electricitatea1-FMAM

Noiuni de electricitate i magnetism. Aplicai medicale ale curenilor electrici i cmpurilor magnetice

NOIUNI DE ELECTRICITATE I MAGNETISM. APLICAII MEDICALE ALE CURENILOR ELECTRICI I CMPURILOR MAGNETICE

Att n mediul celular ct i cel

extracelular sunt prezente o mare varietate

de atomi i molecule ionizate, n diferite

concentraii ale cror valori sunt meninute

constante de procesele metabolice, iar

fenomene electrice se desfoar n toate

celulele vii. n esuturi se pot percepe

cureni electrici cu o tensiune de 0,1 mV i

cu o durat de 0,1 ms. Cureni electrici

foarte slabi sunt generai de activitatea

creierului, a retinei.

Pe de alt parte, la ora actual

exist numeroase aplicaii ale electricitii

n diagnostic i terapie. Iat cteva motive

pentru care este foarte important s

nelegem fenomenele fizice legate de

electricitate.

Electrostatica Studiaz starea de electrizare i

aciunile reciproce ale corpurilor

electrizate.

Sarcina electric (pozitiv i negativ) este o mrime fizic scalar,

derivat, a crei unitate de msur n S.I.

este 1C (Coulomb), constituid o msur a

stri ide electrizare a unui corp.

Spunem c sarcina electric este o

mrime cuantificat deoarece ea nu poate

fi dect multiplu ntreg al unei sarcini

elementare. Sarcina electric elementar

este cea mai mic sarcin pus n

eviden pn acum prin numeroase

experimente; reprezint sarcina electric a

unui electron i este egal cu 1,6.10-19 C.

Principiul conservrii sarcinii electrice Pentru un sistem izolat din punct de

vedere electric suma algebric a sarcinilor

electrice ale corpurilor din sistem rmne

constant.

Legea lui Coulomb Fora de atracie sau de respingere

dintre dou corpuri punctiforme ncrcate

cu sarcinile electrice q1 i q2, situate la

distana rr are expresia:

rrqq

rrqq

kF rrr

321

321

41==

unde

= permitivitate electric a mediului k = 9109 Nm2C-2 i este strns legat de

viteza luminii n vid = 10-7 c2. Corpurile

electrizate la fel se resping, cele electrizate

cu sarcini de semne contrare, se atrag.

Cmpul electric

Reprezint forma de existen a

materiei din jurul corpurilor electrizate care

se manifest prin aciuni asupra corpurilor

cu sarcin electric. Putem spune c ntr-

un punct exist un cmp electric dac

1

Biofizica i Fizic Medical

asupra unui corp ncrcat plasat n acel

punct se exercit o for de origine

electric.

Cmpul electrostatic este cmpul electric constant n timp produs de un corp n

repaus, avnd sarcin electric. Este

caracterizat de o mrime fizic vectorial

numit intensitate a cmpului electrostatic,

notat cu Er

care reprezint valoarea limit

a forei pe unitatea de sarcin care

acioneaz asupra unei sarcini de prob q

aflate ntr-un punct, atunci cnd sarcina q

tinde la zero. '

lim0' q

FEq

rr=

n realitate, cmpurile electrice sunt

produse de sarcini distribuite pe suprafaa

conductorilor de dimensiuni finite i nu de

sarcini punctiforme. Intensitatea cmpului

electrostatic creat se calculeaz

imaginndu-ne c sarcina fiecrui

conductor este mprit n elemente

infinitezimale dq. = 2rrdqkEr

Limitele de integrare trebuie fixate astfel

nct s fie incluse toate sarcinile care

contribuie la cmp.

Linia de cmp este linia imaginar trasat astfel nct direcia ei n fiecare

punct (direcia tangentei ei) s fie direcia

cmpului n acel punct.

O sarcin punctiform staionar produce

n spaiul din jurul ei un cmp electrostatic

radial, n timp ce o distribuie superficial

de sarcin produce un cmp ale crui linii

de cmp sunt perpendiculare pe suprafa

i paralele. Sensul liniilor de cmp este dat

de semnul sarcinii.

Fluxul liniilor de cmp printr-o suprafa de arie S este reprezentat de produsul

scalar dintre vectorii Eri S

r:

cos== SESE rr n zonele spaiale n care valoarea fluxului

cmpului electric, stabilit prin unitatea de

suprafa normal, este mai mare,

intensitatea cmpului este mai mare.

Teorema lui Gauss

Cmpul electrostatic generat de un

sistem de corpuri electrizate 1, 2, , N

care au sarcinile q1, q2, q3,...,qN, aflate ntr-

un mediu izolat (cu permitivitate absolut

) determin prin orice suprafa nchis (care cuprinde corpurile de mai sus) fluxul

total: =

==N

kkE q

Q1

1

Potenialul electric ntr-un punct

Este o mrime fizic egal cu

raportul dintre lucrul mecanic LMRef. efectuat de cmp la deplasarea unui corp

de prob ncrcat, din acel punct n

punctul de referin arbitrar ales, i sarcina

q a acelui corp.

qL

V fMM.Re=

Se poate demonstra c lucrul mecanic

efectuat de cmpul electrostatic pentru

2


transporta o sarcin de prob ntre dou

puncte din cmp nu depinde de drumul

ales, prin urmare, cmpul electrostatic este

un cmp conservativ de fore (ca i cmpul

gravitaional, de exemplu). Unitatea de

msur pentru potenialul electric este 1V

(Volt-ul).

