CLASE 9 -BIOELECTRICIDAD SEMANA 10.ppt

IntroducciónIntroducción

La electricidad es una La electricidad es una fuerza fundamental de la fuerza fundamental de la naturaleza, análoga a la de naturaleza, análoga a la de la gravedad, cuya la gravedad, cuya diferencia radica en que la diferencia radica en que la fuerza de la gravedad fuerza de la gravedad entre dos objetos depende entre dos objetos depende de su masa mientras que la de su masa mientras que la fuerza eléctrica depende fuerza eléctrica depende de su cargade su carga

La Carga Eléctrica es una Propiedad Básica La Carga Eléctrica es una Propiedad Básica de las Partículas Elementales:de las Partículas Elementales:

ElectronesElectrones ProtonesProtones NeutronesNeutrones

Componen toda la materia ordinaria

Lo que mantiene al átomo unido es la

fuerza eléctrica entre sus protones y

electrones

¿En qué se Fundamenta la ¿En qué se Fundamenta la Bioelectricidad ?Bioelectricidad ?

Leyes y principios de la física eléctricaLeyes y principios de la física eléctrica A partir de los cuales se estudian los fenómenos A partir de los cuales se estudian los fenómenos

bioeléctricos que ocurren en el organismo:bioeléctricos que ocurren en el organismo: Transporte de iones a través de la membranaTransporte de iones a través de la membrana Transferencia de los impulsos nerviososTransferencia de los impulsos nerviosos Contracción de las fibras musculares, etc.Contracción de las fibras musculares, etc.

Y para la comprensión de dispositivos que Y para la comprensión de dispositivos que proporcionan diversos registros eléctricos:proporcionan diversos registros eléctricos:

ElectrocardiogramaElectrocardiograma ElectroencefalogramaElectroencefalograma Electromiograma, etc.Electromiograma, etc.

Carga Eléctrica: Ley de Carga Eléctrica: Ley de CoulombCoulomb

La carga como la masa es una propiedad La carga como la masa es una propiedad fundamental de la materia, y son de dos tipos:fundamental de la materia, y son de dos tipos:

Carga positiva, asociadas al protónCarga positiva, asociadas al protón Carga negativa, asociadas al electrónCarga negativa, asociadas al electrón

Por tanto las fuerzas eléctricas pueden ser de Por tanto las fuerzas eléctricas pueden ser de atracción o de repulsión: regidas por la ley de atracción o de repulsión: regidas por la ley de las cargas (cargas iguales repelen y contrarias las cargas (cargas iguales repelen y contrarias se atraen)se atraen)

Principios FísicosPrincipios Físicos

Carga eléctricaCarga eléctrica Electrón = ProtónElectrón = Protón Equivale a 1,6 x 10Equivale a 1,6 x 10-19-19

Unidad de carga: Coulomb (C)Unidad de carga: Coulomb (C) La fuerza eléctrica entre dos objetos con cargas La fuerza eléctrica entre dos objetos con cargas

qq11 y q y q22 separadas por una distancia r es: separadas por una distancia r es: Donde k es la constante eléctrica universalDonde k es la constante eléctrica universal : :

221

r

qqkFe

2

29100,9C

mNxk

Fuerza EléctricaFuerza Eléctrica Depende del producto de las cargas de los objetos Depende del producto de las cargas de los objetos

como la fuerza de la gravedad depende del como la fuerza de la gravedad depende del producto de sus masasproducto de sus masas

Ambas fuerzas son inversamente proporcionales al Ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que separa los objetoscuadrado de la distancia que separa los objetos

Donde Donde

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

221

r

mmGFg 2

2111067,6Kg

mNxG

Campo EléctricoCampo Eléctrico

Las fuerzas eléctricas como las fuerzas Las fuerzas eléctricas como las fuerzas gravitacionales son fuerzas de acción a gravitacionales son fuerzas de acción a distancia que se manifiestan sin que haya distancia que se manifiestan sin que haya ningún contacto entre los cuerposningún contacto entre los cuerpos

Estas fuerzas se aproximan a cero cuando las Estas fuerzas se aproximan a cero cuando las distancias tienden al infinitodistancias tienden al infinito

Cada carga modifica las propiedades del medio Cada carga modifica las propiedades del medio que la rodea estableciendo un campo eléctrico que la rodea estableciendo un campo eléctrico análogo al campo gravitacional producido por análogo al campo gravitacional producido por cada masa: atracción o repulsióncada masa: atracción o repulsión

Campo EléctricoCampo Eléctrico Si una carga que colocada en un punto del Si una carga que colocada en un punto del

espacio, experimenta una fuerza de origen espacio, experimenta una fuerza de origen eléctrico, se dice que en este punto existe un eléctrico, se dice que en este punto existe un campo eléctrico producido por todas las otras campo eléctrico producido por todas las otras cargas qcargas q11, q, q22, … y que su intensidad es:, … y que su intensidad es:

Como F es un vector y q’ un escalar, el campo eléctrico Como F es un vector y q’ un escalar, el campo eléctrico es también un vector que tendrá la dirección de F si q’ es es también un vector que tendrá la dirección de F si q’ es positiva y la dirección contraria si q’ es negativapositiva y la dirección contraria si q’ es negativa

Coul

N

q

FE

'

Campo EléctricoCampo Eléctrico

La carga q’ se denomina generalmente carga La carga q’ se denomina generalmente carga de prueba.de prueba.

El campo eléctrico se simboliza con la letra E, El campo eléctrico se simboliza con la letra E, es una magnitud vectorial y sus unidades son: es una magnitud vectorial y sus unidades son: N/CN/C

Potencial EléctricoPotencial Eléctrico Se le llama diferencia de potencial entre dos puntos a Se le llama diferencia de potencial entre dos puntos a

la diferencia de energía potencial de una carga dentro la diferencia de energía potencial de una carga dentro de un campo eléctrico entre estos dos puntos dividido de un campo eléctrico entre estos dos puntos dividido por el valor de la carga, o también el trabajo realizado por el valor de la carga, o también el trabajo realizado por la fuerza producida por el campo dividido por la por la fuerza producida por el campo dividido por la carga, es decir,carga, es decir,

La diferencia de potencial VLa diferencia de potencial Vaa-V-Vbb se generaliza V se generaliza Vabab y y se denomina a veces voltaje entre a y b.se denomina a veces voltaje entre a y b.

Es una magnitud escalar puesto que es el cociente Es una magnitud escalar puesto que es el cociente entre dos magnitudes escalares y su unidad en entre dos magnitudes escalares y su unidad en sistema S.I es de joul/coul que se denomina voltio (v)sistema S.I es de joul/coul que se denomina voltio (v)

'')()(

q

w

q

EpEpVbVa ba

Aisladores y ConductoresAisladores y Conductores

A partir de la teoría atómica de A partir de la teoría atómica de principios del siglo XX quedó principios del siglo XX quedó establecido científicamente que establecido científicamente que la materia está compuesta de la materia está compuesta de átomos muy pequeñosátomos muy pequeños

Cada átomo tiene un núcleo aún Cada átomo tiene un núcleo aún más pequeño, muy denso y más pequeño, muy denso y cargado positivamente; el cual cargado positivamente; el cual está rodeado de electrones está rodeado de electrones livianos y cargados livianos y cargados negativamentenegativamente

Aisladores y ConductoresAisladores y Conductores En muchos metales los electrones más cercanos están En muchos metales los electrones más cercanos están

fuertemente ligados al núcleo pero un electrón del fuertemente ligados al núcleo pero un electrón del exterior puede estar relativamente libre para ser exterior puede estar relativamente libre para ser transferido de un átomo a otrotransferido de un átomo a otro

Éstos electrones pueden moverse libremente y por lo Éstos electrones pueden moverse libremente y por lo tanto son llamados “electrones libres”tanto son llamados “electrones libres”

Su movimiento explica la conducción eléctrica por un Su movimiento explica la conducción eléctrica por un alambre cuando es conectado a una batería o a un alambre cuando es conectado a una batería o a un generados eléctricogenerados eléctrico


Al contrario de los electrones, los núcleos cargados Al contrario de los electrones, los núcleos cargados positivamente están fijos en un lugar dentro del cristal de un positivamente están fijos en un lugar dentro del cristal de un metal y no contribuyen en nada a la conducción eléctricametal y no contribuyen en nada a la conducción eléctrica

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

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


Aquellas sustancias que conducen la carga con menor Aquellas sustancias que conducen la carga con menor capacidad que los metales, aunque mayor que los capacidad que los metales, aunque mayor que los aislantes se les llama aislantes se les llama semiconductoressemiconductores, por ejemplo: , por ejemplo: silicio y germanio, utilizados para la fabricación de silicio y germanio, utilizados para la fabricación de transistorestransistores

Al contrario de lo que sucede en los metales, en los cuales los electrones libres conducen la electricidad, en los líquidos la conducción de carga puede deberse a átomos positivos y negativamente cargados


Cuando se disuelve sal de mesa (NaCl) Cuando se disuelve sal de mesa (NaCl) en agua los dos elementos se disocian en agua los dos elementos se disocian formando un ión Naformando un ión Na++ cargado cargado positivamente y un ión Clpositivamente y un ión Cl-- cargado cargado negativamentenegativamente

