Electricidad PDF

Electricidad La bioelectricidad se puede deﬁnir como los potenciales eléctricos y corrientes eléctricas producidos por organismos vivos o que se desarrollan en el interior de los mismos. Potenciales à entre uno a cientos de mV Los efectos bioeléctricos eran conocidos en la an:güedad por la ac:vidad de peces eléctricos, tales como el pez gato del Nilo y la anguila eléctrica. 350 V 860 V Estefanía Germán 1 La medición de potenciales bioeléctricos à prác:ca ru:naria en medicina clínica. Los efectos eléctricos que se originan en las células ac:vas del corazón y el cerebro, son ru:nariamente monitoreados y analizados con ﬁnes de diagnós5co médico. Las biocorrientes eléctricas à ﬂujo de iones (es decir, átomos o moléculas ionizados, por tanto, cargados eléctricamente) La corriente eléctrica u:lizada para la iluminación, electrodomés:cos, etc. à movimiento de electrones. Estefanía Germán 2 La difusión cesa cuando la tendencia a difundir, debida a la diferencia de concentración, se iguala con la tendencia de los iones a moverse en la dirección contraria por efecto del potencial eléctrico. El potencial bioeléctrico, a través de una membrana celular, es aproximadamente de 50 mV. Este potencial se conoce K+ por los canales Carga (-) Carga (+) Equilibrio como el potencial de reposo celular. Estefanía Germán 3 Todas las células u:lizan sus potenciales bioeléctricos para ayudar o controlar los procesos metabólicos. Algunas células hacen uso de potenciales y corrientes bioeléctricas para funciones ﬁsiológicas dis:n:vas: Las células nerviosas, la información es transportada por pulsos eléctricos (llamados potenciales de acción) que se propagan a lo largo de las ﬁbras nerviosas. Las células musculares u:lizan los potenciales de acción para realizar la contracción muscular. Las células nerviosas y musculares, la es:mulación química o electroquímica produce cambios temporales en la permeabilidad de las membranas celulares, permi:endo que el potencial eléctrico, existente entre el interior y el exterior de la membrana se modiﬁque temporalmente provocando una corriente iónica que se propaga a lo largo de las ﬁbras nerviosas o que ac:va el mecanismo contrác:l de las ﬁbras musculares. Estefanía Germán 4 Leyes básicas e = 1,602177x10−19C La carga eléctrica La carga está cuan:ﬁcada (e) La materia à átomos eléctricamente neutros. Está cuan5ﬁcada Cualquier carga Q, que se encuentre en la naturaleza, siempre Nº atómico Z à nº de protones en el núcleo puede escribirse Q = Ne, donde N es un entero. = nº de carga (+) y carga (-) Para objetos ordinarios, sin embargo, N es generalmente muy grande y la carga parece ser con:nua. Estefanía Germán 5 Ley de conservación de la carga La carga neta del universo no se modiﬁca La ley de conservación de la carga es una ley fundamental de la naturaleza. La unidad de carga en el SI es el culombio. La unidad fundamental de carga eléctrica e está relacionada con el culombio por: e = 1,602177x10−19C Estefanía Germán 6 Materiales conductores y aislantes Electrolitos à son disoluciones en agua de sales iónicas que, por efecto de las propiedades disolventes del agua, las sales se disuelven separándose sus componentes en dos iones cargados Los e- externos están ligados más débilmente que los e- internos debido a su mayor distancia desde el núcleo y debido a la fuerza repulsiva ejercida por los electrones internos. Uno o más de los e- externos en cada átomo ya no están unidos a un núcleo especíﬁco, son libres de moverse en todo el espacio macroscópico del material. Estefanía Germán 7 Ley de Coulomb La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra carga, está dirigida a lo largo de la línea que une ambas cargas. La intensidad de la fuerza es inversamente proporcional el cuadrado de la distancia que separa las cargas y es proporcional al producto de las mismas. La fuerza es repulsiva si las cargas :enen el mismo signo y es atrac:va si las cargas :enen signos opuestos. F = magnitud vectorial k = 8,99x109 N. m2/C2. Acción de una F a distancia Estefanía Germán 8 Estefanía Germán 9 Campo eléctrico. Representación gráﬁca Una carga produce un 𝐸 en todas partes del espacio (la presencia de la carga produce una modiﬁcación del espacio a su alrededor), y este campo es el que ejerce la fuerza sobre una segunda carga situada en cualquier punto de ese espacio modiﬁcado. Por tanto, es el campo 𝐸, en la posición de la segunda carga el que ejerce la fuerza sobre ella. Estefanía Germán 10 Líneas de campo 1. Las líneas de campo siempre empiezan en las cargas posi:vas y terminan en las cargas nega:vas; si solamente tenemos cargas posi:vas, acaban en el inﬁnito y, si solamente tenemos cargas nega:vas empiezan en el inﬁnito. 