§ 22. Действие электрического тока на организм человека и виды электротравм.
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. Вследствие этого сопротивление человека является переменной величиной, зависящей от множества факторов, в том числе от состояния кожи, окружающей среды, параметров электрической цепи и физиологических факторов.
Большинство тканей тела человека содержит значительное количество воды (до 65 % по массе). Поэтому живую ткань можно рассматривать как электролит, т. е. раствор, разлагающийся химически при прохождении по нему тока. Иными словами, перенос электрических зарядов в живой ткани осуществляется не свободными электронами, что имеет место в металлических проводниках, а заряженными атомами или группами атомов — ионами. Таким образом, тело человека можно рассматривать как проводник особого рода, имеющий переменное сопротивление и обладающий в какой-то мере свойствами полупроводника и электролита.
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. Кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом. Сопротивление кожи резко уменьшается при повреждении ее рогового слоя, наличия влаги на поверхности, интенсивном потовыделении и загрязнении.
Повреждение рогового слоя — порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы снижают сопротивление тела человека до значения, близкого к значению его внутреннего сопротивления, что безусловно увеличивает опасность поражения человека током.
Увлажнение кожи понижает ее сопротивление даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. 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. При длительном увлажнении кожи наружный слой ее разрыхляется, насыщается влагой, в результате чего сопротивление его почти полностью утрачивается.
Таким образом, работа мокрыми руками или в условиях, вызывающих увлажнение каких-либо участков кожи, создает предпосылки для тяжелого исхода в случае попадания человека под напряжение.
Потовыделение обусловлено деятельностью потовых желез, находящихся в коже. Пот хорошо проводит электрический ток, поскольку в его состав входят вода и растворенные в ней минеральные соли, а также некоторые продукты обмена веществ. Он выделяется на поверхность кожи по выводным протокам, пронизывающим всю толщу кожи. В обычных условиях проводимость пота незначительна, но при интенсивном потовыделении, когда протоки расширяются и по ним перемещается непрерывная струя пота, сопротивление кожи резко падает. Этому способствуют также смачивание потом поверхности кожи и отложение на ней продуктов потовыделения. Следовательно, работа в условиях, вызывающих усиленное потовыделение, усугубляет опасность поражения человека током.
Загрязнение кожи 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.
Читайте также: Стояночный тент ткань оксфорд
Таким образом, токарь по металлу и лица других специальностей, у которых руки загрязняются токопроводящими веществами, подвержены большей опасности поражения током, чем лица, работающие чистыми руками.
Электрическое сопротивление тела человека зависит также от места приложения электродов, силы тока и напряжения, рода и частоты тока, площади электродов и длительности прохождения тока. Место приложения электродов оказывает влияние потому, что сопротивление кожи у одного и того же человека неодинаково на разных участках тела. Кроме того, различным 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 различной толщиной рогового слоя кожи, неравномерным распределением потовых желез на поверхности тела и неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи. Наименьшим сопротивлением обладает кожа лица. шеи, рук на участке выше ладоней и в особенности на стороне, обращенной к туловищу, подмышечных впадин, тыльной стороны кисти руки.
Увеличение силы тока, проходящего через тело человека, сопровождается усилением местного нагрева кожи и раздражающего действия тока на ткани. Это в свою очередь рефлекторно вызывает быстрая ответная реакция организма в виде расширения сосудов кожи, усиления снабжения ее кровью и повышения потоотделения, что приводит к снижению электрического сопротивления.
Опытами установлено, что сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. 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 тем, что у одних кожа тоньше и нежнее, у других — толще и грубее. Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека: болевые (уколы, удары), звуковые, световые и пр. — могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20— 50 %.
Повышенная температура окружающего воздуха (30—45 °С) или тепловое облучение человека вызывает некоторое снижение сопротивления, даже если человек находится в данных условиях кратковременно (несколько минут) и у него не наблюдается повышенного потовыделения. Одной из причин этого может быть усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате их расширения, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.
Электрическое сопротивление тела человека
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. Большинство тканей тела человека содержит значительное количество воды (до 65% по весу). Поэтому живую ткань можно рассматривать как электролит, т. е. раствор, разлагающийся химически при прохождении по нему тока, и, таким образом, считать, что она обладает ионной проводимостью.
Читайте также: Негорючая ткань для штор что это
В случае прикосновения к двум электродам, находящимся под напряжением, т.е. при двухполюсном прикосновении, сопротивление тела человека будет определяться сопротивлением наружных слоев кожи и сопротивлением внутренних подкожных тканей. Наружный роговой слой кожи толщиной 0,05 – 0,2 мм состоит из омертвевших клеток, обладает высоким удельным сопротивлением 3∙ 10 3 — 2∙ 10 5 Ом∙м и может рассматриваться как диэлектрик.
Рис. 1. Структура сопротивления тела человека
1 – электроды; 2 – наружный слой кожи – эпидермис (роговой и ростковый слои); 3 – внутренние ткани тела (включая внутренний слой кожи – дерму)
В целом сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений: двух сопротивлений наружного слоя кожи zн, которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека, и внутреннего сопротивления телаRв, которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела.
Сопротивление наружного слоя кожи zн можно рассматривать, как два включенных параллельно сопротивления: активного и емкостного, как это представлено на рис. 2.
Рис. 2. Упрощенная электрическая схема наружного слоя кожи
rн – активное сопротивление наружного слоя кожи;
С – емкость, образующаяся между поверхностью контакта с проводящей частью электроустановки и внутренними тканями.
Активное сопротивление наружного слоя кожи rн,Ом, зависит от удельного объемного сопротивления ρн, толщины эпидермиса d, иплощади электрода S:
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 – наружный слой кожи (эпидермис). Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода S, толщины эпидермиса d и диэлектрической проницаемости эпидермиса ε, которая в свою очередь зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. При токе 50 Гц значения ε находятся в пределах от 100 до 200. Емкость конденсатора, Ф:
где: ε0=8,8510 12 Ф/м—электрическая постоянная.
Как показывают опыты, Снколеблется в пределах от нескольких сотен пикофарад до нескольких микрофарад.
Внутреннее сопротивление тела считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает емкостной составляющей. Внутреннее сопротивление Rв практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения.
Эквивалентная схема сопротивления тела человекадля рассмотренных условий показана на рис. 3.
Рис. 3. Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека
На основании этой схемы выражение для определения полного сопротивления тела человека в комплексной форме Z, Ом, имеет вид:
Принимая значения емкости С в мкФ, частоты тока f в кГц и активного сопротивления кожи rн в кОм можно записать выражение для полного сопротивления наружного слоя кожи в виде:
Расчетное электрическое сопротивление тела человека переменному току частотой 50 Гц при анализе опасности поражения человека током принимается равным 1000 Ом.
Рассмотрим возможности экспериментального определения основных параметров сопротивления тела человека Z, rн , rв , Zн , C.
Читайте также: Как с ткани удалить жирные пятна с одежды
Известно, что с увеличением частоты тока сопротивление конденсатора уменьшается обратно пропорционально частоте:
Многие известные методики рекомендуют для измерения внутреннего сопротивления rв использовать токи высокой частоты. Считается, что при f ≈ 20 ∙ 10 3 Гц полное сопротивление наружного слоя кожи Zн становится близким к нулю, тогда:
rв = Zн, при f ≥ 20 ∙ 10 3 Гц (7)
Полная величина наружного сопротивления кожи Zн на частоте f может быть определена по формуле (3) с учетом результата измерения общего сопротивления тела:
Следует, однако, подчеркнуть, что распределение плотности тока в любом проводнике (в том числе и по сечению тела человека) с увеличением частоты тока имеет определенную неравномерность из – за поверхностного эффекта, называемого также СКИН-ЭФФЕКТОМ (от англ. skin — кожа, оболочка).
Глубину проникновения δ переменного магнитного поля в проводящую среду называют толщиной скин-слоя. Для промышленной частоты f = ω∕2π = 50Гц толщина скин-слоя в меди примерно равна 1см. При f = 5kГц она составляет 1мм, а при f = 50МГц становится микроскопически малой, δ = 10мкм.
С учетом сказанного, очевидно, что ранее используемые методики измерения внутреннего сопротивления на частотах более 10 кГц могут давать существенные искажения реальной величины сопротивления.
По известным значениям rн и Zн(f) используя формулу (4) можно оценить величину емкости С:
Непосредственное измерение rн при постоянном токе связано с возникновением эффекта поляризации, что негативно сказывается на общей точности измерений.
Поэтому активную составляющую наружного сопротивления кожи rн определяют, используя результаты измерения Z при токах низкой частоты.
В целях определения rн: необходимо прогнозировать изменения величины полного сопротивления тела Z(f→0)
Указанный прогноз может быть выполнен различными методами.
Поскольку в электрической схеме сопротивления тела человека нет элементов, параметры которых могли бы вызвать скачкообразное изменение функции Z(f) при f →0, то можно применить метод экстраполяции результатов измерений величины Z(f) на низких частотах 20 – 200 Гц.
Для этого в линейном масштабе строится график зависимости Z(f) по полученным данным. Затем определяется вид зависимости Z = φ(f) для этого частотного диапазона. Если учесть, что процесс измерений неизбежно связан с определенными погрешностями, то сами результаты могут рассматриваться, как случайные величины, а общая тенденция наиболее точно отражается уравнением регрессии.
После выбора математической модели, описывающий изучаемый процесс Z = φ(f), определяют наиболее вероятные значения постоянных параметров при переменной f путем минимизации следующей целевой функции:
, для i = 1, n
где Z(f) и zi(f) – соответственно теоретическое и фактически измеренное значение z на частоте f.
Для частного случая линейной зависимости Z(f) уравнения регрессии имеет вид:
где Z( 0) и b – искомые параметры.
Условием экстремума (в данном случае минимума) функции Q является обращение в нуль частных производных Q по Z( 0) и b.
Промежуточные результаты вычислений удобно заносить в табл.3.
По данным табл.3 составляем систему двух уравнений:
Решая систему относительно Z( 0) и b получим:
Однако, применение вычислительной техники существенно упрощает описанную выше процедуру определения Z(0) и параметров уравнения регрессии Z(f). В частности, можно воспользоваться стандартными программным обеспечением, например, электронными таблицами Excel входящими в пакет программ Microsoft Office.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом
- Правообладателям
- Политика конфиденциальности