Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice NOŢIUNI DE ELECTICITATE ŞI MAGNETISM. APLICAŢII MEDICALE ALE CUENŢILO ELECTICI ŞI CÂMPUILO MAGNETICE Atât în mediul celula cât şi cel extacelula sunt pezente o mae vaietate de atomi şi molecule ionizate, în difeite concentaţii ale căo valoi sunt menţinute constante de pocesele metabolice, ia fenomene electice se desfăşoaă în toate celulele vii. În ţesutui se pot pecepe cuenţi electici cu o tensiune de 0, mv şi cu o duată de 0, ms. Cuenţi electici foate slabi sunt geneaţi de activitatea ceieului, a etinei. Pe de altă pate, la oa actuală există numeoase aplicaţii ale electicităţii în diagnostic şi teapie. Iată câteva motive pentu cae este foate impotant să înţelegem fenomenele fizice legate de electicitate. Electostatica Studiază staea de electizae şi acţiunile ecipoce ale copuilo electizate. Sacina electică (pozitivă şi negativă) este o măime fizică scalaă, deivată, a căei unitate de măsuă în S.I. este C (Coulomb), constituid o măsuă a stăi ide electizae a unui cop. Spunem că sacina electică este o măime cuantificată deoaece ea nu poate fi decât multiplu înteg al unei sacini elementae. Sacina electică elementaă este cea mai mică sacină pusă în evidenţă până acum pin numeoase expeimente; epezintă sacina electică a unui electon şi este egală cu,6.0-9 C. Pincipiul consevăii sacinii electice Pentu un sistem izolat din punct de vedee electic suma algebică a sacinilo electice ale copuilo din sistem ămâne constantă. Legea lui Coulomb Foţa de atacţie sau de espingee dinte două copui punctifome încăcate cu sacinile electice q şi q, situate la distanţa ae expesia: unde qq F = k 3 qq = 3 4πε ε = pemitivitate electică a mediului k = 9 0 9 N m C - şi este stâns legată de viteza luminii în vid = 0-7 c. Copuile electizate la fel se esping, cele electizate cu sacini de semne contae, se atag. Câmpul electic epezintă foma de existenţă a mateiei din juul copuilo electizate cae se manifestă pin acţiuni asupa copuilo cu sacină electică. Putem spune că întun punct există un câmp electic dacă
Biofizica şi Fizică Medicală asupa unui cop încăcat plasat în acel punct se execită o foţă de oigine electică. Câmpul electostatic este câmpul electic constant în timp podus de un cop în epaus, având sacină electică. Este caacteizat de o măime fizică vectoială numită intensitate a câmpului electostatic, notată cu E cae epezintă valoaea limită a foţei pe unitatea de sacină cae acţionează asupa unei sacini de pobă q aflate înt-un punct, atunci când sacina q F tinde la zeo. E = lim q' 0 q' În ealitate, câmpuile electice sunt poduse de sacini distibuite pe supafaţa conductoilo de dimensiuni finite şi nu de sacini punctifome. Intensitatea câmpului electostatic ceat se calculează imaginându-ne că sacina fiecăui conducto este împăţită în elemente infinitezimale dq. E dq = k Limitele de integae tebuie fixate astfel încât să fie incluse toate sacinile cae contibuie la câmp. Linia de câmp este linia imaginaă tasată astfel încât diecţia ei în fiecae punct (diecţia tangentei ei) să fie diecţia câmpului în acel punct. O sacină punctifomă staţionaă poduce în spaţiul din juul ei un câmp electostatic adial, în timp ce o distibuţie supeficială de sacină poduce un câmp ale căui linii de câmp sunt pependiculae pe supafaţă şi paalele. Sensul liniilo de câmp este dat de semnul sacinii. Fluxul liniilo de câmp pint-o supafaţă de aie S este epezentat de podusul scala dinte vectoii E şi S : φ = E S = E S cosα În zonele spaţiale în cae valoaea fluxului câmpului electic, stabilit pin unitatea de supafaţă nomală, este mai mae, intensitatea câmpului este mai mae. Teoema lui Gauss Câmpul electostatic geneat de un sistem de copui electizate,,, N cae au sacinile q, q, q 3,...,q N, aflate întun mediu izolat (cu pemitivitate absolută ε) detemină pin oice supafaţă închisă Σ (cae cupinde copuile de mai sus) fluxul total: Φ Q = = N E q k ε ε k = Potenţialul electic înt-un punct Este o măime fizică egală cu apotul dinte lucul mecanic L M ef. efectuat de câmp la deplasaea unui cop de pobă încăcat, din acel punct în punctul de efeinţă abita ales, şi sacina q a acelui cop. V M = L M e f. Se poate demonsta că lucul mecanic efectuat de câmpul electostatic pentu q
