الکتروکاردیوگرافی پایه: پتانسیل الکتریکی، جریان، ولتاژ و بیوالکتریسیته

۱. جریانی که زندگی را می‌سازد

به وقتی فکر کن که ۵ سال داشتی. شاید تو هم هنگام جشن تولدت، بادکنک را به موهایت می‌کشیدی و سپس آن را در کنار دیوار نگاه می‌داشتی تا به دیوار بچسبد. به آن چشم می‌دوختی و این پدیده تو را سر ذوق می‌آورد. حتما سوال‌هایی در ذهنت رژه می‌رفتند: چرا بادکنک به دیوار می‌چسبد؟ تا کی می‌چسبد؟ مو‌هایم چه کار کردند؟

روزی دیگر، شاید مارمولکی را دیدی که از دیواری صاف در حال بالا رفتن بود؛ آن‌قدر آسان که انگار دارد روی زمین عادی راه می‌رود.

پدیده‌هایی شگفت‌انگیز هستند. آن‌قدر شگفت‌انگیز که سال‌های سال قبل از تو و من، افراد مختلفی به دنبال پاسخ پرسش‌های فوق بودند. آن‌ها به جست‌و‌جو و تفکر پرداختند تا جواب را بفهمند و در راستای درک این پدیده یک مدل ذهنی ساختند و با آن جهان‌بینی انسان را توسعه دادند.

در این مدل، مواد دارای خصوصیتی به نام Charge یا بار الکتریکی هستند. قرارداد شد که مواد یا بار مثبت دارند یا بار منفی. شاید هم از لحاظ بار، خنثی باشند.

این بارها بر روی هم اثر گذاشته و نیرو وارد می‌کنند. بارهای غیرِهمنام همدیگر را جذب و بارهای همنام همدیگر را دفع می‌کنند.

پدید‌ه‌های زیادی با دخالت بار الکتریکی، در اطراف ما اتفاق می‌افتد. آذرخش، روشنایی لامپ‌ها، چسبیدن بادکنک به دیوار و آن بالا رفتن مارمولک از دیوار صاف.

اکنون می‌دانیم هنگامی که بادکنک را به موهایت می‌مالی، بین بادکنک و مو، این بارهای الکتریکی جابه‌جا می‌شوند و اساس چسبیدن بادکنک به دیوار همین است.

به مدرسه که رفتی، در مورد الکترون‌ها و جریان و نیروی الکتریکی درس‌هایی را فرا گرفتی. یاد گرفتی که چرا بادکنک به دیوار می‌چسبد. هم‌چنین یاد گرفتی که وقتی کلید چراغ را می‌زنی، حرکت الکترون‌ها هست که جریان را به سمت المنت چراغ زردرنگ می‌بَرد.

به این حرکت بارهای الکتریکی، Electric Current یا جریان الکتریکی می‌گویند. وقتی کلید چراغ را می‌زنی، در سیم‌های مسی که به سوی چراغ می‌روند، الکترون‌ها – که در این‌جا بارهای الکتریکی هستند – مشغول به حرکتی منظم شده و جریان الکتریکی به وجود می‌آید.

بعد‌ها، توانستیم این جهان‌بینی خود را کامل‌تر کنیم. فهمیدیم که جریان، تنها به وسیله‌ی حرکت الکترون‌ها نیست که به وجود می‌آید. یک نوع جریان در بدن تو وجود دارد که باعث انقباض قلبت می‌شود و این جریان، به خاطر حرکت یون‌ها است.

شاید شب‌هایی بوده که در سکوت، به صدای قلب خود گوش می‌سپاردی و دستت را بر سینه‌ات می‌گذاشتی تا تپش قلبت را حس کنی. تپیدن قلبت به خاطر نوعی جریان است. شبیه همان جریانی که چراغ را روشن می‌کند؛ ولی نه دقیقا همان. چراغ را حرکت الکترون‌ها هست که روشن می‌کند و قلبت را حرکت یون‌ها هست که به تپش وا می‌دارد.

