Медь сопротивление удельное сопротивление: Удельное сопротивление меди

Содержание

Сопротивление меди — Энциклопедия по машиностроению XXL

В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1% примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза. [c.152]

Рис, 4.5. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры [c.116]

При достижении температуры плавления (для меди она составляет 1083 °С) увеличивается объем металла, т. е. уменьшается его плотность, а вместе с ней и концентрация носителей. В результате сопротивление меди возрастет примерно в 2,4 раза. Для металлов, уменьшающих свой объем при плавлении (галлий, висмут, сурьма), значение удельного сопротивления имеет тенденцию к уменьшению. [c.116]

Заметное влияние на указа -ные характеристики меди оказывает и температура. При нагревании (особенно выше 200 °С) в результате процесса рекристаллизации (рис. 4.7) механические характеристики и удельное сопротивление меди резко изменяются. [c.120]

ОКОЛО 800° С и, следовательно, Ра 10 ОМ.-М., р= 1. Удельное сопротивление меди принято равным 2-10 ом-м. [c.174]

В диапазоне температур от —50 до 180 °С сопротивление меди находится в линейной зависимости от температуры [c.455]

Коэффициент подсчитан по литературным значениям удельных сопротивлений меди [2] и натрия [3]. Расчеты показали, что в стенке трубы выделяется около 97(% тепла и эта доля практически не меняется с температурой. Некоторая возможная неточность в величинах удельных сопротивлений влияет на коэффициент К слабо, и нет необходимости учитывать разность температур между стенкой и жидкостью для выбора соответствующих значений удельных сопротивлений. [c.14]

Медь — металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 °С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 0,31607 нм. Плотность меди 8,94 г/см . Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм.м. В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок МОО (99,99 % Си), МО (99,97 % Си), М1 (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), М3 (99,50 % Си). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства. [c.406]

Сопротивление меди, как и других металлов зависит от температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления. Для определения коэффициента изменения сопротивления можно воспользоваться табл. 1.7. В таблице вертикальный столбец соответствует температуре в десятках градусов, а верхняя горизонтальная строка — в единицах градусов. Изменение сопротивление меди при 15 °С принято за единицу. Коэффициент для произвольной температуры соответствует пересечению соответствующих строки и столбца. Например, изменение сопротивления меди при 86 °С составляет 1,2284. Это означает, что сопротивление проводника, измеренное при 15 С, работающего при температуре 86 С, надо умножить на 1,2284. [c.16]

Д. Мп-бронзы. Содержат 25 % Мп. Высокая жаропрочность и электрическое сопротивление. Медь в твердом состоянии растворяет до 30 % Мп поэтому структура этих бронз — гомогенные а-твердые растворы. [c.51]

ТКС определяется по сопротивлениям Rf и Rt чувствительного элемента медного ТС, измеренных соответственно при точке таяния льда и кипения воды. В диапазоне температур от —50 до 200 °С зависимость сопротивления меди от температуры носит линейный характер R = Ro (1 + ai). [c.138]

Стальная оцинкованная проволока. Сталь наиболее дешевый из проводниковых материалов, который в отдельных случаях может быть использован в качестве проводника тока. Сталь обладает высокой механической прочностью. Удельное электрическое сопротивление стали значительно выше удельного электрического сопротивления меди и алюминия. Для проводников тока обычно применяется мягкая сталь, содержащая 0,10-0,15% углерода. Основные характеристики мягкой стали [c.247]

Удельное сопротивление меди при температуре г, С (( = 30 -f 60 =С) [c.509]

Реле и контакторы, работающие на постоянном токе, конструктивно ничем не отличаются от рассмотренных. Различие их заключается в том, что магнитопровод изготавливается сплошным из специальной электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Катушка электроаппарата, работающего на постоянном токе, имеет в несколько раз большее число витков, чем катушка электроаппарата, работающего на переменном токе. Это объясняется тем, что полное сопротивление катушки электроаппарата, работающего на переменном токе, слагается из двух составляющих — активного и индуктивного сопротивлений. В начальный момент после подачи напряжения пусковой ток в катушке превышает номинальный в несколько раз и созданный им магнитный поток достаточен для притягивания якоря. После замыкания магнитопровода усиливается магнитный поток, увеличивается общее сопротивление катушки за счет увеличения индуктивного, ток в катушке резко падает и достигает значения, достаточного для длительной работы электроаппарата без перегрева. Если катушки электроаппаратов питаются постоянным током, индуктивное сопротивление катушки отсутствует и ток в цепи ограничивается только сопротивлением меди катушки. Чтобы снизить силу тока, протекающего в катушке, необходимо увеличить ее сопротивление, а это приводит к увеличению длины провода и, следовательно, числа витков. [c.177]

Лучшими проводниками электрического тока являются металлы с наименьшим сопротивлением — медь, алюминий и т. д. [c.286]

В табл. 1 приведены величины удельного электрического сопротивления некоторых технических металлов. Лучшими проводниками электрического тока являются металлы с наименьшим электрическим сопротивлением — медь, алюминий и т. д. [c.39]

Для постоянного тока сопротивление реактора (если пренебречь небольшим сопротивлением меди его катушки) почти равно нулю, и ток силовой цепи свободно пройдет через него. Для токов же высокой частоты, например / = 0,16 МГц (160 000 Гц), сопротивление реактора У . = 2.3,14-160 000-0,63 = 633 024 Ом. [c.249]

Жесткие излучения могут влиять и на другие, помимо электроизоляционных, электротехнические материалы так, под их действием может возрастать удельное электрическое сопротивление меди и других проводников, нарушаться работоспособность полупроводниковых приборов и др. [c.31]

С возрастанием содержания примесей удельное сопротивление меди возрастает в следующем порядке [c.257]

СТИ сопротивления меди от температуры в интервале от —50 до 200 . Эта зависимость выражается уравнением [c.77]

Мендоза и Томас [92, 298] исследовали также несколько других металлов. Образец серебра обнаружил минпмум сопротивления, подобный минимуму для золота. Сопротивление меди в области гелиевых температур оставалось постоянным, но при температурах ниже 1″ К несколько возрастало. Образцы магния, хотя п были вырезаны нз одного и того же куска проволоки, обнаружили минимумы, расположенные во всей области телшератур между 0,7 и 25° К. [c.585]

С соответственно. Угол между направлением потока воздуха и осью трубы ср =60°. Вычислить допустимую силу тока в электрическом проводе, если температура резиновой изоляции не должна превышать 70° С. Определить критический диаметр тепловой изоляции. Удельное электрическое сопротивление меди р =0,0175 Om-mmVm теплопроводность резиновой изоляции Хр = 0,15 Вт/(м-К)- [c.230]

Медь. Вторым после серебра металлом с низким сопротивлением является медь. Для проводников используется электролитическая медь с содержанием Си 99,9% и кислорода 0,08%. Высокой вязкостью и пластичностью обладает бескислородная медь, содержащая кислорода не более 0,02%. Температура плавления меди 1084° С, температура рекристаллизации — около 270° С. При нагревании выше этой температуры резко снижается прочность и возрастает пластичность. На воздухе поверхность медного проводника быстро покрывается слоем закиси — окиси меди с высоким удельным сопротивлением. Высокочастотные медные токоведущие элементы защищают от окисления покрытием из серебра. Для обмоток маслонаполненных трансформаторов используют луженую медную проволоку. Техническая медная проволока диаметром от 0,1 до 12 мм выпускается твердая и мягкая, подвергаемая отжигу в печах без доступа воздуха. Мягкая проволока диаметром до 3 мм имеет временное сопротивление в среднем 0р = 27 /сГ/лл для твердой проволоки больше (Ор = 39 кГ мм% удельное сопротивление для твердой проволоки р = 0,018 ом -мм 1м, а для мягкой р = 0,0175 ом-мм м. Температурный коэффициент сопротивления меди TKR =4-45-10″ Ijapad. Твердую медь применяют для контактных проводэв, коллекторов и т. п. Во всех этих [c.274]

Для компенсацпи температурной погрешности из-за изменения Яя сопротивление 1R3 сделано из медной ироволоки. Практически полная темиературная компенсация нроисходит при давлении газа, соответствующем равенству сопротивлений Rn=давления газа от указанного возникает дополнительная погрешность, равная (считая температурные коэффициенты сопротивления меди и молибдена равными и пренебрегая малыми составляющими погрешности) [c.43]

Повышение температуры приводит к увеличению сопротивления меди обмотки дросселя, т.е. к повышению сопротивления правого плеча делителя. Поэтому напряжение генератора, при котором напряжение на стабилитроне достигает стабилизации, увеличрггся, т.е. величина регулируемого напряжения в горячем состоянии возрастает. Повышение уровня регулируемого напряжения при нагреве способствует и некоторому изменению характеристик стабилитрона, так как напряжение стабилизации с увеличением температуры несколько возрастает. [c.10]

Температура плавления меди 1083 °С, плотность 8,94 Mг/м Она обла- 1ает Г1ЦС решеткой, диамагнитна и не имеет полиморфизма. Удельное электрическое сопротивление меди равно 0,0178 мкОм м. Нашей промышленностью производится И марок меди с различным содержанием примесей. В электронике применяют бескислородную (б) медь марок МООб (99,99% Си) и МОб (99,97% Си), в электротехнике и металлургии МО (99,95% Си), М1 (99,9% Си) М2 (99,7% Си) и др. [c.199]

Медь — металл красного цвета, розовый в изломе, обладает лучшей после серебра электропроводностью. Плотность меди 8890…8940кг/м , предел прочности при растяжении 256…409 МПа, температура плавления 1083 °С. Удельное электрическое сопротивление меди при 20 °С находится в пределах 0,01724…0,0180 мкОм м, удельная проводимость при 20 С в пределах 58…55,5 МСм/м. [c.10]

Ряд металлов и сплавов и иных материалов при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю, резко снижают свое удельное сопротивление, которое может принимать SHaneHHfr порядка 10 Ом-м, что в 10 раз- меньше, чем сопротивление меди, а плотность тока более 10 А/м-. Свойство материалов, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охла15кдении ниже определенной критической температуры КР > характерной для данного материала, называют сверхпроводимостью. На состояние сверхпроводимости влияет тгкже величина магнитной индукции, наибольшее допустимое значение которой также называют критической. [c.341]

Чем вызваны столь характерные изменения постоянной кристаллической решетки металлов при трении в поверхностно-ак-тивных смазочных средах Совершенно очевидно, что при трении в инактивных смазочных средах, когда роль смазки проявляется в том, что действующие нагрузки воспринимаются металлом распределенными через слой смазки, равномерное по глубине зоны деформации уменьшение периода решетки определяют макронапряжения в поверхностных слоях. Остаточные напряжения I рода ст = Eh) tg 0 А0, где А0 = MId) tg О,, здесь Е — модуль упругости V — коэффициент Пуассона, Adid — относительное изменение межплоскостного расстояния. Оценка остаточных напряжений по этой формуле дает величину о 1300 МПа, что в несколько раз превышает временное сопротивление меди. Эти результаты хорошо согласуются с данными работы [15], где показано, что в процессе трения могут возникать напряжения, намного большие, чем в условиях статического или динамического деформирования. Оценка о для никеля и железа также указывает на превышение временного сопротивления. [c.127]

Из оксидированного алюминия изготовляют различные катушки, работающие при высокой температуре возможность нагрузки провода большей плотностью тока при малой толщине изоляции позволяет во многих случаях заменять медь алюминием, несмотря на, его более высокое удельное сопротивление (медь — 0,0172, алюминий — 0,028 ом мм 1м). Для получения медного провода с весьма высокой пагревостойкостью изоляции иногда покрывают медь алюминием, а затем поверхность алюминия оксидируют. [c.548]

На кранах применяют резисторы из фехралевой или, реже, констан-тановой проволоки или из фехралевой ленты. Константан и фехраль — это сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением у кон-стантана более чем в 25 раз, а у фехраля, в 75 раз превышающим удельное сопротивление меди. Величина сопротивления этих сплавов почти не изменяется от температуры. Они рассчитаны на работу при высоких температурах так, для константана предельная температура равна 300, а для фехраля — 350°С. [c.351]

Удельное электрическое сопротивление | Мир сварки

Удельное электрическое сопротивление материалов

Удельное электрическое сопротивление (удельное сопротивление) – способность вещества препятствовать прохождению электрического тока.

Единица измерения (СИ) – Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м.

1 Ом·м = 1·10⁶ Ом·мм²/м

Таблица — Удельное электрическое сопротивление материалов
Материал	Температура, °С	Удельное электрическое сопротивление, Ом·м
Металлы
Алюминий	20	0,028·10^-6
Бериллий	20	0,036·10^-6
Бронза фосфористая	20	0,08·10^-6
Ванадий	20	0,196·10^-6
Вольфрам	20	0,055·10^-6
Гафний	20	0,322·10^-6
Дюралюминий	20	0,034·10^-6
Железо	20	0,097·10^-6
Золото	20	0,024·10^-6
Иридий	20	0,063·10^-6
Кадмий	20	0,076·10^-6
Калий	20	0,066·10^-6
Кальций	20	0,046·10^-6
Кобальт	20	0,097·10^-6
Кремний	27	0,58·10^-4
Латунь	20	0,075·10^-6
Магний	20	0,045·10^-6
Марганец	20	0,050·10^-6
Медь	20	0,017·10^-6
Магний	20	0,054·10^-6
Молибден	20	0,057·10^-6
Натрий	20	0,047·10^-6
Никель	20	0,073·10^-6
Ниобий	20	0,152·10^-6
Олово	20	0,113·10^-6
Палладий	20	0,107·10^-6
Платина	20	0,110·10^-6
Родий	20	0,047·10^-6
Ртуть	20	0,958·10^-6
Свинец	20	0,221·10^-6
Серебро	20	0,016·10^-6
Сталь	20	0,12·10^-6
Тантал	20	0,146·10^-6
Титан	20	0,54·10^-6
Хром	20	0,131·10^-6
Цинк	20	0,061·10^-6
Цирконий	20	0,45·10^-6
Чугун	20	0,65·10^-6
Пластмассы
Гетинакс	20	10⁹–10¹²
Капрон	20	10¹⁰–10¹¹
Лавсан	20	10¹⁴–10¹⁶
Органическое стекло	20	10¹¹–10¹³
Пенопласт	20	10¹¹
Поливинилхлорид	20	10¹⁰–10¹²
Полистирол	20	10¹³–10¹⁵
Полиэтилен	20	10¹⁵
Стеклотекстолит	20	10¹¹–10¹²
Текстолит	20	10⁷–10¹⁰
Целлулоид	20	10⁹
Эбонит	20	10¹²–10¹⁴
Резины
Резина	20	10¹¹–10¹²
Жидкости
Масло трансформаторное	20	10¹⁰–10¹³
Газы
Воздух	0	10¹⁵–10¹⁸
Дерево
Древесина сухая	20	10⁹–10¹⁰
Минералы
Кварц	230	10⁹
Слюда	20	10¹¹–10¹⁵
Различные материалы
Стекло	20	10⁹–10¹³

Литература

Альфа и омега. Краткий справочник / Таллин: Принтэст, 1991 – 448 с.
Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.
Справочник по сварке цветных металлов / С.М. Гуревич. Киев.: Наукова думка. 1990. 512 с.

Удельное сопротивление — что это? Отвечаем на вопрос.

Когда говорят, что медь является более тяжелым металлом, чем алюминий, то сравнивают их плотности. Аналогичным образом, когда говорят, что медь является лучшим проводником, чем алюминий, сравнивают их удельное сопротивление (ρ), значение которых не зависит от размера или формы конкретного образца — только от самого материала.

Теоретическое обоснование

Резистентность является мерой сопротивления электрической проводимости для заданного размера материала. Ее противоположность — электрическая проводимость. Металлы — хорошие электрические проводники (высокая проводимость и низкое значение ρ), в то время как неметаллы в основном являются плохими проводниками (низкая проводимость и высокое значение ρ).

Более знакомое термическое электрическое сопротивление измеряет, насколько трудно материалу проводить электричество. Это зависит от размера детали: сопротивление выше для более длинного или более узкого участка материала. Чтобы устранить эффект размера от сопротивления, используется удельное сопротивление провода — это материальное свойство, которое не зависит от размера. Для большинства материалов сопротивление увеличивается с температурой. Исключением являются полупроводники (например, кремний), в которых оно уменьшается с температурой.

Легкость, с которой материал проводит тепло, измеряется теплопроводностью. В качестве первой оценки хорошие электрические проводники также являются хорошими тепловыми проводниками. Сопротивление обозначается символом r, а его единица измерения — омметр. Сопротивление чистой меди составляет 1,7 × 10 -8 Ом. Это очень небольшое число — 0,000 000 017 Ом говорит о том, что кубический метр меди практически не оказывает сопротивление. Чем меньше удельное сопротивление (омметр или Ωm), тем лучше материал используется в электропроводке. -3

Серебро

1,59 × 10 ^-8

6,30 × 10 ⁷

3,8

Медь

1,68 × 10 ^-8

5,96 × 10 ⁷

3,9

Золото

2,44 × 10 ^-8

4,10 × 10 ⁷

3,4

Алюминий

2,82 × 10 ^-8

3,5 × 10 ⁷

3,9

Вольфрам

5,60 × 10 ^-8

1,79 × 10 ⁷

4.5

Цинк

5,90 × 10 ^-8

1,69 × 10 ⁷

3,7

Никель

6,99 × 10 ^-8

1,43 × 10 ⁷

Литий

9,28 × 10 ^-8

1. 08 × 10 ⁷

Железо

1,0 × 10 ^-7

1,00 × 10 ⁷

Платиновый

1,06 × 10 ^-7

9,43 × 10 ⁶

3,9

Свинец

2,2 × 10 ^-7

4,55 × 10 ⁶

3,9

Константан

4,9 × 10 ^-7

2.04 × 10 ⁶

0,008

Меркурий

9,8 × 10 ^-7

1,02 × 10 ⁶

0.9

Нихром

1.10 × 10 ^-6

9,09 × 10 ⁵

0,4

Углерод (аморфный)

5 × 10 ^-4 до 8 × 10 ^-4

1,25-2 × 10 ³

-0,5

Расчет удельного сопротивления

Для любой заданной температуры мы можем вычислить электрическое сопротивление объекта в омах, используя следующую формулу.

В этой формуле:

R — сопротивление объекта, в омах;
ρ – сопротивление (удельное) материала, из которого изготовлен объект;
L — длина объекта в метрах;
A—площадь поперечного сечения объекта, в квадратных метрах.

Удельное сопротивление равно определенному количеству омметров. Несмотря на то, что единица ρ в системе СИ, как правило, омметр, иногда применяют размерность ом на сантиметр.

Сопротивление материала определяется по величине электрического поля по нему, что дает определенную плотность тока.

ρ = E/ J, где:

ρ — в омметр;
E — величина электрического поля в вольтах на метр;
J — величина плотности тока в амперах на квадратный метр.

Как определить удельное сопротивление? Многие резисторы и проводники имеют равномерное поперечное сечение с равномерным потоком электрического тока. Поэтому существует более конкретное, но более широко используемое уравнение.

ρ = R*А/ J, где:

R — сопротивление однородного образца материала, измеренного в омах;
l — длина части материала, измеренная в метрах, м;
A — площадь поперечного сечения образца, измеренная в квадратных метрах, м².

Основы резистивности материалов

Электросопротивление материала также известно как удельное электрическое сопротивление. Это показатель того, насколько сильно материал противостоит потоку электрического тока. Определить его можно через деление сопротивления на единицу длины и на единицу площади поперечного сечения, для конкретного материала при заданной температуре.

Это означает, что низкое ρ указывает на материал, который легко позволяет перемещать электроны. И наоборот, материал с высоким ρ будет иметь высокое сопротивление и препятствовать потоку электронов. Элементы, такие как медь и алюминий, известны своим низким уровнем ρ. Серебро и, в частности, золото имеют очень низкое значение ρ, но по очевидным причинам их использование ограничено.

Область резистивности

Материалы помещаются в разные категории в зависимости от их показателя ρ. Краткое изложение приведено в таблице ниже.

Уровень проводимости полупроводников зависит от уровня легирования. -8

Полупроводники

Переменная

Сверхпроводники

Температурный коэффициент сопротивления

В большинстве случаев сопротивление увеличивается с температурой. В результате возникает необходимость в понимании температурной зависимости сопротивления. Причина температурного коэффициента сопротивления в проводнике может быть обоснована интуитивно. Сопротивление материала имеет зависимость от ряда явлений. Одним из них является число столкновений, которые происходят между носителями заряда и атомами в материале. Удельное сопротивление проводника с ростом температуры будет расти, так как увеличивается число столкновений.

Это может быть не всегда, и вызвано тем, что с повышением температуры высвобождаются дополнительные носители заряда, что приведет к снижению удельного сопротивления материалов. Данный эффект часто наблюдается в полупроводниковых материалах.

При рассмотрении температурной зависимости сопротивления обычно считается, что температурный коэффициент сопротивления следует линейному закону. Это касается температуры в помещении и для металлов и многих других материалов. Однако было обнаружено, что эффекты сопротивления, возникающие в результате числа столкновений, не всегда постоянны, особенно при очень низких температурах (явление сверхпроводимости).

График температуры сопротивления

Сопротивление проводника при любой заданной температуре можно рассчитать по значению температуры и ее температурному коэффициенту сопротивления.

R= Rref*(1+ α (T- Tref)), где:

R — сопротивление;
Rref — сопротивление при эталонной температуре;
α- температурный коэффициент сопротивления материала;
Tref -эталонная температура, для которой указан температурный коэффициент.

Температурный коэффициент сопротивления, обычно стандартизованный относительно температуры 20 °C. Соответственно, уравнение, обычно используемое в практическом смысле:

R= R20*(1+ α20 (T- T20)), где:

R20 = сопротивление при 20 °C;
α20 — температурный коэффициент сопротивления при 20 °C;
T20- температура равная 20 °C.

Сопротивление материалов при комнатной температуре

Таблица сопротивлений, приведенная ниже, содержит многие из веществ, широко используемых в электротехнике, включая медь, алюминий, золото и серебро. Эти свойства особенно важны потому, что определяют, может ли вещество использоваться при изготовлении широкого спектра электрических и электронных компонентов от проводов до более сложных устройств, таких как резисторы, потенциометры и многие другие.

Таблица резистивности различных материалов при температуре наружного воздуха 20 ° C
Материалы	Сопротивление ОМ при температуре 20 ° C
Алюминий	2,8 x 10 ^-8
Сурьма	3,9 × 10 ^-7
Висмут	1,3 х 10 ^-6
Латунь	~ 0,6 — 0,9 × 10 ^-7
Кадмий	6 x 10 ^-8
Кобальт	5,6 × 10 ^-8
Медь	1,7 × 10 ^-8
Золото	2,4 х 10 ^-8
Углерод (графит)	1 x 10 ^-5
Германий	4. 6 x 10 ^-1
Железо	1.0 x 10 ^-7
Свинец	1,9 × 10 ^-7
Нихром	1,1 × 10 ^-6
Никель	7 x 10 ^-8
Палладий	1.0 x 10 ^-7
Платиновый	0,98 × 10 ^-7
Кварцевый	7 x 10 ¹⁷
Кремний	6,4 × 10 ²
Серебряный	1,6 × 10 ^-8
Тантал	1,3 х 10 ^-7
Вольфрам	4,9 х 10 ^-8
Цинк	5,5 x 10 ^-8

Сравнение проводимости меди и алюминия

Проводники состоят из материалов, которые проводят электрический ток. Немагнитные металлы обычно считаются идеальными проводниками электричества. В проводной и кабельной промышленности используются различные металлические проводники, но наиболее распространенными являются медь и алюминий. Проводники имеют разные свойства, такие как проводимость, прочность на растяжение, вес и воздействие на окружающую среду.

Удельное сопротивление проводника из меди гораздо чаще используется в производстве кабелей, чем алюминия. Почти все электронные кабели изготовлены из меди, как и другие устройства и оборудование, которые используют высокую проводимость меди. Медные проводники также широко используются в системах распределения и производства электроэнергии, автомобилестроения. Для экономии веса и затрат электропередающие предприятия используют алюминий в воздушных линиях электропередач.

Алюминий используется в отраслях, где важна его легковесность, таких как самолетостроение, в будущем ожидается увеличение применения его в автомобилестроении. Для более мощных кабелей применяют алюминиевую проволоку с медным покрытием, чтобы использовать удельное сопротивление меди, получая значительную экономию веса конструкции от легковесного алюминия.