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice tanspota o sacină de pobă înte două puncte din câmp nu depinde de dumul ales, pin umae, câmpul electostatic este un câmp consevativ de foţe (ca şi câmpul gavitaţional, de exemplu). Unitatea de măsuă pentu potenţialul electic este V (Volt-ul). compatimentul, ionii de K + şi Cl - vo miga căte compatimentul cu viteze difeite (mai iute ionii de K + ). Difeenţa de potenţial electic dinte două puncte M şi N sau tensiunea electică U dinte ele este o măime fizică egală cu câtul dinte lucul mecanic efectuat de câmp la deplasaea unui cop de pobă înte cele două puncte şi sacina electică a acelui cop. V M V N LM = q N = U Q = 4πε M N Potenţialul de difuzie Să consideăm două compatimente în cae se găseşte KCl în concentaţii difeite (c > c ) înte cae se poate măsua difeenţa de potenţial electic. Aceste compatimente sunt sepaate pint-o membană inegal pemeabilă (coeficienţii de pemeabilitate pentu K + şi Cl - sunt difeiţi, consideăm ca pemeabilitatea membanei pentu K este mai mae decât pentu Cl, adică P K+ >P Cl- ). Deoaece membana este pemeabilă şi concentaţia iniţială a ionilo în compatimentul al doilea este nulă, confom legilo difuziei, dinspe Fig. Exemplificaea potenţialului de difuzie Ca umae, ionii de K+ se vo acumula mai apid în compatimentul, încăcându-l pozitiv şi poducând astfle o difeenţă de potenţial înte cele două compatimente. Aveastă difeenţă de potenţial apăută înte cele două compatimente se numeşte potenţial de difuzie. Deoaece compatimentul este încăcat pozitiv, ionii de Cl - vo fi aceleaţi. Deoaece se va ajunge la o egalizae a concentaţiilo din cele două compatimente, potenţialul de difuzie va scădea în timp. Se ajunge în final la o stae staţionaă. Ecuaţia Planck- Hendeson stabileşte expesia potenţialului de difuzie: E = E P P Cl K T c E = ln PCl + PK zf c În cazul în cae P K+ = P Cl- potenţialul de difuzie este nul ( E = 0). Dacă cele două compatimentele sunt sepaate pint-o membană selectiv pemeabilă, de exemplu impemeabilă pentu Cl - (P Cl- = 0) 3
Biofizica şi Fizică Medicală nu pot să difuzeze decât ionii de K. elaţia lui Nenst stabileşte difeenţa de potenţial dinte cele două compatimente la echilibu şi ae expesia: + [ K ] [ K ] T E = ln + zf Pin umae, compatimentul devine încăcat pozitiv aţă de pimul şi difeenţa de potenţial ămâne constantă imediat ce ionii de K + şi-au atins echilibul. Datoită valoilo difeite ale concentaţiilo din cele două compatimente, apae un un dezechilibu osmotic, umat de difuzia apei căte compatimentul. Moleculele unui dielectic pot fi polae şi nepolae. O moleculă nepolaă este o moleculă în cae centul de geutate al nucleelo pozitive coincide în mod nomal cu cel al electonilo, ia o moleculă polaă este o moleculă în cae centele nu coincid. Conductoi, izolatoi, dielectici Un conducto este un mateial pin cae sacinile electice se pot deplasa cu uşuinţă. Valenţa pozitivă a metalelo ca şi faptul că ele fomează în soluţii ioni pozitivi, aată că atomii unui metal cedează mai uşo unul sau mai mulţi dinte electonii lo de valenţă. Înt-un izolato există foate puţini sau deloc electoni libei. Un mediu dielectic este un mediu în cae nu apae cuent electic în pezenţa unui câmp electic exten, da cae îşi modifică staea sub acţiunea câmpuilo electice şi la ândul lo modifică inteacţiunea dinte copuile cu sacină electică. Plasat în câmp electic, dielecticul micşoează intensitatea acestuia. Fig. a) molecule nepolae în câmp electic b) molecule polae în câmp electic Sub influenţa unui câmp electic sacinile unei molecule nepolae (Fig. ) se polaizează şi devin dipoli induşi. Când o moleculă nepolaă se polaizează, asupa sacinilo încep să acţioneze foţe de evenie cae tind să le aducă în poziţia iniţială. Sub influenţa unui câmp exten dat, sacinile se îndepătează una de alta până când foţa de evenie devine egală şi opusă foţei execitate de câmp asupa sacinilo. Foţele de evenie vaiază în măime de la un tip la altul de molecule, ceea ce coespunde uno difeenţe în deplasăile poduse de un câmp dat. Foţele cae acţionează asupa unui dipol pemanent aflat în câmp electic dau 4
