M P - Inhaltsverzeichnis - Grundlagen elektrischer Erscheinungen im Organismus

Elektrische Ladung und elektrischer Strom

Elektrische Ladung und Ladungserhaltung
Elektrischer Strom und Stromarten
Stromdichte im lebenden Körper
Leiter und Isolatoren
Elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit
Stromwirkungen
(siehe Physik-Manager "Der Aufbau der Materie")

Elektrische Ladung und Ladungserhaltung

• Wir unterscheiden positive (+) und negative (-) Ladungen.
• Das elektrische Elementarquantum e ist die kleinste Ladung, die in der Natur frei vorkommt:
  • e = 1,602·10^-19 C ...................... 1 C = 6,242·10¹⁸ e
• Alle beobachtbaren elektrischen Ladungen Q sind ganzzahlige Vielfache des elektrischen Elementarquantums:
  • Q^- = n · e^- .................... Q⁺ = n · e⁺ : ...................n = 1,2 ..........
• Elektrische Ladungen sind an materielle Ladungsträger gebunden.
• Ladungsträger sind
  • Elektronen (e^-) und Positronen (e⁺),
  • Protonen (p) und Antiprotonen (p^-),
  • positive (Na⁺, Ca⁺⁺) und negative (Cl^-, OH^-, O^--) Ionen.
• Gesetz von der Ladungserhaltung:
  • In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller elektrischen Ladungen konstant.

Elektrischer Strom und Stromarten

• Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung elektrischer Ladungsträger.
• Die elektrische Stromstärke ist der Quotient aus Ladung und Zeit :
  • I = Q / t :
  • Einheit der elektrischen Stromstärke : 1 A = 1 C/s
• Elektronen und negative Ionen bewegen sich zur Anode = positiver Pol
• Positiv geladenen Ionen bewegen sich zur Kathode = negativer geladener Pol
• Nach der Bewegungsrichtung der elektrischen Ladungen unterscheiden wir Gleichströme und Wechselströme:
  • Bei Gleichstrom bewegen sich die Ladungsträger eines Vorzeichens nur in eine Richtung.
  • Bei Wechselstrom ändern die Ladungsträger ihre Bewegungsrichtung.

Simulation eines Stromkreises mit Sinus- und Rechteckströmen	Stromformen

• Nach dem Frequenzbereich unterscheiden wir niederfrequente, hochfrequente und höchstfrequente Wechselströme.
• Die Stromformen werden nach ihrem Stromstärke-Zeitverlauf I = I(t) bezeichnet.
  • In der Energietechnik dominieren sinusförmige Wechselströme.
  • In der Datentechnik dominieren Impulsströme.
  • In der Elektromedizin werden, Rechteck-, Dreieck-, Sägezahn- und Schwellströme verwendet.
• Jeder Gleichstrom mit veränderlicher Stromstärke kann in einen Gleichstrom konstanter Stromstärke und einem überlagerten Wechselstromanteil zerlegt werden.

Stromdichte im lebenden Körper

• Wird biologisches Gewebe von Strom durchflossen, ist die Stromstärke von Ort zu Ort verschieden.
• Die elektrische Stromdichte j ist ein Vektor, dessen Betrag gleich dem Quotienten aus Stromstärke und stromdurchflossener Fläche ist :
  • j = I / A : Einheit der elektrischen Stromdichte :A / m²
• Das elektrische Strömungsfeld besteht aus Linien gleicher Stromdichte.
• Wir besitzen kein Sinnesorgan für elektrische Ströme.
• Die biologische Wirkung hängt von der Stromdichte und der Frequenz ab.
  • Niederfrequente Ströme mit geringen Stromdichten führen zur Reizung von Nerven- und Muskelzellen.
  • Hochfrequente Ströme mit höheren Stromdichten führen zur Erwärmung des Gewebes.
  • Diese Eigenschaften macht man sich in der Elektrotherapie zunutze (siehe Kapitel Elektromedizin Sommersemester)
• Elektrounfall
  • Der menschliche / tierische Körper wird unbeabsichtigt von einem elektrischen Strom durchflossen.
  • Die Schadwirkungen hängen von Stromstärke, Strompfad und Einwirkungszeit ab.
  • Niederfrequente Ströme führen bei Stromstärken um 40mA zu Muskelkontraktionen und Reizleitungsstörungen in Organen wie Herz und Gehirn.
  • Nieder- und hochfrequente Ströme führen bei großen Stromstärken zu Verbrennungen des Gewebes entlang der Strombahn.

Leiter und Isolatoren

• Leiter sind Stoffe, in denen frei bewegliche elektrische Ladungen vorhanden sind.
  • Durch die Kraftwirkung eines elektrischen Feldes werden die elektrischen Ladungen verschoben = Verschiebungsstrom.
• Isolatoren sind Stoffen, in denen die Ladungen fest an die Atome gebunden sind.
• Unter der Kraftwirkung eines elektrischen Feldes verschieben sich die elektrischen Ladungen nur um einen Atomdurchmesser = Dielektrische Polarisation.

• Halbleiter sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit stark von verschiedenen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Einstrahlung von Licht, Röntgenstrahlen, Dotierung) abhängt.
  • Die wichtigsten Halbleiterelemente der modernen Elektronik sind die Elemente der 4. Gruppe C, Si, Ge
• Leiter I. Klasse (Metalle) : Elektronenstrom = Ladungsbewegung ohne Materietransport
• Leiter II. Klasse (Elektrolyte) : Ionenstrom = Ladungsbewegung mit Materietransport
  • Körpergewebe und Körperflüssigkeiten sind Leiter 2. Klasse.
• Gase sind
  • Isolatoren, wenn keine Ladungsträger vorhanden sind und
  • Leiter, wenn Elektronen und/oder Ionen vorhanden sind.

Elektrischer Widerstand R und elektrische Leitfähigkeit 1/R

• In jedem Stoff hemmen energieverzehrende Wechselwirkungen die Bewegung der Ladungen (siehe Wärmewirkung).
• Das Verhalten des Stoffes gegenüber Ladungsbewegung wird zahlenmäßig durch den spezifischen elektrischen Widerstand s beschrieben.
  • Der spezifische elektrische Widerstand s ist eine Materialkonstante und wird für ein Volumen von 1m Länge und 1 m² (oder 1mm²) Querschnittsfläche angegeben.
  • Die Einheit des spezifischen elektrischen Widerstandes s ist 1 Ohm·m (1 W m).
  • Die spezifische elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstandes.
• Der elektrische Widerstand R eines Stoffes ist
  • direkt proportional dem spezifischen elektrischen Widerstand s (W m) und
  • der Länge des Leiters l (m)
  • und verkehrt proportional der Querschnittsfläche A (m²).

  

• Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist 1 Ohm (1 W).
• Die elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des elektrischen Widerstandes R.
• Die Einheit der elektrischen Leitfähigkeit ist 1 Siemens = 1/Ohm

• Der elektrische Widerstand R hängt von der Temperatur ab : R = R(T)
  • Der Messfühler eines Widerstandsthermometers ändert seinen elektrischen Widerstand mit der Temperatur : DR ~ DT
  • Pt 100 : Ein hochpräziser Temperaturfühler aus einer Platinspirale mit genau 100 W Widerstand bei 20°C. Eine Temperaturänderung erhöht oder verringert den elektrischen Widerstand des Fühlers Pt100. Diese Widerstandsänderung wird mit einer Brückenschaltung (Wheatstonesche Brücke).
  • Heißleiter, Kaltleiter : Temperaturfühler aus Halbleitermaterialien mit einem positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten DR /DT 
• Supraleitung: Unterhalb einer bestimmten tiefen Temperatur = Sprungtemperatur sinkt der elektrische Widerstand bestimmter Stoffe = Supraleiter auf 0 Ohm.
  • Supraleitende Spulen werden in der Kernspinresonanztomographie verwendet.
  • Die Spulen zur Erzeugung des notwendigen, starken Magnetfeldes von 0,5 – 4 Tesla müssen dazu auf die Temperatur des flüssigen Heliums (T ~ 4 K ~ -269°C) abgekühlt werden.

Stromwirkungen

• An einem stromdurchflossenen Leiter beobachten wir
  • die Wärmewirkung,
  • die chemische Wirkung und
  • die magnetische Wirkung.

• Auf diesen Wirkungen basieren alle Anwendungen elektrische Energie (Elektrotechnik), die unser Leben so komfortabel machen.

• Wärmewirkung
  • Jeder stromdurchflossener Leiter erwärmt sich.
  • Die entwickelte Wärmemenge = Joulesche Wärme ist dem Quadrat der Stromstärke proportional.
    • Technische Anwendungen : Elektroheizungen und -öfen, Lichtquellen (Temperaturstrahler), Metallbearbeitung (Schmelzen, Verdampfen, Schweissen)
    • Medizinische Anwendungen : Hitzesterilisation, Thermokauter, Hf-Chirurgie, Diathermie

• Chemische Wirkungen
  • In Elektrolyten kommt es durch die Ionenbewegung an den Elektroden zu Entladung der Ionen und zu chemischen Reaktionen = Elektrolyse.
  • Elektrolyse ist die Zerlegung eines Leiters II. Klasse bei Stromdurchgang.
  • Technische Anwendungen : Herstellung reiner Stoffe (Gase,Metalle), Galvanisieren (Verchromen, Vergolden), elektrolytische Zerlergung des Wassers (Wasserstoffgewinnung), Batterien und Akkumulatoren
  • Medizinische Anwendungen : Elektrophorese, Iontophorese, nicht polarisierbare Köperelektroden (Ag(AgCl-Elektroden)
  •  
• Magnetische Wirkung
  • Jeder stromdurchflossene Leiter ist von einem ringförmigen magnetischen Feld umgeben.
  • Technische Anwendungen : Elektromagnete in allen Elektromotoren, Transformatoren, Fernsehgeräte mit Bildröhren
  • Medizinische Anwendung : Magnetfeldtherapie, Kernspinresonanztomographie

Begriffe:		Elektrisches Elementarquantum	Elektrische Ladung 
Ladungserhaltung	Elektrischer Strom		Leiter I. Klasse 
Leiter II. Klasse	Elektronenstrom			Ionenstrom 
Gleichstrom		Wechselstrom			Impulsstrom 
Stromdichte		elektrisches Strömungsfeld	Leiter 
Isolatoren		Halbleiter			Spezifischer Widerstand 
Widerstand		Leitfähigkeit			Supraleitung 
Joulesche Wärme		Elektrolyse			magnetisches Feld 

Stromformen

(Bild anklicken für Animation)

Formeln: Elektrische Ladung und elektr. Strom

Übung: Elektrische Ladung und elektr. Strom

Fragen: Elektrische Ladung und elektr. Strom