Исследование электрического сопротивления тела человека

• 1. Действие электрического тока на организм человека
• 2. Факторы, влияющие на исход поражения человека током
• 3. Нормирование напряжений прикосновения и токов через тело человека
• 4. Электрическое сопротивление тела человека
• Заключение
• Библиографический список

1. Действие электрического тока на организм человека

Цель работы: получить сведения о действии электрического тока на организм человека и о факторах, влияющих на исход поражения человека электрическим током; исследовать электрическое сопротивление тела человека.

Действие электрического тока на организм человека носит своеобразный и разносторонний характер. Можно выделить четыре основных вида действия электрического тока на организм человека: термическое, электролитическое, биологическое и механическое.

Термическое действие электрического тока проявляется в ожогах участков тела, в нагреве кровеносных сосудов, внутренних органов, что вызывает в них серьезные функциональные расстройства.

Электролитическое действие электрического тока заключается в разложении на компоненты крови, лимфы и других биологических жидкостей, что нарушает их физико-химический состав и нормальное функционирование.

Биологическое действие электрического тока проявляется в нарушении внутренних биоэлектрических процессов, в раздражении и возбуждении живых тканей организма, что может сопровождаться судорожными сокращениями мышц, нарушением и даже прекращением деятельности жизненно важных систем и органов человека, в том числе сердца и лёгких.

Механическое действие электрического тока может выражаться в виде разрывов, расслоений и других подобных повреждений тканей организма (мышечных тканей, внутренних органов, кровеносных сосудов, нервных путей и т. п.).

Перечисленные действия электрического тока могут привести к возникновению электротравм. Все электротравмы можно условно разделить на местные электротравмы, когда возникает местное повреждение организма, и общие электротравмы (так называемые электрические удары), когда поражается весь организм из-за нарушения нормального функционирования жизненно важных органов и систем. Оба вида травм часто сопутствуют друг другу.

Местные электротравмы — это ярко выраженные нарушения целостности тканей организма. Обычно это поражение кожи, реже — других мягких тканей, а также связок и костей. К характерным местным электротравмам относятся электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, электроофтальмия и механические электротравмы.

Электрические ожоги делятся на токовые (контактные), возникающие при прохождении тока непосредственно через тело человека, и дуговые, обусловленные тепловым воздействием на тело электрической дуги.

Электрические знаки представляют собой четко очерченные пятна серого или бледно-жёлтого цвета на поверхности кожи.

Металлизация кожи — это проникновение в верхние слои кожи паров и мельчайших частиц расплавленного металла при возникновении электрической дуги. При постоянном токе металлизация кожи возможна как результат электролиза в местах плотного и длительного контакта тела с токоведущей частью.

Электроофтальмия — это воспаление наружных оболочек глаз под действием мощного потока ультрафиолетовых лучей, которые энергично поглощаются клетками организма и вызывают в них химические изменения. Такое облучение возможно при наличии электрической дуги, которая интенсивно излучает не только видимый свет, но и ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Механические электротравмы возникают в результате резких судорожных сокращений мышц непосредственно под действием протекающего по ним электрического тока. В результате могут произойти разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервной ткани, а также вывихи суставов и даже переломы костей. Способы лечения механических электротравм и обычных механических травм существенно различаются.

Электрические удары (общие электротравмы) возникают в случаях, когда электрическим током поражается организм человека в целом. Они сопровождаются судорожными сокращениями мышц и функциональными расстройствами в организме, проявляющимися сразу после воздействия тока или через несколько часов, дней и даже месяцев.

В зависимости от тяжести поражения электрические удары условно делятся на четыре степени:

1-я степень характеризуется судорожными сокращениями мышц без потери сознания;

2-я степень характеризуется судорожными сокращениями мышц с потерей сознания;

3-я степень характеризуется нарушением работы сердца или органов дыхания;

4-я степень характеризуется отсутствием дыхания и кровообращения (состояние клинической смерти).