El átomo de Cl ha ganado un electrón y El átomo de Cl ha ganado un electrón y el átomo de Na ha perdido uno el átomo de Na ha perdido uno quedando cargado positivamentequedando cargado positivamente

Esta solución llamada electrolito, es Esta solución llamada electrolito, es buena conductora; la conducción buena conductora; la conducción electrolítica es esencialmente el electrolítica es esencialmente el movimiento de éstos iones en movimiento de éstos iones en direcciones opuestasdirecciones opuestas


Algunos electrolitos típicos Algunos electrolitos típicos son: cloruro de potasio son: cloruro de potasio (K(K++ClCl--), ácido sulfúrico ), ácido sulfúrico (H(H22

2+2+SOSO442-2-) y el agua misma ) y el agua misma

(H(H++OHOH--))

El que un electrolito conduzca bien o mal la electricidad depende de la valencia química (número de electrones perdidos o ganados), el grado de disociación y la concentración iónica (número de iones por centímetro cúbico)

Aisladores y ConductoresAisladores y Conductores No todas las soluciones conducen bien la No todas las soluciones conducen bien la

electricidad, depende de la disociación iónicaelectricidad, depende de la disociación iónica

Sin embargo, los tejidos del cuerpo localizados Sin embargo, los tejidos del cuerpo localizados bajo la piel son electrolitos; la solución salina bajo la piel son electrolitos; la solución salina fisiológica es básicamente una solución diluida de fisiológica es básicamente una solución diluida de NaCl y el plasma sanguíneo contiene NaNaCl y el plasma sanguíneo contiene Na++, K, K++, Ca, Ca++, , MgMg2+2+, Cl- y otros iones, Cl- y otros iones

El aceite, el alcohol y el azúcar disuelta en el agua, la piel seca, y la mayoría de las membranas biológicas son relativamente malos conductores

CorrienteCorriente

Una corriente es un flujo de cargaUna corriente es un flujo de carga

Cuando una positiva se mueve desde una región Cuando una positiva se mueve desde una región de potencial alto a otra de bajo potencial, su de potencial alto a otra de bajo potencial, su energía potencial se transforma a otras formas de energía potencial se transforma a otras formas de energíaenergía

Por ejemplo, en una resistencia de calefacción la Por ejemplo, en una resistencia de calefacción la energía potencial de la carga en movimiento se energía potencial de la carga en movimiento se transforma en calor, en una bombilla se transforma en calor, en una bombilla se transforma en luz y calor, y en un motor se transforma en luz y calor, y en un motor se transforma en energía mecánicatransforma en energía mecánica

CorrienteCorriente

Todos los aparatos eléctricos y electrónicos Todos los aparatos eléctricos y electrónicos utilizan corriente de un modo u otro, utilizan corriente de un modo u otro, también utilizan corriente los sistemas también utilizan corriente los sistemas biológicos, ellas intervienen en el transporte biológicos, ellas intervienen en el transporte de impulsos nerviosos a lo largo de una de impulsos nerviosos a lo largo de una fibra nerviosafibra nerviosa

Intensidad de la CorrienteIntensidad de la Corriente

Una corriente eléctrica es un flujo de carga y Una corriente eléctrica es un flujo de carga y para que pueda mantenerse, alguna fuente debe para que pueda mantenerse, alguna fuente debe proveer la energía que conserve la diferencia proveer la energía que conserve la diferencia de potencial entre los extremos de un de potencial entre los extremos de un conductorconductor

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


Por convención se considera que la dirección de la Por convención se considera que la dirección de la corriente es la que corresponde al flujo de cargas corriente es la que corresponde al flujo de cargas positivas en un sentido, aunque el flujo real de cargas positivas en un sentido, aunque el flujo real de cargas es debido al desplazamiento de los electrones en es debido al desplazamiento de los electrones en sentido contrariosentido contrario

En los metales, los electrones externos de los átomos se mueven libremente y los protones de los núcleos están fijos; en cambio en los conductores líquidos se pueden mover tanto los iones positivos como los negativos; así es como una batería convierte energía química en energía eléctrica


En electricidad se considera que el flujo de cargas En electricidad se considera que el flujo de cargas negativas en una dirección equivale al flujo de negativas en una dirección equivale al flujo de cargas positivas en la dirección opuestacargas positivas en la dirección opuesta

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

t

qI


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

ComoComo

tIqt

qI


El trabajo (w) realizado para mover la carga El trabajo (w) realizado para mover la carga viene dado por:viene dado por:

Donde VDonde V++ es el potencial en el borde positivo y es el potencial en el borde positivo y VV-- el potencial en el borde negativo el potencial en el borde negativo

El trabajo realizado por segundo es la potencia El trabajo realizado por segundo es la potencia (P)(P)

Vqw )( VVV

VIt

Vq

t

wP

LEY DE OHMLEY DE OHMGracias a las investigaciones de George Ohm acerca de la Gracias a las investigaciones de George Ohm acerca de la conducción eléctrica en barios materiales, se toma como conducción eléctrica en barios materiales, se toma como deducción que el cociente entre el voltaje aplicado a un conductor deducción que el cociente entre el voltaje aplicado a un conductor y la corriente, este es constante y se llama resistenciay la corriente, este es constante y se llama resistencia

Formula matemática:

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

luego la unidad de resistencia es

I

VRIxRV

Amperio

VoltioOhm

1

1)(1

CircuitosCircuitos

Los circuitos consisten a menudo Los circuitos consisten a menudo en una red de resistencias en una red de resistencias interconectadas, como lo indica la interconectadas, como lo indica la figurafigura

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

El análisis de ésta o cualquier otra El análisis de ésta o cualquier otra red utiliza dos principios red utiliza dos principios conocidos como leyes de conocidos como leyes de KirchhoffKirchhoff

Primera Ley de KirchhoffPrimera Ley de Kirchhoff

La intensidad total de la corriente que entra en un La intensidad total de la corriente que entra en un punto cualquiera del circuito es igual a la punto cualquiera del circuito es igual a la intensidad que sale del puntointensidad que sale del punto

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

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

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

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

Ecuación:

E= IR + Ir como V= IR

E= V + Ir ley de ohm

V= E - Ir

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

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

En un circuito, el condensador es simbolizado por esta En un circuito, el condensador es simbolizado por esta conectado en serie a una resistencia (R) y una batería.conectado en serie a una resistencia (R) y una batería.Como hay aislamiento entre Como hay aislamiento entre las placas del condensador,las placas del condensador,la carga no puede fluir por la carga no puede fluir por este elemento y por lo tanto,este elemento y por lo tanto,no se puede establecer una no se puede establecer una corriente continua a travéscorriente continua a travésde un condensador.de un condensador.

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

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

La figura muestra que la corriente transitoria (i) es La figura muestra que la corriente transitoria (i) es grande en el instante en el que se cierra el interruptor, grande en el instante en el que se cierra el interruptor, pero disminuye rápidamente hasta cero cuando el pero disminuye rápidamente hasta cero cuando el condensador se ha cargado.condensador se ha cargado.

Al mismo tiempo, el valor de la carga de cada placa del condensador aumente desde cero hasta su valor final.

Variación temporal de la corriente Variación temporal de la corriente transitoria en un circuito de transitoria en un circuito de resistencia y condensadorresistencia y condensador

variación temporal de la carga en variación temporal de la carga en cada una de las placas de un cada una de las placas de un condensador en un circuito de condensador en un circuito de resistencia y condensadorresistencia y condensador

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

Q= C.VQ= C.V

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

Un condensador es un elemento del circuito que ofrece poca resistencia a un potencial alterno y una resistencia infinita a un potencial continuo.

POTENCIAL DE NERNSTPOTENCIAL DE NERNST

El potencial de reposo de una célula El potencial de reposo de una célula es producido por diferencias en la es producido por diferencias en la

permeabilidad de la pared celular a permeabilidad de la pared celular a los diferentes iones.los diferentes iones.

POTENCIAL DE NERNSTPOTENCIAL DE NERNST

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

positivo cuando la membrana es positivo cuando la membrana es permeable a los iones negativos.permeable a los iones negativos.

la pared celular actúa como un la pared celular actúa como un condensador con carga positiva en el condensador con carga positiva en el interior y carga negativa en el interior y carga negativa en el exterior.exterior.

La pared celular actúa como un La pared celular actúa como un condensador con una área condensador con una área A A de unosde unos y un espesor de unos su y un espesor de unos su capacidad capacidad CC se calcula se calcula

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

La pared de las células nerviosas y La pared de las células nerviosas y musculares tiene la capacidad de musculares tiene la capacidad de cambiar su permeabilidad relativa a cambiar su permeabilidad relativa a los iones K+ y Na+, cuando una los iones K+ y Na+, cuando una célula es estimulada eléctrica, célula es estimulada eléctrica, química o mecánicamente, la pared química o mecánicamente, la pared de la célula se hace permeable de de la célula se hace permeable de repente a los Na+.repente a los Na+.

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

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

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

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

Cuando un impulso nervioso Cuando un impulso nervioso alcanza una célula muscular, alcanza una célula muscular, produce un potencial de acción en produce un potencial de acción en la célula muscular.la célula muscular.

Antes de cada latido del corazón Antes de cada latido del corazón se extiende por este un gran se extiende por este un gran potencial de acción.potencial de acción.

ELECTROCARDIOGRAMA ELECTROCARDIOGRAMA NORMALNORMAL

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