eletroterapia pratica baseada em evidencias - sheila kitchen
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Eletroterapia: Prtica Baseada em Evidncias
Sheila Kitchen http://groups-beta.google.com/group/digitalsource
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Eletroterapia: Prtica Baseada em Evidncias
Organizado por
Sheila Kitchen MSC PhD DIPTP MCSP Head, Division of Physiotherapy
King's College London, London, UK
Aps consulta prvia com
Sarah Bazin MCSP Director of Therapy Services, Department of Physiotherapy,
Solihull Hospital, Solihull, UK
11. EDIO
Edio anterior intitulada
Eletroterapia de Clayton
Manole
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Copyright Elsevier Health Sciences
Esta traduo de Eletroterapia: Prtica Baseada em Evidncias publicada em
acordo com Churchill Livingstone, uma diviso da Elsevier Health Sciences
Ttulo do original: Electrotherapy - Evidence-Based Practice
Traduo: Lilia Breternitz Ribeiro
Fisioterapeuta
Mestre em Fisiologia Humana pelo Instituto de Cincias Biomdicas da
Universidade de So Paulo
Reviso cientfica: Raquel Casarotto
Profa. Dra. do Departamento de Fisioterapia da Universidade de So Paulo
Editorao eletrnica: JLG Editorao Grfica S/C Ltda. ME
Capa: Eduardo Bertolini
Imagem da capa: Photo Disc do Brasil
CIP-BRASIL. CATALOGAO-NA-FONTE
SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ
K39
2. ed.
Eletroterapia : prtica baseada em evidncias
/ organizado por Sheila Kitchen ; aps consulta prvia com Sarah Bazin;
[traduo da il.ed. original Lilia Breternitz Ribeiro;
reviso cientfica Raquel Casarotto]. - 2.ed. - Barueri, SP : Manole, 2003
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Traduo de: Electrotherapy : evidence-based practice
"Edio anterior intitulada Eletroterapia de Clayton"
Inclui bibliografia ISBN 85-204-1453-2 1. Eletroterapia.
I. Kitchen, Sheila. II. Bazin, Sarah. III. Clayton, E. Bellis
(Edward Bellis), 1882-.
03-0250.
CDD 615.845 CDU 615.841
Todos os direitos reservados. Nenhuma parte deste livro poder ser reproduzida,
por qualquer processo, sem permisso expressa dos editores.
proibida a reproduo por xerox.
2 edio brasileira 2003
Direitos em lngua portuguesa adquiridos pela:
Editora Manole Ltda.
Impresso no Brasil
Printed in Brazil
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Sumrio Colaboradores vii
Prefcio ix
Seo A Contexto cientfico 1. Princpios eletrofisicos e trmicos 3
G. ter Haar
2. Propriedades eltricas das clulas e dos tecidos 31
R.A. Charman
3. Reparo dos tecidos 45
S. Kitchen, S. Young
4. Ativao de nervos sensitivos e motores 57
O. Scott
5. Fisiologia da dor 75
L. Wood
Seo B Bases cientficas da terapia
6. Efeitos trmicos 89
S. Kitchen
7. Tratamentos de baixa energia: no-trmicos ou microtrmicos? 107
S. Kitchen, M. Dyson
8. Efeitos estimulantes 113
O. Scott
Seo C Agentes condutores 9. Calor e frio: mtodos de conduo 129
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S. Kitchen
Seo D Agentes eletromagnticos 10. Radiao infravermelha 139
S. Kitchen
11.Diatermia 145
Parte 1 Diatermia por ondas curtas 145
S. Scott
Parte 2 Diatermia por microondas 166
J. McMeeken, B. Stillman
12. Laserterapia de baixa intensidade 171
D. Baxter
13. Terapia ultravioleta 191
B. Diffey, P. Farr
Seo E Ultra-som 14. Terapia com ultra-som 211
S. Young
Seo F Correntes de baixa freqncia 15. Correntes de baixa freqncia -introduo 233
T. Howe, M. Trevor
l6.Estimulao eltrica neuromuscular e muscular 241
S. McDonough, S. Kitchen
17. Estimulao eltrica nervosa transcutnea (TENS) 259
M. Johnson
18. Corrente interferencial para controle da dor 287
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S. Palmer, D. Martin
19. Aplicaes na rea de diagnstico e avaliao 301
Parte 1 T estes eletrofisiolgicos 301
O. Scott
Parte 2 Avaliao de feridas 308
S. Young, K. Ballard
20. Estimulao eltrica para regenerao de feridas: uma reviso do
conhecimento atual 313
T. Watson
Apndice: Segurana na prtica 335
S. Bazin
ndice 339
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Colaboradores
Kate Ballard BSc(Hons) RGM
Clinical Nurse Specialist, Tissue Viability Unit,
Guy's Nuffield House, London, UK
Sarah Bazin MCSP
Director of Therapy Services, Department of
Physiotherapy, Solihull Hospital, Solihull, UK
David Baxter TD BSc(Hons) DPhil MCSP
Head of School of Rehabilitation Sciences,
University of Ulster, Jordanstown, UK
Sara Carroll BAppSc MSc
Snior Lecturer, Director of Research, School of Physiotherapy, Curtin University
of Technology, Perth, Austrlia
Robert A. Charman DipTP MCSP FCSP
Lecturer in Physiotherapy, Department of Physiotherapy Education, University of
Wales College of Medicine, Cardiff, UK
Brian Diffey BSc AKC PhD DSc FInstP FIPEM Head of Regional Medicai
Physics Department, Professor of Medicai Physics, Professor of Photobiology,
Newcastle General Hospital, Newcastle upon Tyne, UK
Mary Dyson BSc PhD LHD(Hon) FCSP(Hon)
Director of Dyderm Ltd; Executive Vice-President of Longport Inc.; Emeritus
Reader in the Biology of Tissue Repair at King's College London, London, UK;
Visiting Professor, University of Kansas,
Kansas City, USA
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Peter Farr MD FRCP
Consultant Dermatologist, Department of Dermatology, Royal Victoria Infirmary,
Newcastle upon Tyne, UK
Tracey Howe MSc PhD GradDipPhys CertEd MCSP
Director, Postgraduate Institute for Health, School of Health, University of
Teesside, Teesside, UK
Mark Johnson BSc(Hons) PhD
Principal Lecturer in Human Physiology,
Leeds Metropolitan University, Leeds, UK
Sheila Kitchen MSc PhD DipTP MCSP
Head, Division of Physiotherapy, King's College London,
London, UK
Denis Martin BSc(Hons) MSc DPhil
Assistant Director, Scottish Network for Chronic Pain Research, Department of
Physiotherapy, Queen Margaret University College, Edinburgh, UK
Stephen Martin BAppSc
Research Fellow in Online Learning, Deputy Director of the Technology Unit,
School of Physiotherapy, Faculty of Medicine, Dentistry and Health Sciences,
University of Melbourne, Parkville, Austrlia
Suzanne McDonough BPhysio(Hons) PhD
Lecturer in Rehabilitation Sciences, School of Rehabilitation Sciences, University
of Ulster, Newtownabbev, UK
Joan McMeeken BScHons) MSc DipPhysio MAPA
Professor and Head of School of Physiotherapy, Faculty of Medicine, Dentistry
and Health Sciences, University of Melbourne, Parkville, Austrlia
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Shea Palmer BSc(Hons)
Lecturer in Physiotherapy, Department of Physiotherapy, Queen Margaret
University College, Edinburgh, UK
Oona Scott PhD MCSP
Reader, Department of Rehabilitation Sciences, University of East London,
London, UK
Shona Scott MSc MCSP
Lecturer, School of Life Sciences, Napier University,
Edinburgh, UK
Barry Stillman PhD DipPhysio MAPA MCSP FACP
School of Physiotherapy, Faculty of Medicine, Dentistry and Health Sciences,
University of Melbourne, Parkville, Austrlia
Gail ter Haar MSc DSc PhD
Head of Therapeutic Ultrasound, Royal Marsden Hospital, Sutton, UK
Margaret Trevor BSc(Hons) MSc CEng MIEE MIPEM ILTM
Snior Lecturer in Medicai Imaging, School of Health, University of Teesside,
Teesside, UK
Tim Watson BSc(Hons) PhD MCSP
Head of Department of Physiotherapy, University of Hertfordshire,
Hatfield, UK
Leslie Wood BSc PhD
Snior Lecturer in Physiology, School of Biological and Biomedical Sciences,
Glasgow Caledonian University, Glasgow, UK
Steve Young PhD
Director, Tissue Viability Unit, Guy's Nuffield House,
London, UK
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Prefcio
A eletroterapia tem sido uma das habilidades-chave da fisioterapia, com
uma longa histria na prtica clnica desde seu princpio mais remoto, com o
uso de calor, frio e estimulao eltrica. Nos ltimos anos, tem-se visto o
acrscimo de inmeros outros agentes de tratamento ao repertrio. Apesar
dessa histria e de sua ampla e contnua utilizao, tanto os princpios fsicos
quanto fisiolgicos subjacentes ao seu uso ainda so com freqncia mal
compreendidos e as evidncias de sua eficcia - ou no-eficcia - geralmente
no so levadas em conta na prtica diria.
Este texto, que foi revisto e ampliado por um grande nmero de
especialistas na rea, foi elaborado para dar ao leitor um conhecimento
atualizado dos agentes usados mais comumente. Foi expandido considerando
o desenvolvimento recente nas pesquisas e abordando certos aspectos que
tiveram cobertura limitada na ltima edio de Eletroterapia de Clayton. Forne-
ce ao mesmo tempo ao estudante informaes sobre segurana e aplicao
apropriada dos tratamentos, porm evitando a abordagem de um "livro de
receitas", que inibe uma tomada de deciso clnica consciente.
A mudana no ttulo deste livro - Eletroterapia: Prtica Baseada em
Evidncias - tem a inteno de enfatizar a necessidade de praticar as tcnicas
teraputicas luz de uma base de conhecimento slida e atualizada. Watson
(2000) chama ateno para a importncia do papel do conhecimento e das
evidncias na tomada de deciso clnica. Ele observa que tanto a quantidade
quanto a qualidade das evidncias vm melhorando de forma regular e fornece
um modelo til para a tomada de deciso em eletroterapia. essencial que
faamos nosso aprendizado a partir das teorias bsicas (tanto fsicas quanto
fisiolgicas) e das evidncias das pesquisas, assim como de reflexes sobre
nossa experincia na prtica clnica. Este material pode, portanto, ser usado
para selecionar o tratamento adequado para indivduos cujas metas tera-
puticas j tenhamos identificado claramente. O modelo desenvolvido por
Watson (2000) de tomada de deciso ilustrado (Fig. 1) mostra a inter-relao
entre teoria, aprendizado, tomada de deciso e efeitos clnicos.
