FISICA MEDICA - UNPRGBIOElectricidad y BIOMagnetismo INTEGRANTES:TRUJILLO YAIPEN, WALTER MANUELPITA BANCES, JEAN ROBERTH

Objetivos:

- Conocer las nociones bsicas del concepto de electricidad.

- Resolver problemas de aplicacin.

- Relacionar los conocimientos adquiridos con la importancia a nivel biolgico.

Contenidos:

- Definiciones. Generalidades.- Electricidad. Ley de Coulomb.- Campo elctrico. Lneas de fuerza.- Trabajo elctrico. Potencial elctrico. - Capacidad: Condensadores - Intensidad de corriente. Potencia elctrica.- Resistencia. 1 y 2 ley de Ohm.- Ley de Joule.- Circuitos. Circuitos en serie y en paralelo.- Leyes de Kirchoff.- Ejercicios de aplicacin.- Accin biolgica de la corriente elctrica.

BIOELECTRICIDAD

En qu se Fundamenta la Bioelectricidad ?Leyes y principios de la fsica elctrica A partir de los cuales se estudian los fenmenos bioelctricos que ocurren en el organismo: Transporte de iones a travs de la membrana Transferencia de los impulsos nerviosos Contraccin de las fibras musculares, etc. Y para la comprensin de dispositivos que proporcionan diversos registros elctricos: Electrocardiograma Electroencefalograma Electromiograma, etc.

Definiciones

Electrosttica: Estudio de cargas elctricas en reposo.

Electrodinmica: Estudio de las cargas elctricas en movimiento.

IntroduccinLa electricidad es una fuerza fundamental de la naturaleza, cuya fuerza elctrica depende de su carga

Carga Elctrica: Ley de CoulombLa carga como la masa es una propiedad fundamental de la materia, y son de dos tipos:

Carga positiva, asociadas al protnCarga negativa, asociadas al electrn

Por tanto las fuerzas elctricas pueden ser de atraccin o de repulsin: regidas por la ley de las cargas (cargas iguales repelen y contrarias se atraen)

La Carga Elctrica es una Propiedad Bsica de las Partculas Elementales:ElectronesProtonesNeutronesComponen toda la materia ordinariaLo que mantiene al tomo unido es la fuerza elctrica entre sus protones y electrones

Por frotamiento ciertos cuerpos son capaces de ceder o ganar electrones y de esa forma se cargan electrostaticamente+ + + + + + - - - - - ++ ++- - - -Las Cargas se igualan

Este pasaje de cargas en realidad consiste en pasaje de Electrones del cuerpo de mas carga al de menos y Se denomina Corriente elctricaEn el caso de los cuerpos cargados Positivamente este pasaje se realiza del de menor Carga positiva hacia el de mayor, en el caso de cuerpos cargados negativamente, el pasaje es del de mayor al de menor carga

Fe = +K /(q1*q2) / r2K = constante elctrica universal = 9 x 109 N-m2/C2Fe =La fuerza elctrica puede ser repulsiva o atractiva

Las fuerzas observadas entre protones y electrones conducen al enunciado

"CARGAS DE LA MISMA ESPECIE SE REPELEN Y CARGAS DE DISTINTA CLASE SE ATRAEN"

Principios FsicosCarga elctricaElectrn = ProtnEquivale a 1,6 x 10-19Unidad de carga: Coulomb (C)La fuerza elctrica entre dos objetos con cargas q1 y q2 separadas por una distancia r es:Donde k es la constante elctrica universal :

Fuerza ElctricaDepende del producto de las cargas de los objetos como la fuerza de la gravedad depende del producto de sus masasAmbas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que separa los objetos

Donde

Otra diferencia entre estas fuerzas es que la de gravedad siempre es atractiva y la elctrica puede ser repulsiva

Campo ElctricoLas fuerzas elctricas como las fuerzas gravitacionales son fuerzas de accin a distancia que se manifiestan sin que haya ningn contacto entre los cuerposEstas fuerzas se aproximan a cero cuando las distancias tienden al infinitoCada carga modifica las propiedades del medio que la rodea estableciendo un campo elctrico anlogo al campo gravitacional producido por cada masa: atraccin o repulsin

Campo ElctricoSi una carga que colocada en un punto del espacio, experimenta una fuerza de origen elctrico, se dice que en este punto existe un campo elctrico producido por todas las otras cargas q1, q2, y que su intensidad es:

Como F es un vector y q un escalar, el campo elctrico es tambin un vector que tendr la direccin de F si q es positiva y la direccin contraria si q es negativa

Campo Elctrico

La carga q se denomina generalmente carga de prueba.El campo elctrico se simboliza con la letra E, es una magnitud vectorial y sus unidades son: N/C

Potencial ElctricoSe le llama diferencia de potencial entre dos puntos a la diferencia de energa potencial de una carga dentro de un campo elctrico entre estos dos puntos dividido por el valor de la carga, o tambin el trabajo realizado por la fuerza producida por el campo dividido por la carga, es decir,

La diferencia de potencial Va-Vb se generaliza Vab y se denomina a veces voltaje entre a y b.Es una magnitud escalar puesto que es el cociente entre dos magnitudes escalares y su unidad en sistema S.I es de joul/coul que se denomina voltio (v)

Conductores: Cuerpos que conducen la Corriente Elctrica Tienen electrones libres en su ultimo orbital. Los iones pueden moverse libremente en lquidos y gases. El tiempo de choque es 10 -18 seg.

Aisladores o Dielctricos: Cuerpos que no permiten el Pasaje de la Corriente Elctrica No tiene electrones libres en su ultimo orbital. Todos los electrones estn fuertemente unidos a los ncleos Los iones no pueden moverse. El tiempo de choque es horas, das para que pase corriente.

Aisladores y ConductoresA partir de la teora atmica de principios del siglo XX qued establecido cientficamente que la materia est compuesta de tomos muy pequeos

Cada tomo tiene un ncleo an ms pequeo, muy denso y cargado positivamente; el cual est rodeado de electrones livianos y cargados negativamente

Aisladores y ConductoresEn muchos metales los electrones ms cercanos estn fuertemente ligados al ncleo pero un electrn del exterior puede estar relativamente libre para ser transferido de un tomo a otro

stos electrones pueden moverse libremente y por lo tanto son llamados electrones libres

Su movimiento explica la conduccin elctrica por un alambre cuando es conectado a una batera o a un generados elctrico

Aisladores y ConductoresAl contrario de los electrones, los ncleos cargados positivamente estn fijos en un lugar dentro del cristal de un metal y no contribuyen en nada a la conduccin elctrica

Un buen conductor posee una cantidad apreciable de electrones libres y por eso conduce la carga con una resistencia relativamente pequea; son conductores los metales

Un mal conductor, es decir, un aislador, tiene muy pocos o no tiene electrones libres y posee una elevada resistencia a la conduccin de cargas o lo que es lo mismo la carga se mueve con dificultad como por ejemplo la goma, la madera, el hule, vidrio, corcho y la mayora de los plsticos

Aisladores y ConductoresAquellas sustancias que conducen la carga con menor capacidad que los metales, aunque mayor que los aislantes se les llama semiconductores, por ejemplo: silicio y germanio, utilizados para la fabricacin de transistoresAl contrario de lo que sucede en los metales, en los cuales los electrones libres conducen la electricidad, en los lquidos la conduccin de carga puede deberse a tomos positivos y negativamente cargados

Aisladores y ConductoresCuando se disuelve sal de mesa (NaCl) en agua los dos elementos se disocian formando un in Na+ cargado positivamente y un in Cl- cargado negativamente

El tomo de Cl ha ganado un electrn y el tomo de Na ha perdido uno quedando cargado positivamente

Esta solucin llamada electrolito, es buena conductora; la conduccin electroltica es esencialmente el movimiento de stos iones en direcciones opuestas

Aisladores y ConductoresAlgunos electrolitos tpicos son: cloruro de potasio (K+Cl-), cido sulfrico (H22+SO42-) y el agua misma (H+OH-)El que un electrolito conduzca bien o mal la electricidad depende de: - la valencia qumica (nmero de electrones perdidos o ganados), - el grado de disociacin y, - la concentracin inica (nmero de iones por centmetro cbico

Aisladores y ConductoresNo todas las soluciones conducen bien la electricidad, depende de la disociacin inica

Sin embargo, los tejidos del cuerpo localizados bajo la piel son electrolitos; la solucin salina fisiolgica es bsicamente una solucin diluida de NaCl y el plasma sanguneo contiene Na+, K+, Ca+, Mg2+, Cl- y otros ionesEl aceite, el alcohol y el azcar disuelta en el agua, la piel seca, y la mayora de las membranas biolgicas son relativamente malos conductores

Conductores: Conductores de primer grado: son los conductores metlicos, en cuyo interior hay cargas libres que se mueven por la fuerza ejercida sobre ellas por un campo elctrico. Las cargas libres son electrones libres. No existe transporte de masa.

e-e-.Forma de conduccin de la corriente en un Conductor de Primer Grado

Conductores de segundo grado: son los electrolitos, cuyas cargas libres son iones () o (-), muy importantes biolgicamente, constituidos por soluciones de distinta concentracin de cidos, hidrxidos, sales.

Las cargas libres de ambos signos se mueven en el sentido contrario.

Forma de conduccin de la corriente en un Conductor de Segundo Grado SO4Cu SO4-- + Cu ++

Coulomb encontr que la fuerza de atraccin o repulsin entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia d que la separa), es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. La fuerza tambin depende de la cantidad de carga de cada cuerpo.

Ley de Coulomb

Donde: F = fuerza; d = distancia; q1 y q2 = cargas y k= constante( Dielctrica del Medio).

Campo elctricoSe dice que existe un campo elctrico en un punto, si sobre un cuerpo cargado colocado en dicho punto se ejerce una fuerza de origen elctrico.

Campo Elctrico : Unidades

Lneas de fuerza

Trabajo elctrico

Material aislante en presencia de un campo elctrico

Las cargas no pueden moverse libremente. Se agrupan en dipolos que se orientan (polarizan) en presencia del campo

Potencial elctrico

Unidades derivadas

mV (milivolt) = 103 volt V (microvolt) = 106 voltKV (kilovolt) = 103 voltMV (megavolt) = 106 volt

Capacidad: Intensidad de Corriente

Resistencia

Primera ley de Ohm Cuando una corriente elctrica circula por un conductor metlico, la relacin entre la diferencia de potencial (V) y la intensidad (I) es igual a una constante, denominada resistencia (R).

Segunda ley de Ohm

Si tomamos un conductor (alambre de cobre) rectilneo de seccin constante, se comprueba que la resistencia es directamente proporcional a la longitud L. e inversamente proporcional a la Seccin S = resistividad = . cm. K = conductividad = 1.cm1

Ley de Joule

CorrienteUna corriente es un flujo de carga

Cuando una positiva se mueve desde una regin de potencial alto a otra de bajo potencial, su energa potencial se transforma a otras formas de energa

Por ejemplo, en una resistencia de calefaccin la energa potencial de la carga en movimiento se transforma en calor, en una bombilla se transforma en luz y calor, y en un motor se transforma en energa mecnica

CorrienteTodos los aparatos elctricos y electrnicos utilizan corriente de un modo u otro, tambin utilizan corriente los sistemas biolgicos, ellas intervienen en el transporte de impulsos nerviosos a lo largo de una fibra nerviosa

Intensidad de la CorrienteUna corriente elctrica es un flujo de carga y para que pueda mantenerse, alguna fuente debe proveer la energa que conserve la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor

Esta diferencia de potencial es lo que se llama fuerza electromotriz (Fem) y su unidad es el voltio

Intensidad de la Corriente

En los metales, los electrones externos de los tomos se mueven libremente y los protones de los ncleos estn fijos; en cambio en los conductores lquidos se pueden mover tanto los iones positivos como los negativos; as es como una batera convierte energa qumica en energa elctrica

Intensidad de la CorrienteEn electricidad se considera que el flujo de cargas negativas en una direccin equivale al flujo de cargas positivas en la direccin opuesta

La intensidad de la corriente elctrica (I) se define como la cantidad total de carga (Q) que pasa por un punto dado del circuito en un tiempo (t)

Intensidad de la CorrienteLas unidades de la corriente (I) son: Coulomb/segundo que corresponde a la unidad llamada amperio (A)Como

Intensidad de la CorrienteEl trabajo (w) realizado para mover la carga viene dado por:

Donde V+ es el potencial en el borde positivo y V- el potencial en el borde negativoEl trabajo realizado por segundo es la potencia (P)

CIRCUITOS

Un generador: pila, batera, acumulador, en los cuales se establece entre los bornes una diferencia de potencial y entrega de energa a las cargas que circulan.2) Un receptor: lmpara, resistencia de plancha, estufa, motor que recibe dicha energa y la utiliza.3) Conductor: que conecta a ambos (cables).4) Instrumentos de medida y control: ampermetro (mide intensidad de corriente), voltmetro (mide la diferencia de potencial).

Circuitos en serie La Resistencia total o equivalente es: R = R1 R2 R3 +

R1 R2 R3

V

Circuitos en paraleloLa diferencia de potencial (d.d.p.) entre los extremos de cada resistencia es la misma.1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 +.En consecuencia, R total es igual a la inversa de 1/R.

R1

R2

CircuitosLos circuitos consisten a menudo en una red de resistencias interconectadas, como lo indica la figura

El problema bsico de la teora de circuitos es hallar la intensidad de la corriente en cada rama del circuito, cuando se conocen los valores de las resistencias

El anlisis de sta o cualquier otra red utiliza dos principios conocidos como leyes de Kirchhoff

Primera Ley de KirchhoffLa intensidad total de la corriente que entra en un punto cualquiera del circuito es igual a la intensidad que sale del punto

Esta ley es una consecuencia del hecho de que no se acumula carga en un punto de un circuito, de modo que sale de l tanta carga como ha entrado

Segunda ley de Kirchhoff

La diferencia de potencial entre dos puntos cuales quiera de un circuito es la misma a lo largo de cualquier camino que se conecte los puntos

LEY DE OHM

Gracias a las investigaciones de George Ohm acerca de la conduccin elctrica en varios materiales, se toma como deduccin que el cociente entre el voltaje aplicado a un conductor y la corriente, es constante y se llama resistencia

Formula matemtica:

luego la unidad de resistencia es

Esta ley es valida solo para ciertos materiales (metales), esta ley en su uso de aplicacin se da primordialmente en circuitos elctricos.

