Elektrolecznictwo - Medycyna fizykalna.doc

Fizykoterapia – Medycyna fizykalna.

Elektrolecznictwo

   Jest to dział fizykoterapii, w którym wykorzystuje się w celach leczniczych i diagnostycznych energię elektryczną. Zabiegi wykonuje się przy użyciu prądu stałego i zmiennego o różnej częstotliwości. Elektrolecznictwo ma szerokie zastosowanie w leczeniu i rehabilitacji, również w połączeniu z in­nymi metodami fizykoterapii.

Fizyczne podstawy elektryczności

Budowa atomu

   Atom jest podstawowym elementem materii, o właściwościach danego pierwiastka. Atomy łączą się w ściśle określony sposób tworząc drobiny, zwane też cząsteczkami. Wszystkie substancje -  gazy, ciecze i ciała stałe - składają się z wielkiej liczby atomów o bardzo małych rozmiarach (teore­tycznie, gdyby 80-100 milionów atomów ułożyć w łańcuszek, to miałby on długość zaledwie l cm, a l dm3 gazu zawiera ok. 27 trylionów cząsteczek). Atomy w gazach poruszają się swobodnie względem siebie, chaotycznie, zderzając się. W płynach ślizgają się bezładnie, trzymając się jednocześnie blisko siebie. Natomiast w ciałach stałych są regularnie poustawiane i tworzą pewną strukturę, praktycznie nie mogąc przemieszczać się względem siebie. Każdy atom składa się z jądra i powłoki utworzonych z cząstek elemen­tarnych. Jądro składa się z nukleonów, czyli dodatnio naładowanych proto­nów i pozbawionych ładunku elektrycznego neutronów. Protony odpychają się wzajemnie i utrzymywane są trwale obok neutronów przez siły jądrowe, które są bardzo duże, ale o zasięgu działania tylko w obrębie jądra. Powłoka atomu utworzona jest przez ujemnie naładowane elektrony krążące po okrą­głych lub eliptycznych orbitach wokół jądra z ogromną prędkością 2000 km/s. Liczba elektronów zależy od ładunku jądra. Liczby ładunków proto­nów i elektronów są równe, lecz o przeciwnych znakach.

Model atomu Bohra

Elektrony krążą wokół jądra atomu po ściśle określonych orbitach sta­cjonarnych. Elektrony krążące na danej orbicie mają określoną ilość energii (tzw. poziom energetyczny). Im bliżej jądra położona jest orbita, tym mniej­sza jest energia krążących po niej elektronów. Jeśli elektron przechodzi z orbity stacjonarnej na orbitę o mniejszej energii, to oddaje tę różnicę energii w postaci kwantu promieniowania i następuje wtedy emisja energii. Natomiast zamiana orbity stacjonarnej na orbitę o wyższej energii przebiega z pobraniem energii.

Elektryczność

W atomie może zmieniać się liczba elektronów, na skutek ich przyłączania lub odczepiania. Najsłabiej związane z atomem są elektrony położone naj­dalej od jądra i dlatego najłatwiej ulegają odczepieniu. Po odczepieniu krążą swobodnie między atomami lub przyłączają się do innych atomów. W ten sposób, w wyniku przyłączenia lub odczepienia elektronów obojętny atom zyskuje lub traci elektrony. Proces ten nazywa się jonizacją, a naładowany elektrycznie atom jonem. W jonach pozbawionych jednego lub kilku elektro­nów występuje przewaga ładunków dodatnich - są to jony dodatnie (znak + ). Z uwagi na to, że jony dodatnie w polu elektrycznym przemiesz­czają się do katody (bieguna ujemnego) nazywa się je kationami. Natomiast jony z nadmiarem jednego lub kilku elektronów, czyli z przewagą ładunków ujemnych nazywa się jonami ujemnymi (znak — ), a w związku z tym, że w polu elektrycznym przemieszczają się do anody (bieguna dodatniego) nazywa się je anionami.

Atom, w którym znajduje się równa liczba protonów i elektronów znaj­duje się w równowadze elektrycznej, czyli jest elektrycznie obojętny i nie oddziałuje elektrycznie na otoczenie, tzn. pole elektryczne praktycznie nie wychodzi poza obręb atomu. Natomiast ciało składające się z atomów, w których występuje niedobór lub nadmiar elektronów, czyli z brakiem równowagi między ilością ładunków dodatnich i ujemnych, jest naelektryzowane, czyli naładowane elektrycznie. Na zewnątrz takiego ciała pojawia się pole elektryczne, które jest wyrazem dążenia do przywrócenia równowagi. Ciało naładowane dodatnio (z przewagą ładunków dodatnich) dąży do uzu­pełnienia brakujących elektronów, a naładowane ujemnie (z przewagą ładun­ków ujemnych) stara się pozbyć nadmiaru elektronów. Pomiędzy ładunkami elektrycznymi oddziałują siły, które można obliczyć na podstawie prawa Kulomba, stwierdzającego, że między dwoma ładunkami punktowymi działa siła proporcjonalna do wielkości ładunku i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Jednostką miary ładunku jest kulomb (lC = 6,242x 1018 elektronów).

Ładunki elektryczne równoimienne odpychają się wzajemnie, różnoimiennie przyciągają się.

Czyli: — odpycha — , przyciąga +

              + odpycha + , przyciąga — .

Cząstki obojętne elektrycznie przyciągane są zarówno przez biegun doda­tni, jak i ujemny.

Nazwa elektryczność pochodzi od greckiego słowa elektron (bursztyn), ponieważ spostrzeżono, że potarty suknem bursztyn przyciąga lekkie ciała, jak włosy, lniane nitki, drewniane wiórki. Okazało się, że w wyniku potarcia jednych ciał o drugie jedne mogą zabierać, a drugie tracić elektrony.

Prąd elektryczny

Jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Ciała, w których istnieją ładunki swobodne (jony lub elektrony), mogące się swobodnie poru­szać pod wpływem zewnętrznego pola, nazywa się przewodnikami. Nato­miast ciała, w których nie ma swobodnych ładunków nazywa się izolatorami (dielektrykami). Jest to podział przybliżony, ponieważ istnieje grupa ciał, która zaliczana jest do przewodników lub izolatorów w zależności od warun­ków, np. temperatury. Są to tzw. półprzewodniki. Metale i półprzewodniki są ciałami stałymi, w których występują swobodne elektrony. W metalach liczba elektronów swobodnych jest duża i nie zależy od warunków zewnętrz­nych. Najlepiej przewodzą prąd: srebro, miedź, aluminium, cynk, żelazo. Natomiast w półprzewodnikach liczba ładunków swobodnych zależy od tem­peratury i w zależności od niej ciało jest izolatorem lub przewodnikiem, m.in. german, krzem, selen, tellur. Nieprzewodniki, czyli izolatory, są mate­riałami zbudowanymi z atomów, z których nie odczepiają się swobodne elektrony, i w których brak jest również jonów. Do izolatorów należą m.in. woda destylowana, oleje, guma, szkło, papier, suche drewno. Gazy należą do izolatorów. Dopiero ogrzanie, rozcieńczenie, działanie promieni gamma lub Roentgena, powodując jonizację gazu, sprawia, że staje się on przewod­nikiem elektryczności.

Ciecze, które przewodzą prąd nazywa się elektrolitami. Są to rozpuszczal­ne w wodzie kwasy, zasady i sole. Po rozpuszczeniu ich w wodzie następuje samorzutnie proces jonizacji ich atomów i cząsteczek. Proces ten nosi nazwę dysocjacji elektrolitycznej.

Przewodniki elektryczności dzieli się na:

•   przewodniki pierwszorzędowe; są to materiały, w których istnieją zawsze swobodne elektrony, będące nośnikami

         elektryczności, a przepływający prąd nie powoduje w nich żadnych zmian.

•   przewodniki drugorzędowe;  stanowią je materiały,  w  których  istnieją jony będące nośnikami elektryczności; w tym

         przypadku ruch elektronów w nich związany jest z przemieszczaniem się ujemnych jonów; w drugorzędowych

        przewodnikach elektryczności, połączonych ze źródłem prądu, prze­pływający prąd powoduje jednak również

        przemieszczanie się jonów dodat­nich i to w kierunku bieguna ujemnego; tak więc w rzeczywistości istnieje
        w nich przepływ dwóch prądów i to w przeciwnych kierunkach: anionów do anody i kationów do katody.

Pole elektryczne

Wokół ładunków elektrycznych wytwarza się pole elektryczne.

Napięcie prądu

Uporządkowany ruch elektronów w przewodnikach elektryczności od bie­guna ujemnego do dodatniego możliwy jest dzięki sile elektromotorycznej, którą nazywa się napięciem. Napięcie jest to różnica potencjałów między miejscem, w którym istnieje pewien nadmiar elektronów (katoda), a miej­scem, w którym występuje ich niedobór (anoda). Po połączeniu tych miejsc (biegunów) np. przewodem metalowym, ładunki ujemne przepływają tak długo w kierunku bieguna dodatniego, aż dojdzie do uzyskania równowagi, tzn. do chwili, gdy napięcie spadnie do zera. Jednostką miary napięcia jest Wolt (V).

Szybkość przepływu prądu

Szybkość przepływu prądu w przewodnikach elektryczności wynosi 300000 km/s. Poszczególne elektrony nie płyną jednak od początku do końca przewodnika. Po przebyciu bowiem jakiegoś krótkiego odcinka ude­rzając w napotkany atom powodują uwolnienie następnych elektronów, albo gdy ten jest naładowany dodatnio łączą się z nim.

Natężenie prądu

Natężenie prądu jest miarą siły prądu, czyli ilości elektryczności prze­pływającej przez przekrój jakiegoś przewodnika w ciągu sekundy. Jednostką miary natężenia prądu w układzie SI jest Amper (A).

Gęstość prądu

Gęstość prądu oznacza stosunek natężenia prądu do wielkości powierz­chni, przez którą przepływa. Jeśli prąd przepływa przez dwie elektrody o równej powierzchni, to gęstość prądu pod każdą z nich będzie taka sama, natomiast jeśli nie będą równe, to gęstość prądu będzie większa pod mniejszą elektrodą. W skierowaniu na zabiegi należy podawać gęstość prądu dla powierzchni elektrody czynnej w mA/cm2.

Opór

Przepływ elektronów w przewodniku napotyka na pewien opór, którego wielkość zależy od rodzaju przewodnika, jego długości i przekroju. Opór wzrasta wraz z długością przewodnika i zmniejszaniem się jego przekroju. Mniejszym oporem cechują się dobre przewodniki, takie jak srebro, miedź, aluminium. Opór elektryczny w przewodnikach metalicznych wzrasta wraz z temperaturą (tzw. zimne przewodniki), w przeciwieństwie do elektrolitów, w których wraz ze wzrostem temperatury opór maleje (ciepłe przewodniki).

Prawo Ohma stwierdza, że natężenie prądu w przewodniku jest wprost proporcjonalne do napięcia i odwrotnie proporcjonalne do oporu. Prawo to dotyczy prądu stałego i prądu zmiennego małej częstotliwości, natomiast nie obejmuje prądów zmiennych wielkiej częstotliwości. Skóra ludzka, a właś­ciwie zrogowaciały naskórek, posiada pewien opór zgodny z prawem Ohma oraz opór pojemnościowy, Opór całkowity skóry zmniejsza się wraz ze

wzrostem częstotliwości impulsów. Jest on przyczyną pewnego zniekształ­cenia postaci impulsu działającego na skórę. Tylko impulsy prądu sinusoidalnego nie ulegają zniekształceniom lecz zostają przesunięte w fazie.

Kierunek przepływu prądu

Działanie biofizyczne prądu zależy między innymi od kierunku przepływu prądu. Zgodnie z tym co przyjął fizyk Ampere, do dzisiejszego dnia za kierunek płynącego prądu przyjmuje się umownie kierunek poruszania się ładunków dodatnich do ujemnych. Jest to jednak niezgodne ze stanem fak­tycznym, gdyż od czasu odkrycia elektronów wiadomo, że prąd płynie od bieguna ujemnego do dodatniego. Ze względu jednak na to, że sprostowanie tego błędu pociągnęłoby za sobą konieczność zmiany oznaczeń w istnieją­cych już wówczas licznych urządzeniach i aparatach elektrycznych, utrzymu­je się nadal tę fikcję.

Rodzaje prądu

Wyróżnia się zasadniczo dwa rodzaje prądu elektrycznego: stały i zmien­ny. Prąd stały płynie w stałym kierunku i ma stałe, niezmienne w czasie natężenie. Natomiast prąd zmienny nie płynie w sposób ciągły, lecz nośniki ładunku elektrycznego oscylują (drgają) w stosunku do położenia spoczyn­kowego. Czas powtarzania się każdego pełnego przemieszczenia albo cyklu nazywa się okresem. Każdy okres składa się z dwóch połówek fali: wy­chylenia dodatniego i ujemnego. Liczba okresów w jednej sekundzie stanowi częstotliwość. W prądzie zmiennym o częstotliwości 50 Hz w czasie sekundy zachodzi 100 razy zmiana kierunku przepływu prądu. Prąd taki charak­teryzuje się okresową zmianą znaków w czasie. Istniejąca dwukierunkowość lub dwubiegowość sprawia, że w działaniu na pobudliwą tkankę nie przejawia cech prądu galwanicznego (nie powoduje elektrolizy), w związku z czym określa się to jako działanie bezbiegunowe.

Prąd zmienny ma naturę falową. Drgające cząsteczki udzielają ruchu sąsiednim, a wszystkie poruszają się w sposób uporządkowany przestrzennie i czasowo w tej samej fazie drgań. Długość fali równa jest jednemu okresowi, a więc jest także funkcją częstotliwości. Im większa jest częstotliwość prądu, tym krótsza jest długość fali. Zwiększa się wtedy kąt wzrastania fali, czyli natężenie prądu wzrasta bardziej stromo, ponieważ amplituda fali odpowia­da wielkości natężenia prądu (im jest większa, tym natężenie prądu jest większe). Od czasu trwania okresu i wysokości amplitudy zależy działanie drażniące prądu.

Występujący w sieci prąd zmienny sinusoidalny o częstotliwości 50 Hz zostaje odpowiednio zmieniony zanim użyje się go do elektro terapii. Po przepuszczeniu takiego prądu przez prostownik zostaje z niego tylko jedna połówka okresu — dodatnia lub ujemna. W przypadku prostowania jedno­kierunkowego zostają tylko dodatnie połówki fali, ujemne są odrzucone. Przy całkowitym prostowaniu obie połówki zostają, są dodatnie, a więc ich ...