Electricidad

Electricidad – Física Biología
1. Interacciones Eléctricas:
Al igual que dos partículas se atraen por el hecho de poseer masa, y lo hacen siguiendo
la ley de gravitación universal de Newton, Dichas partículas se atraerán o repelerán
eléctricamente si tienen carga eléctrica. La carga es la fuente de las interacciones
electromagnéticas.
Para ser conscientes de la importancia de estas interacciones pensemos en primer lugar
que cualquier fenómeno natural se puede explicar recurriendo solamente a 4
interacciones diferentes; las ya citadas gravitatoria y eléctrica y las interacciones debil
(que ocurre en ciertos procesos de desintegración) y las interacciones fuertes (de muy
corto alcance y que explican cómo pueden coexistir cargas del mismo signo en un
espacio tan reducido como el núcleo atómico a pesar de las muy intensas fuerzas de
repulsión eléctricas).
Otros hechos que dan idea del interés de la Electricidad, aparte del interés propio como
parte esencial de la Física, son:
• La constitución básica de la materia en átomos constituidos por cargas eléctricas
• La tecnología actual basada esencialmente en el control del flujo de cargas en el
interior de la materia (Electrónica –analógica y digital-) y el papel relevante de
las señales (ondas, radiación) electromagnéticas como portadoras de
información (telefonía, radio y TV, óptica, etc.)
• Y en Biología, específicamente, los fenómenos esenciales para la vida como son
la luz y las radiaciones electromagnéticas en general; también el hecho de que la
célula tenga una constitución eléctrica que le es básica para relacionarse o para
poder transmitir información en los animales; o que muchos animales utilicen
mecanismos eléctricos para defenderse o para orientarse.
2. Cargas Eléctricas
La carga, como hemos dicho, es la propiedad de las partículas que les permite
interaccionar eléctricamente. A diferencia de lo que ocurre en la interacción
gravitatoria, que siempre es atractiva, las cargas pueden atraerse o repelerse. Esto se
explica con la existencia de dos especies de cargas, las convencionalmente denominadas
positivas y negativas, ocurriendo que cargas del mismo signo se repelen y de distinto
signo se atraen.
La carga tiene una serie de propiedades que conviene resaltar.
• En primer lugar, la carga está cuantizada en el sentido de que siempre existe en
múltiplos enteros de una carga elemental que es la del electrón (ésta se toma
convencionalmente como negativa y su valor absoluto es de e=1.6x10-19
Coulombios, aproximadamente. El Coulombio, C, es la unidad internacional de
carga y corresponde al Amperio*segundo, siendo el amperio la unidad
internacional de corriente eléctrica, unidad que se toma como fundamental)
• La carga del protón es exactamente igual a la del electrón y en estado natural
hay exactamente la misma cantidad de electrones que de protones a nivel
atómico. Esto hace que la materia sea prácticamente neutra.
• La carga se conserva. Sea cual fuere el proceso por el que atraviese un sistema,
al final tendremos la misma cantidad de carga que al principio.
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•
La carga es un invariante. Si tenemos una partícula moviéndose a alta velocidad
(siempre inferior a la de la luz, c) la carga que mediremos será exactamente
igual que la que mediríamos si la partícula estuviera parada. Esto la diferencia de
m
la masa, que depende de la velocidad (recordar m = 0
)
2
v
1−
c2
La forma en que interaccionan dos partículas cargadas eléctricamente en reposo viene
dada por la Ley de Coulomb. Esta ley nos dice que la intensidad con que se atraen dos
cargas es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa. Además, la fuerza queda en la dirección
definida por las dos cargas y es atractiva o repulsiva según que las cargas sean del
mismo signo o de signo opuesto.
q2
R
q1
Si definimos un vector unitario según R: uR≡R/R, es decir, de módulo unidad y en la
dirección y sentido de R, la expresión de la ley de Coulomb, en términos de la fuerza
que ejerce la carga 1 sobre la 2, queda como sigue:
G
F1→2 =
q1q2 G
uR
4πε 0 R 2
1
Donde la constante de proporcionalidad se pone en términos de la permitividad o
constante dieléctrica del vacío, ε0, utilizándose el 1/4π (sistema de unidades
racionalizado) pues así conviene para que desaparezca en otras relaciones más
definitivas. El valor de la constante de proporcionalidad, K=1/4πε0, es de
aproximadamente 9x109 en el SI (Nm2/C2; ε0=8.85x10-12 F/m, siendo F (Faradio) la
unidad de Capacidad en el SI).
Se observan los siguientes aspectos relevantes:
• Esta ley respeta la isotropía del espacio, quedando la fuerza a lo largo de la única
dirección que se privilegia al haber dos partículas
• Respeta también la 3ª Ley de Newton, pues es fácil comprobar que F1→2=- F2→1.
• En la dependencia con 1/R2, el 2 es exacto (medido así con más de 15 cifras
significativas).
• Comparada con la gravitatoria la interacción eléctrica es mucho más intensa (del
orden de 1040 veces más intensa). Si la interacción gravitatoria es omnipresente
y los fenómenos eléctricos hay prácticamente que generarlos artificialmente para
que se hagan notables, es debido a la neutralidad antes citada (imposible en el
caso gravitatorio al no existir masas negativas.)
3. Campo eléctrico
En lugar de pensar que una carga actúa a distancia sobre la otra, se acude al concepto de
gran importancia en Física que es el de campo. Así, se define el campo eléctrico de la
carga 1 como una perturbación que ejerce en el espacio que la rodea, asociado al hecho
de existir dicha carga. Este campo vectorial tiene un valor definido en cada punto del
espacio; en particular tendrá un valor dado, sea E1, en el punto donde está situada la
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carga 2. Entonces es el campo sobre la carga 2 el que ejerce una fuerza (por contacto)
sobre ella dada por: F1→2= q2*E1. El campo de la carga 1 no actúa sobre sí misma. La
expresión anterior sirve como definición del campo eléctrico.
Llevando la definición de campo a la ley de Coulomb, resulta para el campo que ejerce
una carga q en un punto de posición R la siguiente expresión:
G
q G
1 qR
uR =
4πε 0 R 2
4πε 0 R 3
Con esta expresión del campo de una carga puntual y acudiendo al principio de
superposición se puede obtener el campo de cualquier distribución de cargas. Por
ejemplo, si se tiene un dipolo (dos cargas iguales y de signo opuesto separadas una
pequeña distancia), el campo se calcularía obteniendo los campos de cada carga,
independientemente, y sumándolos vectorialmente.
Para visualizar el campo se recurre a las denominadas líneas de campo. Estás líneas se
definen de forma que son tangentes al campo total en cada punto del espacio. Así, para
una sola carga puntual, las líneas son radiales saliendo (o entrando, si la carga es
negativa) del punto donde se encuentra la carga.
G
E=
1
Obsérvese que las líneas no solo indican la dirección y sentido del campo. Además, su
concentración espacial es indicativa de la intensidad del campo (líneas más
concentradas en las proximidades de la carga que en zonas lejanas)
4. Campos eléctrico y magnético
Por el mero hecho de existir una carga hay campo eléctrico. Si además la carga está en
movimiento existirá un campo magnético. Este campo se asocia a corrientes eléctricas
(producidas por cargas en movimiento); también se presenta asociado a imanes
(magnetita o piedra imán (oxido ferroso férrico)) o a imanes permanentes, debido a
microcorrientes existentes a nivel atómico en dichos materiales.
El campo magnético también ejerce fuerzas sobre cargas pero para ello dichas cargas
han de estar en movimiento. La fuerza de Lorentz da el valor de la fuerza ejercida por
sendos campos E y B cuando actúan sobre una carga q moviéndose a velocidad v:
F=qE + qvxB
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Es de destacar que la fuerza magnética, curiosa pues depende de la velocidad del
sistema sobre el que actúa, no suministra energía. Teniendo en cuenta que fuerza por
desplazamiento es energía suministrada, cuando se computa como fuerza por velocidad
es la potencia suministrada (energía por unidad de tiempo). La existencia del producto
vectorial de v por B en la expresión de la fuerza magnética hace que el producto escalar
FB٠v = 0.
Para que una carga genere campo magnético ha de estar, como hemos dicho, en
movimiento. Si además este movimiento es acelerado se produce otro fenómeno
interesante que es el de generación de radiación electromagnética. Las señales así
generadas se propagan como ondas electromagnéticas en que los campos E y B están
íntimamente ligados y no se pueden disociar.
El Electromagnetismo trata de los diferentes fenómenos en que intervienen los
diferentes campos que hemos citado. Su fundamentación fue realizada por Maxwell que
enunció un conjunto de 4 leyes básicas que configuran el análogo a lo que las leyes de
Newton son para la Mecánica y fueron extraídas de experiencias previas llevadas a cabo
por un conjunto excelente de experimentadores como Coulomb, Faraday, Oersted,
Ampere, etc. En una descripción muy breve de las mismas tenemos:
1.- El campo electrostático es conservativo. Esto surge de la naturaleza central de la Ley
de Coulomb. Si se abordan fenómenos variables con el tiempo el campo E deja de ser
conservativo y su circulación a lo largo de una línea cerrada, en lugar de ser cero,
coincide con el flujo magnético enlazado por la línea.
2.- La ley de Gauss: relaciona el campo eléctrico con sus fuentes, las cargas. Dice que el
flujo de E a través de una superficie cerrada, coincide con la carga total encerrada.
3.- El campo magnético B es solenoidal. Con ello se indica que el campo magnético
tiene líneas que son siempre cerradas. Ello refleja el hecho de no haber encontrado en la
Naturaleza el equivalente a las cargas eléctricas de carácter magnético: no existe el
monopolo magnético. Los polos magnético (denominados Norte y Sur) se encuentran
siempre en parejas.
4.- Ley de Ampere: Relaciona al campo magnético con su fuentes (las corrientes). La
circulación de un campo magnético coincide con la corriente enlazada por la línea. En
fenómenos variables con el tiempo aparece un término extra coincidente con la
variación del flujo eléctrico a través de una superficie que se apoye en la línea.
5. Potencial Electrostático:
Que el campo eléctrico sea conservativo es equivalente a decir que proviene de un
potencial escalar; es decir, que existe un campo escalar al que denominamos potencial,
V, tal que su gradiente (cambiado de signo) es igual al campo. El gradiente es una forma
vectorial que indica el valor de la pendiente en un campo escalar (la variación de
V(x,y,z)) en la dirección de máxima variación.
Para el caso de una carga puntual es fácil comprobar que el potencial eléctrico es:
q
V=
4πε 0 R
En esta expresión se ha supuesto el infinito como origen de potenciales (V=0 en R→∞;
recuérdese que lo que tiene significado físico son las diferencias de potencial y no el
potencial absoluto). El potencial se mide en Voltios. Cuando se tienen varias cargas el
principio de superposición permite calcular el potencial total como simple suma de los
potenciales debidos a cada una.
Electricidad – Física Biología
Este concepto es análogo al desarrollado en el caso de un campo Gravitatorio, que
también es conservativo por ser central, y que da pie a la introducción de la Energía
Potencial Gravitatoria (recuérdese el U=mgh en zonas próximas a la superficie terrestre
donde la gravedad vale g. El resultado es multiplicar el potencial creado por la Tierra,
gh, en un punto de altura h, por el valor de la masa situada en dicho punto).
También en Electrostática se habla de la Energía Potencial Eléctrica, asociada a una
energía de configuración cuando hay varias cargas presentes. Puede comprobarse que, si
es V el potencial creado por el resto de las cargas sobre una dada, sea q, la energía
potencial de está carga q es:
Ue=qV
Que da sentido físico al potencial como energía por unidad de carga (cuando se supone
que el origen de potenciales está en el infinito, este valor, Ue, sería la energía que habría
de emplearse en traer q desde el infinito hasta su posición actual).
En fenómenos electrostáticos es indiferente hablar en términos del campo E o del
potencial V. Conocido uno se puede determinar el otro.
Para un campo uniforme, por ejemplo: E=E0i, el potencial con origen en x=0 es V=-E0x.
En este caso, la derivada (cambiada de signo) de V nos da E. El signo menos está
asociado a que se ha convenido en que el campo, E, vaya en el sentido de los
potenciales decrecientes (es decir, en sentido contrario al gradiente del campo). La
derivada del potencial conduce al campo; de la misma forma, la integración
(circulación) del campo conduce al potencial.
En general, para campos constantes, el campo es la diferencia de potencial (ddp, sea V)
dividida por la distancia (en la dirección del campo) entre los puntos en que se establece
dicha ddp:
E=∆V/d.
E
∆V, d
Otra perspectiva relativa al potencial eléctrico es la siguiente. Si una carga q se acelera a
través de una diferencia de potencial ∆V, gana una energía cinética dada por q∆V. Al
ser q∆V un término energético y al ser frecuentemente electrones las cargas
involucradas, se introduce una unidad de energía conocida como el electrón-Voltio
(eV). Un eV corresponde a la energía que adquiere un electrón al ser acelerado por una
diferencia de potencial de 1 V. Como la carga del electrón, en valor absoluto, es
e=1.6x10-19C se tiene que 1Julio=1.6x10-19eV.
6. Materiales en presencia de campos Eléctricos
Atendiendo a su facilidad para conducir la corriente eléctrica los materiales se dividen
en dos grandes clases: conductores (metales) y aisladores (dieléctricos).
Conductores:
Los conductores son materiales que disponen de electrones libres para moverse en el
interior del material (pero no para salir de él sin más). Esta es una característica del
enlace metálico entre los átomos del material, que deja uno o dos electrones por átomos
sin pertenecer a un átomo dado sino “flotando” entre ellos. Bajo la aplicación de un
campo eléctrico estos electrones se desplazan casi totalmente libres por el material
produciéndose un arrastre de los mismos que, si es continuado, produce una corriente
eléctrica.
Cuando un conductor aislado se somete a un campo externo, los electrones de
conducción (libres) se redistribuyen dando un campo opuesto al original que resulta en
Electricidad – Física Biología
un campo final cero dentro del conductor (Eint=0). En las proximidades externas el
campo es perpendicular, sin componente tangencial que daría movimiento a los
electrones (en situación de equilibrio el movimiento medio de los electrones es cero).
Eint=0
E
Aunque el conductor esté cargado el campo interior es cero. Pero si se da carga a un
conductor es interesante resaltar que, bajo los efectos de la repulsión culombiana, esta
carga se sitúa lo mas lejos posible sin salir del material: se sitúa en la superficie.
Siempre la carga en un conductor es superficial. El campo externo próximo al
conductor, perpendicular, coincide en valor con la densidad local de carga dividida
por ε0:
⎛⎜ Q ⎞⎟
S⎠
E =⎝
ext
ε0
Un ejemplo interesante es el condensador formado por dos electrodos metálicos
próximos conectados a una diferencia de potencial dada. Por ejemplo, en el caso de un
condensador plano paralelo el sistema se esquematiza como:
Batería de fem V
Condensador C
Si las placas están muy próximas, la superior adquiere una carga Q y la inferior una
carga –Q proporcional a la diferencia de potencial aplicada por la batería. El campo
producido es muy uniforme en el interior y prácticamente cero en el exterior. En el
interior el campo coincide con Q/S/ε0 y, a su vez, con la diferencia de potencial aplicada
dividida por la distancia entre placas.:
Q
d
E
-Q
Vista de la sección de un C plano paralelo
Es decir, E= (Q/S)/ε0=V/d ÆQ es proporcional a V. La constante de proporcionalidad
es la denominada Capacidad del condensador. En el caso de un condensador plano
paralelo ideal (d muy pequeño frente a las dimensiones de las placas) la capacidad
queda como:
Q
S
≡ C = ε0
V
d
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C es un parámetro geométrico; es tanto mayor cuanto mayores son las placas y más
próximas están. La unidad de Capacidad es el Faradio (F), aunque generalmente se
utilizan submúltiplos (mF, µF, nF, pF)
Dieléctricos
Se denominan así aquellos materiales que, por carecer de los electrones libres que en
gran cantidad existen en los metales, no conducen la corriente eléctrica: son aislantes.
El término dieléctrico está asociado (etimológicamente) a que estos materiales, a
diferencia de los metales, si permiten la presencia de un campo eléctrico en su
interior.
No obstante, es de resaltar que los dieléctricos no son inertes a la acción de un campo
eléctrico. Aunque carecen de cargas libres de moverse netamente por el material, tienen
cargas a nivel atómico o molecular, que es accionada por el campo aplicado y se
desplazan en forma limitada –a nivel local.
E
p
Dipolo
A nivel atómico, la acción de un campo eléctrico da lugar a un fenómeno de
polarización en el material, es decir, de formación de dipolos en cada átomo o
molécula. Estos dipolos pueden existir en ausencia de campo aplicado si la molécula del
material dispone de una distribución no simétrica de carga; un caso importante es el
agua, sustancia polar por disponer de momento dipolar permanente.
El primer efecto notable que destacaba que los dieléctricos no son sustancias inertes a la
acción de los campos eléctricos fue el siguiente: Si se introduce un dieléctrico en un
condensador, la capacidad del condensador aumenta. Si el dieléctrico rellena
totalmente el interior de un condensador, el aumento relativo de capacidad no depende
de la geometría del condensador y sí sólo del material. De esta forma se caracteriza a los
dieléctricos por la denominada constante dieléctrica o permitividad eléctrica ε.
Entendiendo que ε0 es la permitividad del vacío, una constante universal, se define la
constante dieléctrica relativa (al vacío) del material como:
CD
C0
siendo CD la capacidad del condensador con dieléctrico y C0 la capacidad del
condensador vacío. Los valores de εr, siempre superiores a la del vacío, ε0, es del orden
de la unidad para los gases, del orden de 2-4 para los plásticos, etc. Aunque se
denomina constante es de destacar que varía con las condiciones en que se mida
(temperatura, frecuencia, etc.).
εr =
Corriente eléctrica
Si se forma una cadena de conductores formando un circuito y hay una fuerza
electromotriz (batería) intercalada para mantener el movimiento de los electrones, se
forma una corriente eléctrica. Los electrones, sometidos a campo eléctrico, adquieren
Electricidad – Física Biología
velocidades de arrastre proporcionales al campo aplicado, dando así una corriente
eléctrica en el circuito que es proporcional a dicho campo. La corriente eléctrica,
medida en términos de la intensidad I, es la cantidad de carga, ∆Q, que pasa por
segundo por cualquier sección del conductor.
I=
∆Q
∆t
I
La mayor o menor corriente que pasa por un trozo de conductor sometido a una
diferencia de potencial dado dependerá del material (en términos de su resistividad ρ
(Ohmios-m)) y de la geometría. Así, para un trozo cilíndrico de sección S y longitud L
puede determinarse su resistencia al paso de la corriente eléctrica como:
R=ρ
L
S
S
L
Cuanto más estrecho es el dispositivo (resistencia) y más largo, mayor es la dificultad al
paso de la corriente: mayor es su Resistencia R. Para una geometría dada, cuanto mayor
sea la resistividad de un material (cuanto más aislante sea) mayor será la R del
dispositivo.
La proporcionalidad entre tensión (V) y corriente (I) que atraviesa al dispositivo puede
ponerse entonces como,
Ley de OHM:
V=IR
7. Circuitos Eléctricos.
Se introduce en este apartado lo que se entiende por circuito eléctrico y la terminología
y conceptos básicos necesarios para su estudio.
Un circuito eléctrico está compuesto normalmente por un conjunto de elementos
activos -que generan energía eléctrica (por ejemplo baterías, que convierten la energía
de tipo químico en eléctrica)- y de elementos pasivos -que consumen dicha energía (por
R1
ε
R2
R4
R3
ejemplo resistencias, que convierten la energía eléctrica en calor, por efecto Joule)conectados entre sí. El esquema anterior representa un circuito compuesto por una
batería (elemento de la izquierda) y varias resistencias.
Electricidad – Física Biología
Las magnitudes que se utilizan para describir el comportamiento de un circuito son la
Intensidad de Corriente Eléctrica y el Voltaje o caída de potencial. Estas magnitudes
suelen representarse, respectivamente, por I y V y se miden en Amperios (A) y Voltios
(V) en el Sistema Internacional de Unidades.
La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga que, por segundo, pasa a
través de un cable o elemento de un circuito.
El voltaje es una medida de la separación o gradiente de cargas que se establece en un
elemento del circuito. También se denomina caída de potencial o diferencia de potencial
(d.d.p.) y, en general, se puede definir entre dos puntos arbitrarios de un circuito. El
voltaje está relacionado con la cantidad de energía que se convierte de eléctrica en otro
tipo (calor en una resistencia) cuando pasa la unidad de carga por el dispositivo que se
considere; se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.) cuando se refiere al efecto
contrario, conversión de energía de otro tipo (por ejemplo químico en una batería) en
energía eléctrica. La f.e.m. suele designarse por ε y, lógicamente, se mide también en
Voltios.
Los elementos de un circuito se interconectan mediante conductores. Los conductores o
cables metálicos se utilizan básicamente para conectar puntos que se desea estén al
mismo potencial (es decir, idealmente la caída de potencial a lo largo de un cable o
conductor metálico es cero).
Consideraciones Energéticas:
Según lo expuesto anteriormente, La energía que se convierte en otro tipo de energía
cuando pasa una cierta cantidad de carga Q por un elemento pasivo es Q.V si es V la
d.d.p. entre los extremos del dispositivo. Al ser la corriente una medida de la cantidad
de carga que pasa por segundo, la energía que por segundo se consumirá en el
dispositivo será Pd=I.V; esta energía por unidad de tiempo es la Potencia disipada.
De igual forma, cuando consideramos elementos activos, la potencia eléctrica que dan
cuando suministran una cierta corriente I será: Ps=ε.I.
Es de destacar que en un dispositivo pasivo la corriente va en el sentido de los
potenciales decrecientes (de + a -) mientras que en una batería ocurre lo contrario, la
corriente va en el sentido de los potenciales crecientes (de – a +). Esta distinción es la
que determina que un elemento sea activo (produzca energía eléctrica) o sea pasivo
(consuma energía eléctrica).
Terminología utilizada en el Estudio de los Circuitos
Para facilitar el estudio de un circuito conviene definir los siguientes términos: Nudos,
Ramas y Mallas.
Nudo es la unión de más de dos cables: Los puntos A y B son los dos únicos existentes
en el circuito que se esquematiza debajo; el punto C es la unión de dos elementos, pero
R1
R2
D
A
C
I3
ε1
I
II
R3
R4
ε2
I1
I2
B
Electricidad – Física Biología
no es un nudo.
Rama es el recorrido a lo largo del circuito entre dos nudos consecutivos: Una rama del
circuito es ACB, pero no es una rama BAC. En el esquema se distinguen 3 ramas: ACB,
BDA y AB.
Malla es un recorrido cerrado. Por ejemplo ABDA (malla I) y ACBA (malla II).
También lo es el recorrido exterior BDACB, pero es redundante con las anteriores (I y
II) que ya cubren todos los elementos recorridos por la última.
Previo a proceder al estudio de un circuito se identifican las corrientes que van por cada
rama (también puede efectuarse el estudio en términos de las corrientes que circulan por
las mallas). En nuestro circuito podemos distinguir 3 corrientes diferentes: I1, I2 e I3.
Observe que los nombres y los sentidos de las corrientes se asignan arbitrariamente; si,
tras analizar el circuito, una corriente resulta negativa es que su sentido es opuesto al
inicialmente escogido.
Las reglas utilizadas para el estudio de un circuito son las llamadas Leyes de Kirchhoff:
básicamente la ley de nudos y la ley de mallas que analizaremos posteriormente.
A la vista de lo expuesto anteriormente queremos resaltar que lo necesario para
proceder al estudio de un circuito es conocer, para cada elemento o dispositivo que lo
forme, la relación que hay entre la intensidad que atraviesa al dispositivo y la caída de
potencial o voltaje entre sus extremos. Esta relación suele darse en términos de la
denominada característica I-V del dispositivo y esta primera práctica va orientado a
mostrar dicha característica para diferentes dispositivos.
8. Característica I-V de un dispositivo
Esta característica informa sobre la relación que existe entre I y V en un dispositivo y
constituye todo lo que hay que saber de un dispositivo para poder estudiar su
comportamiento y efectos al insertarlo en un circuito dado. Esta relación puede
presentarse en forma de tabla, dando pares de valores V-I. También puede presentarse
en forma gráfica dando I como función de V o viceversa.
Baterías
Supondremos que los circuitos en que fijamos nuestra atención están alimentados por
baterías ideales. Estas baterías tienen una característica V-I muy simple: dan un voltaje
fijo (su f.e.m.) para cualquier valor de la corriente que se les pida. En forma gráfica
tendríamos:
V
ε
I
En este caso sería una pérdida de tiempo conservar la gráfica o una tabla de valores
asociada a dicha característica, pues el único dato relevante es el valor de la f.e.m. Bien
es verdad que la característica anteriormente expuesta es ideal, como hemos dicho:
supone que la batería podría suministrar cualquier valor de corriente manteniendo la
d.d.p. entre sus bornes, lo cual implicaría que podría suministrar potencias infinitas.
La característica real de una batería se aproxima a la que se presenta en la Figura (en
azul):
Electricidad – Física Biología
ε
V
I
En este caso, sólo cuando I=0 la caída de potencial en bornes de la batería coincide con
su fem nominal ε. Para I no nula la V en la batería es menor que ε y tanto menor cuanto
mayor es I. Para caracterizar este efecto se introduce la resistencia interna de la
batería, r, de forma que V= ε - I·r. La resistencia interna de una batería ideal es cero. La
de la batería de un camión es mucho menor que la de la pila de una radiotransistor.
Cuando una pila está degradada es como si su r interna hubiera aumentado mucho y,
entonces, cuando la batería tiene que suministrar I la V cae mucho.
Resistencias
Otra característica sencilla es la que corresponde a elementos lineales como las
resistencias. En estos dispositivos la corriente es linealmente proporcional a la tensión
aplicada a sus extremos (o, a la inversa, el voltaje desarrollado entre los extremos del
elemento es proporcional a la corriente que lo atraviesa):
V
R2
R1
I
En estas situaciones realmente hay un exceso de información y bastaría con dar la
pendiente de la recta como representativa de toda la información. En este caso se
cumple la ley de Ohm, vista anteriormente, y el dispositivo se caracteriza por un único
parámetro: la pendiente, R (en Ohmios), de la gráfica anteriormente representada:
Ley de Ohm: V=R.I
En la representación anterior la recta de mayor pendiente (en azul) corresponde a la
resistencia, R, de mayor valor puesto que se ha presentado en diagrama donde la
pendiente es V/I. Conviene destacar que frecuentemente se da la característica con los
ejes intercambiados:
I
R2
R1
V
Electricidad – Física Biología
En este caso la recta de mayor pendiente (en azul) corresponde a la de menor resistencia
(mayor conductancia 1/R).
9. Aparatos de Medida Eléctricos
Las magnitudes básicas a medir en un Circuito son la Intensidad de corriente y el
Voltaje.
La medida de la Intensidad de corriente eléctrica se efectúa con aparatos denominados
Amperímetros. La medida de diferencias de potencial o voltajes se efectúa con un
Voltímetro o con un Osciloscopio.
Los Amperímetros se intercalan en serie con los elementos incluidos en la rama donde
se quiere medir qué corriente pasa.
Los Voltímetros se conectan en paralelo entre los puntos donde quiere medirse la d.d.p.
Así, si quiere medirse la Intensidad de corriente que pasa por la rama de circuito
mostrada en el siguiente esquema, así como el Voltaje en los extremos de la Resistencia
R, se han de intercalar un Amperímetro y un Voltímetro como se indica en la parte
derecha del esquema.
R
V
R
A
Para que un Amperímetro no altere el circuito en que se intercala ha de tener una
resistencia interna muy baja, idealmente cero. Al contrario, para que un voltímetro no
perturbe la medida debe tener una resistencia interna muy elevada, idealmente infinita.
En ocasiones, cuando se dispone sólo de Voltímetros como aparato de medida, para
medir corrientes puede intercalarse una pequeña resistencia (r) en la rama
correspondiente y medir el voltaje (v) que cae en ella. La corriente resultante es: I= v/r.
10. Leyes de Kirchhoff para el análisis de los circuitos
Las leyes de Kirchhoff se utilizan para la resolución de un circuito en la forma que se
expone a continuación. Utilizaremos como ejemplo de aplicación el circuito ya
presentado anteriormente:
R1
R2
D
A
C
I3
ε1
I
II
R3
R4
ε2
I1
I2
B
Electricidad – Física Biología
La ley de nudos proviene de la conservación de la carga y dice, esencialmente, que la
suma de las corrientes que llegan a un nodo es cero; es decir, que el total de corriente
que entra (signo mas, por ejemplo) es igual al total de la corriente que sale del nudo
(signo menos en su caso). Esta ley ha de aplicarse a tantos nudos existan en nuestro
circuito, menos uno. En nuestro caso, a un nudo; seleccionando el nudo A y suponiendo
definimos como positiva la corriente entrante en el nudo:
I1 − I2 − I3 = 0
La ley de mallas establece que la suma de caídas de potencial a lo largo de una malla
debe coincidir con la suma de fuerzas electromotrices (de los elementos activos) a lo
largo de la misma. Si no hubiera elementos activos, la suma de potenciales a lo largo de
un recorrido cerrado es cero, lo cual está ligado al carácter conservativo del campo
eléctrico. Para su aplicación es preciso previamente asignar un sentido de recorrido a las
mallas y dar algún convenio de signos:
Una f.e.m se tomará como positiva si en nuestro recorrido salimos por el polo positivo.
Una caída de potencial se tomará como positiva si en nuestro recorrido vamos a favor
de la corriente cuando pasamos por el elemento. En nuestro circuito las caídas de
potencial son todas en resistencias óhmicas; si es I la intensidad que atraviesa a una
resistencia R, la caída de potencial es IR.
En nuestro caso, utilizando las mallas I y II recorridas en los sentidos indicados
tendremos las siguientes ecuaciones:
ε1 = I1R1 + I3R3
−ε2 = I2R2 + I2R4 – I3R3 = I2(R2 + R4) – I3R3
Conocidos los valores de los elementos que constituyen nuestro circuito, las tres
ecuaciones anteriormente expuestas configuran un sistema lineal del que se pueden
despejar los valores de I1, I2 e I3. Obsérvese que en el circuito anterior R2 y R4 se
asocian como si fueran una sola resistencia de valor (R2 + R4). Este es un ejemplo de
cómo se asocian resistencias en serie, que son las que están en una misma rama no
importando en qué ubicación.
Asociación de elementos en Serie y en Paralelo
Previo a analizar un circuito conviene proceder a su simplificación cuando se
encuentran asociaciones de elementos en serie o en paralelo. El caso estudiado
anteriormente corresponde, como se ha dicho, a una asociación de resistencias en Serie.
Se dice que varios elementos están en serie cuando están todos en la misma rama y, por
tanto, atravesados por la misma corriente. Si los elementos en serie son Resistencias, ya
se ha visto que pueden sustituirse, independiente de su ubicación y número, por una sola
resistencia suma de todas las componentes. En esencia lo que se está diciendo es que la
R1
R2
R3
Rs
dificultad total al paso de la corriente eléctrica es la suma de las dificultades que
individualmente presentan los elementos componentes
RS = R1 + R1 + R3
Esta regla particularizada para el caso de Resistencias sirve también para asociaciones
de f.e.m. (baterías).
Electricidad – Física Biología
Por otra parte, se dice que varios elementos están en Paralelo cuando la caida de
potencial entre todos ellos es la misma. Esto ocurre cuando sus terminales están unidos
R1
A
R2
R3
B
Rp
entre si como se indica en el esquema siguiente
Ahora la diferencia de potencial entre cualquiera de las resistencias es V, la existente
entre los puntos A y B. La corriente por cada una de ellas es V/Ri (i=1,2,3) y la
corriente total que va de A a B (que habría de ser la que atraviesa Rp cuando se le aplica
el mismo potencial) será I1 + I2 + I3. Para que esto se cumpla el valor de la conductancia
1/Rp ha de ser la suma de las conductancias de las Resistencias componentes de la
asociación:
1/Rp = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Lo cual significa que, al haber tres caminos alternativos para el paso de la corriente, la
facilidad de paso (conductancia) ha aumentado: la facilidad total es la suma de las
facilidades.
Las baterías No suelen asociarse en paralelo, debido a su pequeña resistencia interna. Si
se asociaran tendrían que tener la misma f.e.m. que sería la que se presentaría al
exterior. Pero cualquier diferencia daría lugar a que una de las baterías se descargara en
la otra.
11. Corriente Variable
Hasta ahora hemos supuesto que los circuitos están alimentados por baterías que
suministran corriente continua y contienen solamente resistencias, a las que se supone
tienen una respuesta instantánea.
Otro apartado interesante de la Electricidad es cuando las corrientes varían con el
tiempo. Esto puede ocurrir en los transitorios de circuitos alimentados por baterías de
c.c. o en circuitos en que la alimentación no es una batería sino una fuente de corriente
alterna.
Veamos algunos ejemplos de las dos situaciones.
Transitorio en circuito RC:
La situación, de gran importancia para poder profundizar en el comportamiento
eléctrico de la membrana celular, que actúa como un condensador, se esquematiza a
continuación:
Electricidad – Física Biología
En el instante t=0 se conecta una batería al circuito formado por una resistencia en serie
con un condensador. El voltaje en bornes del condensador, v, evoluciona con el tiempo
de la forma siguiente:
τ ≡ RC = 0.1x103x1x10-6s = 100µs
Es decir, asistimos a un transitorio de carga de un condensador, que se efectúa
gradualmente en forma exponencial. Se ha supuesto que al conectar el circuito en t=0 el
condensador está descargado; a continuación la batería bombea carga hacia las placas
del condensador iguales y de signo opuesto. Esta carga q va aumentando pero cuando
así lo hace la carga ya almacenada repele a la que tiende a depositarse bombeada por la
batería hasta que el proceso se estabiliza quedando el condensador cargado con una Q
constante. La corriente que suministra la batería –corriente de carga del condensadores grande al principio y va gradualmente disminuyendo hasta anularse en el estacionario
tÆ∞.
Las características básicas de este proceso son:
• La carga en el condensador, al igual que la ddp, v=q/C, en él crecen
exponencialmente hasta un valor asintótico. La expresión de q es:
Electricidad – Física Biología
q = Q(1 − e −t /τ )
Siendo Q el valor asintótico y τ ≡ RC la constante de tiempo del circuito RC
(ver Figura). En el caso propuesto en la figura τ = 0.1kΩx1µF = 10-4s = 100µs.
• La intensidad de carga i del condensador es la d/dt de la carga q que éste
adquiere:
i = I 0 e −t /τ
Siendo I0 la corriente inicial, en t=0.
•
•
•
En t=0 la v en C es cero por ser q=0. Toda la tensión cae en R luego I0=V/R
En tÆ∞ la i=0 luego la ddp en R es cero y toda la tensión V cae en C
Por ello, la carga final que adquiere el C será Q=CV, siendo V la tensión
suministrada por la batería.
El condensador se comporta como un cortocircuito cuando la señal varía rápidamente
(en t=0) y como un circuito abierto en el estacionario. Este último hecho está asociado a
que dentro del condensador hay un aislante que no conduce la corriente eléctrica.
En un condensador se pueden almacenar cargas + y – separadas. Es decir, se puede
almacenar energía eléctrica. El valor de la energía almacenada es:
⎛ 2 ⎞
Energía = 1 2 ( QV ) = 1 2 ( CV 2 ) = 1 2 ⎜ Q ⎟
⎝ C⎠
Corriente alterna
La configuración de un circuito de corriente alterna (ca) es similar a la de uno de cc; la
diferencia fundamental está en que el circuito está alimentado por una fuente de señal
variable sinusoidalmente con el tiempo. Otra diferencia, respecto a los circuitos de cc
estudiados, es que además de resistencias, los elementos pasivos que contiene
normalmente son condensadores y autoinducciones.
El generador de ca da una tensión de la forma:
v(t) = V0 cos(ωt + φ),
siendo V0 la amplitud de la tensión, ω la pulsación o frecuencia angular (rad/s) y φ la
fase (que permite representar tanto un cos(ωt) como un sen(ωt) sin más que cambiar φ
de creo a π/2). La frecuencia (en Hz o ciclos/s) de la señal es f=ω/2π. El período de la
señal es T=1/f.
Electricidad – Física Biología
Por ejemplo, en la gráfica anterior se muestran 10 períodos de una señal de amplitud
V0=1V y frecuencia f=1kHz (fase 0). El voltaje pico-pico es Vpp=2V0=2V, la distancia
que hay en vertical entre el mínimo y el máximo. El período es la distancia en
horizontal (tiempo) entre dos máximos consecutivos, por ejemplo; en el caso mostrado,
T=1ms.
La potencia suministrada por una fuente (oscilador) de ca es el producto p=v·i, por las
mismas consideraciones que se hicieron en cc. De la misma forma esa expresión nos
dará la potencia disipada en una resistencia. Pero ahora v e i son funciones del tiempo y
la potencia es una función pulsante de t. Para valorar el consumo o la producción de
energía es mejor el promedio temporal. Si tanto v como i son funciones cosinusoidales,
su producto depende del cuadrado de un coseno, cuyo promedio temporal es ½. Es
decir, si la salida de un oscilador es v=V0 cos(ωt) y la intensidad que suministra es
i=I0cos(ωt), la potencia promedio suministrada es P=½V0I0 que se suele poner como
P=VefIef siendo estos los denominados valores eficaces.
Vef=V0/√2 Ief=I0/√2
Así, cuando en nuestra instalación doméstica nos indican que la tensión en los enchufes
es de 220V, nos están dando el valor eficaz de dicha tensión.
Cuando una tensión de ca, v, alimenta a una R, en ella la corriente que la atraviesa viene
dada, como en cc, por i=v/R, en fase con la tensión o ddp aplicada. En ella se disipará
una potencia dada por P=VefIef .
Cuando la tensión alimenta a un condensador, en éste la corriente viene dada por la
derivada temporal de la carga. Es decir:
dv
iC = C C
dt
Si v= V0 cos(ωt) la i será i=-ωCV0sen(ωt). Es decir va desfasada π/2 respecto a la
tensión. Por ello, dado que el promedio temporal del producto seno por coseno es cero,
la potencia disipada en un C es cero. El condensador almacena energía (reactiva) pero
no disipa energía en promedio. Obsérvese que la corriente es cero para ω=0 es decir, en
cc el C se comporta como un circuito abierto. Por otra parte, cuando ω es muy grande
(la señal varía rápidamente) la relación voltaje a intensidad tiende a cero; es decir, el
condensador se comporta como un cortocircuito.
Electricidad – Física Biología
Suministro de ca
En una instalación familiar o industrial los elementos (bombillas, motores, etc.) se
conectan en paralelo. De esta forma, si un dispositivo queda en circuito abierto la
tensión de alimentación se mantendrá en los restantes:
De esta forma, además, la tensión aplicada a cada dispositivo es la misma,
independiente de la presencia de otros dispositivos. En instalaciones familiares y en
Europa, esta tensión es de 220V a una frecuencia de 50Hz (110V, 60Hz en USA)
Lo que si va a depender de la conexión de más o menos dispositivos y de qué
dispositivos se conecten es la corriente que suministra la tensión de alimentación.
Cuanto mayor sea la potencia del dispositivo (100W una bombilla o 3kW una lavadora)
mayor será la corriente que demanda y mayor será la corriente total suministrada. Esta
corriente se suele limitar a la entrada mediante un fusible o dispositivo análogo.
Si un elemento conectado a la instalación queda en cortocircuito, la corriente que
demanda se hace muy elevada y se desconecta automáticamente la entrada (o se funde
el fusible).
Los aparatos conectados a la instalación pueden estar defectuosos y conectarse algún
cable activo a la carcasa del aparato. En estas circunstancias, si una persona toca el
exterior del aparato, pasaría corriente por ella hacia el suelo, con efectos que podrían ser
letales. Para ello se utiliza la tierra, una gran masa metálica a la que se conectan las
carcasa de los aparatos (que entonces precisan 3 cables, dos activos y tierra). Entonces a
la corriente le es más fácil ir a tierra por la conexión correspondiente que por la persona
que toca el aparato, quedando la persona protegida frente a descargas eléctricas.
A modo indicativo, en la Tabla siguiente se dan valores de corriente y los efectos que
pueden producir en seres humanos:
Corriente (mA)
1
10
120
Efecto(a 50Hz)
Hormigueo (umbral de sensibilidad)
Paraliza una mano
Fibrilación ventricular
Aunque es preciso destacar que el efecto depende mucho de por dónde pasa la corriente.
Por ejemplo, los quirófanos, donde se utilizan bisturís eléctricos, han de tener unos
sistemas de protección especiales, para evitar que la corriente pase por órganos vitales,
como el corazón, donde una pequeñísima corriente puede ser letal. También, el estado
de humedad del cuerpo es importante, pudiendo variar en órdenes de magnitud la
resistencia que la piel, por ejemplo, presenta al paso de la corriente eléctrica.
Electricidad – Física Biología
12. Actividad Eléctrica a nivel Celular
La célula se comporta como una entidad con actividad eléctrica que le es esencial para
desarrollar su actividad funcional y para relacionarse con su entorno. Gran parte de esta
actividad eléctrica reside en la membrana, constituida por un aislante eléctrico (doble
capa lipídica) que permite el paso selectivo de determinados iones que se encuentran en
los líquidos extra e intra-celulares. Los procesos de transporte por difusión y de carga
eléctrica (corrientes) son esenciales para explicar la actividad básica de la célula.
Esencialmente nos encontramos con los siguientes hechos, que intentaremos explicar
sucintamente en el resto de esta sección:
• La membrana se comporta como un condensador, acumulando cargas iguales y
de signo opuesto a ambos lados de la misma.
• El cuerpo celular y el líquido extracelular son básicamente neutros; la cantidad
de iones de uno y otro signo son iguales en cada lado de la célula.
• No obstante, debido a la acumulación de carga negativa –no compensada- en la
zona interior de la membrana y opuesta en la zona exterior, el interior de la
célula tiene un potencial negativo respecto al exterior. Este potencial está en
torno a unos 70-90mV.
• La cantidad de carga involucrada en generar el potencial celular, es decir, la
cantidad de carga acumulada en ambas superficies de la membrana, es
insignificante comparada con la cantidad total de iones contenidos en la célula.
En otras palabras, la actividad eléctrica de la célula puede tener lugar sin
prácticamente cambiar a las concentraciones globales de electrolitos, no
afectando, por tanto, a la actividad metabólica.
• En las células nerviosas, una perturbación local en una zona de la membrana
puede producir un proceso de inversión del potencial eléctrico, seguido de una
regeneración del equilibrio. Este proceso es denominado potencial de acción.
• En dichas células, la perturbación generada se puede transmitir a lo largo del
cuerpo celular, constituyendo el impulso nervioso (flujo de señales eléctricas que
son base del transporte de información en el cuerpo).
Veamos en primer lugar los procesos de transporte a través de la membrana que
explican el potencial de equilibrio de la célula
Transporte:
En un proceso de transporte generalmente hay un gradiente de una cierta magnitud que
provoca el flujo de otra. Así, en el transporte de calor, un gradiente de temperatura hace
que se transfiera calor proporcionalmente a dicho gradiente y en sentido contrario (de
mayor a menor temperatura). De la misma forma, en la corriente eléctrica, un gradiente
de potencial eléctrico hace que las cargas se muevan generando un flujo también
proporcional al gradiente del potencial (que es el campo eléctrico). También, en los
procesos denominados de difusión, un gradiente de concentraciones de partículas genera
un flujo de las mismas proporcional al gradiente de concentraciones y en sentido
contrario; es conveniente destacar que la difusión depende fuertemente de la
temperatura. En todos los casos citados, la constante de proporcionalidad entre flujo y
gradiente depende del medio donde se efectúa el transporte; se definen así las
conductividades caloríficas, eléctricas o la constate de difusión.
Electricidad – Física Biología
En resumen:
• Gradiente frente a flujo:
• Gradiente de T Æ Flujo de Calor:
• Gradiente de V Æ Flujo de Cargas:
• Gradiente de concentrac. Æ Flujo de partículas:
Conducción de Calor
Corriente eléctrica
Difusión (influye T)
Potencial de Nernst
La célula está compuesta por líquidos electrolíticos intracelulares que están separados
del exterior por una membrana.
En la membrana celular tienen lugar, básicamente, dos procesos competitivos: de
difusión y de conducción eléctrica.
•
Ejemplo de dos soluciones electrolíticas separadas por membrana semipermeable
⎯ +
Positivas, membrana permeable
Negativas, membrana impermeable
En una dimensión, el flujo neto debido a difusión y arrastre por campo eléctrico es de la
forma:
e dV ⎤
⎡ dC
+C
J = −D⎢
kT dx ⎥⎦
⎣ dx
En el equilibrio dinámico J=0 (flujo de cargas igual en un sentido que en otro) y se
deduce una diferencia de potencial denominado de Nernst:
• Potencial de equilibrio de Nernst
V = ±2.3
c
c
kT
log10 1 = ±61.4( mV ) log10 1
e
c2
c2
(a T=300ºK)
Electricidad – Física Biología
•
La Célula en equilibrio: Distribución de concentraciones (ej: K(int) = 0.141mol/l)
Ión Permeable
K+
Na+
ClA-
•
Si
No
Si
No
Cint
(mMol/l)
141
10
4
147
Cext
(mMol/l)
5
142
103
44
Vint-Vext
(Nernst)
-89
+70
-85
Sólo una pequeñísima fracción de carga va a la membrana (ver problema Propuesto
y ejercicio del Cromer en p. 429)
Modelo Eléctrico para la Célula:
La célula tiene una membrana aislante eléctrico constituida por una doble capa lipídica
molecular. En su interior hay también proteínas de membrana que juegan un papel
importante en el transporte de sustancias a través de ella. El excelente aislante que es la
membrana separa dos medios iónicos buenos conductores; en una célula nerviosa estos
medios son el externo al axón y el interno o axoplasma. Este sistema es totalmente
equivalente a un condensador en que las placas metálicas son los conductores iónicos y
el aislante es la membrana, con una constante dieléctrica, εr, en torno a 3 veces la del
vacío, ε0=8.85x10-12F/m2. Esta membrana tiene un espesor pequeñísimo, en torno a los
d=10-6cm. La superficie total celular es del orden de los S=5x10-6cm2. Todo ello nos
lleva a que, considerada como condensador plano paralelo ideal, su capacidad es:
C=εrε0 S/d=1.3pF
(Capacidad por unidad de área en torno al µF/cm2, que es bastante elevada)
Experimentalmente se ha medido una diferencia de potencial a través de la membrana
en torno a los V=-85mV (negativo el interior respecto al exterior), lo que corresponde a
que la membrana adquiere una carga Q = CV = 1.1x10-13C, igual a cada lado, negativa
en el interior y positiva en el exterior. La diferencia de potencial medida nos lleva a que
la membrana está soportando un campo eléctrico en torno a E=V/d=8.5x106V/m, campo
que no soportaría un aislante normal.
Teniendo en cuenta el potencial de equilibrio de la membrana (V=-85mV), y en
referencia a los potenciales de Nernst dados para los diferentes iones (Tabla anterior),
observamos que el Cloro está en perfecto equilibrio, al igual que casi lo está el Potasio
(aunque la pequeña diferencia requiere de un bombeo activo del K a través de la
membrana). El que está totalmente fuera del equilibrio es el Na (+70mV) y, si se hiciera
permeable la membrana a dicho ión, se podría invertir su potencial quedando positivo el
interior respecto al exterior.
Potencial de Acción
En estado de reposo, la membrana es impermeable al Na, ión que, no obstante,
contribuye a dar la neutralidad global que tienen los líquidos tanto intra como
extracelulares.
En las células nerviosas y otras células excitables como las musculares, la membrana
tiene la propiedad de poder cambiar, por acción de determinados agentes externos, la
permeabilidad a los iones Na y K. Los agentes que pueden cambiar esta permeabilidad
pueden ser de origen térmico, químico, eléctrico o incluso mecánicos.
Electricidad – Física Biología
Cuando una célula nerviosa es estimulada en una región, cambia transitoria pero
repentinamente la permeabilidad al Na+ que se hace unas 100 veces mayor que la
correspondiente al K+. Esto da lugar a un trasiego importante de iones positivos de Na
hacia el interior de la célula que provoca una cambio de polaridad hasta alcanzar el
interior unos +60mV. Este cambio de permeabilidad dura solamente unos 0.2ms y,
posteriormente, la célula vuelve a hacerse impermeable al Na y de nuevo domina el
trasiego de iones positivos de K hacia el exterior recuperándose el potencial de reposo
de uno –85mV siendo bombeados activamente los iones extra de Na que habían entrado
previamente, cuando la membrana se hizo permeable a los mismos. La curva que da la
evolución temporal del potencial durante el proceso citado anteriormente se denomina
potencial de Acción:
En (B) las corrientes se han amplificado unas 20 veces respecto a (A) para mostrar más
claramente los flujos de corriente dominantes en cada instante.
Conviene resaltar de nuevo que el número de iones involucrados en esta actividad
eléctrica es despreciable en relación con la totalidad de iones de la célula. También, es
importante destacar que la célula es incapaz de generar un nuevo potencial de acción
hasta que se recupera el estado de polarización normal (hay un periodo refractario).
Transmisión del Impulso Nervioso
La generación del potencial de acción no es sólo un proceso que tiene lugar localmente.
A lo largo del axón, cuerpo celular de una célula nerviosa que juega el papel de un cable
transmisor de los impulsos eléctricos, se transmite el potencial de acción –portador de
información relativa a la perturbación que lo ha generado.
Efectivamente, cuando se depolariza localmente la membrana celular, se produce a cada
lado de la membrana una pequeña región de carga invertida respecto a la carga existente
en el mismo lado de la membrana (+ lindando con – en el interior y – lindando con + en
Electricidad – Física Biología
el exterior). Esto genera corrientes de difusión interiores y exteriores que dan lugar a
que las regiones de depolarización se van propagando a lo largo del axón.
Este es el proceso de transmisión del Impulso nervioso.
Es importante destacar que la amplitud del potencial de acción no depende de la
intensidad de la perturbación que lo ha generado. Lo que varía con la intensidad del
estímulo es la frecuencia con que se generan los potenciales de acción (en este sentido
la transmisión se asemeja a una FM en contraposición con la técnica de AM).
La velocidad normal con que se propaga el potencial de acción es de unos 50cm/s. No
obstante, hay células que poseen un recubrimiento de mielina que reduce su capacidad,
disminuyendo así su tiempo de respuesta (carga o descarga). En estos casos de células
mielinadas la velocidad de propagación del estimulo nervioso puede llegar a ser del
orden de los 130m/s. En las células mielinadas se desactiva la posibilidad de generar
potenciales de acción y su amplitud va disminuyendo. Para evitar que el estímulo
nervioso desaparezca hay regiones de la membrana carentes de mielina, los nódulos de
Ranvier, donde se produce una regeneración del potencial de acción (actuando como
repetidores)
Simulación del Potencial de Acción y su propagación en: The Nerve Impulse.(C) F.
Bezanilla, 1998
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