2. Las líneas se dibujan uniformemente espaciadas, donde estén más juntas indica que el campo es más intenso que donde aparecen más separadas. 3. El número de líneas que salen de una carga posi:va o entran en una carga nega:vas son proporcionales al módulo de la carga. 4. Dos líneas de campo nunca se pueden cortar, signiﬁcaría que, en ese punto el campo :ene dos direcciones y eso no es posible. Estefanía Germán 11 El dipolo eléctrico Conocer las bases >sicas de la interacción entre iones y moléculas de agua (dipolos), es de gran importancia para entender y poder controlar de forma precisa los movimientos de los iones à bioelectricidad El dipolo es una unidad eléctrica muy común en los electrolitos, tanto internos, como externos a las células en la materia viva. Estudia la interacción de los iones con los dipolos del entorno nos permite: Entender procesos de selección de los iones que se les permite atravesar el canal La forma y energía involucradas en el proceso de tránsito. Estefanía Germán 12 Dipolo eléctrico à Sistema formado por dos cargas de igual magnitud q y de signo contrario separadas por una pequeña distancia ﬁja L. La intensidad y orientación de ese dipolo se caracteriza por el vector momento dipolar eléctrico 𝒑 que siempre es un vector que apunta desde la carga nega:va hacia la carga posi:va y cuyo módulo :ene el valor p = q.L, donde q es la magnitud de las cargas que forman el dipolo. El campo disminuye con la distancia como 1/r3. Estefanía Germán 13 Movimiento de cargas puntuales en un campo eléctrico 𝐹⃗ = q𝐸 = m 𝑎⃗ El e- es empujado por el campo de abajo hacia arriba tal como aparece indicado por el vector aceleración. Estefanía Germán 14 Un dipolo en un campo eléctrico Un campo eléctrico externo uniforme no ejerce ninguna fuerza neta sobre un dipolo, pero sí genera un par de fuerzas que :ende a girar el dipolo en la dirección del campo, tal como se representa esquemá:camente 𝐹1 = (+q) ·𝐸, 𝐹2 = (-q) ·𝐸. Fneta = 0 El dipolo girará hasta que la dirección del momento dipolar, 𝑝, ⃗ sea paralela al campo. Estefanía Germán 15 Las moléculas no polares son las que no :enen un momento dipolar eléctrico permanente. Sin embargo, todas las moléculas neutras con:enen can:dades iguales de carga posi:va y nega:va. En presencia de un campo eléctrico externo 𝐸, los dos :pos de cargas se separan en el espacio. Las cargas posi:vas son empujadas por el campo en la dirección y sen:do de 𝐸, sin embargo, las cargas nega:vas serán empujadas en la dirección opuesta. La molécula adquiere así un momento dipolar inducido, que será paralelo al campo eléctrico externo. En esa situación, se dice que la molécula se ha polarizado por efecto del campo externo. Cuando el campo externo desaparece, la molécula deja de estar polarizada. Estefanía Germán 16 Conductores en campos eléctricos Si situamos un material conductor en el interior de un campo eléctrico, el campo eléctrico neto resultante en su interior es nulo. Aislantes en campos eléctricos Sólido cristalino aislante. En este :po de sistemas los electrones están ligados a los núcleos y no pueden moverse libremente en el interior del cristal. Las cargas posi:vas (núcleos) se desplazarán ligeramente en el sen:do del campo, y las nega:vas (electrones) en el sen:do opuesto. El campo eléctrico en el interior disminuye respecto al campo externo. Estefanía Germán 17 Potencial eléctrico es el trabajo a realizar para mover una carga dentro de un campo eléctrico desde el punto de referencia a otro. El campo eléctrico es conserva5vo à WAB no depende del camino para ir de A a B. V = cte V = cte + V = cte Estefanía Germán 18 Carga puntual Q en el origen de coordenadas. La energía potencial de otra carga q localizada en un punto, a una