a eletricidade é uma forma básica de energia e pode produzir efeitos significativos sobre os tecidos bio- lógicos. Este capítulo se propõe a rever brevemente conceitos básicos de eletricidade e de eletromag- netismo, que formam uma base para a compreensão da estimulação elétrica terapêutica. as equações que descrevem fenômenos elétricos são mantidas em um mínimo, e analogias frequentes são usadas para permitir que o leitor visualize o que pode estar acontecendo nos tecidos humanos enquanto a estimulação elétrica é aplicada. o foco do capítulo é a conceitualização de fenômenos elétricos importantes, em vez de memorização. Uma outra proposta é apresentar a terminologia usada para descrever de forma qualitativa e quantitativa as correntes elétricas empregadas nas aplicações clínicas. Esses termos serão usados em todo o texto para assegurar a comunicação clara, sem ambiguidade, e a uniformidade dos detalhes técni- cos dos procedimentos de estimulação. os leitores que recentemente completaram o estudo da física da eletricidade podem pular a primeira seção, sobre conceitos fundamentais em eletricidade, e começar a leitura na seção “linguagem de correntes Eletroterapêuticas”.
COnCEITOS FunDAMEnTAIS DE ELETRICIDADE
carga elétrica campo elétrico Voltagem
condutores e isolantes corrente elétrica resistência e condutância lei de ohm
capacitância e impedância
LInGuAGEM DE CORREnTES ELETROTERAPêuTICAS
Designações tradicional e comercial das correntes
RESuMO
QuESTõES DE REvISãO
REFERênCIAS
1
coNcEitos Básicos EM ElEtriciDaDE E tErMiNologia coNtEMporâNEa Na ElEtrotErapia
Andrew J. Robinson
COnCEITOS FunDAMEnTAIS DE ELETRICIDADE
Carga elétrica
Carga elétrica (ou apenas “carga”) é uma pro- priedade física fundamental, do mesmo modo que “massa” e “tempo” são propriedades físicas fundamentais. O problema em tentar explicar a carga é que ela é operacionalmente definida.
Isto é, nunca se pode ver uma carga, mas, por meio de experimentação, se pode ver como a carga se manifesta. Por exemplo, um profes- sor de física pode demonstrar como o atrito da roupa sobre o âmbar (uma resina fóssil amare- lada) permite que ele atraia substâncias de peso leve, como pedaços de papel. Cientistas antigos descreveram essa propriedade do âmbar como eletricidade estática, que nada mais é que uma manifestação da força de atração eletromagné- tica exercida pelas partículas carregadas dentro do âmbar. O âmbar se torna carregado ao trocar elétrons pelos dos átomos da roupa friccionada.
Como resultado, tanto a roupa quanto o âmbar mostram a capacidade de atrair ou repelir uma variedade de outros objetos carregados.
Carga é a propriedade da matéria que é a base da força eletromagnética. Experimentos criados para caracterizar as propriedades da carga elétrica mostraram que existem dois ti- pos de carga elétrica, positiva e negativa (1).
No nível mais simples, a carga é carregada pe- los elétrons (carga negativa) e prótons (carga positiva) dos átomos. Cargas iguais repelem-se e cargas opostas atraem-se. A carga pode ser transferida de um objeto para outro (as cargas podem ser separadas), mas não pode ser criada nem destruída. O conceito de carga elétrica não está limitado ao nível subatômico da matéria.
Um átomo eletricamente neutro é aquele que contém um número igual de prótons e elétrons.
Se um átomo de um elemento perde elétrons sem mudar o número de prótons no núcleo, torna-se positivamente carregado. Se ele ganha elétrons, torna-se negativamente carregado.
Os átomos de elementos com excesso ou de- ficiência de elétrons são chamados de íons. Os átomos que são positivamente carregados são chamados de cátions e os negativamente carre- gados são chamados de ânions.
Objetos e substâncias também podem se tornar eletricamente carregados. Considere as
cargas nos terminais de uma simples pilha seca.
Como consequência das reações químicas que ocorrem dentro da pilha, um terminal de metal (o cátodo) ganha elétrons e se torna negativa- mente carregado, enquanto o outro terminal de metal (o ânodo) perde elétrons e se torna positi- vamente carregado. O ânodo e o cátodo de uma pilha são às vezes chamados de polos da pilha.