به این جریان الکتریکی که به خاطرِ حرکت اتم‌ها یا مولکول‌های دارای بار الکتریکی (یون‌ها) در بدن تو و دیگر موجودات اتفاق می‌افتد، جریان بیوالکتریکی یا Bioelectric Current می‌گوییم. همان جریانی که زندگی را می‌سازد.

بیوالکتریسیته

۲. گریزی بر فیزیک

حال، بگذار سفر را وارونه آغاز کنیم. بگذار داستانِ شناختنِ این جریانِ سازنده‌ی حیات را بشنویم. شاید این مطالب را بدانی. از تو خواهش می‌کنم که کمی صبوری به خرج و اجازه بده این مفاهیم اولیه را با همدیگر مرور کنیم.

برگردیم به چند هزار سال قبل. به زمان فیلسوفان یونان قدیم. آن‌ها می‌دیدند که اگر تکه‌ای کهربا، با پارچه‌ای پشمی مالش داده شود و سپس این قطعه‌ی کهربا را به خرده‌های کاه نزدیک کنیم، کهربا خرده‌های کاه را به سوی خود می‌کشد. آن‌ها از این پدیده در حیرت بودند.

امروزه، ما بزرگسالان، به سادگی به این اتفاق می‌نگریم. به قول گردر، در ته موهای سبیل خرگوش لم داده‌ایم و پدیده‌های جهان دیگر به راحتی برایمان شگفتی‌آفرین نیستند.

اما برای فیلسوفان یونان باستان،‌ این چنین نبود. آن‌ها از وجود الکتریسیته و الکترون و بار الکتریکی خبر نداشتند. آن‌ها از مشاهده‌ی پدیده‌ی فوق در شگفتی به سر می‌بردند؛ تا این که در صدها سال بعد، علت آن کشف شد.

بگذار کمی با دور تند حرکت کنیم. قرن ۱۸ شده است. بارهای الکتریکی را این زمان بود که شناختیم. بنجامین فرانکلین، به شکل قراردادی، آن‌ها را بارهای مثبت و منفی نامید. بار الکترون منفی است و بار پروتون مثبت است.

این بارها به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. بارهای همنام همدیگر را دفع و دو بار منفی و مثبت، همدیگر را جذب می‌کنند. کمی بعد، شارل آگوستین دو کولُن، نیرویی را که دو بار الکتریکی به همدیگر وارد می‌کنند، محاسبه کرد. قانون کولُن، نتیجه‌ی کارهای اوست.

اما این‌جا سوالی مطرح می‌شود: از کجا این دو بار الکتریکی – بدون این که با هم در تماس باشند – از وجود یکدیگر آگاه شده و بر هم نیرو وارد می‌کنند؟ چطور دو میله‌ی پلاستیکی که با پارچه‌ی پشمی مالش داده شده‌اند، از حضورِ بارِ منفی یکدیگر خبردار شده و همدیگر را دفع می‌کنند؟

حس کردن این حضور، به خاطر میدان‌هاست. بار q1 در فضای اطراف خود خاصیتی ایجاد می‌کند که به آن، میدان الکتریکی بار q1 گفته می‌شود. وقتی بار q2‌، وارد میدان الکتریکی بار q1 شود، تحت تأثیر میدان الکتریکی بار q1 قرار گرفته و به آن نیرو وارد می‌شود.

حال، مسئله‌ی جدیدی به وجود می‌آید، در مثال بالا، وقتی که میله‌ی ۱ را به میله‌‌ی ۲ نزدیک کنیم، میله‌ی ۲ به حرکت درآمده و دفع می‌شود. چطور شد این نیرویی که دو بار به هم وارد می‌کنند، به حرکت تبدیل شد؟

حتما قانون پایستگی انرژی را خوب به یاد داری؛ این که انرژی از بین نمی‌رود، بلکه از شکلی به شکلی دیگر تبدیل می‌شود. می‌دانی که انرژی به دو حالت کلی در اطراف ما وجود دارد: پتانسیل (Potential) و حرکتی (Kinetic).