distancia r del origen de coordenadas es: Q q Q q La energía potencial para una carga q=+1 C se denomina potencial y suele representarse por V: La unidad del potencial en el SI es el vol:o V que se deﬁne como 1 J/C (Julio/Culombio). Potencial creado por una carga en (0,0,0) en un punto cualquiera (x, y, z) será: Estefanía Germán 19 El campo eléctrico es conserva:vo, eso implica que el W realizado por el campo eléctrico se invierte en aumentar la Energía ciné5ca de la parlcula de carga q a costa de la Energía potencial. W realizado por el campo eléctrico es: q B Q A = ΔΕ𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 Esta ecuación permite controlar la energía ciné:ca à la velocidad de parlculas cargadas à gran u:lidad en: terapia con radiaciones, generación de rayos X, imágenes con microscopios electrónicos, etcétera. Estefanía Germán 20 Superﬁcies equipotenciales conjunto de puntos en los que el potencial eléctrico :ene el mismo valor. El caso par:cular del potencial creado por una carga puntual corresponderá a los puntos (x, y, z) en los cuales es decir: todos los puntos que se encuentren a la misma distancia del origen de coordenadas tendrán el mismo valor del potencial; esta superﬁcie corresponde a una esfera de radio r. Estefanía Germán 21 𝑬𝒍 𝒄𝒂𝒎𝒑𝒐 𝒆𝒍é𝒄𝒕𝒓𝒊𝒄𝒐 es siempre perpendicular a la superﬁcie equipotencial. En los dos casos, las líneas de campo y las superﬁcies equipotenciales se cortan formando un ángulo recto. Estefanía Germán 22 Capacidad eléctrica. Condensadores A Cuando queremos traer una carga puntual q posi:va desde un punto A muy alejado del origen de coordenadas, en el que se encuentra una carga eléctrica Q posi:va, hasta otro punto B, más cercano al origen de coordenadas, tenemos que realizar un W en contra de la fuerza del campo dado por W = q (VB −VA). Este trabajo, en contra de la fuerza del campo ¿en qué se ha empleado? La respuesta es: se almacena en forma de energía potencial electrostá5ca. B ¿cuánta carga se puede “almacenar” (depositar) en ese conductor y que potencial crea? Capacidad eléctrica del conductor La can:dad de carga que se puede almacenar en un conductor :ene que ver con la forma y el tamaño del conductor. Estefanía Germán 23 Condensador à sistema formado por dos conductores aislados y cargados con cargas iguales y de signos opuestos USO: En aproximadamente 2/3 de las personas que entran en paro cardíaco, el ❤ entra en ﬁbrilación ventricular que es la contracción espontánea, asincrónica y desordenada de las ﬁbras musculares del ❤ que diﬁculta o anula el bombeo del mismo. Para desﬁbrilar el ❤ y restaurar su ritmo normal se hace pasar a través del ❤ una corriente eléctrica intensa que hace que el ❤ se detenga, entonces las células del nódulo sinoauricular puede establecer de nuevo un la:do cardíaco regular. La descarga eléctrica se genera con un sistema de condensadores. Condensadores conectados en paralelo Estefanía Germán 24 Corriente eléctrica La intensidad de la corriente en el conductor se define como la cantidad de carga (ΔQ) que cruza la superficie A del conductor en un tiempo Δt, La unidad de intensidad de corriente en el SI es el Amperio (A) El sen>do de la corriente es el correspondiente al ﬂujo de las cargas posi.vas. Resistencia eléctrica. Ley de Ohm Esta ley >ene en cuenta la “resistencia” que la disposición de los iones del material hace sobre el desplazamiento de los electrones que “chocan” con los iones transﬁriéndoles energía, y, por tanto, aumentando la temperatura del conductor. V es la caída de V entre 2 puntos de un conductor e I es la intensidad de la corriente que circula por él. Estefanía Germán 1 Resistividad Materiales Tejidos Humanos La resistencia total de un conductor es directamente proporcional a la longitud del mismo (L) e inversamente proporcional a su área transversal (S). La constante de proporcionalidad se denomina resistividad (ρ) Estefanía Germán 2 Resistencias en serie Pasa la misma intensidad de I Resistencias en paralelo I = I1 + I2 Estefanía Germán 3 Energía disipada La resistencia en los circuitos de corriente eléctrica provoca el calentamiento del conductor por el efecto de los choques de los electrones con los iones de la red cristalina (efecto Joule). La