BIOFISICA - ELECTROMAGNETISMO

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INTRODUCCIÓN
La electricidad y el magnetismo son fenómenos físicos y fuerzas fundamentales
que son responsables por el trabajo de todos los equipos eléctricos y electrónicos
utilizados por el hombre.
Mientras la electricidad se origina por medio de las cargas eléctricas que estén
en reposo o movimiento y por las interacciones entre ellas, la fuerza magnética o el
magnetismo es un fenómeno que está sujeto en algunos materiales, los cuales ejercen
una fuerza de atracción o repulsión en otros materiales de diferentes o misma
composición.
El electromagnetismo es la física se encarga de unificar de los fenómenos
eléctricos y magnéticos. Sus fundamentos fueron dados a conocer por primera vez
por Michael Faraday y formulados por primera vez de forma completa por James Clerk
Maxwell. Describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen
cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y
magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

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ELECTRICIDAD
La electricidad es la manifestación de fuerzas elementales llamadas cargas
eléctricas. Estas fuerzas son utilizadas para producir luz, fuerza motriz, calor y
transmisión de información.
La naturaleza de la fuerza eléctrica
Es una de las fuerzas fundamentales, como la de la gravedad. No se conoce la
naturaleza de esta fuerza, y los libros de física suelen evitan de tratar de caracterizarla.
En efecto, la fuerza que reside dentro de un campo eléctrico es “efecto de la carga”
de la misma manera que la fuerza de la gravedad es “efecto de la masa”. La fuerza
eléctrica es 1039 veces mayor que la fuerza de la gravedad.
Historia de los conocimientos sobre la electricidad
La electricidad ya era conocida por Tales de Mileto, quien observó que el ámbar
frotado tenía la propiedad de atraer partículas pequeñas. Teofrasto, filósofo griego
(327 – 287 AC), fue el primero en observar y estudiar de forma sistemática la
electricidad, y fue el primero en dejar textos escritos sobre sus observaciones.
CARGA ELÉCTRICA:
La noción de la carga eléctrica se le debemos a Benjamín Franklin. Consideró
como un proceso de distribución, de manera que los cuerpos adquirían más fluido
(carga positiva) o quedaban con menos fluido (carga negativa).
En efecto, dependiendo de su composición en partículas con la propiedad de
carga, un cuerpo puede tener una determinada cantidad de carga eléctrica.
La carga elemental negativa es la contenida en un electrón o en un anión
monovalente. La carga elemental positiva es la contenida en un protón o un catión
monovalente.
La unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades es el
Coulomb, que equivale a la carga de 6,25.1018 electrones o protones. La carga
eléctrica es una propiedad que existe solamente en los electrones, los protones y los
bosones.
Ley de Coulomb
Charles Coulomb fue el primero en cuantificar la fuerza eléctrica, en base a los
trabajos de Priestley y Robinson. La ley de Coulomb dice que: La fuerza de atracción
o repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las dos
cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

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CAMPO ELÉCTRICO:
Un campo eléctrico es el espacio en el cual una carga es afectada por la acción
de una fuerza eléctrica. A su vez, un cuerpo cargado eléctricamente tiene a su
alrededor un espacio en el cual ejercerá su fuerza eléctrica sobre cualquier carga
eléctrica situada dentro de dicho espacio.
ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA:
Para mover una carga o cierta cantidad de cargas en contra de una fuerza
eléctrica debe hacerse un trabajo; si las cargas se dejaran liberadas luego a la acción
de la fuerza eléctrica manifestarían la energía que han recibido se puede decir
entonces que han adquirido una energía potencial eléctrica.
Cuando una carga se mueve en contra del campo eléctrico su energía potencial
aumenta; cuando una carga se mueve a favor del campo eléctrico su energía potencial
disminuye.
El potencial en un punto es el trabajo por unidad de carga que debe realizarse
para mover la carga en contra de las fuerzas eléctricas desde el infinito hasta dicho
punto. Como tal trabajo viene a ser la energía potencial, el potencial eléctrico es la
energía potencial por unidad de carga.
Diferencial de Potencial
Para que una carga eléctrica se desplace de un lugar a otro se debe realizar
cierto trabajo. La diferencia de potencial entre dos puntos está dada por el trabajo que
debe realizarse para mover cargas eléctricas entre los dos puntos.
CORRIENTE ELÉCTRICA:
Es el movimiento de una cantidad de cargas eléctricas debido a una diferencia
de potencial. En general la corriente eléctrica es el flujo de electrones desde el punto
con menor potencial (-) a otro con mayor potencial (+), es decir sigue el gradiente de
concentración de electrones como un caso de difusión. Esto ocurre así en los
conductores metálicos.
En algunos semiconductores la corriente eléctrica se debe al movimiento de
cargas positivas. En los líquidos corporales el flujo puede ser tanto de cargas positivas
como negativas. La intensidad de corriente eléctrica se expresa en amperes y es la
cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo.
Resistencia
La resistencia puede calcularse a partir de la diferencia de potencial que debe
existir o aplicarse para que la corriente tenga cierta intensidad. En efecto, cuanto
mayor sea la diferencia de potencial necesaria ello indicará una resistencia mayor.
Entonces, la resistencia es la relación entre la diferencia de potencial y la intensidad
de corriente observada.

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INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN:
Galvanómetros, amperímetros y voltímetros
Se denomina galvanómetro a cualquier dispositivo destinado a detectar
corriente eléctrica. Básicamente consiste en una aguja imantada fija a un cilíndrico de
hierro colocado dentro de una bobina de alambre de cobre; estos tres elementos se
encuentran entre los polos de un imán permanente fijo. Al pasar corriente por el
alambre se induce un campo magnético que gira el cilindro de hierro y desvía la aguja,
desviación que es proporcional a la intensidad de corriente.
Los amperímetros son aparatos destinados a medir la corriente eléctrica sin
alterarla apreciablemente. Consisten en un galvanómetro conectado en paralelo con
una resistencia de muy bajo valor. Como la mayor parte de la corriente pasará por la
derivación sólo una pequeña parte pasará por el galvanómetro.
El voltímetro es un galvanómetro con una gran resistencia conectada en serie.
Está calibrado en voltios.
ASPECTOS ENERGÉTICOS DE LA ELECTRICIDAD:
Trabajo y potencia eléctrica
Se ha visto que la energía potencial eléctrica es el producto del trabajo realizado
sobre una cierta cantidad de carga. Es decir V=J/Q. El trabajo en Joules es el producto
de la carga movida x la diferencia de potencial que la mueve, ya que el trabajo recibido
es el cambo de energía potencial experimentado.
La unidad de potencia es el Watt (Joule/seg), y como se ha visto es el producto
del voltaje en Voltios y la intensidad en Amperes. El efecto Joule es apreciable a partir
de intensidades de 1 ampere.
EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD EN EL HOMBRE:
Electrocución
Es la exposición del organismo a grandes descargas eléctrica, con sus
consecuencias nocivas. El cuerpo humano está compuesto en un 60% por una
solución electrolítica, lo cual lo convierte en un buen conductor; por ello los accidentes
por electrocución implican un flujo de corriente. Se presentan accidentes por
electrocución por dos mecanismos:
a) Por interposición del cuerpo o parte del cuerpo entre dos conductores;
b) Por interposición del cuerpo entre un conductor y tierra.
Efectos sobre el organismo y mecanismos
Los efectos de una descarga eléctrica sobre el organismo humano se deben a
dos causas principales:

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Efecto calorigénico: Se explica por el efecto Joule o calentamiento de un conductor
debido al flujo de la corriente eléctrica. Este efecto es mayor cuanto mayor es la
resistencia, por lo tanto el calentamiento tisular es mayor en los puntos de entrada y
salida.
Efecto sobre la excitabilidad: El tejido nervioso es el que menos resistencia ofrece
para el paso de la corriente, lo cual justifica que sea el primer afectado; se presentan
contracciones y espasmos musculares, distención o rotura de ligamentos, paro
respiratorio, fibrilación ventricular.
Electroporación: Es la formación de defectos en la membrana celular, como si fueran
poros. No es un efecto térmico, pero la consecuencia sobre los tejidos es similar a las
del efecto calorigénico. Suele haber otros efectos combinados. Los más importantes
son:
- Insuficiencia renal;
- Cataratas;
CORRIENTES GALVÁNICAS Y FARÁDICAS:
Corriente continua, interrumpida y de intensidad constante, también
denominada directa. Se le denomina constante, porque mantiene su intensidad fija
durante el tiempo de aplicación. Se utiliza fundamentalmente para galvanización o
iontoforesis, la cual, consiste en introducir medicamento ionizables a través de la piel
o mucosas por medio de electrodos de corriente galvánica.
Las corrientes galvánicas implican un flujo sostenido de electrones desde el
polo negativo al positivo, sin cambio de polaridad y con la intensidad que se ajuste a
la dosis requerida por el tratamiento.
Corrientes farádicas, son corriente de excitación de baja frecuencia, de unos
50 Hz, de baja intensidad y de bajo voltaje que oscila entre los 100-200 voltios,
utilizado con fines terapéuticos. Es una corriente asimétrica, es decir, que su dirección
cambia constantemente. Se caracteriza principalmente por la capacidad de contraer
selectivamente la musculatura normalmente inervada.
CORRIENTES ALTERNAS DE ALTA FRECUENCIA:
Las altas frecuencias disminuyen las interacciones de la electricidad con los
sistemas del organismo; Tesla y D’arsonval demostraron que la corriente alterna a
frecuencias superiores a 10.000 ciclos por segundo (10 KHz) caliente los tejidos
profundos sin producir efectos nocivos sobre el organismo. Estas altas frecuencias se
utilizan en medicina, cirugía y fisioterapia en dos formas principales:
a) Diatermia ;
b) Electrobisturí.

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MAGNETISMO y ELECTROMAGNETISMO
El magnetismo es un fenómeno muy relacionado con la electricidad. Por
ejemplo, los cuerpos magnéticos poseen polos que se denominan norte y sur que se
atraen entre sí como las cargas eléctricas de distinto nombre. Pero, mientras en la
electricidad las líneas de fuerza son salientes o entrantes desde o hacia el cuerpo
cargado, en el magnetismo las líneas de fuerza van del polo norte al polo sur del
mismo cuerpo, es decir vuelven al cuerpo magnético formando un rizo o bucle.
Una diferencia muy curiosa es el hecho de que los polos magnéticos no pueden
separarse y mantenerse aislados, como sí puede hacerse con las cargas eléctricas.
En efecto, si se divide por la mitad de su longitud una barra magnética no se obtendrá
un polo norte aislado y un polo sur aislado.
La fuerza de atracción o repulsión entre polos magnéticos es la misma que
entre cargas eléctricas.
ELECTROMAGNETISMO y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS:
En 1820 descubrió que una corriente eléctrica podía generar un campo
magnético. En 1830 comprobó que también ocurría lo inverso; los campos magnéticos
generaban corrientes eléctricas.
La dirección y sentido de las líneas de acciónde un campo magnético generado
por el flujo de corriente se determinan por la regla de la mano derecha: si se coloca la
mano derecha como si aferrara el conductor, y se extiende el pulgar hacia el sentido
que fluye la corriente, los dedos señalan en el sentido de acción de la fuerza
magnética. Los campos magnéticos también eran producidos por campos eléctricos
fluctuantes.
PROPIEDADES DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS:
Se propagan en medios elásticos y en el vacío en línea recta y con la velocidad
de la luz. Sus elementos principales son los mismos que los de las ondas: longitud de
onda y frecuencia. Es muy importante señalar que en las ondas electromagnéticas la
longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia y a la energía.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO:
Las ondas electromagnéticas son todas de misma naturaleza, semejantes a la
luz, así que no podemos dividirlas en tipos. Como tienen distintas propiedades, debido
a la energía que les es inherente, deberíamos decir que se agrupan por categorías.
Su conjunto ordenado por longitud de onda se denomina espectro electromagnético.

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Categoría de onda electromagnética y mecanismo de acción
Campos Magnéticos inducidos por corriente eléctrica
La dirección de la fuerza en el campo magnético es perpendicular a la dirección
del flujo de electricidad. La intensidad del campo magnético es proporcional a la
intensidad de corriente. Por lo tanto, la corriente alterna genera un campo magnético
variable en magnitud, ya que se invierte periódicamente. Al mismo tiempo las cargas
eléctricas generan un campo eléctrico, de manera que se obtiene campos eléctricos
y magnéticos.
UNIDAD DE MEDICIÓN:
Ya se ha visto que entre polos magnéticos existen líneas de fuerza. Cuanto
mayor sea la propiedad magnética del cuerpo habrá mayor cantidad de líneas de
fuerza por unidad de área transversal atravesada por las líneas de fuerza. En esto se
basa la unidad oficial (S.I.) de intensidad de campo magnético, el Tesla, que
representa la densidad de flujo magnético.
La intensidad del campo magnético también se puede expresar en otras
unidades S.I. La densidad del flujo magnético en Teslas equivale a la magnitud de la
fuerza del campo magnético.
EFECTOS DE LA EXPOSICIÓN A CAMPO ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS:
Así como la corriente eléctrica genera magnetismo, los campos magnéticos
generan corrientes eléctricas, de manera que se puede espera la acción de corrientes
inducidas en el organismo humano. Laboralmente, se encuentran muy expuestos los
trabajadores de las subestaciones eléctricas.
Otro grupo ocupacionalmente expuesto puede ser el de operadoras de
terminales de video como los monitores y operadores de radar. Los supuestos efectos
adversos más mencionados han sido: aumento de la frecuencia de leucemia en niños
y de cáncer de cerebro en adultos.

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RESONANCIA MAGNÉTICA:
Formación de imágenes
La estructura del órgano estudiado se construye por el análisis
computadorizado a partir de las señales recibidas desde el cuerpo. Se estudia el
espectro de absorción en función de las frecuencias. La intensidad de la señal de
resonancia depende de la densidad (cantidad de núcleos).
Además de la longitud de onda de resonancia, existen otras características que
son analizadas por las computadoras para ofrecer más información sobre las
estructuras examinadas. Desde un punto de vista tridimensional puede decirse que,
por acción del campo pueden variar su posición hasta en 180 grados.
Frecuencia de resonancia y selección del plano
La frecuencia de resonancia es la frecuencia de radiación electromagnética
necesaria para que los protones se desalineen dentro de un campo magnético
externo, como en el contexto de la MRI.
Componentes del equipo de RM
- Electroimán principal;
- Antenas emisoras y receptoras de radiofrecuencia;
- Bobinas de gradiente;
- Ordenador para el procesamiento de datos.
RESONANCIA FUNCIONAL:
Es una técnica por MRI utilizada por el momento para el estudio del cerebro.
Puede mostrar cuáles son las áreas cerebrales que se activan en determinadas
circunstancias como la actividad motora, sensorial, estados emocionales, etc.
La técnica se basa en los cambios del campo magnético tisular de acuerdo a la
presencia de oxígeno, por lo tanto el factor determinante e indicador de la actividad es
el flujo sanguíneo.
ABLACIÓN POR RADIOFRECUENCIAS:
El término ablación significa extirpación o eliminación de un órgano o tejido.
Desde hace unas décadas se aplican radiofrecuencias sobre tejidos con el propósito
de obtener altas temperaturas y destruirlos. El objetivo fundamental es evitar una
cirugía, de modo que la técnica se aplicó primero para destruir tejidos cardíacos
productores de arritmias.
La técnica se practica introduciendo un catéter en cuyo extremo se ubican
antenas emisoras de ondas de radio, causando el calentamiento y necrosis de los
tejidos circundantes. La temperatura alcanzada suele ser de 45 a 50°C.

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CONCLUSIÓN
Concluimos entonces, que la electricidad y el magnetismo son fenómenos que
se relacionan entre sí. Sin embargo, el magnetismo tiene la capacidad de atraer
cuerpos, y la electricidad de producir un efecto magnético en la medida que está sujeto
a conductores que permitan su movimiento. El electromagnetismo es la relación
establecida entre estos dos fenómenos.
En 1820 descubrió que una corriente eléctrica podía generar un campo
magnético. En 1830 comprobó que también ocurría lo inverso; los campos magnéticos
generaban corrientes eléctricas.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Guillermo A. Micó. Física Médica y Biológica. Biofísica para Ciencias de la Salud.
Febrero 15, 2016 Física, Libros Edición 2014