Diferena de potenial electric dintre dou puncte M i N sau tensiunea

electric U dintre ele este o mrime fizic

egal cu ctul dintre lucrul mecanic

efectuat de cmp la deplasarea unui corp

de prob ntre cele dou puncte i sarcina

electric a acelui corp.

===

NM

NMNM rr

QUq

LVV 114

Potenialul de difuzie

S considerm dou compartimente

n care se gsete KCl n concentraii

diferite (c1 > c2) ntre care se poate msura diferena de potenial electric. Aceste

compartimente sunt separate printr-o

membran inegal permeabil (coeficienii

de permeabilitate pentru K+ i Cl- sunt

diferii, considerm ca permeabilitatea

membranei pentru K este mai mare dect

pentru Cl, adic PK+ >PCl-). Deoarece membrana este

permeabil i concentraia iniial a ionilor

n compartimentul al doilea este nul,

conform legilor difuziei, dinspre

compartimentul 1, ionii de K+ i Cl- vor

migra ctre compartimentul 2 cu viteze

diferite (mai iute ionii de K+).

Fig. 1 Exemplificarea potenialului de difuzie

Ca urmare, ionii de K+ se vor

acumula mai rapid n compartimentul 2,

ncrcndu-l pozitiv i producnd astfle o

diferen de potenial ntre cele dou

compartimente. Aveast diferen de

potenial aprut ntre cele dou

compartimente se numete potenial de difuzie. Deoarece compartimentul 2 este ncrcat pozitiv, ionii de Cl- vor fi acelerai.

Deoarece se va ajunge la o egalizare a

concentraiilor din cele dou

compartimente, potenialul de difuzie va

scdea n timp. Se ajunge n final la o

stare staionar. Ecuaia Planck-

Henderson stabilete expresia potenialului

de difuzie:

2

121 ln c

czFRT

PPPP

EEEKCl

KCl +==

n cazul n care PK+ = PCl- potenialul

de difuzie este nul (E = 0). Dac cele dou compartimentele sunt separate

printr-o membran selectiv permeabil, de

exemplu impermeabil pentru Cl- (PCl- = 0)

3


nu pot s difuzeze dect ionii de K. Relaia lui Nernst stabilete diferena de potenial dintre cele dou compartimente la echilibru

i are expresia:

[ ][ ]2 1 KKln

zFRTE +

+=

Prin urmare, compartimentul 2

devine ncrcat pozitiv a de primul i

diferena de potenial rmne constant

imediat ce ionii de K+ i-au atins echilibrul.

Datorit valorilor diferite ale concentraiilor

din cele dou compartimente, apare un un

dezechilibru osmotic, urmat de difuzia apei

ctre compartimentul 1.

Conductori, izolatori, dielectrici

Un conductor este un material prin

care sarcinile electrice se pot deplasa cu

uurin. Valena pozitiv a metalelor ca i

faptul c ele formeaz n soluii ioni

pozitivi, arat c atomii unui metal

cedeaz mai uor unul sau mai muli dintre

electronii lor de valen. ntr-un izolator

exist foarte puini sau deloc electroni

liberi. Un mediu dielectric este un mediu n care nu apare curent electric n prezena

unui cmp electric extern, dar care i

modific starea sub aciunea cmpurilor

electrice i la rndul lor modific

interaciunea dintre corpurile cu sarcin

electric. Plasat n cmp electric,

dielectricul micoreaz intensitatea

acestuia.

Moleculele unui dielectric pot fi

polare i nepolare. O molecul nepolar este o molecul n care centrul de

greutate al nucleelor pozitive coincide n

mod normal cu cel al electronilor, iar o

molecul polar este o molecul n care

centrele nu coincid.

Fig. 2 a) molecule nepolare n cmp electric b)

molecule polare n cmp electric

Sub influena unui cmp electric

sarcinile unei molecule nepolare (Fig. 2) se

polarizeaz i devin dipoli indui. Cnd o molecul nepolar se polarizeaz, asupra

sarcinilor ncep s acioneze fore de

revenire care tind s le aduc n poziia

iniial. Sub influena unui cmp extern

dat, sarcinile se ndeprteaz una de alta

pn cnd fora de revenire devine egal

i opus forei exercitate de cmp asupra

sarcinilor. Forele de revenire variaz n

mrime de la un tip la altul de molecule,

ceea ce corespunde unor diferene n

deplasrile produse de un cmp dat.

Forele care acioneaz asupra unui dipol

permanent aflat n cmp electric dau

4


natere unui cuplu al crui efect este

orientarea dipolului n aceeai direcie cu

cmpul.

