Ejemplo I Tecnología médica-estética

Electricidad y Magnetismo

1 - Introducción

La electricidad es el alma de la revolución tecnológica y la sociedad moderna. Sin ella, se regresaría a mediados del siglo XIX donde se destacaría la ausencia de por ejemplo: la telefonía celular, la TV digital, cualquiera de los electrodomésticos, medios de transportes, etc. La medicina moderna sería una fantasía y, debido a la falta de equipamiento sofisticado y supercomputadoras, y especialmente la lenta diseminación de la información, la ciencia y tecnología crecerían a un ritmo muy lento.

En lugar de esto, con el descubrimiento y dominio de las fuerzas y campos eléctricos y magnéticos, se pueden ver arreglos de átomos, chequear el funcionamiento interno de una célula y enviar naves espaciales más allá del sistema solar. Todo esto fue posible en las últimas generaciones de la vida humana.

Los fenómenos eléctricos son estudiados por la electrostática, rama de la Física, que estudia las cargas eléctricas en reposo, las fuerzas que se ejercen entre ellas y su comportamiento al interior de los materiales. Es importante considerar que la electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados y que a partir de 1820, con la experiencia de Hans Christian Oersted, con corrientes eléctricas, se inicia el electromagnetismo, rama de la Física que estudia la relación entre ambos fenómenos.

Al estudiar este tema, conocerás en forma breve y resumida, acerca de las cargas eléctricas, las fuerzas que intervienen en la interacción entre ellas a través del campo eléctrico, cómo se relacionan con la materia (por ejemplo algún órgano o tejido del cuerpo humano), cómo se comportan en presencia de un campo magnético y cómo podemos cuantificar y describir los fenómenos asociados.

Todos estos conceptos son importantes para comprender los principios de funcionamiento, las diferentes formas de uso y los resultados conseguidos cuando utilizamos distintos equipamientos en los tratamientos estéticos y corporales.

2 - Propiedades de la carga eléctrica

Los fenómenos electrostáticos, como escuchar chasquidos al sacarnos una prenda de vestir, peinar varias veces nuestro cabello seco y luego acercarlo a pequeños trozos de papel, por ejemplo, se producen por la interacción de la carga eléctrica de un cuerpo con la de otro. A menudo la fuerza de atracción es lo suficientemente fuerte como para suspender por ejemplo, trocitos papel con el peine desafiando las leyes de atracción gravitacional. El mismo efecto ocurre con otros materiales que se frotan, como pueden ser el caucho duro y el vidrio.

Existen 2 tipos de carga eléctrica que Benjamín Franklin (1706-1790) nombró positiva a una y negativa a la otra. Experimentalmente se comprobó que entre ellas interactúan de la siguiente manera: cargas de distinto signo se atraen y cargas de igual signo se repelen. Veamos la Figura 1 a continuación.

Figura 1 - Al acercar una barra cargada negativamente a una bolita metálica (péndulo electrostático) cuya carga final neta es positiva se atraen. Esto se debe a que la fuerza eléctrica que se genera entre los cuerpos es atractiva.

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Cuando un átomo, o un cuerpo, tiene la misma cantidad de cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se dice que está eléctricamente neutro. Si se produce un desequilibrio entre la cantidad de electrones y protones, se dice que está electrizado. El cuerpo que pierde electrones queda con carga positiva y el que recibe electrones queda con carga negativa. Se llama carga eléctrica (q) al exceso o déficit de electrones que posee un cuerpo respecto al estado neutro. La carga neta corresponde a la suma algebraica de todas las cargas que posee un cuerpo. La carga eléctrica permite cuantificar el estado de electrización de los cuerpos siendo su unidad mínima la carga del electrón. Esto significa que la carga eléctrica q de un cuerpo está cuantizada y sepuede expresar como nq, enque n es un número entero(incluyendo el cero); sinembargo, como la carga delelectrón es muy pequeña[1],se utiliza un múltiplo de ella:el coulomb (C).

Existen tres formas básicas de modificar la carga neta de un cuerpo: electrización por frotamiento, contacto e inducción. En todos estos mecanismos siempre está presente el principio de conservación de la carga, que nos dice que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, solamente se transfiere de un cuerpo a otro.

• Frotamiento: En la electrización por fricción, el cuerpo menos conductor saca electrones de las capas exteriores de los átomos del otro cuerpo quedando cargado negativamente y el que pierde electrones queda cargado positivamente[2].
• Contacto: En la electrización por contacto, el que tiene exceso de electrones (carga –) traspasa carga negativa al otro, o el que tiene carencia de ellos (carga +) atrae electrones del otro cuerpo. Ambos quedan con igual tipo de carga[3].
• Inducción: Al acercar un cuerpo cargado al conductor neutro, las cargas eléctricas se mueven de tal manera que las de signo igual a las del cuerpo cargado se alejan en el conductor y las de signo contrario se aproximan al cuerpo cargado, quedando el conductor polarizado. Si se hace contacto con tierra en uno de los extremos polarizados, el cuerpo adquiere carga del signo opuesto[4].

[3] Como complemento sugerimos visualizar el siguiente video:
https://www.youtube.com/watch?v=28k-JCsjUx8

[4] Como complemento sugerimos visualizar el siguiente video:
https://www.youtube.com/watch?v=9qeuGQTDNbM

 

 

 

4 - Campo Eléctrico

La idea de campo se basa en transferirle las propiedades eléctricas al espacio. La fuerza gravitacional y la fuerza electrostática son capaces de actuar a lo largo del espacio, lo que produce un efecto incluso cuando no hay ningún contacto físico entre los objetos involucrados. Las fuerzas de campo se pueden estudiar de varias formas, pero el enfoque desarrollado por Michael Faraday (1791-1867) es el más práctico. En este enfoque, se dice que existe un campo eléctrico en la región de espacio alrededor de un objeto cargado. El campo eléctrico ejerce una fuerza eléctrica sobre cualquier otro objeto cargado dentro del campo.

Figura 4 - Líneas de campo eléctrico entre dos cargas positivas.

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La representación matemática[6] de este concepto excede el alcance de este curso, sin embargo se puede profundizar consultando cualquiera de la bibliografía propuesta.

Las líneas de de campo eléctrico son útiles para visualizar el campo eléctrico en cualquier región del espacio. El vector de campo eléctrico E es tangente a las líneas de campo eléctrico en cada punto. Más aun, el número de líneas de E por unidad de área a través de una superficie perpendicular a las líneas es proporcional a la intensidad del campo eléctrico en dicha superficie.

A modo de complemento y para aquellos más curiosos recomendamos el siguiente video:

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[5] En física, fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo.

[6] El campo eléctrico E producido por una carga Q en la posición de una pequeña carga ''de prueba'' q0 se define como la fuerza eléctrica F ejercida por Q sobre q0, dividida entre la carga de prueba q0:

5 - Magnetismo

En términos de aplicaciones, el magnetismo es uno de los campos más importantes de la física y sobre todo de la física médica. Para levantar cargas pesadas se utilizan grandes electroimanes. Los imanes se utilizan en dispositivos como instrumentos de medición, motores, dispositivos de almacenamientos de datos, etc. Los campos magnéticos intensos se usan en aparatos para la formación de imágenes medicas de forma más segura que con RX. Muchos dispositivos de cosmiatría y rehabilitación utilizan las propiedades de los campos magnéticos como principio de funcionamiento.

El magnetismo esta cercanamente relacionado con la electricidad. Los campos magnéticos (B) afectan las cargas en movimiento y las cargas en movimiento producen campos magnéticos. Los campos magnéticos variables incluso pueden crear campos eléctricos. Por último vamos a decir, que la corriente eléctrica[7] está muy ligada con la formación de B y viceversa.

5.1 - Imanes

Figura 5 - Imán de barra y sus polos

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La mayoría de nosotros ha experimentado con alguna forma de imán. Es más, todos nosotros estamos muy familiarizados con el imán de hierro con forma de herradura (entre otras) que levanta objetos que contienen hierro como clavos, tornillos, etc. o que sujetapapeles pegado a una pared de nuestra heladera.

En el análisis que sigue vamos a suponer que el imán tiene forma de barra tal como lo demuestra la figura 5. Los objetos de hierro son atraídos con mayor intensidad hacia cualquier extremo de uno de los tales imanes de barra, extremos que a partir de ahora llamaremos polos. Un extremo se llama polo norte y el otro polo sur[8].

Si un imán de barra se suspende libremente de un punto medio, de modo que pueda balancearse, girará hasta que su polo norte apunte hacia el norte y su polo sur apunte hacia el sur. De hecho, este es el principio constructivo de una brújula simple.

Los polos magnéticos también ejercen fuerzas atractivas o repulsivas uno sobre otro similar a las fuerzas eléctricas entre objetos cargados. Experimentos simples con dos imanes de barra muestran que polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen mutuamente.

Aunque la fuerza entre dos polos magnéticos opuestos es similar a la fuerza entre cargas eléctricas positivas y negativas, existe una diferencia importante: las cargas eléctricas tanto las positivas como las negativas pueden existir aisladas las unas de las otras, en cambio, los polos norte y sur no pueden hacerlo. Sin importar cuantas veces se corte un imán permanente, cada pieza siempre tendrá un polo norte y un polo sur[9].

Figura 6 - Líneas de campo magnético

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Recuerde que un campo eléctrico rodea a cualquier carga eléctrica estacionaria (o conjunto de cargas que interactúan entre ella). La región del espacio que rodea una carga en movimiento incluye también un campo magnético. Un campo magnético, también rodea, de manera adecuada, a cualquier material magnetizado (ver figura 6).

Finalizando recomendamos la visualización de los siguientes videos:

http://videos.educ.ar/play/Disciplinas/_Fisica/Fuerzas_magneticas.

A modo de resumen, presentamos un mapa conceptual general de los contenidos de este capítulo:

 

6 - Curiosidades y preguntas capciosas

El axón (prolongación del cuerpo celular de una neurona que puede llegar a medir hasta 1 metro) está envuelto de membrana plasmática y a su vez de un material no conductor denominado mielina. En este nivel atómico se producen fenómenos eléctricos que resultan en un mensaje biológico ultra rápido: el impulso nervioso o potencial de acción[10]. Las células nerviosas de todos los animales, desde el hombre hasta los calamares, utilizan súbitas variaciones de la diferencia de potencial [V] en su membrana plasmática que se va contagiando y propagando en la superficie (conducción saltatoria del potencial de acción).

Un capacitor es un componente electrónico que nos permite almacenar energía eléctrica. Básicamente son dos placas metálicas enfrentadas separadas por un aislante. Entre ellas se forma un campo eléctrico proporcional a la carga almacenada y a la diferencia de potencial entre dichas placas. Las membranas biológicas de todas las células y las nerviosas en especial, se comportan como capacitores. El impuso nervioso existe gracias a ello. Resulta que el interior y el exterior de las células poseen excesos de carga (negativas adentro, positivas afuera de la célula). Esos excesos se acumulan sobre la membrana y son fuertemente atraídos el uno por el otro (las cargas positivas quieren entrar y las negativas quieren salir). El campo eléctrico que se forma dentro de esa capa de grasa llamada bicapa lipidia es extremadamente grande. Este campo eléctrico genera una fuerza eléctrica que sirve para mantener la estabilidad de la membrana plasmática celular.

Haciendo una relación con el tema carga eléctrica, muchas moléculas biológicas, aun siendo neutras en su totalidad, poseen regiones con cargas de diferente signo e intensidad. Esas 'superficies activas' son indispensables para el 'lenguaje molecular' tanto de actividad química como reconocimiento entre moléculas.