A organizadora deseja agradecer a todos os que contriburam, oriundos
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de uma grande variedade de campos especializados e que so peritos em suas
reas, por seus trabalhos e determinao em fornecer informaes acessveis
e atualizadas. Os crditos devem ir tambm para Kenneth Collins, por seu
trabalho no Captulo 6, e para o editor, que forneceu suporte contnuo em todo
o projeto.
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X PREFCIO
REFERNCIA
Watson, T (2000) The role of physiotherapy in contemporary
physiotherapy practice. Manual Therapy 5(3): 132-141.
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Seo A
Contexto cientfico
CONTEDO DA SEO
1 Princpios eletrofsicos e trmicos 3
2. Propriedades eltricas das clulas e dos tecidos 31
3. Reparo dos tecidos 45
4. Ativao de nervos sensitivos e motores 57
5. Fisiologia da dor 75
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Princpios eletrofsicos e trmicos
CONTEDO DO CAPTULO
Introduo 3
Movimento das Ondas 4 Reflexo e Refrao de ondas 7
Polarizao 9
Eletricidade e magnetismo 9 Eletricidade 9
Magnetismo 16
Ondas Mecnicas 20 Ultra-som 21
Calor e Temperatura 27 Efeitos Fsicos do calor 28
Transferncia de calor 29
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1
Princpios eletrofsicos e trmicos
Gail ter Haar
INTRODUO
Os agentes eletrofsicos so usados pelos fisioterapeutas para tratar uma
grande variedade de condies. Esses agentes incluem ondas ele-
tromagnticas e sonoras, alm de correntes estimuladoras de msculos e
nervos. Em parte, essas tcnicas so usadas para induzir o aquecimento dos
tecidos. Este captulo contm, em termos simples, uma introduo aos efeitos
do calor nos tecidos e fsica bsica necessria para compreender o restante
do livro. As propriedades eltricas das clulas e suas implicaes para a
eletroterapia esto descritas no Captulo 2.
Durante sculos, os antigos filsofos especularam sobre a natureza do
calor e do frio. As opinies eram divididas quanto ao fato de o calor ser uma
substncia ou um efeito do movimento das partculas, mas no sculo XVIII, os
fsicos e bioqumicos chegaram concluso de que a velocidade de movimento
das molculas constituintes do corpo ou objeto dava aos nossos sentidos a
impresso de calor ou de frio. Dr. J. P. Joule, de Manchester, no ano de 1840,
desempenhou com preciso uma pesquisa sobre a relao entre o trabalho
feito ao se mover um aparelho elaborado para agitar a gua e o calor
desenvolvido ao realiz-lo. Ele mostrou de maneira muito clara que a
quantidade de calor produzido por frico dependia da quantidade de trabalho
feito. Subseqentemente, seu trabalho tambm contribuiu para a teoria da
correlao das foras e em 1847 ele enunciou a lei da conservao de energia
(a base da primeira lei da termodinmica).
Tornou-se aceita a viso que o calor pode ser considerado uma forma de
energia que pode ser transformada em outras formas de energia, como eltrica
ou mecnica. A teoria supunha que, quando um corpo aquecido, a elevao
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na temperatura deve-se ao aumento da energia do movimento das molculas
naquele corpo. A teoria ia alm e explicava a transmisso da energia radiante
de um corpo para outro, como a do sol para um indivduo sobre a terra. Foram
encontradas evidncias a favor da suposio de que a luz uma onda
eletromagntica e exatamente as mesmas evidncias foram obtidas com
relao energia radiante. Apesar do fato das ondas de calor radiante (ou seja,
radiaes infravermelho) terem um comprimento de onda mais longo do que as
ondas de luz, suas caractersticas fsicas so as mesmas. Sugere-se, portanto,
que as molculas de um corpo quente se acham em um estado de rpida
vibrao ou so o centro de distrbios peridicos rpidos, produzindo ondas
eletromagnticas que correm entre o corpo quente e o corpo que as recebe e
causando, assim, um movimento similar nas molculas. O senso de calor pode
assim ser estimulado em um organismo por meio de ondas de energia de calor
radiante que comeam em um objeto quente, do mesmo modo que o sentido
da viso estimulado por ondas de luz que comeam em um objeto luminoso.
Uma compreenso do movimento das ondas central para dominar a
fsica de qualquer forma de terapia que utilize energia eltrica ou mecnica.
Para isso apresentamos uma descrio geral do movimento das ondas antes
de dar um tratamento mais detalhado eletricidade, ao magnetismo e ao ultra-
som.
MOVIMENTO DAS ONDAS
O movimento das ondas transfere energia de um local para o outro.
Pense em uma rolha flutuando em um lago onde cai uma pedra. As ondulaes
se movem para longe do ponto onde a pedra penetra na gua e parte da
energia da pedra transferida para a beira do lago. A rolha sobe e desce
boiando, mas no se move dentro do lago.
Um modo fcil de demonstrar o movimento das ondas usar uma mola
de brinquedo. Existem dois tipos de ondas: ondas transversas, que podem ser
simuladas levantando e abaixando uma extremidade da mola rapidamente,
como mostra a Figura 1.1, e as ondas longitudinais, que podem ser
demonstradas estendendo a mola em seu comprimento e soltando-a em
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seguida (Fig. 1.2).
Onda transversa Figura 1.1 Se uma mola presa em uma ponta for agitada para cima e para baixo, ser
produzida uma onda transversa.
Onda longitudinal
Mola no estendida Figura 1.2 Estender uma mola pelo seu comprimento e depois solt-la produz uma onda longitudinal.
As ondas de gua, o movimento de uma corda de violino e as ondas
eletromagticas, como as usadas na diatermia de ondas curtas, terapia com
infravermelho e corrente interferencial, so exemplos de ondas transversas. O
som, do modo usado na terapia por ultra-som, propaga-se principalmente com
ondas longitudinais.
muito mais difcil ilustrar uma onda longitudinal do que uma onda
transversa. Se a mola com a onda correndo para baixo dela (Fig. 1.2)
comparada com uma mola no estendida, podem ser vistas algumas regies
onde as espirais esto mais separadas. A parte da mola onde as espirais esto
pouco separadas chamada de regio de compresso e a regio onde esto
mais separadas denominada de regio de rarefao.
As ondas do mar so geralmente descritas em termos de picos e
depresses. O movimento para cima para a crista da onda, descendo para uma
depresso e voltando para a crista novamente conhecido como ciclo de
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oscilao. Uma rolha flutuando no mar bia subindo e descendo enquanto as
ondas passam. A diferena na altura da rolha entre uma crista e uma
depresso o dobro da amplitude. Talvez um modo mais simples de visualizar
a amplitude seja como a diferena na altura da gua acima da superfcie do
mar entre um mar calmo e liso e a crista da onda. O nmero de cristas de onda
passando pela rolha em um segundo a freqncia de onda (/). A freqncia
medida em hertz (Hz), onde 1 Hz 1 ciclo/segundo. O tempo que decorre entre
duas cristas de onda adjacentes passando pela rolha o perodo (T) da
oscilao. Este tem unidades de tempo; se cada ciclo leva T segundos, haver
1/T ciclos em cada segundo. O nmero de ciclos que ocorre em um segundo j
foi definido como freqncia e desse modo pode ser escrito do seguinte modo:
= 1/T, ou [1]
T=1/ [2]
A distncia entre a crista de duas ondas adjacentes o comprimento de
onda (A).
A Figura 1.3A e B mostra uma onda congelada em dois momentos, em
um curto intervalo de tempo.
Figura 1.3 A e B: A posio de dois pontos A e C no trajeto de uma onda medida que
essa passa por eles. Os deslocamentos mostrados esto congelados em dois momentos
diferentes, entre os quais a onda moveu-se uma frao de seu comprimento. C: O
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deslocamento do ponto durante dois ciclos.
Figura 1.4 Os pontos A e B, e tambm A1 e B1, ficam sempre na mesma posio relativa na onda. Eles esto em fase. Os pontos A e C esto fora de fase.
Figura 1.5 A fase do ngulo pode ser comparada ao giro de uma roda d'gua. Imagine
duas rodas, A e B, ambas com uma marca no aro. A no se move, mas B gira e medida que gira, a marca no aro executa crculos, cada giro completo representando um ciclo. O ngulo atravs do qual a marca gira em um ciclo 360 (2TC radianos). Assim, por exemplo, comparada com A, quando a marca no aro de B moveu-se um quarto de giro (ciclo), o ngulo entre as duas marcas de um quarto de 360 (90 ou n/2 radianos); aps metade de um giro o ngulo entre as duas marcas de 180 ou jt radianos. Esse ngulo entre as duas marcas anlogo diferena de fase. medida que B roda, a altura da marca acima do centro da roda varia. Se a roda gira a uma velocidade constante, a altura da marca traa uma onda seno quando traada em funo do tempo.
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Pode ser visto que os pontos diferentes na onda mudaram de posio em
relao linha central, mas no se moveram no espao. De fato, se voc
seguir o movimento do ponto A durante vrios perodos, o movimento para
cima e para baixo poderia parecer como o quadro visto na Figura 1.3C. A
velocidade com que as cristas das ondas se movem conhecida como
velocidade da onda. Como a onda se move um comprimento de onda (X) em
um ciclo, e um ciclo leva um tempo igual ao perodo x, a velocidade da onda (c)
dada pela equao:
c=./t [3]
sabido que 1/t o mesmo que a freqncia , e ento
c=f . [4] Na Figura 1.4, os pontos A e B na onda (ou A1 e B1) esto se movendo do
mesmo modo e alcanaro a crista (ou depresso) juntos. dito que esses
pontos esto em fase entre si. O movimento de A para B (ou A1 para B1) repre-
senta um ciclo do movimento de onda. A e C no esto em fase; C est um
quarto de ciclo na frente de A e considera-se que esto em uma fase diferente
() em um quarto de ciclo. A fase geralmente expressa como um ngulo e
um ciclo completo de 2% radianos (ou 360). Um quarto de ciclo, portanto,
representa uma diferena de fase de /2 radianos (90). Isso est ilustrado na
Figura 1.5.
Reflexo e retrao de ondas
Quando ondas que esto percorrendo um meio chegam superfcie de
um segundo meio, parte da energia refletida de volta para o primeiro meio e
parte da energia transmitida para dentro do segundo meio. A proporo da
energia total que refletida determinada pelas propriedades dos dois meios
envolvidos. A Figura 1.6 mostra o que acontece quando as ondas so refletidas
por uma superfcie reta (plana). Uma linha imaginria que perpendicular
superfcie chamada de normal. A lei da reflexo afirma que o ngulo entre a
onda incidente (que est chegando) e a normal sempre igual ao ngulo entre
a onda refletida e a normal. Se uma onda incidente se acha em incidncia
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normal, a onda refletida de volta ao longo de seu trajeto.
As ondas que so transmitidas para dentro do segundo meio podem
tambm sofrer refrao. Refrao o desvio da luz em direo normal
quando ela passa de um meio para outro no qual a velocidade de onda mais
baixa, ou se afastando da normal quando a velocidade da onda no segundo
meio mais alta. Isso est representado na Figura 1.7. Por exemplo, a luz se
desvia em direo normal quando sai do ar e entra na gua j que corre mais
lentamente na gua do que no ar e, desse modo, uma piscina pode parecer
mais rasa do que realmente .
Como j foi discutido, as ondas transportam energia. H condies,
contudo, nas quais o transporte de energia pode ser interrompido e a
Figura 1.6 A lei da reflexo afirma que o ngulo de incidncia eqivale ao ngulo de
reflexo.
Figura 1.7 Quando um feixe passa de um meio para outro, pode sofrer refrao (ou seja,
mudar sua direo).
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Figura 1.8 Uma onda estacionaria formada quando duas ondas de igual amplitude
atravessando em direes opostas se encontram. A: As duas ondas se cancelam. B: As duas
ondas se somam e se reforam.
energia pode ser localizada. Isso acontece em uma onda estacionaria
(parada). Uma onda estacionaria produzida quando uma onda incidente
encontra uma onda refletida retornando com a mesma amplitude. Quando as
duas ondas se encontram, a amplitude total a soma das duas amplitudes
individuais. Portanto, como pode ser visto na Figura 1.8A, se a depresso de
uma onda coincide com a crista da outra, as duas ondas se cancelam. Se,
contudo, a crista de uma encontra a crista da outra, o movimento da onda
reforado (Fig. 1.8B) e a amplitude total duplicada. Na onda estacionaria
reforada h pontos que sempre tm amplitude zero; esses so chamados de
nodos. Similarmente, h pontos que sempre tm a maior amplitude e so
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chamados de antinodos. Nodos e antinodos so mostrados na Figura 1.8B. A
distncia entre nodos adjacentes, ou antinodos, a metade do comprimento da
onda.
Polarizao
Ao bater a mola de brinquedo para cima e para baixo para produzir uma
onda transversa, tem-se um nmero infinito de escolhas quanto a qual direo
mov-la, desde que o movimento esteja em ngulo reto com a linha da mola.
Se a mola sempre movida em uma direo fixa, dito que a onda est
polarizada - as ondas esto apenas naquele plano. Contudo, se as ondas (ou
direes nas quais a mola movida) esto em inmeras direes diferentes, as
ondas esto despolarizadas. possvel polarizar as ondas passando-as
atravs de um filtro que permite a passagem apenas de ondas que estejam em
um plano. Isso pode ser visualizado analisando um pedao de carto com um
rasgo estreito e longo. Esse permite que as ondas formadas no plano do rasgo
passem atravs dele, mas no as outras - o carto portanto age como um filtro
polarizador.
ELETRICIDADE E MAGNETISMO
Os efeitos das cargas eltricas so familiares a todos, mesmo quando
no esto cientes de suas causas. A "esttica" experimentada ao escovar um
cabelo recm-lavado ou ao despir-se e a carga eltrica bvia no relmpago so
exemplos dos efeitos das cargas.
Eletricidade A matria feita de tomos, com um tomo sendo a menor partcula de
um elemento que pode ser identificada como sendo daquele elemento. O
tomo feito de um ncleo central carregado positivamente (constitudo de
prtons carregados positivamente e nutrons sem carga), com partculas
carregadas negativamente (eltrons) orbitando ao seu redor, lembrando um
sistema solar em miniatura. Um tomo contm a mesma quantidade de prtons
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e de eltrons e desse modo no h uma carga resultante. Se esse equilbrio
destrudo, o tomo tem uma carga resultante diferente de zero e chamado de
on. Se um eltron removido do tomo este torna-se um on positivo, e se um
eltron acrescentado ao tomo este torna-se um on negativo.
Duas partculas de cargas opostas se atraem e duas partculas com a
mesma carga se repelem (se empurram para longe uma da outra). Assim, um
eltron e um prton so atrados um para o outro, enquanto dois eltrons se
repelem.
A unidade de carga o coulomb (C). Um eltron tem uma carga de 1,6 X
IO"19 C, de modo que necessrio um nmero muito grande de eltrons (6,2 X
IO18) para fazer um coulomb.
A fora entre duas partculas de carga q1eq2 proporcional ao produto de
q1 e q2 (qx X q2) e inversamente proporcional distncia entre elas (d) ao
quadrado (Fig. 1.9). Portanto, a fora proporcional a q1q2d2. A constante de
proporcionalidade (ou seja, o nmero que no varia) necessrio para permitir
que se calcule a fora entre as duas cargas l/4rce, em que e a
permissividade do meio que contm as duas cargas:
F =q1q2/4d2 [5]
Se uma das cargas negativa, ento a fora de atrao. Se as
partculas esto em um vcuo, a permissividade usada e0; isso conhecido
como a permissividade de espao livre. Para
Figura 1.9 Duas partculas de carga q: e q2 separadas a uma distncia d experimentam
uma fora entre elas proporcional a q1q2/ d2.
um meio que no seja o vcuo, a permissividade geralmente anotada
como um mltiplo de e0, onde o fator multiplicador, K, conhecido como
permissividade relativa ou constante dieltrica. Desse modo:
= K0 ou [6a]
K=/0. [6b]
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Campos eltricos
Em torno de qualquer partcula carregada existe um campo eltrico. Se
uma carga menor que est livre para se mover colocada no campo, os
trajetos por onde ir se mover so chamados de linhas de fora (ou linhas de
campo). Exemplos de campos e seus padres esto representados na Figura
1.10.
Figura 1.10 Exemplos de campos eltricos perto de partculas e placas carregadas. A:
Campo entre duas partculas com cargas iguais e opostas. B: Campo entre duas partculas
carregadas positivamente. C: Campo entre uma partcula carregada e uma placa com carga
oposta. D: Campo entre duas placas com cargas opostas.
A fora do campo eltrico, E, definida como fora por unidade de carga
em uma partcula colocada no campo. Um pequeno raciocnio mostra que E -
F/q, onde F a fora e q a carga da partcula. As unidades usadas para des-
crever E so newtons por coulomb (N/C).
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Se E o mesmo em todo um campo, este dito uniforme. Nesse caso, as
linhas do campo esto paralelas entre si como mostra a Figura 1.10D. Se uma
partcula carregada se movimenta nesse campo, realizado trabalho nele, a
menos que se mova perpendicularmente s linhas de campo. Isso de certo
modo anlogo ao movimento de uma bola em torno da Terra. Se a bola
sempre mantida na mesma altura e movida horizontalmente, sua energia
potencial permanece constante. Se a bola levantada ou abaixada, sua
energia potencial se altera. A bola no tem energia potencial quando est
apoiada no solo. Em um campo no uniforme onde as linhas no so paralelas,
o movimento de uma partcula com carga sempre resulta em uma mudana de
energia potencial. O potencial eltrico, V, definido como a energia potencial
por unidade de carga de uma partcula carregada positivamente colocada
naquele ponto. O potencial eltrico medido em unidades de volts. Como a
posio na qual a energia eltrica potencial zero tomada como infinita,
outro modo de pensar no potencial eltrico em um ponto o trabalho feito para
mover a carga at aquele ponto a partir do infinito. Na prtica mais fcil
comparar o potencial eltrico de dois pontos no campo do que considerar o
infinito. A diferena no trabalho necessrio para mover uma carga do infinito
at um ponto, A, e aquele necessrio para mov-la para outro ponto, B,
chamada de diferena de potencial (d.p.) entre os dois pontos; esta tambm
medida em volts. A d.p. mais bem entendida como um tipo de diferena de
presso. Entre os dois pontos haver um gradiente no potencial (como h um
gradiente de presso entre o topo e a base de uma cachoeira). Esse gradiente
escrito em unidades de volts por metro. Em um campo uniforme entre placas
paralelas com diferena de potencial V, e separao d, o gradiente de potencial
dado por V/d. Se uma partcula de carga q movida de uma placa para outra,
o trabalho feito qV. Trabalho fora X distncia, e desse modo a fora, F,
dada por:
F = qV/d. [7]
Como a fora do campo eltrico, E, dada por:
E = Flq, . [8]
segue-se que:
E=Vld. [9]
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Lembre-se de que V/d o gradiente de potencial. A partir dessa equao
podemos ver que a fora do campo eltrico pode ser aumentada aproximando-
se as duas placas. Embora a derivao seja mais complicada, a fora do
campo eltrico em qualquer ponto em um campo no uniforme pode tambm
ser demonstrada como sendo a mesma que o gradiente de potencial naquele
ponto.
Qualquer circuito eltrico precisa de um suprimento de potncia para
conduzir os eltrons em torno dos condutores. Uma fonte de potncia tem um
terminal positivo e um negativo e a fonte fora os eltrons para fora de seu
terminal negativo. A energia eltrica pode ser produzida dentro da fonte por
inmeros meios. Dnamos convertem energia mecnica em energia eltrica,
clulas solares convertem a energia do sol em energia eltrica e as baterias
convertem energia qumica em energia eltrica. A fora que age sobre os
eltrons chamada de fora eletromotiva (f.e.m.). Essa definida como a
energia eltrica produzida por unidade de carga dentro da fonte. A unidade na
qual a f.e.m. medida o volt, pois 1 volt 1 joule/coulomb.
Corrente eltrica
Corrente eltrica o fluxo de carga eltrica (geralmente eltrons). Em
alguns materiais (p. ex., metais), nos quais os tomos so ligados formando
uma estrutura tipo trelia, a carga transportada por eltrons. Em materiais
nos quais os tomos so livres para se moverem, a carga transportada por
ons. Um lquido no qual os ons so os transportadores de carga chamado
de eletrlito. Um isolante um material que no tem condutores de carga livres
e desse modo incapaz de conduzir corrente eltrica. A corrente medida
usando um ampermetro e a unidade em que dada o ampre. Um ampre
representa 1 coulomb de carga fluindo atravs de um ponto em 1 segundo.
