Fundamentos de Electricidad

Matıas Enrique Puello Chamorrowww.matiaspuello.wordpress.com

14 de mayo de 2019

Indice

1. Introduccion 3

2. Electrostatica 72.1. Electricidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Carga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3. Propiedades de la carga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4. Ley de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5. El enunciado de la ley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6. Campo electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.7. Energia potencial electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.8. Potencial electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3. Electrodinamica 153.1. Aisladores y Conductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2. Corriente electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4. La Neurona 18

5. Potencial de Nernst 19

6. Potencial de Accion 23

7. Impulso Nervioso 24

1. Introduccion

La electricidad, en una u otra forma subyace en casi todo loque nos rodea: se ecuentra en los relampagos que se producendurante las tormentas, en la chispa que salta bajo los piescuando los arrastras sobre una alfombra y en la fuerza quemantiene unido los atomos en forma de moleculas.

1. Introduccion

Desde el punto de vista biologico notamos que en todaslas membranas de las celulas del cuerpo existen potencialeselectricos. Especıficamente, algunas de dichas celulas, comolas nerviosas y musculares, son capaces de autogenerar im-pulsos electroquımicos en sus membranas, que posteriormenteson convertidas en senales electricas, propiamente dichas.

1. Introduccion

Al llevar este fenomeno al plano de la electricidad, se tiene que,a nivel celular, la fuerza electrica interviene en el transporte deiones a traves de la membrana y esta relacionada con la trans-mision de los impulsos nerviosos y la contraccion de las fibrasmusculares. Por esto, para lograr una mejor comprension delos procesos Bioelectricos que ocurren en el organismo, es ne-cesario el estudio de los conceptos basicos de la electricidad yel magnetismo.

1. Introduccion

La Bioelectricidad se fundamenta en leyes y principios de lafısica electrica a partir de los cuales se estudian los fenomenosbioelectricos que ocurren en el organismo:

I Transporte de iones a traves de la membrana

I Transferencia de los impulsos nerviosos Contraccion de lasfibras musculares, etc.

I Para la comprension de dispositivos que proporcionan di-versos registros electricos:

∗ Electrocardiograma

∗ Electroencefalograma

∗ Electromiograma, etc.

2. Electrostatica

2.1. Electricidad

La electricidad es una fuerza fundamental de la naturaleza,analoga a la fuerza gravitacional. Pero mientras que la fuerzade la gravedad entre dos objetos depende de las masas de loscuerpos la electricidad depende de la carga electrica.

2.2. Carga electrica

Es una propiedad fundamentalde dos de las partıculas elemen-tales (el proton y el electron) quecomponen toda la materia ordi-naria.

Hay dos tipos de carga en lanaturaleza, con la propiedad deque cargas diferentes se atraen,similares se rechazan entre si.

2.3. Propiedades de la carga electrica

1 La carga es invariante rela-tivista.

2 La carga se conserva.

3 La carga esta cuantizada.

La unidad estandar de la carga en el sistema inter-nacional es el Coulomb (C).

2.4. Ley de Coulomb

Lleva su nombre en honor a Charles-Agustın de Coulomb(1736 - 1806), su descubridor y el primero en publicarlo.

2.5. El enunciado de la ley

La magnitud de cada una de lasfuerzas electricas con que inter-actuan dos cargas puntuales es di-rectamente proporcional al produc-to de las cargas e inversamente pro-porcional al cuadrado de la distan-cias que lo separan.

F =k × Q1 × Q2

r2

(Q1) y (Q2) son los valores de las cargas.(r): Representa la distancias que las separan.(k): Es la constante de proporcionalidad y tiene un valor de

k = 9 × 109Nm2

C2

2.6. Campo electrico

Region del espacio donde se ponen de manifiesto los fenomenoselectricos.

