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Elektrische Feldstärke eines Dipols
Anwendung: EKG Versuch
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Inhalt
• Elektrischer Dipol
• Feldstärke und Potential um einen Dipol in– isolierender– schwach leitender
Umgebung
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Der elektrische Dipol
Ein Dipol ist die erste Näherung für eine beliebige Verteilung positiver und eben so vieler negativer Ladungen
p = Q·d Cm Dipolmoment
Q C Ladung
d m Abstandsvektor
d
Q (+) Q (-)
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Feldstärke eines Dipols in isolierender Umgebung („Vakuum“)
Die Feldlinien zeigen die Richtung der Kraft auf eine Probeladung, die Dichte der Linien zeigt den Betrag der Kraft
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Feldstärke und Linien gleichen Potentials
• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau
Die Linien gleichen Potentials („Äquipotentiallinien“) schneiden die Feldlinien im rechten Winkel: bei Transport einer Ladung senkrecht zur Feldlinie wird keine Arbeit verrichtet
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• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau
Dipol im isolierenden Rahmen („Vakuum“)
Ein isolierender Rahmen ändert nichts an der Feld- und Potential-Verteilung
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• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau
Dipol im Elektrolyten, umgeben von einem isolierendem Rahmen
Elektrolyt
Die Ionen im Wasser verschieben sich, bis die Feldlinien parallel zum isolierenden Rahmen verlaufen: Der Dipol wird nach außen abgeschirmt
Die Ladungsträger im Elektrolyten sind
Anionen und Kationen mit
Hydrathüllen und unterschiedlicher
Transport-Geschwindigkeit
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• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau
Aufbau der Feld verändernden Ladungswolken
Innerhalb des isolierenden Rahmens verschieben sich die Ionen zu statischen Ladungswolken
Der Außenraum ist Feld-frei!
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• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau
Gleichgewicht bei Stromfluss
Die gezeigte Feldverteilung erfordert einen konstanten Strom Fluss
Ohne Strom würden
Ladungswolken entsprechender
Polarität den Dipol neutralisieren
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• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau
Der Dipol als Spannungsquelle
Konstanter Strom fließt, wenn der Dipol Ladung nachliefert: Der Dipol wirkt als Batterie (Deshalb ist der Dipol im EKG Versuch eine Batterie !)
Die Spannungsquellen der Membran sind Diffusionspotenziale, Na+ /K+ Pumpen erhalten die Konzentrationsunterschiede
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Zellmebran polarisiert
Im polarisierten Zustand ist die Zellmembran außen positiv geladen.
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Depolarisation bei Beginn der Erregung
Die Zellmembran schirmt das Feld der Dipole innerhalb der Membran nach außen ab. Im schwach leitenden Außenraum (dem Körper) sind deshalb nur die Dipole auf der Aussenseite der Membran
messbar
Dipole auf der
Aussenseite der
Membran
Äquipotential-Linie
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Zellmebran polarisiert
Kein Signal an der Oberfläche des Körpers im polarisierten Zustand
mV0
40
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Depolarisation
Dipol Signal an der Oberfläche des Körpers bei Depolarisation
mV0
40
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Zusammenfassung
• Das Wasser im Körper mit seinen Elektrolyten ist ein schwach leitendes Medium
• Durch Ladungsverschiebung im schwach leitenden Medium passt sich die Feldverteilung eines Dipols den Randbedingungen an:– Bei isolierender Umrandung des Elektrolyten bleiben die
Feldlinien innerhalb der isolierenden Wände– Wirkt der Dipol als Spannungsquelle, dann bleibt die
Feldverteilung durch Strom-Fluss stabil• Dipole innerhalb der Zellmembran sind deshalb
nach außen abgeschirmt• Nur Dipole außerhalb der Zellmembran
beeinflussen das Feld im Elektrolyten außerhalb der Zelle
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finis
„Künstlerisch freie“ Darstellung: Die Äquipotentiallinien enden in Wirklichkeit an der Körperoberfläche