Fig. 3 Polarizarea unui dielectric ntr-un cmp

electric d natere pe feele lui unor straturi subiri

de sarcini legate.

Capacitate electric

Experiena arat c diferii

conductori ncrcai cu acceai sarcin

electric au poteniale diferite. Diferena

este dat de o proprietate fizic a acestora

numit capacitate electric. Capacitatea

electric a unui conductor depinde i de

poziia corpurilor din jur, de aceea, n

continuare, vom lua n considerare doar

corpuri izolate. Dac sarcina de pe corp

este Q, iar potenialul acestuia V, raportul

dintre cele dou:

CVQ =

este constant i egal cu valoarea

capacitii C. Unitatea de msur a

capacitii electrice este Farad-ul (F).

VCF

111 =

Dou plci conductoare paralele

ntre care se afl un mediu dielectric

formeaz un condensator plan.

Capacitatea condensatorul plan este:

dSC =

unde - reprezint permeabilitatea electric a mediului dintre armturi

- S suprafaa comun a armturilor

- d distana dintre armturi

La nivel membranar, capacitatea electric reflect proprietatea membranei de a menine o ncrcare electric de semne contrare pe cele dou fee ale ei. Gruparea condensatoarelor

A determina capacitatea

echivalent a dou sau mai multor

condensatoare conectate ntr-un circuit

nseamn a determina capacitatea unui

condensator care, plasat n circuit n locul

condensatoarelor, nu modific valorile

mrimilor electrice din circuit (cderi de

tensiune, distribuia sarcinii).

Gruparea serie a condensatoarelor

Dou condensatoare sunt conectate

n serie dac au o born comun (B din

Fig. 4).

5


Fig. 4 Condensatoare n serie

Grupate astfel, pe armturile celor

dou condensatoare, sarcina este aceeai

Q, iar suma cderilor de tensiune UAB i

UBC este egal cu tensiunea de la bornele

circuitului:

echivBCAB C

QCQ

CQUUU =+=+=

21

Se obine expresia capacitii echivalente

a celor dou condensatoare conectate

serie: 21.111

CCCechiv+=

21

21. CC

CCCechiv +=

Generaliznd pentru n

condensatoare montate n serie, se obine:

=

=n

i isechiv CC 1.11

Gruparea paralel a condensatoarelor

Dou condensatoare sunt conectate

n paralel dac au ambele borne comune

(bornele A i B n Fig. 5).

Fig. 5 Condensatoare n paralel

n acest caz, cderea de tensiune

pe cele dou condensatoare este aceeai,

prin urmare putem scrie:

21 UUU AB == Dar sarcina Q de la borna A se va

divide n Q1 i Q2 pe armturile celor dou

condensatoare: UCUCQQUCQ pechiv +=+== 2121.

21. CCC pechiv += i generaliznd pentru n condensatoare

montate n paralel, obinem pentru

capacitatea echivalent expresia:

=

=n

iipechiv CC

1.

Electrocinetica. Curentul electric staionar

Micarea dirijat a sarcinilor

electrice reprezint curent electric.

Intensitatea curentului electric I care strbate o suprafa este definit prin

sarcina total care trece prin acea

suprafa n unitatea de timp: dtdQI = . Se

msoar n Amperi (1 A).

Surs de energie Este un acumulator sau un

generator care poate furniza energie unui

circuit electric. Pentru meninerea

constant a intensitii curentului electric

ntr-un segment de circuit trebuie ca

tensiunea pe acel circuit s rmn

6


aceeai tot timpul. Aceast condiie se

realizeaz cnd circuitul dispune de o

surs de energie care s efectueze lucrul

mecanic necesar deplasrii cu vitez

constant a purttorilor de sarcin

electric. Aceast surs de energie este

generatorul electric.

Tensiunea electromotoare este numeric egal cu lucrul mecanic efectuat pentru a transporta unitatea de sarcin pozitiv de-a lungul ntregului circuit.

Rezistena electric R a unui element de circuit msoar opunerea

elementului la trecerea curentului electric

i stabilete proporionalitatea dintre

cderea de tensiune la bornele acelui

element de circuit U i valoarea intensitii

curentului electric care-l strbate I (U = RI).

Ea este o mrime fizic ce caracterizeaz

elementul de circuit i depinde de

caracteristicile geometrice ale acestuia

precum i de materialul din care acesta

este fcut, astfel: SlR =

unde reprezint rezistivitatea electric a materialului, l este lungimea rezistenei, iar

S reprezint aria seciunii transversale a

rezistenei. Unitatea de msur a

rezistenei electrice este Ohm-ul (1 - litera greceasc omega)

Rezistivitatea tuturor conductoarelor

metalice crete cu creterea temperaturii,

pentru un interval de temperaturi nu foarte

larg, variind astfel:

( )[ ]00 1 TT += unde 0 este rezistivitatea la temperatura de referin T0, iar la temperatura T. Coeficientul se numete coeficient termic al rezistivitii, avnd ca unitate de msur

grd-1.