E =F

q

NewtonCulombio =

(NC

)Para una carga puntual, elcampo se define por la siguien-te relacion

E =k × Q

r2

2.7. Energia potencial electrica

Es el trabajo que realiza el campoelectrico sobre una carga (q) cuandose mueve desde una posicion A a unaposicion B, es decir

W = EPA− EPB

En terminos de la carga y la distancia,la energıa viene dada por

EP =k × Q × q

r

2.8. Potencial electrico

Definimos el potencial electrico V co-mo el trabajo por unidad de carga pa-ra llevar la carga de prueba desde elpunto A hasta el punto B

VAB =WAB

qLa unidad de medida en el S.I. es elvoltio (V).Para una carga puntual el potencialen un punto P viene dado por

V =k × Q

r

3. Electrodinamica

3.1. Aisladores y Conductores

Los Conductores son materiales en los que las cargas electri-cas se mueven con bastante libertad en tanto que en los mate-riales Aisladores las cargas se mueven con mucha dificultad.

Algunos materiales conducto-res son: el cobre, la plata, eloro, el aluminio, ...Algunos materiales aisladoresson: el vidrio, el caucho, ...

Aisladores y Conductores

Cuando se disuelve sal de me-sa (NaCl) en agua los dos ele-mentos se disocian formandoun ion (Na+) cargado positiva-mente y un ion (Cl−) cargadonegativamente.

Esta solucion llamada electrolito, es buena conductora; la con-duccion electrolıtica es esencialmente el movimiento de estosiones en direcciones opuestas

3.2. Corriente electrica

Definimos la intensidad de corriente electrica (I) como la can-tidad de carga electrica (Q) que atraviesa la seccion de un hiloconductor en la unidad de tiempo, es decir,

I =Q

t

siendo su unidad de medida el Amperio = Coulombiosegundo

[A = C

s

]

4. La Neurona

Cada celula nerviosa o neu-rona consta de una por-cion central o cuerpo celu-lar, que contiene el nucleoy una o mas estructuras de-nominadas axones y den-dritas.

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

5. Potencial de Nernst

El potencial de reposo de una celula es producido por diferen-cias en la permeabilidad de la pared celular a los diferentesiones.

El potencial de reposo celular es negativo cuando la membranaes permeable a los iones positivos, y es positivo cuando lamembrana es permeable a los iones negativos.

Potencial de Nernst

El potencial se puede determinar a partir de la siguiente rela-cion:

∆V = V1 − V2 = ± (61,2mV) log

(c1

c2

)Tanto en el fluido intracelular como en el extracelular se di-suelven muchas clases de iones, pero solamente aquellos ionesque pueden difundirse a traves de la pared de la celula contri-buyen al potencial de Nernst. En el estado de reposo, la paredcelular es permeable solo a los iones K+ y Cl−

Potencial de Nernst

Concentraciones de iones K+, Na+ y Cl−

Todos los demas iones se representan con A−

Concentracion molL

Ion Extracelular (Ce) Intracelular (Ci)

K+ 0,005 0,141

Na+ 0,142 0,010

Cl− 0,103 0,004

A− 0,044 0,147

Potencial de Nernst

Ejemplo Potencial de reposo celular

El fluido intracelular de una celula nerviosa tiene una concen-tracion de iones K+ de 0,141 mol

L , mientra que el fluido extrace-

lular tiene una concentracion de iones K+ de solo 0,005 molL . Si

estas concentraciones estan en equilibrio, cual es su diferenciade potencial o potencial de Nerst

6. Potencial de Accion

La repentina subida y bajada del potencial celular, recibe elnombre de potencial de accion.

7. Impulso Nervioso

Un impulso nervioso es un potencial de accion que se pro-paga a lo largo del axon, su velocidad de propagacion es deaproximadamente 30 m

s

Referencias

[1] FRUMENTO, Antonio Elementos de Biofısica. Intermedica1979.

[2] MACDONALD y BURNS. Fısica para las ciencias de la viday de la salud. Mexico: Addison-Wesley Iberoamericana,1989, 589 p.

[3] CROMER, Alan H. Fısica para las Ciencias de la Vida. 2ed. : Editorial Reverte.

[4] Wilson. J.D Fısica con aplicaciones. Editorial McGRAW-HILL