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice naştee unui cuplu al căui efect este oientaea dipolului în aceeaşi diecţie cu câmpul. Fig. 3 Polaizaea unui dielectic înt-un câmp electic dă naştee pe feţele lui uno statui subţii Capacitate electică de sacini legate. Expeienţa aată că difeiţi conductoi încăcaţi cu acceaşi sacină electică au potenţiale difeite. Difeenţa este dată de o popietate fizică a acestoa numită capacitate electică. Capacitatea electică a unui conducto depinde şi de poziţia copuilo din ju, de aceea, în continuae, vom lua în consideae doa copui izolate. Dacă sacina de pe cop este Q, ia potenţialul acestuia V, apotul dinte cele două: Q = V este constant şi egal cu valoaea capacităţii C. Unitatea de măsuă a C capacităţii electice este Faad-ul (F). C F = V Două plăci conductoae paalele înte cae se află un mediu dielectic fomează un condensato plan. Capacitatea condensatoul plan este: S C = ε d unde - ε epezintă pemeabilitatea electică a mediului dinte amătui - S supafaţa comună a amătuilo - d distanţa dinte amătui La nivel membana, capacitatea electică eflectă popietatea membanei de a menţine o încăcae electică de semne contae pe cele două feţe ale ei. Gupaea condensatoaelo A detemina capacitatea echivalentă a două sau mai multo condensatoae conectate înt-un cicuit înseamnă a detemina capacitatea unui condensato cae, plasat în cicuit în locul condensatoaelo, nu modifică valoile măimilo electice din cicuit (cădei de tensiune, distibuţia sacinii). Gupaea seie a condensatoaelo Două condensatoae sunt conectate în seie dacă au o bonă comună (B din Fig. 4). 5
Biofizica şi Fizică Medicală Fig. 4 Condensatoae în seie Gupate astfel, pe amătuile celo două condensatoae, sacina este aceeaşi Q, ia suma cădeilo de tensiune U AB şi U BC este egală cu tensiunea de la bonele cicuitului: Q Q U = U AB + U BC = + = C C Q C echiv Se obţine expesia capacităţii echivalente a celo două condensatoae conectate = + seie: C echiv. C C C C C C. = echiv C + Genealizând pentu n condensatoae montate în seie, se obţine: = n Cechiv. s i= C Gupaea paalel a condensatoaelo Două condensatoae sunt conectate în paalel dacă au ambele bone comune (bonele A şi B în Fig. 5). Fig. 5 Condensatoae în paalel i În acest caz, cădeea de tensiune pe cele două condensatoae este aceeaşi, pin umae putem scie: U AB = U = U Da sacina Q de la bona A se va divide în Q şi Q pe amătuile celo două condensatoae: Q = Cechiv. p U = Q + Q = C U + C C echiv. p = C + C U şi genealizând pentu n condensatoae montate în paalel, obţinem pentu capacitatea echivalentă expesia: C echiv = C. p n i= Electocinetica. Cuentul electic staţiona Mişcaea diijată a sacinilo electice epezintă cuent electic. Intensitatea cuentului electic I cae stăbate o supafaţă este definită pin sacina totală cae tece pin acea supafaţă în unitatea de timp: măsoaă în Ampei ( A). Susă de enegie i dq I =. Se dt Este un acumulato sau un geneato cae poate funiza enegie unui cicuit electic. Pentu menţineea constantă a intensităţii cuentului electic înt-un segment de cicuit tebuie ca tensiunea pe acel cicuit să ămână 6
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice aceeaşi tot timpul. Această condiţie se ealizează când cicuitul dispune de o susă de enegie cae să efectueze lucul mecanic necesa deplasăii cu viteză constantă a putătoilo de sacină electică. Această susă de enegie este geneatoul electic. Tensiunea electomotoae este numeic egală cu lucul mecanic efectuat pentu a tanspota unitatea de sacină pozitivă de-a lungul întegului cicuit. ezistenţa electică a unui element de cicuit măsoaă opuneea elementului la teceea cuentului electic şi stabileşte popoţionalitatea dinte cădeea de tensiune la bonele acelui element de cicuit U şi valoaea intensităţii cuentului electic cae-l stăbate I (U = I). Ea este o măime fizică ce caacteizează elementul de cicuit şi depinde de caacteisticile geometice ale acestuia pecum şi de mateialul din cae acesta l = ρ este făcut, astfel: S unde ρ epezintă ezistivitatea electică a mateialului, l este lungimea ezistenţei, ia S epezintă aia secţiunii tansvesale a ezistenţei. Unitatea de măsuă a ezistenţei electice este Ohm-ul ( Ω - litea gecească omega) ezistivitatea tutuo conductoaelo metalice ceşte cu ceşteea tempeatuii, pentu un inteval de tempeatui nu foate lag, vaiind astfel: [ + α ( T )] ρ = ρ T 0 0 unde ρ 0 este ezistivitatea la tempeatua de efeinţă T 0, ia ρ la tempeatua T. Coeficientul α se numeşte coeficient temic al ezistivităţii, având ca unitate de măsuă gd -. Gupaea seie a ezistoilo Fig. 6 ezistoi în seie La gupaea în seie a doi ezistoi având ezistenţele ohmice şi, confom Fig. 6, intensitatea I a cuentului cae îi stăbate este aceeaşi, ia suma cădeilo de tensiune U AB şi U BC este egală cu tensiunea la bonele cicuitului U: U = U AB + U BC = U = I( + ) = echiv. s + U I echiv. s = + = I + I = Genealizând elaţia de mai sus pentu n ezistoi conectaţi în seie, se obţine umătoaea expesie pentu ezistenţa echivalentă a gupăii seie echiv.s : n echiv =. s i= i 7