potencia disipada en forma de calor en cualquier conductor eléctrico que presente una resistencia R y por el que circula una intensidad I es: Corriente alterna Las razones de por qué se usa alterna en lugar de con>nua: Se pueden u>lizar transformadores para cambiar la potencia y la intensidad de este >po de corriente. La corriente alterna puede transportarse a grandes distancias a tensiones muy altas (V) y muy baja intensidad (I), con lo que se reduce de forma drás>ca la energía Corriente alterna es una corriente eléctrica variable en la que las cargas eléctricas cambian el sentido (e perdida por efecto Joule. intensidad) del movimiento de manera periódica P=I·V·t Estefanía Germán 4 Circuitos de corriente Corriente con.nua: Corriente alterna: Los condensadores (C) se cargan hasta § Los condensadores (C) y bobinas (L) generan alcanzar la carga total y luego deja una reactancia. circular la corriente por el circuito. § La reactancia es una resistencia al paso de Las bobinas (L) permiten el paso de la la corriente que es equivalente a la corriente eléctrica con>nua. resistencia en circuitos de corriente continua. L = almacena E cuando pasa I en Estefanía Germán forma de B. 5 Efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano Una persona se electriza cuando forma parte del circuito eléctrico. Electrocución à la persona fallece debido al paso de la corriente por su cuerpo. Fibrilación ventricular à movimiento anárquico del corazón, deja de enviar sangre a los distintos órganos, no sigue su ritmo normal de funcionamiento. Tetanización à movimiento incontrolado de los músculos como consecuencia del paso de la energía eléctrica. Asﬁxia à la corriente afecta al centro nervioso que regula la función respiratoria, ocasionando el paro respiratorio. No mortales: quemaduras (leves), contracciones musculares, aumento de la presión sanguínea, dificultades de respiración, parada temporal del corazón. Estefanía Germán 6 Efectos corriente alterna alterna entre 15 y 100 Hz atraviesa el cuerpo humano con un recorrido desde la mano izquierda y salida los dos pies, produce diferentes daños en el organismo. continua Efectos corriente con-nua La mayor diferencia tiene que ver con el umbral de percepción, que no es efectivo hasta una intensidad de 2 mA, frente a los 0,5 mA de la corriente alterna. Estefanía Germán 7 Periodo vulnerable a ﬁbrilación ventricular El período de >empo en el que el ❤ es más vulnerable al paso de una corriente eléctrica corresponde a una parte rela>vamente pequeña del ciclo cardíaco: las ﬁbras del ❤ están en un estado no homogéneo de excitabilidad y la ﬁbrilación ventricular se produce si éstas son excitadas por una corriente eléctrica de intensidad suﬁciente. Electrocardiograma en el cual se representan los efectos de la fibrilación ventricular, indicándose las variaciones que sufre la tensión arterial cuando se produce la fibrilación. La tensión arterial experimenta una oscilación e inmediatamente, decrece, en cuestión de un segundo, hacia valores mortales. Estefanía Germán 8 ¿Qué es la bioelectricidad? § La electricidad está presente en todos los organismos vivos y juega un papel importante en los procesos biológicos. § Las membranas celulares man>enen una pequeña diferencia de potencial entre los dos lados de la misma, este voltaje depende del >po de célula, su valor está entre 60 y 90 mV. § Las modiﬁcaciones de este potencial de membrana >enen capital importancia en la interacción de la célula con el entorno. § La medida de bio-electricidad producida en el organismo humano, se u>liza como un medio de diagnós.co de posibles enfermedades y disfunciones del organismo: Electrocardiograma Electroencefalograma Electromiograma. La membrana celular Fosfolípidos Estefanía Germán 9 Espesor La anchura de la membrana varía entre 5 a 10 nm. (Se necesitan unas 200.000 membranas apiladas para formar un espesor de 1mm). Las ﬂechas señalan las caras, interna y externa, de la membrana. Fosfolípidos En color rosa la cabeza polar, en color azul el glicerol, y en color amarillo las dos colas formadas por ácidos grasos. Estefanía Germán 10 La Membrana es compleja à Modelos de membrana celular Propuesta de Davson-Danielli, (1954) La complejidad de la membrana se pone de Visión modernizada de la propuesta de Singer-Nicolson, (1972) maniﬁesto cuando se examina la estructura de los del modelo de mosaico fluido para la membrana en la que canales de difusión de los K+ cuya apertura y cierre aparece, por primera vez, proteínas penetrando la doble está controlada por el potencial eléctrico local de barrera de fosfolípidos. la membrana. Estefanía Germán 11 Representación esquemática de una vista, perpendicular a la membrana del citoplasma en un canal de iones K. Modelo tridimensional de un canal de iones K+. La inactivación de la actividad del canal se produce cuando uno de los péptidos de inactivación, que cuelga desde la porción citoplásmica del complejo, encaja en la abertura citoplásmica del canal. Estefanía Germán 12 Origen del potencial de membrana Todas las células vivas están rodeadas por una membrana plasmática que es impermeable a los iones; éstos solamente pueden pasar de forma controlada a través de los canales adecuados, se puede abrir, cerrar o inactivar por medio de variaciones del potencial local de la membrana. Esto permite a las células mantener concentraciones diferentes de iones en el interior de la célula frente al exterior. Proceso esquemá>co de la difusión de iones en una disolución debido al gradiente de concentración. Estefanía Germán 13 Concentración de iones en el interior y el exterior de una neurona medidos en mM. La concentración de K+ es muy superior en el interior de la célula que, en el exterior de la misma, lo mismo ocurre con varios tipos de proteínas con carga negativa; en cambio el Na+, y el Cl− tienen una mayor concentración en el medio extracelular que en el medio celular. Esquema de una parte de la membrana celular de una célula, mostrando los canales especíﬁcos de paso de iones de un lado a otro de esta membrana. Estefanía Germán 14 Sobre K+ actúan 2 procesos lsicos diferentes: las fuerzas difusivas que >enden a igualar la concentración de K+ y el campo eléctrico. Finalmente estos 2 ﬂujos acabaran igualándose y se producirá un equilibrio, en el que el campo eléctrico no se modiﬁca con el >empo y la concentración de K+ a ambos lados de la membrana no varía. Estefanía Germán 15 Potencial de reposo celular § Es siempre negativo, es decir, la carga de la cara interna de la membrana es siempre negativa frente a la cara externa. § Es la consecuencia del reparto desigual de los iones a ambos lados de la membrana. § Estos iones pueden pasar a través de la membrana con mayor o menor facilidad. § Los iones principales, pero no los únicos, que contribuyen a este potencial, son: Cl−, Na+ y K+. § Estos iones están disueltos, conjuntamente con otras sustancias, en agua, que es el constituyente principal del cuerpo humano (∼60% en peso). § El conjunto del agua del cuerpo humano suele dividirse en 2 compartimentos acuosos principales: Compartimento celular: ∼60% del total del agua corporal. Compartimento extracelular: resto del agua. Este compartimento está, a su vez, dividido en 2 sectores: o Sector plasmático (∼12% del agua total) en el que se encuentran bañadas las células sanguíneas. o Sector intersticial (∼28% del agua total) que baña el resto de las células. Estefanía Germán 16 Otros transportes a través de la membrana o Difusión. o Transporte ac>vo. o Ósmosis. o Fagocitosis. o Exocitosis. (a): medida de la diferencia de potencial entre dos puntos de la disolución extracelular. Valor cero voltios. (b): medida de la diferencia de potencial entre la disolución celular y la disolución extracelular. Valor ≈-60 milivoltios. Estefanía Germán 17 (a) Difusión simple de moléculas y elementos simples no cargados a través de la membrana sin necesidad de canales específicos. (b) La difusión simple a través de un canal específico, siguiendo las fuerzas de difusión. (c) Transporte mediante proteína específica, una molécula de soluto se enlaza a una proteína especifica: que cruza el canal en la dirección de las fuerzas difusivas. (d) Transporte activo por medio de una proteína que requiere de un proceso exergónico del cual obtiene la energía necesaria para moverse en sentido contrario de las fuerzas difusivas. El ATP se utiliza como fuente de energía para todos los mecanismos fisiológicos que requieren energía para producirse. Estefanía Germán 18 Potenciales de acción celulares Todos los organismos vivos, incluidas las células, responden a esVmulos externos; a esta propiedad se le denomina irritabilidad. La irritabilidad en la ameba responde a los mismos mecanismos básicos de la membrana celular, como una célula nerviosa, para iniciar la transmisión del llamado impulso nervioso. Las células pueden responder a otros muchos estímulos exteriores: calor, frio, electricidad, sonido, luz, etc. Las células responden a todos esos estímulos modificando localmente el potencial de reposo celular cambiando la distribución de cargas de la membrana. Estado de una célula en reposo La distribución de cargas a lo largo de toda la membrana celular es uniforme, las cargas negativas se encuentran en la cara interna de la membrana y las positivas en la externa. Estefanía Germán 19 En respuesta a un esVmulo, una célula comienza una secuencia de acciones en la zona local, que genera una variación temporal de la polarización local de la membrana. 1. Un esqmulo hace que los canales de Na+ se abran y empiecen a entrar por ese punto de la membrana neutralizando localmente la carga nega>va en exceso. Valor umbral. 2. Luego, más canales de Na+ se abren. El ﬂujo hacia interior eleva el potencial de la membrana ≈ +30 mV. Despolarización. 3. Los canales de Na+ se cierran. Un poco antes los 5. La repolarización típicamente llega a ≈ -90 mV. Esto se canales de K+ se abren. Dado que los canales K+ son llama hiperpolarización, impide que la celula reciba otro mucho más lentos de abrir, la despolarización.ene estímulo durante este tiempo, periodo refractario. Asegura.empo de completarse. que la señal se desplaza en una dirección. 4. Con los canales K+ abiertos y los de Na+ cerrados, la 6. Después de la hiperpolarización, la bomba Na−K lleva la membrana comienza a repolarizarse hacia su membrana a su estado de reposo de -70 mV. potencial de reposo. Estefanía Germán 20 Propagación del potencial de acción El potencial de acción se propaga como un impulso eléctrico a lo largo de la longitud de la célula hasta alcanzar el final. Propagación de un impulso como consecuencia del flujo Permeabilidad de la membrana celular a los iones Na+ y K+ local de iones. como función del tiempo durante la generación de un potencial de acción. Corriente eléctrica a lo largo del interior y exterior La flecha indica que ya hay un flujo de K+ que atraviesan la de la membrana. membrana por difusión antes de la puesta en marcha del potencial de acción. Estefanía Germán 21 Estos cambios en la polarización de la membrana producen cambios en el potencial que ésta genera en su entorno. ¿Se pueden “medir” estos cambios sin necesidad de conectar unos electrodos a las dos paredes de la membrana celular? SI J Cuando el potencial de acción se propaga a lo largo de la membrana celular va generando un cambio en el potencial de membrana que evoluciona con el @empo; esa variación de potencial se puede detectar en el exterior del organismo con la instrumentación adecuada. Estefanía Germán 22 La pared celular puede considerarse como un conjunto de dipolos que crearán un potencial en un punto exterior a la célula, utilizaremos la fórmula del potencial creado por un dipolo para medir esa variación. Momento dipolar eléctrico 𝑝⃗ = q ·𝐿. El potencial creado por el dipolo en un punto P que forma un ángulo θ con 𝒑 y está a una distancia r (muy grande) del centro del dipolo es Las cargas (+) y (-) corresponden a la carga de la cara externa e interna de la membrana. El punto P es el lugar donde se mide el potencial, este punto está en el exterior del cuerpo. Distancia d separación entre las cargas, esta distancia corresponde a la anchura de la membrana celular. Estefanía Germán 23 La u>lización de medidas de la variación de los potenciales generados por los potenciales de acción de diferentes células se u>liza como método de diagnós.co: o Electrocardiograma o Electroencefalograma o Electromiograma o Etc. El electromiograma es una prueba que se usa para estudiar el funcionamiento del sistema nervioso periférico y los músculos que inerva. Estefanía Germán 24

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue