Изучение влияния параметров окружающей среды на электрическое сопротивление тела человека.

Лабораторная работа

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Москва 2020

Виды поражений электрическим током

Особенности действия тока на живую ткань

Действие электрического тока на живую ткань в отличие от действия других физических и химических факторов (излучения, химические вещества, пар и т. п.) носит разносторонний и своеобразный характер [1]. Проходя через организм человека, электрический ток производит термическое и электролитическое действия, являющиеся обычными физико-химическими процессами, присущими! как живой, так и неживой материи. Одновременно, электрический ток производит и биологическое действие, которое является особым специфическим процессом, свойственным лишь живой ткани.

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве до высокой температуры кровеносных сосудов, нетзвов, сердца, мозга и других органов, что вызывает в них серьезные функциональные расстройства.

Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе и крови, что вызывает значительные нарушения их физико-химического состава.

Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма, а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов, протекающих в нормально действующем организме pi теснейшим образом связанных с его жизненными функциями.

Электрический ток, проходя через организм, раздражает живые ткани, вызывая в них ответную реакцию - возбуждение, являющееся одним из основных физиологических процессов и характеризующееся тем, что живые образования переходят из состояния относительного физиологического покоя в состояние специфической для них деятельности.

Два вида электрических травм. Многообразие действий электрического тока на организм , нередко приводит к различным электротравмам, которые условно можно свести к двум видам: местным электротравмам, когда возникает местное повреждение организма, и общим электротравмам, так называемым электрическим ударам, когда поражается весь организм из-за нарушения нормальной деятельности жизненно важных органов и систем.

Примерное распределение несчастных случаев от электрического тока промышленности по указанным видам травм:

20% - местные электротравмы;

25% - электрические удары;

55% - смешанные травмы, т.е. одновременно местные электротравмы и удары.

Местная электротравма - ярко выраженное местное нарушение целостности тканей тела, в том числе костных тканей, вызванное воздействием электрического тока или электрической дуги.

Характерные местные электрические травмы - электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения и электроофтальмия.

Электрический ожог - самая распространенная электротравма. Ожоги возникают у большей части (63%) пострадавших от электрического тока, причем треть их (23%) сопровождается; другими травмами - знаками, металлизацией кожи и офтальмией.

Токовый (контактный) ожог возникает в электроустановках относительно небольшого напряжения — не выше 1-2 кВ. При более высоких напряжениях,, как правило, образуется электрическая дуга или искра, которые и обусловливают возникновение ожога другого вида - дугового.

Дуговой ожог наблюдается в электроустановках различных напряжений. При этом в установках до 6-10 кВ ожоги являются следствием случайных коротких замыканий. Электрическая дуга может вызвать обширные ожоги тела, выгорание тканей на большую глубину, обугливание и даже бесследное сгорание больших участков тела или конечностей.

Большой ток, проходящий через человека, вызывает тяжелые ожоги в месте входа и выхода тока. Ткани тела, лежащие на пути тока, претерпевают серьезные изменения, а в случае большого количества теплоты, выделяющейся в них, высушиваются и обугливаются.

Электрические знаки, именуемые знаками тока, или электрическими метками, представляют собой резко очерченные пятна серого или бледно- желтого цвета на поверхности тела человека, подвергнувшегося действию тока. Обычно знаки имеют круглую или овальную форму и размеры 1 -5 мм с углублением в центре. Иногда форма знака соответствует форме токоведущей части, которой коснулся пострадавший, а также напоминать фигуру молнии.

Пораженный участок тела затвердевает подобно мозоли. Происходит как бы омертвение верхнего слоя кожи. Поверхность знака сухая и не воспалена.

Металлизация кожи - проникновение в верхние слои кожи мельчайших частичек металла, расплавившегося под действием электрической дуги. Такое явление встречается при коротких замыканиях, отключениях разъединителей и рубильников под нагрузкой. При этом мельчайшие брызги расплавленного металла под действием возникших динамических сил и теплового потока разлетаются во все стороны с большой скоростью. Каждая из этих частичек хотя и обладает высокой температурой, но имеет малый запас теплоты и, как правило, не способна прожечь одежду. Поэтому поражаются обычно открытые части тела - руки и лицо.

Пораженный участок кожи имеет шероховатую поверхность. Пострадавший ощущает на пораженном участке боль от ожогов за счет теплоты занесенного в кожу металла и испытывает напряжение кожи от присутствия в ней инородного тела.

Механические повреждения являются следствием резких непроизвольных судорожных сокращений мышц под действие тока, проходящего через человека. В результате могут произойти разрывы сухожилий, кожи, кровеносных сосудов и нервной ткани; могут иметь место вывихи суставов и даже переломы костей.

Механические повреждения возникают при относительно длительном нахождении человека под напряжением в установках до 380 В и являются, как правило, серьезными травмами, требующими длительного лечения. Все случаи механических повреждений сопутствуют электрическим ударам, поскольку они вызываются током, проходящим через тело человека. Третья часть из них сопровождается, кроме того, контактными ожогами тела.

Электроофтальмия - воспаление наружных оболочек глаз - роговицы и конъюнктивы (слизистой оболочки, покрывающей глазное яблоко), возникающее в результате воздействия мощного потока ультрафиолетовых лучей, которые энергично поглощаются клетками организма и вызывают в них химические изменения. Такое облучение возможно при наличии электрической дуги, которая является источником интенсивного излучения не только видимого света, но и ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.

Инфракрасные лучи также вредны для глаз, но лишь при интенсивном и длительном облучении, что редко имеет место при электрической дуге.

Электроофтальмия развивается через 4-8 часов после ультрафиолетового облучения. При этом имеют место покраснение и спадание кожи и слизистых оболочек век, слезотечение, гнойные выделения из глаз, спазмы век и частичное ослепление. Пострадавший испытывает головную боль и резкую боль в глазах, усиливающуюся на свету, т.е. у него возникает так называемая светобоязнь.

Предупреждение электроофтальмии обеспечивается применением защитных очков с обычными стеклами, которые почти не пропускают ультрафиолетовых лучей и обеспечивают защиту глаз от брызг расплавленного металла при возникновении электрической дуги.

Электрический удар

Под электрическим ударом следует понимать возбуждение живых •пей организма протекающим через него электрическим током, сопровождающееся непроизвольными судорожными сокращениями мышц. Степень отрицательного воздействия на организм этих явлений может быть различной. В худшем случае электрический удар приводит к нарушению и даже полному прекращению деятельности жизненно важных органов - легких и сердца, т.е. к гибели организма. При этом внешних местных повреждений человек может и не иметь.

В зависимости от исхода поражения электрические удары можно условно разделить на следующие четыре степени:

I - судорожное сокращение мышц без потери сознания;

II - судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися дыханием и работой сердца;

III - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого вместе);

IV - клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Исход воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов, в том числе от электрического сопротивления тела, тока и длительности его прохождения, рода и частоты тока, а также от индивидуальных свойств человека. Роль этих факторов рассматривается в следующих разделах.

Когда электрический удар не приводит к смерти, он тем не менее может вызвать серьезные расстройства в организме, которые проявляются сразу за воздействием тока или через несколько часов, дней и даже месяцев. Так, в результате электрического удара могут возникнуть или обостриться сердечно-сосудистые болезни - аритмия сердца, стенокардия, повышение и понижение артериального давления и др., а также нервные болезни - невроз, эндокринные нарушения и пр.

Электрическим ударам подвергается обычно свыше 80% пострадавших от тока. При этом большая часть их (55%) сопровождается местными электротравмами, в первую очередь ожогами. Электрические удары являются серьезной опасностью для жизни пострадавшего: они вызывают 85-87% смертельных поражений (считая за 100% все случаи со смертельным исходом от действия тока).

Механизм смерти от электрического тока

Смерть - это полное прекращение взаимосвязи организма с окружающей средой, утрата основных физиологических процессов - сознания, дыхания и сердцебиения, отсутствие реакций на внешние раздражители и т.п.

В более широком смысле смерть - необратимое прекращение обмена веществ в организме, сопровождающееся разложением белковых тел.

Различают два основных этапа смерти: клиническую смерть и биологическую смерть.

Клиническая (или «мнимая») смерть - переходное состояние от жизни к смерти, наступающее с момента прекращения деятельности сердца и легких.