O termo polaridade é usado para indicar a car- ga relativa (positiva ou negativa) dos terminais ou condutores essenciais de um circuito elétrico em qualquer momento no tempo.
A força exercida entre as duas cargas elétricas pode ser determinada de modo expe- rimental e é expressa em coulombs (C). A força de coulomb (F) entre duas cargas estacioná- rias, (q1) e (q2), é proporcional à magnitude e ao sinal das cargas e inversamente propor- cional ao quadrado da distância (r) entre elas, como expresso pela lei de Coulomb:
Fa (q1 × q2) / r2
A lei apenas estabelece que, quanto maio- res as cargas respectivas ou mais próximas as duas cargas, maior será a força atrativa (ou re- pulsiva) entre elas. As forças de coulomb dos elétrons e dos prótons são iguais em magnitu- de, mas opostas em sinal. A força de coulomb para um único elétron é 1,6 x 10-19C. Assim, produzir uma carga de 1 C requer a presença de 6,24 x 1018 elétrons.
Campo elétrico
A força elétrica das partículas carregadas é transportada para outras partículas carrega- das pelo campo elétrico (E) que cada carga cria. As cargas transmitem força através de um campo elétrico de uma maneira análoga ao modo como a força de gravidade da Terra é transmitida pelos campos gravitacionais. As características dos campos elétricos criados entre duas substâncias opostamente carrega- das e duas substâncias da mesma carga são ilustradas na Figura 1.1.
voltagem
Para entender o conceito de voltagem, considere a situação desenhada na Figura 1.2. A substância
grande carregada A é trazida para perto da substância pequena B, carregada de forma seme- lhante. Conforme as duas massas carregadas são aproximadas, a força de repulsão de coulomb de A é transmitida através do campo elétrico de A e é “sentida” por B – aumentando a energia poten- cial elétrica de B (PE). Se livre para se mover, B irá deslocar-se para uma nova posição a alguma distância (d) de sua posição original. Quando B é movida, a substância A fez o trabalho (W) que equivale ao produto da força média de coulomb aplicada a B e a distância movida por B; isto é,
W = F × d
Como a substância B se move, a energia potencial obtida a princípio pela interação com A é perdida fazendo o trabalho. Assim,
W = ∆PE
Uma vez que o trabalho feito é direta- mente proporcional à carga sobre B, e uma vez que a mudança na energia potencial também é diretamente proporcional à carga sobre B (qA), a voltagem (V) é definida como
V = ∆PE / qB
A voltagem é a mudança na energia po- tencial elétrica entre dois pontos em um campo elétrico por unidade de carga e é sinônimo do termo diferença de potencial elétrico. De um pon- to de vista mais prático, a voltagem representa a força motriz que faz as partículas carregadas se moverem e é muitas vezes chamada de força
eletromotriz, ou FEM. As voltagens são produ- zidas quando substâncias carregadas de forma oposta são separadas, quando substâncias com cargas iguais são aproximadas ou quando par- tículas carregadas dentro de um sistema não são distribuídas de modo uniforme. A unidade- -padrão para a voltagem é o volt (V). Um volt é igual à relação de 1 j (joule) de mudança por 1 coulomb de carga:
1 V = 1 J / 1 C
As voltagens usadas em aplicações eletroterapêuticas podem ser tão pequenas quanto a amplitude do milivolt (mV, 10-3 V, mi- lésimos de um volt) ou tão altas quanto várias centenas de volts (aplicados sobre um tempo extremamente curto).
Condutores e isolantes
As partículas carregadas, como elétrons em me- tais ou íons em solução, tenderão a se mover ou mudar de posição em virtude de suas in- terações com outras partículas carregadas. Em outras palavras, as partículas carregadas ten- derão a mover-se na matéria quando existirem diferenças de potencial elétrico. Essas partículas devem estar livres para se mover quando sub- metidas a uma voltagem. Aquelas substâncias nas quais as partículas carregadas se movem facilmente quando colocadas em um campo elétrico são chamadas de condutores. Metais
FIGuRA 1.1
linhas do campo elétrico em volta de partículas carregadas opostamente (A) e duas cargas iguais (B).
a configuração das linhas do campo reflete a atração das partículas carregadas de maneira oposta e a repulsão entre partículas carregadas de forma semelhante.