H dois tipos de corrente eltrica. A corrente direta (CD) aquela na qual
o fluxo de eltrons est em uma direo apenas e a corrente alternada (CA)
aquela na qual a corrente flui primeiro por um caminho e depois por outro. Ao
considerar os circuitos eltricos, mais fcil pensar primeiro nas correntes
diretas. Uma seo subseqente salienta as diferenas entre circuitos com CA
-
e CD.
Resistncia e lei de Ohm
O fluxo de carga eltrica atravs de um condutor anlogo ao fluxo de
gua atravs dos canos. Se a gua bombeada pelo sistema, canos estreitos
iro impor mais resistncia ao fluxo do que canos largos. Os condutores
eltricos tambm oferecem uma resistncia ao fluxo de carga. A medida que
partculas com carga se movem atravs de um condutor, elas colidem com
outros condutores de carga e com os tomos residentes; os constituintes do
condutor desse modo impedem o fluxo de corrente.
Georg Ohm foi capaz de demonstrar que a corrente fluindo em um circuito
proporcional diferena de potencial atravs dele. Sua lei (lei de Ohm),
enunciada formalmente, :
A corrente fluindo atravs de um condutor metlico proporcional
diferena de potencial que existe atravs dele, desde que todas as condies
fsicas permaneam constantes.
Desse modo, / V e tambm pode ser escrito como V I, onde a
constante de proporcionalidade a resistncia. A equao resultante da lei de
Ohm portanto:
V = IR. [10]
R medido em ohms (). O ohm definido como a resistncia de um
corpo de modo que uma diferena de potencial de 1 volt atravs do corpo
resulte em uma corrente de 1 ampre atravs dele.
A resistncia de um pedao de fio aumenta com seu comprimento e
diminui medida que sua rea de seco transversal aumenta. Uma
propriedade chamada de resistividade definida como sendo uma propriedade
apenas do material e no da forma do material. A resistncia R de um pedao
de fio com resistividade p, comprimento L e rea A dada por:
R = pL/A. [11]
-
Quando os eltrons fluem atravs de um condutor, eles colidem com os
tomos no material condutor e conferem energia a esses tomos. Isso leva ao
aquecimento do condutor. A unidade usada para medir energia o joule. J foi
visto (vide equao 7) que a diferena de potencial medida em volts o
trabalho feito para mover uma unidade de carga entre dois pontos. Desse
modo, conclui-se que como a diferena de potencial o trabalho feito por
unidade de carga:
volt = joule/coulomb, [12a]
e desse modo:
joule = volt coulomb. [12b]
A unidade de medida de potncia o watt. Potncia a taxa com que o
trabalho feito, de modo que um watt um joule/segundo. Segue-se da
equao acima que:
1 watt = 1 joule/segundo [13a]
= 1 volt coulomb/segundo. [13b]
A partir da definio dada sabe-se que um coulomb/segundo um
ampre. Desse modo, portanto:
1 watt = 1 volt.ampre. [14]
Em outras palavras, a potncia eltrica desenvolvida em um circuito
dada por:
potncia = VI, [15]
onde V em volts, / em ampres e a potncia em watts.
A partir da lei de Ohm podem ser feitas substituies nessa equao para
expressar potncia em termos de diferentes combinaes de V, I e R. Desse
modo:
W=VI, [16a]
W=I2R, [16b]
W = V2/R, [16c]
so equaes equivalentes, nos quais W em watts, V em volts e R
em ohms.
-
Capacitncia
Qualquer dispositivo passivo capaz de armazenar carga eltrica
chamado de capacitor. Esse o equivalente eltrico de uma mola comprimida,
que armazena energia at ser permitido que se expanda. Um capacitor
armazena carga at que possa liber-la tornando-se parte de um circuito
eltrico completo. Se voc aplica um potencial eltrico, V, entre duas placas de
um capacitor, uma placa se torna carregada positivamente e a outra se torna
carregada com uma carga igual porm oposta negativa. Se um material
isolante conhecido como dieltrico colocado entre as placas, a capacidade de
armazenar carga aumentada. A permissividade relativa, ou constante
dieltrica mencionada anteriormente, tem outra definio: tambm a razo
entre a carga que pode ser armazenada entre duas placas com um material
dieltrico entre elas e a que pode ser armazenada sem o dieltrico.
Um capacitor desenhado em um diagrama de circuito como um par de
linhas paralelas verticais. Sua capacitncia, C, definida como a carga (Q)
armazenada por unidade de diferena de potencial atravs de suas placas.
C= Q/V. [17]
Como Q medida em coulombs e V medida em volts, a unidade para
capacitncia cou-iomb/volt, conhecida como farad. Comumente, a
capacitncia de um capacitor encontrada em um circuito eltrico de poucos
micro- (10-6 ) ou pico- (10-12) farads.
Um capacitor carregado aplicando-se uma diferena de potencial
atravs de suas placas. Ele descarregado (ou seja, permite-se que a carga
flua para fora das placas) proporcionando uma conexo eltrica entre as
placas.
Circuitos eltricos
Os smbolos usados para denotar os diferentes componentes usados nos
circuitos eltricos esto representados na Figura 1.11.
-
Figura 1.11 Smbolos usados para desenhar circuitos eltricos. A: Resistor. B: Resistor
varivel. C: Capacitor. D: Fonte de CD. E: Fonte de CA. F: Indutncia. G: Interruptor. H:
Lmpada.
dito que dois componentes eltricos esto em srie quando conduzem
a mesma corrente. A diferena de potencial atravs de uma srie de
componentes a soma das diferenas de potencial atravs de cada uma. Os
componentes esto em paralelo quando tm a mesma diferena de potencial
atravs deles. A corrente ento a soma das correntes fluindo atravs deles.
Resistores em srie. Se vrios resistores so unidos em srie um com o outro, a mesma corrente flui atravs de todos eles j que os eltrons no
podem ser perdidos atravs do caminho. Da lei de Ohm, o potencial, Vp atravs
de cada resistncia na Figura 1.12A, dado por:
Vi = IRi.. [18]
Se o potencial total atravs de toda a mola V, ento:
V = V1+V2+V3+...+Vi, [19]
-
Desse modo:
V = IRl+IR1+IR3+...+IRi,
=I[Rl+R2+R3+...+Ri]. [20]
Portanto, a resistncia nica necessria para ter o mesmo efeito da mola
de resistores, Rtotal a soma de todas as resistncias:
Rtotal=R1+R2+R 3 ...+Ri. [21]
Por exemplo, na mola mostrada na Figura 1.12B, a resistncia total
Rtotal 2+5+10 = 17 .
Resistores em paralelo. Os resistores podem tambm ser amarrados em
-
paralelo, como mostra a Figura 1.13A. O fluxo de eltrons se divide em A, com
os eltrons tomando rotas diferentes at B onde se unem novamente. O fluxo
total de corrente atravs de todos os resistores, /, o mesmo que a soma das
correntes atravs de cada resistor:
I=I1+/2+/3+...+/i. [22]
A diferena de potencial atravs de cada resistor idntica. Usando a lei
de Ohm na equao acima, podemos escrever:
I = V/R1+V/R2,+V/R3+...+V/Ri,
= V[1/R1+1/R2+1/R3+...+1/Ri]. [23]
Portanto, a resistncia nica que poderia substituir esses resistores
paralelos tem um valor:
1/Rtotal= 1/R1+1/R1+1/R2+1/R3+...+1/Ri. [24]
Por exemplo, se trs resistores de 2,5 e 10 esto em paralelo, como
mostra a Figura 1.13B, o resistor equivalente para substitu-los
1/(1/2+1/5+1/10), que 1/(0,5+0,2+0,1) = 1/0,8 = 1,25 .
Capacitores em srie. Uma voltagem aplicada atravs de quatro capacitores em srie induz cargas de +Q e -Q em suas placas (Fig. 1.14).
Usando a equao 17 sabemos que:
1/C = V/Q.
A diferena de potencial atravs da fileira em srie a soma de potenciais
atravs de cada capacitor, e assim a capacitncia nica, C, equivalente a
-
quatro capacitores C1 C2, C3 e C4 dada por:
1/C = [ v1+ v2 + v3 + v4]/Q [25] = V1/Q+V2/Q+V3/Q=V4/Q
= 1/ C1+C2 + 1/C3 + 1/C4. [26]
Se as capacitncias so 2, 1, 5 e 10 uF, ento C = 0,56 uF.
Capacitores em paralelo. Se os capacitores so conectados em paralelo como mostra a Figura 1.15, a carga total desenvolvida neles a soma das
cargas em cada um deles. A corrente nunca negativa. A diferena de
potencial a mesma atravs de todos os capacitores.
A capacitncia eficaz de todos os capacitores colocados juntos dada
pela expresso:
C=Q/V,
em que:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
e assim:
C = Q1/V + Q2/V + Q3/V + Q4/V [27]
= C1 + C2 + C3 + C4. [28]
Se as capacitncias so 1, 2, 5 e 10 uF, ento C 18uF.
Corrente direta e alternada. Como j foi discutido, existem dois tipos de corrente eltrica: corrente direta (CD) e corrente alternada (CA). O tipo mais
comum de corrente alternada tem uma forma de onda senoidal, como aquela
encontrada na rede eltrica. Para a CA senoidal, a relao entre freqncia e
perodo etc. definida na primeira seo permanece vlida.
Figura 1.15 Capacitores em paralelo
-
A variao de corrente pode ser descrita pela relao:
/ = Io sen[2ft], [29]
e, do mesmo modo, a voltagem descrita por:
V = V sen[2ft] , [30]
onde sen [2ft] a expresso que diz a voc que a forma de onda uma
onda senoidal de freqncia/, e /0 e Vo so os valores mximos de corrente e
voltagem (a amplitude de oscilao). Claramente, a corrente mdia ao longo de
um ciclo na Figura 1.16 zero - a corrente positiva o tanto quanto negativa
- e o mesmo se aplica voltagem.
Em alguns casos, uma corrente alternada pode ser retificada, como
mostra a Figura 1.16B e C. Aqui, a corrente mdia claramente diferente de
zero. Para a retificao de meia onda, a corrente mdia 0,318/0, e para a
retificao de onda completa a corrente mdia 0,636/Q.
Se uma corrente alternada flui atravs de um resistor a corrente mdia
zero, porm, o efeito de aquecimento no. Em cada passagem atravs do
resistor, os eltrons o aquecem levemente, independente da direo do fluxo.
Claramente, apesar da corrente total zero, alguma energia gasta no circuito e
define-se uma corrente eficaz para que se considere esse fato. A corrente
eficaz (tambm conhecida como corrente root mean square*1 (RMS), I RMS) o
valor da corrente constante que caso pudesse fluir durante a mesma extenso
de tempo gastaria a mesma quantidade de energia eltrica, com uma voltagem
fixa, que a corrente alternada. Uma voltagem eficaz (voltagem root mean
square (RMS), VRMS) definida de modo similar como a voltagem constante
que, se presente pela mesma extenso de tempo, gastaria a mesma
quantidade de energia eltrica, com uma voltagem fixa, que a voltagem
alternada.
Da equao 16 a potncia, W, nos circuitos de CD dada por:
W = VI,
1 *N.T.: root mean square a raiz quadrada da mdia aritmtica dos quadrados de um
conjunto de nmeros. Nos artigos tcnicos em portugus emprega-se apenas o termo RMS.
-
Figura 1.16 Retificao de uma corrente alternada. A: Onda no retificada. B:
Retificao de meia onda. C: Retificao completa.
onde W em watts, V em volts e / em ampres. Do mesmo modo, em
um circuito de CA:
W = VRMSIRMS [31]
A lei de Ohm pode ser empregada se forem usadas correntes e voltagens
eficazes. Portanto a potncia pode tambm ser escrita como:
W = I2effR, [32]
ou
W = V2effR, [33]
Pode ser demonstrado que /eff = I0/2=0,707I0 e que Veff=V0/2=0,707/V00.
Os capacitores permitem que as correntes alternadas fluam. A resistncia
atravs das placas do capacitor conhecida como impedncia (Z). Essa
definida como a razo das amplitudes de voltagem e corrente do mesmo modo
que a resistncia dada por V/R para a corrente direta. Pode ser demonstrado
que:
-
Z = 1/ C, [34]
onde C a capacitncia e (a freqncia angular) = 2 f.
Magnetismo
A maioria de ns j usou uma bssola e sabe que a agulha oscila para
apontar norte-sul. A bssola uma barra de magneto permanente que se
alinha com o campo magntico da terra.
H dois plos magnticos: o plo norte e o plo sul. De vrias maneiras,
os dois plos de um magneto agem do mesmo modo que cargas eltricas
opostas. Plos magnticos iguais se repelem e plos diferentes se atraem. H
uma fora entre dois magnetos separados a uma distncia d um do outro e a
equao que descreve essa fora bastante similar equao 5:
F = m1m2/4d2.. [35]
Aqui, a permeabilidade do meio, 0 (a permeabilidade do espao livre)
usada quando os magnetos se encontram no vcuo. A fora de um magneto
medida em unidades de webers (Wb). A unidade de permeabilidade o
henry/metro (H/m). A permeabilidade relativa, r, definida pela relao:
r =/0. [36]
Considera-se que existe um campo magntico em um ponto se um
pequeno magneto colocado l experimenta uma fora. Essa se alinhar com as
linhas do campo magntico. Os campos ao redor de alguns magnetos
permanentes esto representados na Figura 1.17.
O nmero de linhas magnticas de fora passando atravs de uma rea,
A, conhecido como fluxo magntico (N). O fluxo magntico que passa atravs
de uma unidade de rea que alinhada perpendicular ao campo a densidade
do fluxo magntico (B). A densidade do fluxo magntico medida em unidades
-
de teslas (T); 1 tesla = 1 Wb/m2.
Eletromagnetismo
Os fios que conduzem uma corrente eltrica produzem campos
magnticos em torno deles.
O campo magntico em torno de um longo fio reto forma uma srie de
crculos concntricos com o fio no seu centro. Uma solenide (ou seja, uma
espiral de fio) cria um campo de certo modo similar ao produzido por uma barra
de magneto permanente, sendo a principal diferena a existncia de um campo
uniforme dentro dele. Essa uniformidade do campo aproveitada nas
aplicaes de diatermia por ondas curtas. A Figura 1.18 ilustra esses campos.
Espectro eletromagntico. A luz uma forma de radiao eletromagntica. Pode ser decomposta em suas diferentes partes componen-
tes usando-se um prisma, com cada cor do "arco-ris" tendo um comprimento
de onda diferente. As ondas eletromagnticas so campos eltricos e
magnticos que correm juntos atravs do espao sem a necessidade de um
meio condutor (Fig. 1.19).
Figura 1.17 A: Um campo magntico em torno de uma nica barra de magneto
permanente. B: Campo magntico em torno de duas barras de magneto.
-
Figura 1.18 A: Campo magntico em torno de um longo fio reto levando corrente
eltrica. B: Campo magntico em torno de uma espiral levando uma corrente eltrica.
Elas correm a uma velocidade de 3 X IO8 m/s no vcuo. Existe um es-
pectro completo dessas ondas das quais a luz apenas uma pequena parte.
Outras radiaes no espectro eletromagntico incluem ondas de rdio,
microondas e raios X; o espectro est representado na Figura 1.20. O
comportamento da radiao eletromagntica pode ser descrito de forma til,
no apenas em termos do movimento das ondas mas tambm em termos de
"partculas". Pode ser compreendido como pequenos "pacotes" de energia e
momento, s vezes denominados de quanta. A energia em joules de um
quantum de radiao determinada por sua freqncia e dada pela equao:
E = hv, [37]
onde v a freqncia e h a constante de Planck {h - 6,62 X 10-34Js).
mais comum citar as energias eletromagnticas em eltron-volts (eV); leV = 1,6
X l,10-13J. Pode ser visto na figura 1.20 que as energias na extremidade do
espectro das ondas longas so muito pequenas. Pensa-se geralmente que so
necessrias energias acima de 30 eV para ionizar os tomos e, portanto, o
espectro pode ser classificado em duas bandas: radiao ionizante e no-
ionizante.
O comprimento de onda da radiao determina o tamanho dos objetos
com os quais ir interagir. Uma onda com comprimento de 100 m (uma onda
de rdio) no "ver" algo que tenha o tamanho de um tomo e passar por ele
sem ser perturbada. Contudo, uma onda com um comprimento de 10-12 m (um
raio gama) ir interagir com o ncleo do tomo, com o qual tem um tamanho
comparvel. A radiao infravermelha tem um comprimento de onda compar-
-
vel ao tamanho dos tomos ou molculas e desse modo pode interagir com
eles, dividindo energia cintica (calor).
Induo eletromagntica. O dnamo sobre uma roda de bicicleta que usado para fornecer potncia s luzes da bicicleta faz uso da induo
eletromagntica. A induo eletromagntica em muitas maneiras o reverso
do eletro-magnetismo. Quando um magneto e um fio condutor se movem um
em relao ao outro, uma corrente induzida no fio. Na roda da bicicleta, faz-
se com que um magneto rode perto de uma bobina de fio fixo que forma parte
de um circuito incluindo a lmpada. A corrente induzida no fio e a lmpada
acendida.
Os eltrons no fio ao se aproximarem (ou sendo aproximados) de um
campo magntico experimentam uma fora na medida em que entram no
campo. Todos os eltrons so deslocados em direo a uma extremidade do
fio, de modo que a ponta se torna negativamente carregada. Por outro lado, a
outra ponta assume uma carga positiva. Portanto, uma fora eletromoti-va
induzida entre as duas pontas e, se o circuito for completado, a corrente fluir.
Se o fio estiver em espiral, a corrente induzida ser
Figura 1.19 Uma onda eletromagntica. Os campos eltrico e magntico correm juntos.
-
Figura 1.20 O espectro eletromagntico.
aumentada. Uma espiral de fio condutor usada desse modo chamada
de indutor. A f.e.m. no condutor equivale taxa de mudana do fluxo
concatenado - essa a lei de Faraday de induo eletromagntica. A direo
da corrente induzida sempre a que se ope mudana que a causou - lei de
Lenz. Nesse aspecto, os indutores agem como resistncias em circuitos; eles
so geralmente usados para bloquear voltagens inconstantes e ao mesmo
tempo permitem a passagem de voltagens constantes (CD).
Um indutor (U) e um capacitar (C) so s vezes usados em srie ou em
paralelo para produzir circuitos sintonizados LC (Fig. 1.21). Pode ser demonstrado que esses circuitos tm uma freqncia ressonante,/, de tal modo
que os circuitos sintonizados UC em srie oferecem uma impedncia muito
-
baixa a ondas daquela freqncia, porm uma impedncia extremamente alta
para qualquer outra, enquanto circuitos paralelos sintonizados UC oferecem
uma resistncia muito alta a ondas de freqncia/e permitem que outras
freqncias passem. Eles, portanto, agem como filtros. A freqncia res-
sonante dada pela equao:
f= 1/2r (LC). [38]
Induo mtua. Um campo magntico que se modifica proveniente de um condutor carregando corrente pode induzir f.e.m. e corrente em um
segundo condutor prximo. Essa corrente variar e por sua vez pode produzir
Figura 1.22 Induo mtua. As mudanas do campo magntico em uma bobina podem
induzir corrente em uma segunda bobina. O campo magntico criado desse modo criar uma
corrente na primeira bobina. Um ncleo de ferro especialmente preparado aumenta esse efeito.
seu prprio campo magntico variante induzindo uma f.e.m. e corrente no
primeiro condutor. Cada condutor portanto induz uma corrente no outro (Fig.
1.22). Isso chamado de indutncia mtua. A indutncia mtua de 1 henry
se 1 volt for induzido em um condutor por uma mudana de corrente de 1
-
ampre por segundo no outro. O transformador de CA faz uso de indutncia
mtua.
Auto-indutncia. Quando uma corrente ligada em uma bobina, a corrente crescendo na bobina causa uma mudana no fluxo magntico da
bobina. Isso, por sua vez, produz uma f.e.m. que se ope f.e.m. da bateria. A
isso se chama de f.e.m. de retorno. Esse efeito aumentado quando h um
ncleo de ferro especial na bobina.
Um condutor tem uma auto-indutncia de 1 henry se uma f.e.m. de volta
de 1 volt for induzida por uma corrente inconstante de 1 ampre/segundo.
ONDAS MECNICAS
A onda mecnica mais importante usada em fisioterapia o ultra-som. As
ondas sonoras diferem das ondas eletromagnticas em um aspecto principal:
as ondas so uma forma de energia mecnica, e como tal no se propagam no
vcuo. Isso ocorre porque a energia passa pelo meio atravs do movimento de
molculas que transferem seu momento na direo da onda. O som
produzido por uma superfcie que se move; esta pode ser um diafragma em um
auto-falante, por exemplo, ou a parte da frente de um transdutor no ultra-som
mdico. medida que a superfcie se move adiante, ela comprime as mo-
lculas imediatamente frente. Essas molculas empurram para frente suas
vizinhas em uma tentativa de restaurar seu arranjo anterior e essas, por sua
vez, empurram suas vizinhas. A compresso portanto se move afastando-se de
sua fonte. Se a superfcie agora se move na direo oposta, a densidade das
molculas reduzida perto dela ( criada uma regio de rarefao) e desse
modo as molculas se movem para dentro para preencher o espao. Isso por
sua vez deixa uma regio de baixa densidade que imediatamente preenchida
por mais molculas e desse modo a rarefao se move para longe da fonte.
