“德国物理技术研究院”(PTR)和“德国联邦物理技术研究院”(PTB)一直将成立二十五年视为周年纪念,并以此为纪念。因此,即将迎来 PTR/PTB 成立 125 周年,而本期的 PTB-Mitteilungen 也为此作出了贡献。在上述周年纪念中,这是一个特殊的周年纪念。二战结束后,PTB 首次能够完全统一地展示自己——尽管在两个地点(布伦瑞克和柏林),但对内对外都是一个实体,致力于主权使命,负责计量的统一性,并通过自己的研发和由此提供的服务进一步发展计量。因此,PTB 至今仍秉承着 PTR 创始人维尔纳·冯·西门子和赫尔曼·冯·亥姆霍兹的精神,在他们坚持不懈的努力下,在政治、科学和经济高层代表的支持下,“国会”(帝国议会)于 1887 年 3 月 28 日首次决定向 PTR 提供年度预算。这样就为第一个主要研究机构奠定了基础,并在 19 世纪末和 20 世纪初取得了令人印象深刻的成功。PTR 在最初几十年的鼎盛时期与杰出科学家的名字有关,他们是 PTR 的工作人员和 Kuratorium(顾问委员会)的活跃成员,例如例如,Wilhelm (Willy) Wien、Friedrich Kohlrausch、Walter Nernst、Emil Warburg、Walter Bothe、Albert Einstein 和 Max Planck——仅举几例。1923 年 Reichsanstalt für Maß und Gewichte(皇家度量衡办公室)成立后,PTR 涵盖了一系列任务,至今仍然存在于 PTB。
学习成果 完成本模块后,学生将了解: - 计算神经科学的基本概念、理论基础和最常用的模型 - 相关的基本神经生物学知识和相关的理论方法以及这些方法迄今为止得出的结论 - 不同模型的优势和局限性 - 如何适当地选择用于建模神经系统的理论方法 - 如何在考虑神经生物学发现的同时应用这些方法 - 如何批判性地评估获得的结果。 - 如何使模型适应新问题以及开发新的神经系统模型。 内容 本模块提供有关神经系统组成部分及其建模的基本知识,包括有关神经元和神经回路内信息处理的基本神经生物学概念和模型。具体主题包括: - 神经元的电特性(能斯特方程、戈德曼方程、戈德曼-霍奇金-卡兹电流方程、膜方程) - 霍奇金-赫胥黎模型(电压依赖性电导、门控变量、瞬态和持续电导、动作电位产生) - 通道模型(状态图、随机动力学) - 突触模型(化学和电突触) - 单室神经元模型(整合-激发、基于电导) - 树突和轴突模型(电缆理论、拉尔模型、多室模型、动作电位传播) - 突触可塑性和学习模型(释放概率、短期抑制和促进、长期可塑性、赫布规则、基于时间的可塑性规则、监督/无监督和强化学习) - 网络模型(前馈和循环、兴奋-抑制、发放率和随机、联想记忆) -神经元和网络模型的相空间分析(线性稳定性分析、相图、分岔理论模块组件
第一单元:热力学:热力学定律、系统、热力学函数、系统状态、平衡、焓、不同过程中所做功、C p 、C v 、绝热 PVT 关系、卡诺循环、熵概念、克劳修斯-克拉珀龙方程及其应用、麦克斯韦关系、自由能概念、化学势、麦克斯韦关系。第二单元:电化学与腐蚀:电化学电池、电极电位的起源、标准电位、能斯特方程、EMF 序列、可充电电池、腐蚀类型、电流序列、阴极和阳极反应、差动曝气电池、防腐方法。第三单元:动力学与溶液化学:化学反应动力学、一级、二级反应、可逆反应、连续反应和平行反应。稳态近似、阿伦尼乌斯方程、链式反应、光化学反应、溶液化学和依数性质、实数和理想溶液、扩散、渗透、渗透压、蒸汽压降低、沸点升高、凝固点降低、异常分子量、缔合和解离度。UNIT-IV:化学键合与配位化学:无机化学中的键合模型、分子轨道理论(MOT)、价键理论(VBT)和晶体场理论(CFT)、配位化学:配位数、螯合效应、EAN 规则、八面体、四面体和方平面复合物中“d”轨道的分裂、生物系统中的生物无机和金属的例子UNIT-V:工业化学:聚合物:聚合物的类型、聚合、应用、重要的合成聚合物。耐火材料和陶瓷材料:分类、制造和应用、水处理、空气污染和控制技术。参考书:1. Shashi Chawla 著《工程化学教科书》2. S. Glaston 著《物理化学教科书》。3. Atkins 著《物理化学》。4. Jain & Jain 著《工程化学》
在旋转电流的生成,控制和检测中进步,并且电荷 - 自旋互转换在这些过程中起着基本作用。[2–4]电荷和自旋电流之间的互音版本取决于两个现象:旋转大厅(SHA)和旋转霍尔(ISHE)效应,这些效应允许在横向旋转电流中转换电流电流,反之亦然,而具有大型旋转 - 轨道 - 轨道 - 轨道 - 轨道 - 轨道 - 轨道互联网(SOI)。[2-5]研究这些过程的基本系统是正常的金属(NM)/磁性材料(M)双层,这是由复杂的自旋混合结构G↑↑州= G R + Ig I的旋转传输跨NM/ M界面。[6]当自旋电流到达NM/M界面时,可以根据M材料的磁磁为m和旋转极化σ的磁磁(由于σ和m为非collineare exter exters exters extere extere and CollineARINERINE)的磁极偏振电流(g r and g r and g r and g r and i与damping like compand coptime coptimeclike和dymeke like compected promeke and tor pemplice),可以吸收或反射。[7]此外,当σ与σ呈线时,自旋 - 链接电导(G s)[8]与界面处的自旋挡泥散射有关。但是,其他界面效应,例如,磁接近效应,[9] Rashba-Edelstein效应[10]或[10]或Nomal nomal nomal nomalos nomal onomal onals onaloal nomal onals onaloal nomal onaloal nomal onaloal nomal onnomal效果,也可能会播放clinef的作用。由于旋转设备的开发必然涉及自旋电流的流动,因此界面的重要性及其适当的表征是显而易见的。[12]因此,具有正确的材料和正确的表征技术对于旋转的发展至关重要。幸运的是,可用于研究通过NM/M界面的自旋传输的理想技术,即自旋霍尔磁磁性(SMR)。smr是由She和Ishe同时作用引起的非平衡接近效应。[7,13] Being sensitive only to the magnetic properties of the topmost atomic layers of the magnetic material, M, close to the NM/M interface, [14,15] SMR allows to study interfacial magnetic proper- ties of magnetic materials in contact to NM via magnetotrans- port experiments and to determine important parameters, such as spin diffusion length, λ sd , and the spin Hall angle, Θ SH , of different NM层或不同的自旋电导。SMR已用于研究几种磁性绝缘材料中的磁性结构,包括铁磁性,[13,16,17]和反磁性有序。[18,19]此外,SMR已证明
由于其高的理论容量(3860 mAh g-1)和低电化学电位,体心立方(BCC)相的锂金属(Li Metal)被视为高能量密度可充电锂电池的终极负极材料。[1] 然而,由于锂金属形态不稳定性(LMI)[2]在重复循环中出现,导致内部短路、库仑效率低、电解质消耗、容量衰减迅速和安全隐患,锂金属电池的实际部署长期以来受到阻碍。[3–9] 锂金属可充电电池存在两个基本问题:锂枝晶穿透引起的短路会带来重大安全隐患[10,11] 和低库仑效率限制循环寿命。 [12] 我们认为前者是由于电沉积过程中锂金属受到压缩引起的,而后者是由于剥离过程中的拉应力引起的,从而引起空化、电子逾渗损失和死锂金属,以及固体电解质 (SE) 侧的断裂和离子逾渗损失。尽管迄今为止在阐明沉积半循环中锂金属的生长机制方面取得了很大进展 [13,14],但剥离半循环中锂金属的动力学仍然神秘莫测。在控制锂金属沉积/剥离的所有因素中,SE 界面相 (SEI),即锂金属与液体或固体电解质之间形成的固体界面,被认为对锂金属的形貌和生长/剥离动力学具有关键影响。 [15] 由于有机液体电解质在低于 ≈ 1 V (相对于 Li + /Li)时具有电化学还原不稳定性[2],SEI(实际上是一种临时的 SE 纳米膜)的形成被认为是液体电解质电池正常运行的必要条件。 [16–22] 或者,可以使用多孔混合离子电子导体 (MIEC) [11,23,24](它可能对锂金属具有绝对的热力学稳定性)来引导其沉积和剥离并控制 LMI。 无论可充电电池使用液体还是固体电解质/MIEC,[11,23,24] 剥离过程中张力驱动的 LMI 问题非常普遍,需要小心处理。根据能斯特方程,如果 U = 0 V,电位参考(Li + /Li)是基于环境压力(P = 1 atm)BCC Li Metal 定义的,那么进一步加压的Li Metal 将使平衡电位移动 U eq = −∆ PV Li / e,其中 V Li = 21.6 Å3 是 BCC 相中锂原子的体积,e 是基本电荷,[25,26] 因为沉积的锂原子需要抵抗额外的压力才能加入
应用说明 23:Innovate 的“直接数字”宽带技术实现的发动机控制策略摘要 氧气传感器是当今大多数内燃机的关键部件。Innovate 的“直接数字”技术使新一代氧气传感器比目前最好的宽带氧气传感器更快、更准确、更可靠、成本更低。这反过来又使发动机控制的新策略成为可能。虽然 Innovate 技术最初的商业认可是在性能和赛车市场,但最大的收益将在 OE 市场实现,工厂原装 ECU 可以设计和编程以利用直接数字技术。背景:氧化锆氧气传感器简史 自 20 世纪 70 年代中期以来,氧化锆传感器已在量产汽车中使用。第一批传感器是带有 1 或 2 根电线的“非加热套管”设计。20 世纪 80 年代初引入了“加热套管”设计,这种设计升温更快,并且有 3 或 4 根电线。4 线“平面”传感器于 20 世纪 90 年代末开始使用,现在占所有新平台的 50% 以上,部分原因是成本低且可靠性高。“宽带”5 线传感器(加热、平面、双电池)是最新的,是高性能、直接喷射、分层充电、灵活燃料、ULEV 和其他要求苛刻的应用所必需的。减缓宽带传感器采用的因素包括高制造成本和可靠性问题。尽管直接数字控制方法最初是针对宽带氧气传感器开发的,但最大的突破或许在于它能够实现新一代传感器,该传感器结合了 4 线平面传感器的低成本和高可靠性,同时匹配精度范围,并超过当前最佳宽带传感器的响应能力。该技术美国专利 #6,978,655,标题为“用于测量气体氧气浓度的系统、装置和方法”,详细介绍了以下总结的发明。凭借创新的测量原理,单个 Nernst 电池可以同时用作泵和参考电池。直接数字不使用常规 PID(比例-积分-微分)反馈机制来控制宽带传感器。相反,泵电流为正,直到参考显示 < Lambda 1。然后泵电流的极性反转,直到参考显示 > Lambda 1。这是通过一个小的滞后完成的。频率在 Lambda 1 处达到最大值。由于这样,测量室中的测量气体在化学计量附近以 300-800 Hz 的频率振荡。振荡频率取决于恒定(但极性变化)的泵电流、磁滞、传感器本身和 Lambda。这基本上是一个 2 点调节器,或者用数字电子术语来说,是 delta-sigma 模拟数字转换器的工作原理,只是这里测量的模拟值直接是废气。该振荡的占空比 PWM 用 (t1 - t2) / (t2 + t2) 计算,因此范围为 +/- 1.0。t1 是泵电流正极性的持续时间,t2 是负电流极性的持续时间(均以 16 位精度测量)。使用 PWMair(空气中的占空比),可以直接用 PWM/PWMair 计算泵单元的 O2 流量,因此可以从中计算 Lambda。由于传感器仅用于恒定且相对较高的 Ip,但极性会发生变化,因此 PWM 与 O2 流量完全呈线性关系,并且在标准化为 PWMair 后与特定传感器的 Lambda/Ip 曲线无关。
应用说明 23:Innovate 的“直接数字”宽带技术实现的发动机控制策略 摘要 氧传感器是当今大多数内燃机的关键部件。Innovate 的“直接数字”技术实现了新一代氧传感器,它们比目前最好的宽带氧传感器更快、更准确、更可靠、成本更低。这反过来又实现了发动机控制的新策略。虽然 Innovate 技术最初的商业认可是在性能和赛车市场,但最大的收益将是在 OE 市场,在该市场中,可以设计和编程工厂原始 ECU 以利用直接数字技术。背景:氧化锆氧传感器简史 自 20 世纪 70 年代中期以来,氧化锆传感器就已在量产汽车中使用。第一批传感器是带有 1 或 2 根电线的“非加热顶针”设计。80 年代初引入了“加热顶针”设计,该设计升温更快,并有 3 或 4 根电线。 4 线“平面”传感器于 90 年代末开始使用,目前占所有新平台的 50% 以上,部分原因是成本低且可靠性高。“宽带”5 线传感器(加热、平面、双电池)是最新的,是高性能、直喷、分层充电、灵活燃料、ULEV 和其他要求苛刻的应用所必需的。减缓宽带传感器采用的因素包括高制造成本和可靠性问题。虽然直接数字控制方法最初是为宽带氧气传感器开发的,但最大的突破可能是它实现了新一代传感器,该传感器结合了 4 线平面传感器的低成本和高可靠性,同时匹配精度范围,并超过了当前最佳宽带传感器的响应能力。该技术美国专利 #6,978,655,标题为“用于测量气体氧气浓度的系统、装置和方法”,详细介绍了以下总结的发明。凭借创新测量原理,单个 Nernst 电池可以同时用作泵和参考电池。Direct Digital 不使用常规 PID(比例积分微分)反馈机制来控制宽带传感器。相反,泵电流为正,直到参考显示 < Lambda 1。然后泵电流的极性反转,直到参考显示 > Lambda 1。这是通过一个小的滞后完成的。这样,测量室中的测量气体在化学计量附近以 300-800 Hz 振荡。振荡频率取决于恒定(但极性变化)的泵电流、滞后、传感器本身和 Lambda。频率在 Lambda 1 处达到最大值。这基本上是一个 2 点调节器,或者用数字电子术语来说,是 delta-sigma 模拟到数字转换器的工作原理,除了这里测量的模拟值直接是废气。该振荡的占空比 PWM 用 (t1 - t2) / (t2 + t2) 计算,因此范围为 +/- 1.0。t1 是泵电流正极性的持续时间,t2 是负电流极性的持续时间(均以 16 位精度测量)。使用 PWMair(空气中的占空比),可以直接用 PWM / PWMair 计算泵单元的 O2 流速,因此可以从中计算 Lambda。由于传感器仅用于恒定且相对较高的 Ip,但极性变化,因此 PWM 与 O2 流量完全线性,并且在标准化为 PWMair 后与特定传感器的 Lambda/Ip 曲线无关。由于
通过许多研究人员的精确实验研究,电生理学的研究取得了重大进展。该领域也通过将这些实验与基于电磁理论,电化学和其他基本概念的数学描述相结合来提出。本教科书提供了电生理学的定量介绍,首先是第1章中必要数学的摘要。第二章提供了导电媒体中电场和当前流量的简洁概述,从物理科学和工程原理中借鉴了生物学应用。随后的六章构成了本文的核心材料。第3章介绍了如何在膜之间存在电压和电流,以及如何使用Nernst – Planck方程进行评估。第4章讨论了膜通道,这对于细胞兴奋性至关重要,而第5章检查了产生动作电位的膜电压变化的时间过程。第6章涵盖了动作电位向下纤维的传播,并且在第7章中对心脏起搏器中使用的人工刺激的反应进行了处理。最后,第8章描述了这些活性过程在周围细胞外空间中产生的电压和电流。以前的版本因其对电生理主题的全面报道而受到赞扬,包括细胞膜的电性能,动作电位,电缆理论,神经肌肉连接,细胞外场和心脏电生理学。**传记** Robert Plonsey是生物医学工程专家,目前是杜克大学名誉教授。他拥有著名机构的多个学位,包括加利福尼亚大学(1955年)的电气工程博士学位和斯洛伐克科学学院的技术科学博士(1995年)。在他的整个职业生涯中,他曾在凯斯西部储备大学(1976-1980)和杜克大学(1968-1983)的教授担任生物医学工程主席。**奖项和赞誉** Plonsey对生物医学工程的贡献已通过许多奖项得到认可: *美国科学进步协会会员 * William Morlock Award * William Morlock Award(1979年) *百年纪念奖章(1984)(1984年)在IEEE IEEE Ingineering获得IEEE MEDIC SORICED的IEEE ENGINEERIG (1997年)获得了国际生理与工程医学科学联盟 * Theo Pilkington杰出教育家奖(2005年) *杰出服务奖(生物医学工程科学,2004年)**当前工作** Roger C. Barr是杜克大学生物医学工程和培养科副教授。他曾担任生物医学工程系和医学与生物学协会IEEE工程副总裁兼总裁。Barr获得了杜克大学学者奖(1991年),并撰写了100多个有关生物电论的研究论文。**文本简介**提供的文本是电生理学的简介,重点是定量方法。本书涵盖了电场的各个方面和在生物环境中的电流流动,包括膜电压,动作电位,传播,人工刺激反应以及细胞外电压/电流产生。随后的章节探讨了心脏和神经电生理学,以及膜生物物理学的最新发展。电生理学领域通过许多研究人员进行的各种实验研究的结合,从而取得了重大进步。此外,准确的理论概念和数学描述的发展统一了许多实验观察,为应对各种电生理挑战提供了坚实的基础。此外,采用向量和矢量演算,大大简化了本书中介绍的几个主题的数学公式。本章深入研究向量和标量的基本面,以及代数操作,例如应用于向量的添加和乘法。它还对梯度和差异概念进行了深入的评论,因为它们经常遇到。