A B
como o cobre são bons condutores. Os átomos dos metais tendem a liberar os elétrons de sua camada orbital externa de maneira muito fácil quando colocados em um campo elétrico. Se uma substância negativamente carregada for trazida para perto de uma extremidade de um fio de metal longo, os elétrons mais próximos da substância serão deslocados ao longo do fio longe da massa de carga similar.
Os tecidos biológicos contêm partículas carregadas em solução na forma de íons, como sódio (Na+), potássio (K+) ou cloreto (Cl–).
Os tecidos humanos são condutores porque os íons ali são livres para se mover quando ex- postos a forças eletromotrizes. A capacidade dos íons de moverem-se nos tecidos humanos varia de tecido para tecido. O músculo e o ner- vo são bons condutores, enquanto a pele e a gordura são condutores fracos.
Em contraste com as substâncias que permitem movimento fácil de partículas carre- gadas em um campo elétrico, os isolantes são substâncias que tendem a não permitir o mo- vimento livre de íons ou elétrons. A borracha e muitos plásticos são bons isolantes.
Corrente elétrica
As propriedades das cargas elétricas em mo- vimento são de maior importância para a compreensão da estimulação eletroterapêutica do que as propriedades das cargas em repouso.
O movimento de partículas carregadas atra- vés de um condutor em resposta a um campo elétrico aplicado é chamado de corrente (I). A
condução de carga elétrica através da matéria de um ponto para outro é a transferência de energia, que causa mudanças fisiológicas duran- te a aplicação clínica da estimulação elétrica.
Produzir corrente elétrica requer a) a presença de partículas carregadas livre-
mente móveis em alguma substância e b) a aplicação de uma força motriz para
movê-las.
Em circuitos metálicos, os elétrons são as partículas carregadas móveis, enquanto nos sistemas biológicos, os íons em líquidos corpo- rais (soluções eletrolíticas) são as partículas carregadas. As forças que induzem corrente e líquidos biológicos são as voltagens aplica- das. A magnitude da corrente induzida em um meio condutor é diretamente proporcional à magnitude da voltagem aplicada:
Corrente a Voltagem (I a V)
A corrente é definida como a quantidade de carga (q) passando por um plano no condu- tor por unidade de tempo (t), ou
I = ∆q / ∆t
A unidade de medida-padrão para a corrente é o ampère (A), que é igual ao mo- vimento de 1 C de carga através de um ponto em um segundo. As correntes usadas em apli- cações eletroterapêuticas são muito pequenas e em geral são medidas em miliampères (mA, 10-3 ampères, milésimos de um ampère) ou em microampères (mA, 10-6 ampères, milioné- simos de um ampère).
FIGuRA 1.2
o efeito de aproximar dois objetos semelhantemente carregados (tendo cargas qa e qB). (A) posição fixa.
(B) a força de repulsão de coulomb (f) entre os dois objetos tenderá a separá-los por alguma distância (d).
qA qB
d
qB
F
A B
Resistência e condutância
A magnitude do fluxo de carga é determinada não só pelo tamanho da força motriz (volta- gem), mas também pela facilidade relativa com a qual os elétrons ou os íons conseguem se mover através do condutor. Essa característica dos con- dutores pode ser descrita de duas maneiras. A propriedade dos condutores chamada resistência (R) descreve a oposição relativa ao movimen- to de partículas carregadas em um condutor.
Inversamente, a propriedade chamada condu- tância (G) descreve a facilidade relativa com a qual as partículas carregadas se movem em um meio. Para metais, a resistência depende da área de seção transversal (A), comprimento (L) e re- sistividade (r) do condutor pela fórmula
R = r (L /A).
A unidade de resistência-padrão é o ohm (W). A magnitude da corrente induzida em um condutor é inversamente proporcional à resis- tência do condutor:
I a 1 / R
Uma maneira alternativa de descre- ver a capacidade de partículas carregadas de moverem-se em condutores, condutância, é inversamente relacionada à resistência:
R = 1 / G.