Клиническая смерть — это переходное состояние от жизни к смерти, наступающее с момента прекращения деятельности сердца и лёгких. Состояние клинической смерти характеризуется отсутствием работы сердца и органов дыхания, пострадавший человек не реагирует на болевые раздражения, зрачки его глаз расширены и не реагируют на свет. Состояние клинической смерти не означает необратимой биологической смерти, и человека ещё можно спасти. Продолжительность состояния клинической смерти определяется временем с момента прекращения работы сердца и органов дыхания до начала гибели клеток коры головного мозга (они начинают гибнуть в организме первыми) и, как правило, составляет 3 — 6 минут. Она зависит от состояния здоровья человека, условий окружающей среды. При повышенной температуре продолжительность клинической смерти уменьшается. Если не принять мер к реанимации пострадавшего (искусственное дыхание и непрямой массаж сердца), то по истечении времени состояния клинической смерти в организме возникнут необратимые изменения, связанные с прекращением биологических процессов в клетках организма и распадом белковых структур, т. е. начнётся переход в состояние биологической смерти.

Причинами смерти от электрического тока могут быть прекращение работы сердца, прекращение дыхания или электрический шок.

Работа сердца может прекратиться как в результате прямого воздействия тока на мышцу сердца, так и рефлекторно, т. е. через центральную нервную систему. В обоих случаях возможна остановка сердца или его фибрилляция.

Фибрилляция сердца — это беспорядочное сокращение волокон сердечной мышцы (фибрилл), при котором сердце не в состоянии выполнять функции кровяного насоса. Фибрилляция обычно продолжается недолго и, как правило, переходит в полную остановку сердца.

Прекращение дыхания вызывается прямым или рефлекторным действием тока на мышцы грудной клетки.

Электрический шок — своеобразная реакция организма в ответ на чрезмерное раздражение током, сопровождающаяся глубокими расстройствами кровообращения, дыхания, обмена веществ. При шоке непосредственно после воздействия электрического 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 угнетённое состояние и полная безучастность к окружающему миру. Шоковое состояние может продолжаться от нескольких минут до суток. После этого может наступить или выздоровление, как результат своевременного активного лечебного вмешательства, или гибель в результате полного угасания жизненно важных функций.

электрическое сопротивление тело человек

2. Факторы, влияющие на исход поражения человека током

Характер и тяжесть поражения электрическим током зависят от ряда факторов, таких как величина и длительность протекания тока через тело человека, путь тока в теле человека, род и частота действующего тока, индивидуальные свойства человека и параметры окружающей среды, фактор внимания. Электрическое сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значение тока, проходящего через тело человека, поэтому их можно считать косвенными факторами.

Величина тока, протекающего через тело человека, является основным фактором, влияющим на исход поражения.

Реакции организма при протекании тока частотой 50 Гц по пути «рука-рука» или «рука-ноги» — следующие. При токах до 0,6 мА ощущения не наблюдаются. При токах, превышающих в среднем 1 мА и называемых ощутимыми токами, появляются ощущения слабого зуда и легкого пощипывания. При токах в несколько мА происходят судорожные сокращения мышц и болезненные ощущения, которые с ростом тока усиливаются и распространяются на все большие участки тела. При токах более 10 мА (в среднем 15 мА), называемых неотпускающими, возникает едва переносимая боль, а судороги мышц руки становятся непреодолимыми, и человек не в состоянии разжать руку, в которой зажата токоведущая часть. Токи 25−50 мА приводят к параличу рук и сильному затруднению дыхания из-за судорожных сокращений мышц грудной клетки. Кроме того, резко повышается кровяное давление из-за сужения кровеносных сосудов, ухудшается работа сердца. При токах более 50 мА наблюдается паралич дыхания. В диапазоне токов от 50 мА до 5 А при времени воздействия 1−3 с происходит фибрилляция сердца. Токи в 5 А и более вызывают немедленную остановку сердца, минуя состояние фибрилляции, однако после отключения тока дыхание, как правило, самостоятельно не восстанавливается, и требуется оказывать помощь пострадавшему в виде искусственного дыхания. Для оценки опасности поражения током принято использовать пороговые токи: ощутимый, неотпускающий и фибрилляционный. Пороговыми токами называют наименьшие значения соответствующих токов. Значения пороговых токов зависят от рода тока, частоты и различны у разных людей, поэтому рассматривают вероятность возникновения соответствующих эффектов воздействия тока.

Пороговый ощутимый ток составляет в среднем 1 мА при f = 50 Гц и 6 мА при постоянном токе.

Пороговый неотпускающий ток составляет 10 мА при f = 50 Гц и 50 мА при постоянном токе. В последнем случае едва переносимая боль возникает в момент отрыва рук от электродов.

Пороговый фибрилляционный ток составляет примерно 100 мА при f = 50 Гц и 300 мА при постоянном токе. Верхний предел фибрилляционного тока составляет 5 А.

Продолжительность воздействия тока оказывает существенное влияние на исход поражения человека электрическим током. Чем дольше действие тока, тем больше вероятность тяжелого или даже смертельного исхода поражения. Объясняется это тем, что с увеличением времени воздействия тока на живые ткани повышается его значение за счет уменьшения сопротивления тела человека, накапливаются последствия воздействия тока на организм, и повышается вероятность совпадения момента прохождения тока через сердце с уязвимой фазой Т кардиоцикла, когда желудочки сердца находятся в расслабленном состоянии. Продолжительность фазы Т составляет около 0,2 с.

Путь тока в теле человека оказывает существенное влияние на исход поражения. Наиболее тяжелые электротравмы возникают в случаях, когда на пути тока оказываются жизненно важные органы (мозг, сердце, легкие) или уязвимые зоны, особо чувствительные к электрическому току. Наиболее опасными путями протекания тока через тело человека являются: «голова — руки», «голова — ноги», «рука — рука», «рука — ноги». Наиболее уязвимые зоны расположены на внешней стороне кисти рук, на руках выше кисти, спине, шее, висках, плечах, передней части ног. Образование электрической цепи через уязвимые места при неблагоприятном стечении обстоятельств может привести к тяжелым исходам поражения при токах даже в несколько миллиампер.

Род и частота тока также в значительной степени определяют исход поражения. Наиболее опасными являются переменные токи с частотами в диапазоне 20 — 100 Гц. При частотах меньше 20 Гц или больше 100 Гц опасность поражения током снижается. Токи с частотами в несколько сотен кГц и выше фибрилляции сердца практически не вызывают, однако это не означает, что их следует считать безопасными, т.к. возможность их термического и биологического действия сохраняется. При напряжениях до 500 В переменный ток с частотой 50 Гц условно можно считать в 3 — 4 раза опаснее постоянного. При более высоких напряжениях постоянный ток становится опаснее переменного из-за более тяжелых форм ожогов.

Индивидуальные свойства человека также влияют на исход поражения электрическим током. Установлено, что физически здоровые и крепкие люди легче переносят электрические удары, чем больные и слабые. Повышенной восприимчивостью к электрическому току обладают лица, страдающие рядом заболеваний, в первую очередь болезнями кожи, сердечно-сосудистой системы, органов внутренней секреции, лёгких, нервными болезнями. Утомление, возникающее к концу рабочего дня, снижая внимательность, не только увеличивает вероятность поражения током, но и может усугубить его тяжесть. Отягощают электротравму алкогольные опьянения и болезненные состояния, приводящие к истощению нервной системы. Существует список болезней и расстройств, препятствующих допуску к работе по обслуживанию действующих электроустановок.

Условия внешней среды в некоторых случаях увеличивают опасность поражения током. Повышенные влажность и температура, пониженное атмосферное давление, уменьшенное содержание кислорода и увеличенное содержание углекислого газа повышают чувствительность организма к воздействию электрического тока.

Фактор внимания учитывает состояние центральной нервной системы человека. Установлено, что последствия поражения в результате неожиданного электрического удара могут оказаться более тяжелыми по сравнению со случаем, если тот же человек получит электрический удар, ожидая его. Наиболее опасные электротравмы происходят с людьми, случайно оказавшимися под напряжением. Наоборот, если человек знает о грозящей ему опасности, работает в состоянии сосредоточенного внимания, то поражение током, если оно произойдет, не будет для него неожиданным. Последствия такого поражения, как правило, могут оказаться менее тяжёлыми при напряжениях до 380 В.

3. Нормирование напряжений прикосновения и токов через тело человека

Для правильного проектирования способов и средств защиты людей от поражения электрическим током необходимо знать допустимые уровни напряжений прикосновения и значений токов, протекающих через тело человека.

Напряжением прикосновения называется напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения U_ПД и токов I_ПД, протекающих через тело человека по пути «рука — рука» или «рука — ноги» при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, согласно ГОСТ 12.1.038−82* приведены в табл.1.

При аварийном режиме производственных и бытовых приборов и электроустановок напряжением до 1000 В с любым режимом нейтрали предельно допустимые значения U_ПД и I_ПД не должны превышать значений, приведенных в табл.2. Аварийный режим означает, что электроустановка неисправна, и могут возникнуть опасные ситуации, приводящие к электротравмам.

При продолжительности воздействия более 1 с величины U_ПД и I_ПД соответствуют отпускающим значениям для переменного и условно неболевым для постоянного токов Таблица 1

Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов в нормальном режиме работы электроустановки

Примечание. Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25 С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в 3 раза.

Таблица 2

Предельно допустимые значения напряжения прикосновения и токов в аварийном режиме работы электроустановки

4. Электрическое сопротивление тела человека

Значение тока через тело человека сильно влияет на тяжесть электротравм. В свою очередь, сам ток согласно закону Ома определяется сопротивлением тела человека и приложенным к нему напряжением, т. е. напряжением прикосновения.

Проводимость живых тканей обусловлена не только физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. Поэтому сопротивление тела человека является комплексной переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, окружающей среды, центральной нервной системы, физиологических факторов. На практике под сопротивлением тела человека понимают модуль его комплексного сопротивления.

Электрическое сопротивление различных тканей и жидкостей тела человека не одинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа, нервные волокна, спинной и головной мозг — малое сопротивление.

Сопротивление тела человека, т. е. сопротивление между двумя электродами, наложенными на поверхность тела, в основном определяется сопротивлением кожи. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного (эпидермис) и внутреннего (дерма).

Эпидермис можно условно представить состоящим из рогового и росткового слоев. Роговой слой состоит из мертвых ороговевших клеток, лишен кровеносных сосудов и нервов и поэтому является слоем неживой ткани. Толщина этого слоя колеблется в пределах 0,05 — 0,2 мм. В сухом и незагрязненном состоянии роговой слой можно рассматривать как пористый диэлектрик, пронизанный множеством протоков сальных и потовых желез и обладающий большим удельным сопротивлением. Ростковый слой примыкает к роговому слою и состоит в основном из живых клеток. Электрическое сопротивление этого слоя благодаря наличию в нём отмирающих и находящихся на 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.

Дерма состоит из волокон соединительной ткани, образующих густую, прочную, эластичную сетку. В этом слое находятся кровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания, корни волос, а также потовые и сальные железы, выводные протоки которых выходят на поверхность кожи, пронизывая эпидермис. Электрическое сопротивление дермы, являющейся живой тканью, невелико.

Полное сопротивление тела человека есть сумма сопротивлений тканей, расположенных на пути протекания тока. Основным физиологическим фактором, определяющим величину полного сопротивления тела человека, является состояние кожного покрова в цепи тока. При сухой, чистой и неповрежденной коже сопротивление тела человека, измеренное при напряжении 15 — 20 В, колеблется от единиц до десятков кОм. Если на участке кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела упадет до 1 — 5 кОм, а при удалении всего эпидермиса — до 500 — 700 Ом. Если под электродами полностью удалить кожу, то будет измерено сопротивление внутренних тканей, которое составляет 300 — 500 Ом.

Для приближённого анализа процессов протекания тока по пути «рука — рука» через два одинаковых электрода может быть использован упрощённый вариант эквивалентной схемы цепи протекания электрического тока через тело человека (рис.1).

Рис. 1. Эквивалентная схема сопротивления тела человека

На рис. 1 обозначено: 1 — электроды; 2 — эпидермис; 3 — внутренние ткани и органы тела человека, включая дерму; Э_h — ток, протекающий через тело человека; Щ_{h -} напряжение, приложенное к электродам; R_{Н -} активное сопротивление эпидермиса; C_Н — ёмкость условного конденсатора, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, расположенные под эпидермисом, а диэлектриком — сам эпидермис; R_ВН — активное сопротивление внутренних тканей, включая дерму.

Из схемы рис.1 следует, что комплексное сопротивление тела человека определяется соотношением

где Z_Н = (j С_Н) — ¹ = - jХ_{Н -} комплексное сопротивление емкости С_Н;

Х_Н — модуль Z_Н; f, f — частота переменного тока.

В дальнейшем под сопротивлением тела человека будем подразумевать модуль его комплексного сопротивления:

. (1)

На высоких частотах (больше 50 кГц) Х_Н = 1/ (C_Н) << R_ВН, и сопротивления R_Н оказываются практически закороченными малыми сопротивлениями емкостей C_Н. Поэтому на высоких частотах сопротивление тела человека z_hв приближенно равно сопротивлению его внутренних тканей: R_ВН z_hв. (2)

При постоянном токе в установившемся режиме емкостные сопротивления являются бесконечно большими (при 0 Х_Н). Поэтому сопротивление тела человека постоянному току

R_h = 2R_Н + R_ВН. (3)

Из выражений (2) и (3) можно определить

R_Н = (R_h — z_hв) /2. (4)

На основе выражений (1) — (4) можно получить формулу для вычисления величины емкости C_н:

(5)

где z_hf — модуль комплексного сопротивления тела на частоте f;

C_Н имеет размерность мкФ; z_hf, R_h и R_ВН — кОм; f — кГц.

Выражения (2) — (5) позволяют определить параметры эквивалентной схемы (рис.1) по результатам экспериментальных измерений.

Электрическое сопротивление тела человека зависит от ряда факторов. Повреждения рогового слоя кожи могут снизить сопротивление тела человека до величины его внутреннего сопротивления. Увлажнение кожи может понизить ее сопротивление на 30 — 50%. Влага, попавшая на кожу, растворяет находящиеся на ее поверхности минеральные вещества и жирные кислоты, выведенные из организма вместе с потом и жировыми выделениями, становится более электропроводной, улучшает контакт между кожей и электродами, проникает в выводные протоки потовых и жировых желез. При длительном увлажнении кожи ее наружный слой разрыхляется, насыщается влагой и его сопротивление может уменьшиться в ещё большей степени.

При кратковременном воздействии на человека теплового облучения или повышенной температуры окружающей среды сопротивление тела человека уменьшается за счёт рефлекторного расширения кровеносных сосудов. При более длительном воздействии наступает потоотделение, в результате чего сопротивление кожи уменьшается.

С увеличением площади электродов сопротивление наружного слоя кожи R_Н уменьшается, емкость С_Н увеличивается, а сопротивление тела человека уменьшается. При частотах свыше 20 кГц указанное влияние площади электродов практически утрачивается.

Сопротивление тела человека зависит также и от места приложения электродов, что объясняется различной толщиной рогового слоя кожи, неравномерным распределением потовых желез на поверхности тела, неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи.

Заключение

Прохождение тока через тело человека сопровождается местным нагревом кожи и раздражающим действием, что вызывает рефлекторное расширение сосудов кожи и, соответственно, усиленное снабжение ее кровью и повышенное потоотделение, что, в свою очередь, приводит к снижению сопротивления кожи в данном месте. При небольших напряжениях (20 — 30 В) за 1 — 2 минуты сопротивление кожи под электродами может понизиться на 10 — 40% (в среднем на 25%).

Повышение напряжения, приложенного к телу человека, вызывает уменьшение его сопротивления. При напряжениях в десятки вольт это происходит из-за рефлекторных реакций организма в ответ на раздражающее действие тока (усиление снабжения сосудов кожи кровью, потоотделение). При повышении напряжения до 100 В и выше происходят сначала локальные, а затем и сплошные электрические пробои рогового слоя кожи под электродами. По этой причине при напряжениях около 200 В и выше сопротивление тела человека практически равно сопротивлению внутренних тканей R_ВН.

При ориентировочной оценке опасности поражения электрическим током сопротивление тела человека принимают равным 1 кОм (R_h = 1 кОм). Точное значение расчетных сопротивлений при разработке, расчёте и проверке защитных мер в электроустановках выбирается согласно ГОСТ 12.038−82*.

Библиографический список

1. Манойлов В. Е. Основы электробезопасности. Л.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергоатомиздат, 1984.

3. Охрана труда в электроустановках /Под ред. Б. А. Князевского. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 81 — 89.

4. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. М.: Знак, 2003.

5. ГОСТ 12.1.038−82* ССБТ «Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов» .