Isso est ilustrado na Figura 1.23. Esse tipo de onda chamada de onda
longitudinal pois o deslocamento das molculas ao longo da direo na qual
a onda se move.
-
Figura 1.23 Efeito piezoeltrico. O cristal fica mais grosso e mais fino, dependendo da
polaridade da voltagem.
Ultra-som
A velocidade do som no ar de 330 m/s. O ouvido humano pode ouvir
freqncias acima de cerca de 18000 Hz (18 kHz). O comprimento de onda do
som audvel (calculado usando a equao 4) para o qual o ouvido mais
sensvel (cerca de 1,6 kHz) cerca de 20 cm. Nas freqncias ultra-snicas
(acima de 18 kHz), o comprimento de onda torna-se to curto que o som no
corre muito longe atravs do ar. (A 1,5 MHz, o comprimento de onda de cerca
de 0,2 mm.) Contudo, o ultra-som se propaga atravs da gua, um meio no
qual a velocidade do som de 1500 m/s. A 1,5 MHz o comprimento de onda na
gua 1 mm. Esse fato usado na medicina j que a maioria dos tecidos
corporais so constitudos principalmente de gua e os comprimentos de onda
milimtricos nas baixas freqncias de megahertz usadas (0,75-10 MHz) so
comparveis ao tamanho das estruturas tissulares com as quais necessria a
interao.
O ultra-som gerado a partir de um transdutor. Um transdutor um
dispositivo que transforma uma forma de energia em outra. O transduitor mais
comumente usado em ultra-som transforma a energia eltrica em energia
mecnica usando o efeito piezoeltrico. Um cristal piezoeltrico tem a
propriedade de caso uma voltagem seja aplicada atravs dele, ele alterar soa
espessura e, de modo alternativo, caso a espessura do cristal seja modificada
se desenvolver uma voltagem atravs do cristal (esse o efeito piezoeltrico inverso). Portanto, quando uma voltagem oscilatria aplicada atravs do
cristal, essa alternadamente fica mais espessa e mais fina que sua espessura
-
de repouso, seguindo a polaridade da voltagem (Fig. 1.23). medida que a
face frontal do transdutor se move para trs e para frente, as regies de
compresso e rarefao se movem para fora dela, formando uma onda ultra-
snica. O material piezoeltrico mais comumente usado para transdutores de
fisioterapia o titanato zirconato de chumbo (lead zirconate titanate - PZT).
A voltagem atravs do transdutor de ultra-som pode ser aplicada
continuamente durante todo o tempo de tratamento (onda contnua, OC) ou po-
de ser aplicada em pulsos - ligada por um tempo, desligada por um tempo e
assim por diante; esse conhecido como modo pulsado. Os trens de onda
para uma onda contnua e o modo pulsado esto representados na Figura
1.24.
No modo pulsado, o regime de pulsao pode ser descrito de uma dessas
trs maneiras (Fig. 1.24B):
1. x segundos ligado; y segundos desligado
2. m:s, onde m representa a "marca" e s representa o "espao", onde a
razo representa a proporo entre tempo ligado e tempo desligado; a isso se
chama de razo marca:espao. Desse modo, se x o dobro de y, m:s 2:1.
Para descobrir o verdadeiro regime de pulsao tambm necessrio
conhecer o comprimento do pulso.
3. A taxa do ciclo: esse o comprimento do pulso como uma
porcentagem do tempo ligado e desligado total, de modo que esse dado por
x/(x+y) X 100%.
Tome, por exemplo, um regime pulsado comum como mostra a Figura
1.25. Esse pode ser descrito como 2 ms ligado : 8 ms desligado, como uma
razo marca : espao 1 : 4, comprimento de pulso de 2 ms ou como uma taxa
de ciclo de 20% (2/10 X 100%). digno de nota que, a 1 MHz, um
comprimento de pulso de 2 ms contm 2000 ciclos.
Intensidade
A energia em uma onda de ultra-som caracterizada pela intensidade.
Essa a energia que cruza uma unidade de rea perpendicular onda na
unidade de tempo; as unidades usadas so watts/m2.
-
Figura 1.24 A: Ultra-som de onda-contnua. B: Ultra-som pulsado. Nesse exemplo, o
som fica ligado por x segundos e desligado por y segundos.
Figura 1.25 Um regime tpico de pulsao para fisioterapia.
Contudo, para aplicaes clnicas, o metro quadrado uma rea
inapropriadamente larga em termos de regies do corpo humano a serem
tratadas e, desse modo, a unidade usada no ultra-som mdico watts/cm2.
So usados vrios tipos de intensidade para descrever as exposies ao
ultra-som. O campo de um disco piezoeltrico circular complexo. Perto do
transdutor h muitos picos e depresses, porm, medida que o feixe se move
para longe de transdutor o padro do campo toma-se mais uniforme. A regio
perto do transdutor conhecida como campo prximo ou zona de Fresnel; a
regio alm dessa chamada de campo distante ou zona de Fraunhoffer. A
fronteira entre as duas zonas fica a uma distncia dada por r2/ onde r o raio
do transdutor e o comprimento de onda do ultra-som. Essa a posio do
pico de intensidade no eixo do feixe que fica alm do transdutor. O ultra-som
de fisioterapia comumente opera a 0,75; 1,0; 1,5 ou 3 MHz. A extenso do
campo prximo mostrada na Tabela 1.1 para vrias freqncias e tamanhos
-
de transdutor. Isso demonstra que a maioria das exposio do ultra-som
fisioteraputico so executadas no campo prximo, que tem muitos picos de
intensidade. Tambm indica que existem muitas intensidades que precisam ser
identificadas.
Os perfis do campo transverso mostrados na Figura 1.26 ilustram o
problema. Os dois perfis tm a mesma intensidade de pico IQ, mas os nveis
so bem diferentes se tirada sua mdia em todo o feixe. Os nveis de pico
so o parmetro mais significante quando o feixe mantido estacionrio sobre
um volume de tecido por um tempo longo, mas se o transdutor mantido em
movimento contnuo, o valor mdio se torna mais importante, j que esse o
efeito que o tecido experimentar. Em um campo de onda contnua, portanto,
so definidas duas intensidades, a intensidade de pico espacial (IPE) e a
intensidade mdia espacial (IME).
Tabela 1.1 Extenso do campo prximo para diferentes transdutores de ultra-som
As coisas se tornam mais complicadas em um campo pulsado. Aqui, a
analogia a de um menino em p no mar com a gua nos tornozelos.
medida que as ondas vm, a gua sobe por suas pernas e desce novamente
medida que as ondas passam, subindo novamente na onda seguinte. A gua
deixa uma marca nas pernas do menino, representando o ponto mais alto
alcanado pela onda enquanto ele estava em p ali (o pico temporal) e h um
nvel de gua mdio experimentado durante o tempo na gua (a mdia
-
temporal). Do mesmo modo, um pico de intensidade temporal e uma mdia de
intensidade temporal podem ser identificados como a intensidade mais alta
experimentada em um ponto do tecido durante um perodo extenso de tempo e
a intensidade mdia, experimentada naquele ponto ao longo do tempo, onde a
mdia tirada a partir dos tempos ligados assim como desligados. Se essas
intensidades temporais so medidas no ponto do tecido onde encontrado o
pico de intensidade espacial, pode-se determinar um pico de intensidade
espacial e temporal fIPEpr) e um pico espacial e mdia temporal da intensidade
(7PEMT). Se essas intensidades temporais so combinadas com o clculo da
mdia espacial, podem tambm ser definidas a mdia espacial e temporal
(7MEMT) e as intensidades espacial mdia e pico temporal (4IEPT)- ISSO esl;
demonstrado nas Figuras 1.27 e 1.28.
Por exemplo, tome um feixe com IPE = 3 W/cm2 e IME = 2 W/cm2 quando o
som est ligado, pulsando 2 ms ligado e 8 ms desligado. Seja qual for o pico
temporal, a mdia temporal ser 20% dele j que o som fica ligado por apenas
um quinto do tempo. Portanto, IPEPT = 3 W/cm2, IPEMT = 0,6 W/cm2, IMEPT = 2
W/cm2, IMEMT = 0,4 W/cm2.
O campo de ultra-som pode tambm ser descrito em termos das presses
envolvidas.
Figura 1.26 A: Distribuio da intensidade transversa em diferentes distncias do
transdutor. B: Distribuio da intensidade no eixo.
-
Figura 1.27 A: Exemplo de um perfil de feixe transverso no campo prximo. B: Perfil do
feixe transverso no campo distante. Esse tem o mesmo pico de intensidade que o do perfil A.
Figura 1.28 Diagrama para ilustrar os diferentes tipos de intensidade. /PE, pico espacial;
/ME, mdia espacial; /PT, pico temporal; 'PEPT, pico espacial-pico temporal; /PEMT, pico espacial-
mdia temporal.
Pode ser visto na Figura 1.29 que a presso oscila em torno do nvel
ambiente do meio por onde ele passa. O campo pode portanto tambm ser
caracterizado em termos de amplitude de presso (geralmente a amplitude do
pico da presso positiva, p+, e a amplitude do pico da presso negativa , p-)
encontrado em algum lugar no campo.
-
A intensidade e a presso so relacionadas pela expresso:
I = p2/2pc, [39]
Figura 1.29 Uma exposio ao ultra-som pode ser descrita em termos de presso. A amplitude do pico de presso positiva, p+, e a amplitude do pico de presso negativa, p_, esto
representadas.
onde p a densidade e c a velocidade do som no meio.
O ultra-som interage com o tecido de vrias maneiras. Os dois
mecanismos tidos como os mais importantes so o calor e a cavitao. A
cavitao a atividade das bolhas dentro de um campo ultra-snico. A presso
oscilante pode fazer com que as bolhas cresam e oscilem. Uma bolha
oscilante faz com que os lquidos em torno dela fluam, e pode ocorrer foras de
atrito considerveis. Em alguns casos podem tornar-se ressonantes, caso no
qual comeam a oscilar de forma instvel e podem sofrer um colapso violento,
causando dano tissular em sua vizinhana. Quando a quantidade de tecido se
aquecendo est sendo considerada, as intensidades cujas mdias foram
calculadas espacial-mente so os parmetros mais relevantes. Contudo,
quando se considera a cavitao, o parmetro mais importante o pico de
presso negativa.
Calibragem
Os campos ultra-snicos podem ser calibrados usando inmeros
mtodos, dependendo da informao necessria. A distribuio de presso
pode ser mapeada usando um hidrofone de membrana sensvel presso de
PVDF (fluoreto de polivinilideno) que faz uso do efeito piezoeltrico inverso. A
-
plotagem de campo um processo extenso e detalhado geralmente feito pelos
fabricantes ou departamentos de fsica mdica. sempre aconselhvel ter os
transdutores calibrados desse modo antes do uso, e novamente quando se
suspeitar de uma falha. Fornece um modo fcil de identificar cristais danifica-
dos. O mtodo de calibragem escolhido dentro de um departamento de
fisioterapia deve ser a balana de presso de radiao. Quando o ultra-som
atinge um alvo na gua, exerce uma fora sobre o alvo (presso de radiao) e
tenta mov-lo. Se essa fora de radiao for adequadamente contrabalanada,
ser possvel calcul-la. Esse dispositivo faz a mdia sobre a rea alvo e per-
mite uma rpida avaliao de quanto a sada pode ser reproduzida de um dia
para o outro. uma verificao importante que deve ser incorporada em
qualquer rotina de tratamento.
Reflexo das ondas ultra-snicas
Os tecidos oferecem resistncia passagem do ultra-som. Essa
resistncia chamada de impedncia acstica, Z, e pode ser calculada pela
seguinte expresso:
Z = pc, [40]
onde p a densidade e c a velocidade do som. A unidade em que Z
medida rayl.
A quantidade de som refletido de uma superfcie plana entre dois
materiais de impedncia Z1 e Z2 (Z2-Z1)I(Z2+Z1), e a quantidade de som
transmitida 2Z2/(Z2+Z1). A gua tem impedncia de 1,5 X IO6 rayl, a gordura
tem impedncia de 1,4 X IO6 rayl, o msculo de 1.7 X IO6 rayl e o osso de 7 X
IO6 rayl.
Atenuao
medida que o ultra-som passa pelo tecido, parte da energia refletida
pelas estruturas no caminho (disperso) e parte da energia absorvida pelo
-
prprio meio, levando a aquecimento local (absoro). A atenuao (perda de
energia do feixe) devida a esses dois mecanismos, com a absoro sendo
responsvel por 60-80% da perda de energia. Se a intensidade incidente sobre
o tecido de Io e a intensidade aps percorrer x cm de tecido, com coeficiente
de atenuao a, /, esses so relacionados pela expresso:
I=I0e-xx [41]
O modo com que a intensidade diminui medida que passa pelo tecido
mostrado na Figura 1.30; isso conhecido como queda exponencial.
Os valores do coeficiente de atenuao so geralmente anotados em
dB/cm/MHz ou nepers/cm/MHz (ldB/cm = 4,34 nepers/cm). O decibel (dB)
representa uma razo entre nveis de intensidade, de modo que o nvel de
intensidade anotado em decibis 10 log10 IQ/I. Pode ser demonstrado que
quando o nvel de intensidade 3 dB a razo das intensidades 2. O coe-
ficiente de atenuao anotado como uma funo de freqncia, j que esses
aproximadamente se relacionam linearmente.
A Tabela 1.2 mostra coeficientes de atenuao relativos para diferentes
tecidos biolgicos.
Tambm esto representados os meio-valores de espessura. Essa a
espessura de tecido necessria para reduzir a intensidade por um fator dois.
Pode-se ver que o osso e o pulmo atenuam o som muito rapidamente e muito
pouca energia penetra por eles. Eles portanto no so adequados para
tratamentos de ultra-som fisioteraputicos. De fato, deve-se ter cuidado ao
tratar regies como essa pois a perda de energia vai para o aquecimento do
tecido localmente. Pode tambm ser visto que a camada de meia-espessura
diminui com o aumento da freqncia e, desse modo, quando so necessrios
tratamentos profundos, devem ser usadas baixas freqncias.
-
Figura 1.30 A energia do ultra-som atenuada exponenoialmente medida que passa
pelo tecido. O osso atenua mais fortemente.
Agentes acoplantes. Pode ser visto na Tabela 1.2 que o som com freqncia de megahertz no se propaga atravs do ar. Portanto, quando um
paciente est sendo tratado, essencial para um tratamento efetivo que no
haja ar entre o transdutor e a pele. Existem muitos mtodos de aplicao do
ultra-som. O mtodo mais comum usar uma aplicao de "contato", onde
uma fina camada de leo ou gel aplicada pele antes do tratamento. O
requisito para o meio de acoplamento que tenha uma impedncia acstica
similar da pele.
.
-
Os leos minerais e gis base de gua so os mais comumente usados.
Geometrias complicadas podem ser mais facilmente tratadas dentro da gua,
imergindo tanto o membro a ser tratado quanto o transdutor.
CALOR E TEMPERATURA
O fato de que quando vrias formas de energia so convertidas em calor
h sempre uma razo constante entre a quantidade de energia que desaparece
e a quantidade de calor produzido, sugerindo que em todos esses processos a
energia no criada nem destruda. Esse princpio uma expresso parcial da
primeira lei da termodinmica: "em todos os processos que ocorrem em um
sistema isolado, a energia do sistema permanece constante". A energia
eltrica, qumica, magntica e outras formas de energia podem ser convertidas
em energia trmica com uma eficincia de 100%, mas no possvel conseguir
o reverso e transformar toda a energia trmica armazenada na microestrutura
da matria em alguma outra forma de energia. Novamente, se uma forma de
energia convertida em outra (por ex., qumica para mecnica) o processo no
100% eficiente e parte da energia sempre convertida em calor. A tendncia
finalmente de transformar de forma aleatria o movimento molecular em
energia trmica sugere que o calor um componente primordial na estrutura da
matria.
Os conceitos de calor e temperatura so rigorosamente diferenciados na
fsica e a distino precisa ser tambm mantida na fundamentao da
eletroterapia. Supondo que alguma quantidade de calor (Q) distribuda por
um volume grande ou pequeno do mesmo material,
o volume maior ter uma temperatura mais baixa (Tj) que o volume menor
(ro). Portanto, enquanto a quantidade de calor uma forma de energia, a
temperatura de um objeto a medida da energia cintica mdia das molculas
constituintes. Como se relaciona ao movimento "mdio" das molculas, o
conceito de temperatura pode ser aplicado apenas a corpos que consistem em
um grande nmero de molculas.
O nico termo para temperatura que permite a expresso consistente de
todos os estados da matria, slido, lquido e gasoso, em acordo com as leis
-
da termodinmica, a temperatura termodinmica, sendo sua unidade bsica o
ke-vin (K). Nesse sistema, introduzido por Lord Kelvin em 1848, a escala linear
comea no zero absoluto de temperatura (0 K). A escala termodinmica
Celsius subdividida nos mesmos intervalos da escala Kelvin porm tem um
ponto zero deslocado em 273,15. A escala Celsius dividida em 100 intervalos
de unidade entre dois pontos fixos: o ponto de condensao do vapor (100C =
373,15 K) e o ponto de derretimento do gelo (0C = 273,15 K). O zero absoluto
na escala Celsius -273,15C. A escala Fahrenheit (F) no se adapta ao
Sistema Internacional (SI) de unidades mas continua a ser usado em muitas
regies do mundo, particularmente para dados meteorolgicos; 0C 32F,
100C 212F de modo que 1 na escala Celsius equivalente a 1,8 na
escala Fahrenheit.
Unidades de calor
Energia, trabalho e quantidade de calor so quantidades fsicas com as
mesmas dimenses e idealmente devem ser medidas por uma unidade
comum. Unidades tradicionais tais como calorias esto profundamente
enraizadas no uso tcnico assim como no de nutrio, porm de acordo com a
estratgia do SI, caloria uma unidade "no-coerente". Para ajustar-se ao SI,
uma quantidade de calor deve ser expressa emjoules (J). As trocas de calor
so geralmente consideradas em termos de potncia (energia por unidade de
tempo), por exemplo joules por segundo (= 1 watt ou W). O watt
provavelmente mais familiar no uso cotidiano como medida do consumo de
energia dos aparelhos eltricos, por exemplo em quilowatts-horas (kWh), que
na verdade energia por unidade de tempo X tempo. A Tabela 1.3 deriva a
relao entre as expresses fsicas de fora, energia e potncia.
-
A
quantidade de energia trmica necessria para elevar uma unidade de massa
de material em 1C conhecida como calor especfico do material. O calor
especfico da gua 4,185 J/g por C. E preciso muito menos calor para elevar
a temperatura de um gs (por ex., o calor especfico do ar = 1,01 J/g por C). O
corpo humano constitudo de aproximadamente 60% de gua e no de se
surpreender que tenha um calor especfico relativamente alto (3,56 J/g por C).
Os calores especficos da pele, do msculo, da gordura e do osso so,
respectivamente, 3,77; 3,75; 2,3 e 1,59 J/g por C. Portanto calcula-se
diretamente que se a temperatura corporal mdia de uma pessoa de 65 kg
aumentada em 1C ao longo de um perodo de lh, um extra de 231 kJ
armazenado no corpo.
Efeitos fsicos do calor
Quando se acrescenta calor matria, ocorrem vrios fenmenos fsicos
devido ao aumento da energia cintica de sua microestrutura. Esses podem ser
resumidos do seguinte modo:
1. Aumento na temperatura. A energia cintica mdia das molculas constituintes aumenta. ;
2. Expanso do material. A energia cintica aumentada produz uma maior vibrao das molculas que se separam e expandem o material. Os
gases se expandiro mais que os lquidos e os lquidos mais que os slidos.
Se, por exemplo, um gs estiver confinado de modo que a expanso no possa
ocorrer, haver ento um aumento na presso do gs.
3. Mudana no estado fsico. A mudana do estado fsico (fase) de uma
-
substncia para outro estado requer uma quantidade especfica de energia
trmica (ou seja, calor latente). O calor latente da fuso a energia requerida
por, ou liberada por, 1 grama de gelo a 0C para convert-lo em 1 grama de
gua a 0C (336 joules) e o calor latente da vaporizao a energia necessria
para converter 1 grama de gua a 100C em 1 grama de vapor a 100C (2268
joules).
4. Acelerao das reaes qumicas. A lei de Van't Hoff afirma que "qualquer reao qumica capaz de ser acelerada acelerada por um aumento
na temperatura; a razo das taxas de reao constantes para uma reao que
ocorre em duas temperaturas com diferena de 10C o Q10 da reao".
5. Produo de uma diferena de potencial eltrico. Se a juno de dois metais no similares (por ex., cobre e antimnio) aquecida, produzida
uma f.e.m. (fora eletromotriz ou diferena de potencial eltrico) entre suas
terminaes livres (o efeito Seebeck ou de termoacoplamento). Por outro lado,
uma f.e.m. aplicada juno de dois metais pode causar um aumento na
temperatura da juno (efeito Peltier).
6. Produo de ondas eletromagnticas. Quando acrescentada energia a um tomo (por ex., atravs do aquecimento) um eltron pode se
mover para fora para uma camada com energia eletrnica mais alta. Quando o
eltron retorna a seu nvel normal, a energia liberada como um pulso de
energia eletromagntica (um fton).
7. Emisso terminica. O aquecimento de alguns materiais (por ex., tungstnio) pode causar tal agitao molecular que alguns eltrons precisam
deixar seus tomos e podem se soltar do metal. Isso deixa uma carga positiva
que tende a atrair os eltrons de volta. atingido um ponto onde a taxa de
perda de eltrons se iguala taxa de retorno, e h ento uma nuvem de
eltrons como um espao de carga em torno do metal. Esse processo
conhecido como emisso terminica.
8. Reduo na viscosidade dos fluidos. A viscosidade dinmica a propriedade de um fluido (lquido ou gs) de oferecer resistncia (frico
interna) ao deslocamento no acelerado de duas camadas adjacentes. As
molculas em um fluido viscoso so fortemente atradas entre si. O
aquecimento aumenta o movimento cintico dessas molculas, reduzindo sua
atrao mtua coesiva e tornando o fluido menos viscoso.
-
Transferncia de calor
As leis da termodinmica governam processos envolvendo o movimento
da energia trmica de um ponto para outro. J foi mencionada a primeira lei,
que trata da conservao e troca de diferentes formas de energia. A segunda
lei da termodinmica afirma que "o calor no pode sozinho, ou seja sem a
realizao de trabalho por alguma agncia externa, passar de um corpo mais
frio para um mais quente". Essas leis gerais estabelecem os princpios que
governam as trocas de calor (ganho ou perda) dentro do corpo e entre o corpo
e seu ambiente. Na eletroterapia estamos preocupados com a transferncia de
energia trmica entre o ambiente externo e a superfcie corporal, e entre os
tecidos e fluidos componentes do prprio corpo assim como com os efeitos
teraputicos do calor.
Conduo
Conduo o mecanismo de troca de energia entre regies de
temperatura diferente, das regies mais quentes para as mais frias, que rea-
lizada atravs da coliso molecular direta. A energia transferida desse modo
causa um aumento na vibrao das molculas, que transmitido para as
molculas adjacentes. Um exemplo simples desse processo a barra metlica
aquecida em uma extremidade que, por conduo de calor, finalmente torna-se
quente na outra extremidade. A aplicao de uma bolsa de gelo superfcie da
pele induz o resfriamento da pele atravs da conduo do calor da pele que
est quente, e vice-e-versa com uma bolsa quente. A taxa de transferncia de
calor depende da diferena de temperatura entre as regies em contato, da
rea de superfcie de contato nas fronteiras e da condutividade trmica dos
materiais em contato. A condutividade trmica uma propriedade especfica do
prprio material; por exemplo, os metais so melhores condutores que a
madeira, a gua um melhor condutor do que o ar.
Conveco
-
A conveco o mecanismo de transferncia de calor que ocorre em um
fluido devido aos movimentos grosseiros das molculas dentro da massa do
fluido. Se uma parte do fluido aquecida, a energia cintica das molculas
naquela parte aumentada, as molculas se separaram e o fluido torna-se
menos denso. Em conseqncia, aquela parte do fluido sobe e desloca o fluido
mais denso para cima, que por sua vez desce e toma seu lugar. O processo
imediato de transferncia de energia de uma partcula de fluido para outra
permanece sendo o de conduo, mas a energia transportada de um ponto
no espao para outro primariamente pelo deslocamento convectivo do prprio
fluido. A conduo pura raramente observada em um fluido devido
facilidade com que mesmo pequenas diferenas de temperatura iniciam
correntes livres de conveco.
Radiao trmica
O calor pode ser transmitido pela radiao eletromagntica emitida de
uma superfcie de um corpo cuja temperatura da superfcie esteja acima do
zero absoluto. O aquecimento de certos tomos faz com que um eltron se
mova para uma camada eletrnica de maior energia; medida que esse
retorna para sua camada normal, essa energia liberada como um pulso de
energia eletromagntica. Essa radiao ocorre primariamente na banda
infravermelha de comprimentos de onda de cerca de IO5 cm at IO2 cm (0,1-
100 jim, ou 103-106 ). Uma radiao trmica incidente na superfcie pode ser:
1. refletida de volta dessa superfcie
2. transmitida atravs dela
3. absorvida.
Em muitas circunstncias cotidianas os objetos se acham irradiando e
absorvendo a mesma quantidade de energia infravermelha, desse modo
mantendo uma temperatura constante. A quantidade de radiao de um objeto
proporcional quarta potncia da temperatura (em kelvins). A taxa de
-
emisso de uma superfcie tambm depende da natureza da superfcie, sendo
maior para um corpo preto. Um corpo preto perfeito absorve toda a radiao,
enquanto outras superfcies absorvem parte e refletem o restante.
Evaporao A energia trmica necessria para transformar um lquido em vapor; a
taxa com que isso ocorre determinada pela taxa com que o vapor se difunde
para fora da superfcie. A taxa depende da potncia fornecida e da presso de
vapor do ar acima do lquido. A evaporao segue leis muito similares s que
governam a conveco. Quando a gua evapora da superfcie de um corpo
(por ex. na sudorese) o calor latente necessrio extrado do tecido da
superfcie, desse modo resfriando-o. O processo inverso, a condensao,
consiste em ganho de calor latente na superfcie enquanto o vapor
transformado em lquido.
Transferncia de calor corporal
Na termorregulao, o calor trocado por processos de transferncia
condutiva, convectiva, radiativa e evaporativa entre a superfcie do corpo e o
ambiente de modo que a temperatura central do corpo permanece constante e
o equilbrio mantido entre a produo de calor interno (metablico) e a perda
de calor (ou ganho) da superfcie da pele.
A transferncia de calor dentro dos tecidos ocorre primariamente pela
conduo e conveco. A distribuio de temperatura depender da
quantidade de energia convertida em calor em uma determinada profundidade
de tecido e das propriedades trmicas do tecido (ou seja, calor especfico,
condutividade trmica). Os fatores fisiolgicos so importantes para determi-
nao da temperatura do tecido; por exemplo, quando uma temperatura tissular
elevada produz um aumento no fluxo sangneo local, o sangue mais frio
perfundindo o tecido aquecido tender a resfriar seletivamente o tecido atravs
de conduo. A tcnica de aplicao de uma modalidade de tratamento
tambm modificar claramente a temperatura do tecido atravs de variaes
no tempo e intensidade, etc. Quando o tratamento profundo aplicado (por ex.,
-
diatermia de ondas curtas, microondas ou ultra-som) a converso de energia
em calor ocorre medida que penetra nos tecidos. As modalidades de
aquecimento podem ser subdivididas de acordo com seu modo primrio de
transferncia de calor durante o aquecimento seletivo de tecidos superficiais ou
profundos (Tabela 1.4).
Na termoterapia, as propriedades importantes relacionadas com a
conduo de calor nos tecidos so a condutividade trmica, a densidade do
tecido e o calor especfico. A conveco envolve essas propriedades tambm,
porm, alm disso, a viscosidade dos fluidos se torna importante. A
compreenso da interao das ondas eletromagnticas dentro do meio biolgi-
co requer o conhecimento das propriedades dieltricas de tecidos com
contedos de gua diferentes.
-
Propriedades eltricas das clulas e dos tecidos
CONTEDO DO CAPTULO
Introduo 31
Clulas como sistemas eltricos 32 Componentes do circuito celular 33 D.d.p. da membrana celular 35
A Clula como um sistema eletrificado 36
Propriedades eltricas dos tecidos 38 Potenciais de superfcie do tipo piezoeltricos ocorrendo nos tecidos 38
Discusso 39
-
2 Propriedades eltricas das clulas e dos tecidos
Robert A. Charman
INTRODUO
O Captulo 1 introduziu os conceitos bsicos, as unidades e leis da teoria
eltrica e do eletromagnetismo e explicou como a construo e as
propriedades de componentes comuns da circuitaria eltrica e eletrnica -
como os condutores, isolantes, interruptores, semi-condutores, resistores e
capacitores - so formados e conectados de acordo com a teoria apropriada.
Os tecidos biolgicos parecem to diferentes em sua natureza mida e
salgada quando so comparados, por exemplo, com a fiao metlica de um
aparelho de televiso, que podem parecer no ter nada em comum. Contudo, o
fato surpreendente que as clulas vivas dependem da atividade eltrica para
sua existncia e os tecidos formados por elas, como osso e fscia, exibem uma
grande variedade de propriedades eltricas. A mesma teoria se aplica ao uso
de seus componentes eltricos; eles obedecem as mesmas leis e usam as
mesmas unidades de, por exemplo, voltagem, capacitncia, fluxo de corrente e
resistncia.
-
Como ser visto, a principal diferena entre a eletricidade nos tecidos
biolgicos e a eletricidade nos equipamentos que as clulas e tecidos usam
tomos com carga, ou ons, para o movimento das cargas, enquanto os
sistemas eltricos e eletrnicos usam eltrons. {Vide em Charman, 1990a-e,
1991a-d, uma discusso detalhada.)
Tendo em mente essa relao entre tecidos biolgicos e circuitaria
eltrica, o restante deste captulo ser dedicado eletricidade biolgica, ou
bioeletricidade.
CLULAS COMO SISTEMAS ELTRICOS
As clulas vivas empregam muitas das propriedades dos sistemas
eltricos; por exemplo, geram fora eletromotriz (f.e.m.), mantm a diferena de
potencial (d.d.p.) exigida, aumentam ou diminuem essa d.d.p. conforme a
necessidade, usam resistncias variadas em srie e em paralelo, ligam e
desligam a corrente, controlam o fluxo de corrente, retificam o fluxo de
corrente, possuem impedncia e, de crucial importncia, armazenam carga
(capacitncia).
As clulas atingem seus propsitos eltricos usando componentes dos
circuitos que so muito diferentes em sua natureza e construo daqueles
usados nos aparelhos eltricos comuns, mas seus princpios, como a
separao de cargas para criar uma f.e.m., permanecem os mesmos.
A clula corporal comum, com toda sua complexidade e funo ordenada