A unidade de condutância-padrão é o siemens (S; o mho não é mais usado).
A resistência de condutores elétricos é análoga à oposição ao movimento fluido que ocorre em sistemas hidráulicos. Assim como a resistência ao movimento fluido aumenta enquanto o diâmetro do cano diminui (ou o comprimento do cano aumenta), a resistência à corrente elétrica aumenta enquanto o diâme- tro do condutor diminui (ou o comprimento do condutor aumenta).
Lei de Ohm
A relação entre os fatores voltagem e resistên- cia que determina a magnitude da corrente (I) é expressa na lei de Ohm:
I = V / R ou V = I × R
Essa lei apenas estabelece que a corrente induzida em um condutor aumenta à medida que a força motriz aplicada (V) é aumentada ou à medida que a oposição para o movimento de carga (R) é diminuída. De modo alternati- vo, a lei de Ohm pode ser expressa em termos de condutância em vez de resistência:
I = V × G ou V = I / G
Capacitância e impedância
A fim de entender a corrente nos tecidos bioló- gicos, dois outros conceitos elétricos também devem ser introduzidos. Capacitância é a propriedade de um sistema de condutores e isolantes que lhe permite armazenar carga. As correntes produzidas nos tecidos biológicos são influenciadas não só pela resistência do te- cido, mas também por sua capacitância.
Em um aparelho de circuito elétrico, o capacitor é feito de duas placas finas de metal separadas por um isolante (ou dielétrico) (Fig.
1.3 A). Se uma voltagem fixa for aplicada atra- vés do capacitor, a corrente não passará pelo aparelho devido à presença do material iso- lante. Contudo, a diferença de potencial entre as duas placas do capacitor exerce uma força sobre as moléculas do isolante, aumentando a energia potencial dentro dessas moléculas (Fig.
1.3B). Se a voltagem aplicada for removida, a energia armazenada (diferença de potencial elétrico através do capacitor) permanecerá até que o capacitor seja descarregado por meio de alguma trilha condutora.
Um capacitor armazena energia elétrica de uma maneira similar àquela da membrana impermeável elástica colocada em um siste- ma hidráulico. Considere a situação ilustrada na Figura 1.3C, em que uma membrana de borracha fina é colocada na base de um tubo inelástico. Um pistão é usado para produzir uma força motriz sobre o fluido – nenhum líquido passa realmente pela membrana (ne- nhuma corrente é produzida); a força motriz faz com que a membrana se distenda (Fig.
1.3D). A membrana armazena energia devido a sua forma distendida. Se a válvula no tubo for fechada e a pressão do pistão liberada, a membrana permanecerá na posição distendi- da e de armazenagem de energia até que a
válvula seja reaberta (Fig. 1.3E). Se a válvula for reaberta, o recuo da membrana produzi- rá um movimento do fluido (corrente) que continuará até que ela retorne para sua po- sição original, de repouso. Dessa forma, a membrana elástica no circuito hidráulico ar- mazena energia que induz uma corrente de fluido exatamente como um capacitor arma- zena energia elétrica que induz uma corrente elétrica. Observe que a membrana no tubo
bloqueia o fluxo de líquido (corrente) através dele quando uma pressão de pistão constante unidirecional é aplicada, exatamente como um capacitor bloqueia a corrente elétrica contínua quando uma voltagem constante é aplicada. Embora tendam a bloquear corren- tes contínuas, os sistemas capacitivos tendem a permitir que as correntes alternadas pas- sem. Para um sistema em uma determinada capacitância, quanto mais alta a frequência
FIGuRA 1.3
gráfico de um capacitor em um circuito elétrico simples em estados descarregado (A) e carregado (B).
Um capacitor armazena energia elétrica pela deformação de moléculas dielétricas. Um analógico hidráuli- co de um capacitor descarregado (C), capacitor de carga (D) e capacitor carregado com força de carrega- mento removida (E). a energia é armazenada na deformação de uma membrana elástica impermeável.
Membrana interruptor aberto;
capacitor descarregado
interruptor fechado;
capacitor carregado Pilha Pilha
A
C
B
D E
Metal Dielétrico Metal
Válvula aberta
Válvula aberta
Válvula aberta
da corrente alternada, melhor a corrente pas- sará pelo sistema.
A capacitância de um capacitor ou de qualquer sistema de condutores e isolantes construído de maneira semelhante é expressa em Faraday (F); 1 F é a magnitude de capacitân- cia, já que 1 C de carga é armazenado quando 1 V de diferença de potencial é aplicado.
O termo impedância (Z) descreve a opo- sição às correntes alternadas, assim como o termo resistência descreve a oposição às cor- rentes contínuas. A impedância leva em conta tanto a oposição capacitiva quanto a resistiva para o movimento de partículas carregadas.
Quando se trata de estimulação elétrica clí- nica, é mais apropriado expressar a oposição à corrente com relação à impedância, porque os tecidos humanos são mais bem modelados como redes complexas de resistores e capaci- tores (R–C). Já que a impedância depende da natureza capacitiva dos tecidos biológicos, sua magnitude depende da frequência da estimu- lação aplicada. Em geral, quanto mais alta a frequência de estimulação, mais baixa será a impedância dos tecidos. A unidade-padrão da impedância é o ohm.
LInGuAGEM DE CORREnTES ELETROTERAPêuTICAS
Designações tradicional e comercial das correntes
As correntes elétricas têm sido usadas como propostas terapêuticas há centenas de anos.
Com o desenvolvimento de diferentes formas de geradores elétricos durante o século XX, os tipos de correntes elétricas empregados nas aplicações terapêuticas proliferaram. A intro- dução no mercado da saúde de vários tipos de estimuladores que produzem diferentes formas de corrente elétrica tem sido acompanhada por muita confusão na comunicação a respeito das características das correntes geradas. Antes de 1990, nenhum sistema tinha sido desenvol- vido para padronizar descrições de correntes elétricas usadas em eletroterapia.
A caracterização das correntes eletro- terapêuticas foi muitas vezes dirigida pelos desenvolvimentos históricos ou pelo setor co- mercial. A Figura 1.4 mostra alguns dos vários
tipos de correntes empregadas nos primeiros tempos da eletroterapia e suas designações tradicionais. A Figura 1.5 ilustra vários perfis de ondas de correntes (ou voltagem) designa- das comercialmente.
A diferenciação entre esses tipos de cor- rentes tradicionais e comerciais era muitas vezes baseada somente em uma única carac- terística de corrente, como a amplitude de voltagem ou a frequência de estimulação. Tais distinções unidimencionais levaram a desig- nações dicotômicas – como estimuladores de
“baixa voltagem versus alta voltagem” ou “bai- xa frequência versus média frequência” – que subsistem até hoje. Uma apreciação por clíni- cos praticantes a respeito dessas designações de correntes eletroterapêuticas é importante porque a literatura publicada ao longo dos anos 1980 usou a terminologia tradicional ou comercial e os clínicos educados nessa época continuam a usá-la. Na metade dos anos 1980, a Seção sobre Eletrofisiologia Clínica (SCE) da Associação Americana de Fisioterapia reconhe- ceu que tais descrições arbitrárias de correntes eletroterapêuticas junto com a proliferação de designações comerciais de correntes favorece- ram a confusão na comunicação relacionada a eletroterapia. Em uma tentativa de aliviar o problema, a SCE desenvolveu uma monografia padronizando a terminologia. A monogra- fia, que foi recentemente atualizada, fornece diretrizes para descrições qualitativas e quan- titativas de correntes eletroterapêuticas (2).
Tipos de correntes eletroterapêuticas Correntes elétricas usadas na eletroterapia clínica em geral podem ser divididas em três tipos: contínua, alternada e pulsada (pulsátil).
Esta seção do capítulo diferencia esses tipos de corrente com base em suas características qua- litativas e quantitativas.
Corrente contínua
O fluxo unidirecional contínuo ou ininter- rupto de partículas carregadas é definido como corrente contínua (CC). No contexto de aplicações clínicas, esse fluxo deve continu- ar ininterrupto por, no mínimo, 1 segundo
FIGuRA 1.4
Designações tradicionais de correntes elétricas selecionadas usadas historicamente na prática clínica. cada gráfico mostra mudanças na amplitude de corrente sobre o tempo.
amplitude de corrente
amplitude de corrente
amplitude de corrente
0
0
0
galvânica
alternada
alta frequência amortecida
alta frequência
não amortecida Estática pulsação alternada
galvânica
interrompida sinusoidal
farádica tempo
tempo
tempo para ser considerado corrente contínua. Essa
forma de corrente tem sido tradicionalmente referida como corrente “galvânica”; contudo, esse não é mais o termo preferido. A corrente contínua em um circuito eletrônico simples é produzida por uma voltagem de magnitude fixa aplicada a um condutor com uma re- sistência fixa (Fig. 1.6 A). A fonte da força eletromotriz fixa (FEM) é a pilha, na qual as reações químicas produzem um excesso de elétrons em um polo (cátodo) e uma deficiên- cia de elétrons no polo oposto (ânodo). A oposição à corrente no circuito é represen- tada como um resistor. Quando o interruptor no circuito está fechado, os elétrons fluem de
uma área de alta concentração (cátodo) para uma de baixa concentração (ânodo). Esse flu- xo, que é impedido pela resistência do fio, irá continuar até que a diferença de carga entre os terminais seja eliminada – quando as re- ações químicas dentro da pilha não podem mais fornecer elétrons livres para o terminal negativo. Embora o movimento das partículas carregadas nesse circuito seja dos terminais negativos para os positivos, a corrente (I) é, por convenção, especificada como se moven- do dos terminais positivos para os negativos.
A corrente que flui por esse circuito está re- presentada na Figura 1.6C, um gráfico da amplitude de corrente sobre o tempo.
FIGuRA 1.5
Designações comerciais de correntes elétricas selecionadas disponíveis a partir de determinados estimu- ladores contemporâneos. os gráficos mostram mudanças na amplitude de corrente sobre o tempo ou na amplitude de voltagem sobre o tempo.
corrente interferencial
galvânica de alta voltagem
corrente russa
corrente diadinâmica 0
0
0 0 I
I
I V
100 ms
10 ms 10 ms 10 ms
O movimento dos elétrons nesse circuito simples é análogo ao movimento das molécu- las de água em um circuito hidráulico simples (Fig. 1.6B). A força motriz nesse modelo de fluido é representada como a diferença de pres- são criada pela bomba e é análoga à diferença de voltagem através da pilha. As moléculas de água são análogas aos elétrons livres no circui- to elétrico. A resistência hidráulica (oposição ao fluxo de água) é representada sobretudo
pelo estreitamento da tubulação na metade do circuito e é análoga à resistência do fio em nosso circuito elétrico simples. O líquido fluirá no circuito contanto que a bomba mantenha uma diferença de pressão, bem como o fluxo de elétrons irá continuar desde que a pilha mantenha uma diferença de potencial elétrico.
O volume do líquido que passa por um ponto no circuito fluido por unidade de tempo (cor- rente) permanecerá constante, uma vez que o
gradiente de pressão permaneça constante e a geometria da tubulação seja mantida. Uma queda no gradiente de pressão ou no diâme- tro do tubo reduzirá o fluxo de líquido, assim como uma queda na voltagem ou um aumento na resistência do circuito reduzirá o fluxo de elétrons.
A corrente contínua induzida em uma solução eletrolítica aquosa contendo íons car- regados de modo positivo e negativo (cátions e ânions respectivamente), está associada com o movimento desses dois tipos de íons em direções opostas. A Figura 1.7 ilustra os mo- vimentos iônicos em uma solução eletrolítica
FIGuRA 1.6
gráfico de um simples circuito elétrico mostrando o movimento unidirecional de elétrons em resposta a uma força motriz constante. (A) analógico hidráulico de um circuito elétrico simples mostrando movi- mento unidirecional de líquido em resposta a pressão constante produzida por uma bomba. (B) represen- tação gráfica de corrente contínua sobre uma amplitude de corrente versus porção de tempo (C).
Movimento do elétron
ânodo
I cátodo
Bateria
amperímetro interruptor corrente = voltagem
resistência
corrente = pressão da bomba resistência do tubo resistor (r)
A
B
C
0
Bomba
Válvula
resistência fluxômetro
amplitude de corrente
interruptor fechado ou válvula aberta
interruptor aberto ou válvula fechada
tempo