Gruparea serie a rezistorilor

Fig. 6 Rezistori n serie

La gruparea n serie a doi rezistori

avnd rezistenele ohmice R1 i R2,

conform Fig. 6, intensitatea I a curentului

care i strbate este aceeai, iar suma

cderilor de tensiune UAB i UBC este egal

cu tensiunea la bornele circuitului U:

IRRRI

IRIRUUUUU

sechiv

BCAB

=+==+=+=+=

.21

2121

)(

21. RRR sechiv += Generaliznd relaia de mai sus

pentru n rezistori conectai n serie, se

obine urmtoarea expresie pentru

rezistena echivalent a gruprii serie

Rechiv.s:

=

=n

iisechiv RR

1.

7


Gruparea paralel a rezistorilor

Fig. 7 Gruparea paralel a rezistorilor

Dac doi rezistori sunt conectai n

paralel (Fig. 7) atunci au ambele borne

comune, iar intensitatea curentului din

circuit I se va divide n nodul A (din Fig. 7)

n I1 i I2. Cderea de tensiune la bornele

celor doi rezistori fiind aceeai, putem

scrie:

pechiv

ABAB

ABAB

RU

RRU

RU

RUIII

.21

2121

11 =

+=

=+=+=

Rezult c pentru cei doi rezistori,

rezistena echivalent este dat de:

21.

111RRR pechiv

+=

adic: 21

21. RR

RRR pechiv +=

Pentru n rezistori conectai n

paralel, rezistena echivalent Rechiv.p se

poate calcula din formula:

=

=n

i ipechiv RR 1.11

Legea lui Ohm pentru o poriune de circuit Arat c raportul dintre cderea de

tensiune U la capetele unui conductor

strbtut de curentul de intensitate I are o

valoare constant, egal cu rezistena R a

conductorului RIU =

Legea lui Ohm pentru un circuit simplu Intensitatea curentului printr-un

circuit este direct proporional cu

tensiunea electromotoare din circuit i

invers proporional cu rezistena total a

circuitului. rR

EI +=

Legile lui Kirchhoff 1. Suma algebric a intensitilor

curenilor electrici care se ntlnesc

ntr-un nod de reea este egal cu zero.

2. De-a lungul conturului unui ochi de

reea suma algebric a tensiunilor

electromotoare este egal cu suma

algebric a cderilor de tensiune pe

elementele acelui ochi de reea.

Gruparea serie i paralel a surselor

n cazul n care se conecteaz n

serie dou sau mai multe surse de curent

continuu (Fig. 8) se poate demonstra c

tensiunea electromotoare echivalent are

expresia:

Eech. serie = E1 E2 .. EN

8


n timp ce, rezistena ohmic a gruprii de

surse este chiar rezistena echivalent a n

rezistori grupai n serie:

r ech. serie = r1 + r2 + + rN

Fig. 8 Gruparea serie a surselor de t.e.m.

Fig. 9 Gruparea paralel a surselor de t.e.m.

Dac gruparea surselor se face n

paralel (Fig. 9), expresiile de calcul ale

tensiunii electromotoare echivalente,

respectiv rezistenei echivalente a gruprii

rezultante sunt:N

N

paralelech

paralelech

rE

rE

rE

rE = ...

2

2

1

1

.

.

Nparalelech rrrr1...111

21.

+++=

Instrumente de msur a curentului electric i a potenialului Instrumentul care se utilizeaz

pentru a determina valoarea intensitii

curentului electric dintr-o ramur de circuit

se numete ampermetru i se monteaz n

serie cu restul elementelor coninute n

acea ramur de circuit.

Valoarea msurat a intensitii

curentului electric este diferit de valoarea

intensitii curentului electric prin circuitul

respectiv n lipsa ampermetrului, deoarece

i acesta are o rezistena intern, care

trebuie s fie foarte mic. Un ampermetru

ideal are rezistena ohmic.

n cazul n care ampermetrul aflat la

dispoziie poate msura cureni maximi

mai mici dect cei presupui n circuit,

scala de msur a acestuia poate fi lrgit

prin montarea unei rezistene

suplimentare, n paralel cu ampermetrul,

numit unt. untul preia o parte din

curentul din circuit, protejnd astfel,

ampermetrul.

Fig. 10 Montarea untului ampermetrului

Valoarea rezistenei untului pentru

ca ampermetrul s msoare o intensitate

de n ori mai mare dect cea permis este

1= nRR A

ampermetrusunt

9


Voltmetrul servete la msurarea

cderii de tensiune pe un element de

circuit. Se monteaz n paralel cu

elementul la bornele cruia dorim s

msurm cderea de tensiune. Valoarea

msurat a cderii de tensiune la bornele

elementului de circuit este diferit de cea

calculat teoretic, n absena voltmetrului,

deoarece i prin acesta trece o parte din

curentul din circuit, motiv pentru care

rezistena voltmetrului trebuie s fie foarte

mare, practic infinit. n cazul n care scara

de msur a voltmetrului nu permite

msurarea unei tensiuni foarte mari se

monteaz o rezisten adiional n serie

cu voltmetrul (se preia astfel o parte din

cderea de tensiune de pe voltmetru,

protejndu-l).

Fig. 11 Montarea rezistenei adiionale a

voltmetrului

Valoarea rezistenei adiionale

pentru ca voltmetrul s msoare o cdere

de tensiune de n ori mai mare dect cea

permis este

)1( = nRR VvoltemetruSunt

Modelul electric al membranei celulare

Din punct de vedere electric, o

celul mpreun cu mediul ei extracelular

pot fi comparate cu o reea electric

alctuit din condensatoare, rezistoare i

surse de tensiune electromotoare (Fig.

12).

- lichidul intracelular i cel extracelular pot

fi considerate bornele unei surse de

tensiune electromotoare format din trei

baterii de c.c. grupate n paralel (baterii de

Na, K i Cl ale cror t.e.m. se calculeaz

cu relaia lui Nernst)

- lichidul extracelular i intracelular pot fi

considerate armturile unui condensator al

crui dielectric este membrana celular

- canalele de Na+, K+ i Cl- reprezint

rezistori electrici care se opun trecerii

ionilor corespunztori

- lichidul intracelular i extracelular pot fi

considerate rezistene electrice ale cror

valori depind de rezistivitatea electric a

lichidelor precum i de lungimea i aria

transversal a seciunilor reprezentate de

celul i de spaiile extracelulare.

Aceste elemente de circuit au valori

variabile n timp.

10


Fig. 12 Modelul electric al membranei celulare

Cmpul magnetic al curenilor n spaiul din jurul sarcinilor electrice

apare un cmp electrostatic ce se

manifest prin aciuni asupra altor corpuri

cu sarcin electric.

Fig.13 Regula burghiului (a minii drepte) folosit

pentru stabilirea sensului liniilor de cmp magnetic

ce se stabilete n jurul unui conductor strbtut de

curent electric continuu; inducia magnetic Br

are

acelai sens cu liniile de cmp i este tangent la

acestea

n mod similar, n spaiul din jurul

unui conductor strbtut de curent electric

apare un aa numit cmp magnetic care

constituie, de asemenea, o form de

existen a materiei. Cmpul magnetic

este continuu, vectorial, mrimea i

direcia sa n orice punct fiind date de

inducia magnetic Br

(unitate de msur 1

Tesla, 1 T) (Fig. 13).

Cmpul magnetic poate fi produs

att de substanele magnetizate ct i de

curenii din conductoare (electromagnei).

Orice magnet are doi poli (Fig. 14), unul

negativ i cellalt pozitiv, un singur pol

magnetic izolat nefiind niciodat

descoperit.

Fig. 14 Polii unui magnet: convenional liniile de

cmp magnetic ies din polul nord i intr n polul

sud

Asupra unui conductor strbtut de

curent continuu, aflat ntr-un cmp

magnetic extern se exercit o for a crei

mrime depinde de sensul curentului

electric I, de sensul i orientarea cmpului

magnetic Br

, precum i de lungimea

conductorului l. Aceast for, numit for

electromagnetic (F din Fig. 15), este

11


rezultatul interaciunii dintre curentul

electric i cmpul magnetic i are expresia:

BlIFrrr =

Fig. 15 Sensul forei electromagnetice ce se

exercit asupra unui conductor strbtut de curent

electric aflat n cmp magnetic exterior de inducie

Fr

Br

Fluxul magnetic (Fig. 16) care traverseaz o suprafa S intersectat de

linii de cmp magnetic se definete ca fiind

produsul scalar dintre inducia magnetic

i suprafaa normal.

== cosSBSB rr Unitatea de msur pentru fluxul

magnetic este Weber-ul.

Fig. 16 Suprafa strbtut de linii de cmp

magnetic ntr-un cadru metalic strbtut de

flux magnetic variabil n timp apar un

curent electric indus i respectiv, o

tensiune electromotoare (t.e.m.) indus a

crei expresie este dat de legea lui

Faraday: dtde =

Conform acestei expresii tensiunea

electromotoare indus n circuit este

numeric egal cu viteza de variaie a

fluxului magnetic prin acesta. Fenomenul

de apariie a t.e.m. induse se numete

inducie electromagnetic. Curentul indus

are un astfel de sens nct cmpul su

magnetic s se opun variaiei cmpului

magnetic inductor (legea lui Lenz).

Curentul alternativ Dac ntre polii unui magnet permanent un cadru metalic se rotete cu

vitez unghiular constant , acul ampermetrului montat pe una dintre laturile

cadrului va devia (Fig. 17). Intensitatea

curentului citit pe cadranul ampermetrului

nu va fi constant i periodic i va

schimba sensul (Fig. 18).

Curentul aprut n urma induciei

magnetice, n condiiile descrise se

numete curent alternativ sinusoidal, iar

legea de variaie n timp a intensitii

curentului electric este:

i(t) = I0sint unde i(t) este valoarea instantanee, I0 este

amplitudinea maxim a curentului electric,

este pulsaia. ntre pulsaie si frecvena curentului electric alternativ exist relaia:

= 2

12


Fig. 17 Producerea curentului alternativ sinusoidal

n cadrul metalic ce se rotete cu o vitez

unghiular constant ntr-un cmp magnetic

constant (polii magnetului)

Fig. 18 Repezentarea grafic a curentului continuu

i a curentului alternativ cu frecvene diferite

Electrogeneza biologic O serie de organisme i organe

sunt capabile s produc electricitate,

evident nu n sensul unei cantiti de

curent electric ce poate fi folosit n

practic. Exist o serie de plante i de

animale care au organe specializate, ce

produc curent electric biologic (de

exemplu, petii electrici din familia

silurienilor, care provoac la atingere

zguduiri violente).

n organismul uman, modificrile

care au loc ntr-un esut pot da natere

unui curent electric. Dintre aceste

modificri cea mai frecvent este

contracia muscular, curenii produi fiind

de repaus i de aciune.

Curenii de repaus se pot pune n

eviden prin aplicarea unuia dintre cei doi

electrozi nepolarizabili conectai ntr-un

circuit electric ce conine i un

galvanometru sensibil, pe o leziune a

muchiului. Se constat o deviaie a acului

galvanometrului, electrodul aezat pe

leziune comportndu-se ca un pol negativ.

Diferena maxim de potenial se obine

dac aezm un electrod la mijlocul

suprafeei laterale a muchiului, iar

cellalt, n mijlocul leziunii.

Curenii de aciune apar la excitarea

electric, mecanic, chimic sau fiziologic

a muchiului sau a nervului. i n cazul

acesta, polul negativ este electrodul cel

mai apropiat de regiunea n care se

13


produce excitaia. Prin suprapunerea

polului pozitiv al curentului de repaus

peste polul negativ al curentului de

aciune, se constat o slbire a curentului

de repaus msurat iniial (variaia negativ

a curentului de repaus).

Fenomene electrice ntlnim peste

tot n organism: n scoara cerebral a

crei activitate electric se materializeaz

prin nregistrarea electroencefalogramei. n

diferite sectoare ale sistemului nervos

central se produc oscilaii electrice

spontane, cu frecvene i amplitudine

diferite, nedeterminate de aciunea unor

excitaii exterioare. Activitatea electric a

scoarei variaz cu diferitele stri

funcionale (apariia excitaiei n scoar se

observ la om n accesele epileptice).

Aplicaii medicale ale curenilor electrici

n aplicaiile medicale, electricitatea

se utilizeaz sub urmtoarele forme :

- electricitate static sau franklinizare - curent electric continuu sau

galvanizare - curent electric alternativ sau

faradizare - curent electric n impulsuri Electricitatea static

Masina electrostatic medical Wimshurst (Fig. 19) este un generator electrostatic clasic capabil s produc

poteniale electrostatice nalte. Este

format din dou discuri acrilice mari pe

care sunt lipite foie de staniol, care se

rotesc n sens opus n plan vertical i un

spaiu pentru scnteie ntre dou sfere

metalice. n timpul rotaiei, discurile sunt

frecate de dou perechi de periue aezate

diametral, fiecare pereche fiind situat fa

de orizontal la un unghi de 45 de grade.

Cei doi conductori n forma de U aezai

de o parte i de alta pe diametrul orizontal

sunt prevzui cu vrfuri ascuite i fiecare

este legat la armtura interioar a unui

conductor cilindric (numit element Leyden),

i la un pol al mainii. Sarcinile electrice

produse sunt sunt culese de vrfurile

conductorilor i acumulate de elementele

Leyden care se ncarc cu sarcini electrice

de semn contrar, maina avnd, n

consecin, un pol pozitiv i unul negativ

ntre care se creeaz o diferen de cteva

zeci de mii de voli. Scnteia produs prin

frecare ntre cele dou capete polare ale

mainii ajunge la o lungime de pn la 15

cm, n funcie de tensiunea maxim care

se stabilete ntre poli n timpul funcionrii

mainii electrostatice. Maina medical

electrostatic i pstreaz o polaritate

constant n timpul funcionarii.

n funcie de efectele urmrite,

electricitatea static (franklinizarea) se

poate aplica astfel:

1. Baia electrostatic este indicat n hipotensiune arterial, insomnie, astenie,

fiind un tonic general i un sedativ al

14


sistemului nervos; intensific arderile n

organism, deoarece produce o ozonizare a

aerului (ozonul este un excitant energetic

al hematozei). O edin dureaz

aproximativ 15 minute, timp n care

pacientul este plasat pe un scaun aflat pe

o baz izolat din punct de vedere electric.

Pacientul este conectat la polul negativ al

mainii, cellalt pol al acesteia fiind

mpmntat, iar potenialul la care este

adus pacientul este de cteva mii de voli.

Electricitatea cu care se ncarc pacientul

se pierde continuu prin asperitile

corpului.

Fig. 19 Masina electrostatica Wimshurst

2. Efluviile electrice sunt sedative si calmante i se ntrebuineaz n tratarea

plagilor atone, n diferite aciuni cutanate

(cum ar fi eczeme, prurit). n cazul acestei

edinte, pacientul nu este conectat direct

la un pol al mainii, ci n dreptul regiunii ce

urmeaz a fi tratate se plaseaz la o

distan determinat un electrod de metal

cu vrf ascuit mpmntat.

3. Duul electric este similar, att din punct de vederea al plicaiei, ct i din cel

al efectelor cu efluviile electrice, doar ca n

acest caz, n locul electrodului metalic se

aeaz un disc de lemn cu mai multe

vrfuri de la care pornesc sarcini electrice.

4. Scnteia direct se poate aplica apropiind de pacient electrodul legat de un

pol al mainii electrostatice, pacientul fiind

plasat n faa acesteia la fel ca n cazul bii

electrostatice; ntre pacient i electrod se

produc scntei cu aciune local.

Supunnd zona de tratat unei serii de

scntei apare la nceput o vasocontricie

periferic, pielea devine palid, urmat de

vasodilataie, pielea prezentnd hiperemie.

Pe aceast cale se distrug epitelioame

cutanate, negi.

Curentii Morton reprezint un alt mod de administrare a electricitii statice

i produc contracii musculare puternice i

nedureroase, folosite mai ales pentru a

aciona asupra muchilor netezi ai

organelor interne (n cazuri de atonie

asupra muchilor stomacului, de

exemplu).

Curentul continuu de joas tensiune, generat de baterii, acumulatori

sau redresori de curent alternativ, se

aplic esuturilor prin intermediul a doi

electrozi, numii anod i catod. Utiliznd

electrozi inatacabili, insolubili, de platina,

nichel sau crbune, se fac aplicaii ale

electrolizei medicale.

15


Electroliza biologic se poate face

prin aplicaie monopolar, cnd se

folosesc efectele electrolitice produse la un

singur electrod, numit electrod activ, sau

prin aplicaie bipolar, ambii electrozi fiind

activi.

Electroliza medical se face

monopolare sau bipolar, curentul circulnd

prin esuturi nu numai de-a lungul liniei

drepte ce unete electrozii, ci i prin

regiuni aflate n afara acestei linii,

dispersndu-se sub form de cureni din

ce n ce mai slabi. Curenii se numesc

electrotonici: anelectrotonici (micoreaz excitabilitatea esuturilor) n

vecintatea anodului, catelectrotonici (mresc excitabilitatea esuturilor), n

vecintatea catodului.

La intensiti mari ale curentului

electric continuu, pot aprea escare

negative cenuii n zona de contact a

tegumentului cu catodul i escare pozitive

brune la anod, n urma electrolizei ce are

loc n esuturi care sunt mici electrolizori n

care se produce electroliza soluiilor

biologice. Efectele sunt folosite pentru

distrugerea pe cale galvanocaustic a unor

tumori. Se folosesc drept electrod negativ

ace de aur, de platin sau de oel,

intensitatea curentului ajungnd pn la

15 20 mA, durata de aplicaie variind

ntre 30 120 s.

Folosind electrodul activ drept anod,

se pot trata hemoragiile uterine care sunt

oprite de aciunea hemostatic a reaciei

secundare produs la polul pozitiv.

n afara fenomenelor care apar la

electrozi n timpul electrolizei biologice,

curentul electric aplicat un timp ndelungat

poate s provoace i electroliza interstiial

manifestat prin leziuni vizibile la

microscop.

Tot n cadrul electrolizei medicale,

se pot folosi electrozi solubili care sunt

atacai de substanele depuse la electrozi,

substanele noi obinute avnd proprieti

terapeutice speciale. Folosind un anod de

fier, ionul clor eliberat sub form de atom

la anod, formeaz clorura feric ce are

aciune coagulant. O alt aplicaie a

electrolizei medicale cu electrozi solubili

const n tratarea anevrismelor cu anozi

solubili de fier care provoac formarea

unui cheag ce umple complet sacul

anevrismal.

Curentul continuu de mic

intensitate se folosete n cadrul

ionoterapiei pentru introducerea n organism, prin piele i prin mucoase, a

unor ioni medicamentoi (iod, salicilat

etc.), fenomen numit ionoforez. Astfel introdui, ionii se elimin mai lent dect n

cazul injeciilor subcutanate, prelungind

astfel timpul de exercitare a efectelor lor

terapeutice. Pentru introducerea ionilor

metalici, se mbib cu soluia

medicamentoas un electrod activ care se

leag la polul pozitiv al generatorului de

16


curent continuu. Intensitatea curentului va

fi de 20 100 mA, durata aplicaiei fiind de

30 pn la 60 de minute. Deoarece ionii

medicamentoi introdui prin piele

acioneaz local, ionoterapia electric se

folosete cu precdere n afeciunile

dermatologice. Ionoterapia electric poate

fi folosit i n cazul tratamentului

reumatismului articular subacut, prin

itroducerea prin ionoforez a ionului

salicilat, precum i pentru ameliorarea

artritelor cronice prin ionoterapia cu iod i

calciu. n stomatologie, ionoforeza cu

novocain produce o bun anestezie

local.

Curentul continuu se folosete i la

defibrilarea cardiac, metod folosit n cazul stopului cardiac.

Curenii alternativi de joas frecven (50-100 Hz) produc modificri circulatorii locale, senzaii dureroase,

contracii musculare precum i o nclzire

local. Curentul alternativ de joas

frecven poate produce moartea prin

electrocutare la o intensitate de patru ori

mai mic dect cea la care produce

electrocutarea mortal un curent continuu,

n condiii identice. Curenii alternativi de

frecvene nalte nu produc electrocutare.

Curenii alternativi de nalt frecven nu produc excitaii. Efectele lor principale sunt cele termice iar aplicarea

lor n medicin poart numele de

diatermie. Efectul curenilor de nalt

frecven poate fi folosit i pentru

distrugerea unor tumori prin

diatermocoagulare, ca i pentru tierea

esuturilor (bisturiu electric), precum i n

electrofiziologia intervenional.

Curentul electric sub form de impulsuri poate produce efecte biologice diverse n funcie de forma, durata,

amplitudinea i frecvena impulsurilor:

stimulare, contracii musculare, durere,

sedare, anestezie, somn. Impulsurile de

durat mare se supun legilor lui Pflger conform crora, la nchiderea circuitului

electric, excitarea nervilor i a muchilor se

produce la catod iar la deschiderea

circuitului, excitarea se produce la anod.

Aplicate la nivelul capului, impulsurile pot

produce sedare, electrosomn,

electronarcoz sau electrooc (n aceleai

scopuri se folosesc i curenii alternativi de

joas frecven).

Electroterapia const n folosirea

impulsurilor electrice pentru nlturarea

simptomelor de durere, slbiciune a

muchilor i depresiei, reprezentnd una

dintre cele mai sigure i eficace metode de

tratament deoarece are foarte puine

efecte secundare. Curentul, pulsatoriu de

cele mai multe ori, administrat pacientului

provoac contracia urmat de relaxarea

muchiului, stimulrile repetitive ducnd la

ntrirea acestuia i ndeprtarea durerii.

Stimularea electroterapeutica a muchilor

reprezint un tratament efectiv al durerilor

17


cronice i al oboselii asociate cu

fibromialgia (sindrom de durere cronica ce

este caracterizat prin durere difuz,

sensibilitate excesiv n muchi i esutul

moale, puncte sensibile localizate i

tulburri de somn, slbiciune).

Procedeele electroterapeutice sunt

extrem de numeroase i variate, un loc

deosebit n rndul lor fiind ocupat de

stimulatoarele electrice, cu ntrebuinri

multiple (defibrilatoare, stimulatoare

cardiace, aparate de electroanestezie,

aparate pentru electroocuri etc.).

Electroterapia poate fi comparat cu un

masaj profund al esuturilor, efectele ei

sunt cumulative.

Utilizarea magneilor n practica medical Magneii i electromagneii sunt larg

ntrebuinai n aparatele de laborator, n

electrofiziologie i terapeutic. n medicin,

sunt utilizai pentru localizarea i

extragerea corpurilor feromagnetice intrate

accidental n organism (de exemplu, n

ochi).

Sideroscopul este un aparat format

dintr-un sistem de ace magnetice,

coaxiale, aezate rigid unul fa de altul,

cu polii de semn contrar fa n fa pentru

a nu se simi influena cmpului magnetic

terestru (sistem astatic). Aparatul este

adus cu acul inferior al sistemului astatic n

apropierea ochiului n care se presupune

c au intrat achiile de fier, acul magnetic

fiind deviat de particula de fier, cu att mai

mult cu ct este mai aproape de acesta.

Astfel se poziioneaz corpul strin. Pentru

extragerea corpurilor feromagnetice

srtine intrate n diferite regiuni ale

corpului se construiesc aparate magnetice

mai puternice.

De exemplu, dac particula de fier a

intrat n camera anterioar a ochiului,

extracia se poate face cu un

electromagnet format dintr-un miez

cilindric de fier moale situat n interiorul

conductorului prin care circul curentul

electric. La un capt electromagnetul are

form ascuit, acest capt apropiindu-se

de ochi n dreptul deschiderii produse de

corpul strin, parcticula strin fiind atras

de magnet i extras din ochi.

Electromagnetoterapia se utilizeaz

n tratamentul diferitelor forme de durere

fizic i emoional. Cu ajutorul unor

dispozitive electromagnetice se poate

interveni pentru diminuarea durerii, pentru

grbirea vindecrii fracturilor, pentru

eliberarea stresului. Datorit faptului c

membrana celular este strbtut de

cureni ionici, apar cmpuri magnetice n

jurul acestora, care, nsumate, formeaz

un cmpul magnetic, de joas intensitate,

produs de organism.

18

Legea lui CoulombFora de atracie sau de respingere dintre dou corpuri puncFig. 5 Condensatoare n paralel

Electrocinetica. Curentul electric staionarTensiunea electromotoare este numeric egal cu lucrul mecani

Legile lui KirchhoffGruparea serie i paralel a surselorModelul electric al membranei celulare

electricitatea1-FMAM

Documents

Transcript of electricitatea1-FMAM