جسم وقتی که در حال حرکت است، انرژی حرکتی دارد. این انرژی به جرم و سرعت آن وابسته است. انرژی پتانسیل، انرژی ذخیره شده در جسم در حالت استراحت است، انرژی‌ای که نشان می‌دهد اگر جسم به حرکت درآید، قادر به انجام چه میزان کار است. پس وقتی جسم به حرکت در می‌آید، انرژی پتانسیل آن،‌ به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

همانند وقتی که جسمی را از سطح زمین بلند می‌کنیم و در آن انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می‌شود، یک بار مثبت در نزدیکی بار مثبت دیگری، دارای انرژی پتانسیل الکتریکی می‌شود.

انرژی پتانسیل الکتریکی یک ذره‌ی باردار به ما می‌گوید که در آن ذره چقدر انرژی ذخیره شده است؛ انرژی‌ای که اگر ذره به حرکت درآید به انرژی جنبشی تبدیل شده و می‌تواند کار انجام دهد.

مانند این است که فردی را به زور در اتاقی زندانی بکنیم. او نمی‌خواهد در این‌جا باشد. اذیت است. در نتیجه، هنگامی که در اتاق باز شود، به سرعت به سمت بیرون فرار می‌کند. دو بار مثبت در کنار هم، چنین رفتاری دارند.

مفهوم دیگری به نام پتانسیل الکتریکی نیز داریم.

به یاد داشته باش که «انرژی پتانسیل الکتریکی» و «پتانسیل الکتریکی»، یکسان نیستند؛ فقط به هم مرتبط هستند، اما یکسان نه.

در انرژی پتانسیل الکتریکی، موضوع مهم برای ما، انرژی ذخیره شده در یک ذره‌ی باردار است. در پتانسیل الکتریکی، ما با ذره کاری نداریم. برایمان مهم نیست که مقدار بار موجود در این ذره چقدر است. یک واحد بار، دو واحد بار، صد واحد بار، هزار واحد بار یا …

این‌جا میدان الکتریکی است که برایمان دارای اهمیت است.

پتانسیل الکتریکی به ما می‌گوید که اگر ذره‌ای باردار را وارد یک میدان الکتریکی بکنیم، چقدر انرژی در آن ذخیره می‌شود؛ هر چقدر که مقدار بارش باشد. این جا میدان مهم است. می‌خواهیم میدان را بهتر بشناسیم.

اگر بخواهیم، پتانسیل الکتریکی را برای یک ذره‌ی باردار در یک میدان الکتریکی حساب کنیم، مقدار انرژی پتانسیل الکتریکی ذره‌ی باردار را (متناسب است با محلی که در میدان قرار دارد)،‌ تقسیم بر مقدار بار آن می‌کنیم.

واضح است که انرژی پتانسیل گرانشی یک توپ در ارتفاع یک متری از سطح زمین و یک توپ در ارتفاع صد متری از سطح زمین، متفاوت است. همین اتفاق دقیقا در یک میدان الکتریکی نیز وجود دارد. هر چقدر که یک بار مثبت را به بار مثبت دیگری نزدیک‌تر بکنیم، انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده در آن، بیشتر می‌شود.

به بیان دیگر، پتانسیل الکتریکی، در قسمت‌های مختلف یک میدان یکسان نیست. اگر دو نقطه را در این میدان در نظر بگیریم و پتانسیل الکتریکی آن دو نقطه را حساب بکنیم، به اختلاف این دو عدد، اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌گویند.

نام دیگرش را حتما شنیده‌ای. به اختلاف پتانسیل الکتریکی دو نقطه در یک میدان، ولتاژ می‌گوییم. پس، ولتاژ از جنس انرژی پتانسیل است. نوعی فشار الکتریکی است که بین دو نقطه وجود دارد. اگر ذره‌ای باردار بخواهد بین دو نقطه جابه‌جا بشود، باید به اندازه‌ی این فشار الکتریکی بین آن دو نقطه یا ولتاژ رویش کار انجام بشود.

وقتی می‌گوییم که ولتاژ باتری قلمی ۱/۵ ولت است، یعنی پتانسیل الکتریکی پایانه‌ی مثبت به اندازه‌ی ۱/۵ ولت از پتانسیل الکتریکی پایانه‌ی منفی بیشتر است.

امیدوارم با این بحث‌ها، خسته نشده باشی. می‌خواهیم کمی دیگر در مورد فیزیک صحبت کنیم.

یک سیم فلزی را در نظر بگیر. الکترون‌های آزاد، پیوسته در حال حرکت و جنب‌و‌جوش هستند. سر جایشان بند نمی‌شوند. اما این حرکت آن‌ها، نامنظم هست. به هر طرفی که دلشان بخواهد، می‌روند.

حالا این سیم را در مداری الکتریکی گذاشته و در دو سر سیم، اختلاف پتانسیل ایجاد می‌کنیم. با این کار، بندی بر پای الکترون بسته‌ایم. دیگر نمی‌تواند هر گونه که خواست، حرکت کند. حرکت آن‌ها را جهت میدان است که تعیین می‌کند.

به این شارش و حرکت خاص بارهای الکتریکی متحرک، جریان الکتریکی می‌گوییم. واحد آن آمپر نام دارد.

اگر بخواهیم در این سیم جریان (I) را محاسبه کنیم، باید مقدار باری را که در یک زمان مشخص از آن گذشته است، به دست آوریم. یعنی مقدار بار را تقسیم بر زمان بکنیم.

جریان الکتریکی را برای نورون‌های مغز حساب کرده‌اند. در حدود یک نانوآمپر است. می‌بینی که چقدر کم است؛ ولی همین جریان کم است که باعث می‌شود من این کلمه‌ها را بنویسم و تو این کلمه‌ها را بخوانی.

این جریان‌های الکتریکی کوچک را با دستگاهی به نام گالوانومتر (Galvanometer) می‌شود اندازه گرفت.

احتمالا نقش مهم این دستگاه را در الکتروکاردیوگرافی می‌توانی حدس بزنی؛ زیرا همان‌طور که می‌دانی، الکتروکاردیوگرافی – هر چقدر هم که واژه‌ی دشوار و دهان پر کنی باشد – چیزی نیست به جز اندازه‌گیری همین جریان الکتریکی در سلول‌های قلب و به تصویر کشیدن آن بر روی تکه‌ای کاغذ.

گالوانومتر

جمع‌بندی و نکاتی جدید

مواد، ویژگی‌های مختلفی دارند. مثلا جرم یکی از آن‌هاست. یکی دیگر از این ویژگی‌ها Charge یا بار الکتریکی است. از لحاظ بار الکتریکی، مواد یا بار مثبت دارند، یا بار منفی، یا خنثی هستند (در این حالت، مجموع بار مثبت و منفی برابر است).

اگر تمامی بدنمان را یک سیستم در نظر بگیریم، از لحاظ بار الکتریکی خنثی هستیم. البته گاهی باردار هم می‌شویم (به معنای فیزیکی، نه فیزیولوژیکی). حتما برایتان پیش آمده است که در هنگام پیاده شدن از ماشین و بستن در آن، جرقه‌ای بین دست و در ماشین حس بکنید. اما این موقت است و سریعا به وضع خنثی برمی‌گردیم.

اما در سطح سلولی چطور؟ آن‌جا اوضاع فرق می‌کند. مقدار بار خارج و داخل سلول متفاوت است. می‌شود گفت که سلول‌ها از لحاظ فیزیکی، باردار هستند.

و این باردار بودن سلول‌ها اگر وجود نداشت، دیگر قلب نمی‌تپید، مغز فکر نمی‌کرد و نفس به شکل کامل هوا می‌شد.

پس بهتر است که بدانیم که ذرات باردار چگونه به هم نیرو وارد می‌کنند، تا بتوانیم بدنمان را بهتر بشناسیم.

چرا الان روی صندلی نشسته‌ام و در هوا به پرواز در نمی‌آیم؟ زمینی که روی آن زندگی می‌کنیم، نیرویی به من وارد می‌کند و مرا در سطحش نگه می‌دارد. این نیرو، گرانش است. دقیق‌تر بگویم، زمین یک میدان گرانشی ایجاد می‌کند و به من – چون در محدوده‌ی مؤثر این میدان قرار دارم – نیرو وارد می‌شود و در سطح زمین می‌مانم.

در مورد بارهای الکتریکی هم چنین داستانی وجود دارد. آن‌ها هم میدان الکتریکی تولید می‌کنند. همان‌طور که من برای حرکت بر روی زمین باید انرژی صرف بکنم، بارهای الکتریکی نیز برای حرکت در یک میدان، نیازمند انرژی هستند.

و همان‌طور که در یک توپ که در فاصله‌ی یک متری سطح زمین قرار دارد، انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می‌شود، در یک ذره‌ی باردار در میدان الکتریکی، انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره می‌شود. اگر بخواهیم از ذره‌ای که وارد یک میدان شده صحبت بکنیم، از انرژی پتانسیل الکتریکی می‌گوییم.

اما اگر بخواهیم از خود میدان صحبت بکنیم، از پتانسیل الکتریکی استفاده می‌کنیم. منظور این است که این میدان الکتریکی خاص، به یک میزان مشخص بار که در نقطه‌ای خاص از آن قرار دارد، چقدر نیرو وارد می‌کند.

اگر پتانسیل الکتریکی نقطه‌ی فرضی ۱ را از نقطه‌ی فرضی ۲ کم بکنیم، اختلاف پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ به دست می‌آید.

نقطه‌ی ۱ را داخل سلول در نظر بگیر و نقطه‌ی ۲ را خارج سلول. پتانسیل الکتریکی این دو نقطه را کم بکن. اکنون عدد ولتاژ غشا به دست می‌آید. در مورد ولتاژ غشای سلول یا به عبارت دقیق‌تر، ولتاژ دو طرف غشای سلول (Transmembrane Voltage or Transmembrane Potential) با هم مفصل صحبت خواهیم کرد.

اکنون، یک تکه سیم را در نظر بگیر. رسانا است. دو طرف آن به وسیله‌ی یک باتری، ولتاژ ایجاد بکن. ولتاژ از جنس فشار الکتریکی است. باعث می‌شود که الکترون‌ها حرکت بکنند. به این حرکت الکترون‌ها، جریان الکتریکی می‌گویند. تعریف بهتر جریان، حرکت بارهای الکتریکی است.

پس از خواندن این درس، مفاهیم زیر را باید بدانی. مخصوصا ولتاژ و جریان را باید دقیق متوجه شده باشی. اگر هر کدام گنگ بود، دوباره به سراغ درس برو؛ اگر باز هم گنگ بود، در کامنت‌ها سوال بکن.

ولتاژ

2 نظر

  1. سلام وقتتون بخیر
    امروز با این سایتتون آشنا شدم و تیتر ها رو که دیدم داشتم با خودم فکر میکردم چه نیازی به این همه مطالب پایه ای هست تا اینکه این مطلب رو خوندم و انقدری مفید و خلاصه بود که تونستم یک تصویر ذهنی بسازم از همین مفاهیم شروع بشه تا برسه به بیماری و درمان.
    خواستم صمیمانه تشکر کنم از وقتی که میذارین .

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *