При попадании человека под электрическое напряжение, через его тело начинает течь электрический ток, и величина этого тока зависит не только от величины приложенного напряжения, но и от сопротивления тела человека. Между тем, сопротивление тела человека — величина отнюдь не постоянная, ее значение зависит от многих факторов: от состояния человека на момент контакта (психического и физического), от параметров замкнутой цепи, от внешних условий среды, в которой человек на момент удара находится.
Тело человека состоит из различных тканей, и каждый вид тканей обладает своим сопротивлением. Так например, сухожилия, кожа, жировая ткань, хрящи и кости имеют удельное сопротивление порядка 3 — 20 кОм/м. Кровь, мышцы, лимфа, головной и спинной мозг — всего от 0,5 до 1 Ом/м. Из всех этих тканей наибольшим сопротивлением отличается кожа, поэтому именно кожа в значительной степени определяет сопротивление человеческого тела электрическому току.
Человеческая кожа имеет сложную структуру. Ее наружный слой — эпидермис — включает в себя несколько структурных частей: наружный роговой слой, который не содержит ни нервов, ни кровеносных сосудов, от того и обладает наибольшим сопротивлением, и другие слои, сопротивление которых значительно меньше рогового слоя. Дальше идет дерма — внутренний слой, сопротивление которого также сильно меньше, а значит именно сопротивление рогового слоя имеет решающее значение в полном сопротивлении кожи.
На сопротивление кожи влияет ее состояние. Если кожа сухая и чистая, не имеет повреждений, то ее сопротивление лежит в пределах от 10 до 100 кОм. Если же на коже есть порезы, царапины, микротравмы, они способны сильно снизить сопротивление тела человека до сопротивления лишь внутренних тканей. Очевидно, наличие на коже вышеназванных повреждений делает поражение электрическим током более опасным. Загрязненная и влажная кожа также имеет сопротивление более низкое.
Общее сопротивление человеческого тела, попавшего под напряжение, можно представить состоящим из трех сопротивлений, включенных последовательно: два слоя эпидермиса и одно — сопротивление дермы и внутренних тканей. Таким образом, внутренние ткани служат вместе с приложенными электродами как бы обкладками конденсатора, а эпидермис — диэлектриком.
В результате, если снаружи к телу приложены электроды, то получается цепь из активного сопротивления внутренних тканей и почти емкостного сопротивления эпидермиса. То есть можно сказать, что речь идет о диэлектрической проницаемости от 100 до 200, и об удельном сопротивлении от 10 до 100 кОм/м в цепи, состоящей из конденсатора и резистора.
Внутренние ткани имеют сопротивление активное Rв с небольшой емкостной составляющей, которая почти не зависит ни от площади электродов, ни от частоты, и находится в пределах от 500 до 700 Ом.
Но оно зависит от протяженности и поперечного сечения участков тела, и от удельного сопротивления внутренних органов. То есть в эквивалентном виде общее сопротивление Zт тела человека можно представить так:
При малом сопротивлении тела человека емкостная составляющая утрачивает значение:
Итак, электрическое сопротивление тела человека зависит от следующих пяти факторов:
От общего психологического и физиологического состояния (индивидуальные особенности);
От пола — от толщины кожи (у мужчин сопротивление выше, чем у женщин);
От возраста — от грубости кожи (у взрослых сопротивление выше, чем у детей);
От внешних условий (температура, давление, влажность, плотность);
От общего состояния кожи (раны, грязь, увлажненность и т. д.);
От внешних раздражителей (внезапные удар, укол, свет или звук), способных снизить сопротивление на 20 — 50 % за несколько минут.
Легко видеть, что электрическое сопротивление человеческого тела не постоянно и не линейно, однако для расчетов его принимают равным 1 кОм. Тем не менее, сопротивление тела человека зависит и от приложенного напряжения, поскольку в момент поражения током может оказаться, что цепь включает в себя еще и поверхность пола, грунт, обувь, одежду и т. д. Ток тогда будет определять не только сопротивление собственно тела человека, но и схема его включения в цепь.
Двухфазное прикосновение
При двухфазном прикосновении человек стоит на изолированном основании, касаясь одновременно двух фаз трехфазной сети, либо двух проводников однофазной сети переменного или постоянного тока. В этом случае ток потечет через руки и через жизненно важные органы, что весьма опасно, и еще опаснее, если замыкание происходит по пути рука — голова. При таком прикосновении человек может попасть либо под линейное межфазное напряжение, либо под полное рабочее напряжение электроустановки.