FUERZA ELECTROMOTRIZ

La fuerza electromotriz es la cantidad de energa, por unidad de carga necesaria para hacer circular una carga alrededor de un circuito completo.

En el sistema S.I. su unidad es el VOLTIO.

Ecuacin:

E= IR + Ir como V= IR

E= V + Ir ley de ohm

V= E - Ir

CONDENSADORES

Un condensador consta de dos superficies conductoras, separadas por una delgada lamina aislante.

Los hilos unidos a las superficies, permiten que el condensador sea conectado en un circuito electrnico.

En un circuito, el condensador es simbolizado por esta conectado en serie a una resistencia (R) y una batera.

Como hay aislamiento entre las placas del condensador,la carga no puede fluir por este elemento y por lo tanto,no se puede establecer una corriente continua a travsde un condensador.

Sin embargo cuando el interruptor (s), se encuentra cerrado, se producir una corriente transitoria a travs de la resistencia, puesto que los electrones fluyan de una placa del condensador a otra.

En consecuencia, la carga positiva (q) se acumula sobre una placa, mientras que una cantidad igual de carga negativa (q) se acumula en la otra. (V= Vc - Vd) sea igual a la fuerza electromotriz de la batera.

En todo momento la carga (q) del condensador es proporcional a su potencial (v)

Q= C.V

en donde (c) es la constante capacitancia su unidad es coul/volt que es igual al farad (f)

UmbralesReobase: Es la intensidad de corriente umbral necesaria para excitar un nervio, en el cierre negativo actuando durante un tiempo suficientemente largo.

Cronaxia: Es el tiempo umbral necesario para provocar una contraccin cuando la intensidad de la corriente es igual a dos veces la reobase.

BIOELECTRICIDADSe concluye que el potencial de equilibrio de Nernst es negativo cuando la membrana es permeable a los iones positivos y positivo cuando la membrana es permeable a los iones negativos. El potencial de Nernst a una temperatura de 37 grados es :V = V1 V2 = +- (61.4 mV) log (C1/C2)

El fluido intracelular de una clula nerviosa tiene una concentracin de iones K+ de 0.141 mol/l, mientras que el fluido extracelular tiene una concentracin de K+ de 0.005 mol/l (moles por unidad de volumen)

Si las concentraciones estn en equilibrio el potencial a travs de la membrana es :

V = -61.4 mV log (0.141/0.005) V = -89.2 mV

Despus la membrana se vuelve a hacer impermeable al Na+ y se restablece el potencial de reposo.

POTENCIAL DE NERNST

El potencial de reposo de una clula es producido por diferencias en la permeabilidad de la membrana celular a los diferentes iones.

POTENCIAL DE NERNST

Es negativo cuando la membrana es permeable a los iones positivos, y es positivo cuando la membrana es permeable a los iones negativos.

la membrana celular acta como un condensador con carga positiva en el exterior y carga negativa en el interior

.

La membrana celular acta como un condensador con una rea A de unos

y un espesor de su capacidad C se calcula

Tanto en el fluido intracelular como en el extracelular se disuelven muchas clases de iones, pero solamente aquellos iones que pueden difundirse a travs de la membrana de la clula contribuyen al potencial de Nernst. En el estado de reposo, la membrana celular es permeable solo a los iones K+ y Cl-

La membrana de las clulas nerviosas y musculares tiene la capacidad de cambiar su permeabilidad relativa a los iones K+ y Na+, cuando una clula es estimulada elctrica, qumica o mecnicamente, la membrana de la clula se hace permeable de repente a los Na+.

La repentina subida y bajada del potencial celular, recibe el nombre de potencial de accin.

El potencial de nernst se determina tanto por la diferencia en la concentracin de los iones en los fluidos intracelulares y extracelulares como por la permeabilidad selectiva de la membrana celular a los iones de diferentes clases.

El interior del axon tiene un potencial de -85 mV con respecto al fluido extracelular.

Transmisin de un impulso nervioso a lo largo de un axon.

Cuando un impulso nervioso alcanza una clula muscular, produce un potencial de accin en la clula muscular.

Antes de cada latido del corazn se extiende por este un gran potencial de accin.

ELECTROCARDIOGRAMA NORMAL

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