Elektrische Feldstärke eines Dipols

Anwendung: EKG Versuch

Inhalt

• Elektrischer Dipol

• Feldstärke und Potential um einen Dipol in– isolierender– schwach leitender

Umgebung

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 (-)

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

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

• Feldlinien: Orange, Äquipotential- Linien: Himmelblau

Dipol im isolierenden Rahmen („Vakuum“)

Ein isolierender Rahmen ändert nichts an der Feld- und Potential-Verteilung

• 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

• 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!

• 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

• 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

Zellmebran polarisiert

Im polarisierten Zustand ist die Zellmembran außen positiv geladen.

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

Zellmebran polarisiert

Kein Signal an der Oberfläche des Körpers im polarisierten Zustand

mV0

40

Depolarisation

Dipol Signal an der Oberfläche des Körpers bei Depolarisation

mV0

40

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

finis

„Künstlerisch freie“ Darstellung: Die Äquipotentiallinien enden in Wirklichkeit an der Körperoberfläche