Если человек прикоснулся открытыми частями тела, то сопротивление определяется сопротивлением тела, сопротивлением кожи, если же произошло соприкосновение с полюсами через одежду, то в схему добавляется последовательно сопротивление одежды.
Можно сравнить эти два варианта. Сопротивление сухой одежды — от 10 до 15 кОм, а для влажной — от 0,5 до 1,5 кОм. Очевидно, сопротивление одежды так или иначе ограничивает ток через тело человека, хотя и падает в 10 — 30 раз в случае если одежда влажная.
При сухой одежде удар ощутится в сильном дрожании от пальцев до запястья, это 20мА при 220 вольтах. Если же одежда сырая, то при 140мА руки можно будет лишь с определенными усилиями оторвать от мест контакта. Сопротивление обуви и пола здесь не учитываются, поскольку в цепь они не включены.
Однофазное или однополюсное прикосновение
Человек стоит на земле, и только одной частью тела прикоснулся к электроустановке под напряжением, причем потенциал электроустановки отличается от потенциала земли или другой опорной поверхности. В этом случае человек попадает под напряжение относительно земли, и ток через тело будет током замыкания на землю.
Путь тока по петле голова — ноги или рука — ноги, при том через жизненно важные органы. В цепь окажутся включены сопротивления: тела, одежды, обуви, опоры. Сопротивления обуви и опоры включены между собой параллельно.
В зависимости от материала подошвы, от того влажная ли она или сухая, сопротивление обуви будет разным. Немаловажную роль играет и материал пола (опорной поверхности):
Влажная кожаная подошва обладает сопротивлением 500 Ом, сухая — 100 кОм;
Влажная резиновая подошва — 1,5 кОм, сухая резиновая подошва — 500 кОм;
Металлический пол — от 0 (сухой) до 10 Ом (влажный);
Земля сухая — 20 кОм, влажная — 800 Ом;
Бетон сухой — 2 МОм, влажный бетон — 900 Ом;
Линолеум сухой — 1,5 МОм, линолеум влажный — 50 кОм;
Камень сухой — 8,5 кОм, камень влажный — 5 кОм;
Снег или лед — от 300 Ом до 2 МОм;
Песок сухой — 8 кОм, песок влажный — 1,6 кОм;
Чернозем сухой — 160 Ом, влажный чернозем — 50 Ом.
Как видно, сопротивления опоры и обуви играют важную роль, и часто во много раз превосходят сопротивление тела человека, особенно в сухом состоянии, что может порой спасти жизнь.
При прикосновении к корпусу установки, который по какой-то причине оказался под напряжением, если заземления нет, то весь ток пойдет через тело. Если заземление присутствует, то основная часть тока пойдет через землю, а через тело — лишь малая часть, это представляет меньшую опасность для жизни.
Шаговое напряжение
Если человек стоит на земле неподалеку от заземлителя, и по грунту протекает ток, то частично этот ток может потечь через ноги по телу человека — по петле нога — нога, то есть человек попадет под шаговое напряжение. Образуется последовательная цепь, состоящая из сопротивлений опоры, обуви и тела. Сопротивления обуви и опоры играют здесь решающую роль, и способны в сухом виде принять на себя большее напряжение, чем примет голое тело.
Определение сопротивления ткани постоянному току. Определение частотной зависимости полного сопротивления биологической ткани
Цель работы:Используя аппарат для гальванизации и измерительные приборы определить сопротивление живой ткани постоянному току. Используя генератор вырабатывающий переменный ток разной частоты и подавая его через аттенюатор и измерительные приборы на электроды , измерим силу тока и напряжение на живой ткани. Определим импенданс и построим график зависимости полного сопротивления от частоты переменного тока. Найти активное сопротивление живой ткани и тангенс диэлектрических потерь.
Оборудование: генератор сигналов низкочастотный Г3-124, гальванизатор Поток-1, вольтметр постоянного тока, миллиамперметр постоянного тока, миллиамперметр переменного тока, электроды, салфетки, смоченные водой.
Расчетная формула для определения импеданса:
где Z, Rm, U, I, c, w, n — импеданс, активное сопротивление, напряжение, сила тока, электрическая емкость, круговая частота и частота переменного тока соответственно.
Расчетная формула для определения угла сдвига фаз между током и напряжением:
1. Определение сопротивление живых тканей человека постоянному току.
Внешний вид установки для определения сопротивления живых тканей человека постоянному току приведен на рис.2.
Постоянный ток через миллиамперметр и вольтметр подается на электроды. Для лучшего контакта на электроды надеты салфетки, смоченные водой.
Перед включением гальванизатора поверните регулятор напряжения против часовой стрелки до упора. Включите гальванизатор, нажав кнопку “сеть”.
Положите два пальца одной руки на электроды и до конца опыта не снимайте их. Вращая регулятор напряжения гальванизатора установите выходное напряжение по вольтметру 20В. Определите силу тока по миллиамперметру. Измерьте силу тока для напряжений 25В и 30В. После измерений поверните регулятор напряжения против часовой стрелки до упора и только тогда снимите пальцы с электродов. Рассчитайте сопротивления тканей для этих напряжений. Результаты занесите в табл.1. При расчете сопротивления силу тока переведите в “Амперы”: 1 mA = 10 -3 A.
ПРИМЕЧАНИЕ: Следите, чтобы электроды не касались друг друга!
Рис.1. Установка для определения сопротивления живых тканей человека постоянному току.
| № | U,В | I,А | Rm= |
2. Определение сопротивление живых тканей человека переменному току.
Ткани организма обладают не только омическим (активным), но и емкостным (реактивным) сопротивлением. При прохождении переменного тока мы имеем дело с полным сопротивлением – импедансом. Импеданс зависит от частоты пропускаемого переменного тока. Поэтому определять импеданс на какой-либо одной частоте неинформативно. Определим импеданс на различных частотах, приведенных в табл.№4.
Установка для определения сопротивления живых тканей человека переменному току показана на рис.2. Переменный ток нужной частоты вырабатывается генератором и подается через аттенюатор и измерительные приборы на электроды.
Установите переключатели регуляторы генератора в положения, приведенные в табл.2. Включите генератор и дайте ему 10 минут прогреться. Установите выходное напряжение генератора 4В. Напряжение контролируется по встроенному вольтметру генератора по верхней шкале. Установите аттенюатором генератора ослабление 10dB. Если 4В переменного напряжения ослабить на 10dB, то на электроды будет подано 1,26В. Установите нужную частоту переменного тока. Положите пальцы на электроды и определите по миллиамперметру силу тока в цепи. Сделайте измерения для всех частот, рассчитайте импеданс и занесите результаты в таблицу 3.
Рис.2. Установка для определения сопротивления живых тканей человека переменному току
| № | переключатель | положение |
| диапазоны частот | 2-2×10 3 | |
| Время индикации | ||
| 0.1S | нажата | |
| 1S | отжата | |
| время развертки | ||
| — 6 А | , Ом | lnn |
| 2-2×10 3 | 1,26 | 1,69 |
| 2,69 | ||
| 3,00 | ||
| 3,30 | ||
| 2-2×10 4 | 3,69 | |
| 4,00 | ||
| 4,30 | ||
| 2-2×10 5 | 4,60 | |
| 4,78 | ||
| 4,90 | ||
| 5,08 | ||
| 5,30 |
Постройте график зависимости импеданса от частоты переменного тока. Поскольку частоты меняются в широких пределах, то удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. откладывают не 50 Гц, а 1,69 и т.д. (рис.3).
Рис.3. Частотная зависимость импеданса
С ростом частоты импеданс уменьшается, а затем не изменяется. Это объясняется тем, что на больших частотах емкостное сопротивление стремится к нулю. Остается только активное сопротивление, а оно не зависит от частоты переменного тока.
Определите по графику активное сопротивление тканей Rm.
Рассчитайте электрическую емкость тканей организма. Из формулы (9) следует, что
Взяв значение импеданса Z на частоте n = 1000 Гц, подставьте все значения в формулу и найдите емкость С.
Определите угол сдвига фаз между током и напряжением на частоте 50Гц и 20000 Гц, воспользовавшись формулой (10).
Оформить отчет по проделанной работе.
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖИВОЙ ТКАНИ ЧЕЛОВЕКА ПОСТОЯННОМУ И ПЕРЕМЕННОМУ ТОКАМ».