Biofizica şi Fizică Medicală Gupaea paalel a ezistoilo Legea lui Ohm pentu o poţiune de cicuit Aată că apotul dinte cădeea de tensiune U la capetele unui conducto stăbătut de cuentul de intensitate I ae o valoae constantă, egală cu ezistenţa a conductoului U = I Fig. 7 Gupaea paalel a ezistoilo Dacă doi ezistoi sunt conectaţi în paalel (Fig. 7) atunci au ambele bone comune, ia intensitatea cuentului din cicuit I se va divide în nodul A (din Fig. 7) în I şi I. Cădeea de tensiune la bonele celo doi ezistoi fiind aceeaşi, putem scie: I = I = U AB + I U = + AB U + AB U = AB = echiv. p ezultă că pentu cei doi ezistoi, ezistenţa echivalentă este dată de: echiv. p = + adică: echiv. p = + Pentu n ezistoi conectaţi în paalel, ezistenţa echivalentă echiv.p se poate calcula din fomula: = n echiv. p i= i Legea lui Ohm pentu un cicuit simplu Intensitatea cuentului pint-un cicuit este diect popoţională cu tensiunea electomotoae din cicuit şi inves popoţională cu ezistenţa totală a cicuitului. I = Legile lui Kichhoff E +. Suma algebică a intensităţilo cuenţilo electici cae se întâlnesc înt-un nod de eţea este egală cu zeo.. De-a lungul contuului unui ochi de eţea suma algebică a tensiunilo electomotoae este egală cu suma algebică a cădeilo de tensiune pe elementele acelui ochi de eţea. Gupaea seie şi paalel a suselo În cazul în cae se conectează în seie două sau mai multe suse de cuent continuu (Fig. 8) se poate demonsta că tensiunea electomotoae echivalentă ae expesia: E ech. seie = E ± E ±.. ± E N 8
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice în timp ce, ezistenţa ohmică a gupăii de suse este chia ezistenţa echivalentă a n ezistoi gupaţi în seie: ech. seie = + + + N Fig. 8 Gupaea seie a suselo de t.e.m. Fig. 9 Gupaea paalel a suselo de t.e.m. cuentului electic dint-o amuă de cicuit se numeşte ampemetu şi se montează în seie cu estul elementelo conţinute în acea amuă de cicuit. Valoaea măsuată a intensităţii cuentului electic este difeită de valoaea intensităţii cuentului electic pin cicuitul espectiv în lipsa ampemetului, deoaece şi acesta ae o ezistenţa intenă, cae tebuie să fie foate mică. Un ampemetu ideal ae ezistenţa ohmică. În cazul în cae ampemetul aflat la dispoziţie poate măsua cuenţi maximi mai mici decât cei pesupuşi în cicuit, scala de măsuă a acestuia poate fi lăgită pin montaea unei ezistenţe suplimentae, în paalel cu ampemetul, numită şunt. Şuntul peia o pate din cuentul din cicuit, potejând astfel, ampemetul. Dacă gupaea suselo se face în paalel (Fig. 9), expesiile de calcul ale tensiunii electomotoae echivalente, espectiv ezistenţei echivalente a gupăii E ezultante sunt: ech. paalel ech. paalel E E E = ± ±... ± N N ech. paalel = + +... + Instumente de măsuă a cuentului electic şi a potenţialului Instumentul cae se utilizează pentu a detemina valoaea intensităţii N Fig. 0 Montaea şuntului ampemetului Valoaea ezistenţei şuntului pentu ca ampemetul să măsoae o intensitate de n oi mai mae decât cea pemisă este sunt ampemetu A = n 9
Biofizica şi Fizică Medicală Voltmetul seveşte la măsuaea cădeii de tensiune pe un element de cicuit. Se montează în paalel cu elementul la bonele căuia doim să măsuăm cădeea de tensiune. Valoaea măsuată a cădeii de tensiune la bonele elementului de cicuit este difeită de cea calculată teoetic, în absenţa voltmetului, deoaece şi pin acesta tece o pate din cuentul din cicuit, motiv pentu cae ezistenţa voltmetului tebuie să fie foate mae, pactic infinită. În cazul în cae scaa de măsuă a voltmetului nu pemite măsuaea unei tensiuni foate mai se montează o ezistenţă adiţională în seie cu voltmetul (se peia astfel o pate din cădeea de tensiune de pe voltmetu, potejându-l). Fig. Montaea ezistenţei adiţionale a voltmetului Valoaea ezistenţei adiţionale pentu ca voltmetul să măsoae o cădee de tensiune de n oi mai mae decât cea pemisă este Sunt voltemetu = ( n ) V Modelul electic al membanei celulae Din punct de vedee electic, o celulă împeună cu mediul ei extacelula pot fi compaate cu o eţea electică alcătuită din condensatoae, ezistoae şi suse de tensiune electomotoae (Fig. ). - lichidul intacelula şi cel extacelula pot fi consideate bonele unei suse de tensiune electomotoae fomată din tei bateii de c.c. gupate în paalel (bateii de Na, K şi Cl ale căo t.e.m. se calculează cu elaţia lui Nenst) - lichidul extacelula şi intacelula pot fi consideate amătuile unui condensato al căui dielectic este membana celulaă - canalele de Na +, K + şi Cl - epezintă ezistoi electici cae se opun teceii ionilo coespunzătoi - lichidul intacelula şi extacelula pot fi consideate ezistenţe electice ale căo valoi depind de ezistivitatea electică a lichidelo pecum şi de lungimea şi aia tansvesală a secţiunilo epezentate de celulă şi de spaţiile extacelulae. Aceste elemente de cicuit au valoi vaiabile în timp. 0
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice constituie, de asemenea, o fomă de existenţă a mateiei. Câmpul magnetic este continuu, vectoial, măimea şi diecţia sa în oice punct fiind date de Fig. Modelul electic al membanei celulae Câmpul magnetic al cuenţilo În spaţiul din juul sacinilo electice apae un câmp electostatic ce se manifestă pin acţiuni asupa alto copui cu sacină electică. inducţia magnetică B (unitate de măsuă Tesla, T) (Fig. 3). Câmpul magnetic poate fi podus atât de substanţele magnetizate cât şi de cuenţii din conductoae (electomagneţi). Oice magnet ae doi poli (Fig. 4), unul negativ şi celălalt pozitiv, un singu pol magnetic izolat nefiind niciodată descopeit. Fig.3 egula bughiului (a mâinii depte) folosită pentu stabiliea sensului liniilo de câmp magnetic ce se stabileşte în juul unui conducto stăbătut de cuent electic continuu; inducţia magnetică B ae acelaşi sens cu liniile de câmp şi este tangentă la acestea În mod simila, în spaţiul din juul unui conducto stăbătut de cuent electic apae un aşa numit câmp magnetic cae Fig. 4 Polii unui magnet: convenţional liniile de câmp magnetic ies din polul nod şi intă în polul sud Asupa unui conducto stăbătut de cuent continuu, aflat înt-un câmp magnetic exten se execită o foţă a căei măime depinde de sensul cuentului electic I, de sensul şi oientaea câmpului magnetic B, pecum şi de lungimea conductoului l. Această foţă, numită foţă electomagnetică (F din Fig. 5), este
Biofizica şi Fizică Medicală ezultatul inteacţiunii dinte cuentul electic şi câmpul magnetic şi ae expesia: F = I l B Fig. 5 Sensul foţei electomagnetice F ce se execită asupa unui conducto stăbătut de cuent electic aflat în câmp magnetic exteio de inducţie B Fluxul magnetic φ (Fig. 6) cae tavesează o supafaţă S intesectată de linii de câmp magnetic se defineşte ca fiind podusul scala dinte inducţia magnetică şi supafaţa nomală. Φ = B S = B S cosα Unitatea de măsuă pentu fluxul magnetic este Webe-ul. Fig. 6 Supafaţă stăbătută de linii de câmp magnetic Înt-un cadu metalic stăbătut de flux magnetic vaiabil în timp apa un cuent electic indus şi espectiv, o tensiune electomotoae (t.e.m.) indusă a căei expesie este dată de legea lui dφ Faaday: e = dt Confom acestei expesii tensiunea electomotoae indusă în cicuit este numeic egală cu viteza de vaiaţie a fluxului magnetic pin acesta. Fenomenul de apaiţie a t.e.m. induse se numeşte inducţie electomagnetică. Cuentul indus ae un astfel de sens încât câmpul său magnetic să se opună vaiaţiei câmpului magnetic inducto (legea lui Lenz). Cuentul altenativ Dacă înte polii unui magnet pemanent un cadu metalic se oteşte cu viteză unghiulaă constantă ω, acul ampemetului montat pe una dinte latuile cadului va devia (Fig. 7). Intensitatea cuentului citită pe cadanul ampemetului nu va fi constantă şi peiodic îşi va schimba sensul (Fig. 8). Cuentul apăut în uma inducţiei magnetice, în condiţiile descise se numeşte cuent altenativ sinusoidal, ia legea de vaiaţie în timp a intensităţii cuentului electic este: i(t) = I 0 sinωt unde i(t) este valoaea instantanee, I 0 este amplitudinea maximă a cuentului electic, ω este pulsaţia. Înte pulsaţie si fecvenţa cuentului electic altenativ există elaţia: ω = πν
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice Fig. 7 Poduceea cuentului altenativ sinusoidal în cadul metalic ce se oteşte cu o viteză unghiulaă constantă înt-un câmp magnetic constant (polii magnetului) Fig. 8 epezentaea gafică a cuentului continuu şi a cuentului altenativ cu fecvenţe difeite Electogeneza biologică O seie de oganisme şi ogane sunt capabile să poducă electicitate, evident nu în sensul unei cantităţi de cuent electic ce poate fi folosit în pactică. Există o seie de plante şi de animale cae au ogane specializate, ce poduc cuent electic biologic (de exemplu, peştii electici din familia siluienilo, cae povoacă la atingee zguduii violente). În oganismul uman, modificăile cae au loc înt-un ţesut pot da naştee unui cuent electic. Dinte aceste modificăi cea mai fecventă este contacţia musculaă, cuenţii poduşi fiind de epaus şi de acţiune. Cuenţii de epaus se pot pune în evidenţă pin aplicaea unuia dinte cei doi electozi nepolaizabili conectaţi înt-un cicuit electic ce conţine şi un galvanometu sensibil, pe o leziune a muşchiului. Se constată o deviaţie a acului galvanometului, electodul aşezat pe leziune compotându-se ca un pol negativ. Difeenţa maximă de potenţial se obţine dacă aşezăm un electod la mijlocul supafeţei lateale a muşchiului, ia celălalt, în mijlocul leziunii. Cuenţii de acţiune apa la excitaea electică, mecanică, chimică sau fiziologică a muşchiului sau a nevului. Şi în cazul acesta, polul negativ este electodul cel mai apopiat de egiunea în cae se 3
Biofizica şi Fizică Medicală poduce excitaţia. Pin supapuneea polului pozitiv al cuentului de epaus peste polul negativ al cuentului de acţiune, se constată o slăbie a cuentului de epaus măsuat iniţial (vaiaţia negativă a cuentului de epaus). Fenomene electice întâlnim peste tot în oganism: în scoaţa ceebală a căei activitate electică se mateializează pin înegistaea electoencefalogamei. În difeite sectoae ale sistemului nevos cental se poduc oscilaţii electice spontane, cu fecvenţe şi amplitudine difeite, nedeteminate de acţiunea uno excitaţii exteioae. Activitatea electică a scoaţei vaiază cu difeitele stăi funcţionale (apaiţia excitaţiei în scoaţă se obsevă la om în accesele epileptice). Aplicaţii medicale ale cuenţilo electici În aplicaţiile medicale, electicitatea se utilizează sub umătoaele fome : - electicitate statică sau fanklinizae - cuent electic continuu sau galvanizae - cuent electic altenativ sau faadizae - cuent electic în impulsui Electicitatea statică Masina electostatică medicală Wimshust (Fig. 9) este un geneato electostatic clasic capabil să poducă potenţiale electostatice înalte. Este fomată din două discui acilice mai pe cae sunt lipite foiţe de staniol, cae se otesc în sens opus în plan vetical şi un spaţiu pentu scânteie înte două sfee metalice. În timpul otaţiei, discuile sunt fecate de două peechi de peiuţe aşezate diametal, fiecae peeche fiind situată faţă de oizontală la un unghi de 45 de gade. Cei doi conductoi în foma de U aşezaţi de o pate şi de alta pe diametul oizontal sunt pevăzuţi cu vâfui ascuţite şi fiecae este legat la amătua inteioaă a unui conducto cilindic (numit element Leyden), şi la un pol al maşinii. Sacinile electice poduse sunt sunt culese de vâfuile conductoilo şi acumulate de elementele Leyden cae se încacă cu sacini electice de semn conta, maşina având, în consecinţă, un pol pozitiv şi unul negativ înte cae se ceează o difeenţă de câteva zeci de mii de volţi. Scânteia podusă pin fecae înte cele două capete polae ale maşinii ajunge la o lungime de până la 5 cm, în funcţie de tensiunea maximă cae se stabileşte înte poli în timpul funcţionăii maşinii electostatice. Maşina medicală electostatică îşi păstează o polaitate constantă în timpul funcţionaii. În funcţie de efectele umăite, electicitatea statică (fanklinizaea) se poate aplica astfel:. Baia electostatică este indicată în hipotensiune ateială, insomnie, astenie, fiind un tonic geneal şi un sedativ al 4
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice sistemului nevos; intensifică adeile în oganism, deoaece poduce o ozonizae a aeului (ozonul este un excitant enegetic al hematozei). O şedinţă duează apoximativ 5 minute, timp în cae pacientul este plasat pe un scaun aflat pe o bază izolată din punct de vedee electic. Pacientul este conectat la polul negativ al maşinii, celălalt pol al acesteia fiind împământat, ia potenţialul la cae este adus pacientul este de câteva mii de volţi. Electicitatea cu cae se încacă pacientul se piede continuu pin aspeităţile copului. Fig. 9 Masina electostatica Wimshust. Efluviile electice sunt sedative si calmante şi se întebuinţează în tataea plagilo atone, în difeite acţiuni cutanate (cum a fi eczeme, puit). În cazul acestei şedinte, pacientul nu este conectat diect la un pol al maşinii, ci în deptul egiunii ce umează a fi tatate se plasează la o distanţă deteminată un electod de metal cu vâf ascuţit împământat. 3. Duşul electic este simila, atât din punct de vedeea al plicaţiei, cât şi din cel al efectelo cu efluviile electice, doa ca în acest caz, în locul electodului metalic se aşează un disc de lemn cu mai multe vâfui de la cae ponesc sacini electice. 4. Scânteia diectă se poate aplica apopiind de pacient electodul legat de un pol al maşinii electostatice, pacientul fiind plasat în faţa acesteia la fel ca în cazul băii electostatice; înte pacient şi electod se poduc scântei cu acţiune locală. Supunând zona de tatat unei seii de scântei apae la început o vasoconticţie peifeică, pielea devine palidă, umată de vasodilataţie, pielea pezentând hipeemie. Pe această cale se distug epitelioame cutanate, negi. Cuentii Moton epezintă un alt mod de administae a electicităţii statice şi poduc contacţii musculae putenice şi nedueoase, folosite mai ales pentu a acţiona asupa muşchilo netezi ai oganelo intene (în cazui de atonie asupa muşchilo stomacului, de exemplu). Cuentul continuu de joasă tensiune, geneat de bateii, acumulatoi sau edesoi de cuent altenativ, se aplică ţesutuilo pin intemediul a doi electozi, numiţi anod şi catod. Utilizând electozi inatacabili, insolubili, de platina, nichel sau căbune, se fac aplicaţii ale electolizei medicale. 5
Biofizica şi Fizică Medicală Electoliza biologică se poate face pin aplicaţie monopolaă, când se folosesc efectele electolitice poduse la un singu electod, numit electod activ, sau pin aplicaţie bipolaă, ambii electozi fiind activi. Electoliza medicală se face monopolae sau bipola, cuentul ciculând pin ţesutui nu numai de-a lungul liniei depte ce uneşte electozii, ci şi pin egiuni aflate în afaa acestei linii, dispesându-se sub fomă de cuenţi din ce în ce mai slabi. Cuenţii se numesc electotonici: anelectotonici (micşoează excitabilitatea ţesutuilo) în vecinătatea anodului, catelectotonici (măesc excitabilitatea ţesutuilo), în vecinătatea catodului. La intensităţi mai ale cuentului electic continuu, pot apăea escae negative cenuşii în zona de contact a tegumentului cu catodul şi escae pozitive bune la anod, în uma electolizei ce ae loc în ţesutui cae sunt mici electolizoi în cae se poduce electoliza soluţiilo biologice. Efectele sunt folosite pentu distugeea pe cale galvanocaustică a uno tumoi. Se folosesc dept electod negativ ace de au, de platină sau de oţel, intensitatea cuentului ajungând până la 5 0 ma, duata de aplicaţie vaiind înte 30 0 s. Folosind electodul activ dept anod, se pot tata hemoagiile uteine cae sunt opite de acţiunea hemostatică a eacţiei secundae podusă la polul pozitiv. În afaa fenomenelo cae apa la electozi în timpul electolizei biologice, cuentul electic aplicat un timp îndelungat poate să povoace şi electoliza intestiţială manifestată pin leziuni vizibile la micoscop. Tot în cadul electolizei medicale, se pot folosi electozi solubili cae sunt atacaţi de substanţele depuse la electozi, substanţele noi obţinute având popietăţi teapeutice speciale. Folosind un anod de fie, ionul clo elibeat sub fomă de atom la anod, fomează cloua feică ce ae acţiune coagulantă. O altă aplicaţie a electolizei medicale cu electozi solubili constă în tataea anevismelo cu anozi solubili de fie cae povoacă fomaea unui cheag ce umple complet sacul anevismal. Cuentul continuu de mică intensitate se foloseşte în cadul ionoteapiei pentu intoduceea în oganism, pin piele şi pin mucoase, a uno ioni medicamentoşi (iod, salicilat etc.), fenomen numit ionofoeză. Astfel intoduşi, ionii se elimină mai lent decât în cazul injecţiilo subcutanate, pelungind astfel timpul de execitae a efectelo lo teapeutice. Pentu intoduceea ionilo metalici, se îmbibă cu soluţia medicamentoasă un electod activ cae se leagă la polul pozitiv al geneatoului de 6
Noţiuni de electicitate şi magnetism. Aplicaţi medicale ale cuenţilo electici şi câmpuilo magnetice cuent continuu. Intensitatea cuentului va fi de 0 00 ma, duata aplicaţiei fiind de 30 până la 60 de minute. Deoaece ionii medicamentoşi intoduşi pin piele acţionează local, ionoteapia electică se foloseşte cu pecădee în afecţiunile dematologice. Ionoteapia electică poate fi folosită şi în cazul tatamentului eumatismului aticula subacut, pin itoduceea pin ionofoeză a ionului salicilat, pecum şi pentu amelioaea atitelo conice pin ionoteapia cu iod şi calciu. În stomatologie, ionofoeza cu novocaină poduce o bună anestezie locală. Cuentul continuu se foloseşte şi la defibilaea cadiacă, metodă folosită în cazul stopului cadiac. Cuenţii altenativi de joasă fecvenţă (50-00 Hz) poduc modificăi ciculatoii locale, senzaţii dueoase, contacţii musculae pecum şi o încălzie locală. Cuentul altenativ de joasă fecvenţă poate poduce moatea pin electocutae la o intensitate de patu oi mai mică decât cea la cae poduce electocutaea motală un cuent continuu, în condiţii identice. Cuenţii altenativi de fecvenţe înalte nu poduc electocutae. Cuenţii altenativi de înaltă fecvenţă nu poduc excitaţii. Efectele lo pincipale sunt cele temice ia aplicaea lo în medicină poată numele de diatemie. Efectul cuenţilo de înaltă fecvenţă poate fi folosit şi pentu distugeea uno tumoi pin diatemocoagulae, ca şi pentu tăieea ţesutuilo (bistuiu electic), pecum şi în electofiziologia intevenţională. Cuentul electic sub fomă de impulsui poate poduce efecte biologice divese în funcţie de foma, duata, amplitudinea şi fecvenţa impulsuilo: stimulae, contacţii musculae, duee, sedae, anestezie, somn. Impulsuile de duată mae se supun legilo lui Pflüge confom căoa, la închideea cicuitului electic, excitaea nevilo şi a muşchilo se poduce la catod ia la deschideea cicuitului, excitaea se poduce la anod. Aplicate la nivelul capului, impulsuile pot poduce sedae, electosomn, electonacoză sau electoşoc (în aceleaşi scopui se folosesc şi cuenţii altenativi de joasă fecvenţă). Electoteapia constă în folosiea impulsuilo electice pentu înlătuaea simptomelo de duee, slăbiciune a muşchilo şi depesiei, epezentând una dinte cele mai sigue şi eficace metode de tatament deoaece ae foate puţine efecte secundae. Cuentul, pulsatoiu de cele mai multe oi, administat pacientului povoacă contacţia umată de elaxaea muşchiului, stimulăile epetitive ducând la întăiea acestuia şi îndepătaea dueii. Stimulaea electoteapeutica a muşchilo epezintă un tatament efectiv al dueilo 7
Biofizica şi Fizică Medicală conice şi al oboselii asociate cu fibomialgia (sindom de duee conica ce este caacteizată pin duee difuză, sensibilitate excesivă în muşchi şi ţesutul moale, puncte sensibile localizate şi tulbuăi de somn, slăbiciune). Pocedeele electoteapeutice sunt extem de numeoase şi vaiate, un loc deosebit în ândul lo fiind ocupat de stimulatoaele electice, cu întebuinţăi multiple (defibilatoae, stimulatoae cadiace, apaate de electoanestezie, apaate pentu electoşocui etc.). Electoteapia poate fi compaată cu un masaj pofund al ţesutuilo, efectele ei sunt cumulative. Utilizaea magneţilo în pactica medicală Magneţii şi electomagneţii sunt lag întebuinţaţi în apaatele de laboato, în electofiziologie şi teapeutică. În medicină, sunt utilizaţi pentu localizaea şi extageea copuilo feomagnetice intate accidental în oganism (de exemplu, în ochi). Sideoscopul este un apaat fomat dint-un sistem de ace magnetice, coaxiale, aşezate igid unul faţă de altul, cu polii de semn conta faţă în faţă pentu a nu se simţi influenţa câmpului magnetic teestu (sistem astatic). Apaatul este adus cu acul infeio al sistemului astatic în apopieea ochiului în cae se pesupune că au intat aşchiile de fie, acul magnetic fiind deviat de paticula de fie, cu atât mai mult cu cât este mai apoape de acesta. Astfel se poziţionează copul stăin. Pentu extageea copuilo feomagnetice stăine intate în difeite egiuni ale copului se constuiesc apaate magnetice mai putenice. De exemplu, dacă paticula de fie a intat în camea anteioaă a ochiului, extacţia se poate face cu un electomagnet fomat dint-un miez cilindic de fie moale situat în inteioul conductoului pin cae ciculă cuentul electic. La un capăt electomagnetul ae fomă ascuţită, acest capăt apopiindu-se de ochi în deptul deschideii poduse de copul stăin, pacticula stăină fiind atasă de magnet şi extasă din ochi. Electomagnetoteapia se utilizează în tatamentul difeitelo fome de duee fizică şi emoţională. Cu ajutoul uno dispozitive electomagnetice se poate inteveni pentu diminuaea dueii, pentu găbiea vindecăii factuilo, pentu elibeaea stesului. Datoită faptului că membana celulaă este stăbătută de cuenţi ionici, apa câmpui magnetice în juul acestoa, cae, însumate, fomează un câmpul magnetic, de joasă intensitate, podus de oganism. 8