Медные проводники

Медь — один из древнейших известных материалов. Ее пластичность и электропроводность были использованы ранними экспериментаторами с электричеством, такими, как Бен Франклин и Майкл Фарадей. Низкое ρ материалов меди привело к тому, что она были принята в качестве основных проводников, используемым в изобретениях, таких как телеграф, телефон и электродвигатель. Медь является наиболее распространенным проводящим металлом. В 1913 году был принят международный стандарт по прокаливанию меди (МАКО) для сравнения проводимости других металлов с медью.

Согласно этому стандарту, коммерчески чистая отожженная медь обладает проводимостью 100% IACS. Удельное сопротивление материалов сравнивают с эталоном. Коммерчески чистая медь, производимая сегодня, может иметь более высокие значения проводимости IACS, поскольку технология обработки со временем значительно шагнула вперед. В дополнение к превосходной проводимости меди, металл обладает высокой прочностью на растяжение, теплопроводностью и тепловым расширением. Отожженная медная проволока, используемая для электрических целей, соответствует всем требованиям стандарта.

Алюминиевые проводники

Несмотря на то, что медь имеет долгую историю в качестве материала для производства электроэнергии, алюминий обладает определенными преимуществами, которые делают его привлекательным для конкретного применения, а его удельное сопротивление тока позволяет расширить область его использования многократно. Алюминий имеет 61% проводимости меди и только 30% веса меди. Это означает, что провод из алюминия весит в два раза меньше, чем провод из меди, с таким же электрическим сопротивлением.

Алюминий, как правило, дешевле по сравнению с медной жилой. Алюминиевые проводники состоят из различных сплавов, имеют минимальное содержание алюминия 99,5%. В 1960-х и 1970-х годах из-за высокой цены на медь, этот класс алюминия стал широко использоваться для бытовой электропроводки.

Из-за низкого качества изготовления при соединениях и физических различий между алюминием и медью устройства и провода, изготовленные на базе их соединений, в местах контактов медь-алюминий стали пожароопасными. Для противодействия негативному процессу были разработаны алюминиевые сплавы, обладающие свойствами ползучести и удлинения, более похожими на медь. Эти сплавы применяются для изготовления многожильных алюминиевых проводов, удельное сопротивление тока которых приемлемо для массового использования, отвечающих требованиям безопасности для электрических сетей.

Если алюминий используется в местах, где ранее использовалась медь, чтобы сохранить равные показатели сети, приходится использовать алюминиевый провод в два раза превышающий размер медного провода.

Применение электропроводности материалов

Многие из материалов, найденных в таблице удельного сопротивления, широко используются в электронике. Алюминий и особенно медь используются из-за их низкого уровня сопротивления. Большинство проводов и кабелей, используемых в наши дни для соединений в электросетях, изготавливаются из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень ρ, и имеют доступную цену. Хорошая проводимость золота, несмотря на цену, также используется в некоторых особо точных приборах.

Часто покрытие золотом встречается на высококачественных низковольтных соединениях, где стоит задача обеспечить наименьшее контактное сопротивление. Серебро не так широко используется в промышленной электротехнике, так как оно быстро окисляется, и это приводит к большому контактному сопротивлению. В некоторых случаях оксид может выступать в качестве выпрямителя. Сопротивление тантала используют в конденсаторах, никель и палладий — в концевых соединениях для многих компонентов поверхностного монтажа. Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кристаллы кварца используются в качестве частотных элементах во многих генераторах, где его высокое значение позволяет создавать надежные частотные контуры.

Основные физические понятия

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток.

Единица измерения удельного сопротивления в СИ — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10^-6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1*10⁶ Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв.мм.

Величина удельного сопротивления обозначается символом ρ (ро). Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Временное сопротивление или предел прочности — механическое напряжение σ_0(в), выше которого происходит разрушение материала. Поскольку при оценке прочности время нагружения образцов часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения, то его также называют условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности. Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Предел текучести — механическое напряжение σ_т, дальше которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения).

Предел текучести соответствует площадке текучести диаграммы деформирования материала. В случае, если такая площадка отсутствует, вместо σ_т используется напряжение σ_0,2 (читается: сигма ноль-два), которое соответствует напряжению, при котором остаточные деформации конструкции (пластические деформации) составляют 0,2 % от длины испытываемого образца. Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Относительное удлинение — отношение абсолютного удлинения или уменьшения, т. е. приращения длины линейного элемента или образца или части их при растяжении, к их первоначальной длине. Измеряют в долях (в процентах).

Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела, а также свойство более твёрдого тела проникать в другие материалы. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная — твёрдость одного минерала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная — измеряется методами вдавливания. Твердость определяют различными методами: по Виккерсу, по Бринеллю, по Роквеллу и т.д. Более подробную информацию Вы сможете получить по этой ссылке в Википедии.

Удельное электрическое сопротивление меди. Удельное электрическое сопротивление и проводимость

Удельное электрическое сопротивление является физической величиной, которая показывает, в какой степени материал может сопротивляться прохождению через него электрического тока. Некоторые люди могут перепутать данную характеристику с обыкновенным электрическим сопротивлением. Несмотря на схожесть понятий, разница между ними заключается в том, что удельное касается веществ, а второй термин относится исключительно к проводникам и зависит от материала их изготовления.

Обратной величиной данного материала является удельная электрическая проводимость. Чем выше этот параметр, тем лучше проходит ток по веществу. Соответственно, чем выше сопротивление, тем больше потерь предвидится на выходе.

Формула расчета и величина измерения

Рассматривая, в чем измеряется удельное электрическое сопротивление, также можно проследить связь с не удельным, так как для обозначения параметра используются единицы Ом·м. Сама величина обозначается как ρ. С таким значением можно определять сопротивление вещества в конкретном случае, исходя из его размеров. Эта единица измерения соответствует системе СИ, но могут встречаться и другие варианты. В технике периодически можно увидеть устаревшее обозначение Ом·мм 2 /м. Для перевода из этой системы в международного не потребуется использовать сложные формулы, так как 1 Ом·мм 2 /м равняется 10 -6 Ом·м.

Формула удельного электрического сопротивления выглядит следующим образом:

R= (ρ·l)/S, где:

R – сопротивление проводника;
Ρ – удельное сопротивление материал;
l – длина проводника;
S – сечение проводника.

Зависимость от температуры

Удельное электрическое сопротивление зависит от температуры. Но все группы веществ проявляют себя по-разному при ее изменении. Это необходимо учитывать при расчете проводов, которые будут работать в определенных условиях. К примеру, на улице, где значения температуры зависят от времени года, необходимые материалы с меньшей подверженностью изменениям в диапазоне от -30 до +30 градусов Цельсия. Если же планируется применение в технике, которая будет работать в одних и тех же условиях, то здесь также нужно оптимизировать проводку под конкретные параметры. Материал всегда подбирается с учетом эксплуатации.

В номинальной таблице удельное электрическое сопротивление берется при температуре 0 градусов Цельсия. Повышение показателей данного параметра при нагреве материала обусловлено тем, что интенсивность передвижения атомов в веществе начинает возрастать. Носители электрических зарядов хаотично рассеиваются во всех направлениях, что приводит к созданию препятствий при передвижении частиц. Величина электрического потока снижается.

При уменьшении температуры условия прохождения тока становятся лучше. При достижении определенной температуры, которая для каждого металла будет отличаться, появляется сверхпроводимость, при которой рассматриваемая характеристика почти достигает нуля.

Отличия в параметрах порой достигают очень больших значений. Те материалы, которые обладают высокими показателями, могут использовать в качестве изоляторов. Они помогают защищать проводку от замыкания и ненамеренного контакта с человеком. Некоторые вещества вообще не применимы для электротехники, если у них высокое значение этого параметра. Этому могут мешать другие свойства. Например, удельная электрическая проводимость воды не будет иметь большого значения для данный сферы. Здесь приведены значения некоторых веществ с высокими показателями.

Материалы с высоким удельным сопротивлением	ρ (Ом·м)
Бакелит	10 16
Бензол	10 15 …10 16
Бумага	10 15
Вода дистиллированная	10 4
Вода морская	0.3
Дерево сухое	10 12
Земля влажная	10 2
Кварцевое стекло	10 16
Керосин	10 1 1
Мрамор	10 8
Парафин	10 1 5
Парафиновое масло	10 14
Плексиглас	10 13
Полистирол	10 16
Полихлорвинил	10 13
Полиэтилен	10 12
Силиконовое масло	10 13
Слюда	10 14
Стекло	10 11
Трансформаторное масло	10 10
Фарфор	10 14
Шифер	10 14
Эбонит	10 16
Янтарь	10 18

Более активно в электротехнике применяются вещества с низкими показателями. Зачастую это металлы, которые служат проводниками. В них также наблюдается много различий. Чтобы узнать удельное электрическое сопротивление меди или других материалов, стоит посмотреть в справочную таблицу.

Материалы с низким удельным сопротивлением	ρ (Ом·м)
Алюминий	2.7·10 -8
Вольфрам	5.5·10 -8
Графит	8.0·10 -6
Железо	1.0·10 -7
Золото	2.2·10 -8
Иридий	4.74·10 -8
Константан	5.0·10 -7
Литая сталь	1.3·10 -7
Магний	4.4·10 -8
Манганин	4.3·10 -7
Медь	1.72·10 -8
Молибден	5.4·10 -8
Нейзильбер	3.3·10 -7
Никель	8.7·10 -8
Нихром	1. 12·10 -6
Олово	1.2·10 -7
Платина	1.07·10 -7
Ртуть	9.6·10 -7
Свинец	2.08·10 -7
Серебро	1.6·10 -8
Серый чугун	1.0·10 -6
Угольные щетки	4.0·10 -5
Цинк	5.9·10 -8
Никелин	0,4·10 -6

Удельное объемное электрическое сопротивление

Данный параметр характеризует возможность пропускать ток через объем вещества. Для измерения необходимо приложить потенциал напряжения с разных сторон материала, изделие из которого будет включено в электрическую цепь. На него подается ток с номинальными параметрами. После прохождения измеряются данные на выходе.

Использование в электротехнике

Изменение параметра при разных температурах широко применяется в электротехнике. Наиболее простым примером является лампа накаливания, где используется нихромовая нить. При нагревании она начинает светиться. При прохождении через нее тока она начинает нагреваться. С ростом нагрева возрастает и сопротивление. Соответственно, ограничивается первоначальный ток, который нужен был для получения освещения. Нихромовая спираль, используя тот же принцип, может стать регулятором на различных аппаратах.

Широкое применение коснулось и благородных металлов, которые обладают подходящими характеристиками для электротехники. Для ответственных схем, которым требуется быстродействие, подбираются серебряные контакты. Они обладают высокой стоимостью, но с учетом относительно небольшого количества материалов их применение вполне оправданно. Медь уступает серебру по проводимости, но обладает более доступной ценой, благодаря чему ее чаще используют для создания проводов.

В условиях, где можно использовать предельно низкие температуры, применяются сверхпроводники. Для комнатной температуры и уличной эксплуатации они не всегда уместны, так как при повышении температуры их проводимость начнет падать, поэтому для таких условий лидерами остаются алюминий, медь и серебро.

На практике учитывается много параметров и этот является одним из наиболее важных. Все расчеты проводятся еще на стадии проектирования, для чего и используются справочные материалы.

Большинство законов физики основано на экспериментах. Имена экспериментаторов увековечены в названиях этих законов. Одним из них был Георг Ом.

Опыты Георга Ома

Он установил в ходе экспериментов по взаимодействию электричества с различными веществами, в том числе металлами фундаментальную взаимосвязь плотности , напряжённости электрического поля и свойства вещества, которое получило название «удельная проводимость». Формула, соответствующая этой закономерности, названная как «Закон Ома» выглядит следующим образом:

j=

λE

, в которой

j —

плотность электрического тока;
λ —

удельная проводимость, именуемая также как «электропроводность»;
E –

напряжённость электрического поля.

В некоторых случаях для обозначения удельной проводимости используется другая буква греческого алфавита — σ

. Удельная проводимость зависит от некоторых параметров вещества. На её величину оказывают влияние температура, вещества, давление, если это газ, и самое главное структура этого вещества. Закон Ома соблюдается только для однородных веществ.

Для более удобных расчётов используется величина обратная удельной проводимости. Она получила название «удельное сопротивление», что так же связано со свойствами вещества, в котором течёт электрический ток, обозначается греческой буквой ρ

и имеет размерность Ом*м. Но поскольку для различных физических явлений применяются разные теоретические обоснования, для удельного сопротивления могут быть использованы альтернативные формулы. Они являются отображением классической электронной теории металлов, а также квантовой теории.

Формулы

В этих утомительных, для простых читателей, формулах появляются такие множители, как постоянная Больцмана, постоянная Авогадро и постоянная Планка. Эти постоянные применяются для расчетов, которые учитывают свободный пробег электронов в проводнике, их скорость при тепловом движении, степень ионизации, концентрацию и плотность вещества. Словом, всё довольно сложно для не специалиста. Чтобы не быть голословным далее можно ознакомиться с тем, как всё выглядит на самом деле:

Особенности металлов

Поскольку движение электронов зависит от однородности вещества, ток в металлическом проводнике течёт соответственно его структуре, которая влияет на распределение электронов в проводнике с учётом его неоднородности. Она определяется не только присутствием включений примесей, но и физическими дефектами – трещинами, пустотами и т.п. Неоднородность проводника увеличивает его удельное сопротивление, которое определяется правилом Маттисена.

Это несложное для понимания правило, по сути, говорит о том, что в проводнике с током можно выделить несколько отдельных удельных сопротивлений. А результирующим значением будет их сумма. Слагаемыми будут удельное сопротивления кристаллической решётки металла, примесей и дефектов проводника. Поскольку этот параметр зависит от природы вещества, для вычисления его определены соответствующие закономерности, в том числе и для смешанных веществ.

Несмотря на то, что сплавы это тоже металлы, они рассматриваются как растворы с хаотической структурой, причём для вычисления удельного сопротивления имеет значение, какие именно металлы входят в состав сплава. В основном большинство сплавов из двух компонентов, которые не принадлежат к переходным, а также к редкоземельным металлам попадают под описание законом Нодгейма.

Как отдельная тема рассматривается удельное сопротивление металлических тонких плёнок. То, что его величина должна быть больше чем у объёмного проводника из такого же металла вполне логично предположить. Но при этом для плёнки вводится специальная эмпирическая формула Фукса, которая описывает взаимозависимость удельного сопротивления и толщины плёнки. Оказывается, в плёнках металлы проявляют свойства полупроводников.

А на процесс переноса зарядов оказывают влияние электроны, которые перемещаются в направлении толщины плёнки и мешают перемещению «продольных» зарядов. При этом они отражаются от поверхности плёночного проводника, и таким образом один электрон достаточно долго совершает колебания между его двумя поверхностями. Другим существенным фактором увеличения удельного сопротивления является температура проводника. Чем выше температура – тем сопротивление больше. И наоборот, чем ниже температура, тем сопротивление меньше.

Металлы являются веществами с наименьшим удельным сопротивлением при так называемой «комнатной» температуре. Единственным неметаллом, который оправдывает своё применение как проводник, является углерод. Графит, являющийся одной из его разновидностей, широко используется для изготовления скользящих контактов. Он имеет очень удачное сочетание таких свойств как удельное сопротивление и коэффициент трения скольжения. Поэтому графит является незаменимым материалом для щёток электродвигателей и других скользящих контактов. Величины удельных сопротивлений основных веществ, используемых для промышленных целей, приведены в таблице далее.

Сверхпроводимость

При температурах соответствующих сжижению газов, то есть вплоть до температуры жидкого гелия, которая равна – 273 градуса по Цельсию удельное сопротивление уменьшается почти до полного исчезновения. И не только у хороших металлических проводников, таких как серебро, медь и алюминий. Практически у всех металлов. При таких условиях, которые называются сверхпроводимостью, структура металла не имеет тормозящего влияния на движение зарядов под действием электрического поля. Поэтому ртуть и большинство металлов становятся сверхпроводниками.

Но, как выяснилось, относительно недавно в 80-х годах 20-го века, некоторые разновидности керамики тоже способны к сверхпроводимости. Причём для этого не надо использовать жидкий гелий. Такие материалы назвали высокотемпературными сверхпроводниками. Однако уже прошло несколько десятков лет, и ассортимент высокотемпературных проводников существенно расширился. Но массового использования таких высокотемпературных сверхпроводящих элементов не наблюдается. В некоторых странах сделаны единичные инсталляции с заменой обычных медных проводников на высокотемпературные сверхпроводники. Для поддержания нормального режима высокотемпературной сверхпроводимости необходим жидкий азот. А это получается слишком дорогим техническим решением.

Поэтому, малое значение удельного сопротивления, дарованное Природой меди и алюминию, по-прежнему делает их незаменимыми материалами для изготовления разнообразных проводников электрического тока.

Удельное сопротивление
металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:

где:
ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),
Е — напряженность электрического поля (В/м),
J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих , выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный , изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

Где:
R — сопротивление провода (Ом)
ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)
L — длина провода (м)
А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

R=1,1*10 -6 *(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Поверхностное сопротивление

Величина поверхностного сопротивления рассчитывается таким же образом, как и сопротивление провода. В данном случае площадь сечения можно представить в виде произведения w и t:

Для некоторых материалов, таких как тонкие пленки, соотношение между удельным сопротивлением и толщиной пленки называется поверхностное сопротивление слоя RS:

где RS измеряется в омах. При данном расчете толщина пленки должна быть постоянной.

Часто производители резисторов для увеличения сопротивления вырезают в пленке дорожки, чтобы увеличить путь для электрического тока.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическое сопротивление

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r
, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рисунке 1, а
.

Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом
. На схемах реостаты обозначаются как показано на рисунке 1, б
. В общем виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r
= 15 Ω.
1 000 Ом называется 1 килоом
(1кОм, или 1кΩ),
1 000 000 Ом называется 1 мегаом
(1мгОм, или 1МΩ).

При сравнении сопротивления проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.

Видео 1. Сопротивление проводников

Удельное электрическое сопротивление

Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением
и обозначается греческой буквой ρ
(ро).

В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

Таблица 1

Удельные сопротивления различных проводников

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r
– сопротивление проводника в омах; ρ
– удельное сопротивление проводника; l
– длина проводника в м; S
– сечение проводника в мм².

Пример 1.
Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².

Пример 2.
Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3.
Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4.
Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5.
Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления
и обозначается буквой α.

Если при температуре t
0 сопротивление проводника равно r
0 , а при температуре t
равно r t
, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание.
Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Таблица 2

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r t
:

r t
= r
0 .

Пример 6.
Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

r t
= r
0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

Пример 7.
Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Электрическая проводимость

До сих пор мы рассматривали сопротивление проводника как препятствие, которое оказывает проводник электрическому току. Но все же ток по проводнику проходит. Следовательно, кроме сопротивления (препятствия), проводник обладает также способностью проводить электрический ток, то есть проводимостью.

Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем большей проводимостью он обладает, тем легче току пройти по проводнику. Поэтому сопротивление и проводимость проводника есть величины обратные.

Из математики известно, что число, обратное 5, есть 1/5 и, наоборот, число, обратное 1/7, есть 7. Следовательно, если сопротивление проводника обозначается буквой r
, то проводимость определяется как 1/r
. Обычно проводимость обозначается буквой g.

Электрическая проводимость измеряется в (1/Ом) или в сименсах.

Пример 8.
Сопротивление проводника равно 20 Ом. Определить его проводимость.

Если r
= 20 Ом, то

Пример 9.
Проводимость проводника равна 0,1 (1/Ом). Определить его сопротивление,

Если g = 0,1 (1/Ом), то r
= 1 / 0,1 = 10 (Ом)

Содержание:

Удельным сопротивлением металлов считается их способность к противодействию электрическому току, проходящему через них. Единицей измерения данной величины служит Ом*м (Ом-метр). В качестве символа используется греческая буква ρ (ро). Высокие показатели удельного сопротивления означают плохую проводимость электрического заряда тем или иным материалом.

Технические характеристики стали

Прежде чем подробно рассматривать удельное сопротивление стали, следует ознакомиться с ее основными физико-механическими свойствами. Благодаря своим качествам, этот материал получил широкое распространение в производственной сфере и других областях жизни и деятельности людей.

Сталь представляет собой сплав железа и углерода, содержащегося в количестве, не превышающем 1,7%. Кроме углерода, сталь содержит определенное количество примесей — кремния, марганца, серы и фосфора. По своим качествам она значительно лучше чугуна, легко поддается закаливанию, ковке, прокату и другим видам обработки. Все виды сталей отличаются высокой прочностью и пластичностью.

По своему назначению сталь подразделяется на конструкционную, инструментальную, а также с особыми физическими свойствами. В каждой из них содержится различное количество углерода, благодаря которому материал приобретает те или иные специфические качества, например, жаропрочность, жаростойкость, устойчивость к действию ржавчины и коррозии.

Особое место занимают электротехнические стали, выпускаемые в листовом формате и применяющиеся в производстве электротехнических изделий. Для получения этого материала производится легирование кремнием, способным улучшить его магнитные и электрические свойства.

Для того чтобы электротехническая сталь приобрела необходимые характеристики, необходимо соблюдение определенных требований и условий. Материал должен легко намагничиваться и перемагничиваться, то есть, обладать высокой магнитной проницаемостью. Такие стали имеют хорошую , а их перемагничивание осуществляется с минимальными потерями.

От соблюдения этих требований зависят габариты и масса магнитных сердечников и обмоток, а также коэффициент полезного действия трансформаторов и величина их рабочей температуры. На выполнение условий оказывают влияние многие факторы, в том числе и удельное сопротивление стали.

Удельное сопротивление и другие показатели

Величина удельного электрического сопротивления представляет собой отношение напряженности электрического поля в металле и плотности тока, протекающего в нем. Для практических расчетов используется формула: в которой ρ
является удельным сопротивлением металла (Ом*м), Е
— напряженностью электрического поля (В/м), а J
— плотностью электротока в металле (А/м 2). При очень большой напряженности электрического поля и низкой плотности тока, удельное сопротивление металла будет высоким.

Существует еще одна величина, называемая удельной электропроводностью, обратная удельному сопротивлению, указывающая на степень проводимости электрического тока тем или иным материалом. Она определяется по формуле и выражается в единицах См/м — сименс на метр.

Удельное сопротивление тесно связано с электрическим сопротивлением. Однако они имеют различия между собой. В первом случае — это свойство материала, в том числе и стали, а во втором случае определяется свойство всего объекта. На качество резистора влияет сочетание нескольких факторов, прежде всего, формы и удельного сопротивления материала, из которого он изготовлен. Например, если для изготовления проволочного резистора использовалась тонкая и длинная проволока, то его сопротивление будет больше, чем у резистора, изготовленного из толстой и короткой проволоки одинакового металла.

В качестве другого примера можно привести резисторы из проволоки с одинаковым диаметром и длиной. Однако, если в одном из них материал имеет высокое удельное сопротивление, а в другом низкое, то соответственно в первом резисторе электрическое сопротивление будет выше, чем во втором.

Зная основные свойства материала, можно использовать удельное сопротивление стали для определения величины сопротивления стального проводника. Для вычислений, кроме удельного электрического сопротивления потребуется диаметр и длина самого провода. Расчеты выполняются по следующей формуле: , в которой R
является (Ом), ρ
— удельным сопротивлением стали (Ом*м), L
— соответствует длине провода, А
— площади его поперечного сечения.

Существует зависимость удельного сопротивления стали и других металлов от температуры. В большинстве расчетов используется комнатная температура — 20 0 С. Все изменения под влиянием этого фактора учитываются с помощью температурного коэффициента.

Закон Ома, сопротивление проводников

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Немецкий физик Г. Ом (1787;—1854) экспериментально установил, что
сила тока I, текущего по однородному
металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние
силы), пропорциональна напряжению U на концах
проводника:

(98.1)

где R — электрическое
сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка
цепи (не содержащего источника тока): сала тока в проводнике прямо
пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению
проводника. Формула (98.1) позволяет установить единицу сопротивления — ом
(Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет
постоянный ток 1 А. Величина

называется электрической проводимостью проводника. Единица
проводимости — сименс (См): 1 См — проводимость участка электрической
цепи сопротивлением 1 Ом.

Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также
от материала, из которого проводник изготовлен. Для однородного линейного
проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине
l и обратно пропорционально площади его
поперечного сечения S:

(98.2)

где r — коэффициент
пропорциональности, характеризующий материал проводника и называемый удельным
электрическим сопротивлением. Единица удельного электрического сопротивления
— ом×метр (Ом×м).
Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро (1,6×10^–8
Ом×м) и медь (1,7×10^–8
Ом×м). На практике наряду с медными
применяются алюминиевые провода. Хотя алюминий и имеет большее, чем медь,
удельное сопротивление (2,6×10^–8
Ом×м), но зато обладает меньшей
плотностью по сравнению с медью.

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив
выражение для сопротивления (98.2) в закон Ома (98.1), получим

(98.3)

где величина, обратная удельному сопротивлению,

называется удельной электрической проводимостью вещества
проводника. Ее единица — сименс на метр (См/м). Учитывая, что
U/l = Е —
напряженность электрического поля в проводнике, I/S
= j — плотность тока, формулу (98.3) можно
записать в виде

(98.4)

Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке
движутся в направлении вектора Е, то направления j
и Е совпадают. Поэтому формулу (98.4) можно записать в виде

(98.5)

Выражение (98.5) — закон Ома в дифференциальном форме,
связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью
электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для
переменных полей.

Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного
сопротивления, а значит и сопротивления, с температурой описывается линейным
законом:

где r и
r₀,
R и R₀
— соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при
t и 0°С, a
— температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов (при не
очень низких температурах) близкий к 1/273 К^–1. Следовательно,
температурная зависимость сопротивления может быть представлена в виде

где Т — термодинамическая температура.

Качественный ход температурной зависимости сопротивления металла
представлен на рис. 147 (кривая 1). Впоследствии было обнаружено, что
сопротивление многих металлов (например, Al,
Pb, Zn и др.) и их сплавов
при очень низких температурах T_K
(0,14—20 К), называемых критическими, характерных для каждого вещества,
скачкообразно уменьшается до нуля (кривая 2), т. е. металл становится
абсолютным проводником. Впервые это явление, названное сверхпроводимостью,
обнаружено в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннесом для ртути. Явление сверхпроводимости
объясняется на основе квантовой теории. Практическое использование
сверхпроводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах
памяти ЭВМ и др.) затруднено из-за их низких критических температур. В настоящее
время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие
сверхпроводимостью при температуре выше 100 К.

На зависимости электрического сопротивления металлов от температуры
основано действие термометров сопротивления, которые позволяют по
градуированной взаимосвязи сопротивления от температуры измерять температуру с
точностью до 0,003 К. Термометры сопротивления, в которых в качестве рабочего
вещества используются полупроводники, изготовленные по специальной технологии,
называются термисторами. Они позволяют измерять температуры с точностью
до миллионных долей кельвин.

Наибольшее удельное сопротивление имеет. Расчет удельного сопротивления металлов, в частности, меди

Содержание:

Технические характеристики стали

Удельное сопротивление и другие показатели

Как нам известно из закона Ома, ток на участке цепи находится в следующей зависимости: I=U/R
. Закон был выведен в результате серии экспериментов немецким физиком Георгом Омом в XIX веке. Он заметил закономерность: сила тока на каком-либо участке цепи прямо зависит от напряжения, которое к этому участку приложено, и обратно — от его сопротивления.

Позже было установлено, что сопротивление участка зависит от его геометрических характеристик следующим образом: R=ρl/S
,

где l- длина проводника, S — площадь его поперечного сечения, а ρ — некий коэффициент пропорциональности.

Таким образом, сопротивление определяется геометрией проводника, а также таким параметром, как удельное сопротивление (далее — у. с.) — так назвали этот коэффициент. Если взять два проводника с одинаковым сечением и длиной и поставить их в цепь по очереди, то, измеряя силу тока и сопротивление, можно увидеть, что в двух случаях эти показатели будут разными. Таким образом, удельное электрическое сопротивление
— это характеристика материала, из которого сделан проводник, а если быть еще более точным, то вещества.

Проводимость и сопротивление

У.с. показывает способность вещества препятствовать прохождению тока. Но в физике есть и обратная величина — проводимость. Она показывает способность проводить электрический ток. Выглядит она так:

σ=1/ρ, где ρ — это и есть удельное сопротивление вещества.

Если говорить о проводимости, то она определяется характеристиками носителей зарядов в этом веществе. Так, в металлах есть свободные электроны. На внешней оболочке их не больше трех, и атому выгоднее их «отдать», что и происходит при химических реакциях
с веществами из правой части таблицы Менделеева. В ситуации же, когда мы располагаем чистым металлом, он имеет кристаллическую структуру, в которой эти наружные электроны общие. Они-то и переносят заряд, если приложить к металлу электрическое поле.

В растворах носителями заряда являются ионы.

Если говорить о таких веществах, как кремний, то по своим свойствам он является полупроводником
и работает несколько по иному принципу, но об этом позже. А пока разберемся, чем же отличаются такие классы веществ, как:

Проводники;
Полупроводники;
Диэлектрики.

Проводники и диэлектрики

Есть вещества, которые ток почти не проводят. Они называются диэлектриками. Такие вещества способны поляризоваться в электрическом поле, то есть их молекулы могут поворачиваться в этом поле в зависимости от того, как распределены в них электроны
. Но поскольку электроны эти не являются свободными, а служат для связи между атомами, ток они не проводят.

Проводимость диэлектриков почти нулевая, хотя идеальных среди них нет (это такая же абстракция, как абсолютно черное тело или идеальный газ).

Условной границей понятия «проводник» является ρ

Между этими двумя классами существуют вещества, называемые полупроводниками. Но выделение их в отдельную группу веществ связано не столько с их промежуточным состоянием в линейке «проводимость — сопротивление», сколько с особенностями этой проводимости в различных условиях.

Зависимость от факторов внешней среды

Проводимость — не совсем постоянная величина. Данные в таблицах, откуда берут ρ для расчетов, существуют для нормальных условий среды, то есть для температуры 20 градусов. В реальности для работы цепи сложно подобрать такие идеальные условия; фактически у.с. (а стало быть, и проводимость) зависят от следующих факторов:

температура;
давление;
наличие магнитных полей;
свет;
агрегатное состояние.

Разные вещества имеют свой график изменения этого параметра в разных условиях. Так, ферромагнетики (железо и никель) увеличивают его при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Что касается температуры, то зависимость здесь почти линейная (существует даже понятие температурного коэффициента сопротивления, и это тоже табличная величина). Но направление этой зависимости различно: у металлов оно повышается с повышением температуры, а у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается — и это в пределах одного агрегатного состояния.

У полупроводников зависимость от температуры не линейная, а гиперболическая и обратная: при повышении температуры их проводимость увеличивается. Это качественно отличает проводники от полупроводников. Вот так выглядит зависимость ρ от температуры у проводников:

Здесь представлены удельное сопротивление меди, платины и железа. Немного другой график у некоторых металлов, например, ртути — при понижении температуры до 4 К она теряет его почти полностью (такое явление называется сверхпроводимостью).

А для полупроводников эта зависимость будет примерно такая:

При переходе в жидкое состояние ρ металла увеличивается, а вот дальше все они ведут себя по-разному. Например, у расплавленного висмута оно ниже, чем при комнатной температуре, а у меди — в 10 раз выше нормального. Никель выходит из линейного графика еще при 400 градусах, после чего ρ падает.

Зато у вольфрама температурная зависимость настолько высока, что это становится причиной перегорания ламп накаливания. При включении ток нагревает спираль, и ее сопротивление увеличивается в несколько раз.

Также у. с. сплавов зависит от технологии их производства. Так, если мы имеем дело с простой механической смесью, то сопротивление такого вещества можно посчитать по среднему, а вот оно же у сплава замещения (это когда два и более элемента складываются в одну кристаллическую решетку) будет иным, как правило, куда большим. Например, нихром, из которого делают спирали для электроплиток, имеет такую цифру этого параметра, что этот проводник при включении в цепь греется до красноты (из-за чего, собственно, и используется).

Вот характеристика ρ углеродистых сталей:

Как видно, при приближении к температуре плавления оно стабилизируется.

Удельное сопротивление различных проводников

Как бы то ни было, а при расчетах используется ρ именно в нормальных условиях. Приведем таблицу, по которой можно сравнить эту характеристику у разных металлов:

Как видно из таблицы, лучший проводник — это серебро. И только его стоимость мешает массово применять его в производстве кабеля. У.с. алюминия тоже небольшое, но меньше, чем у золота. -7 Ом · м.

Разница между у. с. различных проводников определяет и их применение. Так, медь и алюминий массово применяются при производстве кабеля, а золото и серебро — в качестве контактов в ряде радиотехнических изделий. Высокоомные проводники нашли свое место среди производителей электроприборов (точнее, они и создавались для этого).

Изменчивость этого параметра в зависимости от условий внешней среды легла в основу таких приборов, как датчики магнитного поля, терморезисторы, тензодатчики, фоторезисторы.

14.04.2018

В качестве токопроводящих частей в электроустановках применяют проводники из меди, алюминия, их сплавов и железа (стали).

Медь
является одним из лучших токопроводящих материалов. Плотность меди при 20°С 8,95 г/см 3 , температура плавления 1083° С. Медь химически мало активна, но легко растворяется в азотной кислоте, а в разбавленной соляной и серной кислотах растворяется только в присутствии окислителей (кислорода). На воздухе медь быстро покрывается тонким слоем окиси темного цвета, но это окисление не проникает в глубь металла и служит защитой от дальнейшей коррозии. Медь хорошо поддается ковке и прокатке без нагрева.

Для изготовления применяется электролитическая медь
в слитках, содержащих 99,93% чистой меди.

Электропроводность меди
сильно зависит от количества и рода примесей и в меньшей степени от механической и термической обработки. при 20° С составляет 0,0172-0,018 ом х мм2/м.

Для изготовления проводников применяют мягкую, полутвердую или твердую медь с удельным весом соответственно 8,9, 8,95 и 8,96 г/см 3 .

Для изготовления деталей токоведущих частей широко используется медь в сплавах с другими металлами
. Наибольшее применение получили следующие сплавы.

Латуни
— сплав меди с цинком, с содержанием в сплаве не менее 50% меди, с присадкой других металлов. латуни 0,031 — 0,079 ом х мм2/м. Различают латунь — томпак
с содержанием меди более 72% (обладает высокой пластичностью, антикоррозионным и антифрикционными свойствами) и специальные латуни с присадкой алюминия, олова, свинца или марганца.

Контакт из латуни

Бронзы
— сплав меди с оловом с присадкой различных металлов. В зависимости от содержания в сплаве главного компонента бронзы называют оловянистыми, алюминиевыми, кремниевыми, фосфористыми, кадмиевыми.
Удельное сопротивление бронзы
0,021 — 0,052 ом х мм 2 /м.

Латуни и бронзы отличаются хорошими механическими и физико-химическими свойствами. Они легко обрабатываются литьем и давлением, устойчивы против атмосферной коррозии.

Алюминий
— по своим качествам второй после меди токопроводящий материал.
Температура плавления 659,8° С. Плотность алюминия при температуре 20° — 2,7 г/см 3 . Алюминий легко отливается и хорошо обрабатывается. При температуре 100 — 150° С алюминий ковок и пластичен (может быть прокатан в листы толщиной до 0,01 мм).

Электропроводность алюминия
сильно зависит от примесей и мало от механической и тепловой обработки. Чем чище состав алюминия, тем выше его электропроводность и лучше противодействие химическим воздействиям. Обработка, прокатка и отжиг значительно влияют на механическую прочность алюминия. При холодной обработке алюминия увеличивается его твердость, упругость и прочность на растяжение. Удельное сопротивление алюминия
при 20° С 0,026 — 0,029 ом х мм 2 /м.

При замене меди алюминием сечение проводника должно быть увеличено в отношении проводимостей, т. е. в 1,63 раза.

При равной проводимости алюминиевый проводник будет в 2 раза легче медного.

Для изготовления проводников применяют алюминий, содержащий не менее 98% чистого алюминия, кремния не более 0,3%, железа не более 0,2%

Для изготовления деталей токоведущих частей используют алюминиевые сплавы с другими металлами
, например: Дюралюмины
— сплав алюминия с медью и марганцем.

Силумин
— легкий литейный сплав из алюминия с примесью кремния, магния, марганца.

Алюминиевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами и высокой механической прочностью.

Наибольшее применение в электротехнике получили следующие алюминиевые сплавы
:

Алюминиевый деформируемый сплав марки АД, имеющий алюминия не менее 98,8 и прочих примесей до 1,2.

Алюминиевый деформируемый сплав марки АД1
, имеющий алюминия не менее 99,3 н прочих примесей до 0,7.

Алюминиевый деформируемый сплав марки АД31
, имеющий алюминия 97,35 — 98,15 и прочих примесей 1,85 -2,65.

Сплавы марок АД и АД1 применяются для изготовления корпусов и плашек аппаратных зажимов. Из сплава марки АД31 изготовляют профили и шины, применяемые для электрических токопроводов.

Изделия из алюминиевых сплавов в результате термической обработки приобретают высокие пределы прочности н текучести (ползучести).

Железо
— температура плавления 1539°С. Плотность железа — 7,87. Железо растворяется в кислотах, окисляется галогенами и кислородом.

В электротехнике применяют стали различных марок, например:

Углеродистые стали
— ковкие сплавы железа с углеродом и с другими металлургическими примесями.

Удельное сопротивление углеродистых сталей 0,103 — 0,204 ом х мм 2 /м.

Легированные стали
— сплавы с дополнительно вводимыми в углеродистую сталь присадками хрома, никеля и других элементов.

Стали обладают хорошими.

В качестве добавок в сплавы, а также для изготовления припоев и осуществления токопроводящих металлов широко применяют:

Кадмий
— ковкий металл. Температура плавления кадмия 321°С. Удельное сопротивление 0,1 ом х мм 2 /м. В электротехнике кадмий применяется для приготовления легкоплавких припоев и для защитных покрытий (кадмировання) поверхности металлов. По своим антикоррозийным свойствам кадмий близок к цинку, но кадмиевые покрытия менее пористы и наносятся более тонким слоем, чем цинковые.

Никель
— температура плавления 1455°С. Удельное сопротивление никеля 0,068 — 0,072 ом х мм 2 /м. При обычной температуре не окисляется кислородом воздуха. Никель применяется в сплавах и для защитного покрытия (никелирования) поверхности металлов.

Олово
— температура плавления 231,9°С. Удельное сопротивление олова 0,124 — 0,116 ом х мм 2 /м. Олово применяется для пайки защитного покрытия (лужения) металлов в чистом виде и в виде сплавов с другими металлами.

Свинец
— температура плавления 327,4°С. Удельное сопротивление 0,217 — 0,227 ом х мм 2 /м. Свинец применяется в сплавах с другими металлами как кислотоупорный материал. Добавляется в паяльные сплавы (припои).

Серебро
— очень ковкий, тягучий металл. Температура плавления серебра 960,5°С. Серебро — лучший проводник тепла и электрического тока .
Удельное сопротивление серебра 0,015 — 0,016 ом х мм 2 /м. Серебро применяется для защитного покрытия (серебрения) поверхности металлов.

Сурьма
— блестящий хрупкий металл, температура плавления 631°С. Сурьма применяется в виде добавок в паяльные сплавы (припои).

Хром
— твердый, блестящий металл. Температура плавления 1830°С. На воздухе при обычной температуре не изменяется. Удельное сопротивление хрома 0,026 ом х мм 2 /м. Хром применяется в сплавах и для защитного покрытия (хромирования) металлических поверхностей.

Цинк
— температура плавления 419,4°С. Удельное сопротивление цинка
0,053 — 0,062 ом х мм 2 /м. Во влажном воздухе цинк окисляется, покрываясь слоем окиси, являющимся защитным по отношению к последующим химическим воздействиям. В электротехнике цинк применяется в качестве добавок в сплавы и припои, а также для защитного покрытия (цинкования) поверхностей металлических деталей.

Как только электричество покинуло лаборатории учёных и стало широко внедряться в практику повседневной жизни, встал вопрос о поиске материалов, обладающих определёнными, порой совершенно противоположными, характеристиками по отношению к протеканию через них электрического тока.

Например, при передаче электрической энергии на дальнее расстояние, к материалу проводов предъявлялись требования минимизации потерь из-за джоулева нагрева в сочетании с малыми весовыми характеристиками. Примером тому являются всем знакомые высоковольтные линии электропередач, выполненные из алюминиевых проводов со стальным сердечником.

Или, наоборот, для создания компактных трубчатых электронагревателей требовались материалы с относительно высоким электрическим сопротивлением и высокой термостойкостью. Простейшим примером прибора, в котором применяются материалы с подобными свойствами, может служить конфорка обыкновенной кухонной электроплиты.

От проводников, используемых в биологии и медицине в качестве электродов, зондов и щупов, требуется высокая химическая устойчивость и совместимость с биоматериалами в сочетании с малым контактным сопротивлением.

К разработке такого ныне привычного всем прибора, как лампа накаливания, свои усилия приложила целая плеяда изобретателей из разных стран: Англии, России, Германии, Венгрии и США. Томас Эдисон, проведя более тысячи опытов проверки свойств материалов, подходящих на роль нитей накала, создал лампу с платиновой спиралью. Лампы Эдисона, хотя и имели высокий срок эксплуатации, но не были практичными из-за высокой стоимости исходного материала.

Последующие работы русского изобретателя Лодыгина, предложившего использовать в качестве материалов нити относительно дешёвые тугоплавкие вольфрам и молибден с более высоким удельным сопротивлением, нашли практическое применение. К тому же Лодыгин предложил откачивать из баллонов ламп накаливания воздух, заменяя его инертными или благородными газами, что привело к созданию современных ламп накаливания. Пионером массового производства доступных и долговечных электрических ламп стала компания General Electric, которой Лодыгин переуступил права на свои патенты и далее успешно работал в лабораториях компании долгое время.

Этот перечень можно продолжать, поскольку пытливый человеческий ум настолько изобретателен, что порой для решения определённой технической задачи ему нужны материалы с невиданными доселе свойствами или с невероятными сочетаниями этих свойств. Природа уже не успевает за нашими аппетитами и учёные всех стран мира включились в гонку создания материалов, не имеющих природных аналогов.

Оно представляет собой преднамеренное соединение кожуха или корпуса электроустройств с защитным заземляющим устройством. Обычно заземление выполняется в виде зарытых в землю на глубину более 2,5 метра стальных или медных полос, труб, стержней или уголков, которые в случае аварии обеспечивают протекание тока по контуру устройство — корпус или кожух — земля — нулевой провод источника переменного тока. Сопротивление этого контура должно быть не более 4 Ом. В этом случае напряжение на корпусе аварийного устройства снижается до безопасного для человека величин, а автоматические устройства защиты электрической цепи тем или иным способом производят отключение аварийного устройства.

При расчёте элементов защитного заземления существенную роль играет знание удельного сопротивления грунтов, которое может варьироваться в широких пределах.

Сообразуясь с данными справочных таблиц, выбирается площадь заземляющего устройства, по ней вычисляется количество заземляющих элементов и собственно конструкция всего устройства. Соединение элементов конструкции устройства защитного заземления производится сваркой.

Электротомография

Электроразведка изучает приповерхностную геологическую среду, применяется для поиска рудных и нерудных полезных ископаемых и других объектов на основе исследования различных искусственных электрических и электромагнитных полей. Частным случаем электроразведки является электротомография (Electrical Resistivity Tomography) — метод определения свойств горных пород по их удельному сопротивлению.

Суть метода заключается в том, что при определённом положении источника электрического поля проводятся замеры напряжения на различных зондах, затем источник поля перемещают в другое место или переключают на другой источник и повторяют измерения. Источники поля и зонды-приёмники поля размещают на поверхности и в скважинах.

Затем полученные данные обрабатываются и интерпретируются с помощью современных компьютерных методов обработки, позволяющих визуализировать информацию в виде двухмерных и трёхмерных изображений.

Являясь очень точным методом поиска, электротомография оказывает неоценимую помощь геологам, археологам и палеозоологам.

Определение формы залегания месторождений полезных ископаемых и границ их распространения (оконтуривание) позволяет выявить залегание жильных залежей полезных ископаемых, что существенно снижает затраты на их последующую разработку.

Археологам этот метод поиска даёт ценную информацию о расположении древних захоронений и наличия в них артефактов, тем самым сокращая затраты на раскопки.

Палеозоологи с помощью электротомографии ищут окаменевшие останки древних животных; результаты их работ можно увидеть в музеях естественных наук в виде поражающих воображение реконструкций скелетов доисторической мегафауны.

Кроме того, электротомография применяется при возведении и при последующей эксплуатации инженерных сооружений: высотных зданий, плотин, дамб, насыпей и других.

Определения удельного сопротивления на практике

Порой для решения практических задач перед нами может встать задача определения состава вещества, например, проволоки для резака пенополистирола. Имеем два мотка проволоки подходящего диаметра из различных неизвестных нам материалов. Для решения задачи необходимо найти их удельное электрическое сопротивление и далее по разнице найденных значений или по справочной таблице определить материал проволоки.

Отмерим рулеткой и отрежем по 2 метра проволоки от каждого образца. Определим диаметры проволок d₁ и d₂ микрометром. Включив мультиметр на нижний предел измерения сопротивлений, измеряем сопротивление образца R₁. Повторяем процедуру для другого образца и также измеряем его сопротивление R₂.

Учтём, что площадь поперечного сечения проволок рассчитывается по формуле

S = π ∙ d 2 /4

Теперь формула для расчёта удельного электрического сопротивления будет выглядеть следующим образом

ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L

Подставляя полученные значения L, d₁ и R₁ в формулу для расчёта удельного сопротивления, приведенную в статье выше, вычисляем значение ρ₁ для первого образца.

ρ 1 = 0,12 ом мм 2 /м

Подставляя полученные значения L, d₂ и R₂ в формулу, вычисляем значение ρ₂ для второго образца.

ρ 2 = 1,2 ом мм 2 /м

Из сравнения значений ρ₁ и ρ₂ со справочными данными вышеприведенной Таблицы 2, делаем вывод, что материалом первого образца является сталь, а второго — нихром, из которого и изготовим струну резака.

Называют возможность металла пропускать сквозь себя заряженный ток. В свою очередь, сопротивлением называется одна из характеристик материала. Чем больше электрическая резистентность при заданном напряжении, тем меньшей будет Оно характеризует силу противодействия проводника направленному вдоль него движению заряженных электронов. Поскольку свойство пропускания электричества — это величина, обратная сопротивлению, значит выражаться в виде формул оно будет как отношение 1/R.

Удельное сопротивление всегда зависит от качества материала, который используют при изготовлении устройств. Его измеряют, отталкиваясь от параметров проводника, обладающего длиной 1 метр, а также площадью сечения 1 квадратный миллиметр. Например, свойство удельной резистентности для меди всегда равно 0,0175 Ом, для алюминия — 0,029, железа — 0,135, константана — 0,48, нихрома — 1-1,1. Удельное сопротивление стали равно числу 2*10-7 Ом.м

Противодействие току прямо пропорционально длине проводника, по которому он движется. Чем больше длина устройства, тем выше показатель сопротивления. Усвоить эту зависимость будет проще, если представить две воображаемых пары сообщающихся между собой сосудов. У одной пары приборов соединяющая трубка пусть остаётся тоньше, а у другой — толще. При заполнении водой обеих пар переход жидкости в по толстой трубке получится гораздо быстрее, потому что она окажет меньшее сопротивление перетеканию воды. По этой аналогии для ему проще пройти вдоль толстого проводника, чем тонкого.

Удельное сопротивление, как единица СИ, измеряется показателем Ом.м. Проводимость зависит от средней длины свободного пролёта заряженных частиц, которая характеризуется структурой материала. Металлы без примесей, у которых наиболее правильная имеют наименьшие значения противодействия. И наоборот, примеси искажают решётку, чем увеличивают его показатели. Удельное сопротивление металлов расположено в узком диапазоне значений при нормальной температуре: от серебра с 0,016 и до 10 мкОм.м (сплавы железа и хрома с алюминием).

На особенности движения заряженных

электронов в проводнике оказывает влияние температура, поскольку при её увеличении возрастает амплитуда волновых колебаний существующих ионов и атомов. В результате электронам остаётся меньше свободного пространства для нормального хода в кристаллической решётке. А это означает, что препятствие упорядоченному передвижению возрастает. Удельное сопротивление любого проводника по обыкновению линейно возрастает с ростом температуры. А для полупроводников, наоборот, характерно уменьшение с увеличением градусов, так как из-за этого высвобождается много зарядов, создающих непосредственно электрический ток.

Процесс охлаждения некоторых металлических проводников заведомо до нужной температуры доводит их удельное сопротивление до скачкообразного состояния и падает до нуля. Такое явление открыли в 1911 году и назвали сверхпроводимостью.

Константан (58,8 Cu, 40 Ni, 1,2 Mn)
Манганин (85 Cu, 12 Mn, 3 Ni)
Нейзильбер (65 Cu, 20 Zn, 15 Ni)
Никелин (54 Cu, 20 Zn, 26 Ni)
Нихром (67,5 Ni, 15 Cr, 16 Fe, 1,5 Mn)
Реонат (84Cu, 12Mn, 4 Zn)
Фехраль (80 Fe, 14 Cr, 6 Al)

Удельное сопротивление нихрома

Каждое тело, через которое пропускается электрический ток, автоматически оказывает ему определенное сопротивление. Свойство проводника противостоять электрическому току принято называть электрическим сопротивлением.

Рассмотрим электронную теорию данного явления. При движении по проводнику свободные электроны постоянно встречают на своем пути другие электроны и атомы. Взаимодействуя с ними, свободный электрон теряет часть своего заряда. Таким образом, электроны сталкиваются с сопротивлением со стороны материала проводника. Каждое тело имеет свою атомную структуру, которая оказывает электрическому току разное сопротивление. Единицей сопротивления принято считать Ом. Обозначается сопротивление материалов — R или r.

Чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через это тело. И наоборот: чем выше сопротивление, тем хуже тело проводит электрический ток.

Сопротивление каждого отдельно взятого проводника зависит от свойств материала, из которого он изготовлен. Для точной характеристики электрического сопротивления того или иного материала было введено понятие — удельное сопротивление (нихрома, алюминия и т. д.). Удельным считается сопротивление проводника длиной до 1 м, сечение которого — 1 кв. мм. Этот показатель обозначается буквой p. Каждый материал, использующийся в производстве проводника, обладает своим удельным сопротивлением. Для примера рассмотрим удельное сопротивление нихрома и фехрали (более 3 мм):

Х15Н60 — 1.13 Ом*мм/м
Х23Ю5Т — 1.39 Ом*мм/м
Х20Н80 — 1.12 Ом*мм/м
ХН70Ю — 1.30 Ом*мм/м
ХН20ЮС — 1.02 Ом*мм/м

Удельное сопротивление нихрома, фехрали указывает на основную сферу их применения: изготовление аппаратов теплового действия, бытовых приборов и электронагревательных элементов промышленных печей.

Поскольку нихром и фехраль преимущественно используются в производстве нагревательных элементов, то самая распространенная продукция — нихромовая нить, лента, полоса Х15Н60 и Х20Н80, а также фехралевая проволока Х23Ю5Т.

Сопротивление меди действительно меняется с температурой, но сначала нужно определиться, имеется ли в виду удельное электрическое сопротивление проводников (омическое сопротивление), что важно для питания по Ethernet, использующего постоянный ток, или же речь идет о сигналах в сетях передачи данных, и тогда мы говорим о вносимых потерях при распространении электромагнитной волны в среде витой пары и о зависимости затухания от температуры (и частоты, что не менее важно).

Удельное сопротивление меди

В международной системе СИ удельное сопротивление проводников измеряется в Ом∙м. В сфере ИТ чаще используется внесистемная размерность Ом∙мм 2 /м, более удобная для расчетов, поскольку сечения проводников обычно указаны в мм 2 . Величина 1 Ом∙мм 2 /м в миллион раз меньше 1 Ом∙м и характеризует удельное сопротивление вещества, однородный проводник из которого длиной 1 м и с площадью поперечного сечения 1 мм 2 дает сопротивление в 1 Ом.

Удельное сопротивление чистой электротехнической меди при 20°С составляет 0,0172 Ом∙мм 2 /м
. В различных источниках можно встретить значения до 0,018 Ом∙мм 2 /м, что тоже может относиться к электротехнической меди. Значения варьируются в зависимости от обработки, которой подвергнут материал. Например, отжиг после вытягивания («волочения») проволоки уменьшает удельное сопротивление меди на несколько процентов, хотя проводится он в первую очередь ради изменения механических, а не электрических свойств.

Удельное сопротивление меди имеет непосредственное значение для реализации приложений питания по Ethernet. Лишь часть исходного постоянного тока, поданного в проводник, достигнет дальнего конца проводника – определенные потери по пути неизбежны. Так, например, PoE Type 1
требует, чтобы из 15,4 Вт, поданных источником, до запитываемого устройства на дальнем конце дошло не менее 12,95 Вт.

Удельное сопротивление меди изменяется с температурой, но для температур, характерных для сферы ИТ, эти изменения невелики. Изменение удельного сопротивления рассчитывается по формулам:

ΔR = α · R · ΔT

R 2 = R 1 · (1 + α · (T 2 — T 1))

где ΔR – изменение удельного сопротивления, R – удельное сопротивление при температуре, принятой в качестве базового уровня (обычно 20°С), ΔT – градиент температур, α – температурный коэффициент удельного сопротивления для данного материала (размерность °С -1). В диапазоне от 0°С до 100°С для меди принят температурный коэффициент 0,004 °С -1 . Рассчитаем удельное сопротивление меди при 60°С.

R 60°С = R 20°С · (1 + α · (60°С — 20°С)) = 0,0172 · (1 + 0,004 · 40) ≈ 0,02 Ом∙мм 2 /м

Удельное сопротивление при увеличении температуры на 40°С возросло на 16%. При эксплуатации кабельных систем, разумеется, витая пара не должна находиться при высоких температурах, этого не следует допускать. При правильно спроектированной и установленной системе температура кабелей мало отличается от обычных 20°С, и тогда изменение удельного сопротивления будет невелико. По требованиям телекоммуникационных стандартов сопротивление медного проводника длиной 100 м в витой паре категорий 5e или 6 не должно превышать 9,38 Ом при 20°С. На практике производители с запасом вписываются в это значение, поэтому даже при температурах 25°С ÷ 30°С сопротивление медного проводника не превышает этого значения.

Затухание сигнала в витой паре / Вносимые потери

При распространении электромагнитной волны в среде медной витой пары часть ее энергии рассеивается по пути от ближнего конца к дальнему. Чем выше температура кабеля, тем сильнее затухает сигнал. На высоких частотах затухание сильнее, чем на низких, и для более высоких категорий допустимые пределы при тестировании вносимых потерь строже. При этом все предельные значения заданы для температуры 20°С. Если при 20°С исходный сигнал приходил на дальний конец сегмента длиной 100 м с уровнем мощности P, то при повышенных температурах такая мощность сигнала будет наблюдаться на более коротких расстояниях. Если необходимо обеспечить на выходе из сегмента ту же мощность сигнала, то либо придется устанавливать более короткий кабель (что не всегда возможно), либо выбирать марки кабелей с более низким затуханием.

Для экранированных кабелей при температурах выше 20°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.2%
Для всех типов кабелей и любых частот при температурах до 40°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.4%
Для всех типов кабелей и любых частот при температурах от 40°С до 60°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.6%
Для кабелей категории 3 может наблюдаться изменение затухания на уровне 1,5% на каждый градус Цельсия

Уже в начале 2000 гг. стандарт TIA/EIA-568-B.2 рекомендовал уменьшать максимально допустимую длину постоянной линии/канала категории 6, если кабель устанавливался в условиях повышенных температур, и чем выше температура, тем короче должен быть сегмент.

Если учесть, что потолок частот в категории 6А вдвое выше, чем в категории 6, температурные ограничения для таких систем будут еще жестче.

На сегодняшний день при реализации приложений PoE
речь идет о максимум 1-гигабитных скоростях. Когда же используются 10-гигабитные приложения, питание по Ethernet не применяется, по крайней мере, пока. Так что в зависимости от ваших потребностей при изменении температуры вам нужно учитывать либо изменение удельного сопротивления меди, либо изменение затухания. Разумнее всего и в том, и в другом случае обеспечить кабелям нахождение при температурах, близких к 20°С.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Удельное электрическое сопротивление чистой меди, обработанной с помощью аддитивного процесса плавления в порошковом слое лазера средней мощности для использования в электромагнитных приложениях

https://doi. org/10.1016/j.addma.2019.100831Получить права и содержание

Основные моменты

•: Машины LPBF средней мощности могут перерабатывать чистую Cu до приемлемого уровня.
•: Удельное сопротивление готовой меди увеличивается на 33% в зависимости от ориентации сборки.
•: Удельное сопротивление можно снизить более чем на 50% по сравнению с исходными условиями путем термообработки.
•: Значения удельного электрического сопротивления после термообработки ниже значений AlSi10Mg.

Abstract

Чистая медь является отличным проводником тепла и электричества, однако попытки обработать ее с помощью технологий аддитивного производства (AM) имели различные уровни успеха. В то время как с помощью электронно-лучевого плавления (EBM) чистая медь была успешно обработана до высокой плотности, сплавление в лазерном порошковом слое (LPBF) столкнулось с трудностями при достижении тех же результатов без использования очень мощных лазеров. Это требование препятствовало исследованиям использования LPBF с чистой медью, поскольку большинство машин оснащено лазерами с низкой и средней плотностью мощности лазера. В этой работе были проведены эксперименты по обработке чистой меди на установке LPBF мощностью 200 Вт с малым диаметром лазерного пятна, в результате чего удельная мощность лазера была выше средней, чтобы максимизировать плотность и достичь низкого удельного электрического сопротивления. Эффекты первоначальной ориентации сборки и последующей термообработки также были исследованы, чтобы изучить их влияние на удельное электрическое сопротивление.Было обнаружено, что, несмотря на проблемы с высокой пористостью, термически обработанные образцы имели более низкое удельное электрическое сопротивление, чем другие распространенные AM-материалы, такие как алюминиевый сплав AlSi10Mg. Проведя эти испытания, было обнаружено, что, несмотря на удельное сопротивление, примерно в два раза превышающее удельное сопротивление коммерчески чистой меди, удельное сопротивление было достаточно низким, чтобы продемонстрировать возможность использования AM для обработки меди, подходящей для электрических применений.

Ключевые слова

Лазерное наплавление в порошковой среде

Медь

Аддитивное производство

3D-печать

Удельное электрическое сопротивление

Электропроводность

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

Ссылки на статьи

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЫСОКОЧИСТОЙ МЕДИ ОТ 78 ДО 400 ° K

Цитируется по

1. Влияние пористости и примесей на теплопроводность сырых тел из спеченного порошка меди без давления

2. Фазовое превращение Cu при высоких температурах и высоком давлении

3. Точные измерения теплопроводности наножидкости с помощью полисахаридного стабилизатора

4. В поисках эталонных материалов по термической эффузии

5. Удельное электрическое сопротивление твердой и жидкой меди до 5 ГПа: Уменьшение вдоль границы плавления

6. Высокоточный прибор для измерения термоконтактного сопротивления с использованием обратимого тепла flux

7. Высокоточный метод измерения теплопроводности твердых тел с использованием обратимого теплового потока

8. Испытание цикла охлаждения сверхпроводящего кабеля постоянного тока для передачи энергии

9. Переключение сопротивления и формирование проводящего мостика в структуре металл / бинарный оксид / металл для запоминающих устройств

10. Взаимосвязь между удельным электрическим сопротивлением металлов и термической деформацией

11. Влияние плотности поверхности алюминиевой пены по теплопроводности алюминиевых композиционных материалов с фазовым переходом

12. Теплопроводность границ раздела металл-металл

13. Исследования твердых растворов Al – Mg с использованием измерений удельного электрического сопротивления и микротвердости

14. Характеристика процессов переноса в нержавеющей стали FeCrNi

15. Исследования электротехнической и микротвердости сплавов Al-Mg

16. Механические и резистометрические исследования сплавов Al-Zn

17. Высокий
Q
копланарный резонатор линии передачи YBa
2
Cu
3
О

7−
Икс
по MgO

18. Корреляция теплопроводности нитридного уранового топлива между 10 и 1923 К

19. Зависимость от давления теплопроводности и электропроводности интерметаллических соединений AuCu и AuCu3

20. Соединения тория с азотом

21. Транспортные свойства поликристаллического диборида титана высокой чистоты

22. Экспериментальная и теоретическая оценка фононной теплопроводности ниобия при промежуточных температурах

23. Облучение в сплавах W-Re на основе вольфрама

24. Фононные и электронные компоненты теплопроводности тантала при промежуточных температурах

26. Экспериментальное определение фононной и электронной составляющих теплопроводности ОЦК железо

27. Минимум теплопроводности металлов

28. Псевдогармонический эффект фононов в удельном электрическом сопротивлении

29. Температурные колебания фононно-ограниченного электросопротивления в благородных металлах

30. Фононно-ограниченное электрическое и тепловое сопротивление благородных металлов

31. Модель динамики решетки гранецентрированных кубических металлов

32. Термический проводимость золота и серебра при высоких давлениях

33. Новая ячейка гидростатического давления до 90 килобар для точных электрических и магнитных измерений при низких температурах

34. Низкотемпературная излучательная способность меди и алюминия

35. Решеточная теплопроводность RbBr, RbI и RbCl от 80 до 400 К

36. Исследование удельного электрического сопротивления вольфрама зонной очистки при высоких температурах

37. Теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и термоэдс Pb от 260 до 550 К

38. Прецизионные измерения теплопроводности, удельного электрического сопротивления и коэффициента Зеебека от 80 до 400 К и их применение в чистый молибден

39. Транспортные свойства благородных металлов

40. Абсолютный коэффициент Зеебека платины от 80 до 340 К и теплопроводность свинца от 80 до 400 К

41. Высокотемпературное термическое сопротивление одновалентных металлов и Электрон-фононное взаимодействие

42. Последние разработки в области использования термоэлектрической энергии металлов и сплавов в качестве инструмента исследования

43. Термоэлектричество в металлах и сплавах

44. Термические транспортные свойства упорядоченного и неупорядоченного никеля
3
Fe

45. Точное измерение теплопроводности при высоких температурах (100–1200 K)

46. Теплопроводность почти стехиометрических монокристаллов и поликристаллических UO
2

47. Электрон-электронное рассеяние в высокотемпературном термическом сопротивлении благородных металлов

48. Комментарии к «Улучшение функции Лоренца за счет неупругих процессов вблизи точки Нееля хрома»

49. Теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и коэффициент Зеебека мононитрида урана

50. 2,4 Отношение Лоренца металлических элементов при промежуточные и высокие температуры

52. 1.2.3 Ссылки для 1.2.1 и 1.2.2

54. 3.5 Ссылки для 3.1 — 3.4

56. 2.1 Теплопроводность при 273–300 K

57. Ультразвуковые волны в жидкостях

58. Теплопроводность, электрическое сопротивление и коэффициент Зеебека кремния от 100 до 1300 ° K

Frontiers | Сопротивление меди способствует долгосрочному выживанию Cupriavidus Metallidurans во влажном контакте с металлической медью

Введение

Историческое использование меди (Cu) для стерилизации питьевой воды и лечения различных заболеваний восходит к третьему тысячелетию до нашей эры. C. Действительно, древние цивилизации, от египетской и греческой до ацтекских, использовали Cu в различных составах для борьбы с размножением бактерий в различных условиях (Dollwet and Sorenson, 1985). В последнее время широкое использование антибиотиков и сопутствующее развитие механизмов устойчивости к антибиотикам вызвали новый интерес к антимикробным свойствам Cu (Grass et al., 2011).

Металлическая медь, которая обычно используется для сантехнических работ, может оказывать бактерицидное действие на переносимые водой микроорганизмы за счет выщелачивания ионов Cu.Растворимость Cu в воде зависит от химических параметров, таких как pH, концентрация растворенного кислорода и свободных ионов Cl ^— (Pehkonen et al., 2002), а также от присутствия хелатирующих агентов (Karczewska and Milko, 2010). Для многих видов бактерий относительно низкие концентрации ионной Cu достаточны для инактивации, например, Legionella pneumophila в питьевой воде показывает 6-логарифмическое снижение ₁₀ КОЕ / мл в течение 3 часов после добавления 100 мкг / л ( 0,74 мкМ) CuCl ₂ (Lin et al. , 1996), более 99,9% клеток Pseudomonas aeruginosa в деионизированной воде инактивируются в течение 24 часов путем добавления 1 мкМ (160 мкг / л) CuSO ₄ (Dwidjosiswojo et al., 2011), а также больничных изолятов. поскольку контрольные штаммы показали почти полное уничтожение после 48 часов хранения в медном сосуде, содержащем физиологический раствор или воду (Cervantes et al., 2013). В дополнение к токсическому действию ионов, присутствующих в среде, прямое взаимодействие бактериальных клеток с поверхностью металла может привести к сильно усиленному эффекту уничтожения (Mathews et al., 2013), названный контактным убийством и недавно рассмотренный Винсентом и соавт. (2018). Эта повышенная токсичность была продемонстрирована путем покрытия поверхности меди инертной полимерной сеткой, которая предотвращала прямое прикрепление бактерий, но не высвобождение ионов Cu в среду, что привело к резкому снижению токсичности. Уровень гибели при контакте зависит, помимо прочего, от содержания меди, температуры и влажности (Faúndez et al. , 2004; Michels et al., 2009) и состава среды (Molteni et al., 2010). Механизмы токсичности Cu для бактериальных клеток находятся под пристальным вниманием (Lemire et al., 2013; Винсент и др., 2018). Было предложено несколько способов действия, хотя их последовательность и взаимодействие остаются неясными. Производство активных форм кислорода может катализироваться Cu посредством реакции типа Фентона in vitro , но были получены противоположные данные относительно ее роли в деградации ДНК in vivo (Macomber et al., 2007; Tian et al. , 2012; Warnes et al., 2012; Cui et al., 2014; San et al., 2015). Сообщалось об инактивации белков Fe – S за счет конкуренции Cu с Fe кислородно-независимым образом (Macomber, Imlay, 2009; Arguello et al., 2013), а также повреждение мембран в результате перекисного окисления липидов (Espirito Santo et al., 2011; Hong et al., 2012; Santo et al., 2012). Кроме того, индукция жизнеспособного, но некультивируемого состояния клеток (VBNC) после воздействия Cu наблюдалась во многих исследованиях. Это состояние определяется как клетки с низкой метаболической активностью, которые поддерживают целостность мембран и низкий уровень экспрессии генов, но не образуют КОЕ в культуральных средах (Davey, 2011; Schottroff et al., 2018). Считается, что состояние VBNC обеспечивает повышенную устойчивость ко многим стрессам окружающей среды, включая антибиотики (Orman and Brynildsen, 2013), окислительный стресс и металлы, такие как медь (Nowakowska and Oliver, 2013).Многие вопросы по-прежнему окружают состояние VBNC, но ясно, что клетки VBNC все еще могут создавать проблемы, поскольку сообщалось о реанимации и последующей токсичности бактерий из питьевой воды (Lee et al., 2007; Dwidjosiswojo et al., 2011; Li et al. ., 2014; Dopp et al., 2017; Ye et al., 2020).

Хотя инактивация бактерий низкими концентрациями Cu может означать отсутствие потребности в Cu для метаболизма и роста бактерий, это явно не так. Фактически, бактерии должны тщательно регулировать внутриклеточные концентрации этого питательного микроэлемента, и у них появилось множество механизмов, посвященных этой задаче. В отличие от экспортных систем, импорт Cu в цитоплазму плохо изучен, и ранние исследования показали важность поринов внешней мембраны в Escherichia coli (Lutkenhaus, 1977). В более поздних исследованиях были идентифицированы предполагаемые роли суперсемейства главных фасилитаторов (Balasubramanian et al., 2011) и TonB-зависимых транспортных систем (Ekici et al., 2012). Свободная Cu в цитоплазме быстро связывается шаперонами и доставляется в экспортные системы, такие как АТФазы типа P _IB ₁ и системы HME-RND (Arguello et al., 2013). Мульти-оксидазы меди с различными функциями обеспечивают дополнительный уровень защиты. Некоторые бактерии обладают множественными механизмами резистентности к меди, которые могут взаимодействовать на высоком уровне сложности и приводить к способности выдерживать миллимолярные концентрации. Яркий пример — видов Cupriavidus Metallidurans , которые во многих случаях были изолированы в суровых загрязненных металлами олиготрофных промышленных условиях. Типовой штамм C. Metallidurans Ch44, который стал модельным штаммом для изучения сопротивления металлов, был выделен в 1978 году из декантационного бассейна на заводе цветной металлургии (Mergeay et al., 1978). Его кластер cop , расположенный на мегаплазмиде pMOL30 и придающий высокую устойчивость к ионам Cu, состоит из 21 гена, среди которых несколько шаперонов, АТФаза типа P _IB ₁, система HME-RND и мультикоппероксидаза. Почти все они активируются после воздействия Cu ²⁺ (Monchy et al., 2006, 2007). Примечательно, что неоднократно обнаруживалось, что этот вид заражает Международную космическую станцию, в том числе пылью и резервуарами для охлаждающей и питьевой воды (Pierson, 2001; Ott et al., 2004; Мора и др., 2016).

Важность механизмов сопротивления меди в отношении гибели при контакте мало изучена, особенно в условиях, связанных с обработкой питьевой воды, и в периоды времени, превышающие несколько часов. В сухих и полусухих условиях удаление детерминант устойчивости к меди приводит к несколько более быстрой инактивации E. coli (Espirito Santo et al., 2008), P. aeruginosa (Elguindi et al., 2009), и Enterococcus hirae (Grass et al., 2011). В этом исследовании мы исследовали кинетику инактивации C. Metallidurans Ch44 в контакте с металлической медью в питьевой воде и оценили роль механизмов сопротивления меди.

Материалы и методы

Бактериальные штаммы, среды и условия культивирования

C. Metallidurans Ch44 (Mergeay et al., 1978), AE104 (бесплазмидное производное Ch44) (Mergeay et al., 1985) и Cupriavidus campinensis AE1239 (производное DS185, несущее Cu-чувствительное lux — слияние в pMOL90: Tn 4431 ) (Collard et al., 1994) обычно выращивали в трис-буферной минеральной среде (MM284) (Mergeay et al., 1985) с добавлением 2 г / л глюконата на орбитальном шейкере при 180 об / мин в темноте при 30 ° C. Планшеты с агаром MM284 получали добавлением 2% агара (Thermo Scientific, Oxoid, Hampshire, United Kingdom) к жидкой среде. Ионную Cu добавляли в среду как CuSO ₄ (Sigma-Aldrich, Overijse, Бельгия). Забуференный фосфатом физиологический раствор (PBS) готовили растворением таблетки PBS (Gibco ^TM) в воде Milli-Q (Merck Millipore, Бельгия), достигая конечных концентраций 10 мМ фосфатов натрия (для достижения pH 7.4), 2,68 мМ KCl и 140 мМ NaCl. Раствор стерилизовали автоклавированием при 121 ° C в течение 15 мин.

Подготовка и постановка экспериментов по выживанию

Пластины из меди (99,99%) и нержавеющей стали (AISI 304) были приготовлены путем их погружения в 70% раствор этанола на 10 мин для инактивации возможных загрязнений и солюбилизации органических компонентов на поверхности пластины. После этого этапа планшеты обрабатывали ультразвуком при 130 кГц в TI-H-5 (Elma Schmidbauer GmbH, Германия) в деионизированной воде в течение 10 минут для удаления загрязнения и растворения любых существующих солей.Затем планшеты стерилизовали при 121 ° C в течение 20 минут для уничтожения оставшихся клеток, сушили при 60 ° C и хранили в стерильных контейнерах при комнатной температуре. Бактериальные культуры C. Metallidurans Ch44 и AE104 выращивали в MM284 в течение 72 часов. В то время как стационарная фаза достигается примерно через 36 часов, клетки культивировали еще 36 часов, чтобы вызвать реакцию голодания. Этот шаг был введен, чтобы отразить естественную среду и уменьшить мешающие эффекты внезапного истощения питательных веществ в основном эксперименте.Такой подход не повлиял на исходное количество КОЕ. Предварительно индуцированные культуры C. Metallidurans Ch44 получали добавлением 300 мкМ CuSO ₄. Культуры дважды промывали стерилизованной фильтром минеральной водой (Ordal, Ranst, Бельгия) и затем ресуспендировали в этой минеральной воде (конечный OD ₆₀₀ 0,1). Подготовленные пластины из меди и нержавеющей стали по отдельности вставляли в коническую центрифужную пробирку на 50 мл с вентиляционным колпачком до тех пор, пока они не прилегали к дну конической пробирки.В пробирку для контрольных условий не вставляли планшеты. В каждую пробирку добавляли 40 мл приготовленной бактериальной суспензии, и все пробирки помещали вертикально на орбитальный шейкер при 150 об / мин в темноте при 30 ° C. Обобщенный обзор этой установки можно найти на дополнительном рисунке 1. В отдельном эксперименте культуры были приготовлены идентично, но вместо вставки чашки Cu было добавлено 10 мкМ CuSO ₄. Эквивалентный объем воды Milli-Q был добавлен к контрольным условиям. Все эксперименты по выживанию проводили в трех биологических повторностях.

Подсчет количества жизнеспособных клеток и проточная цитометрия

Образцы для подсчета жизнеспособных клеток и проточной цитометрии были взяты через 0, 1, 3, 5, 24, 48, 72, 96, 144, 168 и 192 часа после начала эксперимента. Для каждого образца было взято 20 мкл бактериальной суспензии из прим. На 1 см ниже уровня воды. Подсчет клеток по общему количеству жизнеспособных клеток выполняли путем распределения 100 мкл серийного 10-кратного разведения в стерильном PBS на агаре MM284 и подсчета колоний через минимум 4 дня при 30 ° C. Подсчет клеток с помощью проточной цитометрии выполняли путем 100- и 1000-кратного разведения 20 мкл бактериальной суспензии в стерилизованных фильтром (0.2 мкм) минеральная вода (Evian). Затем добавляли SYBR Green (Life Technologies) и иодид пропидия (PI, Merck) до конечной концентрации 1Х (начиная с 10,000-кратного коммерческого исходного раствора) и 200 мкМ соответственно. Суспензии инкубировали в темноте при 37 ° C в течение 20 минут для полного связывания красителей. Окрашенные бактериальные суспензии анализировали на Accuri C6 (BD, Erembodegem) с синим (488 нм, 20 мВт) лазером, который был откалиброван в соответствии с рекомендациями производителя. Стандартные оптические фильтры включали FL-1 (530/30) и FL-3 (670 нм LP).SYBR Green был обнаружен с FL-1, PI с FL-3. Образцы анализировали с помощью программного обеспечения BD Accuri C6 версии 1.0.264.21, а стробирование и подсчет событий выполняли с помощью пакета PhenoFlow для R (Props et al., 2016).

Визуализация биопленки

После 9 дней инкубации планшеты из меди и нержавеющей стали помещали в 6-луночный планшет и сразу же окрашивали 100 мкл раствора SYBR Green (1X) и пропидия иодида (200 мкМ). Планшеты инкубировали в темноте при 37 ° C в течение 20 мин.Неприкрепленные бактериальные клетки и избыток красителя осторожно смывали с планшетов 1 мл PBS.

Автоматический инвертированный флуоресцентный микроскоп (TE2000-E; Nikon, Токио, Япония), оснащенный моторизованным XYZ-столиком, колесами фильтров излучения и возбуждения, заслонками и тройным дихроичным зеркалом (436/514/604), использовался для получения изображения поверхность пластин из нержавеющей стали и меди. Изображения были получены с помощью объектива 20X и камеры Andor iXon EMCCD (Andor Technology, Южный Виндзор, Коннектикут, США).Для каждого образца не менее пяти наборов из 25 изображений в сетке 5 × 5, каждый из которых содержал одно поле зрения, были сшиты вместе с помощью вычислений с перекрытием 15% с использованием NIS-элементов AR 5.11.01 (Nikon).

ИСП – МС

Через 0, 5, 48 и 216 ч после начала эксперимента образцы были взяты для измерения ICP-MS для определения концентраций Cu, Ni и Zn в водной фазе. Два миллилитра центрифугировали при 10000 г в течение 2 минут, и супернатант хранили при -20 ° C до дальнейшей обработки.Образцы подкисляли до конечной концентрации 2% HNO ₃ и концентрации металлов измеряли с помощью ICP-MS X-Series II (Thermo Fisher Scientific).

Эксперименты с биосенсором

Ответ Cu-биосенсора AE1239 количественно оценивали с использованием многомодового микропланшетного ридера (CLARIOstar ^®, BMG Labtech). Сообщается, что предел обнаружения этого штамма составляет 1 мкМ (Kanellis, 2018). Культуры AE1239 получали выращиванием их в MM284 в течение 72 часов при 30 ° C, затем дважды промывали их стерилизованной на фильтре минеральной водой (Ordal) и ресуспендировали либо в стерилизованной фильтром минеральной воде, либо в MM284.Реакцию на металлических планшетах измеряли путем пипетирования 200 мкл клеточной суспензии на верхнюю часть каждого планшета, помещенного в шестилуночный планшет. Высота фокуса была оптимизирована до 7,5 мм, и было использовано максимальное усиление 4095. Измерения проводили примерно каждые 5 мин без периодического встряхивания планшета. Ответ на ионную Cu измеряли, добавляя 200 мкл в 96-луночный планшет. Высота фокуса была оптимизирована до 11 мм, опять же с максимальным усилением. Для этих экспериментов периодическое встряхивание происходило при 150 об / мин, и дополнительно измеряли оптическую плотность при 600 нм непосредственно перед измерением люминесценции.

Статистика

Для статистического анализа использовались пакеты lmerTest и emmeans в R 3.6.1 для подбора линейных смешанных моделей (lmer) с последующим попарным сравнением и процедурой Бонферрони для множественного тестирования [пары (emmeans)]. Скорректированные значения p ниже 0,05 считались статистически значимыми.

Результаты и обсуждение

Выживание

C. Metallidurans Ch44 во влажном контакте с металлической Cu

В первой установке мы проверили выживаемость C.Metallidurans Ch44 в стерилизованной питьевой воде при контакте с погруженной медной пластиной, пластиной из нержавеющей стали или без пластины. Состояние Cu показало четкое и значительное снижение количества жизнеспособных клеток более чем на 4 log ₁₀ в течение 3 часов после начала эксперимента (рис. 1A). Это снижение количества жизнеспособных организмов было подтверждено, но не усилилось через 5 часов. Между 5 и 48 часами количество жизнеспособных организмов оставалось стабильным, после чего оно значительно увеличивалось с 2,7-log ₁₀ до 144 часов после начала эксперимента.Через 144 часа количество жизнеспособных клеток снова уменьшилось, но этот процесс сопровождался уменьшением, наблюдаемым в нержавеющей стали и контрольных условиях, когда в ходе эксперимента была измерена некоторая потеря жизнеспособности (рис. 1A). Эти результаты вызывают вопрос, связано ли снижение количества жизнеспособных клеток с гибелью клеток, сублетальным повреждением или быстрым переходом в состояние VBNC. Поскольку наша экспериментальная установка не может отличить сублетально поврежденные клетки от клеток VBNC, все клетки с непроницаемой мембраной (анализ проточной цитометрии), которые не образуют КОЕ, считаются клетками VBNC. В случае первоначального уничтожения клеток оставшиеся 0,01% клеток могли бы использовать дефицитный ассимилируемый органический углерод (АОС) в питьевой воде и содержимое проницаемых клеток для создания защиты от токсического воздействия Cu, после чего может возобновиться рост. быть возможно. Во втором случае клетки VBNC могут использовать АОС, а также внутриклеточные запасы питательных веществ, такие как полигидроксибутират, для восстановления клеточного повреждения и активации механизмов устойчивости к Cu, после чего достигается постепенное возвращение к культивируемому состоянию без какого-либо изменения количества клеток из-за к отрастанию.Вполне возможно, что оба сценария происходят параллельно.

Рисунок 1. Количество жизнеспособных клеток (A, C, E) и доля непроницаемых клеток (B, D, F) из C. Metallidurans Ch44 (A, B) , C Metallidurans AE104, без механизмов сопротивления металлов (C, D) и C. Metallidurans Ch44, предварительно индуцированный 300 мкМ CuSO ₄ (E, F) в присутствии металлической Cu (красный), нержавеющая сталь (синий) и контрольное состояние (зеленый).Все эксперименты были независимо выполнены с n = 3.

В дополнение к данным количества жизнеспособных клеток, жизнеспособность клеток оценивали с помощью окрашивания SYBR Green + PI и проточной цитометрии. SYBR Green использовался для окрашивания всех клеток, поскольку он может проникать в клетки независимо от их физиологического состояния. Общее количество всех событий на мл существенно не менялось в зависимости от условий и во времени (рис. 2А), что указывает на отсутствие значительной дезинтеграции или оседания клеток и что клетки VBNC могут быть обнаружены методом проточной цитометрии.В течение нескольких дней зарегистрированные события в состоянии Cu показали снижение силы сигнала SYBR, в то время как сигнал PI стал сильнее (рисунки 1B, 2B, C и дополнительный рисунок 2). Таким образом, как показано на графиках FL3 и FL1 (дополнительный рисунок 2), события мигрировали из исходной зоны непроницаемых клеток в зону, содержащую проницаемые (вероятно, нежизнеспособные) клетки, что совпало с положительным контролем убитых нагреванием клетки. Последний представляет собой постепенный распад клеточной оболочки, позволяющий большему количеству PI проникать в клетки.В результате количество событий, соответствующих непроницаемым клеткам, уменьшилось на 2-log ₁₀ через 48 часов, после чего они оставались довольно стабильными, около 5 × 10 ⁶ событий на мл (Рисунок 2), и эта тенденция была обратно пропорциональной. пропорционально количеству событий, соответствующих проницаемым клеткам. Наконец, клетки VBNC составляли большинство жизнеспособных клеток через 24–48 часов (примерно 99,9 и 99% соответственно) и постепенно уменьшались примерно до 75% через 144 часа.

Рисунок 2. Концентрация общих событий (A, D, G) , событий, соответствующих непроницаемым ячейкам (B, E, H) и событий, соответствующих проницаемым событиям (C, F, I) , зарегистрированных для ° C Metallidurans Ch44 (A, B, C) , C. Metallidurans AE104 (D, E, F) и C. Metallidurans Ch44, предварительно индуцированный 300 мкМ CuSO ₄ (G, H, I) в присутствии металлической Cu (красный), нержавеющей стали (синий) и контрольных условиях (зеленый).Все эксперименты были независимо выполнены с n = 3.

Расхождения между показателями жизнеспособной и проточной цитометрии заслуживают более глубокого обсуждения. Задержка в несколько часов между начальным снижением культивируемости клеток и уменьшением событий в непроницаемой зоне может быть связано с чисто физико-химическими процессами, в которых требуется несколько часов, прежде чем клеточная оболочка убитых / поврежденных клеток станет достаточно проницаемой для PI. . Альтернативно, это может быть связано с быстрым преобразованием в состояние VBNC, в котором клетки не проницаемы для PI, поскольку их оболочка все еще не повреждена.Таким образом, культивируемые клетки нельзя отличить от клеток VBNC с помощью нашего анализа проточной цитометрии. Во-вторых, не наблюдалось явного увеличения количества событий, соответствующих непроницаемым клеткам, что указывает на то, что клетки восстанавливаются от метаболического состояния, которое можно измерить только путем культивирования, вместо повторного роста популяции после первоначального уничтожения. Таким образом, мы предполагаем, что в течение 48 часов ок. 5% исходной популяции преобразуется в состояние клеток VBNC, в то время как оставшиеся 95% популяции проницаемы и, таким образом, погибают.Почти 25% этих клеток VBNC восстанавливаются до состояния культивирования через 144 часа. Наконец, хотя ИП является индикатором жизнеспособности клеток и должен окрашивать только клетки с поврежденными или проницаемыми мембранами (Strauber and Muller, 2010), в нескольких исследованиях представлены противоречивые данные об использовании ИП для окрашивания жизнеспособности, например, при применении на ранних стадиях. экспоненциальная фаза (Shi et al., 2007). Например, якобы проницаемые для PI-проницаемых клеток Shewanella decolurationis S12, предположительно в состоянии VBNC, наблюдались для восстановления повреждений мембраны и потери силы сигнала PI при переключении их дыхательного метаболизма (Yang et al., 2015). Об этой сложной взаимосвязи между окрашиванием PI и наличием промежуточных состояний клеток сообщалось для нескольких других видов бактерий (Berney et al., 2007). Тем не менее, мы выбрали процедуру окрашивания SYBR Green + PI, поскольку она обычно используется при тестировании жизнеспособности. Подводя итог, мы заключаем, что C. Metallidurans Ch44 действительно уничтожается присутствием пластинки Cu, но в гораздо меньшей степени, чем указано в количестве жизнеспособных, поскольку пластина Cu индуцирует состояние клеток VBNC в части популяции. .

Медные механизмы сопротивления обеспечивают защиту от металлической меди

Мы выдвинули гипотезу, что индукция механизмов сопротивления меди позволяет либо расти, либо реанимировать клетки, подвергшиеся стрессу медью. Для проверки этой гипотезы было проведено два дополнительных эксперимента. В первом аналогичная установка использовалась с штаммом C. Metallidurans AE104. Последний получен из Ch44 путем отверждения его мегаплазмид pMOL28 и pMOL30, которые кодируют большинство функциональных копий его механизмов устойчивости к металлам, включая основные детерминанты сопротивления меди на pMOL30, как подробно описано во введении.Следовательно, его минимальная ингибирующая концентрация (MIC) намного ниже, чем у Ch44 для большинства ионов металлов. Сразу стало очевидным значительное уменьшение количества жизнеспособных клеток на 6 log ₁₀ всего через 1 час в состоянии Cu, которое далее снизилось до предела обнаружения через 3 часа (рис. 1C). Очевидно, что отсутствие механизмов сопротивления металлов на pMOL30 привело к гораздо большей чувствительности к стрессу Cu. Однако через 144 часа количество жизнеспособных бактерий снова увеличилось. Это увеличение проявлялось на разных уровнях и только в двух из трех повторов (дополнительный рисунок 3).Возможно, что в этих репликах произошли мутации или геномные перестройки, которые сняли стресс Cu, как это было ранее показано для цинкового стресса (Vandecraen et al., 2016), но это не было дополнительно исследовано путем повторного тестирования или секвенирования генома. В присутствии нержавеющей стали наблюдается небольшое, но незначительное снижение количества жизнеспособных клеток. Однако это уменьшение гораздо менее резкое, чем в состоянии Cu. В контрольных условиях без планшетов наблюдалось только небольшое снижение количества жизнеспособных клеток в течение эксперимента, которое снова можно было приписать голоданию и медленному переходу в состояние VBNC.Мы действительно наблюдали значительные различия между контрольными условиями экспериментов по выживанию с Ch44 и AE104, начиная через 96 часов. Тем не менее, это видно по различиям в количестве жизнеспособных Ch44 в контрольных экспериментах с чашкой Cu и с ионами (см. Влияние ионов Cu на количество жизнеспособных клеток, p <0,05 через 168 часов), которые можно рассматривать как биологические повторения. , наблюдается это изменение, не связанное с тестируемыми условиями (Рисунки 1A, 5). Проточная цитометрия показала значительное уменьшение фракции непроницаемых клеток только в присутствии Cu начиная с 24 часов (рис. 1D).Эти результаты были сопоставимы с результатами для штамма Ch44 (рисунки 1C, D).

Во втором эксперименте клетки C. Metallidurans Ch44 были предварительно индуцированы нелетальной концентрацией Cu ²⁺ (300 мкМ). Ранее было показано, что эта концентрация индуцирует выработку клетками механизмов устойчивости к Cu (Monchy et al., 2006). Количество жизнеспособных микроорганизмов показало первоначальное небольшое снижение после 5 часов пребывания в состоянии Cu (рис. 1E). Интересно, что они полностью выздоровели через 48 часов.Ясно, что начальный стресс, налагаемый пластиной Cu на предварительно индуцированную популяцию клеток, оказывает меньшее влияние, чем на неиндуцированную популяцию. Уменьшение количества жизнеспособных клеток для предварительно индуцированных клеток можно предположительно приписать разнице в концентрации Cu, испытываемой бактериальными клетками, в сочетании с разницей в среде от MM284 до минеральной воды и снижением плотности клеток с 10 От ⁹ КОЕ / мл до 10 ⁸ КОЕ / мл. Хотя ион Cu преимущественно присутствует в форме меди как в MM284, так и в минеральной воде (Cuppett et al., 2006), концентрация большинства анионных лигандов снижена в последнем, что может привести к различию видов Cu-лигандов, очевидных для бактериальных клеток. Хотя исходные количества жизнеспособных клеток больше никогда не достигаются, предварительно индуцированные клетки C. Metallidurans Ch44 были лучше приспособлены для работы с присутствием чашки Cu. Интересно, что через 48 часов количество жизнеспособных клеток снова уменьшилось, достигнув в конце эксперимента числа, аналогичного количеству неиндуцированных клеток C. Metallidurans Ch44.Мы предполагаем, что метаболическая нагрузка, вызванная постоянной необходимостью в функциональных механизмах устойчивости к Cu, не может поддерживаться в течение длительного времени ни за счет запаса энергии, ни за счет ограниченных АОС, присутствующих в среде. В условиях из нержавеющей стали и в контрольных условиях заметного снижения не наблюдалось (рис. 1E). Данные проточной цитометрии хорошо соответствовали количеству жизнеспособных клеток, и количество событий в непроницаемой зоне в условиях Cu постоянно и значительно выше, чем в любом из неиндуцированных C.Metallidurans Ch44 или AE104 (Рисунки 1B, D, E; p <0,05 для всех образцов между 48 и 96 часами).

Формирование биопленки на металлической меди и нержавеющей стали

В конце эксперимента (216 ч после начала) биопленки визуализировали с помощью флуоресцентной микроскопии. Обширные биопленки были сформированы всеми штаммами на пластинах из нержавеющей стали (рис. 3). Напротив, ни в одном из экспериментов ни с неиндуцированным C. Metallidurans Ch44, AE104, ни с предварительно индуцированным C.Metallidurans Ch44, биопленки могут быть обнаружены на пластинах Cu. На поверхности некоторых пластин были обнаружены отдельные клетки, но это могли быть артефакты недостаточной процедуры промывки. Этот результат снова показал высокую токсичность металлической Cu даже для высокопрочного металла C. Metallidurans . Поскольку токсичность металлической меди также зависит от высвобождения ионов меди с поверхности (Molteni et al., 2010), вполне вероятно, что механизмы сопротивления меди Ch44 играют роль в выживании как в основной жидкой фазе, так и в близком к ней состоянии. близость к металлической поверхности.Наши результаты не опровергают способность Ch44 образовывать биопленки на поверхности меди после более длительного времени инкубации и продолжающейся активации его механизмов сопротивления меди. Образование биопленки на медных трубах после длительного периода инкубации уже наблюдалось даже у менее устойчивых к металлам видов бактерий (Lehtola et al., 2004; Yu et al., 2010; Sarandan et al., 2011; Jungfer et al., 2013). ).

Рис. 3. Формирование биопленки C. Metallidurans Ch44 (левая колонка), C.Metallidurans AE104 без механизмов сопротивления металлов (средний столбец) и C. Metallidurans Ch44, предварительно индуцированный 300 мкМ CuSO ₄ (правый столбец) на меди (верхний ряд) и нержавеющей стали (нижний ряд). Клетки окрашивали SYBR Green и иодидом пропидия и визуализировали с помощью флуоресцентной микроскопии.

Концентрации меди в жидкой фазе

Концентрация меди в жидкой фазе измерялась методом ICP – MS в нескольких временных точках. В условиях меди с Ch44, предварительно индуцированными Ch44 и AE104 концентрация меди постепенно увеличивалась, достигая прибл.400 мкг / л (6,3 мкМ) в конце эксперимента (рис. 4). Кроме того, измерения ICP-MS подтвердили отсутствие остаточной Cu после промывки предварительно индуцированных клеток Ch44 (данные не показаны). Наблюдаемые концентрации Cu были ниже растворимости 1300 мкг / л в минеральной воде при сопоставимом pH (Cuppett et al., 2006) и намного ниже MIC 3 мМ в MM284 (Monsieurs et al., 2011). Однако значения были сопоставимы с теми, которые использовались в ранее упомянутых исследованиях, то есть 1,6 мкМ, где наблюдалось аналогичное быстрое уменьшение количества жизнеспособных клеток.Таким образом, мы предполагаем, что в наших экспериментах токсические эффекты Cu в жидкой фазе играют важную роль, наряду с возможным вкладом уничтожения контактов, в наблюдаемое снижение количества жизнеспособных организмов. Мы предполагаем, что может иметь место общий транспорт ионов Cu от поверхности металлической пластины к бактериальным клеткам и что, вероятно, существует высокий уровень секвестрации Cu клетками, даже с учетом относительно низких концентраций Cu в жидкой фазе из-за гомогенизация концентрационных пограничных слоев путем непрерывного встряхивания и благоприятная ассоциация между ионами Cu и бактериальными клетками (Santo et al., 2012). Это клеточное связывание Cu может привести к значительному стрессу для бактерий. Концентрация Cu в условиях абиотического контроля (т.е. без добавления бактериальных клеток) в среднем ниже, чем в трех биотических условиях, хотя и не является статистически значимой. Таким образом, заметное усиление высвобождения ионов Cu из медной пластины за счет бактериальных взаимодействий не является статистически обоснованным. Ранее было показано, что присутствие бактерий не приводит к более высокой скорости растворения ионов Cu с металлических поверхностей (Mathews et al., 2013). В условиях нержавеющей стали и отсутствия пластины в среде присутствовало очень мало меди, приближаясь к пределу обнаружения измерительного устройства (2 мкг / л – 0,03 мкМ). Присутствие Cr и Ni, основных компонентов нержавеющей стали, кроме железа, не было обнаружено ни в одном из образцов нержавеющей стали.

Рис. 4. Концентрации меди в жидкой фазе для C. Metallidurans Ch44 (синий), C. Metallidurans AE104, без механизмов сопротивления металлов (красный), C.Metallidurans Ch44, предварительно индуцированный 300 мкМ CuSO4 (зеленый), и абиотический контроль (серый), инкубированный в течение 9 дней в присутствии Cu, нержавеющей стали или без металла (контроль).

Влияние ионов Cu на количество жизнеспособных клеток

Затем мы проверили, вызвано ли наблюдаемое снижение количества жизнеспособных количеств в состоянии пластинки Cu токсическим действием ионов Cu в жидкой фазе или тесной ассоциацией с самой поверхностью пластины Cu посредством так называемого «уничтожения контакта». Суспензию Ch44 готовили аналогично первому эксперименту с металлической пластиной, без предварительной индукции механизмов сопротивления Cu.Сульфат меди добавляли в питьевую воду до конечной концентрации 10 мкМ (в диапазоне от концентрации, наблюдаемой в жидкой фазе экспериментов с медной пластиной). Количество жизнеспособных бактерий измеряли в нескольких временных точках в течение 15 дней (рис. 5). Сразу стало очевидным примерно 3-логарифмическое снижение количества жизнеспособных клеток через 3 часа в условиях Cu, чего нельзя было увидеть в контрольных условиях. К 96 часам количество жизнеспособных клеток в состоянии Cu почти полностью восстановилось до контрольных уровней. В то время как подобное быстрое уменьшение количества жизнеспособных клеток после добавления ионов Cu наблюдается у многих видов бактерий, последующего восстановления или возобновления роста без добавления хелатирующего агента нет (Dwidjosiswojo et al., 2011; Цзян и др., 2016; Кан и др., 2019). При сравнении этих данных с данными экспериментов с медной пластиной кажется, что индукция механизмов сопротивления Cu также играет важную роль в этой установке, позволяя полностью вернуться к уровням контрольных условий. Напротив, постепенное уменьшение количества жизнеспособных микроорганизмов, наблюдаемое в эксперименте с пластиной Cu через 144 часа, здесь не наблюдалось, что указывает на токсический эффект либо через уничтожение контактов, либо за постепенное высвобождение ионов Cu из металлической пластины по мере того, как замкнутая система стремится к химическому воздействию. равновесие.

Рис. 5. Количество жизнеспособных бактерий C. Metallidurans Ch44 в питьевой воде с 10 мкМ CuSO или без нее. ₄.

Влияние состава среды на индукцию механизмов сопротивления меди

Как показано выше, наличие механизмов устойчивости к Cu играет важную роль в выживании бактериальных клеток при влажном контакте с металлической Cu. Однако, несмотря на индукцию этих механизмов устойчивости, клетки все еще гибнут или инактивируются, как показывают подсчеты жизнеспособных клеток и проточная цитометрия.Таким образом, мы предполагаем, что этой индукции препятствует небольшое количество доступных питательных веществ и источников энергии.

Для проверки этой гипотезы использовали штамм биосенсора Cu C. campinensis AE1239, который тесно связан с C. Metallidurans Ch44. Он излучает биолюминесцентный сигнал при индукции генов устойчивости к Cu. В первом эксперименте мы измерили биолюминесценцию суспензии AE1239 на пластинах из меди и нержавеющей стали (дополнительный рисунок 4).Поскольку ионы Cu растворялись быстро и сильно, когда пластины Cu помещали в среду для выращивания MM284, это нельзя было использовать в качестве положительного контроля. Поэтому сначала была оптимизирована установка на пластине из нержавеющей стали с использованием суспензии клеток в MM284 с добавлением CuSO ₄ до конечной концентрации 100 мкМ. Это явно давало индукцию с максимальной интенсивностью, достигаемой примерно через 220 мин после начала индукции. Без CuSO ₄ индукция не измерялась. При стирке с.campinensis Клетки AE1239 ресуспендировали в стерильной минеральной воде и переносили пипеткой на пластину из нержавеющей стали, индукцию не измеряли с CuSO ₄ с концентрациями 0, 10 или 100 мкМ. Когда суспензию клеток в стерильной минеральной воде пипеткой наносили на поверхность медной пластины, индукция снова не измерялась в течение 4 часов измерения.

Во второй установке мы проверили влияние различных концентраций CuSO ₄ на индукцию механизмов сопротивления Cu в MM284 и стерильной минеральной воде с различными уровнями глюконата и Na ₂ HPO ₄ (дополнительный рисунок 5).Четкая реакция на стресс Cu была видна в MM284 с 10 и 100 мкМ CuSO ₄ с максимальной индукцией через 150 мин после добавления Cu. Интересно, что независимо от добавления CuSO ₄, глюконата или Na ₂ HPO ₄, в минеральной воде индукции не наблюдалось. Похоже, что для создания измеримого ответа на стресс Cu необходимы дополнительные питательные вещества, помимо источника клеточной энергии.

Заключение

Мы оценили кинетику инактивации C.Metallidurans Ch44 при контакте с металлической Cu в питьевой воде. Хотя в течение нескольких часов наблюдалось быстрое снижение количества жизнеспособных клеток, это, вероятно, результат перехода в поврежденное состояние или состояние VBNC. Через несколько дней количество жизнеспособных бактерий вернулось к контрольному уровню, чего не было для других видов бактерий. Вероятно, это связано с медленной индукцией механизмов устойчивости к Cu, о чем свидетельствует отсутствие восстановления / повторного роста штамма AE104 (излеченного от большинства детерминант устойчивости к Cu) и быстрого восстановления / повторного роста культуры Ch44 с предварительно индуцированными механизмами устойчивости. .Основываясь на аналогичной кинетике инактивации в установке, дополненной ионной Cu, мы предполагаем, что токсический эффект ионов Cu в жидкой фазе играет более важную роль, чем так называемое «уничтожение контакта». Эти результаты требуют осторожности при интерпретации растущего числа доказательств, подчеркивающих антимикробные свойства металлической Cu, особенно в контексте производства и хранения питьевой воды (Vincent et al., 2016). Металлоустойчивые штаммы бактерий, многие из которых принадлежат к роду Cupriavidus , во многих случаях были изолированы из водных источников (Manaia et al., 1990; Пинди и др., 2013; Berthiaume et al., 2014). Во время космических полетов, когда оцениваются антимикробные свойства металлической меди, чтобы обеспечить длительную инактивацию стойкого микробного загрязнения, штаммы C. Metallidurans были изолированы из питьевой воды в ходе нескольких кампаний по отбору проб (Pierson, 2001; Baker and Leff, 2004; Отт и др., 2004). Поскольку индукция устойчивости к Cu обеспечивает явное преимущество в выживании на металлической Cu или рядом с ней, возникает вопрос, в какой степени детерминанты устойчивости могут передаваться другим видам бактерий или защищать их.Кроме того, часто сообщается о совместном выборе устойчивости к металлам и устойчивости к антибиотикам (Baker-Austin et al., 2006; Stepanauskas et al., 2006; Dickinson et al., 2019; Nguyen et al., 2019). Одним из способов повышения эффективности уничтожения металлической Cu могло бы быть ограничение существующих уровней АОС, необходимых бактериям для синтеза и активации этих детерминант устойчивости. Последний вопрос, требующий дальнейших исследований, как здесь, так и во многих аналогичных публикациях (рассмотренных в Bogosian and Bourneuf, 2001), заключается в том, каким образом реанимация сублетально поврежденных клеток и клеток VBNC отличается от повторного роста небольшой фракции выживших клеток. .

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, представленные в этом исследовании, включены в статью / Дополнительные материалы.

Авторские взносы

LM, J-YM и RV внесли свой вклад в концепцию и дизайн исследования. LM и IC выполнили экспериментальную работу. LM и JC провели анализ данных. Л. М. написал первый черновик рукописи. Все авторы внесли свой вклад в доработку рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

LM был профинансирован Специальным фондом исследований UNamur.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Андру Мариссен за выполнение исследовательских экспериментов, которые привели к этой публикации.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: //www.frontiersin.org / article / 10.3389 / fmicb.2020.01208 / full # additional-material

Список литературы

Бейкер П. У. и Лефф Л. (2004). Влияние симулированной микрогравитации на бактерии с космической станции «мир». Microgravity Sci. Technol. 15, 35–41.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Бейкер-Остин К., Райт М. С., Степанаускас Р. и Макартур Дж. В. (2006). Совместный выбор антибиотиков и устойчивости к металлам. Trends Microbiol. 14, 176–182.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Баласубраманян, Р., Кенни, Г. Э., и Розенцвейг, А. К. (2011). Двойные пути поглощения меди метанотрофными бактериями. J. Biol. Chem. 286, 37313–37319. DOI: 10.1074 / jbc.M111.284984

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Берни М., Хэммс Ф., Босхард Ф., Вейленманн Х. У. и Эгли Т. (2007). Оценка и интерпретация жизнеспособности бактерий с помощью набора LIVE / DEAD BacLight Kit в сочетании с проточной цитометрией. Заявл. Environ. Microbiol. 73, 3283–3290.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Berthiaume, C., Gilbert, Y., Fournier-Larente, J., Pluchon, C., Filion, G., Jubinville, E., et al. (2014). Идентификация дихлоруксусной кислоты, разлагающей бактерии Cupriavidus в модели сети распределения питьевой воды. J. Appl. Microbiol. 116, 208–221. DOI: 10.1111 / jam.12353

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сервантес, Х.И., Альварес, Дж. А., Муньос, Дж. М., Аррегин, В., Москеда, Дж. Л., и Масиас, А. Е. (2013). Антимикробная активность меди против организмов в водном растворе: на примере медных водопроводов в больницах? Am. J. Infect. Контроль 41, e115 – e118. DOI: 10.1016 / j.ajic.2013.03.309

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коллард, Дж. М., Корбизье, П., Дильс, Л., Донг, К., Жантон, К., Мергей, М., и др. (1994). Плазмиды на устойчивость к тяжелым металлам в Alcaligenes eutrophus Ch44: механизмы и приложения. FEMS Microbiol. Ред. 14, 405–414.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Цуй, З., Ибрагим, М., Янг, К., Фанг, Ю., Аннам, Х., Ли, Б. и др. (2014). Восприимчивость условно-патогенных бактерий Burkholderia glumae к медным поверхностям при контакте с влажными или сухими поверхностями. Molecules 19, 9975–9985. DOI: 10.3390 / молекулы1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Куппет, Дж. Д., Дункан, С. Э., и Дитрих, А.М. (2006). Оценка состава меди и факторов качества воды, которые влияют на реакцию на дегустацию водной меди. Chem. Чувства 31, 689–697.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Дикинсон, А. В., Пауэр, А., Хансен, М. Г., Брандт, К. К., Пилипосян, Г., Эпплби, П. и др. (2019). Загрязнение тяжелыми металлами и совместный отбор на устойчивость к антибиотикам: подход микробной палеонтологии. Environ. Int. 132: 105117. DOI: 10.1016 / j.envint.2019.105117

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dollwet, H.Х. А. и Соренсон Дж. Р. Дж. (1985). Историческое использование соединений меди в медицине. Trace Elem. Med. 2, 80–87.

Google Scholar

Допп, Э., Ричард, Дж., Двиджосисвойо, З., Саймон, А., и Вингендер, Дж. (2017). Влияние индуцированного медью жизнеспособного, но не культивируемого состояния на токсичность Pseudomonas aeruginosa по отношению к эпителиальным клеткам бронхов человека in vitro. Внутр. J. Hyg. Environ. Здоровье 220, 1363–1369. DOI: 10.1016 / j.ijheh.2017.09.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dwidjosiswojo, Z., Richard, J., Moritz, M. M., Dopp, E., Flemming, H.C, and Wingender, J. (2011). Влияние ионов меди на жизнеспособность и цитотоксичность Pseudomonas aeruginosa в условиях окружающей среды с питьевой водой. Внутр. J. Hyg. Environ. Здоровье 214, 485–492. DOI: 10.1016 / j.ijheh.2011.06.004

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Экичи, С., Янг, Х., Кох, Х. Г., и Далдал, Ф. (2012). Новый переносчик, необходимый для биогенеза cbb 3-типа цитохрома c оксидазы в Rhodobacter capsulatus . мБио 3: e00293-11.

Google Scholar

Эльгинди, Дж., Вагнер, Дж., И Ренсинг, К. (2009). Гены, участвующие в устойчивости к меди, влияют на выживаемость Pseudomonas aeruginosa на медных поверхностях. J. Appl. Microbiol. 106, 1448–1455. DOI: 10.1111 / j.1365-2672.2009.04148.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эспириту-Санто, К., Лам, Э. У., Еловски, К. Г., Кваранта, Д., Домай, Д. В., Чанг, К. Дж. И др. (2011). Убивает бактерии сухими металлическими медными поверхностями. Заявл. Environ. Microbiol. 77, 794–802. DOI: 10.1128 / AEM.01599-10

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эспириту Санто, К., Таудте, Н., Нис, Д. Х., и Грасс, Г. (2008). Вклад устойчивости к ионам меди в выживаемость Escherichia coli на металлических медных поверхностях. Заявл. Environ. Microbiol. 74, 977–986.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Фаундес, Г., Тронкосо, М., Наваретт, П., и Фигероа, Г. (2004). Антимикробная активность медных поверхностей в отношении суспензий Salmonella enterica и Campylobacter jejuni . BMC Microbiol. 4:19. DOI: 10.1186 / 1471-2180-4-19

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хонг, Р., Канг, Т. Ю., Михельс, К.А., Гадура Н. (2012). Перекисное окисление мембранных липидов при контактном уничтожении Escherichia coli, опосредованном медным сплавом, . Заявл. Environ. Microbiol. 78, 1776–1784. DOI: 10.1128 / AEM.07068-11

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jiang, N., Lv, Q.Y., Xu, X., Cao, Y.S, Walcott, R.R., Li, J.Q., et al. (2016). Индукция жизнеспособного, но некультивируемого состояния у Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis и in planta реанимация клеток на проростках томатов. Plant Pathol. 65, 826–836.

Google Scholar

Jungfer, C., Friedrich, F., Varela Villarreal, J., Brandle, K., Gross, H.J, Obst, U., et al. (2013). Биопленки питьевой воды на меди и нержавеющей стали демонстрируют специфические молекулярные отклики на различные режимы дезинфекции на гидротехнических сооружениях. Биообрастание 29, 891–907. DOI: 10.1080 / 08927014.2013.813936

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кан, Ю., Цзян, Н., Xu, X., Lyu, Q., Gopalakrishnan, V., Walcott, R., et al. (2019). Индукция и реанимация жизнеспособного, но не культивируемого (VBNC) состояния у Acidovorax citrulli , возбудителя бактериальной пятнистости плодов бахчевых культур. Фронт. Microbiol. 10: 1081. DOI: 10.3389 / fmicb.2019.01081

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карчевска А., Милко К. (2010). Влияние хелатирующих агентов на растворимость меди, свинца и цинка в загрязненных почвах и хвостах медной промышленности. Ecol. Chem. Англ. 17, 395–403.

Google Scholar

Ли, Д.-Г., Пак, С.Дж., и Ким, С.-Дж. (2007). Влияние материалов труб и клеток VBNC на культивируемые бактерии в модельной системе хлорированной питьевой воды. J. Microbiol. Biotechnol. 17, 1558–1562.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Лехтола, М. Дж., Миеттинен, И. Т., Кейнанен, М. М., Кекки, Т. К., Лайне, О., Хирвонен, А. и др. (2004). Микробиология, химия и развитие биопленки в пилотной системе распределения питьевой воды с медными и пластиковыми трубами. Water Res. 38, 3769–3779.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Лемир, Дж. А., Харрисон, Дж. Дж., И Тернер, Р. Дж. (2013). Антимикробная активность металлов: механизмы, молекулярные мишени и области применения. Нат. Rev. Microbiol. 11, 371–384.

Google Scholar

Ли, Л., Мендис, Н., Тригуи, Х., Оливер, Дж. Д., и Фаучер, С. П. (2014). Важность жизнеспособного, но некультивируемого состояния бактериальных патогенов человека. Фронт.Microbiol. 5: 258. DOI: 10.3389 / fmicb.2014.00258

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лин Ю.-С., Видич Р. Д., Стаут Дж. Э. и Ю. В. Л. (1996). Индивидуальные и комбинированные эффекты ионов меди и серебра на инактивацию Legionella pneumophila . Water Res. 30, 1905–1913.

Google Scholar

Люткенхаус, Дж. Ф. (1977). Роль основного белка внешней мембраны в Escherichia coli . J. Bacteriol. 131, 631–637.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Макомбер, Л., Имлай, Дж. А. (2009). Железно-серные кластеры дегидратаз являются первичными внутриклеточными мишенями токсичности меди. Proc. Natl. Акад. Sci. США 106, 8344–8349. DOI: 10.1073 / pnas.0812808106

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макомбер Л., Ренсинг К. и Имлей Дж. А. (2007). Внутриклеточная медь не катализирует образование окислительного повреждения ДНК у Escherichia coli . J. Bacteriol. 189, 1616–1626.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Манайя, К. М., Нуньес, О. К., Мораис, П. В., и Да Коста, М. С. (1990). Подсчет гетеротрофных пластин и выделение бактерий из минеральных вод на селективных и обогащающих средах. J. Appl. Бактериол. 69, 871–876.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Мэтьюз, С., Ханс, М., Маклич, Ф., и Солиоз, М. (2013). Контактное уничтожение бактерий на меди подавляется, если предотвращается контакт бактерий с металлом, и индуцируется на железе ионами меди. Заявл. Environ. Microbiol. 79, 2605–2611. DOI: 10.1128 / AEM.03608-12

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мергей М., Хуба К. и Гериц Дж. (1978). Внехромосомное наследование, контролирующее устойчивость к ионам кобальта, кадмия, меди и цинка: данные лечения на Pseudomonas . Arch. Int. Physiol. Биохим. 86, 440–441.

Google Scholar

Мергей, М., Нис, Д. Х., Шлегель, Х. Г., Гериц, Дж., Чарльз, П., и Ван Гийсегем, Ф. (1985). Alcaligenes eutrophus Ch44 — факультативный хемолитотроф с плазмидной резистентностью к тяжелым металлам. J. Bacteriol. 162, 328–334.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Михельс, Х. Т., Нойс, Дж. О., Кивил, К. У. (2009). Влияние температуры и влажности на эффективность метициллин-устойчивого Staphylococcus aureus было проверено противомикробными материалами, содержащими серебро и медь. Lett. Прил. Microbiol. 49, 191–195. DOI: 10.1111 / j.1472-765X.2009.02637.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Молтени, К., Абихт, Х. К., и Солиоз, М. (2010). В уничтожении бактерий медными поверхностями участвует растворенная медь. Заявл. Environ. Microbiol. 76, 4099–4101. DOI: 10.1128 / AEM.00424-10

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Monchy, S., Benotmane, M. A., Janssen, P., Vallaeys, T., Тагави, С., Ван дер Лели, Д., и др. (2007). Плазмиды pMOL28 и pMOL30 из Cupriavidus Metallidurans специализируются на максимально жизнеспособном ответе на тяжелые металлы. J. Bacteriol. 189, 7417–7425.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Монши, С., Бенотман, М.А., Ваттис, Р., Ван Элст, С., Окье, В., Борреманс, Б. и др. (2006). Транскриптомный и протеомный анализ устойчивости к меди, кодируемой pMOL30, у штамма Ch44 Cupriavidus Metallidurans . Микробиология 152, 1765–1776. DOI: 10.1099 / mic.0.28593-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Месье П., Мурс Х., Ван Хоудт Р., Янссен П. Дж., Янссен А., Конинкс И. и др. (2011). Устойчивость к тяжелым металлам у Cupriavidus Metallidurans Ch44 регулируется сложной транскрипционной сетью. Biometals 24, 1133–1151. DOI: 10.1007 / s10534-011-9473-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мора, М., Перрас А., Алехова Т.А., Винк Л., Краузе Р., Александрова А. и др. (2016). Устойчивые микроорганизмы в образцах пыли Международной космической станции-выживание специалистов по адаптации. Микробиом 4, 1–21. DOI: 10.1186 / s40168-016-0217-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нгуен, К. К., Хьюги, К. Н., Киле, М. Л., и Наваб-Данешманд, Т. (2019). Связь между тяжелыми металлами и устойчивыми к антибиотикам патогенами человека в резервуарах окружающей среды: обзор. Фронт. Environ. Sci. Англ. 13:46. DOI: 10.1007 / s11783-019-1129-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Новаковска Дж., Оливер Дж. Д. (2013). Устойчивость к стрессам окружающей среды за счет Vibrio vulnificus в жизнеспособном, но некультивируемом состоянии. FEMS Microbiol. Ecol. 84, 213–222. DOI: 10.1111 / 1574-6941.12052

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Орман, М. А., Бринильдсен, М. П. (2013).Создание метода быстрого анализа метаболизма персистеров бактерий. Антимикробный. Агенты Chemother. 57, 4398–4409. DOI: 10.1128 / AAC.00372-13

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Отт, К. М., Брюс, Р. Дж., И Пирсон, Д. Л. (2004). Микробиологическая характеристика свободно плавающего конденсата на борту космической станции «Мир». Microb. Ecol. 47, 133–136.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Пирсон, Д. Л.(2001). Микробное заражение космических аппаратов. Gravit. Space Biol. Бык. 14, 1–6.

Google Scholar

Пинди П. К., Ядав П. Р. и Шанкер А. С. (2013). Выявление условно-патогенных бактерий в пробах питьевой воды в различных сельских медицинских центрах и их клиническое воздействие на человека. Biomed Res. Int. 2013: 348250. DOI: 10.1155 / 2013/348250

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Реквизит, р., Месье, П., Майсара, М., Клемент, Л., и Бун, Н. (2016). Измерение биоразнообразия микробных сообществ с помощью проточной цитометрии. Methods Ecol. Evol. 7, 1376–1385.

Google Scholar

Сан, К., Лонг, Дж., Михельс, К. А., и Гадура, Н. (2015). Антимикробные поверхности из медного сплава эффективны против вегетативных, но не спорулированных клеток грамположительных клеток Bacillus subtilis . Microbiologyopen 4, 753–763. DOI: 10.1002 / mbo3.276

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Санто, К.Э., Каранта Д. и Грасс Г. (2012). Антимикробные металлические медные поверхности убивают Staphylococcus haemolyticus через повреждение мембран. Microbiologyopen 1, 46–52. DOI: 10.1002 / mbo3.2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сарандан, М., Морар, А., Сала, К., Скурту, М., Декун, М., и Морвей, А. А. (2011). Образование биопленки на материалах, обычно используемых в бытовых системах питьевой воды. Водоснабжение 11, 252–257.

Google Scholar

Шоттроф, Ф., Frohling, A., Zunabovic-Pichler, M., Krottenthaler, A., Schluter, O., and Jager, H. (2018). Сублетальное повреждение и жизнеспособное, но некультивируемое состояние (VBNC) у микроорганизмов во время консервирования пищевых продуктов и биологических материалов нетепловыми процессами. Фронт. Microbiol. 9: 2773. DOI: 10.3389 / fmicb.2018.02773

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ши, Л., Гюнтер, С., Хубшманн, Т., Вик, Л. Ю., Хармс, Х., Мюллер, С. (2007). Пределы йодида пропидия как индикатора жизнеспособности клеток экологических бактерий. Cytometry A 71, 592–598.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Степанаускас Р., Гленн Т. К., Ягоэ К. Х., Такфилд Р. К., Линделл А. Х., Кинг, К. Дж. И др. (2006). Совместная селекция на устойчивость микробов к металлам и антибиотикам в пресноводных микрокосмах. Environ. Microbiol. 8, 1510–1514.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Тиан, В. X., Ю, С., Ибрагим, М., Алмонафи, А. В., Хе, Л., Хуэй, К., и др. (2012). Медь как противомикробное средство против условно-патогенных бактерий и бактерий с множественной лекарственной устойчивостью Enterobacter . J. Microbiol. 50, 586–593. DOI: 10.1007 / s12275-012-2067-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вандекрэн, Дж., Месье, П., Мержей, М., Лейс, Н., Аэрцен, А., и Ван Хоудт, Р. (2016). Индуцированная цинком транспозиция элементов инсерционной последовательности способствует повышенной адаптивности Cupriavidus Metallidurans . Фронт. Microbiol. 7: 359. DOI: 10.3389 / fmicb.2016.00359

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Винсент, М., Дюваль, Р. Э., Хартеманн, П., Энгельс-Дойч, М. (2018). Контактные убийственные и антимикробные свойства меди. J. Appl. Microbiol. 124, 1032–1046. DOI: 10.1111 / jam.13681

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Варнес, С. Л., Кейвс, В., Кивил, К. У. (2012). Механизм поверхностной токсичности меди у Escherichia coli O157: H7 и Salmonella включает немедленную деполяризацию мембраны с последующей более медленной скоростью разрушения ДНК, которая отличается от наблюдаемой для грамположительных бактерий. Environ. Microbiol. 14, 1730–1743. DOI: 10.1111 / j.1462-2920.2011.02677.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг Ю., Сян Ю. и Сюй М. (2015). От красного к зеленому: проницаемая для йодида пропидия мембрана Shewanella decolurationis S12 подлежит ремонту. Sci. Реп. 5: 18583. DOI: 10.1038 / srep18583

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Е, К., Лин, Х., Чжан, М., Чен, С., и Ю. X. (2020). Характеристика и потенциальные механизмы VBNC Escherichia coli с высокой толерантностью к антибиотикам, индуцированной низким уровнем хлорирования. Sci. Rep. 10: 1957. DOI: 10.1038 / s41598-020-58106-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю., Дж., Ким, Д., и Ли, Т. (2010). Разнообразие микробов в биопленках на водопроводных трубах из различных материалов. Water Sci. Technol. 61, 163–171. DOI: 10.2166 / июль 2010 г.813

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Устойчивость к меди необходима для вирулентности Mycobacterium tuberculosis

Abstract

Медь (Cu) необходима для многих биологических процессов, но токсична, когда присутствует в чрезмерных количествах. В этом исследовании мы приводим доказательства того, что Cu играет решающую роль в борьбе с туберкулезом. Мутант Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), лишенный белка канала внешней мембраны Rv1698, накапливал в 100 раз больше Cu и был более чувствителен к токсичности Cu, чем WT Mtb .Сходные фенотипы наблюдались для мутанта M. smegmatis , лишенного гомолога Ms3747, демонстрируя, что эти микобактериальные транспортные белки B (MctB) важны для устойчивости к Cu и поддержания низких внутриклеточных уровней Cu. Морские свинки ответили на инфекцию Mtb увеличением концентрации Cu в поражениях легких. Потеря MctB привела к снижению бактериальной нагрузки в легких и лимфатических узлах соответственно в 1000 и 100 раз у морских свинок, инфицированных Mtb .У мышей нарушение устойчивости мутанта Mtb mctB усугублялось добавлением Cu в рацион. Эти эксперименты предоставляют доказательства того, что Cu используется млекопитающим-хозяином для борьбы с инфекцией Mtb и что механизмы устойчивости к Cu имеют решающее значение для вирулентности Mtb . Важно отметить, что Mtb гораздо более восприимчив к Cu, чем другие бактерии, и убивается in vitro за счет более низких концентраций Cu, чем те, которые обнаруживаются в фагосомах макрофагов. Следовательно, это исследование показывает ахиллесову пятку Mtb , которая может быть многообещающей мишенью для химиотерапии туберкулеза.

Одним из наиболее опасных возбудителей заболеваний для человечества является Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). Ключевым компонентом иммунного ответа на Mtb является IFN-γ-опосредованная активация макрофагов, приводящая к эффективному созреванию фагосом с повышенной способностью убивать внутриклеточные патогены за счет использования ряда гидролитических ферментов, бактерицидных пептидов и реактивного кислорода и промежуточные соединения азота (1). Белки меди (Cu) широко используются в реакциях переноса электрона в присутствии кислорода из-за высокого окислительно-восстановительного потенциала Cu (II) / Cu (I) (2).Следовательно, Cu является важным питательным веществом для многих бактерий, но он также токсичен из-за катализируемого Cu (I) образования гидроксильных радикалов из перекиси водорода или других механизмов (3). Чтобы избежать любых свободных ионов Cu, клетки используют Cu-специфические шапероны, запасные белки и системы оттока (4). Ранние наблюдения показали, что токсичность свободной Cu (I) в присутствии перекиси водорода может использоваться иммунной системой человека для борьбы с бактериальными патогенами (5, 6). Недавние эксперименты с макрофагами in vitro показали, что IFN-γ стимулирует транспортировку переносчика Cu ATP7A к везикулам, которые сливаются с фагосомами, увеличивая в них содержание Cu и их бактерицидную активность против Escherichia coli (7).Первым признаком того, что иммунная система может использовать Cu также для контроля роста микобактерий, было обнаружение значительного увеличения концентрации Cu в фагосомном компартменте макрофагов, инфицированных M. avium (8).

Анализ транскриптома идентифицировал 30 Cu-чувствительных генов в Mtb (9), предполагая, что Mtb сталкивается с критическими концентрациями Cu в течение своего жизненного цикла. Ген ctpV ( rv0969 ) является частью Cu-индуцированного оперона, контролируемого транскрипционным регулятором CsoR (10), и, вероятно, кодирует Cu-специфический насос оттока внутренней мембраны (9, 10).Однако мутант ctpV не обнаружил явного дефекта вирулентности у мышей и морских свинок (11). Кроме того, Mtb продуцирует металлотионин MymT, небольшой белок, который связывает до шести ионов Cu (I) и частично защищает Mtb от токсичности Cu (12). Отсутствие MymT также не снижает вирулентность Mtb у мышей (12). Эти исследования показывают, что механизмы устойчивости к Cu существуют в Mtb . Однако неизвестно, достаточны ли концентрации Cu в фагосомах для уничтожения Mtb in vivo и насколько важны защитные механизмы Cu для вирулентности Mtb .

Здесь мы представляем доказательства того, что белок канала внешней мембраны Rv1698 (13) является частью механизма устойчивости к Cu, который обеспечивает низкие уровни внутриклеточной Cu в Mtb и защищает бактерии от токсического воздействия избытка Cu. Важно отметить, что мы показываем, что Rv1698 необходим для полной вирулентности Mtb у морских свинок и что морские свинки реагируют на инфекции Mtb увеличением концентрации Cu в поражениях легких. Это исследование предоставляет экспериментальные доказательства того, что устойчивость к Cu имеет решающее значение для выживания Mtb у животных-хозяев, устанавливает Cu в качестве антимикобактериального инструмента, используемого иммунной системой, и определяет механизм устойчивости, с помощью которого избыток ионов Cu ограничивается внутри бактерии.

Рукописный текст

Для изучения физиологических функций белка канала внешней мембраны Rv1698 Mtb и его гомолога в M. smegmatis, Ms3747, мы сконструировали M. smegmatis мутант ML77, лишенный экспрессии ms3747. ген ( SI Приложение , рис. S1 A и B ). Эксперименты вестерн-блоттинга продемонстрировали отсутствие белка Ms3747 в детергентных экстрактах ML77 (фиг. 1 A ).ML77 обнаружил серьезный дефект роста на чашках с агаром Миддлбрук 7h20. Этот фенотип был восстановлен путем экспрессии ms3747 или rv1698 ( SI Приложение , рис. S2). Удивительно, но ML77 рос аналогично WT M. smegmatis SMR5 в среде Лурия-Бертани (LB), что указывает на то, что ML77 не имеет общего дефекта роста, а скорее может быть более восприимчивым к токсическому соединению, присутствующему в агаре Миддлбрука 7h20. Действительно, ML77, как и WT M. smegmatis , рос на чашках из агара 7h20 без добавления меди (рис.1 B ), но ухудшалось в присутствии 25 мкМ CuSO ₄ (рис. 1 B ), демонстрируя, что недостаток Ms3747 делает M. smegmatis чувствительным к меди. Этот фенотип был отменен экспрессией ms3747 или rv1698 ( SI Приложение , рис. S2), что указывает на то, что чувствительность ML77 к Cu была вызвана исключительно отсутствием Ms3747 и что гомолог Mtb Rv1698 имеет аналогичную функцию.

Рис.1.

MctB необходим для устойчивости к меди и поддержания низкой внутриклеточной концентрации меди в M. smegmatis . ( A ) Экспрессия ms3747 в M. smegmatis . Белки экстрагировали 2% SDS из WT M. smegmatis , мутанта ms3747 ML77 и ML77, дополненного вектором экспрессии pML451 ms3747 . Белки определяли с помощью вестерн-блоттинга с использованием моноклонального антитела 5D1.23. ( B ) Серийные разведения культур M.smegmatis SMR5 (WT), ML77 (Δ mctB ) и ML77 с добавлением mctB были нанесены на чашки с агаром 7h20 без или с CuSO4 в концентрации 25 мкМ. ( C ) M. smegmatis SMR5 (черные столбцы) и мутант ML77 Δ ms3747 (серые столбцы) были выращены в самодельной среде Миддлбрука 7H9 с 0, 6,3 или 25 мкМ CuSO ₄. Образцы отбирали после выращивания в течение 36 ч. Медь определяли путем измерения поглощения комплекса Cu (II) –дитизон при 553 нм.

Минимальные ингибирующие концентрации 100 и 250 мкг / мл CuSO ₄ на чашках с агаром 7h20 были определены для ML77 и WT M. smegmatis , соответственно ( SI Приложение , рис. S3). Концентрации 200 мкМ AgNO ₃ также нарушали рост ML77 по сравнению с WT M. smegmatis , тогда как HgCl ₂ и CoCl ₂ не влияли ( SI Приложение , рис. S4). Эти результаты показали, что Ms3747 необходим для нормального роста M.smegmatis в присутствии повышенных концентраций ионов Cu (II) и Ag (I).

ML77 в жидких культурах Миддлбрука 7H9 образовывал большие скопления, в отличие от родительского штамма WT ( SI, приложение , рис. S5). Подобный фенотип часто вызывается повышенной гидрофобностью клеточной поверхности. Однако полный липидный анализ не выявил каких-либо различий между WT M. smegmatis и ML77. Кроме того, гидрофобность поверхности не изменилась, как определено адсорбцией Конго Ред.Эти результаты предполагают специфический дефект ML77, выращенного в жидкой среде 7H9, в отличие от общего дефекта в архитектуре мембраны или липидных свойствах.

Чтобы изучить, как Ms3747 способствует устойчивости к Cu M. smegmatis, WT M. smegmatis и ms3747 мутант ML77 выращивали в отсутствие или в присутствии 6,3 или 25 мкМ Cu в самодельной среде 7H9. , а содержание Cu в клеточных лизатах определяли путем измерения Cu (II) -специфических изменений абсорбции дитизона (14).Содержание Cu в M. smegmatis WT не изменялось независимо от внешней концентрации Cu (II). Напротив, содержание Cu в ML77 увеличивалось в 11 раз при 25 мкМ внешней Cu (II) (рис. 1 C ). Эти результаты показывают, что Ms3747 участвует в поддержании низких гомеостатических уровней внутриклеточной меди.

Дополнение чувствительности Cu мутанта ms3747 rv1698 и ms3747 ( SI Приложение , рис. S2), канальной активности Rv1698 in vitro (13) и того факта, что канал внешней мембраны белки участвуют в транспортных процессах, это указывает на то, что эти белки участвуют в транспорте меди.Отток — известный механизм устойчивости к меди у других бактерий (15). Поэтому мы предлагаем назвать эти белки MctB (микобактериальный транспортный белок B Cu).

Чтобы изучить функцию mctB в Mtb , мы сконструировали мутант аналогично тому, как это было сделано для M. smegmatis (рис. 2 A ). Немаркированный мутант mctB Mtb ML256 был подтвержден с помощью специфических рестрикционных перевариваний ( SI, приложение , фиг. S6) и секвенирования фрагмента ПЦР, амплифицированного из хромосомной ДНК.Для получения MctB-специфического антитела гибридомы были созданы из В-клеток, собранных от мышей, иммунизированных рекомбинантным белком Mtb MctB, очищенным из E. coli . Моноклональное антитело 5D1.23 было единственным антителом, которое распознало белки MctB как из Mtb , так и из M. smegmatis . Вестерн-блоттинг с использованием антитела 5D1.23 показал, что mctB экспрессируется в Mtb h47Rv, выращенном в среде Миддлбрука 7H9, но отсутствует в ML256 (рис.2 Б ). Экспрессия mctB _Mtb была восстановлена путем интеграции плазмиды pML955 ( SI, приложение , таблица S2) в сайт attB микобактериофага L5 (фиг. 2 B ). Разницы в росте не наблюдали для WT Mtb , ML256 (Δ mctB ) и ML257 (Δ mctB , attB _L5 :: mctB _Mtb ) на чашках с агаром 7h21 Рис.2 C ), демонстрируя, что отсутствие mctB не вызывает общего дефекта роста в Mtb .Однако в присутствии 150 мкМ CuSO ₄ мутант mctB ML256 показал серьезный дефект роста в отличие от WT Mtb (фиг. 2 C ). Рост ML256 в присутствии CuSO ₄ был частично восстановлен экспрессией mctB _Mtb (фиг. 2 C ). Этот результат согласуется с шестикратным снижением уровня белка MctB _Mtb по сравнению с WT Mtb , как определено количественной оценкой вестерн-блоттинга белковых экстрактов (рис.2 Б ). Ингибирование роста мутанта mctB ML256 под действием Cu было даже более выраженным в жидкой среде. Без Cu все штаммы росли с одинаковой скоростью, тогда как мутант mctB не рос в присутствии 100 мкМ CuSO ₄ в отличие от WT Mtb и дополненного мутанта (рис. 2 D ).

Рис. 2.

MctB необходим для устойчивости к меди и поддержания низкой внутриклеточной концентрации меди в M. tuberculosis .( A ) Схематическое изображение хромосомной области rv1698 M. tuberculosis h47Rv (WT). Фрагмент длиной 39 п.н. был заменен сайтом loxP длиной 45 п.н. в 5′-части гена, вводящего стоп-кодоны во всех трех рамках считывания, с целью конструирования мутанта с делецией rv1698 ML256 путем гомологичной рекомбинации. Гены нарисованы в масштабе. ( B ) Экспрессия mctB в Mtb . Белки экстрагировали 2% SDS из WT Mtb и мутанта mctB ML256.ML257 является производным ML256, несущим интегрирующий вектор экспрессии mctB pML955. Белки определяли с помощью вестерн-блоттинга с использованием MctB-специфического моноклонального антитела 5D1.23. ( C ) Восприимчивость к меди. Последовательные разведения лог-фазовых культур Mtb h47Rv (WT), ML256 (Δ mctB ) и ML257 ( + mctB ) наносили на агаре 7h21 / OADC без или с CuSO ₄ в концентрации 150 мкМ. ( D ) Дефект роста мутанта Mtb Δ mctB . Mtb WT, мутант Δ mctB ML256 и комплементированный мутант ML257 выращивали в среде 7h20 с добавлением пептона (1 г / л) с или без 100 мкМ CuSO ₄. Оптическую плотность при 600 нм измеряли в указанные моменты времени. ( E ) Mtb (черные столбцы), Δ mctB мутант ML256 (светло-серые столбцы) и комплементарный мутант ML257 (темно-серые столбцы) выращивали в минимальной среде с 0,8, 6,3 или 25 мкМ CuSO. ₄.Медь определяли путем измерения поглощения комплекса Cu (II) -дитизон при 553 нм.

Чтобы точно оценить восприимчивость Mtb к меди, необходимо было избегать содержания в среде альбумина, который, как известно, связывает ионы Cu в больших количествах (3). Действительно, высокая чувствительность к Cu мутанта M. smegmatis mctB ML77 была полностью преодолена добавлением либо альбумина, либо OADC, альбуминсодержащей добавки в среду для Mtb .Следовательно, Mtb выращивали в минимальной среде Хартман-де-Бон (HdB) и высевали на чашки с агаром HdB, содержащие различные концентрации CuSO ₄ ( SI, приложение , рис. S7). Все штаммы Mtb нормально росли при 1,5 мкМ CuSO ₄. Рост ≥24 мкМ CuSO ₄ не наблюдался, что указывает на то, что Mtb более восприимчив к Cu, чем M. smegmatis , который переносил до 100 мкМ Cu ( SI Приложение , рис. S3). Серийные разведения культур Mtb h47Rv и ML256 (Δ mctB ) на чашках 7h21 / OADC показали, что добавление Cu (I) -хелатирующего дисульфоната батокупроина (BCS) восстанавливает рост WT Mtb и mctB , мутант ML256 в присутствии 150 мкМ CuSO ₄ ( SI Приложение , рис.S8), что указывает на то, что Cu (I) является токсичным видом Cu для Mtb , что согласуется с предыдущими выводами (12).

Количество Cu, накопленное WT Mtb , было постоянно низким и не зависело от внешних концентраций CuSO ₄, как определено с помощью анализа дитизона (рис. 2 E ). Напротив, содержание Cu в ML256 резко увеличивалось в 100 раз с увеличением концентрации CuSO ₄ в среде (рис. 2 E ), демонстрируя существенную роль MctB в поддержании низкой концентрации Cu в Mtb .Этот эффект был дополнен в ML257 экспрессией mctB , что указывает на то, что никакая другая мутация не вызывала чувствительность к Cu мутанта mctB . Однако эта комплементация была лишь частичной, вероятно, из-за более низкой экспрессии интегрированного гена mctB в ML257 в отличие от полной комплементации, когда mctB экспрессировался на более высоком уровне в мутанте M. smegmatis ML77 (рис. . 1 В ).

Следует отметить, что внутриклеточная концентрация Cu в Mtb была более чем в 10 000 раз ниже, чем измеренная в M.Смегматис . Снижение уровня меди в Mtb может быть связано с его более медленным ростом, который, вероятно, требует гораздо меньше меди по сравнению с M. smegmatis . Взятые вместе, эти результаты демонстрируют, что MctB требуется Mtb и M. smegmatis для устойчивости к Cu и для поддержания низких внутриклеточных уровней Cu.

Чтобы изучить специфичность MctB, мы протестировали чувствительность мутанта Mtb mctB к другим физиологически значимым переходным металлам, таким как Fe (III), Zn (II), Mn (II) и Ni (II), в аналогичных условиях. условия как для Cu (II).Выбранные концентрации были на уровне или выше концентраций, ранее определенных в содержащих микобактерии фагосомах инфицированных макрофагов (8). За исключением меди, ни один из протестированных ионов металлов не нарушал рост мутанта mctB ( SI Приложение , рис. S9 A ). Напротив, рост мутанта mctB был снижен за счет Cu (II) на два порядка, демонстрируя, что mctB является Cu-специфичным ( SI Приложение , рис.S9 A ).

Экспрессия гена mymT , кодирующего медьсвязывающий металлотионеин Mtb , индуцировалась в 1000 раз в ответ на медь и оксид азота (12). Таким образом, альтернативное объяснение увеличения чувствительности к Cu у мутанта mctB ML256 может заключаться в том, что недостаток MctB может косвенно снижать экспрессию mymT . Однако дот-блоттинг с MymT-специфическим антителом показал, что экспрессия mymT сильно индуцировалась до аналогичных уровней во всех трех штаммах в присутствии 100 мкМ CuSO ₄ ( SI, приложение , рис.S10). Кроме того, эксперименты по разведению агара также показали, что мутант Mtb mctB не был более чувствителен к соединениям, вырабатывающим оксид азота ( SI, приложение , рис. S9, C ), перекись водорода ( SI, приложение , рис. S9). D ) или SDS ( SI Приложение , рис. S9 B ). Взятые вместе, эти эксперименты показали, что делеция mctB не вызывает плейотропного дефекта, который сделал бы Mtb более восприимчивым к реактивным промежуточным соединениям азота и кислорода или активным соединениям клеточной стенки, таким как SDS, а скорее это повышенное накопление, которое делает мутант Mtb mctB более чувствителен к меди.

Для оценки роли устойчивости к меди в целом и MctB в вирулентности Mtb , в частности, мышей BALB / c инфицировали аэрозолями, содержащими Mtb h47Rv, мутант mctB ML256 и комплементарный мутант ML257. . На третьей неделе после заражения было обнаружено в 10 раз меньше бацилл ML256 по сравнению с WT Mtb ( SI Приложение , рис. S11 A ). Однако экспрессия mctB не восстановила полную вирулентность в штамме ML257, вероятно, из-за шестикратного снижения уровней MctB в ML257 по сравнению с WT Mtb (рис.2 B ) и / или значительно меньшую начальную инокуляцию для мышей, инфицированных ML257. Важно отметить, что выживаемость мутанта Mtb mctB ML256 в легких мышей была серьезно нарушена, что привело к 100-кратному снижению бактериальной нагрузки по сравнению с WT Mtb у мышей, которых кормили CuSO ₄ в своем рационе ( SI Приложение , рис. S11 B ). Эти наблюдения показывают, что нарушение выживаемости ML256 является Cu-специфическим эффектом. Дополнительное подтверждение положительного действия Cu на мышей, инфицированных Mtb , было получено с помощью гистопатологии.Срезы легких мышей, инфицированных WT Mtb и ML256, показали значительно меньшее количество лимфоцитарных инфильтратов и меньшее количество общих повреждений, когда мышей кормили дополнительной медью ( SI, приложение , рис. S12).

Обнаружение того факта, что гипоксия индуцирует транспорт Cu в макрофаги и, таким образом, увеличивает их бактерицидный потенциал (7, 16), и тот факт, что гипоксия не существует у мышей, инфицированных Mtb (17), указывает на то, что мыши не могут быть хорошими животная модель для изучения роли MctB в вирулентности Mtb .Напротив, у морских свинок Mtb вызывает образование дискретных гранулематозных поражений с центральным некрозом и дистрофической минерализацией, как у людей. Мы считали образование этих гипоксических гранулем важным для оценки роли Cu в иммунной системе млекопитающих, поскольку было показано, что ограничение кислорода стимулирует доставку Cu к фагосомам, содержащим бактерии (16). Чтобы изучить роль Cu в реакции морских свинок на инфекцию Mtb , мы выделили, микродиссектировали и объединили гранулемы из легких морских свинок, инфицированных WT Mtb h47Rv, и проанализировали следовые количества минералов с помощью пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии, как описано ( 18).Концентрация Cu в изолированных первичных гранулемах, где сконцентрированы бациллы, была значительно увеличена по сравнению с непораженной паренхимой легкого (рис. 3 A ). Эти данные показывают, что Mtb подвергается воздействию повышенных концентраций Cu in vivo в поражениях легких морских свинок, и указывают на то, что морские свинки являются лучшей животной моделью для оценки роли устойчивости к Cu для вирулентности Mtb . Следовательно, морских свинок инфицировали низкими дозами аэрозолей h47Rv дикого типа, изогенным мутантом Δ mctB (ML256) или комплементированным мутантом ML257.Через 30 дней после инфицирования бактериальная нагрузка мутанта Δ mctB ML256 в легких инфицированных морских свинок была снижена более чем в 1000 раз по сравнению с WT Mtb . Низкий уровень экспрессии mctB в ML257 частично дополнял этот дефект вирулентности (фиг. 3 B ). Мутант Δ mctB также имел значительно нарушенную диссеминацию из легких в дренирующие лимфатические узлы по сравнению со штаммами WT и дополненными (ML257) штаммами, но его способность распространяться из легких в селезенку не влияла (рис.3 В ). Несмотря на свой сильный дефект вирулентности, мутант Δ mctB ML256 сохранял способность вызывать характерные воспалительные поражения в легких, лимфатических узлах и селезенке инфицированных морских свинок. Кроме того, микрофотографии типичных легких, лимфатических узлов и селезенки для ML256, ML257 и WT Mtb h47Rv показывают характерные гранулематозные воспалительные очаги с некрозом центрального поражения ( SI Приложение , Рис. S13, Рис. S14 и Рис. S15 ), что указывает на то, что ослабление мутанта Δ mctB не повлияло существенно на ответ хозяина по сравнению с WT Mtb .Взятые вместе, эти данные показывают, что потеря MctB вызвала серьезный дефект вирулентности Mtb у морских свинок, что в первую очередь связано с гораздо меньшей бактериальной нагрузкой в легких.

Рис. 3.

MctB-опосредованная резистентность к меди необходима для вирулентности M. tuberculosis у морских свинок. ( A ) Концентрации Cu в гранулематозных поражениях морских свинок, инфицированных Mtb h47Rv. Ткань Cu измеряли с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии в гомогенатах паренхимы легких пяти неинфицированных морских свинок, и объединенные первичные гранулемы выделяли микродиссекцией из легких пяти инфицированных морских свинок.* P ≤ 0,05. ( B — D ) Морских свинок инфицировали Mtb WT h47Rv (темно-серые столбцы), мутантом Δ mctB ML256 (средние серые столбцы) и комплементированным мутантом ML257 (светло-серые столбцы). ( B ) Бактериальную нагрузку в легких, лимфатическом узле и селезенке определяли на основе гомогенатов тканей морских свинок через 30 дней после инфицирования. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001; количество инфицированных животных на точку данных: n = 5.( C ) Поражения легких количественно оценивали по площади общей паренхимы легкого, пораженной гранулематозным воспалением. Данные представляют собой средний процент пораженного легкого для каждой группы лечения или средний процент площади поражений с некрозом. * P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01; n = 5. ( D ) Поражения лимфатических узлов количественно оценивали по площади общей паренхимы лимфатических узлов, пораженной гранулематозным воспалением. Данные представляют собой средний процент пораженных лимфатических узлов для каждой группы лечения или средний процент площади поражений с некрозом.* P ≤ 0,05, ** P ≤ 0,01; n = 5.

Обсуждение

MctB (Rv1698, Ms3747) был обнаружен как белок канала внешней мембраны без гомологов с известной функцией (13). В этом исследовании мы показываем, что MctB необходим для поддержания нетоксичного уровня внутриклеточной Cu в микобактериях, подразумевая, что MctB участвует в оттоке Cu. Подтверждением этой гипотезы является открытие, что мутанты mctB более восприимчивы к меди в отличие от мутантов порина, которые обычно более устойчивы к переносимым растворенным веществам (19).Функционально подобные белки известны у грамотрицательных бактерий. Например, система оттока Cus необходима для эффективной устойчивости к Cu для E. coli и состоит из внутреннего мембранного насоса CusA, внешнего мембранного канала CusC и слитого белка периплазматической мембраны CusB (20). Наше открытие, что Ms3747 необходим для устойчивости M. smegmatis к Cu (I) и Ag (I), указывает на то, что основным субстратом этой системы оттока являются цитотоксические ионы Cu (I). Взаимодействие MctB с предполагаемым отводящим насосом Cu CtpV (9) могло бы обеспечить ионную специфичность и энергию оттока против градиента концентрации и, следовательно, могло бы объяснить удивительную специфичность поры MctB для Cu (I) и Ag (I). несмотря на большую проводимость одного канала, равную 4.3 нСм (13). Этот принцип демонстрируется трехкомпонентной системой оттока металлов и лекарств у грамотрицательных бактерий (21).

Минимальная ингибирующая концентрация Cu для Mtb составляет <24 мкМ ( SI Приложение , рис. S7), что намного ниже, чем у E. coli (≈3 мМ) или других бактерий (20 ). Кроме того, Cu оказывается бактерицидным для Mtb (9) в отличие от M. smegmatis , рост которого сильно замедляется из-за высоких концентраций Cu ( SI Приложение , рис.S3), но со временем восстанавливается, давая колонии нормального размера. Важно отметить, что концентрации Cu в диапазоне минимальной ингибирующей концентрации для Mtb были определены в фагосомах макрофагов, инфицированных M. avium и Mtb , с помощью микрозондовой рентгеновской флуоресценции (8). Таким образом, концентрации Cu, смертельные для Mtb , по-видимому, существуют в фагосоме активированных макрофагов. Эти данные показывают, что макрофаги используют Cu в качестве защитного оружия против Mtb и, возможно, других бактериальных патогенов.Действительно, переносчик Cu ATP7A был необходим для полной бактерицидной активности макрофагов против E. coli (7). Интересно, что как IFN-γ, так и гипоксия стимулируют перенос Cu-транспортера ATP7A от Golgi к фагосомам (7, 16). Гипоксия также увеличивала экспрессию импортера Cu CTR1 (рис.4) и, следовательно, стимулировала поглощение Cu макрофагами, что приводило к увеличению доставки Cu к транспортеру ATP7A Cu, к транспортировке ATP7A в цитоплазматические везикулы и к снижению экспрессии Cu-содержащих ферментов. (16).Таким образом, при стимуляции IFN-γ и в условиях гипоксии, оба из которых являются критическими ответами иммунной системы на инфекцию Mtb (17, 22), макрофаги увеличивают поглощение Cu и перенаправляют доступную Cu на ATP7A для доставки в фагосомы. (Рис.4).

Рис. 4.

Роль меди в бактерицидной активности макрофагов и модель механизмов резистентности к меди M. tuberculosis . Cu (II) поглощается плазматической мембраной макрофагов высокоаффинным переносчиком Cu Ctr1 (32).Cu-шаперон Atox1 — это цитоплазматический Cu-связывающий и транспортный белок, который взаимодействует с Cu (II) -транспортирующей АТФазой Atp7A (33). В макрофагах, стимулированных IFN-γ или гипоксией, цитоплазматические везикулы, содержащие Atp7A, сливаются с фагосомами (16). Как следствие, Cu перекачивается в фагосому, что способствует ее бактерицидной активности (7). MctB представляет собой порообразующий белок, расположенный на внешней мембране (OM) Mtb (13) и предотвращает накопление Cu внутри микобактериальной клетки, вероятно, за счет оттока ионов одновалентной меди.Другим важным компонентом гомеостаза Cu в Mtb является цитоплазматический Cu-связывающий металлотионеин MymT (12). Транспортер внутренней мембраны (IM) CtpV может быть белком оттока Cu (9, 11).

Принимая во внимание убедительные данные in vitro о том, что Cu играет ключевую роль в бактерицидной активности макрофагов, возникает соблазн предположить, что механизмы устойчивости к Cu Mtb важны для вирулентности бактерий. Однако предыдущие исследования показали лишь незначительное увеличение чувствительности к Cu на уровне Mtb в отсутствие медьсвязывающего металлотионеина MymT (12) и предполагаемого CtpV внутренней мембраны (11), а также при отсутствии или только незначительном дефекте вирулентности у мышей или морских свинок. свиньи.Напротив, выживаемость Δ mctB мутанта ML256 в легких морских свинок была сильно нарушена по сравнению с WT Mtb , что привело к снижению бактериальной нагрузки в легких и лимфатических узлах в 1000 и 100 раз (рис. 3 В ). Эти результаты показывают, что роль MctB в устойчивости к Cu у Mtb менее избыточна, чем у MymT или CtpV. Взятые вместе, увеличение содержания меди в гранулемах морских свинок, содержащих Mtb , и эксперименты с инфекциями в этом исследовании убедительно показывают, что Cu используется иммунными системами млекопитающих для контроля роста Mtb и демонстрирует, что, в свою очередь, Cu механизмы устойчивости имеют решающее значение для вирулентности Mtb .Меньший дефект вирулентности у мутанта Δ mctB у мышей, вероятно, связан с тем, что у мышей не образуются гипоксические гранулемы (17). Поскольку образование гранулемы является признаком иммунного ответа человека на инфекции, вызванные Mtb (22, 23), эти результаты также указывают на то, что Cu может играть решающую роль у людей, инфицированных Mtb .

Это исследование демонстрирует, что устойчивость к Cu имеет решающее значение для выживания Mtb в организме млекопитающего-хозяина. Основываясь на результатах этого исследования, мы предлагаем следующую модель того, как иммунная система млекопитающих может контролировать Mtb с помощью Cu-зависимого механизма (рис.4). Макрофаги производят окислительный взрыв против внутриклеточных патогенов, который включает высвобождение перекиси водорода (24). Перекись водорода, в отличие от других активных форм кислорода, может хорошо диффундировать через мембраны (25). Иммунная система реагирует на заражение Mtb секрецией IFN-γ CD4 ⁺ -Т-клетками (26), что, помимо других реакций, стимулирует экспрессию высокоаффинного импортера меди CTR1 в макрофагах (7). . Гипоксические условия, отличительный признак гранулем, образующихся у людей после инфицирования легких Mtb , индуцируют экспрессию CTR1 , а шаперон ATOX1 и переносчик меди ATP7A (16) перенаправляют трафик Cu на фагосому, содержащую Mtb .Более высокие концентрации Cu увеличивают образование токсичных гидроксильных радикалов из перекиси водорода, реакцию, катализируемую Cu (I) (3). Для защиты от токсического действия свободного Cu (I) Mtb использует по крайней мере два механизма устойчивости (рис. 4), которые могут быть частично избыточными, как это наблюдается для E. coli (15): секвестрация Cu металлотионеином. MymT (12) и, вероятно, отток транспортера внутренней мембраны CtpV (11). Канальный белок MctB может взаимодействовать с CtpV, обеспечивая отток Cu через внешнюю мембрану Mtb. Наблюдение за тем, что MctB необходим для вирулентности Mtb у морских свинок, предполагает, что связывающая способность MymT может быть в конечном итоге подавлена в отсутствие MctB.

Это исследование выявило альтернативную мишень для химиотерапии туберкулеза, при которой MctB может быть инактивирован лекарством и, таким образом, делает Mtb более уязвимым для ионов Cu, используемых макрофагами для уничтожения Mtb . Такой подход может привести к новому классу противоинфекционных средств, которые могут повышать чувствительность патогенов к иммунным ответам хозяина путем ингибирования бактериальных защитных механизмов, как недавно описали Карл Натан и его коллеги (27).Нацеливание на MctB может быть многообещающей стратегией, потому что поверхностная доступность MctB (28) может позволить предполагаемым ингибиторам напрямую достигать своей цели без необходимости пересекать общеизвестно непроницаемую внешнюю мембрану Mtb , основной детерминант внутренней лекарственной устойчивости (29). .

Материалы и методы

Бактериальные штаммы и условия роста.

Штаммы, использованные в этом исследовании, перечислены в SI Приложение , Таблица S3. Среда и условия роста описаны в Приложении SI .

Конструирование мутантов ΔmctB

M. smegmatis и Mtb.

Мутанты mctB M. smegmatis ( ms3747 ) и Mtb ( rv1698 ) были сконструированы с использованием двухэтапной стратегии отбора, как описано в приложении SI .

Приготовление и анализ белковых экстрактов.

Ночная культура M. smegmatis , выращенная в самодельной среде 7H9 (7H9sm), была использована для инокуляции среды 7H9sm с медью или без нее.Белки экстрагировали из M. smegmatis с использованием 2% SDS в PBS при 40 ° C, как описано (13). Белки анализировали с помощью вестерн-блоттинга с использованием специфических антител, индуцированных против MctB (5D1.23), MymT (любезно предоставленного Беном Голдом) и вторичных антител против мыши или кролика, связанных с пероксидазой хрена, как описано (30). Для получения дополнительной информации см. SI Приложение .

Анализы чувствительности к металлам.

Для определения восприимчивости WT M. smegmatis и ML77 к меди были приготовлены самодельные пластинки 7х20 (7х20см), содержащие различные концентрации CuSO ₄.Штаммы выращивали на среде 7Н9см без Cu в течение ночи. Культуры фильтровали через фильтр 5 мкм для получения суспензий одноклеточных. Планшеты с соответствующими разведениями инкубировали при 37 ° C. Чувствительность M. smegmatis к серебру, ртути и кобальту измеряли на чашках с агаром Мюллера-Хинтона для предотвращения образования нерастворимых в воде солей. Концентрация AgNO ₃, HgCl и CoCl ₂ в этих чашках составляла 1,6, 8, 40 и 200 мкМ. Сульфат меди использовали в качестве контроля. Mtb выращивали в среде 7H9 / OADC в течение 7 дней. Соответствующие разведения наносили по каплям на чашки с агаром 7h21, содержащие CuSO ₄, цитрат железа (III) аммония, MnCl ₂, ZnCl ₂ и NiCl ₂ в указанных концентрациях.

Накопление меди.

Прекультуры штаммов M. smegmatis выращивали на среде 7Н9см без меди. Затем по три культуры каждого штамма M. smegmatis инокулировали в среду 7H9sm с 0, 6.3 или 25 мкМ CuSO ₄ и встряхивают при 37 ° C. Образцы отбирали через 36 ч после инокуляции. Предварительные культуры каждого штамма Mtb выращивали в среде HdB (30 мл) с 0,8 мкМ CuSO ₄ и использовали для трехкратного посева культур для каждой концентрации Cu с использованием той же среды (25 мл). Все культуры Mtb инкубировали в течение 8 дней при 37 ° C перед тем, как концентрацию CuSO ₄ либо поддерживать на уровне 0,8 мкМ, либо доводить до 6,3 или 25 мкМ. Образцы были взяты через 10 дней.Обычно образцы центрифугировали при 3250 × g и дважды промывали в соответствующей среде без добавления Cu. Для Mtb промытые гранулы ресуспендировали в 0,5 мл сверхчистой воды и кипятили в течение 1 часа для инактивации Mtb . Все образцы сушили при 60 ° C в течение ночи под вакуумом. Высушенные гранулы суспендировали в 600 мкл H ₂ O и обрабатывали ультразвуком в течение 20 минут в бане с ультразвуком. Содержание Cu в клетках анализировали с помощью опубликованного фотометрического анализа дитизона (14).Подробнее см. SI Приложение .

Экспериментальные инфекции у мышей.

Было проведено предварительное исследование толерантности к Cu, в котором трем группам мышей BALB / c (Charles River) давали воду ad libitum, содержащую 118 мг / л, 1180 мг / л или 11,8 г / л пентагидрата сульфата меди (Sigma). За мышами наблюдали в течение 2 недель. Концентрация 118 мг / л пентагидрата сульфата меди не вызвала никаких признаков дистресса у мышей и была выбрана для дальнейших экспериментов.

Midlog-фазы культур WT Mtb , мутанта mctB ML256 и комплементированного мутанта ML257 разбавляли до OD ₆₀₀ ≈ 0.08 для имплантации 500–1000 бацилл в легкие мышей с помощью системы ингаляционного воздействия Миддлбрука (Glas-Col). Восемьдесят мышей BALB / c в возрасте от 4 до 6 недель были инфицированы WT Mtb h47Rv или ML256, а 40 мышей были инфицированы ML257. Через день после заражения половину инфицированных мышей отделяли и давали воду ad libitum, содержащую 118 мг / л пентагидрата сульфата меди. Четыре мыши из каждой группы были взвешены и умерщвлены на 1, 7, 14, 28, 84 и 112 дни после заражения для определения количества бацилл в легких и селезенке.Органы мыши удаляли в асептических условиях, гомогенизировали и серийно разбавляли. Соответствующие разведения наносили на чашки с агаром Миддлбрук 7h21 для определения колониеобразующих единиц. Для гистологического анализа репрезентативные образцы тканей из каждой группы фиксировали в 10% формальдегиде, заливали паррафином, делали срезы и окрашивали гематоксилином и эозином с использованием стандартных процедур.

Экспериментальные инфекции морских свинок.

Морские свинки были инфицированы штаммами M. tuberculosis h47Rv, ML 256 и ML257 с использованием аэрозольной камеры, а определение бактериальной нагрузки и гистологический анализ были выполнены, как описано (31).В каждый момент времени анализировали пять животных. Для получения дополнительной информации см. SI Приложение . Явно видимые первичные поражения легких для химического анализа были вырезаны из фиксированных параформальдегидом легких пяти морских свинок, инфицированных Mtb . Легкие помещали в агар с низкой температурой плавления и делали срезы на срезы размером 3 мм. Подмножество срезов было отобрано равномерной случайной выборкой. Из этих срезов отделяли отдельные первичные очаги поражения от легких и объединяли (> 1 грамма на животное).Равные количества образцов, собранных аналогичным образом из легких, фиксированных параформальдегидом, пяти неинфицированных животных, использовали в качестве отрицательного контроля. Объединенные образцы тканей от каждого животного сушили в течение ночи в сушильном шкафу при 85 ° C, взвешивали для определения общего сухого веса образца и озоливали в течение ночи в муфельной печи при 600 ° C. Озоленным образцам давали остыть, а затем растворяли в азотной кислоте. Растворы обрабатывали ультразвуком до полного растворения. Полученный раствор кислоты разбавляли деионизированной водой для анализа на Cu.Концентрации меди определяли с помощью пламенной атомно-абсорбционной спектроскопии, как описано (19). Значения для каждого из пяти животных были усреднены, и концентрации в тканях были представлены в виде частей на миллион объединенных образцов на основе сухого веса.

Благодарности

Мы благодарим Мамаду Даффе за анализ липидов, Адри Стейн за предоставленные плазмиды pCreSacB1 и pBS346; Бен Голд за предоставление пептида MymT и антител, специфичных к MymT; и Дженнифер Роуленд, Джейсона Хаффа и Урсулы Нидервейс за редактирование рукописи.Программа Целевой группы по исследованию туберкулеза на животных и оценке генов была поддержана Контрактом N01-AI30036 Национальных институтов здравоохранения. Эта работа была поддержана грантом Национального научного фонда «Экспериментальная программа стимулирования конкурентных исследований» 4166 (для S.H.B.) и грантами Национальных институтов здравоохранения AI083856 (для R.J.B.), AI083632 (для M.N.) и AI063432 (для M.N.).

Сноски

¹ Кому следует направлять корреспонденцию. Электронная почта: mnieder {at} uab.edu.
Вклад авторов: F.W., G.L., S.H.B., R.J.B. и M.N. спланированное исследование; F.W., D.A., T.B.S., L.H.-D., S.N. и Y.W. проведенное исследование; F.W., D.A., T.B.S., G.L., S.H.B., R.J.B. и M.N. проанализированные данные; и Р.Дж. и М. написал газету.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org / lookup / suppl / doi: 10.1073 / pnas.1009261108 / — / DCSupplemental.

Удельное сопротивление обычных материалов

Материал		Удельное сопротивление (Ом-метр)	Температура (C)	T.C.
Алюминий	Al	2.62e-8	20	0,0039
Висмут	Би	115e-8	20	0.004
Латунь	66 Cu 34 Zn	3.9e-8	20	0,002
Медь	Cu	1.72e-8	20	0,0039
Золото	Au	2.44e-8	20	0,0034
Утюг	Fe	9.71e-8	20	0,0052-0,0062
Свинец	Пб	21.9e-8	20	0,004
Меркурий	Hg	95.8e-8	20	0,00089
Нихром	65 Ni, 12 Cr, 23 Fe)	100e-8	20	0,00017
Никель	Ni	6.9e-8	20	0,0047
Платина	Pt	10,5e-8	20	0.003
Серебро	Ag	1.62e-8	20	0,0038
Сталь	0,4-0,5 C, остаток Fe	13-22e-8	20	0,003
Сталь, марганец	13 Mn, 1C, 86 Fe	70e-8	20	0,001
Сталь, нержавеющая	0,1 C, 18 Cr, 8 Ni, остальное Fe	90e-8	20
Вольфрам	Вт	5.48e-8	20	0,0045
цинк		6.0e-8	20	0,0037

Заявление об отказе от ответственности: Хотя я пытался убедиться, что
данные о свойствах материалов, содержащиеся здесь, являются точными,
Я не могу гарантировать ее точность. Ни в коем случае
поставщик этой информации несет ответственность в случае
ошибки в заявленных значениях.

Печать

% PDF-1.3
%

1 0 объект
>
ручей
заявка / постскриптум

Печать

Adobe Illustrator CS32009-05-18T12: 50: 12-04: 002009-05-18T12: 56: 18-04: 002009-05-18T12: 56: 18-04: 00

256188JPEG / 9j / 4AAQSkZJRgABAgEASABIAAD / 7QAsUGhvdG9zaG9wIDMuMAA4
AQBIAAAAAQAB / + 4ADkFkb2JlAGTAAAAAAf / bAIQABgQEBAUEBgUFBgkGBQYJCwgGBggLDAoKCwoK
DBAMDAwMDAwQDA4PEA8ODBMTFBQTExwbGxscHx8fHx8fHx8fHwEHBwcNDA0YEBAYGhURFRofHx8f
Hx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8fHx8f / 8AAEQgAvAEAAwER
AAIRAQMRAf / EAaIAAAAHAQEBAQEAAAAAAAAAAAAQFAwIGAQAHCAkKCwEAAgIDAQEBAQEAAAAAAAAA
AQACAwQFBgcICQoLEAACAQMDAgQCBgcDBAIGAnMBAgMRBAAFIRIxQVEGE2EicYEUMpGhBxWxQiPB
UtHhMxZi8CRygvElQzRTkqKyY3PCNUQnk6OzNhdUZHTD0uIIJoMJChgZhJRFRqS0VtNVKBry4 / PE
1OT0ZXWFlaW1xdXl9WZ2hpamtsbW5vY3R1dnd4eXp7fh2 + f3OEhYaHiImKi4yNjo + Ck5SVlpeYmZ
qbnJ2en5KjpKWmp6ipqqusra6voRAAICAQIDBQUEBQYECAMDbQEAAhEDBCESMUEFURNhIgZxgZEy
obHwFMHR4SNCFVJicvEzJDRDghaSUyWiY7LCB3PSNeJEgxdUkwgJChgZJjZFGidkdFU38qOzwygp
0 + PzhJSktMTU5PRldYWVpbXF1eX1RlZmdoaWprbG1ub2R1dnd4eXp7fh2 + f3OEhYaHiImKi4yNjo
+ DlJWWl5iZmpucnZ6fkqOkpaanqKmqq6ytrq + v / aAAwDAQACEQMRAD8A9U4q7FXYq7FXYq7FXYq7
FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7F
XYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FX
Yq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXY
q7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq
7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7
FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7F
XYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FX
Yq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXY
q7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq
7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7
FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7F
XYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FX
Yq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXY
q7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq
7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7
FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7F
XYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FX
Yq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXY
q7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq
7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7
FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7F
XYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FX
Yq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXY
q7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq
7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7FXYq7
FX // 2Q ==

uuid: 91AC29F4CB43DE119ADEF0B81F0BEBE1uuid: 93AC29F4CB43DE119ADEF0B81F0BEBE1uuid: 88FF0625C943DE119ADEF0B81F0BEBE1uuid: EB0EFB4ABEF643DE00000065.000000Points1FalseFalse

Группа образцов по умолчанию0

БелыйRGBPROCESS255255255

Черный RGBPROCESS 353132

CMYK Красный RGBPROCESS 2362836

CMYK Желтый RGBPROCESS 255 2410

CMYK Зеленый RGBPROCESS 016581

CMYK Голубой RGBPROCESS 0173238

CMYK Синий RGBPROCESS 4649145

CMYK, пурпурный, RGBPROCESS 2350139

C = 15 M = 100 Y = 90 K = 10 RGB ПРОЦЕСС 1
5

C = 0 M = 90 Y = 85 K = 0 RGB ПРОЦЕСС 2386454

C = 0 M = 80 Y = 95 K = 0 RGBPROCESS 2409040

C = 0 M = 50 Y = 100 K = 0 RGBPROCESS 24614630

C = 0 M = 35 Y = 85 K = 0RGBPROCESS 25017564

C = 5 M = 0 Y = 90 K = 0RGBPROCESS 24923649

C = 20 M = 0 Y = 100 K = 0 RGBPROCESS 21422235

C = 50 M = 0 Y = 100 K = 0RGBPROCESS 13
3

C = 75 M = 0 Y = 100 K = 0 RGBPROCESS 5517974

C = 85 M = 10 Y = 100 K = 10 RGBPROCESS 014769

C = 90 M = 30 Y = 95 K = 30 RGBPROCESS 010456

C = 75 M = 0 Y = 75 K = 0 RGBPROCESS 41180115

C = 80 M = 10 Y = 45 K = 0RGBPROCESS0166156

C = 70 M = 15 Y = 0 K = 0 RGB ПРОЦЕСС 38169224

C = 85 M = 50 Y = 0 K = 0RGBPROCESS 27117187

C = 100 M = 95 Y = 5 K = 0 RGBPROCESS 4356143

C = 100 M = 100 Y = 25 K = 25 RGB ПРОЦЕСС 383497

C = 75 M = 100 Y = 0 K = 0 RGBPROCESS 10145144

C = 50 M = 100 Y = 0 K = 0 RGBPROCESS 14439142

C = 35 M = 100 Y = 35 K = 10 RGB ПРОЦЕСС 1583199

C = 10 M = 100 Y = 50 K = 0 RGBPROCESS 2172892

C = 0 M = 95 Y = 20 K = 0 RGB ПРОЦЕСС 23641123

C = 25 M = 25 Y = 40 K = 0 RGB ПРОЦЕСС 193180154

C = 40 M = 45 Y = 50 K = 5RGBPROCESS 154132121

C = 50 M = 50 Y = 60 K = 25 RGB ПРОЦЕСС 113 10188

C = 55 M = 60 Y = 65 K = 40 RGB ПРОЦЕСС
6

C = 25 M = 40 Y = 65 K = 0RGBPROCESS 195153107

C = 30 M = 50 Y = 75 K = 10 RGB ПРОЦЕСС 16812479

C = 35 M = 60 Y = 80 K = 25 RGB ПРОЦЕСС 1389359

C = 40 M = 65 Y = 90 K = 35 RGB ПРОЦЕСС 1177640

C = 40 M = 70 Y = 100 K = 50 RGBPROCESS 965619

C = 50 M = 70 Y = 80 K = 70 RGB ПРОЦЕСС 593520

Группа цветов печати1

C = 0 M = 30 Y = 70 K = 0 RGBPROCESS25218699

C = 5 M = 70 Y = 90 K = 0 RGB ПРОЦЕСС 23111052

C = 5 M = 90 Y = 75 K = 0RGBPROCESS 2286468

C = 30 M = 0 Y = 95 K = 0RGBPROCESS 158

C = 60 M = 5 Y = 95 K = 0RGBPROCESS11618274

C = 30 M = 0 Y = 10 K = 0 RGB ПРОЦЕСС 174222228

C = 60 M = 10 Y = 5 K = 0RGBPROCESS 87182221

C = 80 M = 5 Y = 10 K = 0RGBPROCESS0176216

Оттенки серого1

K = 100 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 255

К = 90 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 229

К = 80 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 203

К = 70 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 178

К = 60 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 152

К = 50 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 127

К = 40 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 101

К = 30 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 76

К = 20 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 50

К = 10 СЕРЫЙ ПРОЦЕСС 25

К = 5GRAYPROCESS12

конечный поток
эндобдж
2 0 obj
>
эндобдж
3 0 obj
>
ручей
q
конечный поток
эндобдж
4 0 объект
>
ручей
hLz% Yy ^ B` | pN` [`& a0a {k ߫ V0`cp $ EA2″ — + Ar [J 坞 Qs˹z [ny / oz ^ ʇW’۶ ~ = Vg? = s; ˹g = ܋ s

8s: zSbeI 4iOgsc} / x = y ۿ Ko; W / o_g | nlK6Io b # | ‘pC; r «% fbvNn`eJ) uVeYE F \ ĵxɛ jvJ ؍ + # 9 ōqÐq / TuṋwwǿW + | 7te? i26m

Сопротивление меди — Энциклопедия по машиностроению XXL

Удельное электрическое сопротивление | Мир сварки

Удельное электрическое сопротивление материалов

Литература

Удельное сопротивление — что это? Отвечаем на вопрос.

Теоретическое обоснование

Расчет удельного сопротивления

Основы резистивности материалов

Область резистивности

Температурный коэффициент сопротивления

График температуры сопротивления

Сопротивление материалов при комнатной температуре

Сравнение проводимости меди и алюминия

Медные проводники

Алюминиевые проводники

Применение электропроводности материалов

Основные физические понятия

Удельное электрическое сопротивление меди. Удельное электрическое сопротивление и проводимость

Формула расчета и величина измерения

Зависимость от температуры

Удельное объемное электрическое сопротивление

Использование в электротехнике

Опыты Георга Ома

Формулы

Особенности металлов

Сверхпроводимость

Удельное сопротивление

Электрическое сопротивление

Сопротивление провода

Поверхностное сопротивление

Свойства резистивных материалов

Электрическое сопротивление

Удельное электрическое сопротивление

Электрическая проводимость

Технические характеристики стали

Удельное сопротивление и другие показатели

Рекомендуем также

Закон Ома, сопротивление проводников

Наибольшее удельное сопротивление имеет. Расчет удельного сопротивления металлов, в частности, меди

Технические характеристики стали

Удельное сопротивление и другие показатели

Проводимость и сопротивление

Проводники и диэлектрики

Зависимость от факторов внешней среды

Удельное сопротивление различных проводников

Электротомография

Определения удельного сопротивления на практике

Удельное сопротивление нихрома

Удельное сопротивление меди

Затухание сигнала в витой паре / Вносимые потери

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Основные моменты

Abstract

Ключевые слова

Рекомендуемые товары

Ссылки на статьи

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЫСОКОЧИСТОЙ МЕДИ ОТ 78 ДО 400 ° K

Цитируется по

Frontiers | Сопротивление меди способствует долгосрочному выживанию Cupriavidus Metallidurans во влажном контакте с металлической медью

Введение

Материалы и методы

Бактериальные штаммы, среды и условия культивирования

Подготовка и постановка экспериментов по выживанию

Подсчет количества жизнеспособных клеток и проточная цитометрия

Визуализация биопленки

ИСП – МС

Эксперименты с биосенсором

Статистика

Результаты и обсуждение

Выживание

Медные механизмы сопротивления обеспечивают защиту от металлической меди

Формирование биопленки на металлической меди и нержавеющей стали

Концентрации меди в жидкой фазе

Влияние ионов Cu на количество жизнеспособных клеток

Влияние состава среды на индукцию механизмов сопротивления меди

Заключение

Авторские взносы