Задачи › Цепь с конденсатором, установившийся режим

Нервная клетка

  1. Нервная клетка

    Эстонская 2010/11, заключительный этап, 9-11 кл. · №25948

    Мембрану нервной клетки можно рассматривать как тонкую плёнку ёмкости \(C\), через которую проходят ионные каналы, позволяющие зарядам проходить через мембрану. С точки зрения электрического баланса нервной клетки важными ионами являются натрий и калий. Если ион натрия (с зарядом \(+e\)) проходит нервный канал (входя в клетку), химические силы совершают работу \(e\mathcal E_{\text{Na}}\), так что можно сказать, что на ионы натрия в ионном канале действует электродвижущая сила \(\mathcal E_{\text{Na}}\). В случае ионов калия процесс прохождения мембраны точно такой же, но эффективная электродвижущая сила равна \(\mathcal E_{\text{K}}\,(\ne\mathcal E_{\text{Na}})\). Кроме химических сил при движении заряда в ионном канале действуют также силы трения, которые можно описать с помощью электрического сопротивления: для ионов натрия сопротивление мембраны равно \(R_{\text{Na}}\), для ионов калия — \(R_{\text{K}}\). Какой заряд собирается на мембране нервной клетки, когда она достигает электрического равновесия? (10 б.)

    ▶ПодсказкаСкрыть: подсказка
    Подсказка

    В равновесии ток через конденсатор не идёт, поэтому токи через калиевую и натриевую ветви равны по модулю и противоположны по направлению.

    ▶ОтветСкрыть: ответ
    Ответ

    \(q=C\dfrac{R_{\text{K}}\mathcal E_{\text{Na}}+R_{\text{Na}}\mathcal E_{\text{K}}}{R_{\text{Na}}+R_{\text{K}}}\).

    ▶РешениеСкрыть: решение
    Решение

    Так как заряды могут течь через мембрану тремя разными путями, а собирающийся на конденсаторе заряд создаёт общее для всех трёх путей электростатическое напряжение \(U\), то для моделирования нервной клетки подходит схема, где параллельно соединены три токовых пути: путь через конденсатор, путь калия и путь натрия.

    Рисунок

    Когда наступает равновесие, ток через конденсатор не идёт. Для этого сумма токов калия и натрия должна быть электрически нейтральной (равной нулю). Ток калия равен \((\mathcal E_{\text{K}}-U)/R_{\text{K}}\). Ток натрия равен \((\mathcal E_{\text{Na}}-U)/R_{\text{Na}}\). Приравнивая сумму этих токов нулю, получаем выражение для напряжения \[U=\frac{R_{\text{K}}\mathcal E_{\text{Na}}+R_{\text{Na}}\mathcal E_{\text{K}}}{R_{\text{Na}}+R_{\text{K}}}.\] Полный заряд мембраны тогда равен \[q=CU=C\,\frac{R_{\text{K}}\mathcal E_{\text{Na}}+R_{\text{Na}}\mathcal E_{\text{K}}}{R_{\text{Na}}+R_{\text{K}}}.\]

    Прочитали решение — спросите себя, как можно было до этого додуматься. А через день-два решите задачу заново, не подглядывая.

    Вся олимпиада на сайте

Похожие задачи