Предохранители и автоматические выключатели для обычных бытовых напряжений и токов изготовить относительно просто, но для больших напряжений и токов возникают особые проблемы. Например, когда автоматический выключатель пытается прервать поток высоковольтного электричества, через его точки может проскакивать искра, которая ионизирует воздух в зазоре и позволяет току продолжать течь. Большие автоматические выключатели, используемые в системах распределения электроэнергии, используют изолирующий газ и даже используют струи газа для гашения таких искр. Здесь переменный ток безопаснее постоянного, поскольку переменный ток проходит через ноль 120 раз в секунду, что дает возможность быстро погасить эти дуги.

Электрические токи, проходящие через людей, вызывают чрезвычайно разнообразные эффекты. Электрический ток можно использовать для блокирования болей в спине. Изучается возможность использования электрического тока для стимуляции мышечной активности в парализованных конечностях, что, возможно, позволит парализованным людям ходить. Телевизионные инсценировки, в которых электрические разряды используются, чтобы вывести жертву сердечного приступа из состояния фибрилляции желудочков (массивно нерегулярное, часто фатальное, сердцебиение), более чем распространены. Тем не менее, большинство смертельных случаев от поражения электрическим током происходит из-за того, что электрический ток вызывает фибрилляцию сердца. Кардиостимулятор использует электрические разряды, чтобы заставить сердце биться правильно. Некоторые смертельные удары током не вызывают ожогов, но бородавки можно безопасно сжечь электрическим током (хотя сейчас более распространено замораживание жидким азотом). Конечно, существуют последовательные объяснения этих разрозненных эффектов. Основными факторами, от которых зависят последствия поражения электрическим током, являются

1. Сумма текущего [латекса]\boldsymbol{I}[/латекс]
2. Путь, пройденный текущим
3. Продолжительность шока
4. Частота [latex]\boldsymbol{f}[/latex] тока ([latex]\boldsymbol{f=0}[/latex] для постоянного тока)

В таблице 3 приведены последствия поражения электрическим током в зависимости от силы тока при типичном случайном поражении. Эффекты для удара, который проходит через туловище тела, имеет продолжительность 1 с и вызывается мощностью 60 Гц.

Наши тела являются относительно хорошими проводниками из-за воды в наших телах. Учитывая, что большие токи будут протекать через секции с более низким сопротивлением (более подробно это будет обсуждаться в следующей главе), электрические токи предпочтительно протекают по путям в человеческом теле, которые имеют минимальное сопротивление на прямом пути к земле. Земля является естественным поглотителем электронов. Ношение изолирующей обуви, требование многих профессий, препятствует пути электронов, создавая большое сопротивление на этом пути. Всякий раз, когда вы работаете с мощными инструментами (дрелями) или в рискованных ситуациях, убедитесь, что вы не создаете пути для тока (особенно через сердце).

Очень слабые токи проходят через тело безвредно и неощутимо. Это случается с вами регулярно без вашего ведома. Порог чувствительности составляет всего 1 мА, и, хотя удары неприятны, они, по-видимому, безвредны при токах менее 5 мА. В большом количестве правил безопасности в качестве максимально допустимого разряда используется значение 5 мА. При токе от 10 до 20 мА и выше ток может стимулировать устойчивые мышечные сокращения так же, как это делают обычные нервные импульсы. Люди иногда говорят, что их отшвырнуло через всю комнату от удара током, но на самом деле произошло то, что определенные мышцы сократились, толкая их не по их собственному выбору. (См. рис. 4(а).) Более пугающим и потенциально более опасным является эффект «не могу отпустить», показанный на рис. 4(б). Мышцы, смыкающие пальцы, сильнее размыкающих, поэтому рука непроизвольно смыкается на проволоке, бьющей по ней током. Это может продлить шок на неопределенный срок. Это также может представлять опасность для человека, пытающегося спасти пострадавшего, поскольку рука спасателя может сомкнуться вокруг запястья пострадавшего. Обычно лучший способ помочь пострадавшему — это сильно ударить кулаком/ударом/сотрясением изолятором или бросить изолятор в кулак. Современные электрические заборы, используемые в вольерах для животных, теперь включаются и выключаются, чтобы позволить людям, которые прикасаются к ним, освободиться, что делает их менее смертоносными, чем в прошлом.

Более сильные токи могут повлиять на сердце. Его электрические схемы могут быть нарушены, так что он бьется нерегулярно и неэффективно в состоянии, называемом «фибрилляция желудочков». Это состояние часто сохраняется после шока и приводит к летальному исходу из-за недостаточного кровообращения. Порог для фибрилляции желудочков составляет от 100 до 300 мА. При силе тока около 300 мА и выше удар может вызвать ожоги в зависимости от концентрации тока — чем больше концентрация, тем больше вероятность ожогов.

Очень сильные токи заставляют сердце и диафрагму сокращаться на время разряда. И сердце, и дыхание останавливаются. Интересно, что оба часто возвращаются к нормальному состоянию после шока. Электрические паттерны на сердце полностью стираются таким образом, что сердце может начать заново с нормальным биением, в отличие от постоянных нарушений, вызванных меньшими токами, которые могут привести к фибрилляции желудочков сердца. Последнее чем-то похоже на каракули на доске, тогда как первое полностью их стирает. Телевизионные инсценировки удара электрическим током, используемого для вывода жертвы сердечного приступа из состояния фибрилляции желудочков, также показывают большие лопасти. Они используются для распределения тока, проходящего через пострадавшего, чтобы снизить вероятность ожогов.

Ток является основным фактором, определяющим тяжесть шока (учитывая, что другие условия, такие как путь, продолжительность и частота, фиксированы, например, в таблице и предыдущем обсуждении). Большее напряжение более опасно, но, поскольку [латекс]\жирный символ{I = V/R}[/латекс], сила удара зависит от комбинации напряжения и сопротивления. Например, у человека с сухой кожей сопротивление составляет около [латекс]\boldsymbol{200 \;\textbf{k} \Омега}[/латекс]. Если он соприкасается с напряжением 120 В переменного тока, ток [латекс]\boldsymbol{I = (120 \;\textbf{V})/(200 \;\textbf{k} \Omega) = 0,6 \;\textbf {mA}}[/latex] безвредно проходит сквозь него. Один и тот же человек, промокший насквозь, может иметь сопротивление [латекс]\boldsymbol{10,0 \;\textbf{k} \Omega }[/латекс], и те же 120 В будут производить ток 12 мА — выше «не может отпустить» порог и потенциально опасны.

Большая часть сопротивления тела находится в его сухой коже. Во влажном состоянии соли переходят в ионную форму, что значительно снижает сопротивление. Внутренняя часть тела имеет гораздо более низкое сопротивление, чем сухая кожа, из-за всех содержащихся в ней ионных растворов и жидкостей. Если сопротивление кожи обойти, например, с помощью внутривенного вливания, катетера или открытых электродов кардиостимулятора, человек становится чувствительным к микрошоку . В этих условиях токи, примерно равные 1/1000 значений, перечисленных в таблице 3, производят аналогичный эффект. Во время операций на открытом сердце для успокоения сердца можно использовать такие малые токи, как [латекс]\boldsymbol{20 \;\mu \textbf{A}}[/latex]. Строгие требования электробезопасности в больницах, особенно в хирургии и реанимации, связаны с вдвойне неблагоприятным положением пациентов, чувствительных к микрошокам. Разрыв кожи уменьшил его сопротивление, поэтому то же самое напряжение вызывает больший ток, а гораздо меньший ток имеет больший эффект.

Факторами, помимо силы тока, влияющими на тяжесть удара, являются его путь, продолжительность и частота переменного тока. Путь имеет очевидные последствия. Например, на сердце не влияет электрический удар через мозг, который может использоваться для лечения маниакальной депрессии. И это общая истина, что чем дольше продолжительность шока, тем сильнее его последствия. На рис. 5 представлен график, иллюстрирующий влияние частоты на удар. Кривые показывают минимальный ток для двух различных эффектов в зависимости от частоты. Чем ниже требуемый ток, тем более чувствителен организм к этой частоте. По иронии судьбы, тело наиболее чувствительно к частотам около 50 или 60 Гц. Тело немного менее чувствительно к постоянному току ([латекс]\boldsymbol{f = 0}[/латекс]), что слегка подтверждает утверждения Эдисона о том, что переменный ток представляет большую опасность. На все более и более высоких частотах тело становится все менее чувствительным к любым воздействиям, связанным с нервами. Это связано с максимальной скоростью, с которой нервы могут возбуждаться или стимулироваться. На очень высоких частотах электрический ток распространяется только по поверхности человека. Таким образом, бородавку можно сжечь током очень высокой частоты, не вызывая остановки сердца. (Не пытайтесь повторить это дома с переменным током частотой 60 Гц!) В некоторых эффектных демонстрациях электричества, когда дуги высокого напряжения проходят по воздуху и над телами людей, используются высокие частоты и слабые токи. (См. рис. 6.) Устройства и методы электробезопасности подробно обсуждаются в главе 23.8 Электробезопасность: системы и устройства.

• Опасности поражения электрическим током бывают термическими (чрезмерная мощность) и электрическим током (ток через человека).
• Тяжесть удара определяется током, путем, продолжительностью и частотой переменного тока.
• В таблице 3 перечислены опасности поражения электрическим током в зависимости от силы тока.
• На рис. 5 представлена ​​зависимость порогового тока для двух опасностей от частоты.

Концептуальные вопросы

1: С помощью омметра ученик измеряет сопротивление между различными точками на своем теле. Он обнаружил, что сопротивление между двумя точками на одном и том же пальце примерно такое же, как сопротивление между двумя точками на противоположных руках — и то, и другое составляет несколько сотен тысяч ом. Кроме того, сопротивление уменьшается, когда большее количество кожи соприкасается с щупами омметра. Наконец, сопротивление резко падает (до нескольких тысяч Ом), когда кожа мокрая. Объясните эти наблюдения и их значение в отношении кожи и внутреннего сопротивления человеческого тела.

2: Каковы две основные опасности электричества?

3: Почему короткое замыкание не представляет опасности поражения электрическим током?

4: От чего зависит тяжесть шока? Можете ли вы сказать, что определенное напряжение опасно без дополнительной информации?

5: Для выжигания бородавок используется электрифицированная игла, при этом цикл замыкается, когда пациент сидит на большой прикладной пластине. Почему эта тарелка большая?

6: Некоторые операции выполняются с помощью электрического тока высокого напряжения, проходящего от металлического скальпеля через разрезаемую ткань. Учитывая природу электрических полей на поверхности проводников, почему вы ожидаете, что большая часть тока будет течь от острого края скальпеля? Как вы думаете, используется переменный ток высокой или низкой частоты?

7: Некоторые устройства, часто используемые в ванных комнатах, такие как фены, часто имеют сообщения о безопасности, гласящие: «Не используйте, когда ванна или раковина полны воды». Почему это так?

8: Нам часто советуют не щелкать электрическими выключателями мокрыми руками, сначала высушить руки. Нам также рекомендуется никогда не лить воду на электрический огонь. Почему это так?

9: Перед началом работ на линии электропередачи линейные монтеры касаются линии тыльной стороной руки в качестве окончательной проверки того, что напряжение равно нулю. Почему тыльной стороной ладони?

10: Почему сопротивление влажной кожи намного меньше, чем сухой, и почему кровь и другие телесные жидкости имеют низкое сопротивление?

11: Может ли человек, получающий внутривенную инфузию (IV), быть чувствительным к микрошоку?

12: Принимая во внимание малые токи, которые вызывают опасность поражения электрическим током, и большие токи, которые прерывают автоматические выключатели и предохранители, как они играют роль в предотвращении опасности поражения электрическим током?

Задачи Упражнения

1: (a) Какая мощность рассеивается при коротком замыкании 240 В переменного тока через сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,250 \;\Омега}[/латекс]? б) Какой ток течет?

2: Какое напряжение возникает при коротком замыкании мощностью 1,44 кВт через [латекс]\boldsymbol{0,100 — \; \Omega}[/latex] сопротивление?

3: Найдите ток, протекающий через человека, и определите вероятное воздействие на него, если он коснется источника переменного тока 120 В: (а) если он стоит на резиновом коврике и оказывает полное сопротивление [латекс]\ жирный символ{300 \;\textbf{k} \Omega}[/latex]; (b) если она стоит босиком на мокрой траве и имеет сопротивление только [латекс]\boldsymbol{4000 \;\textbf{k} \Omega}[/latex].

4: Принимая ванну, человек касается металлического корпуса радиоприемника. Путь через человека к водосточной трубе и земле имеет сопротивление [латекс]\boldsymbol{4000 \;\Омега}[/латекс]. Какое наименьшее напряжение на корпусе радиоприемника может вызвать фибрилляцию желудочков?

5: По глупости пытаясь выловить горящий кусок хлеба из тостера металлическим ножом для масла, мужчина попадает в контакт с напряжением 120 В переменного тока. Он даже не чувствует этого, так как, к счастью, носит обувь на резиновой подошве. Каково минимальное сопротивление пути, по которому ток проходит через человека?

6: (a) Во время операции ток силой всего лишь [латекс]\boldsymbol{20,0 \;\mu \textbf{A}}[/латекс], приложенный непосредственно к сердцу, может вызвать фибрилляцию желудочков. Если сопротивление открытого сердца составляет [латекс]\boldsymbol{300 \;\Омега}[/латекс], при каком наименьшем напряжении возникает такая опасность? (b) Подразумевает ли ваш ответ, что необходимы особые меры предосторожности в отношении электробезопасности?

7: (a) Чему равно сопротивление короткого замыкания 220 В переменного тока, создающего пиковую мощность 96,8 кВт? б) Какой была бы средняя мощность, если бы напряжение было 120 В переменного тока?

8: Сердечный дефибриллятор пропускает ток 10,0 А через туловище пациента в течение 5,00 мс, пытаясь восстановить нормальное биение.