У человека, находящегося в состоянии клинической смерти, отсутствуют все признаки жизни: он не дышит, сердце его не работает, болевые раздражения не вызывают никаких реакций, зрачки глаз резко расширены и не реагируют на свет. Однако в этот период жизнь в организме еще полностью не угасла, ибо ткани его еще не подвергаются распаду и в известной степени сохраняют жизнеспособность.

Не сразу угасают и функции различных органов. В первый момент во всех тканях продолжаются обменные процессы, хотя и на очень низком уровне и резко отличающиеся от обычных, но достаточные для поддержания минимальной жизнедеятельности. Эти обстоятельства позволяют, воздействуя на более стойкие жизненные функции организма, восстановить угасающие или только что угасшие функции, т.е. оживить умирающий организм.

Первыми начинают погибать очень чувствительные к кислородному голоданию клетки коры головного мозга (нейроны), с деятельностью которых связаны сознание и мышление. В последующие моменты начинается множественный распад этих клеток, что приводит к необратимому разрушению коры головного мозга и практически исключает возможность оживления организма. Если даже при этом удается восстановить у пострадавшего дыхание и сердечную деятельность, через

некоторое время он, как правило, погибает или обрекается на психическую неполноценность.

Поэтому длительность клинической смерти определяется временем с момента прекращения сердечной деятельности и дыхания до начала гибели клеток коры головного мозга; в большинстве случаев она составляет 4-6 мин. При гибели здорового человека от случайной причины, например, от электрического тока, длительность клинической смерти может достигать 7-8 мин., а в случае смерти человека в результате тяжелых болезней сердца, легких (т.е. когда организм исчерпал значительную часть своих жизненных сил в борьбе с болезнью) клиническая смерть может длиться лишь несколько секунд. Однако, если в этот период начать оказывать пострадавшему соответствующую помощь, т.е. путем искусственного дыхания обеспечить обогащение его крови кислородом, а путем массажа сердца наладить в организме искусственное кровообращение и тем самым снабжение клеток организма кислородом, то развитие смерти может быть приостановлено и жизнь сохранена.

Биологическая (или истинная) смерть — необратимое явление, характеризующееся прекращением биологических процессов в клетках и тканях и распадом белковых структур. Она наступает по истечении периода клинической смерти.

Причинами смерти от электрического тока могут быть прекращение работы сердца, прекращение дыхания и электрический шок. Возможно также одновременное действие двух или даже всех трех этих причин.

Прекращение сердечной деятельности является наиболее опасной причиной смерти от электрического тока, поскольку возвращение пострадавшего к жизни в этом случае оказывается, как правило, более сложной задачей, чем при остановке дыхания или при шоке.

Воздействие тока на мышцу сердца может быть прямым, когда ток проходит непосредственно в области сердца, а иногда и рефлекторным, т.е. через центральную нервную систему, когда путь тока лежит вне этой области. В обоих случаях может произойти остановка сердца, а также может возникнуть его фибрилляция. Фибрилляция может быть и результатом рефлекторного спазма артерий, питающих сердце кровью. При поражении током фибрилляция сердца наступает значительно чаще, чем полная остановка сердца.

Фибрилляция сердца - хаотические разновременные сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл) при которых сердце не в состоянии гнать кровь по сосудам.

При нормальной работе сердца происходит ритмичное чередование периодов покоя сердца, в течение которых оно заполняется кровью, и периодов сокращения, при которых оно выталкивает кровь в артериальные сосуды. Такая работа сердца обусловливается расслаблением, а затем сокращением одновременно всех волокон сердечной мышцы - фибрилл. В свою очередь сокращение этих волокон является ответом на нервный импульс, возникающий в особом нервно-мышечном аппарате сердца, так называемом синусовом узле. Причем каждому импульсу соответствует одно сокращение.

Если сердцу нанести добавочное раздражение, то оно ответит внеочередным сокращением. При множественных раздражениях сердца под действием тока могут нарушиться одновременность и ритмичность сокращения фибрилл, т.е. возникает фибрилляция сердца.

Фибрилляция сердца наступает при прохождении через тело человека переменного тока 100 мА с частотой 50 Гц в течение нескольких секунд. Токи меньше 100 мА и больше 5А той же частоты фибрилляции сердца у человека, как правило, не вызывают.

Фибрилляция продолжается обычно короткое время, сменяясь вскоре полной остановкой сердца.

Прекращение дыхания как первопричина смерти от электрического тока происходит чаще, чем прекращение сердечной деятельности. Нарушение работы легких вызывается обычно непосредственным воздействием тока на мышцы грудной клетки, участвующие в процессе дыхания.

Человек начинает испытывать затруднение дыхания, обусловленное судорожным сокращением указанных мышц, уже при токе 20-25 мА (50 Гц), проходящем через его тело. При большем токе это действие усиливается. В случае длительного воздействия такого тока наступает, так называемая, асфиксия - удушье - болезненное состояние в результате недостатка кислорода и избытка углекислоты в организме.

Электрический шок - своеобразная тяжелая нервно-рефлекторная реакция организма в ответ на чрезмерное раздражение электрическим током, сопровождающаяся глубокими расстройствами кровообращения, дыхания, обмена веществ и т.п.

При шоке непосредственно после воздействия тока наступает кратковременная фаза возбуждения, когда пострадавший реагирует на возникшие боли, у него повышается кровяное давление и т.п. Вслед за этим наступает фаза торможения и истощения нервной системы, когда резко снижается кровяное давление, падает и учащается пульс, ослабевает дыхание, возникает депрессия - угнетенное состояние и полная безучастность к окружающему при сохранении сознания.

Шоковое состояние длится от нескольких десятков минут до суток. После этого может наступить или гибель человека в результате полного угасания жизненно важных функций, или выздоровление как результат своевременного активного лечебного вмешательства.

Электрическое сопротивление тела человека

Живая ткань как проводник электрического тока

Тело человека является проводником электрического тока. Однако проводимость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи.

В результате сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и состояния окружающей среды.

В живой ткани нет свободных электронов и поэтому она не может быть уподоблена металлическому проводнику, электрический ток в котором представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Электрическое сопротивление тела человека

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа и особенно спинной и головной мозг - малое сопротивление. Например, ильное объемное сопротивление р' [Ом м] при токе частотой 50 Гц составляет:

Кожи сухой...................................................................... 3 -10³ — 2 10⁴

Кости (без надкостницы) 10⁴ - 2.10

Жировой ткани.........................

Мышечной ткани.......................

Спинномозговой жидкости

30-60

1,5-3

0,5 - 0,6

Из этих данных следует, что кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим ютивлепие тела человека в целом.

Строение колеи весьма сложно. Кожа состоит из двух основных слоев, наружного, называемого эпидермисом, и внутреннего, являющегося собственно кожей и носящего название дермы. На рис. 3.1 показано строение кожи в разрезе, где приняты следующие обозначения: а - наружный слой кожи - эпидермис; б - внутренний слой кожи - дерма; 1 - роговой слой; 2 - ростковый слой; 3 - подкожная жировая клетчатка; 4 - потовые железы; 5 - сальные железы; 6 — волос; 7 — кровеносные сосуды; 8 — чувствительные нервные окончания.

Наружный слой кожи - эпидермис, в свою очередь состоит из пяти слоев, из которых самый верхний является, как правило, более толстым, чем все остальные слои вместе взятые, и называется роговым.

Роговой слой включает в себя несколько десятков рядов мертвых ороговевших клеток, имеющих вид чешуек, плотно прилегающих одна к другой. Каждая такая чешуйка представляет собой плотную роговую оболочку, как бы сплюснутую маленькую подушечку, содержащую большое количество воздуха.

Роговой слой лишен кровеносных сосудов и нервов и поэтому является слоем неживой ткани. Толщина его на разных участках тела различна и колеблется в пределах 0,05 - 0,2 мм. Наибольшей толщины он достигает в местах, подвергающихся постоянным механическим воздействиям, в первую очередь на подошвах и ладонях, где утолщаясь, он может образовывать мозоли.

Роговой слой обладает относительно высокой механической прочностью, плохо проводит теплоту и электричество и является как бы защитной оболочкой, покрывающей все тело человека. В сухом и не загрязненном состоянии этот слой можно рассматривать как диэлектрик: его удельное сопротивление достигает 10⁵ — 10^б Ом м, т.е. в сотни и тысячи раз превышает сопротивление других слоев кожи и внутренних тканей организма.

Другие слои эпидермиса, лежащие под роговым слоем и образованные в основном из живых клеток, можно условно объединить в один, так называемый, ростковый слой. В основании этого слоя непрерывно. шеходит деление и развитие новых живых клеток, а вверху - ороговение и отмирание клеток, которые при этом изменяют свою форму, уплотняются, пропитываются особым белковым веществом и становятся клетками рогового слоя, восполняя постоянно слущивающиеся с поверхности кожи мертвые клетки.

Электрическое сопротивление росткового слоя благодаря наличию в нем отмирающих и находящихся в стадии ороговения клеток может в несколько раз превышать сопротивление внутреннего слоя кожи (дермы) и внутренних тканей организма, хотя по сравнению с сопротивлением рогового слоя оно невелико.

Внутренний слой кожи — дерма состоит из прочных волокон соединительной и эластичной ткани, переплетающихся между собой и образующих густую прочную сетку, которая и служит основой всей кожи. Между этими волокнами находятся кровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания и корни волос. Здесь же расположены потовые и сальные железы, выводные протоки, которых выходят на поверхность кожи, пронизывая эпидермис. Дерма является живой тканью, электрическое сопротивление ее незначительно, оно во много раз меньше сопротивления рогового слоя.

Сопротивление тела человека, т.е. сопротивление между двумя электродами, наложенными на поверхность тела, при сухой, чистой и ^•поврежденной коже (измеренное при напряжении до 15 - 20 В) колеблется в пределах примерно от 3000 до 100000 Ом, а иногда и более. Если на участках кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела упадет до 1000 – 5000 Ом, а при удалении всего верхнего слоя кожи (эпидермиса) - до 500 - 700 Ом. Если же под электродами полностью удалить кожу, то будет измерено сопротивление внутренних тканей тела, которое составит лишь 300-500 Ом.

Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи, т.е. эпидермиса, и одного, называемого внутренним сопротивлением тела (которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела). Схема измерения сопротивления тела j человека между двумя электродами представлена на рис. 3.2, где приняты следующие обозначения: 1 - электроды; 2 - наружный слой кожи (эпидермис); 3 - внутренние ткани тела, включая нижний слой кожи - дерму. —-

Сопротивление наружного слоя кожи Z_f, состоит из активного и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется как бы конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи' а диэлектриком - этот слой (эпидермис).

Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода S (м²), толщины эпидермиса d (м) и диэлектрической проницаемости эпидермиса в, которая в свою очередь зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. При токе с частотой 50 Гц значения s находятся в пределах от 100 до 200.

Емкость конденсатора

Полное сопротивление наружного слоя кожи Z„ при площади контактов в несколько квадратных сантиметров достигает весьма больших значений (десятков и сотен тысяч Ом).

Внутреннее сопротивление тела считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает емкостной составляющей.

Живую клетку можно представить себе как оболочку с весьма малой проводимостью, заполненную жидкостью, хорошо проводящей ток. Эта клетка окружена такой же жидкостью. Очевидно, что в этом случае ''разуется элементарный конденсатор, который и обусловливает емкостную проводимость клетки. Однако эта проводимость оказывается незначительной по сравнению с довольно большой ионной проводимостью клетки и ею без особой погрешности можно пренебречь

Значение внутреннего сопротивления R_B, Ом, зависит от длины и

поперечного сечения участка тела, по которому проходит ток, а также от удельного объемного сопротивления внутренних тканей организма р_в, усредненное значение которого при токе с частотой до 1000 Гц составляет

1,5 - 2,0 Ом м. Внутреннее сопротивление R_B практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и равно примерно 500 - 700 Ом.

Эквивалентная схема сопротивления тела человека для рассмотренных условий показана на рис. 3.3,^: где использованы следующие обозначения: R„ - активное сопротивление наружного слоя кожи; С„ - емкость образовавшегося конденсатора; R_B - внутреннее сопротивление тела.

(3.2)

На основании этой схемы можно написать выражение полного сопротивления тела человека Z_h в комплексной форме:

которые назовем соответственно активными сопротивлением и емкостью тела человека. Тогда упрощенная схема сопротивления человека имеет вид, представленный на рис. 3.4. В этом случае выражение полного сопротивления тела человека в действительной форме будет:

Приравняв (3.3) и (3.4) можно получить значение C_h, выраженное через С_н. При этом C_h оказывается несколько меньше 0,5 С_н. Если же принять R_B=0, то получим, что C_h = 0,5 С_н.

Из выражений (3.3) и (3.4) видно, что при малой емкости (когда ее можно принять равной нулю) полное сопротивление тела человека оказывается равным сумме активных сопротивлений обоих слоев

эпидермиса и внутреннего сопротивления тела, т.е.

Зависимость сопротивления тела человека от состояния кожи

Сопротивление кожи, а следовательно и тела в целом, резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличия влаги на ее поверхности, интенсивном потовыделении и загрязнении.

Повреждение рогового слоя - порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы могут снизить сопротивление тела человека до значения, слизкого к значению его внутреннего сопротивления (500 - 700 Ом), что безусловно увеличивает опасность поражения человека током.

Увлажнение кожи понижает ее сопротивление даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. Так, например, увлажнение сухих рук сильно подсоленной водой снижает сопротивление тела на 30 - 50 %, а дистиллированной водой - на 15 - 35 %. Объясняется это тем, что влага, попавшая на кожу, растворяет находящиеся на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и кожным салом, и становится более электропроводной.

Потовыделение обусловлено j деятельностью потовых желез, находящихся в дерме (собственно коже). У человека насчитывается около 500 потовых желез на 1 см² кожи.

Пот хорошо проводит электрический ток, поскольку в его состав входят вода.

Следовательно, работа в условиях, вызывающих усиленное потовыделение, усугубляет опасность поражения человека током.

Загрязнение колеи различными веществами, в особенности хорошо проводящими ток (металлическая или угольная пыль, окалина и т.п.), сопровождается снижением ее сопротивления, подобно тому как это наблюдается при поверхностном увлажнении кожи. Кроме того, токопроводящие вещества, проникая в выводные протоки потовых и сальных желез, создают в коже длительно существующие токопроводящие каналы, резко понижающие ее сопротивление.

Таким образом, токарь по металлу, шахтер и лица других специальностей, у которых руки загрязняются токопроводящими веществами, подвержены большей опасности поражения током, чем лица, работающие чистыми руками.

Зависимость сопротивления тела человека от параметров

электрической цепи

Электрическое сопротивление тела человека зависит также от места приложения электродов к телу человека, значений тока и приложенного напряжения, рода и частоты тока, площади электродов, длительности прохождения тока и др.

Место приложения электродов оказывает влияние потому, что сопротивление кожи у одного и того же человека неодинаково на разных участках тела. Кроме того, различным (хотя и в незначительных пределах) оказывается и внутреннее сопротивление за счет изменения длины пути тока по внутренним тканям организма.

Разница в значениях сопротивления кожи на разных участках тела объясняется рядом факторов, в том числе:

а) различной толщиной рогового слоя кожи;

б) неравномерным распределением потовых желез на поверхности

тела;

в) неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи.

Увеличение тока, проходящего через тело человека, сопровождается усилением местного нагрева кожи и раздражающего действия на ткани. Это в свою очередь вызывает рефлекторно, т.е. через центральную нервную систему, быструю ответную реакцию организма в виде расширения сосудов кожи, а следовательно, усиление снабжения ее кровью и повышение потооделения, что и приводит к снижению электрического сопротивления кожи в этом месте.

Повышение напряжения, приложенного к телу человека, U_h вызывает уменьшение в десятки раз полного сопротивления тела человека z_h , которое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления внутренних тканей тела (примерно 300 Ом). Многочисленные опыты подтверждают характер этой зависимости, хотя значения сопротивлений, полученные при замерах разными авторами, обычно сильно различаются, объясняется это главным образом разными условиями опытов (которые проводились с животными и трупами людей и лишь в пределах безопасных токов - с живыми людьми), а также индивидуальными особенностями испытуемых.

На рис. 3.5 приведены зависимости сопротивления тела человека и тока, протекающего через него, от приложенного напряжения. Кривые 1 и 2 показывают зависимости z_h от U_h и I_h ют U_h при переменном токе частотой 50 Гц. Кривые 3 и 4 - при постоянном токе.

Как видно из рис. 3.5, резкое уменьшение сопротивления наблюдается при напряжениях до 40 - 50 В, когда при токе частотой 50 Гц z_h оказывается равным примерно 2,0 - 1,6 кОм. Затем z_h^; снижается незначительно и составляет примерно 950 Ом при 110 В.; 600 Ом при 220 В; 500 Ом при 380 В; 400 Ом при 1000 В и т.д.

При больших напряжениях сопротивление приближается к своему наименьшему пределу 300 Ом.

Пробой рогового слоя кожи возможен, если напряженность возникшего в нем электрического поля превысит его пробивную напряженность Е_np, равную, как показывают опыты, 500 - 2000 В/мм.

В:

Так, при d_p = 0,05 мм и Е_пр = 500 - 2000 В/мм получим: U_np = 50-200 В.

Следовательно, пробой рогового слоя кожи возможен при напряжении около 50 В и выше. Исследования подтверждают это предположение. В частности, опыты, проведенные над трупами людей, показали, что напряжение около 200 В всегда вызывает пробой наружного слоя кожи.

Род и частота тока. Опыты показывают, что сопротивление тела

I: ^: _

человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. Это подтверждается также выражениями (3.3) и (3.4): при f = 0 сопротивление имеет наибольшее значение (z_h =2 R_H + R_B — Rh); с ростом частоты уменьшается (за счет уменьшения емкостного сопротивления) и в пределе, когда f = оо, становится согласно (3.3) равным внутреннему сопротивлению тела R_B.

На рис 3.6 приведены кривые зависимости полного сопротивления тела человека z_h и тока I_h , проходящего через него, от частоты приложенного напряжения. Измерения проводились по пути рука - рука с помощью цилиндрических электродов диаметром 40 мм при неизменном напряжении 5 В, 50 Гц

Площадь электродов S оказывает непосредственное влияние на полное сопротивление тела человека: чем больше S, тем меньше Zh. Рисунок

3.7 подтверждает эту зависимость. На рисунке показаны измерения на участке рука - рука от частоты приложенного напряжения и площади электродов. Вместе с тем из рис. 3.7 видно, что с ростом частоты зависимость z_h от S уменьшается и при 10 - 20 кГц влияние площади электродов утрачивается полностью.

Это следует и из уравнения (3.3). Так, если в это уравнение подставить значения С_н и R_H из (3.1) и (3.2), то мы получим выражение, определяющее зависимость z_h от S:

Из этого выражения следует, что при больших частотах, например 10 - 20 кГц, первое слагаемое под корнем приобретает значение, близкое к нулю, a z_h становится равным R_B.

Длительность протекания тока заметно влияет на сопротивление кожи, а следовательно, на z_h в целом за счет усиления со временем кровоснабжения участков кожи под электродами, потовыделения и т.п. Опыты показывают, что при небольших напряжения (до 20 - 30 В) за 1 - 2 мин сопротивление понижается обычно на 10 - 40%. При увеличении напряжения, а следовательно, при росте тока сопротивление тела снижается быстрее, что объясняется, по-видимому, более интенсивным воздействием на кожу тока большего значения.

Зависимость сопротивления тела человека от физиологических факторов и окружающей среды

На величину z_h кроме рассмотренных влияют и другие факторы.

Пол и возраст. У женщин, как правило, сопротивление тела меньше, чем у мужчин, а у детей - меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Объясняется это, очевидно, тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, а у других - толще и грубее.

Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека: болевые (уколы и удары), звуковые,' пугающие сообщения и пр., могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20 - 50%. Это объясняется биохимической реакцией организма человека на испуг, характеризующейся выделением стрессорных гормонов, которые резко усиливают обмен веществ, что приводит к снижению сопротивления тела.

В лабораторной работе рассматриваются три реакции на физические раздражения: неожиданное болевое раздражение, неожиданное звуковое раздражение и неожиданное пугающее сообщение, представленные соответственно на рис 3.8, 3.9 и 3.10. На каждом из этих рисунков изображены по четыре графика: а), б), в) и г).

Рис. 3.8 соответствует реакции организма на неожиданное болевое раздражение, которое возникает в конце первой минуты нахождения человека в электрической цепи при переменном токе и приложенном напряжении U_h = 80 В (50Гц). Импульсное неожиданное болевое раздражение возрастает от 0 до 3 у.е.(условных единиц) и изображено на рис. 3.8,а (кривая синего цвета). На рис. 3.8,6 показано соответствующее изменение сопротивления тела человека z_h с течением времени. Видно, что в течение первой минуты (до воздействия) z_h постоянно и равно 1,2 кОм. После воздействия неожиданного болевого раздражения оно быстро (в течение 1,5 сек) уменьшается на 50%, а затем постепенно восстанавливается до исходного уровня за 15 мин. На рис. 3.8,в показано изменение во времени значения тока I_h, соответствующее изменению z_h. На рис. 3.8,г дана зависимость порогового фибрилляционного тока при 50 Гц от длительности прохождения его через человека (кривая красного цвета). Эта зависимость подробно объясняется в разделе 4.2 и нужна для выполнения лабораторной работы.

Рис. 3.9 соответствует реакции [организма на неожиданное звуковое раздражение, которое возникает в [ конце первой минуты нахождения человека в электрической цепи при переменном токе и приложенном напряжении U_h = 85 В (50Гц). Импульсное неожиданное звуковое раздражение возрастает от 0 до 110 дБ, что соответствует шуму от отбойного молотка, и изображено на рис. 3.9,а (кривая зеленого цвета). На рис. 3.9,6 показано соответствующее изменение сопротивления тела человека z_h с течением времени. Видно, что в течение первой минуты (до воздействия) z_h постоянно и равно 1,1 кОм. После воздействия неожиданного звукового раздражения оно быстро (в течение 1,5 сек) уменьшается на 50%, а затем постепенно восстанавливается до исходного уровня за 15 мин. На рис. 3.9,в показано изменение во времени значения тока I_h, соответствующее изменению z_h. На рис. 3.9,г дана зависимость порогового фибрилляционного тока при 50 Гц от длительности прохождения его через человека (кривая красного цвета).

Рис. 3.10 соответствует реакции организма на неожиданное пугающее сообщение, которое возникает в конце первой минуты нахождения человека в электрической цепи при переменном токе и приложенном напряжении U_h = 90 В (50Гц). Импульсное неожиданное пугающее сообщение возрастает от 50 до 500 у.е. (условных единиц) и изображено на рис. 3.10,а (кривая желтого цвета). На рис. 3.10,6 показано соответствующее изменение сопротивления тела человека z_h с течением времени. Видно, что в течение первой минуты (до воздействия) z_h [постоянно и равно 1,05 кОм. После прохождения неожиданного пугающего сообщения оно быстро (в течение 1,5 сек) уменьшается на 50%, а затем постепенно восстанавливается до исходного уровня за 15 мин. На рис. 3.10,в показано изменение во времени значения тока I_h, соответствующее изменению z_h. На рис. 3.10,г дана зависимость порогового фибрилляционного тока при 50 Гц от длительности прохождения его через человека (кривая красного цвета).

На сопротивление тела человека существенно влияет уменьшение парциального давления кислорода в воздухе. Известно, что парциальное давление кислорода на уровне моря составляет 21331,5 Н/м² (160 мм рт. ст.). При уменьшении его до 18665,1 Н/м² (140 мм рт. ст.) появляются первые признаки кислородной недостаточности, которые легко компенсируются у здоровых людей учащением и углублением дыхания, ускорением кровотока, увеличением количества эритроцитов и т.д. Это в свою очередь приводит к снижению сопротивления тела человека и повышению опасности поражения его током при прочих равных условиях. При уменьшении парциального давления до 14665,4 Н/м (110 мм рт. ст.) компенсация становится недостаточной и появляются признаки гипоксии, а уменьшение его до 6666,1 - 7999,3 Н/м (50 - 60 мм рт. ст.) опасно для жизни.

Рис. 3.11 соответствует реакции организма на уменьшение парциального давления кислорода в воздухе, которое начинается в конце первой минуты нахождения человека в электрической цепи при переменном токе и приложенном напряжении U_h = 80 В:(50Гц). Парциальное давление кислорода в воздухе уменьшается от [160 до 140 мм рт. ст. в течение трех минут и изображено на рис. 3.11,а (кривая голубого цвета). На рис. 3.11,6 показано соответствующее изменение сопротивления тела человека z_h с течением времени. Видно, что в течение первой минуты (до начала уменьшения) z_h постоянно и равно 1,2 кОм. Падать z_h начинает через две минуты после начала уменьшения парциального давления кислорода. Снижение z_h на 40% происходит по экспоненциальной кривой в течение четырех минут и далее z_h не изменяется. На рис. 3.11 ,в показано изменение во времени значения тока I_h, соответствующее изменению z_h. На рис. 3.11,г дана зависимость порогового фибрилляционного тока при 50 Гц от длительности прохождения его через человека (кривая красного цвета).

Повышение температуры окружающего воздуха до 30 - 45 °С или тепловое облучение человека вызывает понижение сопротивления тела даже, если человек в этих условиях находится кратковременно (несколько минут). Одной из причин этого является усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате расширения их, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие

Рис. 3.12 соответствует реакции организма на повышение температуры окружающего воздуха, которое начинается в конце первой минуты нахождения человека в электрической цепи при переменном токе и приложенном напряжении U_h = 90 В (50Гц). Температура окружающего воздуха повышается от 20 до 40 °С в течение трех минут и изображено на рис. 3.12,а (кривая розового цвета). На рис. 3.12,6 показано соответствующее изменение сопротивления тела человека z_h с течением времени. Видно, что в течение первой минуты (до начала уменьшения) z_h постоянно и равно 1,05 кОм. Падать z_h начинает через двенадцать минут после окончания повышения температуры окружающего воздуха. Снижение z_h на 30% происходит в течение четырех минут и далее z_h не изменяется. На рис. 3.12,в показано изменение во времени значения тока I_h, соответствующее изменению z_h. На рис. 3.12,г дана зависимость порогового фибрилляционного тока при 50 Гц от длительности прохождения его через человека (кривая красного цвета)

Влияние характеристик тока на исход поражения

1.1. Влияние значения тока на исход поражения

При поражении человека электрическим током основным поражающим фактором является ток, проходящий через его тело. При '^ом степень отрицательного воздействия тока на организм человека увеличивается с ростом тока. Вместе с тем исход поражения определяется и длительностью воздействия тока, его частотой, а также некоторыми другими факторами. Сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значение тока, проходящего через человека.

Рассмотрим подробнее, как изменяется опасность воздействия тока на человека в зависимости от значения тока. При этом будем считать, что ток через человека проходит по наиболее типичным путям, а именно от руки к руке или от руки к ногам.

Ощутимый ток. Человек | начинает ощущать воздействие проходящего через него малого тока: 0,5 — 1,5 мА при переменном токе с частотой 50 Гц и 5 - 7 мА при постоянном токе. Это воздействие , ограничивается при переменном токе слабым «зудом» и легким покалыванием, а при постоянном- токе - ощущением нагрева кожи на участке, касающемся токоведущей части.

Электрический ток, вызывающий при прохождении через организм ощутимые раздражения, называется ощутимым током.

Указанные значения тока являются границей или порогом, с которого начинается область ощутимых токов, поэтому ток, являющийся наименьшим ощутимым, называется пороговым ощутимым током. Следует подчеркнуть, что указанные значения пороговых ощутимых токов справедливы лишь для случаев прохождения тока по пути рука - рука или рука - ноги. Если же контакт создается другими частями тела, имеющими более нежный кожный покров, в том числе тыльной стороной руки, лицом и пр., то человек начинает ощущать еще меньший ток. Наименьший ток 40 мкА при постоянном напряжении ощущается языком.

Пороговый ощутимый ток не может вызвать поражения человека, и в этом смысле он не является опасным. Однако длительное (а точнее несколько минут) прохождение его через человека отрицательно сказывается на здоровье и поэтому является недопустимым.

Кроме того, ощутимый ток может стать косвенной причиной несчастного случая, поскольку человек, почувствовав воздействие тока, .теряет уверенность в своей безопасности и может произвести неправильные действия. Особенно опасным является неожиданное действие ощутимого тока, что вызывает непроизвольные ошибочные действия человека, усугубляющие опасность для него при работах вблизи токоведущих частей, на высоте и в других аналогичных условиях.

Безопасный ток, который длительно (в течение нескольких часов) может проходить через человека, не нанося ему вреда и не вызывая никаких ощущений, очевидно, в много раз меньше порогового ощутимого тока. Наибольшие значения безопасного тока для практических целей можно • пшимать равными 50 - 75 мкА при 50 Гц и 100 - 125 мкА при постоянном токе.

Неотпускающий ток. Увеличение тока сверх порогового ощутимого вызывает у челавека судороги мышц и неприятные болезненные ощущения, которые с ростом тока усиливаются и распространяются на все большие участки тела.

Электрический ток, вызывающий при прохождении через человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой зажат проводник, называется неотпускающим током, а наименьшее его значение - пороговым неотпускающим током. Пороговый неотпускающий ток условно можно считать безопасным для человека, поскольку он не вызывает немедленного поражения его. Однако при длительном прохождении ток растет за . счет уменьшения сопротивления тела, в результате чего усиливаются боли и могут возникнуть серьезные нарушения работы легких и сердца, а в некоторых случаях наступает смерть.

Опыты, проводившиеся с людьми, показали, что наибольший постоянный ток, при котором человек еще в состоянии выдержать боль, возникающую в момент отрыва рук от электродов, составляет 50 - 80 мА. Этот ток и принят условно за порог неотпускающих токов при постоянном напряжении.

Значения пороговых неотпускающих токов у разных людей различны. Они различны также у мужчин, женщин и детей. Средние значения их составляют: для мужчин 16 мА при 50 Гц и 80 мА при постоянном токе, для женщин соответственно 11 и 50 мА, для детей 8 и 40 мА.

Ток, превышающий пороговый неотпускающий ток, усиливает судорожные сокращения мышц и болевые ощущения, которые распространяются на более обширную область тела человека.

Ток 25 - 50 мА при 50 Гц воздействует на мышцы не только рук, но и туловища в том числе на мышцы грудной клетки. В результате дыхательные движения грудной клетки сильно затруднятся. В случае длительного воздействия этого тока дыхание может оказаться невозможным, после чего через некоторое время наступит смерть от удушья. Этот ток одновременно вызывает сужение кровеносных сосудов, что приводит к повышению артериального давления крови и затруднению работы сердца. Длительное воздействие этого тока вызывает ослабление деятельности сердца и как итог этого - потерю сознания.

Ток больше 50 мА вплоть до 100 мА (50 Гц) действует значительно сильнее тока 25 - 50 мА, т.е. явления нарушения работы легких и сердца наступают через меньший промежуток времени. При этом токе, как и при псе 25 - 50 мА первыми по времени поражаются, как правило, легкие, а затем - сердце.

Фибрилляционный ток. Ток при 100 мА и более (при 50 Гц), проходя через тело человека по тому же пути (рука - рука или рука - ноги) распространяет своё раздражающее действие на мышцу сердца, расположенную глубоко в груди. Это обстоятельство является опасным для жизни человека, поскольку через 1 - 2 с с момента замыкания цепи этого тока через человека может наступить фибрилляция или остановка сердца. При этом прекращается кровообращение и, следовательно, в организме возникает недостаток кислорода. Это| в свою очередь быстро приводит к прекращению дыхания, т.е. наступает ^смерть. Таким образом, при токе 100 мА и более первым прекращает работу сердце, а затем - легкие, причем поражение сердца наступает быстро: обычно не более чем через 2 с с начала воздействия тока.

Электрический ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца, называется фибрилляционным током, а наименьшее его значение - пороговым фибрилляционным током.

При частоте 50 Гц фибрилляционными являются токи в пределах от 100 мА до 5 А, а пороговым фибрилляционным током - 100 мА. При постоянном токе пороговым фибрилляционными током считается ток 300 мА, а верхним пределом фибрилляционного тока 5 А.

Ток больше 5 А как при постоянном напряжении, так и при 50 Гц фибрилляцию сердца, как правило, не вызывает. При таких токах происходит немедленная остановка сердца, минуя стадию фибрилляции. Если действие тока было кратковременным (до 1 — 2 с) и не вызвало повреждения сердца (в результате нагрева, ожога и т.п.), после отключения тока сердце, как правило, самостоятельно возобновляет нормальную деятельность.

В практике наблюдались случаи выживания людей после того, как через них проходил ток в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Правда все эти случаи имели инвалидный исход.

Влияние продолжительности прохождения тока на исход поражения

Анализ несчастных случаев с людьми от поражения электрическим током и данные опытов над животными показывают, что длительность прохождения тока через организм существенно влияет на исход поражения: чем продолжительнее действие тока, тем больше вероятность тяжелого или смертельного поражения. Такая зависимость объясняется тем, что с увеличением времени воздействия тока на живую ткань растет значение

Характер воздействия тока разного значения на организм человека при прохождении его по пути рука - рука или рука - ноги

Значение тока, мА	Характер воздействия
Значение тока, мА	Переменный ток 50 Гц	Постоянный ток
1	2	3
0,6-1,5	Начало ощущения - слабый зуд, пощипывание кожи под электродами	Не ощущается
2,0-4,0	Ощущение тока распространяется и на запястье руки, слегка сводит руку	Не ощущается
5,0-7,0	Болевые ощущения усиливаются 1* по всей кисти руки, сопровождаясь судорогами; слабые боли ощущаются по всей руке вплоть до предплечья	Начало ощущения. Впечатление нагрева кожи под электродом
8,0-10	Сильные боли и судороги во всей руке, включая предплечье. Руки трудно, но еще можно оторвать от электродов	Усиление ощущения нагрева
10-15	Едва переносимые боли во всей руке. Руки невозможно оторвать от электродов. С увеличением продолжительности протекания тока боли усиливаются	Еще большее усиление ощущения нагрева как под электродами, так и в прилегающих областях кожи
20-25	Руки парализуются мгновенно, оторваться от электродов невозможно. Сильные боли, дыхание затруднено	Еще большее усиление ощущения нагрева кожи, возникновение ощущения внутреннего нагрева. Незначительные сокращения мышц рук
25-50	Очень сильная боль в руках и груди. Дыхание крайне затруднено. При длительном токе j может наступить паралич дыхания или ослабление деятельности сердца с потерей сознания	Ощущение сильного нагрева, боли и судороги в руках. При отрыве рук от электродов возникают едва переносимые боли в результате судорожного сокращения мышц

Продолжение таблицы 4.1

1	2	3
50-80	Дыхание парализуется через несколько секунд, нарушается работа сердца. При длительном протекании тока может наступить фибрилляция сердца	Ощущение очень сильного поверхностного и внутреннего нагрева, сильные боли во всей руке и в области груди. Затруднение дыхания. Руки невозможно оторвать от электродов из-за сильных болей при нарушении контакта
100	Фибрилляция сердца через^: 2-3 с; еще через несколько . секунд паралич дыхания \|	Паралич дыхания при длительном протекании тока
300	То же действие за меньшее^; время	Фибрилляция сердца через 2-3 с; еще через несколько секунд паралич дыхания
Более 5000	Дыхание парализуется немедленно - через доли секунды. Фибрилляция сердца, как правило, не наступает; возможна временная остановка сердца в период протекания тока. При длительном протекании тока (несколько секунд) тяжелые ожоги, разрушение тканей

Рост тока с увеличением времени его действия объясняется уменьшением сопротивления тела человека, что подробно рассмотрено в разделе 3.4.

Последствия воздействия тока на живой организм выражается в нарушении функций центральной нервной системы, изменении состава крови, местном разрушении тканей организма под влиянием выделяющейся теплоты, нарушении работы сердца и легких и т.п.

Очевидно, что с увеличением времени воздействия эти отрицательные факторы накапливаются, влияние их на состояние организма усиливается.

Опасность совпадения момента прохождения тока через сердце с фазой Т кардиоцикла заключается в следующем.

Каждый цикл сердечной деятельности состоит из двух периодов: одного, называемого диастолой, когда желудочки сердца, находясь в расслабленном состоянии, заполняются кровью, и другого, именуемого систолой, когда сердце, сокращаясь, выталкивает кровь в артериальные сосуды. Электрокардиограмма здорового человека в схематическом виде показана на рис. 4.1,а. На кардиограмме выделяются отдельные участки, соответствующие различным фазам работы сердца. Так, зубец Р возникает при сокращении предсердий, что обеспечивает заполнение расслабленных желудочков кровыо. Пик QRS - при сокращении желудочков сердца, благодаря чему кровь выталкивается в аорту, зубец Т - в период, когда заканчивается сокращение желудочков и они переходят в расслабленное состояние. Наиболее уязвимым сердце оказывается в фазе Г, продолжительность которой около 0,2 с. Поэтому если во время фазы Т через сердце проходит ток, то, как правило, возникает фибрилляция сердца. Если же время прохождения тока не совпадает с фазой Г, то вероятность возникновения фибрилляции резко уменьшается. Например, опыты над животными показали, что ток промышленной частоты разного значения (вплоть до 10 А) и длительностью 0,2 с, как правило, не вызывает фибрилляции сердца, если время прохождения его совпадает с периодом сокращения предсердий (пик Р) или желудочков (пик ORS). При совпадении же тока с фазой Т смертельное поражение наступает при 0,6 — 0,7 А той же длительности.

Следовательно, вероятность возникновения фибрилляции сердца, т.е. опасность смертельного поражения током, зависит от того, с какой фазой сердечного цикла совпадает время прохождения тока через область сердца. Общий характер этой зависимости выражается кривой, приведенной на рис.4.1,6. Кривая описывает вероятность возникновения фибрилляции сердца от момента протекания тока через сердце.

Необходимо отметить еще одно немаловажное обстоятельство, влияющее на исход поражения. Если время прохождения тока совпадает с фазой Т, то и в этом случае вероятность возникновения фибрилляции сердца зависит от длительности воздействия тока. На рис. 4.2 показана зависимость порогового фибрилляционного тока i частотой 50 Гц от длительности прохождения его через человека. При этом время прохождения тока во всех случаях совпадает с фазой Т. Эта зависимость получена путем соответствующей обработки результатов опытов над животными.

Известно, что при импульсных токах очень большое влияние на исход поражения оказывает путь тока в теле человека. При непосредственном воздействии импульсного тока на сердце, легкие и спинной мозг смерть наступает при относительно небольших значениях тока.

Влияние пути тока на исход поражения

Практикой и опытами установлено, что путь прохождения тока в теле человека играет существенную роль в исходе поражения. Так, если на пути тока оказываются жизненно важные органы - сердце, легкие, головной мозг, то опасность поражения весьма велика, поскольку ток воздействует непосредственно на эти органы.

Возможных путей тока в теле человека, которые именуются также петлями тока, очень много. Однако характерными, обычно встречающимися в практике являются не более 15 петель, показанных на лис. 4.3. На рисунке приведены следующие петли тока: 1 - рука - рука; 2 - правая рука - ноги; 3 - левая рука - ноги; 4 - правая рука - правая рука; 5 - правая рука - левая нога; 6 - левая рука - левая нога; 7 - левая рука - правая нога; 8 - обе руки - обе ноги; 9 - нога - нога; 10 - голова - руки; 11 - голова — ноги; 12 - голова - правая рука; 13 - голова — левая рука; 14 - голова - правая нога; 15 - голова - левая нога, i

Самые распространенные из них 6 петель приведены в таблице 4.2. Во втором столбце таблицы за 100% приняты все несчастные случаи поражения током, повлекшие за собой утрату трудоспособности более чем на 3 рабочих дня. j

Наиболее опасными являются петли голова - руки и голова - ноги, когда ток может проходить через головной и рпинной мозг. К счастью, эти петли возникают относительно редко.; Следующим по опасности является путь правая рука - ноги, который по частоте возникновения занимает второе место.

I Наименее! опасным является путь нога - нога, который именуется нижней петлей и возникает при воздействии на человека так называемого шагового напряжения. В этом случае через сердце проходит небольшой ток. Опыты, проводившиеся с животными, подтвердили меньшую опасность этой петли. Так, например, собаки оставались живыми при прохождении тока от одной задней ноги к другой, к которым было приложено 900 В в течение 12 с. Во втором случае напряжение 6000 В прикладывалось кратковременно дважды. Опытам подвергались и кролики, к задним ногам которых подводилось 180 - 400 В на 0,5 - 12,5 с. Кролики также оставались живыми. В практике не зарегистрировано также не одного случая смертельного поражения человека током при воздействии на него шагового напряжения. Объясняется это не только малым значением тока, проходящего через сердце, но и тем, что человек не может долго находиться под опасным шаговым напряжением, благодаря чему рефлекторное действие тока, обусловленного шаговым напряжением, обычно не успевает проявиться.

Шаговое напряжение даже небольшого значения (50 - 80 В) вызывает непроизвольные судорожные сокращения мышц ног и как следствие этого падение человека на землю. В этот момент прекращается действие на •словека шагового напряжения и возникает иная, более тяжелая ситуация:

вместо нижней петли в теле человека образуется новый более опасный путь тока, обычно от рук к ногам. Поскольку в таком положении человек касается одновременно точек земли, удаленных одна от другой на расстояние, превышающее длину шага, напряжение, действующее на него, оказывается, .как правило, большим, чем шаговое напряжение. В результате создается реальная угроза смертельного поражения током.

Влияние частоты и рода тока на исход поражения

Переменный ток. Известно, что из-за наличия в сопротивлении тела человека емкостной составляющей увеличение частоты приложенного напряжения сопровождается уменьшением полного сопротивления тела и ростом тока, проходящего через человека (см. рис. 3.6).

За опасность поражения принята величина, обратная неотпускающему току при данной частоте, выраженная в процентах. За 100% взята опасность при 50 Гц как наибольшая во всей шкале частот.

Таким образом, опасность поражения L при интересующей нас частоте

Зависимость опасности поражения током L от частоты характеризуется кривой, приведенной на рис. 4.4 и построенной на основании значений, пороговых неотпускающих токов при различных частотах (кривая I_но).

Как видно из рис. 4.4, наиболее опасными являются токи с частотой 20 -100 Гц. При меньших и больших частотах L уменьшается. Так, ток с частотой 200 Гц, широко применяемый для питания ручного инструмента, и ток с частотой 16 Гц, применяющийся в США в промышленности, обладают примерно одинаковой опасностью, составляющей 85 — 90% опасности токов

с частотой 50 Гц. Эти данные убедительно опровергают распространенное ошибочное мнение с малой опасности токов с частотой 200 Гц.

Практически заметное снижение значения L имеет место при частоте 1000 Гц и более. Так, при 1000 Гц (как и при 5 - 6 Гц) L составляет 65 - 70%. Ток с частотой 2000 Гц, также применяющийся для питания ручного электроинструмента, имеет L примерно 60%, он явно безопаснее токов с частотами 50 и 200 Гц. Однако по сравнению с постоянным током, о котором сказано ниже, он опаснее примерно в 2'раза.

Постоянный ток примерно в 4 - 5 раз безопаснее переменного с частотой 50 Гц. Это вытекает из сопоставления значений пороговых неотпускающих токов (50 - 80 мА для постоянного и 10 - 15 мА для тока с частотой 50 Гц) и предельно выдерживаемых напряжений: человек, удерживая цилиндрические электроды в руках, в состоянии выдержать по болевым ощущениям приложенное к нему напряжение не более 21 - 22 В . ри 50 Гц и не более 100 - 105 В постоянного тока.

Причины различной степени опасности токов с различными частотами заключаются в характере раздражающего действия этих токов на клетки живой ткани. Вопрос этот весьма сложен и недостаточно изучен. Упрощенно изменение опасности тока с изменением частоты можно объяснить следующим образом.

Если к клетке живой ткани приложить постоянное напряжение, то во внутриклеточном веществе, которое можно рассматривать как электролит, возникнет электролитическая диссоциация, т.е. будет происходить распад молекул на положительные и отрицательные ионы. Эти ионы начнут перемещаться :к оболочке клетки, причем положительные ионы будут стремиться к отрицательному электроду, а отрицательные - к положительному. Очевидно, это явление вызовет нарушение нормального состояния клетки и протекающих в ней естественных биохимических процессов.

При переменном токе ионы будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, следуя за изменением полярности

1. Изучение схемы измерения сопротивления тела человека и эквивалентных электрических схем сопротивления тела человека.

Под сопротивлением тела человека z_h понимается его действительная форма. Путь тока в теле человека: рука - рука. Кожа сухая, чистая, без повреждений. Параметры окружающей среды в норме.

1.1. Провести расчет сопротивления тела человека между двумя электродами, наложенными на поверхность тела, по полной эквивалентной схеме сопротивления при исходных данных, заданных в таблице 5.1.

Определить: R_H - активное сопротивление наружного слоя кожи; С_н - емкость наружного слоя кожи; z_h - сопротивление тела человека; i_h - ток, проходящий через человека.

1.2. Провести расчет сопротивления тела человека между двумя электродами по упрощенной эквивалентной схеме сопротивления при тех же исходных данных, приведенных в таблице 5.1.

Определить: R_h - активное сопротивление тела человека; Сь - емкость тела человека; z_h - сопротивление тела человека; I_h - ток, проходящий через человека.

1.3. Установить способ приближенного пересчета активного сопротивления R_h и емкости C_h в упрощенной эквивалентной схеме через R_H R_B и С_н, определенных по полной эквивалентной схеме сопротивления.

Результаты сравнить с данными из раздела 3.2.

2. Изучение влияния площади электродов S на полное сопротивление тела человека z_h

2.1. Провести серию расчетов R_н С_н, I_h и z_h при площади электродов, изменяющейся в диапазоне . Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

Построить графические зависимости и в указанном диапазоне.

На графике I_h=I_h(S) отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу 4.1). Сделать вывод о влиянии площади электродов 8 на сопротивление тела человека.

2,2 Провести серию расчетов z_h от частоты переменного, тока f, изменяющегося в диапазоне Гц при площади электродов:

Другие данные принять из таблицы 5.1.

Построить три графические зависимости (в одной системе координат):

Сделать вывод о влиянии частоты тока f на сопротивление тела z_h. Определить, при какой частоте f зависимость сопротивления тела z_h от площади электродов S утрачивается полностью.

Какому значению примерно равно z_h. при больших f?

3. Изучение влияния электрических параметров кожи на полное сопротивление тела человека

2.2. Провести серию расчетов R_н С_н, I_h и z_h при толщине эпидермиса, изменяющемся в диапазоне d = (ОД5,...,0,6) мм. Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

Построить графические зависимости и I_b=I_h(d) в указанном диапазоне. На графике I_h=I_h(d) ответить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу

4.1) .

Сделать вывод о влиянии толщины эпидермиса d на сопротивление . с л а человека.

2.3. Провести серию расчетов R_н С_н, I_h и z_h при удельном объемном сопротивлении эпидермиса, изменяющемся в диапазоне Ом м. Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

-Построить графические зависимости и в указанном диапазоне. На графике I_h=d_h(p) отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу

4.1) .

Сделать вывод о влиянии удельного объемного сопротивления

эпидермиса р на сопротивление тела человека.

2.4. Провести серию расчетов R_н С_н, I_h и z_h. при внутреннем сопротивлении тела, изменяющемся в диапазоне R_B — (500,...,700) Ом. Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

Построить графические зависимости и I_h=I_h(R_B) в указанном диапазоне. На графике I_h=I_h(R_B) отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу).

Сделать вывод о влиянии внутреннего сопротивления тела R_B на сопротивление тела человека. .

2.5. Провести серию расчетов R_н С_н, I_h и z_h при диэлектрической проницаемости эпидермиса, изменяющейся в диапазоне ɛ= (100,...,200). Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

Построить графические зависимости и I_h⁼I_h(ɛ) в указанном диапазоне. На графике I_h⁼I_h(ɛ) отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу

4.1)

Сделать вывод о влиянии диэлектрической проницаемости эпидермиса s на сопротивление тела человека.

3. Изучение влияния состояния кожи на полное сопротивление тела человека.

3.1. Провести серию расчетов и построить графические зависимости при площади электродов S, изменяющейся в диапазоне S = (10,...,200) см , для четырех вариантов состояния кожи человека:

I) . кожа сухая, без повреждений;

II) . кожа без рогового слоя;

III) . кожа без эпидермиса;

IV) .без кожи.

Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

На графиках I_h=I_h(S) отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу 4.1).

Сделать вывод о влиянии повреждений кожи на сопротивление тела человека.

3.2. Провести серию расчетов и; построить графические зависимости при площади электродов S,

изменяющейся в диапазоне S = (10,...,200) см , для трех вариантов увлажнения кожи человека:

I) . кожа сухая, без повреждений;

II) . кожа увлажнена подсоленной водой, без повреждений;

III) . кожа увлажнена дистиллированной водой, без повреждений.

Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

Сделать вывод о влиянии увлажнения кожи на сопротивление тела человека.

3.3. Провести церию расчетов и построить графические зависимости при площади электродов S, изменяющейся в диапазоне S = (10,.;..,200) см², для двух вариантов учета потовыделения:

I) . кожа сухая, без повреждений;

II) . кожа с потовыделением, без повреждений.

Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

Сделать вывод о влиянии потовыделения кожи на сопротивление тела человека.

3.4. Провести серию расчетов и построить графические зависимости при площади электродов S, изменяющейся в диапазоне S = (10,...,200) см², для трех вариантов загрязнения кожи:

I) . кожа чистая, сухая, без повреждений;

II) .- кожа загрязнена металлической пылью, сухая, без повреждений;

III) . кожа загрязнена угольной пылью, без повреждений.

Другие исходные данные принять из таблицы 5.1.

На графиках I_h=I_h(S) отметить области с различным характером воздействия

тока на организм человека (см. таблицу 4.1).

Сделать вывод о влиянии загрязнения кожи различными веществами на сопротивление тела человека.

4. Изучение влияния повышения приложенного напряжения и рода тока на электрическое сопротивление тела человека.

Считать, что кожа человека \ сухая, чистая и неповрежденная; параметры окружающей среды в норме. Путь тока в теле человека: рука — рука.

Расчеты проводить в режиме «Изучение влияния повышения приложенного напряжения».

4.1. Провести серию расчетов z_h и I_h при приложенном напряжении U_h, изменяющемся в диапазоне U_h = (5,...,220) В, при переменном токе в цепи. Частота переменного тока f = 5 0 Гц. ;

Построить графические зависимости z_h=z_h(U_h) и I_h=I_h(U_h) в указанном диапазоне.

Из графика z_h=z_h(U_h) определить уровень приложенного напряжения, выше которого наблюдается резкое уменьшение сопротивления тела человека.

На графике Ih=Ih(U_h) отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу 4.1).

4.2. Провести серию расчетов z_h и I_h при приложенном напряжении U_h, изменяющемся в диапазоне U_h = ,220) В, при постоянном токе в цепи.

Построить графические зависимости z_h=z_h(Uh) и I_h,=I_h(U_h) в указанном диапазоне.

На графике I_h=I_h(U_h) отметить области ; с различным характером воздействия тока на организм человека (см. таблицу 4.1).

4.3. Сделать вывод, в каком диапазоне напряжений особенно велика разница в опасности воздействия переменного и постоянного тока на человека. Какой род тока менее опасен для человека?

В каком диапазоне напряжений опасность поражения человека практически не зависит от рода тока?

При каком значении приложенного напряжения U_h происходит пробой наружного слоя кожи? К какому значению в этом случае приближается z_h?

5. Изучение влияния частоты тока на исход поражения человека.

Считать, что кожа человека сухая, чистая и неповрежденная; параметры окружающей среды в норме. Путь тока в теле человека: рука-рука.

5.1. Провести расчет в режиме «Изучение влияния частоты тока на исход поражения» при исходных данных, заданных в таблице 5.2.

В результате на экране монитора появятся четыре графика, представленные на рис. 5.1. На рис. а) и б) изображены соответственно зависимости сопротивления тела человека и тока через человека от десятичного логарифма частоты приложенного тока: z_h=z_h(lg f) и I_h= l_h(Ig f). На экране это кривые белого цвета. На рис. в) изображена зависимость порогового неотпускающего тока I = I(lg f), а на рис. г) изображена зависимость опасности поражения током L = L(lg f). На экране эти кривые желтого цвета. ._г

Перерисовать график с рис. б) и на нем отметить области с различным характером воздействия тока на организм человека, пользуясь кривой неотпускающего тока на рис. в). Сравнить с данными в таблице 4.1.

5.2. В каком диапазоне частот опасность поражения током наибольшая? Чему численно равна опасность поражения током в этом диапазоне? (Воспользоваться данными с графика г)).

5.3. В каком диапазоне частот опасность поражения током практически исчезает? Чему равны значения неотпускающих токов в этом диапазоне частот?

5.4. Изменить параметры сопротивления тела человека так, чтобы во всем диапазоне частот приложенного тока опасность поражения током L была минимально возможной.

Изучение влияния параметров окружающей среды на электрическое сопротивление тела человека.

Считать, что кожа человека сухая, чистая и неповрежденная. Путь тока в теле человека: рука - рука. Частота тока 50 Гц.

Расчеты проводить, задавая внешние воздействия на человека в диалоговом окне «Параметры окружающей среды».

также увеличение парциального давления кислорода или температуры окружающего воздуха) в виду отсутствия экспериментальных данных по их совместному влиянию на электрическое сопротивление тела человека.

Временные интервалы в переходных процессах введены усредненными для взрослого здорового человека.

В результате выполнения программы на экране монитора появляются четыре графика, которые подробно описаны в разделе 3.5.

6.1. Провести расчет сопротивления тела и тока через человека при неожиданном болевом раздражении при приложенном напряжении U_h = 80 В.

Определить: может ли у человека возникнуть фибрилляция сердца. Воспользоваться кривой порогового фибрилляционного тока 50 Гц от длительности прохождения его через человека, представленной на четвертом графике (кривая красного цвета).

На какой минуте после прохождения физического раздражения возникнет-фибрилляция сердца?

Провести серию расчетов при различных значениях приложенного напряжения, изменяющегося в диапазоне U_h = (20,...,220) В. Найти максимальное значение U_h, при длительном воздействии которого фибрилляция сердца никогда не наступает.

6.2. Провести расчет сопротивления тела и тока через человека при неожиданном звуковом раздражении при приложенном напряжении U_h = 85 В.

На какой минуте после прохождения физического раздражения возникнет фибрилляция сердца?

Провести серию расчетов при различных значениях приложенного напряжения, изменяющегося в диапазоне U_h — (20,...,220) В. Найти максимальное значение U_h, при длительном воздействии которого фибрилляция сердца никогда не наступает.

6.3. Провести расчет сопротивления тела и тока через человека при неожиданном пугающем сообщении при приложенном напряжении U_h = 75 В.

Определить: может ли у человека возникнуть фибрилляция сердца.

.Г;спользоваться кривой порогового фибрилляционного тока 50 Гц от длительности прохождения его через человека, представленной на четвертом графике (кривая красного цвета).

На какой минуте после прохождения пугающего сообщения возникнет фибрилляция сердца?

Провести серию расчетов при различных значениях приложенного напряжения, изменяющегося в. диапазоне U_h = (20,...,220) В. Найти

7.4 максимальное значение U_h, при длительном воздействии которого фибрилляция сердца никогда не наступает Провести расчет сопротивления тела и тока через человека при уменьшении парциального давления кислорода в воздухе от 160 до 140 мм рт. ст. при приложенном напряжении U_h = 80 В.

На какой минуте после начала уменьшения парциального давления кислорода возникнет фибрилляция сердца?

Провести серию расчетов при различных значениях приложенного напряжения, изменяющегося в диапазоне U_h = (20,...,220) В. Найти мнгамальное значение U_h, при длительном воздействии которого фибрилляция сердца никогда не наступает.

7.5 Провести расчет сопротивления тела и тока через человека при повышении температуры окружающего воздуха до 40°С при приложенном напряжении U_h — 80 В. ;

Определить: может ли у человека возникнуть фибрилляция сердца. Воспользоваться кривой порогового фибрилляционного тока 50 Гц от

длительности прохождения его через человека, представленной на четвертом

графике (кривая красного цвета).

На какой минуте после достижения температурой воздуха уровня в

40°С возникнет фибрилляция сердца?

Провести серию расчетов при различных значениях приложенного

напряжения, изменяющегося в диапазоне U_h = (20,...,220) В. Найти максимальное

значение U_h, при длительном воздействии которого фибрилляция сердца никогда не наступает.

Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 82; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!