показывает различные явления и эффекты электричества. Если Вы учитель физики или директор учебного заведения, где ученикам наглядно демонстрируют те или иные физические явления, тогда данная электрофорная машина — электростатический генератор для экспериментов и классов физики PEG-20 станет для Вас просто незаменимым инструментом в области знакомства с электричеством.

Меры предосторожности:

Не допускайте к машине и не давайте играть с данным генератором детям
Используйте данный генератор только будучи хорошо знакомым с ее возможностями и с мерами предосторожности
Поскольку машина генерирует высокое напряжение, не прикасайтесь к металлическим частям во время работы с машиной.
Не забудьте разрядить электроды металлической ручкой «Y» после завершения эксперимента.
Не поворачивайте ручку слишком сильно, так как система шкивов может быть повреждена.
Если искра не видна или не слышна, проверьте машину на предмет попадания влаги в щетки. Высушить машину можно подержав на солнце или рядом с нагревательным прибором (до удаления влаги).. Спецификация:

Спецификация:

  • Возможность использования для демонстрации экспериментов в классах физики
  • Материал: металл, пластик
  • Размер: 24 х 28,5 х 20 см
  • Вес: 1,4 кг.

Комплектация:

Электрофорная машина — электростатический генератор для экспериментов и классов физики PEG-20 – 1 шт.

Электростатический генератор своими руками | 2 Схемы

Принцип работы генератора статического электричества (ещё их называют электрофорные машины) заключается в том, что диски вращаются относительно друг друга в противоположные стороны и создают положительные и отрицательные заряды. При вращении дисков по мере накопления зарядов происходит разряд — молния между электродами.

Как это работает — теория

Вращение дисков с металлическими секторами приводит к переносу электрического заряда внутри машины, который хранится в конденсаторах до момента возникновения искры или заряда утечки.

Нейтрализатор делает следующее: он перетаскивает заряд с одной половинки диска на другую и диск оказывается не просто заряжен, а заряжен избирательно — не по всей плоскости.

Другими словами, диск собирает заряды из воздуха, а нейтрализаторы их перераспределяют. Заряд снимается щеткой, движется по проводнику к противоположной щетке и в тот момент когда напротив сегмента появится сегмент второго диска — перескакивает на него.

Далее этот сегмент подходит к щетке второго нейтрализатора и процесс повторяется, но уже на другом диске. Таким образом происходит кругооборот зарядов между дисками в процессе которого воздух между сегментами ионизируется и разделяется. В результате накачки увеличивается напряжение, кроме того в машинке работает эффект раздвигания обкладок конденсатора, что также способствует увеличению напряжения.

Миниатюрное устройство по созданию таких безвредных молний (но не для микроэлектроники) легко сделать своими руками.

Данный электростатический генератор способен генерировать более 20000 Вольт, но малый ток делает его безопасным для использования без специальных мер предосторожности

Характеристики устройства

  • Высота: около 140 мм
  • Ширина: приблизительно 120 мм
  • Питание: 3 В 0,3 А
  • Статический заряд: 20 кВ
  • Диаметр диска: 120 мм

Руками тут ничего крутить не нужно (как это было в прототипе позапрошлого века) — всё делают 2 электромотора. достаточно нажать на кнопку включения и подождать некоторое время до накопления заряда на электродах.

Материалы и компоненты

Необходимо будет для монтажа: паяльник и припой, отвертка и плоскогубцы. Два мотора от старых CD плееров и всякая крепёжная мелочёвка.

Генератор работает от двух батареек АА и способен создавать разряды длинной 2 см. Самое сложное тут — 120 мм диски. Их нужно изготовить по такому принципу: взять два лазерных диска от CD или DVD. Сегменты приклеить из алюминиевого скотча (25 секторов). Приклеить диски к моторчикам. Сделать щетки из алюминиевых полосок.

Если всё сделать и настроить как надо, то искра достигнет размеров около 20 мм, а разряд будет пробивать каждые 0,5 сек.

Как это работает — теория

Вращение дисков с металлическими секторами приводит к переносу электрического заряда внутри машины, который хранится в конденсаторах до момента возникновения искры или заряда утечки.

Самые важные части в электрофорном агрегате – нейтрализаторы. Это две перемычки со щетками установленные крестом. Если хотя бы одну из четырех щеток отодвинуть от сегментов, машинка перестает работать. Хотя казалось бы диски вращаются, электризуются трением о воздух и значит электричество вырабатывается.

Нейтрализатор делает следующее: он перетаскивает заряд с одной половинки диска на другую и диск оказывается не просто заряжен, а заряжен избирательно — не по всей плоскости.

Другими словами, диск собирает заряды из воздуха, а нейтрализаторы их перераспределяют. Заряд снимается щеткой, движется по проводнику к противоположной щетке и в тот момент когда напротив сегмента появится сегмент второго диска — перескакивает на него.

Далее этот сегмент подходит к щетке второго нейтрализатора и процесс повторяется, но уже на другом диске. Таким образом происходит кругооборот зарядов между дисками в процессе которого воздух между сегментами ионизируется и разделяется. В результате накачки увеличивается напряжение, кроме того в машинке работает эффект раздвигания обкладок конденсатора, что также способствует увеличению напряжения.

Миниатюрное устройство по созданию таких безвредных молний (но не для микроэлектроники) легко сделать своими руками.

Данный электростатический генератор способен генерировать более 20000 Вольт, но малый ток делает его безопасным для использования без специальных мер предосторожности

Основной принцип работы электрофорной машины

Детальное изучение абстрактных физических понятий невозможно без использования наглядных материалов, визуализации и экспериментирования. Использование электрофорной машины на уроках изучения физики в средней школе позволяет сформировать четкие теоретические и практические понятия об электротоке, основных технических условиях его появления и продолжительного существования в замкнутой цепи.

Разделение зарядов машины осуществляется за счет последовательного преобразования механической энергии. В момент движения щеточек осуществляется трение о поверхность дисков, благодаря чему осуществляется разделение зарядов на положительные и отрицательные. В случае приближения электродов появляется разряд электричества. В момент проведения демонстрационной презентации приходится интенсивно вращать ручку машины, что позволит непрерывно производить электрический ток.

Краткий принцип работы электрофорной машины используется на занятиях по физике во время изучения механических источников энергии, а также процессов преобразования механической энергии в электричество. Применение устройства позволяет наглядно провести эксперимент непосредственно в рамках стандартного урока.

Есть заявка?

Подберем всё оборудование и мебель, подготовим документы и поставим с отсрочкой 45 дней.

Как происходит накопление заряда?

Предположим, что первый круг имеет недостаток свободных зарядов, что в нашем случае означает недостаток свободных электронов в металлических пластинах. При движении второго диска его пластины будут поочередно соприкасаться со щетками на проводнике 8, и, соответственно, на них будет образован избыток свободных носителей зарядов.

Это происходит потому, что пластины с обоих сторон, между которыми расположен диэлектрик (материал дисков), представляют собой плоский конденсатор, но такой конденсатор, обкладки которого двигаются. Электрический заряд на таком конденсаторе индуцируется, или иначе говоря — наводится.

Дальше происходит следующее. Пластины, второго диска, дойдя до щеток контакта 6 отдадут свои электроны в накопитель в виде лейденской банки (конденсатор). Эта лейденская банка будет накапливать заряд -Q. Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее. Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении. Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд +Q.

Чем чаще пластины обоих дисков соприкасаются со щетками на проводниках 6 и 7, тем большее количество зарядов накапливается на них. Лейденские банки, если они установлены, будут заряжаться всё сильнее и сильнее, до тех пор, пока кулоновские силы не начнут противодействовать дальнейшему накоплению зарядов. Это значит, что есть предел накопления, который можно характеризовать также и разностью потенциалов (напряжением) между двумя контактами 6 и 7.

Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q и -Q, либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.

Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд? Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.

Электрофорная машина Вимшурста является машиной с самовозбуждением, то есть для начала ее работы не требуется подвод какого-либо дополнительного заряда.

Шаг 1: Разбираем ионизатор

Ионизаторы такого типа разбираются очень просто. Если вы будете использовать их по назначению, то корпус, скорее всего, сам треснет уже через неделю. С помощью плоскогубцев моно легко вскрыть корпус и получить доступ к плате устройства. К слову, хочу заметить, что я бы не подключал такое устройство к USB-порту компьютера. Высоковольтные устройства лучше вообще не подключать к компьютеру.

Если вы обратите внимание на последние две картинки, то заметите, что я разделил устройство на две секции. Первая часть, близкая к USB, представляет собой конвертер, который преобразует постоянный ток от USB в переменный ток, который затем проходит через крошечный трансформатор во вторую часть устройства

Вторая часть состоит из цепи четырех последовательных усилителей напряжения, которым для работы нужен переменный ток. Но в конце мы имеем постоянный ток, который направляется на белый провод.

Схема представляет как раз то, что нужно, чтобы получить статический заряд, но нам нужно модифицировать её так, чтобы она работала от батареек.

Конструкция

Конструкция изобретения Джеймса Вимхерста описана плохо в открытых источниках, часто люди не в силах объяснить, как работает электрофорная машина.

Общая идея

Два вращающихся друг против друга соосных диска несут простейшие конденсаторы из секторов алюминия. За счет случайных процессов в начальный момент на одном из сегментов – равномерно расположенных по кругу – образуется заряд. Это вызвано процессами трения о воздух либо прочими причинами. Причем, поскольку конструкция симметричная, знак заранее не предсказуем. Не рекомендуется ставить в электрофорную машину электролитические конденсаторы.

Вместо этого применяются две лейденские банки. Их внешние обкладки из фольги объединены, чтобы создать единую систему из последовательно включенных конденсаторов. Так уменьшаются требования к рабочему напряжению каждой емкости в два раза. Номиналы подбираются по возможности одинаковыми. В противном случае требования к рабочему напряжению распределятся неравномерно, что приводит к негативным последствиям.

Напряжение с сегментов дисков снимается при помощи индукционных нейтрализаторов. Ниже описан принцип действия. По сути конструкция, напоминающая металлический гребень, на некоторой высоте парит над диском. Нейтрализаторы спаренные, в точку съема заряда оба диска приходят с эквивалентным знаком на внешней поверхности. После разгрузки заряд сегментов сильно падает. Это обусловлено особой конструкцией индукционных нейтрализаторов, оставляющих поверхностную плотность заряда в районе 0,2 – 6 мкКл на метр в квадрате. В избранных конструкциях щетка слегка касается краем диска.

Прогрессивный рост поверхностной плотности заряда на сегментах в точке съема обусловлен тем, что навстречу друг другу движутся системы, создающие электрические поля, чьи напряженности направлены в противоположные стороны. Получается, что собственной рукой оператор (либо за счет силы электрического привода) отталкивающиеся системы насильно сближает. Взаимодействующие заряды пытаются расположиться подальше друг от друга. Это вызывает резкий рост поверхностной плотности зарядов в точках съема.

От гребенок нейтрализаторов электричество собирается в лейденские банки. Напряжение быстро растет, чтобы избежать выхода системы из строя вследствие превышения допустимых параметров конденсаторов, к двум электродам прикреплен разрядник. Дистанция между ними, как правило, регулируется, что позволяет получить дугу различной силы. Чем больше напряженность поля между разрядниками, тем более шумным эффектом сопровождается процесс опустошения лейденских банок.

После точки съема заряда сегменты остаются пустыми. Через 30 градусов по ходу движения диска стоят уравнители потенциала, называемые нейтрализаторами по принципу действия. Авторы обзора назвали бы уравнителями. Противоположные стороны диска отдали уже заряд у разных щеток. Следовательно, после прохождения точки съема знаки остатков заряда на них неизменно различны. И кусок толстой медной проволоки с щетками из тонких проволочек, трущих сегменты или парящих на малой высоте, замыкают накоротко указанные противоположности. В результате заряд на обоих сегментах становится равным нулю, энергия превращается по закону Джоуля-Ленца в тепло, выделяющееся на толстой медной жиле.

После обнуления диски продолжают двигаться во встречном направлении. Получается, освобожденный от заряда сегмент одного круга вращения оказывается напротив полупустого сегмента другого. Заряд между емкостями немедленно делится поровну, ведь диски сконструированы по одинаковым чертежам. Следовательно, кажутся идентичными. Первый диск отдает половину заряда, идет на точку съема. Второй достигает точки уравнителя потенциала первого и там отдает половину заряда.

Порой люди интересуются принципом работы прибора, ведь первый диск отдал остаточный заряд на уравнителе, второй поступил аналогично. Где взять энергию для смены знака?

  • https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-elektrofornaya-mashina-i-kak-ona-rabotaet
  • https://fb.ru/article/136480/elektrofornaya-mashina—printsip-rabotyi-kak-sdelat-elektrofornuyu-mashinu-svoimi-rukami
  • https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html

Шаг 4: Запитываем генератор

Источники питания USB, под которые проектируются такие устройства, дают на выходе 5 Вольт постоянного тока. Достаточно сложно найти батарейку с таким же напряжением, но обычно электроприборы могут работать в небольшом диапазоне напряжений, поэтому мы можем совместить три батарейки на 1.5V и этого вполне должно хватить.

Чтобы соединить их, оголите небольшой участок заземляющего провода (также оставив длинный изолированный его конец) и согните его, чтобы можно было придавить этот участок к отрицательной клемме батареек. Я добавил к оголенной части немного припоя и она стала держать форму.

Затем поместите пачку батареек между двумя проводами, положительный вход совместите с положительной клеммой батареек, а заземляющий провод соедините с отрицательной клеммой батареек. Небольшое количество изоленты удержит батарейки вместе и плотно прижмёт провода к их клеммам.

При желании на положительный провод можно припаять выключатель, но я решил, что устройство будет всегда включено. Для выключения я просто просовываю небольшую пластиковую пластину между батареек, и она разрывает соединение.

Индукционные нейтрализаторы

Нейтрализаторы в процессе работы способны загрязняться. Следовательно, периодически требуется чистить, иначе снижается эффективность. В машине Вимхерста факт уменьшения КПД мало играет роли. Если машина не работает, стоит проверить чистоту игл. В конструкции используется четыре индукционных нейтрализатора:

  1. Сдвоенные уравнители лежат практически перпендикулярно друг другу.
  2. По одному съемнику – на каждую лейденскую банку.

Представляют собой щетку из тонкой проволоки либо острых зубчатых плоских гребней (расчесок). Основа бывает металлической, что используется в машине Вимхерста, и деревянной. Острия всегда металлические, назначение – по возможности быстро отводить заряд на заземление. Принцип действия: по мере приближения остриев к заряженной плоскости линии напряженности смыкаются на них, образуя высокие значения.

Повышенная плотность в районе острия способствует ионизации воздуха (без искры) и образованию зарядов обоих знаков, проводящих ток в нужном направлении. Параметры нейтрализаторов сильно зависят от расстояния между остриями и уменьшением радиуса их кривизны (заточкой). Применяемые в машине Вимхерста проволочные нейтрализаторы в виде щеток наименее эффективны. На съемниках стоят гребенки либо иглы. Считается, что для последних нейтрализаторов максимальная результативность достигается при указанных условиях:

  • Соотношение высоты игл к расстоянию между ними от 0,6 до 1,8.
  • Длина игл 12 – 50 мм и более.
  • Диаметр игл 0,5 – 1 мм.

Уменьшение угла заточки за 60 градусов (повышение кривизны) в этом случае слабо влияет на свойства нейтрализатора. Иглы желательно поднести на расстояние от 5 мм к поверхности. Чем ближе, тем быстрее происходит съем заряда. Фактически минимальное расстояние до плоскости зависит исключительно от собственных вибраций диска. Касание не приведет к отказу системы, но резко снизится срок эксплуатации за счет механического разрушения отдельных элементов.

В противовес общепринятому мнению, созданному от бесконечных демонстраций машины, иглы лучше крепить на диэлектрическом основании. Предпринятым шагом уменьшается ёмкость между диском и гребнем, чем повышается плотность заряда: С = q/U. Заряд уже априорно задан, понижение емкости повышает разницу потенциалов (напряжение), чем облегчается процесс ионизации.

Для безопасности нейтрализатор снабжается кожухом. Нелишне напомнить, что прочие части (помимо ручки вращения) машины Вимхерста в период работы трогать нельзя. Края кожуха удалены от игл нейтрализатора не менее 50 мм.

Индукционным тип приборов назван за действие на расстоянии. Процесс носит название электростатической индукции. Это значит, что один заряженный предмет на расстоянии влияет на второй, без заряда. В металле электроны слабо связаны с решеткой, легко идут в сторону, куда увлекаются полем. Эффект носит поверхностный характер по понятной причине – линии напряженности не могут проникнуть в металл. По-другому: заряды в толще проводника перераспределяются, пока не нейтрализуют полностью внешнее поле.

В результате на поверхности иглы индуцируется заряд. Линии напряженности поля замыкаются на нем, одновременно сходясь отовсюду, как показано на рисунке. Разница потенциалов неизмеримо вырастает, вызывается ионизация воздуха. Она умеренная, при работе машины Вимхерста на щетках, как правило, нет искрения.

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты. С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа. Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

Оцените статью:

Электрофорная машинка из CD | Сделай сам своими руками

Электрофорная машина собранная из компакт дисков и 2х кулеров. Вырабатывает около 20 000 Вольт, что ограниченно расстоянием зазоров между обкладками конденсаторов диска. Фотографии и описание по сборке. Легко повторяемое устройство.

Взял 2 CD-R диска ( проста с них довольно легко очистить слой носителя информации ) и очитстил их от покрытия, после чего обезжирил спиртом.Затем из алюминиевого скотча, который применяется для герметизации вентиляции, нарезал сектора и приклеил их на диски (рис.1).Такой скотч не проблема купить на строительном рынке. Далее взял 2 кулера от ИБП компьютера, хотя и можно любые другие, и вырезал из них двигатели, обкусив при это лопасти крыльчаток — чтобы не мешали щеткам электрофорной машины. Диски к  двигателям закрепленны при помощи двух стороннего скотча.

Расстояние между дисками должно быть как можно меньше, от этого зависит КПД машины. Держатеели щеток сделанны из медного провода d = 1 мм а сами же щетки изготовленны из многожильного провода, хорошо подходит МГТФ. Запуск машины…. При паравильном расположении щеток и при условии что они касаются обкладок диксков, машина сразу вырабатывает напряжение при запуске двигателей. Но такое будет не долго и появиться зазор между щетким и обклатками…не беда. Для запуска надо либо вручную слегка прижать щетки или зарядить диски наэлектризованным предметом(например расческой).

Правильная работа машины характеризуется треском статического электричества и запахом озона около дисков машины. 

ВНИМАНИЕ!!! 

Устройство высокого напряжения! Будте аккуратны в его использовании !



Источник: e-kizeev.h28.ru

Узнаем как сделать электрофорную машину своими руками

Электрофорная машина работает как непрерывный источник электрической энергии. Этот прибор используют зачастую как вспомогательный для демонстраций различных электрических явлений и эффектов. Но какова его конструкция и особенности?

Немного из истории изобретения

Электрофорная машина разработана в далеком тысяча восемьсот шестьдесят пятом году Августом Теплером, немецким физиком. Что любопытно, совершенно независимо другой ученый-экспериментатор Вильгельм Гольц изобрел подобную конструкцию, но даже более совершенную, так как его аппарат позволял получить большие значения разностей потенциалов и мог служить источником постоянного тока. К тому же гольцевская машина была намного более простой в конструкции. В конце девятнадцатого века английский экспериментатор в области электричества и механики Джеймс Вимшурст усовершенствовал агрегат. И по сегодняшний день именно его вариант (пусть и чуть более современный) используется для демонстраций электродинамических опытов благодаря способности создавать огромную разность потенциалов между коллекторами. Электрофорная машина была улучшена уже в сороковых годах двадцатого века ученым по фамилии Иоффе, который разработал новый тип электростатических генераторов для осуществления питания рентгеновской установки. Хотя машину Вимшурста сейчас не используют для непосредственной задачи добычи электрической энергии, она является историческим экспонатом, который иллюстрирует историю развития инженерной мысли и научно-технического прогресса.

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты. С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа. Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

Что такое банки Лейдена?

Во многих случаях заряды накапливаются на конденсаторах. Их называют банками Лейдена. После этого возможно воспроизведение намного более сильных разрядов и искр. Внутренние обкладки каждого конденсатора соединяются с кондукторами по отдельности. Щетки, которые касаются секторов дисков, объединены с внутренними обкладками банок Лейдена. Вся конструкция на сегодняшний день монтируется на пластмассовых стойках. Вместе с лейденовскими банками части машины закрепляются на подставке из дерева. Учитывая наглядность конструкции, электрофорная машина своими руками может быть сделана достаточно просто. Даже человек, который не имеет специального технического образования, может ее собрать и эксплуатировать в свое удовольствие.

На чем основана работа электрофорной машины?

Использование взаимного усилия обоих дисков – именно этот принцип является основным в данном устройстве. Эффект возникновения разности потенциалов, а затем разрядов и искр достигается правильным расположением секторов. Конечно, существуют разработки, использующие и чистые диски, но подобный коэффициент полезного действия они не выдают. Такие конструкции часто применяются в небольших учебных учреждениях. Расстояние между дисками у такого прибора, как электрофорная машина, играет важнейшую роль и оказывает существенное влияние на достижение необходимого напряжения на конденсаторах.

Каков принцип работы аппарата?

Электрофорная машина с момента ее изобретения (а это начало восемнадцатого века) пережила много изменений. Но основная идея осталась. Основой конструкции машины являются диски с наклеенными обкладками (металлическими полосами). Приложив определенную механическую силу с помощью ременной передачи, их можно вращать в разные стороны, противоположные друг другу. На обкладке одного диска возникает положительный заряд. Он притянет к себе другой заряд (отрицательный). Положительный уйдет через проводник со щетками (нейтрализатор), который касается противоположной обкладки. Поворачивая диски, получаем заряды, аналогичные исходным. Но они уже будут влиять на другие обкладки. Учитывая то, что диски вращаются в противоположные стороны, заряды стекаются к коллекторам. У такого демонстрационного аппарата, как электрофорная машина, принцип работы основан именно на этом моменте. На щетках обоих дисков, которые не касаются их поверхности и находятся по краям, заряды в какой-то момент становятся настолько огромными, что в воздушном пространстве возникает пробой, и проскакивает электрическая искра. Именно поэтому к коллекторам можно присоединять дополнительные конденсаторы разных емкостей, что придаст большую красоту эффекту возникновения разряда.

Проект «Сборка электрофорной машины»

Адмиралтейский район Санкт-Петербурга

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа

№235 им. Д. Д. Шостаковича

с углубленным изучением предметов художественно — эстетического цикла Адмиралтейского района Санкт-Петербурга

190121,г. Санкт-Петербург, наб. р. Пряжки, д. 2-4, 6,

т/факс 572-51-62, 572-58-46, 572-58-45

Городская научно-практическая

конференция старшеклассников

Санкт-Петербурга

«Лабиринты науки»

Секция «Физика. Астрономия»

«Сборка электрофорной машины»

Выполнил:

Ермилов Егор.,

учащийся 8 класса сфм

Руководитель работы:

Кокшарова О.А., учитель физики,

ГБОУ средняя школа №235 им.Д.Д.Шостаковича

Санкт-Петербург

2019

В истории науки было создано несколько видов электрофорных машин. Первая электростатическая машина появилась около 1650 г. Ее сконструировал немецкий ученый, Отто фон Герике. Работа этой машины основывалась на явлении электризации тел трением. В дальнейшем было создано большое количество разнообразных конструкций электрических машин трения, но все они имели общий существенный недостаток: работа с такими машинами требовала приложения очень больших физических усилий. В то же время она имела более простую конструкцию. В 1865 г. физик-экспериментатор из Германии Август Теплер разработал чертежи электрофорной машины. Одновременно с этим было сделано второе независимое открытие подобного агрегата немецким ученым Вильгельмом Хольцем. Машина Хольца по сравнению с машиной Теплера позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока. Простая начальная конструкция применения электрофорной машины в 1883 г. была усовершенствована Джеймсом Вимшурстом из Англии. Генератор Вимшурста или электрофорная машина – это индукционный электростатический прибор, созданный как непрерывный источник электрической энергии. В XXI веке используется как вспомогательная техника для демонстрации физических опытов, касающихся различных электрических эффектов и явлений, поэтому мы решили собрать ее самостоятельно.

Электрофорная машина Вильгельма Хольца

Генератор Вимшурста

Современная модель

Гипотеза. Мы предполагаем, что работающую электрофорную машину можно создать в домашних условиях

Цель работы: Собрать электрофорную машину.

Задачи:

  • Изучить и проанализировать литературу по истории изобретения электрофорной машины;

  • Сравнить достоинства и недостатки различных видов электрофорных машин;

  • Сформулировать принцип работы электрофорной машины;

  • Собрать электрофорную машину;

  • Дать рекомендации по сборке электрофорной машины.

Материалы:

  • Виниловые пластинки, 2 шт;

  • Алюминиевый скотч;

  • Фанера;

  • Стеклянные банки 2 шт;

  • Контакты для крепления проводов;

  • Болты с гайками;

  • Многожильныные провода;

  • Изолента;

  • Латунные трубки;

  • Телефонный кабель;

  • Болт 8мм 4 шт;

  • Гайки 8 шт;

  • Шайбы 6шт;

Инструменты:

  • Ножницы;

  • Резак по бумаге;

  • Линейка;

  • Простой карандаш;

  • Транспортир;

  • Ручка;

  • Электролобзик;

  • Пила;

  • Фрейзерная машина;

  • Дрель;

  • Кусачки;

  • Пассатижи;

  • Отвертка крестовая и обычная;

  • Циркуль;

  • Пинцет;

  • Клеевой пистолет.

  1. Берем две виниловые пластинки одинакового диаметра, на них будет образовываться статический заряд.

Размечаем пластинку на чётное количество сегментов.

  1. Наклеиваем на каждую сторону пластинки алюминиевые лепестки. Всего понадобилось – 32 штуки

  1. Изготавливаем лейденские банки. С помощью алюминиевого скотча оклеиваем стеклянную банку на две трети корпуса, внутри и снаружи.

  1. С помощью электролобзика и фрейзерной машины выпиливаем основные деревянные детали: подставку, деревянные стойки, шкивы, рукоятку для вращения. С помощью столярного клея, склеиваем детали шкива.

  1. Пилим латунную трубку на сегменты длинной 30 см. Острым гвоздём пробиваем отверстия, в которые в дальнейшем вставим гвозди, играющие роль коллектора. Латунную трубку загибаем в виде подковы. В другие две латунные трубки вставляем в отверстия с двух сторон очищенную от оплетки жилу телефонного кабеля. Они будут выполнять функцию щеток в нейтрализаторе.

  1. Соберем всю конструкцию с помощью болтов диаметром 8 и длинной 120мм. В соответствии с получившимся расстоянием между стойками, закрепим их на подставке с помощбю столярного клея.

  1. Просверлим болты и закрепим в них латунные трубки коллектора с помощью проволоки. Нижнюю часть болта закрепим в крышке лейденской банки гайками, через кузовную шайбу(для устойчивости). Под нижнюю гайку заведем цепь, с длинной достаточной для её устойчивого контакта с дном банки. Установим банки с закрепленными на них коллекторами на алюминиевую полосу и закрепим её клеевым пистолетом так, чтобы подкова коллектора располагалась симметрично относительно дисков. В пробитые отверстия вставим гвозди, с минимальным зазором относительно диска. Для изготовления разрядника потребовались две латунные трубки и шарики оклеенные алюминиевой фольгой, позже в инструментах нашлись две детали в скруглённых конусов которые и заменили шарики. Для ремней шкивов использовали текстильные резинки для волос. Трубки изолировали синей и красной изолентой.

Электрофорная машина двойного вращения состоит из двух встречно вращающихся дисков. На обоих дисках находятся проводящие сегменты, которые изолированы друг от друга. Две обкладки с обоих сторон дисков вместе образуют по одному конденсатору. Из-за этого ее еще иногда называют — конденсаторной машиной. На каждом диске находятся также по нейтрализатору, который отводит заряд щетками с двух противоположных сегментов диска на землю. С левой и правой стороны дисков находятся коллекторы. В них поступают сгенерированные заряды снятые гребенками с краев как переднего, так и заднего диска. В большинстве случаев заряды собираются в конденсаторы, такие как, например, Лейденская банка для произведения более сильных искр. Перед началом эксплуатации необходимо наэлектризовать оправы разноименными зарядами (например, р +, а р’ -). Эти оправы (полоски) в соответствии с явлением индукции будут действовать на вращающийся диск В (рисунок 2), а через него на гребенки О и О’, при этом р, обладая положительным зарядом, вызовет через влияние появление отрицательного заряда в части m диска В и притянет тот же заряд из гребенки О, который отложится в части m’ диска В.

Таким образом, диск В электризуется отрицательно на обеих своих сторонах в m и m’, в то время как гребенка О и кондуктор Сг заряжаются положительно. По мере вращения диска m и m’ перемещаются к окну F’, где поверхность m’ усиливает влияние полоски р’, притягивая из гребенки С’ положительный заряд, заряжая гребенку О’ и кондуктор С’г’ отрицательно. В свою очередь m, оказывая индуктивное воздействие на полоску р’, притягивает положительный заряд, поддерживая ее в отрицательном состоянии. Затем части m и m’ снова проходят перед окном F и т.д., повторяя последовательно описанный процесс.

  • В ходе работы выяснили, что существует несколько видов электрофорных машин;

  • Механическую энергию можно с помощью электрофорной машины перевести в электрическую;

  • Столкнулись с проблемой точности описания прибора и используемых материалов;

  • Сформулировали принцип действия электрофорной машины

  • Рекомендации по сборке электрофорной машины:

    • щетки нейтрализатора и коллектор в разных источниках называли одинаково «нейтрализатор» по этой причине возникла трудность с позиционированием щёток нейтрализатора. Проверяя опытным путём, подтвердили теоретические данные о положении нейтрализаторов на 300 относительно коллектора.

https://studbooks.net/1961778/matematika_himiya_fizika/konstruktsiya_elektrofornoy_mashiny

http://electricity-automation.com/page/elektrofornaya-mashina-generator-wimshursta

https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektrofornaya-mashina.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрофорная_машина

Из ранней предыстории радио

В. Меркулов

В статье кратко рассказано о важнейших научно-технических событиях, предшествовавших открытию высокочастотных электромагнитных колебаний.

1600

Многие отечественные и зарубежные исследователи усматривают начало отсчета долгого пути к становлению феномена, названного «радио», в работах английского физика и врача королевской семьи У. Гильберта (1544-1603), занимавшегося планомерным изучением магнитных и электрических возмущений. За примерно 18 лет проведенных за свой счет исследований он выявил два полюса у магнитов, отталкивающие одноименные концы других намагниченных предметов и, наоборот, притягивающие разноименные, способность намагничивать железные предметы, вошедшие с ними в соприкосновение или близко расположенные, обнаружил увеличение силы притяжения при тщательном выравнивании их поверхности. Он наблюдал изменения показаний стрелки компаса в различных точках сферы действия подвешенного намагниченногошара из цельного железняка, после чего заявил об идентичном поведении прибора при передвижениях его по поверхности Земли. Отсюда он сделал вывод о подобии земного шара помещенному в пустоту гигантскому магниту с полюсами, ориентировочно совпадающими с географическими.

Отметим, что в настоящее время географическому Северному полюсу планеты соответствует смещенный на 2000 км Южный магнитный полюс с местонахождением на острове Батерст Арктического архипелага Канады. И наоборот, в окрестностях Южного полюса Земли в море д`Юрвиля у берегов Восточной Антарктиды (со стороны Австралии) находится аналогично смещенный Северный магнитный полюс.

Издавна была известна способность предварительно натертого янтаря притягивать малые предметы. Подобную склонность Гильберт обнаружил также у алмаза, кварца, сапфира, серы, стекла (хрусталя) и др. Сконструированным им индикатором-версором он научился более наглядно демонстрировать эту их способность. Такие специфичные материалы он стал называть «электрическими» (от лат. electricus — янтарный), введя в обращение, как показало будущее, очень важный термин. В дополнение к исходящему еще от Аристотеля (384- 322 гг. до н. э.) и культивируемому его последователями созерцательному взгляду на природу Гильберт провозгласил метод познания истины через опыт (эксперимент). Свои научные работы он обобщил в фундаментальном трактате «О магните», изданном в 1600 г. На рис. 1,а показана обложка второго издания фолианта (1628), на рис. 1,б — современного (на английском языке).

Рис. 1

1663

О. фон Герике (1602-1686), обер-бургомистр из Магдебурга (Германия), изготовил первый электростатический генератор — вращающееся от ручного колесного привода шаровое тело из серы, натираемое руками (рис. 2,а). Он обнаружил исходящие от заряженного шара потрескивающие искры, светящиеся в темноте. В 1705 г. британский ученый Ф. Хуксби (1666-1713) повысил «мощность» генератора Герике, установив в нем стеклянный шар (рис. 2,б).

Рис. 2

1745

Родившийся вДании П. ван Мушенбрук (1692-1761) получил медицинское образование в университете г. Лейдена (Королевство Нидерланды), после чего там же работал преподавателем. Вместе со своим студентом голландцем А. Кюнеусом он увлекся электростатикой. Применив генераторы Герике и Хуксби при изучении электрических свойств веществ, в частности воды, частично заполнявшей стеклянную колбу, в начале 1745 г. они обнаружили способность сосуда сохранять заряды. Устройство назвали «Лейденской банкой». В конце 1745 г. в Германии на заседании Берлинской Королевской академии наук немецкий юрист и физик Е. С. фон Клейст (1700-1748) доложил об изобретении иманалогичной по возможностям «Клейстовой колбы». Позднее английские ученые В. Ватсон (1715-1787) и Дж. Бевис (1695-1771) предложили поместить оловянную фольгу на внутренней и наружной поверхностях «банки» (рис. 3).

Рис. 3

1760

Французский физик и директор Ботанического сада в Париже Ш. Дюфе (1698-1739) первый высказал суждение об электрическом происхождении молнии (и грома). В своих исследованиях он пользовался уже электрометром, измеряющим «электрическую силу». Великий английский физик, математик и астроном И. Ньютон (1642-1727) также полагал, что излучаемые натертым янтарем искры схожи с молниями.

Американский исследователь атмосферного электричества Б. Франклин (1706-1790) экспериментально доказал, что молнии, возникающие в небе, идентичны искрам, видимым от разряда Лейденской банки и от соприкосновения металлической иголки с потертым о шелк янтарем или стеклом. Франклин, возможно, был первым человеком, не раз управлявшим перемещением электрического разряда на заметное расстояние. Так, например, на пикниках в долине реки Скулкилл, вблизи г. Филадельфии (штат Пенсильвания), он изумлял присутствующих одновременным поджиганием спиртовок от переносимых посредством воды разрядов Лейденских банок, располагавшихся на разных берегах речного потока, от которых затем разжигал огонь в вертелах для зажаривания индеек [1]. Франклин первым предложил понятия положительного и отрицательного электричества, использовал в обращении термины «батарея», «заряд», «разряд», «конденсатор», «обмотка», «проводник».

Эксперименты с установкой первых молниеотводов (громоотводов) Франклин проводил в 1760 г. Через 20 лет в Филадельфии ими были защищены около 400 высоких зданий. Заметим, что в Европе в отдельных странах уже было известно о возможности нейтрализации грозовых разрядов поставленными на крышах домов выступающими металлическими штырями. В России «падающую» Невьянскую башню (вблизи г. Екатеринбурга) оснастили заземленным шпилем примерно за 25 лет до первых молниеотводов Франклина. Однако Парижская Академия наук во Франции их не признавала. И только в 1872 г. научных авторитетов переубедил удар молнии в оставшееся без грозозащиты здание гостиницы французского посольства в Филадельфии, разрушивший постройки и погубивший людей.

РодилсяФранклин в семье эмигрировавшего из Англиимелкого переработчика жира домашнихживотных.Он был пятнадцатым по отцу из 17 детей и восьмым (из 10) от второго брака, младшим из сыновей. Ему удалось проучиться в школе всего два года. С десятилетнего возраста он начал работать. Несмотря на отсутствие систематического образования в дальнейшем он выучил несколько языков, организовал собственную типографию (1727), почти 20 лет издавал «Пенсильванскую газету» (1729-1748), впервые в Америке приступил к созданию публичной библиотеки (1731), учредил Американское философское общество (1743) и стал его первым президентом, выступил одним из отцов-основателей американской Конституции (1787). Его портрет помещен на бумажной купюре 100 долл. США.

Интерес к физике и электричеству Франклин начал проявлять в 40 лет, после того как разбогател. Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711-1765) высоко оценивал открытия и изобретения Франклина. За его работами внимательно следил другой известный российский физик Г. В. Рихман (1711-1753). Отметим, что Ломоносов связывал возникновение молнии с накоплением зарядов в грозовом облаке (атмосфере). Рихман ранее многих других ученых пришел к выводу о взаимосвязи электрических и магнитных возмущений.

1791

В ноябре 1780 г. в итальянском г. Болонья профессор-физиолог Л. Гальвани (1737- 1798) в своей лаборатории руководил тривиальной работой по препарированию лягушек. Интересующаяся наукой и любопытная его молодая жена Л. Галеацци зашла в помещение и обратила внимание мужа на подергивания лапки одной из лягушек в те моменты, когда ассистент дотрагивался до нее скальпелем. В это же время другой помощник вращал рукоятку электростатической (электрофорной) машины. Случайное наблюдение дало начало более чемдесятилетнему исследованию поведения лап лягушек вблизи источников искровых разрядов. Многие историки физики в прошлом и настоящем относят эти работы к первым наглядным демонстрациям беспроводной электросвязи.

В череде опытов были замечены многие случаи подергиваний лапок и в отсутствие искрового разряда. Происходили они, например, когда лягушку располагали на железной основе и прикасались к нерву прутком или спицей из другого металла. Или если земноводное клали на изолированную дощечку, а нерв избранной мышцы соединяли с кожным покровом дугой из разнородных металлов. Свои теории и эксперименты Гальвани изложил в «Трактате о силах электричества при мышечном движении», вышедшем в 1791 г.

Научные труды Гальвани имели широкий резонанс в Европе. Во многих странах физиологи, поверившие в его доказательства «животного электричества», повторяли опыты на других земноводных, пресмыкающихся и млекопитающих. Некоторые патологоанатомы проводили схожие эксперименты на казненных преступниках.

1800

Электрофорную машину, которую применял Гальвани, в 30-летнемвозрасте изобрел другой итальянский физиолог и физик А. Вольта (1745-1827), благодаря помощи, как он сам говорил, оказанной ему российским академиком Ф. Эпинусом (1724-1802). «Вкус» электричества во рту ему был хорошо знаком по «ощущениям» при замыкании собственным языком проводников от контактов придуманного им прибора и машины Герике. При изучении «Трактата» Гальвани более всего Вольта заинтересовался эффектом «оживления» конечностей лягушек от одновременного прикосновения к ним двух разнородных металлов. Для проверки возникшего, как показало будущее, гениального предположения Вольта клал в рот две монеты из разнородных металлов, одну сверху языка, другую снизу, замыкал их проволокой и ощущал знакомый «вкус» электричества.

Вольта повторил опыты Гальвани, провел множество исследований особых рыб — электрических скатов, сомов, угрей. По аналогии с вырабатывающими электричество их внутренними органами он предложил два типа электрических источников. Во-первых, это — разнородные (например, медь и цинк, серебро и цинк) металлические пластины или штыри (рис. 4,а), разделенные раствором соли или кислоты (электролитом). Во-вторых, это — кружки или квадратные пластины из тех же металлов, с прослойкой из бумаги или сукна, пропитанные электролитом (рис. 4,б), составляющие из нескольких таких элементов, положенных друг на друга, пакет, названный автором «электрическим органом». Однако повсеместно он признан как «Вольтов столб», а позднее как гальваническая батарея [2].

Рис. 4

Вольта была неизвестна теория строения веществ, поэтому «металлические пары», например, цинк-медь и другие, были подобраны им опытным путем. С описанием практического изделия в одном из научных журналов Вольта выступил в 1800 г. Значимость события состояла в том, что новый более надежный прибор заменял собой в опытах слаботочные электростатические машины, применявшиеся почти 150 лет.

Отметим, что еще один, для того времени более дешевый источник стабильного постоянного тока — термоэлектрический — был разработан в 1823 г. благодаря трудам немецкого физика эстонского происхождения Т. Зеебека (1770- 1831) ифранцузского ученогоЖ. Пельтье (1785-1845). Перезаряжаемую свинцово-кислотную батарею (аккумулятор) молодой французский физик Г. Плантэ (1834-1889) предложил только в 1859 г.

Возможности открытого Вольта способа электроснабжения быстро оценили. В Англии ученые-практики начали на его основе исследовать электролиз воды, изучать химическое действие тока. Новый источник побудил в 1801 г. профессора физики и математики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петрова (1761-1834) проделатьфизико-химические опыты с мощной гальванической батареей. Под его руководством изготовили «вольтов столб», состоящий из 2100 элементов тока и обеспечивающий напряжение около 2000 В.

С таким устройством в мае 1802 г. Петров получал «электрический огонь», которым зажигал свечи, бумагу, горючие жидкости. Впоследствии много раздемонстрируемое им явление электрического разряда «толщиною с палец», возникавшее между двумя «угольями», получило наименование «дуги Петрова». Термин «вольтова дуга», не зная об опытах Петрова, ввел в обращение английский физик Г. Дэви (1778-1829), через шесть лет проведший аналогичные эксперименты. Сам Петров прикладное значение изученного явления видел в применении его для нужд электроосвещения. По прошествии десятилетий в начале 1900-х годов на основе этого открытия начали создавать высокочастотные дуговые генераторы для радиопередающих устройств [3].

1820

В феврале 1820 г. в одной из лабораторий Копенгагенского университета (Дания) профессор физики Г. Х. Эрстед (1777- 1851) показывал студентам эффект нагрева проволоки, замыкающей «вольтов столб». Один из студентов обратил внимание преподавателя на легкие колебания стрелки случайно лежащего неподалеку компаса в моменты присоединений и отключений проволоки от источника тока. Далее, проводя эксперименты, Эрстед убедился, что стрелка компаса поворачивается на больший угол, если возрастает ток в проводе, подключенном к более мощной гальванической батарее. Публично свое открытие Эрстед продемонстрировал 21 июля 1820 г. Одновременно он утверждал, что вокруг проводника с током есть «круговое магнитное вращение».

Известие о сенсационных опытах Эрстеда во Францию доставил член Парижской Академии наук Д. Ф. Араго (1786-1853). На собрании ученых в Академии 4 сентября 1820 г. Араго сделал об этом устное сообщение, а через неделю показал эффект Эрстеда и собственное доказательство наличия электромагнетизма вокруг пропускающего ток провода — притяжение железных опилок к электрическому соединителю. На заседаниях присутствовал сумевший путем самообразования продвинуться в теоретическом изучении физики и химии академик А. М. Ампер (1775-1836). В понедельник 18 сентября 1820 г. на очередном заседании Академии Ампер сделал важное заявление о возможном влиянии друг на друга находящихся под током проводников — притяжении и отталкивании их. Через неделю 25 сентября на следующем заседании Ампер демонстрировал уже практический опыт взаимодействия двух спиралей проводов, питающихся током от разных «вольтовых столбов». По разработаннойметодике до конца 1820 г. собирающимся на заседания академикам Ампер сумел показать еще несколько конфигураций из проводов, воздействующих друг на друга при соединении их с источниками тока. Тогда же Ампер сформулировал базовое положение: «два параллельных проводника притягиваются друг к другу, если протекающие в них токи следуют в одном направлении и, наоборот, отталкиваются при встречном протекании токов».

За исполненные теоретические и лабораторные работы потомки возвели Ампера в сан «основоположника (отца) электродинамики».Ампер ввел в обращение понятие «силы тока», «электродвижущей силы». В его честь единицу измерения силы тока назвали «Ампером». Она входит в число семи основных единиц (килограмм, метр, секунда, Ампер, Кельвин, кандела, моль) современной «Международной системы единиц (СИ)». Ампер высказывал идею передачи по электрическим цепям на небольшие расстояния каких-нибудь сообщений путем использования совокупности из медных спиралей и стрелочных индикаторов. Он также предположил, что помещенная в поле постоянного магнита проволока с пропущенным по ней током должна бесконечно поворачиваться вокруг собственной длинной оси. Он пробовал проводить эксперименты по наблюдению тока в проволочной катушке при вдвигании в нее магнитопровода. Однако не заметил отклонений у подключенного к ней стрелочного прибора.

1830

Великий английский физик М. Фарадей (1791-1867) с двенадцати лет начал трудиться переплетчиком и помощником в книжной лавке. Здесь он на протяжении 10 лет самостоятельно изучал физику и химию. В дальнейшем ему повезло: он стал работать лаборантом у именитого профессора Лондонского королевского института сэра Г. Дэви (1778-1829, с 1820 г. — президент Лондонского королевского общества, в то время аналога Императорской Академии наук). Совместно с учителем Фарадей повторил опыты Эрстеда и Ампера. Летом 1821 г. Фарадей уже сам наблюдал в чаше с ртутью конусообразное вращение вертикального проводника под током над стоящим также вертикально магнитом (рис. 5,а). В другом случае у него вращался магнит вокруг жестко закрепленного провода (рис. 5,б).

Рис. 5

В понедельник 29 августа 1831 г. Фарадей с ассистентом собрали электрическую цепь, состоящую из двух отдельных одинаково намотанных изолированным проводом катушек, помещенных на железное кольцо диаметром 15 см, толщиной 2,2 см. Когда подключили одну из обмоток к батарее питания, то заметили отклонение стрелки индикатора, подсоединенного к выводам другой катушки. При отключении питания стрелка гальванометра качнулась в обратную сторону. 17 октября того же года[1] Фарадей наблюдал прямые и обратные отклонения стрелки прибора при быстром введении внутрь и выведении магнита из одиночной катушки, намотанной медным проводом на цилиндрическом каркасе. Из этого он сделал вывод, что электрический ток возникает лишь при перемещении магнита внутри катушки. 28 октября между полюсами U-образного магнита установил медный диск, с которого при его вращении в магнитном поле снимал электрический ток (рис. 6). Фарадей стал именовать открытие как «явление электромагнитной индукции (ЯЭМИ)».

Рис. 6

В США на роль соавтора в открытии ЯЭМИ прочат физика и математика Дж. Генри, который в 1820-е годы также много занимался электромагнетизмом. В частности, он усовершенствовал изобретенный в 1825 г. английским инженером В. Стерженом (1783-1850) подковообразный электромагнит (ЭМ), способный удерживать груз (3 кг), превышающий собственный вес. Созданный Генри в 1831 г. ЭМ удерживал почти тонну (935 кг) при собственной массе в 27 кг. Используя возможности ЭМ по притяжению к себе и отталкиванию металлических предметов, он разработал конструкцию первого электродвигателя с возвратнопоступательными качающимися движениями с частотой около 75 с-1. Он выдвинул проект телеграфной передачи сообщений по проводам и реализовал его в лабораторных условиях: через протянутые на стенах помещения провода (несколько сотен метров) он соединял ЭМ с источником постоянного тока, ЭМ притягивал небольшой постоянный магнит, ударявший, в свою очередь, по чашке звонка. В 1830-х — 1840-х гг. он консультировал профессора начертательных искусств и изобретателя электрических отправлений в виде точек и тире по проводам американца С. Морзе (1791-1872), содействовал ему в развитии инфраструктуры телеграфа в США.

Установлено, что ЯЭМИ открыто Генри в июне 1832 г. [4]. Он провел практический опыт демонстрации ЯЭМИ на примере двух изготовленных из проволоки катушек, разнесенных на расстояние 10 м (рис. 7). Ему же приписывают открытие в том же 1832 г. явления самоиндукции. В 1868 г. Генри избрали президентом американской Национальной Академии наук.

Рис. 7

Ирландский священник, ученый и изобретатель Н. Каллан (1799- 1864), изучив работы Фарадея, Генри и Стержена, выступил с идеей передачи энергии беспроводным путем. Для ее реализации он предложил на общий металлический (железный) магнитопровод поместить обмотки, намотанные медным проводом: первичную — из толстого провода с малым числом витков, отдельно от нее вторичную — из тонкого провода с большим числом витков. Первичную обмотку он соединил с батареей, состоящей из большого числа элементов Вольта. В моменты подключения/отключения батареи он индицировал передачу энергии стрелочным прибором, «на искру», а также путем физиологического «ощущения» ее своими руками и обучаемых студентов. Внешний вид такой установки с тремя катушками представлен на рис. 8.

Рис. 8.

В России исследованиями ЯЭМИ с 1831 г. по 1836 г. занимался физик и географ Э. Х. Ленц (1804-1865), которому были знакомы работы Фарадея. Ленц известен как автор закона, определяющего направление наведенного тока в проводнике при перемещении его в поле магнита. Меньше обращают внимание на более важное научное достижение Ленца — гениальную формулу расчета ЭДС самоиндукции, определяемой скоростью изменения тока, протекающего в катушке индуктивности с известными параметрами: E=-L?di/dt. В XIX веке формула Ленца послужила основой для изобретения большого числа устройств, генерирующих искровые разряды. Среди них, например,-высоковольтная катушка (1851) немецкого электромеханика Г. Румкорфа (1803-1877), система электрического поджига топлива в автомобиле (1884) германского механика Н. А. Отто (1832-1891), высокочастотные трансформаторы без магнитопровода (1891) сербского электроинженера Н. Тесла (1856-1943) и др.

1832

21 октября 1832 г. вС.-Петербурге в собственной квартире российский ученый-востоковед и изобретатель барон П. Л. Шиллинг (1786-1837) публично демонстрировал работу первого в мире электромагнитного телеграфа с дальностью связи примерно 100 м. Изобретатель разработал таблицу кодовых последовательностей по передаче азбуки и цифр по восьми проводным линиям. Считывали передаваемые символы по показаниям шести стрелочных индикаторов. Интерес к новинке проявил император Николай I (1796-1855), посетивший апартаменты ученого. Позже изобретение было реализовано на практике: первой в России линией телеграфа связали Зимний дворец и Министерство путей сообщения, затем — здания Адмиралтейства. Прокладывали телеграфные провода на расстояние около 5 км по воздуху (на столбах) и дну каналов.

Литература

  1. Карцев В. Приключения великих уравнений. — М.: Знание, 1986.
  2. Ольшанский В. Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: неоконченный спор. — Наука и жизнь, 2004, № 12.
  3. Пестриков В. От электрической дуги Петрова — к радиопередаче речи.
  4. Шнейберг Я. Великий физик Америки

Статья опубликована в журнале «Радио» № 11 2008 г.
Перепечатывается с разрешения автора.
Статья помещена в музей 19.12.2008

Электрофорная машина — Chip Stock

Что такое электрофорная машина и как она работает?

Генератор Вимшурста или электрофорная машина – это индукционный электростатический прибор, созданный как непрерывный источник электрической энергии. В XXI веке используется как вспомогательная техника для демонстрации физических опытов, касающихся различных электрических эффектов и явлений.

Немного из истории изобретения

В 1865 г. физик-экспериментатор из Германии Август Теплер разработал итоговые чертежи электрофорной машины. Одновременно с этим было сделано второе независимое открытие подобного агрегата немецким ученым Вильгельмом Хольцем. Главным отличием прибора была возможность получать большую мощность и разность потенциалов. Хольц считается создателем источника постоянного электрического тока.

Простая начальная конструкция применения электрофорной машины в 1883 г. была усовершенствована Джеймсом Уимсхерстом из Англии. Его модификация используется во всех физических лабораториях для наглядной демонстрации опытов.

Конструкция электрофорной машины

2 соосных диска вращаются друг против друга, неся при этом простейшие конденсаторы из алюминиевых секторов. Благодаря случайным процессам в первичный момент на участке одного из сегмента образуется заряд. Вызывается явление процессом трения о воздух. Из-за симметричности конструкции нельзя заранее предсказать итоговый знак.

В конструкции используются 2 лейденовские банки. Они создают из последовательно включенных конденсаторов единую систему. Это влияет на двойное уменьшение требований к рабочему напряжению в каждой емкости. Следует подбирать одинаковые номиналы, это залог равномерного распределения рабочего напряжения.

Снять напряжение призваны индукционные нейтрализаторы. Вся конструкция напоминает металлический гребень, парящий на некотором расстоянии над диском. В точку съема заряда приходят оба диска с эквивалентными знаками внешней поверхности. Нейтрализаторы спарены. После осуществления разгрузки сильно снижается заряд сегментов. В дополнительных конструкциях щетка легко соприкасается с краем диска.

Обратите внимание

Оператор за счет силы электрического привода либо собственной рукой насильно сближает отталкивающиеся элементы системы. Взаимодействующие друг с другом заряды стараются расположиться как можно дальше. Процесс способствует резкому росту поверхностной плотности зарядов во всех точках съема.

Электричество собирается в лейденовских банках с гребней нейтрализаторов. Происходит быстрый рост напряжения. Избежать выхода из строя системы помогает разрядник, прикрепленный к 2 электродам.

Возможно получение дуги различно силы при регулировании дистанции между ними.

Существует взаимосвязь: чем сильнее напряженность поля между 2 разрядниками, тем более шумный эффект сопровождает процесс опустошения банок Лейдена.

Сегменты остаются опустошенными после точки съема заряда. По течению движения устанавливаются уравнители потенциала или нейтрализаторы по принципу действия. Каждая противоположная сторона диска уже отдала заряд у различных щеток. В момент прохождения точки съема и после нее остаточные знаки заряда являются различными.

Отрезок толстой проволоки из меди с щетками из тончайших проволочек, парящих на небольшой высоте или трущих сегменты, способствует замыканию указанных противоположностей. Результат – заряды на обоих сегментах приравниваются к нулю, вся энергия превращается согласно закону Джоуля-Ленца в тепло, образующееся на утолщенной медной жиле.

Что такое банки Лейдена

Первым электрическим конденсатором, созданным учеными из Голландии Питером ван Мушенбруком, была лейденская банка. Изобретенный конденсатор имеет форму цилиндра с широким или средним горлом разного диаметра.

Лейденскую банку делают из стекла. Изнутри и снаружи она оклеена специальным листовым оловом. Прикрывается изделие деревянной крышкой. Главной функцией изобретения является накопление и хранение больших зарядов.

Стимулировало создание такой банки широкое изучение электричества, общей скорости его распространения, а также свойств проводимости электроэнергии различных материалов. Благодаря ей получилось впервые добыть электрическую искру искусственным путем. Сейчас банки Лейдена применяются только как неотъемлемая часть электрофорных машин.

Каков принцип работы электрофорной машины

Из силы оператора берется энергия для смены знаков. Уже между уравнителями и щетками диски двигаются со взаимным отталкиванием навстречу друг другу. Свою роль играет количество оборотов в минуту. Повышена плотность заряда. Сильнейший заряд противолежащих дисков выталкивает остатки через отрезки медной проволоки. Из этого вытекает энергия, достаточная для смены знака.

За счет повышения показателей поверхностной плотности происходит съем заряда в приборе. В единичной точке делаются энергетические запасы в банке Лейдена, другое место служит для изменения знака. Индукционные нейтрализаторы практически не имеют отличий. Они оба выполняют общую функцию нейтрализации энергии. Общая схема:

  1. Существует 2 типа конденсаторов в конструкции: банки Лейдена, где заряд накапливается, и комбинация сегмента обоих дисков с диэлектриком и алюминиевой обкладкой.
  2. Понижением заряда алюминиевых сегментов занимаются 2 вида нейтрализаторов. Первый используется для смены знака или поляризации, второй для зарядки лейденовской банки.

Вся энергия поступает не от трения алюминия и меди или электризации воздуха. Она создается за счет принудительных наполнений конденсаторов силой кручения диска. Все процессы выполняются благодаря резкому повышению в точках съема поверхностной плотности зарядов.

Применение электрофорной машины

С 70-х гг. машина Вимшурста не используется для непосредственной добычи электрической энергии. Сегодня она выступает историческим экспонатом, иллюстрирующим историю возникновения и развития научно-технического прогресса и инженерной мысли. Лабораторная демонстрация, для чего создают электрофорную машину, показывает различные явления и эффекты электричества.

Допустимо использование индукционных нейтрализаторов, снимая заряды с жидких диэлектриков, например нефти. На любом производстве в воздухе получить искру опасно, это может привести к пагубным последствиям, задымлению и даже взрыву.

История открытий и исследований в области электричества имеет тесную связь с применением различных конструкций и устройств для получения электрических зарядов. Свою роль в научных изысканиях сыграла электрофорная машина, действие которой основано на возбуждении электричества благодаря индукции.

Источник: https://odinelectric.ru/knowledgebase/chto-takoe-elektrofornaya-mashina-i-kak-ona-rabotaet

Электрофорная машина (генератор Вимшурста) Wimshurst

Генератор Вимшурста (Wimshurst) является индукционной электростатической машиной. В ней статический заряд образуется не с помощью трибоэлектричества, когда присутствует трение, а через индуцирование зарядов. У этого класса машин выше КПД в сравнении с теми, где используется трение.

Описание машины Вимшурста

Машина состоит из двух дисков, которые выполнены из хорошего диэлектрика, например эбонита, акрила и т.п. Эти диски свободно насажены на ось и могут вращаться вокруг горизонтальной оси. Сами диски располагаются вертикально. С помощью рукоятки 1 оба диска приводятся в разнонаправленное вращение.

Один диск вращается по часовой стрелки, а другой против часовой. Это обеспечивается с помощью приводных ремней 2 и 3, один из которых перекручен на 180° на одном из шкивов. За счет этого обеспечивается разнонаправленное вращение дисков, которое необходимо для индукции зарядов.

Оба диска вращаются от одной рукоятки и поэтому будут вращаться одновременно.

На наружной части каждого диска наклеены металлические полоски 4, которые не касаются краев диска, а выполнены на некотором расстоянии от них. Полоски расположены радиально, в виде лучей, исходящих из центра диска. Оба диска имеют одинаковое количество и расположение полосок, можно сказать, что один диск является отражением другого.

Важно

Полоски при вращении дисков соприкасаются со щётками 5, которые выполняют роль контакта для переноса заряда по проводникам 6, 7, 8 и 9.

При работе машины Вимшурста металлические полоски в месте контакта со щетками могут изнашиваться и конструктивно этот износ должен быть сведен к минимуму, а надежность контакта к максимуму.

Проводники 6 и 7 служат для съема и накопления образованных зарядов с обоих дисков. Проводники 8 и 9 расположены каждый по одну сторону диска и соединяют диаметрально противоположные полоски.

Таким образом мы имеем два типа проводников. Одни (6 и 7) для съема зарядов, а 8 и 9 для установления своеобразной «земли» — линии нейтрального потенциала. Проводники 6 и 7 расположены на одной геометрической диаметральной оси относительно дисков, а проводники 8 и 9 относительно друг друга повернуты на угол 90°.

Можно также заметить, что между проводниками 8 и 9 проводники 6 и 7 расположены по середине и отстоят на угол 45°. Таким образом мы видим, что конструктивно машина выполнена симметрично и достаточно просто, чтобы изготовить ее самостоятельно.

Описание работы электрофорной машины

При вращении рукоятки диски начинают двигаться в противоположных направлениях.

Щетки, которые обычно выполняются в виде мишуры начинают контактировать то с одними, то с последующими металлическими полосками.

С каждым оборотом начинает накапливаться всё больший и больший заряд, что обеспечивает увеличение потенциала на контактах 6 и 7. Для лучшего накопления используют конденсаторы в виде лейденских банок.

Как только накопленный заряд достигает максимального значения для используемой конструкции машины Вимшурста, дальнейший рост заряда прекращается. Чем больше диаметра дисков и чем больше скорость вращения, тем больший заряд способна выработать электрофорная машина.

Как происходит накопление заряда?

Предположим, что первый круг имеет недостаток свободных зарядов, что в нашем случае означает недостаток свободных электронов в металлических пластинах. При движении второго диска его пластины будут поочередно соприкасаться со щетками на проводнике 8, и, соответственно, на них будет образован избыток свободных носителей зарядов.

Это происходит потому, что пластины с обоих сторон, между которыми расположен диэлектрик (материал дисков), представляют собой плоский конденсатор, но такой конденсатор, обкладки которого двигаются. Электрический заряд на таком конденсаторе индуцируется, или иначе говоря — наводится.

Дальше происходит следующее. Пластины, второго диска, дойдя до щеток контакта 6 отдадут свои электроны в накопитель в виде лейденской банки (конденсатор). Эта лейденская банка будет накапливать заряд -Q. Затем настанет очередь следующих за ними пластин и так далее.

Совет

Аналогичный процесс происходит и на первом диске, так как он так же вращается, но в другом направлении.

Здесь можно сказать, что свободные носители как бы выкачиваются из другой лейденской банки, тем самым образуя на ней недостаток электронов, а значит ею приобретается заряд +Q.

Чем чаще пластины обоих дисков соприкасаются со щетками на проводниках 6 и 7, тем большее количество зарядов накапливается на них.

Лейденские банки, если они установлены, будут заряжаться всё сильнее и сильнее, до тех пор, пока кулоновские силы не начнут противодействовать дальнейшему накоплению зарядов.

Это значит, что есть предел накопления, который можно характеризовать также и разностью потенциалов (напряжением) между двумя контактами 6 и 7.

Если же в дальнейшем разрядить оба контакта, накопившие +Q и -Q, либо друг на друга, либо передать заряд в другую электрическую емкость, то дальнейшее накопление заряда станет вновь возможным.

Вы можете спросить. Откуда берется первоначальный заряд? Дело в том, что он существует всегда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком (газ, жидкость, твердое тело) всегда имеют емкость, и более того, они имеют разность потенциалов, что говорит о наличии на одном таком проводнике большего количества свободных носителей зарядов, чем на другом.

Электрофорная машина Вимшурста является машиной с самовозбуждением, то есть для начала ее работы не требуется подвод какого-либо дополнительного заряда.

Является ли машина Вимшурста генератором энергии?

Более точно можно сказать, что машина Вимшурста является преобразователем механической энергии вращения в энергию электростатического поля. При работе такой машины, как впрочем и любой другой, существуют потери на трение, утечки энергии и т.п. Поэтому ее КПД не может быть более 100%, и даже он не может быть равен 100%.

По мере роста разности потенциалов, чем всё больший заряд будет накапливаться, тем сильнее кулоновские силы будут противодействовать механическим. На практике это означает, что с каждым оборотом дисков будет расти прикладываемое усилие. Кроме этого будут потери на трение в конструкции и нежелательные утечки зарядов.

Дата: 12.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Источник: http://electricity-automation.com/page/elektrofornaya-mashina-generator-wimshursta

Электрофорная машина

Когда-то электрофорную машину можно было увидеть в любом школьном кабинете физики.
Сейчас их тоже производят и тоже показывают школьникам — но далеко не везде. Все-таки сейчас впечатление от ее работы не настолько впечатляющее, чем было в начале прошлого века.

Однако, если ее продемонстрировать лет этак на тысячу раньше…

Принцип действия прост — два диэлектрических диска с нанесенными на их поверхность металлическими полосками.
Диски вращаются в противоположных направлениях, желательно побыстрее.

Если в кусочки металла, пролетающие друг относительно друга, имеют хоть какую-то разницу потенциалов (а реальный мир такой — ничего поровну не дается), то при эта разница усиливается, нужно ее только снять.

Для этого существуют по две щетки для каждого диска, заряд накапливается в лейденских банках по бокам.

Вот современная школьная модель с прозрачными дисками, тут видно устройство:

Обратите внимание

Конкретно эта модель имеет размер диска в 30 см, расстояние между дисками — от 2.5 до 7 мм (диски не сделаны с высокой точностью). Высота ее лейденских банок по 12 см.

И этого всего хватает, чтобы в сухом воздухе получить искру в 55 мм! Да, при этом скорость вращения 120 оборотов в минуту, но скажите мне — что в этой машине невозможно построить в том же Древнем Египте? Подшипник скольжения, который не несет нагрузок? Ременная передача вместо шестеренок? (кстати, на верхнем фото ремень). Диэлектрические диски? Кусочки металлической фольги без разницы какого металла? Лейденские банки?

Главное отличие использования такой штуки где-нибудь в Древней Греции — в горячем и влажном воздухе искра будет в полтора раза меньше.
Но искра ведь запасается в лейденской банке, и для попаданца выгоднее будет сделать простой конденсатор, куда более емкий. Ведь конструкция такой машины фактически не изменилась со времен ее изобретения, тут есть что совершенствовать.

Когда в 1865 году эта штука была изобретена, она применялась для развлечения — выстраивался ряд людей, держащихся за руки и через эту цепь пропускался заряд. Удар электрическим током был незабываемым опытом, желающих хватало, а кардиоэлектростимуляторов, которые бы позагинались от такого развлечения, тогда еще не придумали.

Если попаданец все же решится основать религию, то такая девайсина ему крайне пригодится.
По сравнению гальванической батареей она дает не пол-вольта, а десятки тысяч вольт. Пяти-сантиметровая искра в полутемном храме это нечто! Да и бьюшие током иконы тоже неплохо.

При этом — никаких сложных элементов, заряд накапливает за считанные секунды и заряд солидный.

Кроме всего прочего — позволяет легко намагнитить компас.

И последнее — будете строить электрофорную машину в древности, стройте из благородных металлов, красного дерева, перламутра и прочего. Вплоть до рога единорога.

Это ведь не паровая машина, пыхтящая в темном закоулке технологического помещения, это вещь, которая должна внушать!

Источник: http://www.popadancev.net/elektrofornaya-mashina/

Генератор статического электричества своими руками

В этом видео уроке будем собирать электрофорную машину, которая представляет из себя генератор статического электричества. В начале рассматриваются общие вопросы по назначению и конструкции этой машины, потом подробно показаны все шаги по ее изготовлению своими руками.

Посмотрите на выбор ручных генераторов в этом китайском магазине.

Устройство состоит из основания, на котором крепятся ее детали. Также в ее состав входят две стойки с осями, на которых крепятся два диска с металлизированным покрытием.

Имеются также две лейденские банки, которые являются, по сути, конденсаторами или накопителями заряженных частиц. Разрядники, которые функционируют по мере накопления заряда конденсаторов, съемники заряженных частиц с передней и с задней стороны дисков.

Важно

Диски приводятся в движение при помощи ременной передачи. Мы крутим ручку и за счет этого происходит вращение дисков.

Мастера покупают изобретения в этом китайском интернет-магазине.

Первые генераторы статического электричества были одновременно изобретены в Германии в одно и то же время Августом Теплером и, независимо от него, Вильгельмом Гольцем.

 Принцип работы электрофорной машины. Поскольку диски вращаются относительно друг друга в противоположные стороны, они создают положительные и отрицательные заряды.

При вращении дисков по мере накопления зарядов происходит разряд.

Авторы видео решили изготовить данную машину, которую можно повторить своими руками в обычных домашних условиях.  На сайтах в интернете есть несколько примеров создания такого генератора, но данная конструкция будет иметь двигатель.

Сначала были сделаны чертежи будущей машины.  В первую очередь были рассчитаны параметры диска. После проделанной предварительной работы приступили к созданию устройства.

Электроника для самодельщиков в китайском интернет-магазине.

Основные детали

Машина будет состоять из следующих элементов. Это 2 диска, которые будут вращаться в противоположные стороны, они будут сделаны из CD-дисков.  Два двигатель от компьютерного кулера, которые будут приводить их в движение.

Диск будет приклеен двухсторонним скотчем на ротор мотора. Сам двигатель крепится к стойке. Стойки будут сделаны из оргстекла. Также будут использованы лейденские банки.

Это пустая металлическая емкость, от которой идет один контакт, далее полистироловый диэлектрик и латунный контакт.

Совет

Для начала нужно снять покрытие с диска, чтобы получить прозрачную заготовку. Для этого используем канцелярский нож. Для создания рабочего диска нужны эскизы, они выполнены на компьютере. Шаблон лепестка можно изготовить из подходящего материала, для этого хорошо подойдет банковская карта.

Теперь, используя шаблон, приступаем к разметке на скотче.  Прикладываем шаблон и вырезаем все нужные фрагменты. Всего было вырезано 20 лепестков на один диск. Должно получиться 20 секций. Угол между двумя лепестками составляет 18 градусов.

Разметка производится при помощи обычного листа в клеточку и транспортира. Теперь накладываем диск точно в середину координат, при помощи ножа или шила делаем насечки по 18 градусов. Наклеиваем лепестки в соответствии с линиями. В точной аналогии с первым диском был сделан второй диск.

Он был обработан, чтобы обеспечить зазор.

У мотора удаляем желтый провод. Отсекаем ребра жесткости, чтобы можно было отсоединить двигатель. Некоторое место нужно оставить под монтажные отверстия.

Продолжение

Источник: https://izobreteniya.net/generator-staticheskogo-elektrichestva-svoimi-rukami/

Электрофорная машина — принцип работы. Как сделать электрофорную машину своими руками

Образование 7 апреля 2014

Электрофорная машина работает как непрерывный источник электрической энергии. Этот прибор используют зачастую как вспомогательный для демонстраций различных электрических явлений и эффектов. Но какова его конструкция и особенности?

Немного из истории изобретения

Электрофорная машина разработана в далеком тысяча восемьсот шестьдесят пятом году Августом Теплером, немецким физиком.

Что любопытно, совершенно независимо другой ученый-экспериментатор Вильгельм Гольц изобрел подобную конструкцию, но даже более совершенную, так как его аппарат позволял получить большие значения разностей потенциалов и мог служить источником постоянного тока.

К тому же гольцевская машина была намного более простой в конструкции. В конце девятнадцатого века английский экспериментатор в области электричества и механики Джеймс Вимшурст усовершенствовал агрегат.

И по сегодняшний день именно его вариант (пусть и чуть более современный) используется для демонстраций электродинамических опытов благодаря способности создавать огромную разность потенциалов между коллекторами.

Электрофорная машина была улучшена уже в сороковых годах двадцатого века ученым по фамилии Иоффе, который разработал новый тип электростатических генераторов для осуществления питания рентгеновской установки. Хотя машину Вимшурста сейчас не используют для непосредственной задачи добычи электрической энергии, она является историческим экспонатом, который иллюстрирует историю развития инженерной мысли и научно-технического прогресса.

Конструкция электрофорной машины

Этот аппарат состоит из двух дисков, которые вращаются навстречу друг другу. Работа электрофорной машины как раз и заключается в осуществлении такого двойного обоюдного вращения. На дисках расположены токопроводящие изолированные друг от друга сегменты.

С помощью обкладок сторон обоих дисков образовываются конденсаторы. Именно поэтому электрофорная машина иногда называется конденсаторной. На дисках расположены нейтрализаторы, которые отводят заряды от противоположных элементов дисков на землю с помощью щеток. Коллекторы находятся слева и справа.

Именно на них поступают снятые гребенками с заднего и переднего дисков генерируемые сигналы.

Видео по теме

Что такое банки Лейдена?

Во многих случаях заряды накапливаются на конденсаторах. Их называют банками Лейдена. После этого возможно воспроизведение намного более сильных разрядов и искр. Внутренние обкладки каждого конденсатора соединяются с кондукторами по отдельности. Щетки, которые касаются секторов дисков, объединены с внутренними обкладками банок Лейдена.

Вся конструкция на сегодняшний день монтируется на пластмассовых стойках. Вместе с лейденовскими банками части машины закрепляются на подставке из дерева. Учитывая наглядность конструкции, электрофорная машина своими руками может быть сделана достаточно просто.

Даже человек, который не имеет специального технического образования, может ее собрать и эксплуатировать в свое удовольствие.

На чем основана работа электрофорной машины?

Использование взаимного усилия обоих дисков – именно этот принцип является основным в данном устройстве. Эффект возникновения разности потенциалов, а затем разрядов и искр достигается правильным расположением секторов.

Конечно, существуют разработки, использующие и чистые диски, но подобный коэффициент полезного действия они не выдают. Такие конструкции часто применяются в небольших учебных учреждениях.

Расстояние между дисками у такого прибора, как электрофорная машина, играет важнейшую роль и оказывает существенное влияние на достижение необходимого напряжения на конденсаторах.

Каков принцип работы аппарата?

Электрофорная машина с момента ее изобретения (а это начало восемнадцатого века) пережила много изменений. Но основная идея осталась. Основой конструкции машины являются диски с наклеенными обкладками (металлическими полосами).

Приложив определенную механическую силу с помощью ременной передачи, их можно вращать в разные стороны, противоположные друг другу. На обкладке одного диска возникает положительный заряд. Он притянет к себе другой заряд (отрицательный).

Положительный уйдет через проводник со щетками (нейтрализатор), который касается противоположной обкладки. Поворачивая диски, получаем заряды, аналогичные исходным. Но они уже будут влиять на другие обкладки. Учитывая то, что диски вращаются в противоположные стороны, заряды стекаются к коллекторам.

Обратите внимание

У такого демонстрационного аппарата, как электрофорная машина, принцип работы основан именно на этом моменте.

На щетках обоих дисков, которые не касаются их поверхности и находятся по краям, заряды в какой-то момент становятся настолько огромными, что в воздушном пространстве возникает пробой, и проскакивает электрическая искра. Именно поэтому к коллекторам можно присоединять дополнительные конденсаторы разных емкостей, что придаст большую красоту эффекту возникновения разряда.

Источник: fb.ru

Источник: https://monateka.com/article/189322/

Электрофорная машина гольца

История исследования и открытий в области электричества тесно связана с использованием разнообразных конструкций электрических машин — устройств для получения электрических зарядов, называемых также электростатическими машинами.

Конструкция электростатических машин основана на принципе получения электрической энергии за счет механической работы, затрачиваемой при приведении в движение (вращение) подвижных частей машины, в первую очередь, на преодоление сил притяжения или отталкивания, действующих в каждый момент между разноименно и одноименно наэлектризованными движущимися частями машины.

Изучение принципов действия электростатических машин, подразделяемых на машины трения и электрофорные машины, способствовало лучшему пониманию природы электричества, поэтому они являлись не только устройствами для получения больших электрических зарядов, но и научно-исследовательскими стендами.

Первая электростатическая машина появилась около 1650 г.

Ее сконструировал немецкий ученый, бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. Работа этой машины основывалась на явлении электризации тел трением. В дальнейшем было создано большое количество разнообразных конструкций электрических машин трения, но все они имели общий существенный недостаток: работа с такими машинами требовала приложения очень больших физических усилий.

В отличие от машин трения действие электрофорных машин основано на возбуждении электричества благодаря явлению индукции, т.е. без непосредственного соприкосновения вызывающих электризацию частей машины.

Впервые электрофорная машина была создана в 1865 г. немецким физиком-экспериментатором Августом Теплером, отметившим в одной из своих статей в 1867 г.

, что «электрофорная машина представляет собою, пожалуй, наиболее прямой путь для получения электрических действий за счет механической работы». Одновременно с Теплером и независимо от него электрофорная машина была также изобретена другим немецким физиком Вильгельмом Гольцем (1836-1913).

Машина Гольца имела более простую, чем машина Теплера, конструкцию, но в то же время позволяла получать большую разность потенциалов и могла использоваться в качестве источника постоянного электрического тока.

Благодаря своим преимуществам машина Гольца получила наибольшее распространение среди электрофорных машин и изготавливалась не только для научных целей, но и для оснащения физических кабинетов различных учебных заведений.

Важно

Машина Гольца, представленная в экспозиции Политехнического музея, относится к старейшим его экспонатам.

В экспозиции Педагогического отдела Политехнической выставки 1872 г., от которой ведет свою историю музей, в Отделении военного ведомства был представлен образцовый физический кабинет для военных учебных заведений. Среди его экспонатов была и машина Гольца с принадлежностями.

После выставки машина Гольца поступила в Политехнический музей и с тех пор широко использовалась в его экспозиции. Так, в статье директора физического отдела музея А.С. Владимирского «О составе коллекции отдела прикладной физики Политехнического музея» за 1874 г. мы читаем: «Большая электрофорная машина Гольца работы г.

Рихтера служит для освещения юбилейного щита из гейслеровых трубок, сделанного замечательным мастером этого дела в Париже Сегюи». Эта же машина Гольца упоминается в кратких указателях коллекций Политехнического музея за различные годы. Например, в указателе коллекций за 1882 г.

в разделе, посвященном отделу прикладной физики, говорится: «Среди залы стоит громадная электрическая машина Гольца (работы Рихтера) с принадлежностями; над нею светящаяся надпись из гейслеровых трубок, напоминающая о Политехнической выставке 1872 г.».

Машина Гольца использовалась в музее также для учебных целей при проведении Воскресных «объяснений» коллекций Политехнического музея. Кроме того, эта электрическая машина служила и научным целям в изучении природы электричества.

Так, например, устройство и принцип действия машины Гольца неоднократно обсуждались на заседаниях Императорского общества любителей естествознания, антропологии и этнографии, проходивших в музее.

Рассмотрим теперь кратко принцип работы машины Гольца, привлекавшей к себе внимание ученых и посетителей музея с первых дней его основания.

Совет

Основные рабочие части машины объединены в систему из двух стеклянных дисков и металлических вилок (гребенок) для снятия зарядов с дисков. Стеклянные диски имеют разный диаметр: неподвижный диск — 100 см, вращающийся диск — 94 см.

Неподвижный диск опирается на эбонитовую пластинку и поддерживается в вертикальном положении при помощи эбонитовых кружков, закрепленных на изолирующих стойках. В неподвижном диске сделаны вырезы, а на его задней поверхности наклеены бумажные неполные секторы, называемые оправами, оканчивающиеся бумажными же язычками, передние края которых имеют заостренную форму.

Эти острия проходят через упомянутые вырезы и несколько изогнуты по направлению к задней поверхности другого стеклянного диска, расположенного перед неподвижным диском. Этот передний диск имеет меньший диаметр и вращается на горизонтальной оси, проходящей через центральное отверстие большого диска. Оба диска, оправы и их язычки покрыты слоем гуммилака.

Перед вращающимся диском вдоль горизонтального диаметра расположены две латунные гребенки, каждая из которых соединена с соответствующим латунным кондуктором, оканчивающимся спереди шаром, через который проходит латунный стержень с шариком и деревянной рукояткой. Передний диск вращается посредством рукоятки и системы шкивов с ременной передачей.

К собственным кондукторам электрофорной машины могут быть подсоединены две лейденские банки, устанавливаемые на специальные медные подставки, позволяющие с помощью проволоки соединить их внешние обкладки. На передней стороне основания машины располагаются два латунных столбика с зажимами для подсоединения проводов.

Для того чтобы можно было воспользоваться током машины Гольца, стержни с шариками наклоняют так, чтобы они прикасались к столбикам.

Принцип работы машины удобно рассматривать на ее горизонтальной проекции. Перед началом эксплуатации необходимо наэлектризовать оправы разноименными зарядами (например, р +, а р’ -).

Эти оправы (полоски) в соответствии с явлением индукции будут действовать на вращающийся диск В, а через него на гребенки О и О’, при этом р, обладая положительным зарядом, вызовет через влияние появление отрицательного заряда в части m диска В и притянет тот же заряд из гребенки О, который отложится в части m’ диска В. Таким образом, диск В электризуется отрицательно на обеих своих сторонах в m и m’, в то время как гребенка О и кондуктор Сг заряжаются положительно. По мере вращения диска m и m’ перемещаются к окну F’, где поверхность m’ усиливает влияние полоски р’, притягивая из гребенки С’ положительный заряд, заряжая гребенку О’ и кондуктор С’г’ отрицательно. В свою очередь m, оказывая индуктивное воздействие на полоску р’, притягивает положительный заряд, поддерживая ее в отрицательном состоянии. Затем части m и m’ снова проходят перед окном F и т.д., повторяя последовательно описанный процесс. Таким образом, электорофорная машина Гольца позволяет одновременно получать заряды обоих знаков.

Обратите внимание

Сегодняшние посетители Политехнического музея, могут познакомиться с этим удивительным экспонатом, памятником науки и техники, сделанным в России и внесшим свой вклад в изучение, распространение и популяризацию научных знаний об электричестве.

В.М.Витвицкий

Источник: http://school-collection.iv-edu.ru/dlrstore/9e7059c6-7a0e-4fb5-8d68-5e43da7b80c6/JelektrofornajaMashinaGolca-opis.htm

Машина электрофорная малая МЭМ

Вернуться в каталог

 Учебное оборудование предназначено для получения больших электрических зарядов и высоких разностей потенциалов при постановке демонстрационных опытов по электростатике, для проведения, в сочетании с другими приборами, экспериментов на распределение электрического заряда по поверхности проводника тока, экспериментов по определению электрических силовых линий в электростатическом поле, экспериментов с точечным электрическим разрядом, электрическим разрядом в вакуумной трубке и других экспериментов. Кроме того этот прибор является одним из наиболее привлекающих внимание и интерес учащихся, благодаря своей наглядности.

Оборудование также может применяться самостоятельно для проведения следующих опытов:

  • определение электростатической индукции,
  • получения искрового разряда,
  • получение точечного электрического разряда,
  • изменения емкости электрического конденсатора (лейденская банка генератора)

Прибор состоит из двух вращающихся в противоположные стороны пластмассовых дисков и двух лейденских банок. Внешние обкладки банок соединяются между собой подвижной пластиной, расположенной между двумя зажимами, а внутренние соединены с отдельными кондукторами. За изолирующие ручки кондукторы можно поворачивать и изменять расстояние между ними. С внешней стороны на дисках нанесены алюминиевые секторы, с которыми соприкасаются щетки.
Диски охвачены металлическими гребешками, присоединенными к лейденским банкам и к двум разрядникам. Диски приводятся во вращение при помощи прямой и перекрестной ременных передач.
Все части машины установлены на пластмассовых стойках, которые укреплены на деревянной подставке вместе с дейденовскими банками.
Для полноценной работы устройства необходимо следить, чтобы один из щеткодержателей был установлен к горизонтальному диаметру диска под углом приблизительно 450, второй — под прямым углом к первому. Если не происходит накапливания зарядов на лейденских банках, необходимо произвести первоначальную зарядку дисков. Для этого в зазор между ними вставить лист бумаги или  кусок тонкого сукна, и вращать рукоятку, чтобы получить искру между разрядниками, после чего бумагу или ткань удалить.
После окончания демонстрационных работ разрядники  необходимо замкнуть, чтобы нейтрализовать накопленный заряд.

В комплект поставки входят:

  • Прибор- 1 шт.
  • Ручка приводная- 1 шт.
  • Руководство по эксплуатации- 1 шт.
  • Коробка упаковочная- 1 шт.

Габаритные размеры — 35х30х18 см 

Вес оборудования — 3 кг.

Машина электрофорная малая МЭМ в наличии на складе. Доставка по Москве и области, а также во все регионы России и страны СНГ. Возможен самовывоз со склада в Москве.

**Гарантии на обмен и возврат товара.

Источник: http://skale.ru/magazin/product/mashina-elektrofornaya-malaya-mem

Как устроена электрофорная машина?

Электрофорная машина предназначена для получения мощных электрических зарядов и высоких разностей потенциалов.

Изучение принципов, как работает электрофорная машина, направлено на рассмотрение механизмов распределения заряда по поверхности проводника, приобретение навыков определения силовых линий в электрическом поле, изучение индукции и практическое наблюдение за электрическими разрядами.

Из чего состоит электрофорная машина?

Экспериментальный набор состоит из пластмассовых дисков с алюминиевыми зонами, щеток, лейденских банок с подключением к кондукторам, изолированных ручек, ременных передач и металлических гребешков.

Общая конструкция зафиксирована прочными пластмассовыми стойками и установлена на деревянной подставке. Необходимо знать, что на качество результата способна повлиять температура и влажность воздуха. Минимальное расстояние появления электрического заряда составляет минимум 30 мм.

Все тонкости работы с оборудованием четко описаны в заводской инструкции, которая входит в комплект поставок. После завершения эксперимента крайне важно замкнуть раздрядники для нейтрализации заряда.

Эксперимент с электрофорной машиной проводится на уроках, предназначенных для создания базовых теоретических представлений об электротоке, основных условиях его образования и продолжительного существования, различных источниках появления тока. Чтобы рассмотреть основные способы образования тока, школьникам следует знать, какие превращения энергии происходят в электрофорной машине.

Распределение зарядов осуществляется благодаря воздействию механической энергии. В момент вращения основных дисков осуществляется трение специальных щеточек о дисковую поверхность, что вызывает возникновение разных зарядов. Завершающим результатом эксперимента является зарядка одного электрода устройства положительным током, а второго – отрицательным. В момент приближения разных электродов появляется кратковременный ток в виде электрического разряда.

Детальное изучение абстрактных физических понятий невозможно без использования наглядных материалов, визуализации и экспериментирования. Использование электрофорной машины на уроках изучения физики в средней школе позволяет сформировать четкие теоретические и практические понятия об электротоке, основных технических условиях его появления и продолжительного существования в замкнутой цепи.

Разделение зарядов машины осуществляется за счет последовательного преобразования механической энергии. В момент движения щеточек осуществляется трение о поверхность дисков, благодаря чему осуществляется разделение зарядов на положительные и отрицательные. В случае приближения электродов появляется разряд электричества. В момент проведения демонстрационной презентации приходится интенсивно вращать ручку машины, что позволит непрерывно производить электрический ток.

Краткий принцип работы электрофорной машины используется на занятиях по физике во время изучения механических источников энергии, а также процессов преобразования механической энергии в электричество. Применение устройства позволяет наглядно провести эксперимент непосредственно в рамках стандартного урока.


Технический вторник: экономичный электрофорез | Лаборатория на дешевом

Гель-электрофорез — это метод пространственного разделения ДНК, белков или макромолекул в целом по их весу (или заряду). В зависимости от области ваших исследований вы либо никогда не слышали об этом, либо их повсеместно называют «гелями», и они являются частью вашей повседневной жизни.

Авторы этого блога работают в гелофильной сфере.

В этот технический вторник мы говорим о том, чтобы сделать этот процесс менее утомительным для ваших финансов, независимо от того, используете ли вы один или тысячу гелей.

ДНК гели

Гели для разделения ДНК обычно представляют собой гели агарозы (0,7–2%). Коммерчески доступные готовые гели стоят от 10 до 20 долларов за штуку. Напротив, вы можете купить достаточно реагентов для приготовления 300 гелей примерно за 800 долларов, что снижает стоимость примерно до 2,50 долларов за гель. Эти агарозные гели легко вылить, потому что полимеризация агарозы зависит от температуры.

Вам также понадобится рабочий буфер (TAE или TBE). Стандартный 50-кратный раствор TAE будет стоить от 50 до 100 долларов.Вы можете сделать буферы самостоятельно, не прилагая особых усилий, и если вы действительно стремитесь к сохранению, некоторые люди говорят, что вы можете использовать их повторно.

Обратите внимание, что бромид этидия (наиболее часто используемый краситель в гелях ДНК-агарозы), возможно, не так опасен, как показывают признаки в вашей лаборатории. Очень мало причин тратиться на более дорогие «немутагенные» красители.

Если ваша лаборатория запускает десятки гелей (или больше) каждую неделю, вы должны заливать свои собственные — addgene имеет хорошее руководство, которому может следовать любой студент.Если вы планируете использовать всего несколько гелей в своей карьере, возможно, будет дешевле покупать вещи предварительно упакованными, потому что объемные реагенты представляют собой огромную первоначальную стоимость.

Белковые гели

Как и в случае с гелями ДНК, всегда дешевле налить свои собственные гели для электрофореза белков — предварительно упакованные гели по-прежнему стоят ~ 10 долларов за штуку. Чтобы выяснить, какой гель вам нужно использовать, мы рекомендуем этот ресурс от Thermo Fisher. Иногда для очень тяжелых белков можно обойтись гелями агарозы, но обычно белковые гели представляют собой полиакриламид.

Полиакриламидные гели труднее заливать, чем агарозные гели, потому что полимеризация является химической, а не физической. Кроме того, акриламид — известный нейротоксин, поэтому безопасность вызывает беспокойство. Существует множество ресурсов, в которых описывается, как наливать воду самостоятельно. Наш фаворит был предложен в этой статье Александром Хванем, Пэрис Грей, Катриной Кадди и Дэвидом Оппенгеймером.

Они подробно описали, как модифицировать кассеты мини-гелей Invitrogen Nupage Novex для повторного использования, используя лишь эпоксидную смолу.В газете даже есть видео-инструкция:

Коробки с гелями

Независимо от того, как вы делаете гели, даже если это всего лишь две стеклянные пластины, немного упаковочной ленты, несколько зажимов для связующего, гребешок из полиэтилена высокой плотности и ваш полимер, вам понадобится камера для гель-электрофореза. За 500 долларов это не так уж и дорого, но опять же, это просто пластиковые коробки. Так почему бы не сделать свой собственный?

Ознакомьтесь с этим фантастически подробным руководством по созданию камеры для гель-электрофореза, составленным Робом Уилером и доктором Дж.Луиза А. Старк.

Если вам нужно что-то более компактное, вот руководство с видео о том, как сделать меньшую систему для гель-электрофореза.

Источники питания

Если вы хотите запускать гели, вам понадобится источник питания для подачи на гель разности напряжений. Изучите это краткое руководство о том, как собрать собственный блок питания, чтобы получился компактный и красивый маленький блок питания.

Изображения

Таким образом, вы можете приобрести действительно дорогие и модные аппараты для фотографирования ваших гелей.Если вы не слишком разборчивы в отношении качества изображения, вы можете использовать свой смартфон и хорошее освещение, чтобы получить достойные снимки. Ищете фотографии более высокого качества? Вы можете создать свой собственный бокс для визуализации геля с красивой цифровой камерой менее чем за 1000 долларов. И даже коробки, доступные в продаже, дешевеют; вот коробка для обработки изображений (без камеры), которую использует один из наших участников, которая обошлась им всего в 275 долларов. Хотя, похоже, вы просто платите за коробку с лампочкой внизу. И, наконец, вот отличное руководство, которое поможет вам понять, какую систему выбрать, чтобы она соответствовала вашим потребностям.

Не хотите делать это самостоятельно, но все же хотите, чтобы стоимость была разумной?

Minipcr продает камеру для электрофореза в комплекте с источником питания и встроенным трансиллюминатором синего света всего за 350 долларов. Коробка полупрозрачная, поэтому вы можете сфотографировать свой гель с телефоном во время его работы.

Спасибо доктору Джону Березни за указание ресурсов на коробки для геля своими руками.

Спасибо Джеймсу Шихи за некоторую информацию в этом посте.

Электрофорез в агарозном геле: оборудование и процедура — стенограмма видео и урока

Коробка для геля и источник питания

После отливки гель помещается в устройство, называемое коробкой для геля. Электроды — один положительный и один отрицательный — находятся на каждом конце гелевого бокса. Лунки всегда ориентированы дальше от положительного электрода. Это гарантирует, что молекулы ДНК в лунке должны проходить через большую часть агарозного геля, обеспечивая, таким образом, достаточно времени для разделения.

Противоположно заряженные электроды расположены на каждом конце гелевого бокса.

Воздух не является хорошим проводником электричества, поэтому мы покрываем гель буфером для электрофореза. Буфер для электрофореза представляет собой солевой раствор. Это не поваренная соль, но ионы соли могут нести электрический заряд, как и соленая вода. Соль в буфере для электрофореза замыкает цепь между положительным и отрицательным электродами.

Когда электроды гелевого бокса подключены к источнику питания, электричество проходит через электрическую цепь, заставляя отрицательно заряженные молекулы ДНК перемещаться в агарозный гель. Молекулы ДНК продолжают двигаться через агарозу к положительному электроду, пока присутствует электрический ток. Напомним, что более короткие молекулы ДНК проходят через агарозу быстрее, чем более длинные молекулы ДНК. Таким образом, электрофорез в агарозном геле разделяет различные фрагменты ДНК в зависимости от размера.

Загрузочный буфер и передняя часть красителя

Напомним, что мы используем другой вид буфера, называемый загрузочным буфером, в образцах ДНК. Загрузка буфера придает образцам ДНК цвет и плотность, поэтому их можно вставить в лунки геля.

Когда образцы загружены, электрический ток, подаваемый от источника питания, перемещает не только образцы ДНК через гель, но и молекулы красителя. Обратите внимание на появившиеся цветные линии. Эти линии не представляют собой фрагменты ДНК.Эти линии представляют краситель в загрузочном буфере, который использовался для визуализации образцов на этапе загрузки.

Загрузочный буфер добавляется к образцам ДНК.

Самая быстрая линия окраски обычно называется фронтом окраски. Поскольку ДНК невидима до стадии окрашивания бромистым этидием, это представляет собой вторую функцию загрузки буфера — средство отслеживания хода экспериментов по электрофорезу.Ученые используют переднюю часть красителя как средство обеспечения того, чтобы ДНК, которую они хотят проанализировать, случайно не оторвалась от конца геля. Обычно выбирают краситель, который работает быстрее, чем фрагменты ДНК. Следовательно, пока краситель все еще виден, ДНК все еще находится в агарозном геле.

Бромид этидия и УФ-бокс

По завершении прогона геля агарозный гель можно извлечь из гелевого бокса и погрузить в раствор бромистого этидия. Напомним, что бромистый этидий используется для визуализации ДНК.Молекулы бромида этидия интеркалируют или вставляют между азотистыми основаниями в молекуле ДНК.

Поскольку бромистый этидий флуоресцирует при воздействии ультрафиолетового света, гель необходимо поместить в УФ-бокс для визуализации фрагментов ДНК. Чтобы защитить себя от ультрафиолета, ученые обычно рассматривают гель через стеклянный экран или надевают защитные очки.

Обратите внимание, что все фрагменты ДНК одинакового размера выглядят в геле как одна флуоресцентная полоса. Чем больше молекул накапливается в одном и том же месте геля, тем толще и ярче полоса.

Гель помещают в УФ-бокс, чтобы можно было визуализировать фрагменты ДНК.

Краткое содержание урока

Итак, гель-электрофорез — это лабораторная процедура, используемая для разделения биологических молекул с помощью электрического тока. Вместе с гелевым боксом и источником питания можно использовать агарозный гель для разделения молекул ДНК по размеру. Загрузочный буфер позволяет ученым вставлять образцы ДНК в лунки агарозного геля.

После начала процедуры электрофореза краситель в загрузочном буфере образует фронт красителя, который используется для определения того, когда процедура завершена. После завершения процедуры электрофореза гель агарозы можно пропитать раствором бромида этидия для визуализации полос ДНК на УФ-боксе.

Результат обучения

По завершении этого урока вы сможете объяснить, почему и как проводится электрофорез в агарозном геле.

(PDF) Разработка своими руками (Д.I.Y.) аппарат для гель-электрофореза для учащихся 12-х классов, изучающих общую биологию STEM

1. Введение

Научное образование на всех уровнях школьного образования часто рассматривается как абстрактное и не имеющее отношения к жизни. Студенты, изучающие математику и физику

, считают, что содержание их дисциплин абстрактно и не может применить эти материалы

к реальному миру, а студенты, изучающие биологию и химию, с другой стороны, загружены запоминанием

фактов. В общем, студенты не видят, что наука окружает их повсюду, и лучший способ рассмотреть

различных аспектов своей жизни — это научный метод [7].В связи с быстрыми технологическими изменениями в Интернете доступно

фактической информации, а искусственный интеллект делает определенные профессии

устаревшими. Поэтому важно привить студентам основы, которые останутся с

на всю оставшуюся жизнь. Эти важные инструменты включают языковые навыки, такие как понимание, общение и выражение

, а также количественные навыки, такие как определение переменных, видение скрытых шаблонов

, анализ и поиск решений проблем.

Целью естественнонаучного образования должна быть не просто подготовка ученых, но и знакомство студентов с научным образом мышления

, который сделает их лучшими гражданами. Как указано далее, естественнонаучное образование

приносит пользу не только отдельному человеку, но и обществу в целом. Неспособность простых людей понимать

и интерпретировать графики, статистику и научные данные может угрожать демократии, потому что в демократической стране

коллективные взгляды и навыки граждан влияют и влияют на направления нации [7].

Эффективные эксперименты по естественнонаучному образованию не могли быть реализованы из-за отсутствия учебных материалов.

Таким образом, концепция импровизации становится все более трендом в дискурсе научных

экспериментов. Благодаря этому будет реализовано фактическое применение теоретических знаний, и

поможет продемонстрировать психомоторные навыки студентов и учителей, которые выполнили эксперименты

[3].

Исследование, проведенное Чикагским университетом, доказало, что эксперименты помогают детям изучать научные концепции

[5]. При сканировании мозга было замечено, что участие ученика в практической деятельности активировало

и

сенсорных и моторных частей мозга. Было сказано, что эти студенты лучше справились с тестами. Предоставление

студентам возможности кинестетического и визуального обучения определенно поможет им лучше понять научные концепции

.Знакомя студентов с принципами работы гель-электрофореза в ходе экспериментов, можно получить более глубокие знания по этой теме. Они не только «услышат» об указанной теме в обсуждениях в классе, но

также увидят, как это работает и какие результаты может дать. Кроме того, они смогут лично испытать

и выполнить весь процесс самостоятельно. Помимо того, что эксперименты являются эффективным способом обучения концепциям

, они также могут предоставить или улучшить жизненно важные навыки.

Развитие навыков решения проблем и критического мышления — два преимущества, которые студенты могут получить

с помощью лабораторных экспериментов [1]. В этой обстановке учащиеся пытаются подумать и понять, как их результаты

оказались на своих местах. Эти навыки полезны в жизни. Оттачивание знаний учащихся

в области естественных наук, помогая им вырасти в критических мыслителей, должно стать хорошей причиной для начала ознакомления учащихся с биологическими методами

посредством экспериментов.Школы существуют не только для того, чтобы помочь студентам

в учебе. Это также необходимо для роста человека, который будет идти по жизни.

Критическое мышление помогает человеку принять решение. Это помогает рационализировать и оценивать ситуации

, которые могут быть или не могут быть благоприятными для человека [6]. Благодаря критическому мышлению учащиеся могут

определить причину проблем, которые могут возникнуть во время эксперимента. Как только проблема будет известна, учащиеся попытаются решить ее, чтобы завершить весь процесс.Научные эксперименты и практические занятия

на занятиях побуждают учащихся думать и прилежно искать ответы.

2. Теоретические основы

Исследование основано на теории конструктивизма Пиаже. В этой теории утверждается, что знания

основаны на прошлом опыте и знаниях [4]. Если кто-то попадает в новую ситуацию, требующую решения проблемы

, этот человек использует свой опыт для решения проблемы. Оттуда эти знания будут включены в

и будут использованы для заключения.Теория конструктивизма обычно

применяется в обучении через практическую деятельность. Он побуждает студентов размышлять о своем опыте,

и применять его к обсуждаемой концепции. Он включает в себя обучение самих студентов без необходимости полагаться на других. После задания обычно следует групповое обсуждение, в котором учащиеся

делятся своими идеями. Учащиеся могут подкрепить свои мысли, используя свой опыт в качестве доказательства.

Безопасность при электрофорезе — Стэнфорд, Окружающая среда, здоровье и безопасность

Электрофорез — это широко используемый лабораторный метод, который использует электрическую энергию для разделения молекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты, по их размеру, структуре и электрическому заряду. Работа с электрофорезом представляет потенциальную электрическую, химическую и физическую опасность.

Какие опасности?

К опасным химическим веществам, обычно используемым при работе с электрофорезом, относятся:

  • Бромид этидия — мутаген, раздражитель
  • Акриламид — канцероген, нейротоксин, раздражитель
  • Фенол — коррозионный, токсичный
  • Хлороформ — подозреваемый канцероген, токсичный

Как я могу защитить себя?

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Оборудование для электрофореза может представлять значительную опасность поражения электрическим током в лаборатории.Типичные устройства для электрофореза, работающие при 100 вольт, могут обеспечить смертельный шок в 25 миллиампер. При работе с оборудованием для электрофореза соблюдайте следующие меры предосторожности:

Источники питания:

  • Убедитесь, что все переключатели и индикаторы находятся в надлежащем рабочем состоянии, а шнуры питания и провода не имеют повреждений и должным образом изолированы.
  • Обозначьте оборудование предупреждением: «Опасность поражения электрическим током».
  • Подключение оборудования к розеткам с прерывателями цепи замыкания на землю (GFCI)
  • Используйте вилки с 3 контактами.
  • Используйте блоки питания с функциями безопасности, которые обнаруживают проблемы с электрической цепью (например, отсутствие нагрузки, перегрузка, внезапные изменения нагрузки, короткие замыкания и т. Д.).
  • Дополнительную информацию о работе с опасными химическими веществами см. В «Лаборатории химической безопасности».
  • Всегда просматривайте паспорт безопасности материала перед работой с любым опасным материалом.

Персонал лаборатории может подвергаться термическим опасностям при нагревании растворов агарозы.

Ультрафиолетовые световые короба (УФ) и переносные лампы часто используются для визуализации гелей бромистого этидия и потенциально подвергаются воздействию УФ-излучения.

ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ

Инженерный контроль / методы работы:

  • Прочтите инструкции производителя для оборудования для электрофореза и следуйте им.
  • Подготовьте стандартную рабочую процедуру (СОП). Для получения инструкций см. Набор инструментов по химической безопасности лабораторий SU.
  • Проконсультируйтесь с PI перед первым использованием оборудования для электрофореза.Обсуждение должно включать особые опасности и меры безопасности.
  • Измеряйте, смешивайте и обрабатывайте все опасные порошкообразные химические вещества или смеси для приготовления геля с опасными компонентами (например, мономером акриламида, бромидом этидия, фенолом, персульфатом аммония и формальдегидом) в вытяжном шкафу.
  • Купите готовые гели или предварительно смешанные растворы акриламида и бромистого этидия вместо того, чтобы делать свои собственные.
  • Рассмотрите возможность использования заменителей бромистого этидия.
  • Соблюдайте осторожность при использовании микроволновой печи для плавления растворов агарозы — не используйте закрытые емкости и остерегайтесь перегретых жидкостей, которые могут внезапно и неожиданно закипеть.Дайте горячим растворам агарозы остыть до 50–60 ° C, прежде чем добавлять бромид этидия или разливать по лоткам. Наденьте изолирующие перчатки и направьте отверстие колбы от себя.

Соединительные провода:

  • Перед подключением или отключением электрических проводов отключите основное питание.
  • Сухими руками в перчатках подключайте по одному проводу, используя только одну руку.
  • Убедитесь, что провода / банановые штекеры полностью вставлены.

Использование оборудования:

  • Не запускайте оборудование без присмотра.
  • Не приближайте оборудование к непреднамеренным точкам заземления и проводникам (например, раковинам или другим источникам воды, металлическим пластинам, украшениям, алюминиевой фольге, трубам или другому электрическому / металлическому оборудованию).
  • Гелевая камера должна иметь крышку или крышку с предохранительными блокировками для предотвращения случайного контакта с электродами под напряжением или буферными растворами.
  • Наружная поверхность камеры для геля должна быть сухой, без пролитых растворов. Проверить камеру на герметичность.
  • Выключите все источники питания и отсоедините провода, прежде чем открывать крышку гелевой камеры или проникать внутрь гелевой камеры.Не полагайтесь на предохранительные блокировки.

Средства индивидуальной защиты

  • Надевайте лабораторный халат с длинными рукавами, защитные очки, нитриловые перчатки (латекс неэффективен), длинные брюки и обувь с закрытым носком.
  • При работе с УФ-излучением используйте соответствующие средства защиты кожи и глаз.

Действия в чрезвычайных ситуациях

  • См. СОП по ликвидации разливов для получения инструкций по очистке разливов химических веществ или реагированию на воздействие химических веществ.
  • Управление опасными отходами: Утилизируйте химические вещества и гели как опасные отходы. Собрать в герметичный контейнер, помеченный биркой для опасных отходов. Создавайте бирки для отходов с помощью онлайн-системы.
  • Управление безопасными отходами: Некоторые гели могут считаться безопасными и с ними можно обращаться как с таковыми. Например, содержание бромистого этидия <0,4 мас.% В неполиакриламидном геле считается безопасным отходом, и его можно поместить в закрытый мешок, а затем выбросить в мусор. Для получения дополнительной информации см. Список неопасных химических отходов.

Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом и DIY для лабораторий нанотехнологий ДНК

J Biol Methods. Авторская рукопись; доступно в PMC 2015 9 октября.

Опубликован в окончательной редакции как:

PMCID: PMC4598940

NIHMSID: NIHMS720127

Химический факультет Университета Айдахо, Москва, Айдахо, США

Эти авторы внес равный вклад в эту работу.

См. Другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.
Дополнительные материалы

Файл S1.

GUID: B40E2F20-3386-42D7-B6D0-312CF6CEAE65

Файл S2.

GUID: 946BE792-2827-49A1-A0B9-F0D63B45D2F3

Дополнительная информация.

GUID: 059B4E5B-CC5A-4CDF-A118-553180B74B66

Реферат

Набор инструментов и специализированного оборудования необходим для оснащения лаборатории для работы с ДНК. Снижение барьера для доступа к манипуляциям с ДНК должно способствовать появлению новых лабораторий в этой области.Мы представляем три примера технологий с открытым исходным кодом / DIY со значительно меньшими затратами по сравнению с коммерческим оборудованием. Сюда входят гелевый сканер, горизонтальная гелевая форма для PAGE и гомогенизатор для создания частиц, покрытых ДНК. Общая экономия затрат, полученная при использовании оборудования с открытым исходным кодом / DIY, составила от 50 до 90%.

Ключевые слова: ДНК, ДНК-нанотехнологии, открытый исходный код, научное оборудование с открытым исходным кодом

ВВЕДЕНИЕ

Для создания эффективной лаборатории ДНК-нанотехнологий или расширения лаборатории в области ДНК-нанотехнологий необходим минимальный набор оборудования является необходимым.Большая часть этого оборудования является производным оборудования для молекулярной биологии / биотехнологии. Таким образом, это может быть очень дорого. Мы представляем примеры аппаратного обеспечения с открытым исходным кодом и оборудования для самостоятельной сборки, которое снижает барьеры для входа.

Подход «с открытым исходным кодом» значительно повысил доступность разнообразного практического программного обеспечения. BSD Unix и Linux были ранними примерами свободных и открытых операционных систем. Электронная почта доставляется распределенной системой, работающей в основном на серверном программном обеспечении с открытым исходным кодом.Самый популярный веб-сервер, Apache, имеет открытый исходный код и бесплатный для всех пользователей. Многие примеры программного обеспечения с открытым исходным кодом хорошо известны и широко используются в научных областях. Сюда входят ImageJ и GIMP (для анализа и разметки фигур), Numerical Python (для научных вычислений с Python). Более специализированные примеры включают моделирование электрофоретической укладки [1].

Помимо преимуществ в стоимости, этот подход имеет преимущества по сравнению с коммерческим и специализированным оборудованием. Проекты научного оборудования с открытым исходным кодом (OSSH) предоставляют полные инструкции по сборке, включая ведомость материалов, схемы, проекты САПР и любую другую информацию, необходимую для воспроизведения артефакта.Это упрощает настройку. Такой высокий уровень раскрытия также способствует сотрудничеству и быстрым инновациям [2–4].

В научной литературе появились интересные проекты OSSH. Академические авторы, включая Пирса, представили простые примеры, такие как лабораторный разъем с открытым исходным кодом [5]. Сложные электромеханические примеры включают шприцевой насос с открытым исходным кодом. Wijnen et al. Компания обнаружила, что они могут построить функциональный программируемый шприцевой насос за небольшую часть стоимости имеющихся в продаже опций.В их статье обсуждалась гибкость создания оборудования с открытым исходным кодом: пользователь может полностью изменить любой элемент конструкции. Это позволяет создавать индивидуальные лабораторные инструменты, которые часто нельзя купить в розницу [6]. Использование технологии 3D-принтера позволило быстро изготовить и усовершенствовать дизайн в этих проектах. Сами 3D-принтеры выпускаются под лицензией на оборудование с открытым исходным кодом [7].

Конструкции инструментов с открытым исходным кодом, которые мы описываем здесь, снизят барьер для входа в исследования ДНК-нанотехнологий.Применение ДНК-нанотехнологий разнообразно. Все более функциональные примеры включают устройства точного нанометрового масштаба, такие как сконструированные нанопоры [9] и запертый ящик, который открывается в ответ на ввод олигонуклеотида [10]. Появились также некоторые практические применения, включая усиление сигналов [11] и преобразование [12].

Мы представляем дизайн гелевого сканера для сканирования электрофоретически разделенной ДНК. Он был создан на основе недорогого офисного сканера и обеспечивает сопоставимую чувствительность с коммерческим инструментом.Во втором случае представлена ​​и продемонстрирована конструкция с открытым исходным кодом для гелевой формы для горизонтального электрофореза в полиакриламидном геле (PAGE). Анализ PAGE и очистка олигонуклеотидов ДНК является необходимым условием для многих применений ДНК. ДНК высокой чистоты была важна для работы многих цепей ДНК. Например, схема пакетного усиления, опубликованная Chen et al. [13] использовали ДНК с подтвержденной последовательностью, амплифицированную высокоточной полимеразой с последующей очисткой PAGE.Наконец, мы показываем проект с открытым исходным кодом для гомогенизатора, который может быть присоединен к любому поршневому двигателю. Этот гомогенизатор можно использовать для создания коллоидных частиц из полиакриламида, которые могут быть полезны для множества применений на основе ДНК, включая аффинную хроматографию, секвенирование NexGen или обогащение образцов. Это значительно более гибко и дешевле, чем коммерческие источники покрытых ДНК частиц. Оба дизайна можно загрузить, изменить и напечатать на 3D-принтере самостоятельно или заказать у производителя прототипа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Преобразование цветного офисного сканера в флуоресцентный сканер

Более подробные инструкции по преобразованию нашего сканера Canon LiDE 110 (Canon США, Мелвилл, Нью-Йорк) для обнаружения флуоресценции приведены во вспомогательной информации. Вкратце, сканер был разобран, и фильтр Kodak номер 15 был осторожно приклеен лентой к области основания сканера. Контрольные штыри на ленточном кабеле для зеленого и красного источников освещения были заклеены лентой, чтобы изолировать их от их контактов.Затем были использованы проводящие чернила для перемычки синего управляющего контакта к красному и зеленому управляющим контактам, так что синие светодиоды были исключены независимо от соединения, к которому подавался ток. Белый фон и часть стеклянной панели, не закрытая желтым фильтром, были затемнены плоской черной аэрозольной краской. Мы добавили дополнительную боковую подсветку с помощью цепочки синих светодиодов высокой интенсивности. Эти светодиоды были подключены к отдельному внешнему источнику питания 12 В во время сканирования.

Электрофорез в агарозном геле для установления предела обнаружения

Агароза с низкой точкой плавления, пригодная для ПЦР, была приобретена у Biorad (Hercules, CA). Его растворяли до 3% мас. / Об. В горячем буфере SB (10 мМ борная кислота, 10 мМ борат натрия, все от Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури). Для обнаружения дцДНК к расплавленному гелю добавляли примерно 5 мкл красителя GelGreen (Biotium, Hayward, CA). Его отлили в установке для электрофореза Biorad Mini. В лунки добавляли серию разведений двухлогарифмической лестницы дцДНК NEB (New England Biolabs, Ипсвич, Массачусетс) или серию разведений смеси синтетической оцДНК, модифицированной флуоресцеином (IDT, Coralville, IA).Это работало при 180 В в течение примерно 20 минут. Этот гель был помещен на платформу сканера, платформа сканера была закрыта и покрыта черным войлоком для предотвращения постороннего света. Сканер был подключен к ПК, на котором запущен GIMP, и была включена боковая светодиодная подсветка на 12 В (TH Marine, Хантсвилл, Алабама). Гель сканировали. Изображение было проанализировано с помощью ImageJ.

Горизонтальная отливка из геля

Раствор акриламида / бис-акриламида (19: 1) (30%) был приобретен у Biorad. Из этого исходного раствора готовили раствор форполимера до конечной концентрации 6%.Этот раствор форполимера также содержал 5% мас. / Об. Глицерина (Sigma Aldrich) и 10 мМ натрий-боратный буфер, pH 8,5. Система для литья геля должна вместить 25 мл этого раствора, но использовался избыток форполимера (50 мл), чтобы компенсировать любую утечку и помочь вывести пузырьки из формы для литья геля. Конический флакон, содержащий 50 мл форполимера, смешивали с 44 мкл TEMED (Biorad) и 168 мкл 10% APS (Sigma Aldrich). Эту смесь выливали в лоток для отливки геля. Крышка / гребень, напечатанные на 3D-принтере, медленно погружали в форполимер; избыток форполимера перемещался на верхнюю часть крышки.Этому давали возможность полимеризоваться в течение 1 часа. Затем крышку осторожно снимали, чтобы обнажить гель и лунки.

Горизонтальная очистка PAGE

В литой полиакриламидный гель загружали флуоресцеин-ДНК (GTC TCT GTG CCG CTA TAA T-3’флуоресцеин) и гаситель-ДНК (5’Iowa black quencher-ATT ATA GCG GCA CAG AGA CTA AGG TCG Г). ДНК отделяли в течение 30 минут при 160 об. Флуоресцентные или цветные полосы вырезали из геля чистым лезвием бритвы. Затем этот небольшой кусочек геля измельчали ​​в 1.Микропробирка Eppendorf на 7 мл. К этому гелевому срезу добавляли 100 мкл воды, свободной от нуклеаз, и подвергали циклу замораживания-оттаивания, помещая в морозильную камеру при -20 ° C на 30 мин, а затем помещая в инкубатор при ~ 37 ° C. Срез измельченного геля в воде инкубировали в течение ночи. Затем суспензию фильтровали с использованием центробежного фильтра (фильтр 0,45 мкм Costar Spin-X, Corning Inc., Corning NY) для удаления любых остаточных частиц полиакриламида.

Титрование ДНК флуоресцеина с помощью гасящей ДНК

Образец 100 мкл ДНК флуоресцеина из IDT (только обессоленный, использованный в полученном виде) разбавляли до 167 нМ (Nanodrop UV / VIS, Thermo-fisher, Waltham, MA) .Затем этот образец титровали гасящей ДНК, очищенной с помощью PAGE. Вкратце, 1 мкл Quencher-ДНК (содержащей 5,4 пМ) добавляли к флуоресцеиновой ДНК, встряхивали, центрифугировали и оставляли для инкубирования в течение 5 минут. Затем флуоресценцию этого образца количественно оценивали с помощью флуориметра Quantifluor (Promega, Fitchburg, WI). Процесс повторяли до тех пор, пока значения флуоресценции больше не уменьшались. Титрование повторяли с примерно одинаково флуоресцентным образцом очищенной флуоресцеин-ДНК (УФ-видимая концентрация указывала на конечную концентрацию 490 нМ).

Флуорогенная реакция OSD

Используя данные титрования, приведенные выше, комплекс FQ получали путем инкубации очищенной или неочищенной флуоресцеин-ДНК с комплексом гасителя, достаточным для достижения минимальной флуоресценции. Мы приготовили 50 мкл гашеного комплекса FQ, содержащего 27 пМ гасителя каждый. Фоновая флуоресценция была измерена в трех образцах перед добавлением вытеснителя. Затем эти образцы обрабатывали 10 мкл вытесняющей ДНК 5 мкм (5 ’CCG ACC TTA GTC TCT GTG CCG CTA TAA T), которая была полностью комплементарной ДНК-гасителю.После 1 ч инкубации при комнатной температуре с вытеснителем была произведена количественная оценка флуоресценции трех образцов.

Получение частиц полимерного гидрогеля

Один миллилитр минерального масла (Sigma) смешивали до 1% мас. / Об. С Span-80 (Sigma). Его добавляли в коническую пробирку объемом 2 мл со стальным шарикоподшипником. Отдельную пробирку готовили с 100 мкл водного раствора 20% акриламида, буфера бората натрия (10 мМ борная кислота, 10 мМ бората натрия), 10 мкМ ДНК, 1% TEMED. Третья пробирка была приготовлена ​​с 8 мкл 10% APS.После охлаждения всех реагентов до 4 ° C водные растворы быстро перемешивали, а затем быстро переносили в пробирку, содержащую масляную фазу. Затем его гомогенизировали десятью 1-секундными импульсами в гомогенизаторе с частотой ~ 20 Гц (цифровой тахометр, Tondaj 6234P +, Шэньчжэнь, Китай). Реакционную трубку продували 5 раз потоком газообразного азота, чтобы помочь удалить растворенный кислород. Затем ему давали постоять при комнатной температуре в течение 30 минут. Полученные частицы в масле центрифугировали, чтобы удалить большую часть масла.Оставшееся масло удаляли 5 промывками 70% этанолом. Полученный осадок сушили в потоке сжатого воздуха. Конечный осадок ресуспендировали в буфере SB.

Генерация поверхностно-модифицированных частиц для визуализации локализации ДНК

Была соблюдена стандартная рабочая процедура для создания частиц со следующими модификациями: смесь акриламидного форполимера включает 100 нМ акридит- и флуоресцеин-ДНК. В экспериментальном случае эту ДНК инкубировали с одним эквивалентом комплементарного олигонуклеотида, модифицированного холестерином.В контрольном случае холестерин-ДНК не учитывалась. После смывания масла частицы ресуспендировали в буфере SB. Затем частицы визуализировали с помощью флуоресцентного микроскопа (Lumascope 620, Etaluma Inc., Карлсбад, Калифорния).

Генерация частиц с модифицированной поверхностью для захвата ДНК

Стандартная рабочая процедура для получения частиц, описанная выше, была выполнена со следующими модификациями: смесь акриламидного форполимера включает 100 нМ акридит-ДНК, отожженные с одним эквивалентом комплементарного олигонуклеотида, модифицированного холестерином (в контрольный случай — холестерин-ДНК не включен).Масло тщательно удаляется с частиц. Затем частицы ресуспендировали в буфере. Частицы один раз промывали буфером SB, содержащим 10 мкМ обратного комплемента холестерин-ДНК (IDT) и 1% тритона X-100 (Sigma Aldrich). Это удаляет холестерин-ДНК с поверхности частиц. Затем частицы промывали 4 раза SB для удаления остаточного поверхностно-активного вещества и любой свободной ДНК. Затем экспериментальные и контрольные частицы инкубировали с 10 мкМ флуоресцеин-ДНК, комплементарной акридитной ДНК, в течение 10 минут при комнатной температуре.Несвязанную флуоресцеин-ДНК удаляли трехкратной промывкой SB. Интенсивность флуоресценции полученных частиц измеряли с помощью флуоресцентного микроскопа (Lumascope 620). Флуоресценцию количественно оценивали с помощью ImageJ и сравнивали с флуоресценцией контрольных частиц одинакового размера (которые также получали с помощью светлопольной микроскопии).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Преобразование цветного офисного сканера в флуоресцентный сканер

Для получения изображений агарозных и полиакриламидных гелей использовался ряд различных методов.Самыми распространенными являются фотографические сканеры геля и горизонтальные сканеры геля. Традиционно флуоресцентно окрашенные или окрашенные серебром гели получали изображение с помощью трансиллюминатора и цифровой или пленочной камеры. Другой вариант — гелевый сканер, который сканирует гель с помощью источника лазерного возбуждения и собирает испускаемые фотоны. Хотя они очень эффективны, но дороги. Мы превратили недорогой (менее 100 долларов) коммерческий офисный сканер в сопоставимый флуоресцентный гелевый сканер.

описывает преобразование коммерческого цветного сканера за 100 долларов в детектор флуоресценции.Базовая технология для планшетных цветных офисных сканеров представлена ​​в . Сканер последовательно освещает образец трехцветной светодиодной подсветкой. Черно-белый детектор собирает отраженный свет от каждого источника освещения. Три карты интенсивности отраженного света объединяются для получения цветного изображения. Таким образом, для обнаружения флуоресценции присутствуют и синий свет, и датчик света. На практике оказалось выгоднее использовать боковую подсветку, а не внутреннюю синюю светодиодную матрицу ( ).

Конструкция и характеристики преобразованного гелевого сканера

A. На схеме показана работа исходного офисного сканера. Красный, зеленый и синий светодиоды освещают объект, а цветное изображение восстанавливается датчиком. B. На диаграмме показано, как модифицированный флуоресцентный сканер работает только с синим светодиодом и фильтруемым датчиком для сбора зеленого и красного света. C. Показаны элементы гелевого сканера, включая цифровую фотографию фильтра, спектр поглощения фильтра, положение фильтра на нижней стороне станины сканера и сканер в сборе с боковой подсветкой. D. Типичные сканы геля показаны (вверху) прогона агарозного геля с лестницей 100 п.н., окрашенной GelGreen, и (внизу) геля PAGE с серией разведений (100 пМ, 10 пМ, 5 пМ) двух видов. флуоресцеин-ДНК. На вставке показана усиленная контрастом увеличенная область, содержащая слабые полосы 5 пМ.

Хотя исходный сканер сам по себе является коммерческим, представлен «исходный код» для преобразования. Вспомогательная информация в Интернете содержит пошаговые инструкции и подробный список необходимых материалов.Краткое описание ниже резюмирует эти инструкции. Были отключены зеленый и красный источники освещения. Зеленый или красный свет может проходить через фильтр и вызывать недопустимые уровни фонового прямого отраженного света. Синий свет, излучаемый сканером, был сохранен, чтобы сканер прошел внутреннюю самопроверку. Затем к нижней стороне планшета сканера приклеивается желтый враттен-фильтр ( ). Затем была добавлена ​​боковая синяя подсветка (вместо внутреннего синего светодиода сканера) для эффективного возбуждения и увеличения отношения сигнал-шум.

Чувствительность нашего сканера синего света продемонстрирована в . Серии разведений лестницы загружали в агарозный гель с окрашиванием GelGreen (Biotium). Полоса, содержащая всего 3,7 нг, была четко видна; основанный на SNR этого образца, наш предел обнаружения (LOD) составляет приблизительно 1 нг. Производитель сообщает, что в лучшем случае всего 0,1 нг ДНК можно разделить с помощью гелевого зеленого. Это устройство за 100 долларов почти на порядок меньше заявленного производителем идеального LOD.В отдельном эксперименте серию разведений оцДНК, модифицированной флуоресцеином, также разделяли гель-электрофорезом; образец 5 пМ каждого из 2 видов ковалентно меченой ДНК может быть легко разделен. Это превосходило характеристики цифровой системы визуализации UVP Multi Doc-it, коммерческой станции визуализации с УФ-трансиллюминатором (, рис. S1 ).

Горизонтальный адаптер для электрофореза в полиакриламидном геле

Агарозные гели подходят для молекулярной биологии и для фрагментов ДНК с большой молекулярной массой.Нанотехнология ДНК обычно строится на основе более мелких фрагментов ДНК (менее 100 оснований). Это требует использования электрофореза в полиакриламидном геле (PAGE). Гели PAGE обычно запускаются с использованием вертикальной гелевой установки, а не горизонтальной гелевой установки. Это связано с двумя взаимосвязанными фактами. Первое: акриламид не полимеризуется в присутствии кислорода. Обычно это устраняется размещением полимеризуемого акриламида между двумя стеклянными пластинами. Во-вторых: поскольку гель расположен между твердыми кусочками стекла, гребешок можно вставить в гель только сбоку.Это означает, что гель необходимо устанавливать вертикально, чтобы загружать образцы.

С появлением 3D-печати можно легко изготавливать форму для отливки геля, которая позволяет проводить полимеризацию акриламидного геля в точном формате, необходимом для горизонтальных гелевых установок. Были опубликованы другие методы создания гелей, подходящих для горизонтального PAGE [15]. Наша особенность заключается в использовании гелевой формы с открытым исходным кодом, напечатанной на 3D-принтере, которую можно заказать или изменить по мере необходимости.

Дизайн был разработан в программе автоматизированного проектирования с открытым исходным кодом FreeCAD.Дизайн подходит для систем Biorad Mini-Sub® Cell GT. Конструкция состоит из двух частей: (1) гибридная крышка и гребешок и (2) лоток. Трехмерное изображение крышки литейной камеры со встроенной гребенкой показано в . Лоток обозначен номером . Цифровая фотография окончательной распечатанной детали представлена ​​в номере . Точные технические характеристики этого лотка для литья и крышки доступны во вспомогательной информации в Интернете и в репозитории 3D-печати NIH (ID модели 3DPX-001228 и 3DPX-001229).Кроме того, наши прототипы были напечатаны с помощью shapeways. com, а дополнительные распечатки можно заказать прямо у них.

Методы отливки гелей PAGE для использования в установке для горизонтального электрофореза

A и B. 3D визуализация верхней части формы для литья горизонтальных гелей PAGE. C. 3D визуализация нижней части литейной формы. D. Цифровая фотография 3D-печатной формы для литья гелей PAGE.

Литейная форма разработана таким образом, чтобы исключить кислородные и воздушные карманы и обеспечить эффективную полимеризацию.Для использования этого устройства требуется три шага. Сначала на лоток ( ) накладывается лента, чтобы удержать ~ 50 мл жидкого раствора акриламида. Во-вторых, 50 мл жидкого раствора акриламида обрабатывают радикальным инициатором и затем добавляют в заклеенный лентой лоток. В-третьих, крышка и гребень медленно опускаются в форму для ленты. Это вытесняет раствор акриламида и любые воздушные карманы на верхнюю часть крышки. В общем (возможно, из-за толщины гелевых плит, которые мы заливаем) в дегазации не было необходимости.Однако, поскольку форма непрозрачна, захваченные воздушные карманы не видны до тех пор, пока гель не разрушится. Поэтому при опускании крышки и гребешка необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы не допустить выхода любых воздушных карманов. Внутренняя закрытая часть формы составляет примерно 25 мл. Дополнительный объем действует как барьер, изолирующий форму от кислорода и компенсирующий любую утечку. Примерно через 40 мин ленту удаляют и крышку осторожно снимают с лотка.

Характеристики цепи ДНК улучшаются при горизонтальной очистке PAGE

Синтетическая ДНК часто должна очищаться перед последующим использованием [13].Применения включают опосредованную пальцем реакцию обмена нити [16] или раскрытие шпильки [17]. Ошибки синтеза, такие как отщепление одного основания и примеси ответвлений, могут ухудшить характеристики реакции. Олигонуклеотиды можно очистить с помощью горизонтального PAGE. В гель загружают, как в стандартный агарозный гель, и прикладывают напряжение. Когда ДНК переместится на соответствующее расстояние, полоску осторожно отрезают от геля, используя чистое лезвие бритвы или скальпель. Затем этот гель измельчают, подвергают циклу замораживания-оттаивания и инкубируют в воде в течение ночи.Затем суспензию фильтруют для удаления любых кусков акриламида. Поскольку гаситель-олигонуклеотид был очищен поставщиком с помощью ВЭЖХ, вероятно, что большинство примесей уже было удалено. Чтобы проверить эту гипотезу, мы смешали эквимолярные количества всех возможных комбинаций очищенной и неочищенной ДНК, модифицированной флуоресцеином и гасителем (см. рис. S3 ). Очистка PAGE флуоресцеин-ДНК улучшила характеристики гасителя, но очистка PAGE гасителя, очищенного с помощью ВЭЖХ, не улучшила дополнительно характеристики.

Эффективность функциональных реакций нуклеиновых кислот, таких как реакция одностадийного замещения цепи (OSD) [18], значительно повышается при использовании очищенных нуклеиновых кислот. Мы очищали флуоресцеин-ДНК и гасящую ДНК с помощью PAGE в горизонтально отлитом геле, как описано выше (изображение геля показано в дополнительной информации как Fig. S4 ). При добавлении дополнительного гасителя к флуоресцеин-ДНК для образования комплекса флуоресцеин-гаситель (FQ) мы ожидаем почти полного гашения при равных молярных концентрациях (см. Схему ).Мы тщательно контролировали концентрацию двух образцов ДНК, модифицированных флуоресцеином, с помощью УФ / видимой спектрофотометрии. Хотя начальные концентрации флуоресцентной ДНК были равны, их начальные интенсивности флуоресценции немного различались. Кажется вероятным, что примеси, которые были удалены во время очистки, имеют более высокую молекулярную массу, что влияет на расчет молярной концентрации по УФ / видимой области. Тем не менее очищенную ДНК эффективно гасили, чтобы после титрования оставалось только <5% от исходной флуоресценции ( , темно-синие ромбы).При использовании неочищенной ДНК (стандартное обессоливание из IDT) флуоресценция выходила на плато на уровне ~ 15% от исходной интенсивности флуоресценции ( , красные квадраты). Ясно, что тушение на основе гибридизации более эффективно с ДНК, очищенной с помощью PAGE.

Влияние горизонтальной очистки PAGE на эффективность реакций ДНК-ДНК

A. Диаграмма показывает простую реакцию гашения, опосредованную гибридизацией. B. Кривая флуоресцентного титрования показывает очищенную ДНК флуоресцеина, титрованную очищенной или неочищенной ДНК гасителя. C. Диаграмма показывает реакцию вытеснения цепи. D. Данные флуоресценции показывают ослабление гашения за счет вытесняющей ДНК в случае комплекса, очищенного PAGE, и комплекса обессоленного типа.

Аналогично, очищенный комплекс FQ более благоприятно реагирует на опосредованное удержанием смещение цепи, чем его неочищенный аналог. Схема реакции представлена ​​в . Полностью комплементарный вытеснитель может образовывать более стабильный полный дуплекс с цепью тушителя за счет смещения более короткой цепи, модифицированной флуорофором.Это смещение снимает закаленное состояние и восстанавливает флуоресценцию. При очистке отношение сигнал / шум увеличивается с 6 до 9. Отношение сигнал / фон увеличивается с 3 до 5,5 при очистке.

Напечатанный на 3D-принтере гомогенизатор для поршневого двигателя

Для создания микрочастиц гидрогеля нам потребовался метод создания эмульсий вода-в-масле. В предыдущей работе [19] такие частицы были получены с использованием коммерческого гомогенизатора Tissuelyzer LT от Qiagen.Это устройство быстро приводит в движение трубку, содержащую диспергирующий элемент, например стальной шарикоподшипник. Мы предположили, что подобный, хотя и менее точный, инструмент может быть сконструирован для создания полимерных микросфер. Конструкция и принцип работы нашего «гомогенизатора с открытым исходным кодом» показаны в номере .

Дизайн и работа гомогенизатора, напечатанного на 3D-принтере

A. Диаграмма показывает, как образовывались частицы дисперсной полимеризации. B. На 3D-рендере показана конструкция гомогенизатора, напечатанного на 3D-принтере. C. Цифровые фотографии показывают, как гомогенизатор с трехмерной печатью собирается с помощью поршневого двигателя. D. Флуоресцентная микрофотография показывает частицы, образованные с ДНК, несущей модификации акридита, холестерина и флуоресцеина. E. Флуоресцентная микрофотография показывает частицы, образованные с ДНК, несущей модификации акридита и флуоресцеина (то есть без холестерина). Масштабная линейка для обоих изображений составляет 25 мкм.

Мы получили частицы методом дисперсионной полимеризации.Это показано в . Смесь, содержащая акриламид, ДНК и буфер, смешивалась с инициатором. Затем этот форполимер переносили во флакон, содержащий масло, поверхностно-активное вещество и стальной шарикоподшипник. Затем его быстро меняли с помощью гомогенизатора, показанного в . Гомогенизатор состоял из держателя трубок с трехмерной печатью ( ) и сабельной пилы с соответствующими переходниками. Этот держатель для пробирок был разработан в FreeCAD, а затем напечатан на сайте shapeways.com. Рисунки включены в дополнительные материалы в Интернете и в репозиторий трехмерной печати NIH (ID модели 3DPX-001227).После гомогенизации смеси дают возможность полимеризоваться в атмосфере азота. Это привело к образованию микрочастиц гидрогеля, которые были отмыты от масла и ресуспендированы в буфере. Показанная конструкция позволяет разместить две пробирки для образцов. Мы также протестировали конструкцию, способную одновременно вместить шесть пробирок для образцов. Эта конструкция показана во вспомогательном материале Рисунок S2 . Файлы 3D CAD доступны для загрузки во вспомогательных материалах в Интернете или в репозитории 3D-печати NIH (идентификатор модели 3DPX-001748).

Полученные микрочастицы показаны в . Были созданы эти микрочастицы, содержащие акридит-ДНК. Модификация акридита полимеризуется с образованием растущей полиакриламидной цепи. Это ковалентно связывает ДНК с полимерной матрицей гидрогеля [20]. В зависимости от дополнительных модификаций ДНК может располагаться внутри или на поверхности частицы. Если ДНК несет модификацию холестерина, она будет иметь тенденцию распределяться на границе раздела вода-масло до полимеризации.После полимеризации ДНК фиксируется на месте ( ). Если ДНК не имеет модификации холестерина, она равномерно распределяется по всей частице ( ).

Поверхностно модифицированная ДНК эффективна для захвата на основе гибридизации

Мы ожидали, что ДНК, иммобилизованная на поверхности наших частиц гидрогеля, будет эффективна для захвата комплементарной ДНК. Мы приготовили частицы гидрогеля с модифицированной поверхностью, в которых отсутствовали флуорофоры. Мы инкубировали их с комплементарной флуоресцеиновой ДНК.Как и ожидалось, частицы, несущие ДНК на своей поверхности, эффективно захватывали флуоресцентную ДНК. Частицы с ДНК, полимеризованной во внутренней структуре, были неэффективны при захвате значительных количеств флуоресцеиновой ДНК. Эти результаты показаны в .

Частицы гидрогеля для аффинного захвата

A. Диаграмма и соответствующая флуоресцентная микрофотография показывают, как частицы, полученные без холестерина, демонстрируют слабое сродство к комплементарной флуоресцеиновой ДНК (на вставке показано светлое поле).Масштабная линейка составляет 100 мкм и одинакова на всем протяжении. B. Частицы, образованные с холестерином, проявляют значительное сродство к комплементарной флуоресцеиновой ДНК. C. График показывает значения интенсивности флуоресценции типичных частиц в обоих случаях.

ВЫВОДЫ

Есть много причин для изучения подхода с открытым исходным кодом к лабораторному оборудованию. Оборудование с открытым исходным кодом более гибкое и обычно менее дорогое, чем эквивалентное коммерчески производимое экспериментальное оборудование.Хотя экономия затрат сама по себе является важным фактором, она также позволяет исследователям меньше рисковать, пробуя новую процедуру или исследуя новый исследовательский интерес.

Функциональные микрочастицы представляют собой отличный пример адаптируемого исследовательского инструмента, который можно улучшить с помощью подхода OSSH. Функциональные микрочастицы могут быть полезны во многих различных приложениях. Их можно использовать для улавливания, очистки [21], анализов агрегации [22], хроматографии [23], анализов проточной цитометрии [24] и многого другого.С помощью представленного здесь оборудования скромные вложения позволили бы исследователю достичь гораздо большего, чем покупка одного типа коммерческих микрочастиц. Исследователи могут производить свои собственные микрочастицы с различными химическими процессами и покрывать их очищенной ДНК с множеством различных последовательностей и химических модификаций. Оборудование можно легко настроить под нужды конкретного исследовательского проекта или лаборатории. Кроме того, доставка и таможня могут вызвать задержки для исследователей в некоторых странах, а производство реагентов и инструментов собственными силами может значительно ускорить прогресс.

Другие примеры OSSH в литературе также могут дать экономию около 90%. Подробный обзор опубликован в [25]. Автосэмплер собственного производства экономит 95% стоимости коммерческой альтернативы. Упомянутый ранее шприцевой насос с открытым исходным кодом [6] может сэкономить 50-90% (в зависимости от заменяемого коммерческого шприцевого насоса). Сообщается, что колориметр с открытым исходным кодом [26] позволяет сэкономить 97% по сравнению с коммерческим прибором.

Эта статья направлена ​​на то, чтобы способствовать увеличению массы OSSH с большой окупаемостью инвестиций.Экономия затрат на строительство, а не на покупку оборудования, может составлять от 50 до 90%. Для наших трех примеров экономия составляет около 90% в каждом случае. В случае сканера (стоимость ~ 200 долларов США) он заменяет гелевую систему документов, которая стоит несколько тысяч долларов (более 2000 долларов использовалось). В случае горизонтальной формы для литья геля (стоимость ~ 30 долларов) она заменяет вторую установку для гелевого литья, которая стоит несколько сотен долларов (типичная стоимость ~ 500-1000 долларов в зависимости от размера). Даже в случае покупки одного исходного устройства экономия затрат составит ~ 50%.В случае гомогенизатора (стоимость ~ 200 долларов, включая двигатель и регулятор скорости), он заменяет коммерческий гомогенизатор тканей, который стоит несколько тысяч долларов (> 5000 долларов). Мы использовали его для генерации микрочастиц; гомогенизатор можно также использовать для разрушения клеток или ткани. Возможность сэкономить средства и время с помощью OSSH должна помочь сэкономить средства на труд и расширить число исследователей, участвующих в продуктивных экспериментах. Очистка, анализ и иммобилизация нуклеиновых кислот требуют значительных капиталовложений.Эти конструкции разработаны, чтобы помочь исследователям войти в растущую область нанотехнологий ДНК, уменьшив этот барьер для входа.

Дополнительные материалы

Дополнительные сведения

Благодарности

Мы благодарим Университет Айдахо за начальное финансирование этого проекта. В ВИДЕ. получил летнюю поддержку через стипендию NIH / NIGMS INBRE P20GM103408. Его содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения NIH.»

Сноски

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Рисунок S1 . Сравнение чувствительности преобразованного гелевого сканера с коммерческим трансиллюминатором.

Рисунок S2 . Версия держателя пробирок, вмещающая шесть пробирок, также может быть распечатана

Рисунок S3 . На графике показано сравнение эффективности гасителя (процент флуоресценции, остающейся после добавления эквимолярной гасящей ДНК).

Рисунок S4 . Цифровая фотография геля, используемого для очистки PAGE.

Файл S1 . Инструкции по сборке и списки запчастей для описываемых устройств.

Файл S2 . ZIP-файл, содержащий файлы 3D CAD для 3D-печатных деталей, используемых в этом исследовании.

Дополнительную информацию к этой статье можно найти в Интернете по адресу http://www.jbmethods.org.

Ссылки

1. Берковичи М., Леле С.К., Сантьяго Дж. Дж. Инструмент моделирования с открытым исходным кодом для электрофоретической укладки, фокусировки и разделения.J Chromatogr A. 2008; 1216: 1008–1018. DOI: 10.1016 / j.chroma.2008.12.022. PMID: 19124132. [PubMed] [Google Scholar] 2. Пирс Дж. М. Создание исследовательского оборудования с использованием бесплатного оборудования с открытым исходным кодом. Наука. 2012; 337: 1303–1304. DOI: 10.1126 / science.1228183. PMID: 22984059. [PubMed] [Google Scholar] 3. Хинерт К., фон Хиппель Э, Берг Йенсен М. Сообщество пользователей и эффективность инновационного развития производителей: первое эмпирическое исследование. Политика Res. 2014; 43: 190. DOI: 10.1016 / j.respol.2013.07.010. [Google Scholar] 4. Пирс Дж. М.Лабораторное оборудование. Сократите расходы с помощью оборудования с открытым исходным кодом. Природа. 2014; 505: 618. DOI: 10.1038 / 505618d. PMID: 24476879. [PubMed] [Google Scholar] 5. Чжан К., Анзалоне, Северная Каролина, Фариа Р.П., Пирс Дж. М.. Оптическое оборудование для 3D-печати с открытым исходным кодом. PLoS One. 2013; 8 DOI: 10.1371 / journal.pone.0059840. PMID: 23544104. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 6. Вейнен Б., Хант Э. Дж., Анзалоне Г. К., Пирс Дж. М.. Библиотека шприцевых насосов с открытым исходным кодом. PLoS One. 2014; 9 DOI: 10.1371 / journal.pone.0107216. PMID: 25229451. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 7.Джонс Р., Хауфе П., Селс Э., Иревани П., Олливер В. и др. RepRap — быстродействующий прототип. Роботика. 2011; 29: 177. DOI: 10.1017 / S026357471000069X. [Google Scholar] 8. Макдональд Дж., Ли Й., Сутович М., Ледерман Х., Пендри К. и др. Среднемасштабная интеграция молекулярных логических вентилей в автомате. Nano Lett. 2006; 6: 2598. DOI: 10.1021 / NL0620684. [PubMed] [Google Scholar] 9. Langecker M, Arnaut V, Martin TG, List J, Renner S и др. Синтетические липидные мембранные каналы, образованные разработанными наноструктурами ДНК.Наука. 2012; 338: 932–936. DOI: 10.1126 / science.1225624. PMID: 23161995. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 10. Андерсен Э.С., Донг М., Нильсен М.М., Ян К., Субрамани Р. и др. Самостоятельная сборка наноразмерного бокса ДНК с управляемой крышкой. Природа. 2009; 459: 73–76. DOI: 10,1038 / природа07971. PMID: 19424153. [PubMed] [Google Scholar] 11. Аллен ПБ, Аршад С.А., Ли Б., Чен Х, Эллингтон А.Д. Цепи ДНК как усилители для обнаружения нуклеиновых кислот на бумажно-жидкостной платформе. Лабораторный чип. 2012; 12: 2951–2958.DOI: 10.1039 / c2lc40373k. PMID: 22729075. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 12. Ли Б., Эллингтон А.Д., Чен Х. Рациональная модульная адаптация цепей ДНК без ферментов к множественным методам обнаружения. Nucleic Acids Res. 2011; 39 DOI: 10.1093 / nar / gkr504. PMID: 21693555. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 13. Чен X, Бриггс Н., Маклейн-младший, Эллингтон А.Д. Стекирование неферментативных схем для высокого усиления сигнала. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2013; 110: 5386–5391. DOI: 10.1073 / pnas.1222807110. PMID: 23509255.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 14. Чен Ю.Дж., Далчау Н., Сринивас Н., Филлипс А., Карделли Л. и др. Программируемые химические контроллеры из ДНК. Nat Nanotechnol. 2013. 8: 755–762. DOI: 10.1038 / nnano.2013.189. PMID: 24077029. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 15. Белломи Г.Р., Рекорд МТ. Метод горизонтального электрофореза полиакриламидных пластин в геле. Биотехнологии. 1989; 7:16. PMID: 2629829. [PubMed] [Google Scholar] 16. Чен X. Расширение набора правил цепей ДНК с ассоциативной активацией опоры на ногах.J Am Chem Soc. 2012; 134: 263–271. DOI: 10.1021 / ja206690a. PMID: 22129141. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Инь П, Чой ХМТ, Калверт Ч.Р., Пирс Н.А. Программирование биомолекулярных путей самосборки. Природа. 2008; 451: 318–322. DOI: 10,1038 / природа06451. PMID: 18202654. [PubMed] [Google Scholar] 18. Юрке Б., Турберфилд А.Дж., Миллс А.П., мл., Зиммель ФК, Нойман Дж. Л. Молекулярная машина, основанная на ДНК, сделанная из ДНК. Природа. 2000; 406: 605–608. DOI: 10,1038 / 35020524. PMID: 10949296. [PubMed] [Google Scholar] 19.Аллен ПБ, Хаинг З., Шмидт CE, Эллингтон А.Д. 3D-печать с использованием адгезивов на основе нуклеиновых кислот. ACS Biomater Sci Eng. 2014; 1: 19–26. DOI: 10.1021 / ab500026f. PMID: 25984570. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 20. Рехман Ф. Н., Одех М., Абрамс Э. С., Хаммонд П. В., Кенни М. и др. Иммобилизация олигонуклеотидов, модифицированных акриламидом, путем сополимеризации. Nucleic Acids Res. 1999. 27: 649–655. DOI: 10.1093 / nar / 27.2.649. PMID: 9862993. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 21. Куо Т. Оптимизированный метод очистки одноцепочечной ДНК из продуктов ПЦР для частых или высокопроизводительных нужд.Биотехники. 2005; 38: 700. PMID: 15945367. [PubMed] [Google Scholar] 22. Роджерс PH, Мишель Э., Бауэр К.А., Вандерет С., Хансен Д. и др. Селективная, контролируемая и обратимая агрегация полистирольных латексных микросфер посредством гибридизации ДНК. Ленгмюра. 2005; 21: 5562–5569. DOI: 10.1021 / la046790y. PMID: 15924490. [PubMed] [Google Scholar] 23. Arndt-Jovin DJ, Jovin TM, Bähr W, Marquardt M, Frischauf AM. Ковалентное прикрепление ДНК к агарозе. Eur J Biochem. 1975. 54: 411–418. DOI: 10.1111 / j.1432-1033.1975.tb04151.x. PMID: 1100376. [PubMed] [Google Scholar] 24. Тан Х., Дешнер Р., Аллен П., Чо Й., Сермас П. и др. Анализ ДНК-управляемой самосборки микросфер с использованием проточной цитометрии с визуализацией. J Am Chem Soc. 2012; 134: 15245–15248. DOI: 10.1021 / ja3066896. PMID: 22938015. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 25. Пирс Дж. Лаборатория с открытым исходным кодом: как создать собственное оборудование и снизить затраты на исследования. 1-й Эльзевир; Амстердам: 2014. [Google Scholar] 26. Анзалоне ГК, Гловер АГ, Пирс Дж. М.. Колориметр с открытым исходным кодом.Сенсоры (Базель) 2013; 13: 5338–5346. DOI: 10,3390 / s130405338. PMID: 23604032. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

Биология — электрофорез — Бирмингемский университет

Электрофорез и хроматография являются формами молекулярного просеивания. Это невероятно полезные и широко используемые инструменты, которые позволяют исследователям разделять сложные предметы на идентифицируемые части.

В чем разница между хроматографией и электрофорезом?

Скорее всего, вы проведете эксперимент по тонкослойной / бумажной хроматографии или электрофорез во время прохождения уровня A, а не то и другое вместе, поэтому может быть полезно узнать разницу между ними, а также их сходство.В обоих этих методах используются вещества, которые действуют как сита для разделения смесей, и на самом деле электрофорез — это просто особая форма хроматографии. Есть много других форм хроматографии, используемых в исследованиях, включая газовую хроматографию и аффинную хроматографию. Во всех этих формах хроматография использует разницу между подвижной и неподвижной фазами. Подвижная фаза — это вещество, которое может перемещаться через неподвижную фазу, позволяя нашей смеси образцов перемещаться вместе с ней.Стационарная, или адсорбирующая, фаза — это вещество, которое поглощает частицы исследуемой смеси, проходящие через нее. Степень, в которой перемещаются части образца, позволяет идентифицировать составляющие его части, а вариации между схемами разделения смесей образцов позволяют нам определять различия между образцами.

Как в тонкослойной, так и в бумажной хроматографии используется подвижная фаза растворителя, которая превращается в неподвижную фазу за счет капиллярного действия. Самая большая разница между этими методами — разные стационарные фазы.Стационарная фаза в тонкослойной хроматографии (ТСХ) часто представляет собой силикагель или целлюлозу на инертном субстрате. Тип используемой подвижной фазы и легкость, с которой образец может связываться с неподвижной фазой, будут определять создаваемый паттерн. Например, пластина силикагеля очень полярна, а это означает, что сильно полярные молекулы в вашем образце будут двигаться меньше до связывания с неподвижной фазой, чем менее полярные. Обычно для разделения пигментов в холофилле используют пластину силикагеля и неполярный растворитель, поскольку растворитель позволяет разделять пигменты в зависимости от их полярности.

Использование ТСХ по сравнению с бумагой дает преимущества в зависимости от используемого образца. Возможно, удастся провести ТСХ быстрее, чем бумажную хроматографию, и с большим количеством образцов на одной и той же бумаге, поскольку зоны растекания часто меньше. Это также может облегчить выполнение двусторонней хроматографии. Меньшие зоны распространения также улучшают чувствительность обнаружения, если вы пытаетесь определить, из чего сделаны ваши пятна, а пластины для ТСХ часто более термостойкие, что позволяет вам легче образовывать пятна на пластине, и могут быть более устойчивыми к использованию. сильных растворителей в подвижной фазе.

Гель-электрофорез обычно используется для анализа ДНК. Существует множество способов подготовки образцов ДНК до их обработки на геле для электрофореза, хотя, поскольку может присутствовать только одна или несколько копий интересующего гена или фрагмента ДНК, образец обычно необходимо амплифицировать с помощью Процесс называется полимеразной цепной реакцией (ПЦР). ПЦР может генерировать тысячи или даже миллионы копий вашего образца с помощью термоциклирования ДНК с помощью фермента ДНК-полимеразы.Этот фермент делает копии ДНК, а затем копии копий, поэтому количество образцов ДНК увеличивается экспоненциально за относительно короткий период времени, что значительно упрощает их визуализацию.

Когда образцы ДНК готовы, их можно поместить в небольшие лунки в агарозном геле, в резервуар, такой как тот, что изображен выше. Резервуар заполнен буферным раствором, позволяющим пропускать электрический ток, протягивая электрически заряженные частицы ДНК через агарозный гель. Размер последовательности ДНК будет определять, как быстро она движется через гель, то есть участки ДНК могут быть разделены по размеру.Это позволяет нам увидеть, например, присутствие гена, который был вставлен в генетически модифицированный организм, которого нет в организме дикого типа.

Как исследователи используют эти методы?

Как можно использовать хроматографию и электрофорез для анализа ДНК?

Что такое CRISPR?

CRISPR (Кластерные короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами) — это короткие участки повторяющейся ДНК, которые можно найти в прокариотических организмах, таких как бактерии.Их открытие было сочтено необычным, потому что прокариоты имеют сравнительно небольшие компактные геномы, без значительной части некодирующей ДНК (иногда ошибочно называемой мусорной ДНК), обнаруженной у эукариот. Было обнаружено, что последовательности ДНК между этими повторами на самом деле точно совпадают с вирусной ДНК, а это означает, что CRISPR на самом деле является формой приобретенной системы защиты прокариот от вирусов. Бактерии способны распознавать вирусную ДНК с помощью белков, ассоциированных с CRISPR (Cas), и, если она вступает в контакт с этой последовательностью ДНК, белок Cas немедленно разрезает и разрушает ее.

CRISPR очень полезен для бактерий, так как они могут распознавать вирусы и бороться с ними, но ученые быстро поняли, что эту систему можно использовать как способ целенаправленного редактирования генов. Это огромное преимущество перед традиционными методами генетической модификации, поскольку предыдущие методы редактирования были гораздо менее точными. Вероятность того, что ген, который вы пытались вставить или удалить из генома, точно найдется в нужном месте в геноме, намного ниже, что делает его более дорогостоящим и трудоемким для успешного выполнения.CRISPR также работает с прокариотическими и эукариотическими организмами, поэтому его потенциальные возможности огромны.

CRISPR имеет важные медицинские приложения. Появляются новые методы лечения CRISPR для таких заболеваний, как рак, когда гены, которые способствуют неконтролируемому делению клеток, могут быть заменены на те, которые вместо этого вызывают гибель клеток — и эта идея уже доказала свою эффективность на мышах. Любое заболевание с генетическим компонентом потенциально можно лечить с помощью CRISPR, хотя редактирование зародышевой линии повлияет на будущие поколения, у которых не будет возможности согласиться на такую ​​процедуру, что противоречит одному из фундаментальных принципов медицинской этики.

Лаборатория признаний

В подкасте «Лаборатория исповеди» исследователи рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. В этом выпуске мы рассмотрим разделение биологических соединений с помощью тонкослойной или бумажной хроматографии и использование соответствующих инструментов для записи количественных измерений, таких как колориметр или потометр.

Что означают ваши измерения?

В геле вы должны запустить все свои экспериментальные образцы вместе с маркером размера молекулярной массы, обычно называемым лестницей ДНК.Лестница, обозначенная на изображении как «ELP», позволяет вам определить приблизительную молекулярную массу ваших образцов. Стоит отметить, что молекулярная масса обратно пропорциональна расстоянию, пройденному по гелю, поэтому лестница отмечает логарифмическую шкалу. Возможно, вас интересует только наличие или отсутствие полосы на вашем геле для электрофореза, поэтому добавление лестницы ДНК не является жизненно важным для вашего эксперимента. Тем не менее, при использовании геля в лаборатории обычно используют лестницу.

Для анализа движения образца в тонкослойной или бумажной хроматографии главное, что представляет интерес, — это расстояние, на которое перемещаются различные части образца по отношению к общему движению растворителя. Когда хроматографическая пластина готова, очень важно быстро пометить карандашом переднюю поверхность растворителя, чтобы вы могли точно измерить эти расстояния. Расстояние, на которое переместилось пятно, деленное на расстояние, на которое переместился фронт растворителя, называется коэффициентом удерживания или Rf.Значения Rf, которые вы вычисляете, можно сравнить со стандартными значениями (обычно приводятся в виде диапазона, хотя вас могут попросить рассчитать свои собственные — они будут варьироваться в зависимости от используемого растворителя и пластины), которые расскажут вам, что содержалось в вашем оригинале. образец.

Следующие шаги …

Эти ссылки предоставлены только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте.Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок. Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

Недорогой и безопасный гель-электрофорез ДНК с использованием бытовых материалов — Ens — 2012 — Образование в области биохимии и молекулярной биологии

ВВЕДЕНИЕ

Трудно представить себе биологические исследования без методов молекулярной биологии.Большинство биологов сегодня полагаются на обычные молекулярные методы, такие как электрофорез в агарозном геле, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и расщепление рестрикционными ферментами, чтобы управлять молекулами ДНК и изучать их [1]. Хотя эти методы широко распространены, оборудование и материалы, необходимые для их выполнения, неизменно дороги, часто недоступны для школьных классов средней школы и школьников на дому. Кроме того, некоторые реагенты слишком опасны для таких настроек.

Здесь мы сообщаем о системах гель-электрофореза, которые могут быть сконструированы и работать с использованием только безопасных бытовых материалов, широко доступных в национальных сетях оборудования, зоотоваров, аптек и супермаркетов.Ранее сообщалось, что альтернативные электрофоретические системы обычно используют смесь бытовых и лабораторных материалов [2-5]. Хотя качество гель-электрофореза и визуализации ДНК с использованием безопасных бытовых материалов не может сравниться с качеством, достигаемым с использованием материалов исследовательского качества, гели относительно недороги, просты в исполнении и поучительны в классе средней школы и для учащихся, обучающихся на дому. Электрофорез можно сочетать с препаратами ДНК на основе детергентов [6, 7]; однако большая часть полученного флокулированного материала не является ДНК и часто не дает хороших полос после электрофореза.

Национальные стандарты научного образования

[8] включают обучение молекулярной генетике с упором на химическую природу ДНК. Электрофорез учитывает несколько стандартов биологических наук, представленных здесь, а также стандарты физических наук, которые обсуждаются в следующем разделе. В рамках Стандарта C естественных наук, это мероприятие касается стандартов Клетки (№1–4, 6), Молекулярной основы наследственности (№1–3) и Биологической эволюции (№1, 4, 5). Благодаря этим исследованиям под руководством учителя студенты получают более глубокое понимание молекулярной генетики.Наблюдение за молекулярной природой ДНК и обсуждение ее роли демонстрирует, что определенные компоненты клетки лежат в основе определенных функций и что химические реакции важны для поддержания компонентов клетки. Наблюдение за различиями между экстрактами ДНК различных организмов приводит к обсуждению мутаций, эволюции видов, общих предков и баланса между единством и разнообразием живых систем в течение эволюционного времени. Физическое разделение и визуализация фрагментов ДНК с помощью этого протокола должны сделать эти абстрактные концепции более реальными для студентов, способствуя лучшему пониманию академического языка дисциплины.

Наше исследование проводилось в средней школе Северо-Восточного Магнита (NEM) в Уичито как часть вводного курса биологии, необходимого для первокурсников и второкурсников. Государственные школы Уичито (WPS) — это округ с большинством меньшинств, в крупнейшем городе Канзаса проживает более 50 000 учащихся. В NEM 600 студентов составляют 62% меньшинства, а 51% находятся в неблагоприятном экономическом положении. Это школа, которая притягивает к себе науку и технологии, и только 15% учащихся получили оценку ниже приемлемого уровня по оценкам естественных наук в 11-м классе, что составляет половину среднего показателя по округу.Перед упражнением учащиеся должны иметь некоторое представление о химической природе ДНК, в частности о том, что молекулы ДНК представляют собой полимеры разной длины, определяемой количеством пар оснований, которые они содержат, и что основная цепь ДНК содержит фосфатные группы, которые имеют очень отрицательный заряд и, следовательно, будет мигрировать к аноду во время электрофореза.

Ключевым элементом электрофореза является конструирование гелевых ящиков и приготовление гелей.Во многих лабораторных курсах эти части процесса невидимы для студентов. Изучая, как работает оборудование, студенты получают более глубокое представление о связанных концепциях и процессах, что позволяет избежать неправильных представлений о «черных ящиках», вызванных чрезмерной зависимостью от технологий [9]. Ответы на опросы о мероприятии были значительно положительными, с наивысшими баллами за качество, организацию, активное участие и удовольствие. Используя относительно недорогие материалы, полученные на месте, мы предлагаем способ подвергнуть студентов гель-электрофорезу — молекулярному методу, занимающему центральное место в современных биологических исследованиях.Предварительные отчеты об этой работе были представлены ранее [10-12].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Коробка с гелем и блок питания

Для электрофореза в агарозном геле гель наливают и обрабатывают горизонтально, погружая в рабочий буфер. Лабораторное оборудование имеет электроды из платиновой проволоки, расположенные вдоль дна каждого конца гелевого бокса, и гель обычно находится на платформе, разделяющей две буферные камеры. Можно построить коробку из оргстекла, имитирующую коммерчески доступные системы, но бытовые пластиковые контейнеры подойдут.Они должны быть масштабированы, чтобы соответствовать приготовленному гелю, и должны быть достаточно широкими, чтобы гель не касался сторон, и достаточно длинными, чтобы анод можно было разместить на расстоянии не менее 2 см от конца геля. Никакого покрытия или экранирования не требуется, так как приложенный электрический ток будет слабым и безопасным для прикосновения. Гелевые боксы — это простые конструкции, которые необходимо делать заново для каждого цикла электрофоретики.

Есть несколько подходящих материалов для изготовления электродов. Платиновая проволока дорогая и труднодоступная, в то время как проволока из нержавеющей стали также обычно недоступна на местном уровне.Может использоваться неизолированная медная проволока (калибр 18), стальная проволока (проволока для тюков или канцелярские скрепки); однако они быстро корродируют и часто ломаются во время более длительных циклов электрофоретики. Алюминиевая фольга, сложенная в несколько раз для создания электродной ленты шириной ∼1 см, показала хорошие результаты (рис. 1). Несмотря на то, что во время электрофореза наблюдается значительная коррозия и точечная коррозия электродов из алюминиевой фольги, электроды остаются нетронутыми при нормальных режимах работы. Следует соблюдать осторожность, чтобы разместить анод на расстоянии не менее 2 см от конца геля, поскольку продукты окисления могут накапливаться в виде белого хлопьевидного материала возле анода, и они могут вызвать эрозию или раскол геля во время электрофореза.

Гелевая коробка, состоящая из пластикового контейнера, электродов из алюминиевой фольги и 9-вольтовых батарей, прикрепленных с помощью проводов и зажимов типа «крокодил».

Источник питания обычно является самым дорогим элементом, необходимым для электрофореза в исследовательской лаборатории, и создает опасность поражения электрическим током. К счастью, для электрофореза подходит группа из последовательно соединенных 9-вольтовых батарей.Пять батарей выдают 45 В с низким и безопасным током. Батареи можно использовать для двух или трех циклов электрофоретики от 1 до 1,5 часов, прежде чем они будут израсходованы. В больших классах, где несколько групп строят гелевые ящики, батареи, вероятно, являются самой большой затратой деятельности. Можно использовать трансформатор, например, зарядное устройство для сотового телефона, после снятия соединительного штекера и обнажения выходных низковольтных проводов, но существует большая опасность поражения электрическим током. Провода, снабженные зажимами типа «крокодил», используются для крепления батарей к электродам гелевого бокса.

Гель и буфер для бега

Гели с горизонтальной погруженной ДНК обычно изготавливаются из агарозы, очищенной формы агара, состоящей только из нейтральных углеводных цепей. Одной из проблем, связанных с использованием агара, а не агарозы для гель-электрофореза, является то, что заряженные углеводы в агаре могут вызывать диффузию полос из-за электроосмоса [13, 14]. Для исследованных здесь агаров это не было заметной проблемой. Агар — это растительный (водорослевой) желатиновый порошок, часто называемый агар-агаром, доступный в магазинах натуральных или азиатских продуктов и в Интернете.В то время как подходят агар марки Now (Now Foods, Блумингдейл, Иллинойс) или BactoAgar (Difco), агар-агар марки Telephone (Sirian International, Бангкок, Таиланд) показал лучшие результаты. Агар-агар от Eden Foods (Клинтон, Мичиган) и Desi Mills (Торонто, Калифорния) не показал хороших результатов. Гели образуются из 1% или 2% агара (вес / объем), тщательно растапливаются в микроволновой печи перед заливкой.

Две разные гелевые системы оказались успешными, при этом система минигелей дала наилучшие результаты в целом.Гели большего размера можно легко отлить из пластикового контейнера, а перед использованием гель можно нарезать до прямоугольной формы (необязательно). Более тонкие минигели растекаются быстрее и быстрее окрашиваются. Хотя их можно вылить на поверхность гладкой подарочной карты магазина (∼54 × 85 мм), с поверхностным натяжением раствора геля, сохраняющим достаточную глубину, легче всего было вылить гель на дно чистой стеклянной формы для запекания. . Прямоугольник размером с подарочную карту магазина нарисован толстой широкой линией мелка или воскового карандаша, и расплавленный агар медленно налился до предела.

Лунки для загрузки растворов ДНК создаются в геле с помощью гребешка. Хороший дизайн имеет зубцы по длинному краю гладкой подарочной карты магазина, созданной дыроколом. Зажимы для связки, прикрепленные к любому концу, позволяют расположить гребенку вертикально прямо над поверхностью лотка для разливки. Лунки должны быть как можно глубже, но несколько миллиметров геля должны оставаться ниже зубцов гребенки, чтобы сформировать дно лунок. Остывшие гели можно вынуть из лотка с помощью шпателя; добавление бегущего буфера в лоток помогает удалить прилипший гель.

В системах электрофореза в агарозном геле используется один и тот же буфер как для заливки, так и для прогона геля. Очень важно обеспечить буферный уровень pH, чтобы ДНК не разрушалась из-за высокого или низкого pH, а для передачи тока необходим электролит (соль). Исследовательские лаборатории используют Трис в качестве буфера рН (рН от 7 до 8) и в качестве электролита в буферных системах трис-уксусная кислота-ЭДТА (ТАЕ), трис-борат-ЭДТА (ТВЭ) или трис-глицин. К сожалению, Трис не является продуктом для дома. Сообщалось о бикарбонатной буферной системе [5], и электрофорез возможен с использованием 2 г L -1 пищевой соды (бикарбонат натрия) с 0.05 г л -1 NaCl в качестве рабочего буфера. Одним из лучших действующих буферов были составы лимонной кислоты и цитрата натрия, содержащиеся в обычных сухих смесях напитков. Напиток для завтрака Tang (Kraft Foods, Rye Brook, NY; 8 г L -1 ) был подходящим, но он сильно окрашен. Лимонад Crystal Light (Kraft; 8 г L -1 ) был отличным рабочим буфером и позволял хорошо окрашивать полосы ДНК. Обратите внимание, что эти смеси обычно кислые, и перед использованием для защиты ДНК необходимо установить pH около 7 (для аквариумов имеется индикаторная бумага).Существуют буферы для аквариумов, в которых уже установлен pH 7, что делает их использование еще проще. Лучшей буферной системой был аквариумный нейтральный регулятор pH (Seachem Laboratories, Ковингтон, Джорджия), содержащий смесь фосфатов калия. Раствор цитрата магния (Kroger, Cincinnati, OH; 1,75 г жидких унций, разведенный в семь раз) и Alka-Seltzer (Bayer; 8 г L −1 ) неэффективны, и гели, отлитые с натриево-боратным буфером (20 Mule Team Borax, Dial Corp., Скоттсдейл, Аризона; 8 г L -1 ) были пятнистыми, с яркими пятнами при окрашивании.

За ходом электрофореза обычно следят, наблюдая за миграцией молекул красителя через гель. Подходят пищевые красители, которые можно добавлять в препараты ДНК. Чтобы нанесенные образцы погрузились в лунки, в экстракты полезно добавить густой глицерин (глицерин) или кукурузный сироп. Вязкость образца можно отрегулировать для достижения наилучших результатов с помощью выбранного метода загрузки (шприц, пипетка, капельница или зубочистка).

Окрашивание

После электрофореза полосы ДНК визуализируются в гелях путем окрашивания.В исследовательской лаборатории используются красители, которые интеркалируют между основаниями ДНК, такие как бромид этидия или Syto13. Эти пятна слишком опасны для занятий в классе из-за их высокой мутагенности и тератогенности. Метиленовый синий (Кордон, Хейворд, Калифорния) — безопасная альтернатива, доступная в зоомагазинах в виде 2,3% раствора, разбавленного в 3000 раз или более водой для окрашивания (рис. 2). Кристаллический фиолетовый, продаваемый в аптеках в виде 2% раствора генцианвиолета (Humco, Texarkana, TX), окрашивал ДНК несколько лучше, чем метиленовый синий.Малахитовая зелень (Рид · Ич +, Кордон; 125-кратное разведение) также не подействовала. Были протестированы различные красители для одежды RIT (Phoenix Brand, Stamford, CT; 0,25 г L -1 ), но ни один из них не окрасил ДНК очень хорошо. Некоторое окрашивание наблюдали с темно-синим, королевским синим, темно-зеленым, пурпурным и черным. «Жидкая синька» миссис Стюарт (Блумингтон, Миннесота), суспензия берлинской синей, оказалась неэффективной. Окрашенные полосы ДНК визуализировали белым светом либо на световом ящике (источник света за непрозрачным рассеивающим пластиком), либо после помещения геля в прозрачный пластиковый пакет и поднесения его к яркому окну.

полос ДНК из агарового геля (телефон; 2% мас. / Об.) С цитратным буфером (лимонад Kraft Crystal Light; 8 г L -1 ) в течение 1 часа при 45 В и окрашиваются раствором метиленового синего (Кордон; разбавленный 3000 ×). Несколько полос видно на лестнице лямбда HindIII (Fisher; 10 мкл лестницы в 50% растворе кукурузного сиропа), нанесенной на обе дорожки.

Безопасность и утилизация

Используемые здесь в основном съедобные материалы не представляют опасности для здоровья.Следует соблюдать осторожность при работе с растворами горячего агара, надевать соответствующие тепловые перчатки или кухонные рукавицы. Растворы агара имеют свойство закипать, перегреваться и вздыматься, поэтому будьте осторожны. Лучше всего использовать серию коротких импульсов (10 секунд) в микроволновой печи, и будьте осторожны, чтобы не перемешивать горячие жидкости. Студентам рекомендуется носить перчатки и защитные очки при работе с пятнами. Все материалы можно затопить или утилизировать как неопасный мусор, за исключением разряженных батарей, которые требуют специальной утилизации.

Анализ

После окрашивания в геле должны быть видны полосы молекул ДНК. Расстояние, на которое молекулы ДНК перемещаются во время электрофореза, зависит от размера молекулы, состава буфера, продолжительности электрофореза, содержания агара в геле и величины приложенного тока. Каждый гель будет работать несколько по-своему, и, как и при хроматографических процедурах, расстояние, на которое проходит полоса ДНК, обычно указывается относительно миграции молекулы известного размера.Маркеры длины ДНК, называемые лестницами, доступны в продаже, но могут быть дорогостоящими. Можно создать подходящие маркеры после разрезания геномной ДНК с помощью нескольких быстрых проходов через иглу шприца, электрофореза разрезанной ДНК и извлечения (путем пропитки буфером) срезов геля в различных точках вдоль мазка. О миграции полос ДНК также можно сообщить относительно миграции одного из действующих красителей. Миграция измеряется либо непосредственно на геле, либо путем захвата изображения с линейкой.Расстояние измеряется от дна колодца до середины полосы. Если используется лестница, стандартная кривая может быть построена на основе пройденного расстояния и известной длины фрагментов ДНК. Учителя также могут предоставить ученикам таблицу расстояний миграции и молекулярных длин или присвоить значения бегущим красителям. Студенты должны построить стандартную кривую, а затем определить размеры неизвестных им фрагментов ДНК либо непосредственно по графику, либо сгенерировав уравнение, описывающее линию.Если несколько групп используют одни и те же образцы, результаты можно объединить и применить простой статистический анализ (стандартное отклонение и критерий Стьюдента t ) для определения дисперсии данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Рекомендуемая процедура

Коробка с гелем изготовлена ​​из пластикового контейнера для хранения (14 × 20 × 5 см, 1,6 л) и снабжена электродами из алюминиевой фольги (1 × 25 см; четырехслойные сложенные полоски), расположенными на расстоянии 14 см друг от друга, прикрепленными с помощью липкой ленты или клей.Электроды подключаются к пяти 9-вольтовым батареям последовательно с помощью проводов, снабженных зажимами типа «крокодил». Гели были отлиты в чистую стеклянную форму для запекания (9 × 13 дюймов), на которой восковым мелком нарисован прямоугольник (8,5 × 5,5 см). Агар телефонной марки (1 г) расплавляли с использованием микроволновой печи в 50 мл рабочего буфера (3 г L -1 Seachem Neutral pH Regulator). После осторожного выливания расплавленного агара в прямоугольник с мелками до заполнения использовали гребешок, сделанный из пластиковой подарочной карты магазина и зажимов для связки, чтобы сформировать лунки на расстоянии примерно 1 см от конца геля.После охлаждения геля (10–20 мин) гребенку снимали, гель поднимали с лотка для литья, помещали в контейнер для геля с лунками, расположенными близко к катоду, и погружали (на 1 см выше геля) в рабочий буфер. Образцы ДНК (~ 10 мкл), такие как стандартная лямбда-лестница HindIII (Fisher Scientific; ~ 1 доллар на дорожку) или геномный экстракт, добавляли 1: 1 в загрузочный краситель (одна капля кукурузного сиропа с тремя каплями зеленого пищевого красителя) с помощью пипетки. Электрофорез продолжался от 1 до 1,5 часов, наблюдая за миграцией отслеживающих красителей.Гели окрашивали, погружая в баню из генцианвиолета (10 000-кратное разведение) на от 12 до 72 часов без встряхивания при комнатной температуре. Полосы ДНК были визуализированы с подсветкой и сфотографированы для дальнейшего анализа.

Типичные результаты

Результат типичного геля, разделяющего лестницу лямбда HindIII, показан на рис. 2. Обратите внимание, что после окрашивания видны отдельные полосы, каждая из которых представляет собой фрагмент ДНК разного размера лестницы. Студенты в нашем тесте в классе успешно визуализировали полосы ДНК в своих гелях.Геномная ДНК имеет тенденцию образовывать диффузные высокомолекулярные полосы, но также может образовывать более одной полосы. Они могут иметь разные размеры или могут иметь разные конформации (например, суперспирали) геномной ДНК, что приводит к изменениям электрофоретической подвижности. Электрофорез в течение более длительных периодов времени продвинет полосы ДНК дальше в гель и обеспечит лучшее разделение. Более широкий диапазон размеров полос может быть получен путем первого разрезания геномной ДНК путем многократного быстрого прохождения через иглу шприца или с помощью коммерчески доступных рестрикционных ферментов.

Планирование и оценка

В зависимости от расписания звонков лучше всего разделить шаги протокола на разные блоки. В наших испытаниях первый блок использовался для практики дозирования и обсуждения процедуры и ее обоснования. Ящики с гелем были сконструированы, гели налили, загрузили и запустили во втором блоке (с использованием лестницы лямбда HindIII). Позже учитель удалил гели с пятен и сохранил их для третьего блока, где узоры полос были задокументированы и проанализированы.Студентам был дан рабочий лист, который нужно заполнить в ожидании завершения процедур, который включал вопросы об основах электрофореза, отрицательно заряженной основной ДНК, которая позволяет проводить электрофоретическое разделение, и определение длины молекул путем анализа структуры полос. Открытые вопросы, ответы, ориентированные на учащихся, соответствующее время ожидания и невербальное поведение использовались для вовлечения в диалог и вывода идей [15–18]. Студенты составили стандартный лабораторный отчет и были оценены в соответствии с их постоянным взаимодействием на протяжении уроков.Учителя также могут оценивать понимание учащимися через проекты по расширению знаний (см. Ниже).

Опросы студентов

В тестовый класс NEM входили в основном второкурсники в пяти группах по 4–5 студентов в каждой. Обследования с использованием шкалы типа Лайкерта были заполнены всем 21 учеником с соответствующего разрешения родителей и школы (Таблица I). В целом, оценка составила 4,0 или выше, что свидетельствует о том, что учащиеся оценили упражнение и сочли его полезным. Оценки были достоверными ( p <0.05) выше, чем ожидалось, для каждого вопроса (кроме Q13) с использованием анализа хи-квадрат и ожидания равномерного распределения по ответам. Студенты считали, что это мероприятие связано с их курсовой работой и является актуальным. Студенты чувствовали, что они активно участвовали, узнали что-то ценное и хотели проводить больше научных исследований. Самые высокие оценки свидетельствовали о том, что мероприятие было веселым и хорошо организованным. Студенты не были разочарованы тем, что на мероприятии использовались недорогие материалы, а не лабораторное оборудование.Хотя в среднем ответы были положительными, у двоих учеников в целом оценки были ниже, чуть ниже нейтрального (3,0). Взятые вместе, эти результаты опроса были значительно выше ( p <0,01), чем ожидалось, и предполагают, что учащиеся рассматривали электрофорез как успешное и ценное дополнение к вводному курсу биологии в средней школе. Опросы содержания, ранее проводившиеся после аналогичных электрофоретических мероприятий с использованием лабораторного оборудования в NEM и других средних школах WPS, показали значительное увеличение содержания знаний, специфичных для данного вида деятельности [11].Следует отметить, что от одного занятия в классе не ожидается, что оно само по себе значительно повысит успеваемость по общим научным оценкам или общим оценкам по курсу.

Таблица I. Обследование для оценки активности
Вопрос Оценка ± SDa
1. Занятия в гелевой лаборатории были хорошо организованы 4.3 ± 0,8
2. Экспериментальные шаги хорошо объяснены 4,2 ± 0,8
3. Лаборатория геля стимулировала активное участие 4,1 ± 0,9
4. Меня заинтересовали результаты 4.1 ± 0,9
5. В моей группе эксперимент прошел хорошо 4,1 ± 0,9
6. Я был недоволен, что мы использовали недорогие материалы 2,1 ± 1,0
7. Лаборатория геля заставила меня задуматься 3.7 ± 0,8
8. Мне казалось, что я занимаюсь настоящим исследованием 3,5 ± 1,0
9. Использование нового лабораторного оборудования вызывает у меня интерес к науке 4,0 ± 0,9
10. Гелевая лаборатория актуализирована. 4.0 ± 0,9
11. Мой учитель мог ответить на мои вопросы 4,1 ± 1,1
12. Лаборатория гелей помогла мне понять важные концепции 3,9 ± 0,9
13. Я лучше понимаю ДНК после гелевой лаборатории 3.7 ± 1,1
14. Я научился пользоваться микропипетками 4,0 ± 1,2
15. Мне кажется, что я кое-чему научился из этого упражнения 4,1 ± 0,8
16. Лаборатория геля соответствовала моему классу 4.2 ± 0,8
17. Лаборатория геля была ценным инструментом обучения 3,9 ± 1,0
18. Это занятие побудило меня провести больше экспериментов 3,9 ± 1,0
19. Лаборатория геля качественная 4.0 ± 0,8
20. Делать гелевую лабораторию было весело. 4,3 ± 0,8

ОБСУЖДЕНИЕ

От дорогого к бесценному обучению

Представлен безопасный недорогой электрофорез для использования в классах биологии средней школы или в домашних условиях, который затрагивает несколько пунктов Стандарта C наук о жизни, включая аспекты клеточной биологии, генетики и эволюции.Это мероприятие также широко затрагивает все пункты Стандарта A, Наука как исследование, а также Стандарта E, Наука и технологии. Он полагается на технологии для наблюдения явлений, имеющих научное объяснение. Затем учащиеся могут использовать математику для анализа и передачи своих результатов. Более того, начиная с конструирования самого устройства, эта деятельность более точно имитирует исследования, когда коммерческое оборудование и наборы реагентов могут быть недоступны для определенных лабораторных протоколов.Простая недорогая система, описанная здесь, может быть включена в курсы общей биологии в разделах по генетике или разнообразию, чтобы дать учащимся средних школ практический опыт, обычно предназначенный для лабораторных курсов в колледже. Это можно сделать с гораздо меньшими затратами и с большей безопасностью, чем со стандартными протоколами. Используя нашу схему, большее количество учителей должно иметь возможность знакомить своих учеников с основными методами молекулярной биологии, которые имеют решающее значение для исследований в области наук о жизни сегодня.

Расширение деятельности

Химическая и физическая обработка экстрактов ДНК может изменить рисунок полос, наблюдаемый после электрофореза.Геномная ДНК имеет тенденцию выглядеть как диффузная полоса с высокой молекулярной массой. Если ДНК разрезать при быстром прохождении через иглу шприца, фрагменты образуют мазок на дорожке. Мазок будет иметь меньшую молекулярную массу, если экстракт ДНК обработать большим количеством сильных прохождений через шприц. Химические вещества, такие как кислоты и основания, могут влиять на стабильность ДНК и фрагментировать или разрушать ДНК. Студенты или учителя могут создавать лестницы ДНК, вырезая блоки из мазков ДНК и пропитывая ДНК из фрагментов геля буфером.Это позволит построить стандартные кривые для получения лучших значений относительного фронта. Лестницы ДНК также доступны в продаже.

Электрофорез может быть встроен в судебно-медицинское расследование, когда образцы ДНК сравниваются между фрагментами ДНК «места преступления» и «подозреваемыми». Это работает лучше всего, когда используются несколько рестрикционных ферментов, так что ферменты представляют собой фиктивные «экстракты ДНК», а единственный экстракт ДНК (ДНК фага лямбда; Fisher Scientific; обычно 1 доллар за дорожку) используется в качестве фиктивных «ферментов».Относительно недорогие рестрикционные ферменты, такие как EcoR1 или BamHI (Fisher Scientific; обычно <1 доллар за реакцию), можно использовать при комнатной температуре для разрезания ДНК во время инкубации в течение ночи.

Более обширный вариант начинается с микробиологической системы, разработанной с использованием бытовых материалов, которая может безопасно и недорого поддерживать солеустойчивые бактериальные изоляты для исследования [19]. Экстракты геномной ДНК (несколько циклов быстрого замораживания-оттаивания с использованием ванны сухой лед-этанол и горячей воды) из изолятов могут быть подвергнуты электрофорезу, и геномная полоса вырезается и замачивается в воде для высвобождения ДНК.Студенты могут использовать экстракты как часть имитации ПЦР. Учителя создают имитацию реагентов ПЦР (нуклеотиды, фермент полимеразы, буфер и праймеры) из пробирок с цветной водой, а ученики собирают реакционную смесь с экстрактом ДНК. Затем реакции будут «отправлены» на имитацию амплификации ПЦР и секвенирования оснований «в местном университете». Студентам будут предоставлены результаты — файл, содержащий последовательность ДНК бактериального гена 16S рРНК, полученную из GenBank. Инструменты на веб-сайте Ribosomal Database Project [20] могут быть использованы для анализа последовательности и создания филогенетических деревьев.Это может быть связано с созданием филогенетических деревьев, включающих людей и родственных животных, что опять же нацелено на взаимосвязь между видовой принадлежностью и генетическим содержанием.

Использование в других курсах естествознания

Электрофорез был разработан для классов биологии средней школы, но может использоваться в классах средней школы. Мероприятие посвящено Стандарту медико-биологических наук средней школы C. Сюда входят стандарты по воспроизводству и наследственности (№ 3–5), Разнообразию и адаптации организмов (№ 1-2) и Структуре и функциям живых систем (№ 1-2).Ключевые моменты включают химическую природу ДНК и то, что генетический состав организма определяет его черты и идентичность.

Упражнение можно использовать для изучения стандарта B по физическим наукам в средней школе, в частности, в разделах «Структура и свойства материи» (№ 4) и «Движение и силы» (№ 1, 3, 4). Последний стандарт включает понимание того, что заряженные частицы движутся в электрических полях и что молекулы движутся под действием силы. В курсе физики уместен электрофорез красителей, а не ДНК.Многие тканевые и пищевые красители при электрофорезе разделяются на несколько полос разного цвета. Некоторые красители могут быть заряжены положительно и двигаться к катоду, поэтому может быть полезно заливать углубления в середине геля.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *