Bioelectromagnetismo

"El Bioelectromagnetismo (BEM) es la ciencia emergente que estudia la forma en que los organismos vivos interactúan con los campos electromagnéticos (EM). Los fenómenos eléctricos se hallan en todos los organismos vivientes. Más aún, existen corrientes eléctricas en el cuerpo que producen campos magnéticos que se extienden fuera del cuerpo. En consecuencia, los organismos pueden verse influidos también por campos magnéticos y electromagnéticos externos. Cambios en los campos naturales del cuerpo pueden producir cambios físicos y de conducta."

Los ejemplos de este fenómeno incluyen el potencial electrico de las membranas celulares y las corrientes electricas que fluyen en nervios y musculos como consecuencia de su potencial de accion. No debe confundirse con la bioelectromagnetica, que se ocupa de los efectos de una fuente externa de electromagnetismo sobre los organismos vivos, ni con el estudio de la magnetorrecepcion, la percepción del campo magnético por parte de los seres vivos, ni tampoco con el biomagnetismo que plantea curar males con imanes.

Las células biológicas usan gradientes electrostáticos para almacenar energia metabolica para realizar trabajo o desencadenar cambios internos, e intercambiarse señales. Elbioelectromagnetismo es la corriente eléctrica producida por potenciales de acción junto con los campos magneticos que generan a través del fenómeno del electromagnetismo

El bioelectromagnetismo se estudia principalmente a través de las técnicas de electrofisiologia. A fines del siglo XVIII, el medico y fisico italiano Luigi Galvani registró por primera vez el fenómeno de la contracción de un músculo de cadáver mientras disecaba una rana en una mesa donde había realizado experimentos con electricidad. Galvani acuñó el término electricidad animal para denominarlo, mientras que actualmente se denomina galvanismo. Galvani y sus contemporáneos consideraron que la activación muscular era resultado de un fluido eléctrico o sustancia presente en el nervio

El bioelectromagnetismo es un aspecto de todos los seres vivos, incluidas todas las plantas y los animales.

Fenomeno biologico

"Los organismos pueden verse influidos también por campos magnéticos y electromagnéticos externos. Cambios en los campos naturales del cuerpo pueden producir cambios físicos y de conducta".

Eventos eléctricos de corta vida llamados potenciales de accion se producen en varios tipos de células animales que se denominan células excitables, una categoría de célula incluyen neuronas, células musculares, y las células endocrinas, así como en algunas células de la planta. Estos potenciales de acción se utilizan para facilitar la comunicación intercelular y activar procesos intracelulares. Los fenómenos fisiologicos de los potenciales de acción son posibles porque los canales iónicos activados por voltaje permiten que el potencial de reposo causada por gradiente electro-quimico a ambos lados de una membrana celular a resolver.

Bioelectromagnetismo se estudia principalmente a través de las técnicas de electrofisiologia. A finales del siglo XVIII el italiano, el médico y físico Luigi Galvani primero registraron el fenómeno, mientras diseccionaba una rana en una mesa donde había estado llevando a cabo experimentos con la electricidad estatica. Galvani acuñó el término electricidad animal para describir el fenómeno, mientras que los contemporáneos etiquetaron galvanismo. Galvani y contemporáneos consideraron la activación muscular como resultado de un fluido eléctrico o sustancia en los nervios.

Algunos animales acuáticos por lo general tienen sensores bioeléctricos agudos, que proporcionan una sensación conocida como electrorrecepción, mientras que las aves migratorias son capaces de navegar en parte por la orientación con respecto al campo magnetico de la tierra. En una aplicación extrema del electromagnetismo la anguila eléctrica es capaz de generar un gran campo eléctrico fuera de su cuerpo utilizados para la defensa, la caza y auto dedicado a través de un órgano eléctrico.

Fenomenos termicos

La mayor parte de las moléculas en el cuerpo humano interactúan débilmente con los campos electromagnéticos en la radiofrecuencia o de frecuencia extremadamente baja bandas. Una de estas interacciones es la absorción de la energía de los campos, lo que puede causar que el tejido se caliente, los campos más intensos se producen mayor calentamiento. Esto puede dar lugar a efectos biológicos que van desde la relajación muscular (como los producidos por una diatermia dispositivo) a las quemaduras. Muchas naciones y los organismos reguladores, como la Comisión Internacional de Protección contra las Radiaciones No Ionizantes han establecido pautas de seguridad para limitar la exposición a los CEM a un no nivel térmico.

Esto puede ser definido como calefacción solo hasta el punto en que el exceso de calor puede ser disipado, o como un incremento fijo de la temperatura no es detectable con instrumentos actuales, como 0,1 ° C. Sin embargo, los efectos biológicos se ha demostrado que estar presente para esas exposiciones no térmicas, Se han propuesto varios mecanismos para explicar estos, y puede haber varios mecanismos que subyacen a los fenómenos observados diferentes. Los efectos biológicos de los campos electromagnéticos débiles son objeto de estudio en el magneto.

Efectos en el comportamiento
Muchos de los efectos de comportamiento en diferentes intensidades se han registrado en la exposición a los campos magnéticos, en particular en los campos magnéticos pulsantes. El pulseform específico utilizado parece ser un factor importante para el efecto de comportamiento visto, por ejemplo, un campo magnético pulsado diseñado originalmente para espectroscópica RMN se encontró para aliviar los síntomas en los pacientes bipolares, mientras que otro pulso de resonancia magnética no tuvo ningún efecto. Se encontró una exposición de todo el cuerpo a un campo magnético pulsado para alterar el equilibrio de pie y la percepción del dolor en otros estudios

Efectos relacionados

Un fuerte campo magnético cambiante puede inducir corrientes eléctricas en el tejido conductor tal como el cerebro. Puesto que el campo magnético penetra en el tejido, que puede ser generado fuera de la cabeza para inducir corrientes dentro, haciendo que la estimulación magnética transcraneal (TMS). Estas corrientes despolarizar las neuronas en una parte seleccionada del cerebro, lo que conduce a cambios en los patrones de actividad neuronal. En repetidas terapia TMS pulso o EMT, la presencia de electrodos EEG incompatibles puede provocar calentamiento del electrodo y, en casos severos, quemaduras en la piel. Un número de científicos y los médicos están tratando de utilizar TMS para reemplazar la terapia electroconvulsiva (TEC) para tratar trastornos como la depresión grave.

En lugar de una fuerte descarga eléctrica a través de la cabeza como en ECT, un gran número de pulsos relativamente débiles se entregan en la terapia TMS, típicamente a una velocidad de aproximadamente 10 pulsos por segundo. Si los pulsos muy fuertes a una velocidad rápida se entregan al cerebro, las corrientes inducidas pueden causar convulsiones al igual que en el original de la terapia electroconvulsiva. A veces, esto se hace deliberadamente con el fin de tratar la depresión, tales como en ECT también.

Efecto Hall

Se conoce como efecto Hall a la aparición de un campo electrico por separación de cargas, en el interior de un conductor por el que circula una corriente en presencia de un campo magnético con componente perpendicular al movimiento de las cargas. Este campo eléctrico (campo Hall) es perpendicular al movimiento de las cargas y a la componente perpendicular del campo magnético aplicado. Lleva el nombre de su primer modelador, el físico estadounidense Edwin Herbert Hall (1855-1938).

En épocas contemporáneas (1985) el físico alemán Klaus von Klitzing y sus colaboradores descubrieron el hoy conocido como efecto hall cuantico, lo que les valió la obtención del premio nobel de fisica en 1985. En 1998, se otorgó un nuevo premio Nobel de Física a los profesores Laughlin, Strömer y Tsui por el descubrimiento de un nuevo fluido cuántico con excitaciones de carga fraccionarias. Este nuevo efecto ha traído grandes problemas a los físicos teóricos y actualmente constituye uno de los campos de investigación de mayor interés y actualidad en toda la física del estado sólido.

Explicacion cualitativa

Cuando por un material conductor o semiconductor, circula una corriente eléctrica, y estando este mismo material en el seno de un campo magnético, se comprueba que aparece una fuerza magnética en los portadores de carga que los reagrupa dentro del material, esto es, los portadores de carga se desvían y agrupan a un lado del material conductor o semiconductor, apareciendo así una variación de potencial en el conductor lo cual origina un campo eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería (Fm). Este campo eléctrico es el denominado campo Hall (Eh), y ligado a él aparece la tensión Hall, que se puede medir mediante el voltímetro de la figura.

En el caso de la figura, se tiene una barra de un material desconocido y se quiere saber cuales son sus portadores de carga. Para ello, mediante una batería se hace circular por la barra una corriente eléctrica. Una vez hecho esto, se introduce la barra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular a la tableta.

Aparecerá entonces una fuerza magnética sobre los portadores de carga, que tenderá a agruparlos a un lado de la barra, apareciendo de este modo una tensión Hall y un campo eléctrico Hall entre ambos lados de la barra. Dependiendo de si la lectura del voltímetro es positiva o negativa, y conociendo la dirección del campo magnético y del campo eléctrico originado por la batería, se puede deducir si los portadores de carga de la barra de material desconocido son las cargas positivas o las negativas.

En la figura de al lado se ve como el material tiene dos zonas: la de la izquierda y la de la derecha. En una zona, los portadores son huecos y en la otra electrones.

Explicacion cuantitativa
Sea el material por el que circula la corriente con una velocidad v al que se le aplica un campo magnético B. Al aparecer una fuerza magnética Fm, los portadores de carga se agrupan en una región del material, ocasionando la aparición de una tensión Vh y por lo tanto de un campo eléctrico E en la misma dirección. Este campo ocasiona a su vez la aparición de una fuerza eléctrica Fe de dirección contraria a Fm.

La fisica clasica del efecto hall

Se sabe que un campo magnetico actúa sobre las cargas en movimiento (fuerza de Lorentz).

Una corriente I que atraviesa un material consiste en cargas (electrones) que se desplazan (en dirección contraria a la corriente) con una velocidad que se denomina v. Si se sumerge esa corriente de electrones en un campo magnético B, cada uno de los electrones que forman la corriente estará sometidos a la fuerza de Lorenz Fm = -e.v^B (como en el dibujo se cambió la dirección de v, ya que se está considerando un electrón, no debería considerarse el signo negativo de la carga). Donde -e corresponde a la carga de un electrón,v el vector velocidad del electrón y B el vector campo magnético aplicado.

Tecnicas de medicion
la técnica de medición más utilizada para la determinación de los portadores de carga y resistividad en un semiconductor es la tecnica de Van Der Paw. Es conocida también como técnica de cuatro puntas.

Aplicacion del efecto hall

Los sensores de efecto hall permiten medir :

• la movilidad de una partícula cargada eléctricamente (electrones, lagunas, etc);
• los campos magnéticos (teslametros);
• la intensidad de corrientes eléctricas (sensores de corriente de efecto Hall);
• también permiten la elaboración de sensores o detectores de posicion sin contacto, utilizados particularmente en el automóvil, para detectar la posición de un árbol giratorio (árbol de levas, caja de cambios, paliers, etc.);
• se encuentran también sensores de efecto Hall bajo las teclas de los teclados de los instrumentos de música modernos (órganos, órganos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste que sufren los contactos eléctricos tradicionales;
• se encuentran sensores de efecto Hall en el codificador de un motor de CD;
• los motores de Efecto Hall (HET) son aceleradores de plasma de gran eficacia.

El efecto Hall se produce cuando se ejerce un campo magnético transversal sobre un cable por el que circulan cargas. Como la fuerza magnética ejercida sobre ellas es perpendicular al campo magnético y a su velocidad (ley de la fuerza Lorentz), las cargas son impulsadas hacia un lado del conductor y se genera en él un voltaje transversal o voltaje Hall (VH)

se muestra un dispositivo experimental destinado a medir el voltaje Hall. Sobre una corriente eléctrica actúa un imán que produce un campo magnético (B). La fuerza magnética (Fm)  desvía a las cargas móviles hacia uno de los lados del cable, lo que implica que dicho lado queda con carga de ese signo y el opuesto queda con carga del signo contrario. En consecuencia, entre ambos se establece un campo eléctrico y su correspondiente diferencia de potencial o voltaje Hall.

La obtención experimental del voltaje Hall, permite deducir la velocidad de los portadores de carga y su concentración, puesto que, desde que se alcanza la situación estacionaria, la fuerza eléctrica ejercida sobre cada carga (Fe = q·E) se equilibra con la fuerza magnética  [Fm = q·(v x B)]. De ello se deduce que el voltaje Hall es directamente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético y es inversamente proporcional al número de portadores por unidad de volumen. Por lo tanto, con un sensor de efecto hall se puede determinar la fuerza que ejerce un campo magnético si se conoce la corriente a la que se aplica dicho campo, y viceversa. 
Si ambos (la fuerza del campo magnético y la corriente) son conocidos, entonces el sensor Hall se puede usar como detector de metales o, más en general, como detector de componentes magnéticos diversos. Así se encuentra este tipo de sensores en circuitos integrados, en impresoras láser, en disqueteras de ordenador, en motores de corriente continua, etc.




representa un tacómetro formado por un sensor de efecto Hall al que activan dos imanes (cuando cualquiera de ellos se enfrenta al sensor Hall, produce en él un impulso eléctrico).

Ley de Faraday

En 1820, el descubrimiento, de Oester, de los efectos magnéticos causados por la corriente eléctrica creo un gran interés en la búsqueda de los efectos eléctricos producidos por campos magnéticos, que es lainducción electromagnética, descubierta en 1830 por Michel Faradayy Joseph Henry, casi simultáneamente y de manera independiente. Ampère había malinterpretado algunos experimentos, porque buscaba fenómenos eléctricos causados por campos magnéticos estáticos. Los experimentos de Faraday y Henry, mostraron que una corriente eléctrica podría inducirse en un circuito mediante un campo magnético variable.Los resultados de estos experimentos llevaron a la ley conocida comoLey de Inducción de Faraday. Esta ley señala que la magnitud de la fuerza electromotriz (fem) inducida en un circuito es igual a la razón de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito.

También, los campos eléctricos cambiantes producen campos magnéticos. Esto no se descubrió experimentalmente, porque el efecto hubiera sido mínimo en los experimentos de laboratorio realizados a principios del siglo XIX. Maxwell predijo teóricamente este hecho entre los años 1857 y 1865, en estudios cuyo objeto era desarrollar una base matemática y conceptual firme para la teoría electromagnética. Sugirió que un campo eléctrico cambiante actúa como una corriente de desplazamiento (estudiada en el capitulo anterior) adicional en la ley de Ampère.

Experimento 1:

se conecta un galvanómetro con una espira y se hace mover un imán de un lado a otro por el eje de la espira. Mientras el imán se mantiene fijo nada sucede, pero cuando está en movimiento, la aguja del galvanómetro se desvía de un lugar a otro, indicando la existencia de corriente eléctrica y por ende de una fuerza electromotriz en el circuito espira-galvanómetro. Si el imán se mantiene estacionario y la espira se mueve ya sea hacia o alejándose del imán, la aguja también se desviara. A partir de estas observaciones, puede concluirse que se establece una corriente en un circuito siempre que haya un movimiento relativo entre el imán y la espira.

La corriente que aparece en este experimento se llama corriente inducida, la cual se produce mediante una fem inducida. Nótese que no existen baterías en ninguna parte del circuito.

Experimento 2:

Las espiras se colocan una cerca de la otra pero en reposo la una con respecto de la otra.Cuando se cierra el interruptor S, creando asíuna corriente estacionaria en la bobina de la derecha, el galvanómetro marca momentáneamente; cuando se abre el interruptor, interrumpiendo de este modo la corriente, el galvanómetro marca nuevamente, pero en dirección contraria.

Ley de Lenz

El sentido correcto de la fem. se puede obtener de la ley deLenz propuesta en 1834 por Heinrich Friedrich Lenz (1804-1865) y una de sus muchas formas para enunciarla es:

“En un circuito conductor cerrado, la corriente inducida aparece en un sentido tal que ésta se opone al cambio que la produce”.

El signo menos en la ley de Faraday indica esta oposición. La ley de Lenzse refiere de acuerdo al enunciado a corrientes inducidas, lo cual significa que solo se aplica a circuitos conductores cerrados.

Al acercar un imán hacia un anillo se genera una corriente inducida en el anillo. Una espira de corriente crea un campo en puntos distantes como el de un dipolo magnético, siendo una cara del anillo un polo norte (salen las líneas de fuerza) y la otra un polo sur (entran las líneas de fuerza). En este experimento y como lo predice la ley de Lenz, el anillo de la figura va a oponerse al movimiento del imán hacia él, el lado del anillohacia el imán debe resultar un polo norte, por lo tanto, el resultado es que el anillo y el imán se repelan. De acuerdo con la regla de la mano derecha para que se presente el campo magnético en el anillo como en la figura, la corriente inducida va en el sentido contrario a las manecillas del reloj cuando se mira a lo largo del imán hacia la espira.

La ley de Lenz es necesaria para la conservación de energía. Si la corriente, en los experimentos anteriores, tuviera dirección opuesta, el imán sería atraído hacia la espira, ¡ganando energía cinética!. Se podría usar la mayor energía cinética del imán para efectuar trabajo y al mismo tiempo usar la fem inducida para hacer trabajar maquinas eléctricas. La repetición del proceso produciría una energía libre infinita, cosa que es, imposible.

Transformadores y el magnetismo

Se denomina transformador a un dispositivo electrico que permite aumentar o disminuir la tension en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la induccion electromagnetica. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnetico, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnetico común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero electrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Principio del funcionamiento

El funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la induccion electromagnetica, cuya explicación matemática se resume en las ecuaciones de Maxwell

Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario o inductor, producida esta por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.

La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.

Representación esquemática del transformador.

Campo magnetico de una bobina

Un solenoide es cualquier dispositivo físico capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en el exterior. Un ejemplo teórico es el de una bobina de hilo conductor aislado y enrollado helicoidalmente, de longitud indeterminada. En ese caso ideal el campo magnético sería uniforme en su interior y, como consecuencia, afuera sería nulo.

En la práctica, una aproximación real a un solenoide es un alambre aislado, de longitud finita, enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espirales con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente electrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnetico dentro de la bobina tanto más uniforme cuanto más larga sea la bobina. La ventaja del solenoide radica en esa uniformidad que a veces se requiere en algunos experimentos de física. Pero también tiene inconvenientes: es más engorroso que las Bobinas de Tesla y no puede producir un campo magnético elevado sin un equipo costoso y un sistema de refrigeración. André-Marie Ampere inventó en 1820 el nombre de solenoide, en un experimento en las corrientes circulares.

La bobina con un núcleo apropiado, se convierte en un electroiman. Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme.

Valvulas selenoides:

Este tipo de bobinas es utilizado para accionar un tipo de valvula, llamada válvula solenoide, que responde a pulsos eléctricos respecto de su apertura y cierre. Eventualmente controlable por programa, su aplicación más recurrente en la actualidad, tiene relación con sistemas de regulación hidraulica y neumática.

El mecanismo que acopla y desacopla el motor de arranque de los motores de combustión interna en el momento de su puesta en marcha es un solenoide.

Solenoide atravesado por una corriente. Las curvas azules representan las lineas del campo magnético.

Líneas del campo magnético sobre un solenoide atravesado por una corriente.