Physikalische Grundlagen Inhalt Das Atommodell nach Bohr Die Gleichspannung Der Gleichstrom Der Stromfluss in Metallen Der Stromfluss in Flüssigkeiten Die Elektrolyse Die Wechselspannung Der Wechselstrom Der Stromimpuls, die Impulsform Frequenz, Stromflusszeit und Pausenzeit
Das Atommodell nach Niels Bohr Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. sie bilden das Atomgewicht die Protonen besitzen eine positive Ladung die Neutronen sind elektrisch neutral Die Atomhülle besteht aus Elektronen ihr Gewicht ist verschwindend gering sie besitzen eine negative Ladung sie umkreisen den Atomkern auf mehreren Schalen (K-P) jede Schale kann eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen Das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral, da die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen ist. Die positive Ladung des Kerns und die negative Ladung der Hülle heben sich auf.
Die Gleichspannung Die elektrische Ladung Der Elektronenmangel Teilchen können durch Elektronenabgabe eine positive Ladung erhalten, es entsteht ein Elektronenmangel. Der Elektronenüberschuss Teilchen können durch Elektronenaufnahme eine negative Ladung erhalten, es entsteht ein Elektronenüberschuss. Die Gleichspannung Werden elektrische Ladungen getrennt entstehen: ein Pol mit Elektronenmangel der Pluspol, die Anode, rot ein Pol mit Elektronenüberschuss der Minuspol, die Kathode, schwarz (blau) zwischen diesen Polen besteht eine elektrische Kraft, die Gleichspannung. Steigt die Anzahl der getrennten Ladungen, wird die elektrische Spannung (Formelzeichen U) immer größer. Sie wird in Volt (V) angegeben.
Der Gleichstrom Bewegen sich Elektronen vom Ort des Elektronenüberschusses ( Kathode) zum Ort des Elektronenmangels ( Anode) wird dieser Vorgang als Stromfluss bezeichnet. Steigt die Anzahl der sich bewegenden Elektronen an, nimmt die Stromstärke (Formelzeichen I) zu. Sie wird in Ampere (A) angegeben. Diese Elektronenbewegung wird alsphysikalische Stromrichtung bezeichnet. Ein Stromfluss ist nur möglich, wenn Kathode und Anode mit einem Leiter verbunden werden, in dem sich die Elektronen frei bewegen können. Besitzt ein Körper keine frei Beweglichen Elektronen, wird er als Isolator bezeichnet. Der Stromfluss in Metallen Metalle besitzen eine sehr große Anzahl von frei Beweglichen Elektronen. Sie sind deshalb gute elektrische Leiter. Diese Elektronen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Je geringer die Anzahl der frei beweglichen Elektronen ist, desto größer ist der elektrische Widerstand (Formelzeichen R) eines Leiters. Er wird in Ohm (Ω) angegeben. Die Zusammenhänge zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstandsind im Ohmschen Gesetz beschrieben.
Der Stromfluss in Flüssigkeiten Durch das Anlegen einer Gleichspannung, bewegen sich, in Flüssigkeiten, Ionen zu den elektrischen Polen. Ionen entstehen z.b. durch Dissoziation (aufnehmen bzw. abgeben von Elektronen). So entsteht aus NaCl (Kochsalz) im Wasser, ein Na + Ion und ein Cl - Ion. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, wandern die positiven Natriumionen ( Na + ) zur Kathode. Deshalb werden sie als Kathionen bezeichnet. Die negativen Chloridionen ( Cl - ) wandern zur Anode und werden als Anionen bezeichnet. Die Elektrolyse Durch das Anlegen einer Gleichspannung wandern die Ionen zu den Elektrischen Polen. Die positiven Natriumionen, bei denen ein Elektronenmangel besteht, erhalten an der Kathode ein Elektron und werden zu einem neutralen Natrium-atom. Die negativen Cloridionen, bei denen ein Elektronenüberschuss besteht, geben an der Anode ein Elektron ab und werden zu einem neutralen Chloratom.
Die Wechselspannung Bei einer Wechselspannungsquelle werden die elektrischen Pole ständig Vertauscht. Darum hat eine Wechselspannung keine festen Pole. Die Anzahl der Polwechsel pro Sekunde wird durch die Frequenz F, in Hertz (Hz),angegeben. Die Maßeinheit der Wechselspannung ist Volt (V) z.b. 220 V. Bei einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz werden die Pole 50 mal in der Sekunde vertauscht. Ein Wechsel, also eine Periode, dauert Sekunde = 0,02 s = 20ms. Die Periodendauer t wir aus dem Kehrwert der Frequenz F berechnet t in s, F in Hz
Der Wechselstrom Wird eine Wechselspannungsquelle mit einem elektrischen Verbraucher verbunden, so fließt ein Wechselstrom. Das Vertauschen der Pole bewirkt, dass sich die Stromrichtung ständig ändert. Die Frequenz des Wechselstromes entsteht durch die Frequenz der Wechselspannung. Hat eine Wechselspannungsquelle eine Frequenz von 50 Hz, so fließt durch einen angeschlossenen Verbraucher ebenfalls ein Strom mit einer Frequenz von 50 Hz. Der Stromimpuls, die Impulsform Fließt ein elektrischer Strom nur für eine sehr kurze Zeit (< 1s) wird er als Stromimpuls oder nur als Impuls bezeichnet. Die Eigenschaften eines Impulses werden bestimmt durch: den Anstieg; das Einschalten die Dauer den Abfall; das Ausschalten die Intensität; Stärke
Die Impulse werden nach ihrer Kurvenform bezeichnet: Rechteckimpuls Sägezahnimpuls Dreieckimpuls Nadelimpuls (blau) (rot) (grün) (gelb) Der eigentliche Exponentialstrom Eine besondere Form hat ein Exponentialstrom. Diese Ströme werden in modernen Geräten nicht mehr angewendet, da sie sehr ungenau und schwer zu definieren sind.
Frequenz, Stromflusszeit und Pausenzeit Die Frequenz Stromflusszeit Pausenzeit Periodendauer F pulsierender Ströme ergibt sich aus der T der Dauer des Impulses, und der R zwischen den Impulsen. Die t wird aus Stromflusszeit plus Pausenzeit berechnet. T+R = Periode = t ( ) F in Hz, T in s, R in s Die Dauer einer Periode t in s, F in Hz Da wir in der Elektrotherapie sehr oft mit Impulsen im Millisekunden Bereich (ms) Arbeiten ist die Formel modifiziert worden. ( ) F in Hz, T und R in ms t in ms, F in Hz Harald Freiholz