Значение сопротивления человеческого тела как проводника электрического тока

Если человек по случайности притронется к проводам или другим элементам, по которым пропущен электрический ток, его организм тоже начинает проводить электричество, что приводит к различным электротравмам. Их тяжесть зависит от множества параметров, как электросети, так и самого человеческого тела. Наши внутренности большей частью состоят из влаги (около 70 % всей массы), поэтому перенос электрических заряженных частиц происходит не электронами (как в металлах), а ионами, поэтому наше тело считается особенным видом проводника, – оно обладает переменным сопротивлением и считается электролитом.

Человеческое тело является проводником электротока

Электрическое сопротивление тела человека

При прохождении электричества через органы пострадавшего по замкнутой цепи, по физическим законам, тело начинает оказывать сопротивление.

Поскольку электропроводимость человеческих тканей определяется очень сложными биохимическими и биофизическими составляющими, которые характерны только для живой материи, то сопротивление электрическому току становится величиной переменной. Оно зависит от разных причин и является неодинаковой величиной для разных частей тела.

Так как первым, с чем сталкивается разряд тока на теле человека, является его кожа, то общее сопротивление человека в большей степени зависит от ее сопротивляемости. Охватывающий все участки тела покров состоит из двух слоев: внешнего, расположенного на глубине 0,07-0,12 мм, – эпидермиса (представляет собой пять слоев эпителия), и внутреннего – дермы, толщина которого около 2 мм. Верхушечный ороговевший слой эпидермиса не содержит капилляров, отчего он показывает наивысшие показатели сопротивляемости. В то же время другие слои внешнего и внутреннего кожных прослоек имеют намного более скромное сопротивление, поэтому именно роговая прослойка определяет сопротивляемость всего кожного покрова.

Общее сопротивление, которое оказывает электрическому току наш организм, складывается из двух сопротивлений эпидермического слоя (с каждой из сторон тела) плюс сопротивления собственно дермы и внутренностей.

Общее сопротивление составляется из сопротивления эпидермиса (2) и внутреннего сопротивления (3)

При этом сопротивление эпидермиса, в свою очередь, состоит из активного сопротивления и емкостного (накопительного), накладывающихся друг на друга. Оно определяется площадью электродов, величиной напряжения и частоты тока и в некоторых случаях может превышать десятки тыс. Ом. Величина внутреннего сопротивления тела является активноц и зависит от длины и поперечного среза зоны, по которому проходит электричество, а также от удельного объемного сопротивления внутренних органов человека и составляет в среднем пятьсот- семьсот Ом.

Значение полного сопротивления тел людей

Когда ставится задача определить электрическое сопротивление человеческого тела при переменном токе с пятидесятигерцовой частотой для анализа опасности электротравмы, оно принимается равным 1 тыс. Ом. Физиками выявлена зависимость общего сопротивления от следующих факторов:

• состояние кожных покровов;
• места входа электротока в тело человека;
• значений тока и напряжения;
• длительности воздействия электричества на организм;
• параметров окружающей среды на момент прохождения электротока.

Состояние кожи

Очень резко падает электросопротивляемость верхнего слоя кожи при нарушении его целостности: наличие царапин, ссадин, ожогов, порезов, прыщей понижают сопротивление до внутреннего (которое максимально достигает всего семи сотен Ом).

Механические повреждения кожи уменьшают электросопротивляемость тела

Также повышает риск электротравмы и увеличивает степень ее тяжести влажная кожа, поскольку она имеет высокую удельную сопротивляемость току.

Обратите внимание! Соленая влага (как правило, пот) делает сухие ранее руки электропроводимыми на 50 процентов больше, пресная влага (дождь, другие жидкости) – на двадцать-тридцать процентов. Вода удаляет с верхнего слоя кожи жиры, минералы и кожное сало, что значительно снижает способность сопротивляться току.

Если происходит постоянное длительное по времени насыщение кожи влагой, роговой слой становится пористым и практически перестает показывать сопротивление.

Важно! При работе незащищенными от влаги руками с источниками электрического тока повышается опасность и тяжесть электротравмы при случайном попадании оператора под напряжение.

Пот, выделяемый потовыми железами дермического слоя кожи, очень хорошо проводит электричество, поэтому вспотевший работник становится открыт угрозе прохождения электротока при минимальном сопротивлении тела, что значительно отягощает последствия.

Грязная кожа (особенно металлические микрочастицы, угольные пылинки и т.д.) делает тело человека более электропроводимым.

Дополнительная информация. Работники, имеющие дело с загрязнением рук токопроводящими покрытиями (шахтеры, токари, сверлильщики металла), должны большое внимание уделять чистоте кожных покровов для защиты от поражения электрическим током.

Место приложения электротока

Зависимость сопротивления кожного покрова различается на разных зонах тела даже у одного индивида. Это происходит из-за неравномерной толщины верхнего слоя эпидермиса, различного количества потовых желез и разной интенсивности кровотока по венам и капиллярам у поверхности кожи. Самый низкий уровень электросопротивления наблюдается в районе лица, шеи, тыльной стороны предплечий и кистей, подмышек.

Значения показателей тока

При увеличении мощности тока кожа в месте входа сильнее нагревается, что вызывает рефлекторный приток крови к этому району и, как следствие, электросопротивление значительно падает.

Согласно проводимым опытам, постоянный ток, проходящий через человеческое тело, вызывает большее сопротивление, чем переменный, независимо от его частоты.

Переменный ток встречает наименьшее сопротивление тела человека

Чем длительнее воздействие электротока на кожу, тем быстрее падает ее сопротивление. Это объясняется также увеличением кровоснабжения, а также усиленным потоотделением в участке входа тока, и, как следствие, дополнительным увлажнением – в среднем за одну-две минуты сопротивляемость кожи падает на сорок процентов.

Физиологические факторы и показатели окружающей среды

Эта группа факторов не так существенна, как предыдущие, но и они оказывают влияние на величину сопротивления электроудару.

Так, женщины демонстрируют меньшее сопротивление, чем мужчины, а маленькие дети – меньше, чем возрастные люди, что объясняется различной толщиной кожи.

Высокая температура и влажность окружающей (и рабочей) среды значительно увеличивает тяжесть поражения током за счет снижения сопротивления тела.

Различные болезни (нервные, сердечные, бронхо-легочные), а также курение также ухудшают возможность человека сопротивляться воздействию электрического тока.

Любители подымить имеют гораздо меньшее электросопротивление

Тело человека хоть и является проводником электричества, но обладает определенной сопротивляемостью электротоку, зависящей от многих причин и факторов. Она изменяется в широких пределах, но в технике безопасности принимается среднее значение сопротивления в одну тыс. Ом.

Видео

Оцените статью:

сопротивление человека электрическому току от чего зависит

Стоит человеку случайно (или намеренно?) прикоснуться к электрическим проводам или каким-либо другим элементам соответствующего оборудования, по которому протекает электрический ток, как немедленно его тело «включается» в систему передачи электричества по проводникам. Результат – электрические травмы разной степени тяжести и, к сожалению, нередки случаи летального исхода.

Тяжесть и степень негативного воздействия на организм таких электротравм напрямую зависит от целого ряда различных параметров, таких как технические характеристики самой сети, состояние человеческого тела и т.п. Известно, что человеческое тело, как минимум, на 70% состоит из влаги. Это приводит к тому, что перенос заряженных электрических частиц осуществляется не электронами, а ионами. Электроны действуют в металлических проводниках, а тело человека, считающееся особенным видом проводника и является особым видом проводника. Это не что иное, как электролит, обладающий переменным сопротивлением.

Общие понятия процесса

В соответствии с основным законом физики, при прохождении через тело человека, его внутренние органы, кожный покров и т.п. электрического тока, оно (тело) начинает оказывать определенное сопротивление, как и всякий другой проводник. Однако, в отличие от многих других видов проводников, прежде всего – металлов, у который величина сопротивления имеет более-менее постоянные показатели и меняется только в соответствии с изменением силы тока, диаметра проводника и некоторых других внешних факторов, тело человека работает по-другому.

Прохождение электрического тока через ткани человека – это достаточно сложный процесс, в котором тесно переплетены биохимические и биофизические составляющие показатели. Эти параметры характерны исключительно для

живой материи. Таким образом величина сопротивления тела — это параметр переменный, меняющийся с учетом конкретных внутренних и внешних условий. В том числе, замеры могут показать существенную разницу для определенных частей тела – рук, ног, туловища или головы. Таким образом можно установить, что сопротивление человека электрическому току зависит от целого ряда параметров, а каких именно – узнаем чуть позже.

Состояние кожного покрова

Кожа покрывает практически все тело и именно поэтому она первой испытывает нагрузку при столкновении человека с электричеством. По этой причине общее сопротивление организма разряду во многом напрямую зависит именно от степени сопротивляемости самой кожи. Рассмотрим кратко строение кожного покрова. У любого человека это 2 основных слоя:

• Верхний (эпидермис), состоит из 5 слоев, общей толщиной не более 0,12 мм;
• Внутренний (дерма), здесь толщина намного больше и может достигать 2 мм.

Самую высокую сопротивляемость у всего дела оказывает именно верхний стой кожи. Эпидермис не содержит капилляров своем составе, что и обуславливает его повышенную устойчивость к таким видам электрических нагрузок. Все остальные слои кожи менее устойчивы к такому воздействию (и это также обусловлено структурой данных слоев).

Таким образом, если рассматривать сопротивление кожного покрова, то общий показатель здесь – это сумма двух параметров: сопротивления, которое оказывает эпидермический слой с каждой стороны тела, а также сопротивление слоя дермы + внутренности организма.

Основные параметры

Специалисты, исследуя влияние электричества на тело человека, зафиксировали целый ряд параметров, которые непосредственно оказывают влияние на реакцию организма при подобных негативных видах воздействия. Сопротивление тела человека электрическому току зависит от:

• Качественного состояния кожного покрова;
• Точного места, где в тело человека начал поступать ток;
• Основных физических параметров электросети, а именно – показатели тока и напряжения;
• Периода времени (длительность) в течение которого продолжалось воздействие тока на организм;
• Определенных параметров состояния окружающей среды во время и в месте воздействия электрического тока на организм и его прохождение через тело человека (уровень влажности, температура и т.п.).

Важное дополнение

Если на коже у человека имеются какие-либо повреждения – раны (тем более, открытые), царапины, порезы, ожоги и т.п., сопротивляемость верхнего слоя резко снижается. Как следствие – более тяжелая степень негативного воздействия на организм в целом.

Подведем итог

Теперь мы знаем, от чего зависит тяжесть поражения электрическим током человека. Важно понимать, что пусть тело и является неплохим проводником электричества, но имеет определенный запас сопротивления электротоку. Это показатели могут существенно меняться в зависимости от конкретных условий.

Соблюдение техники безопасности – важнейшее условие и главное требование для эффективной трудовой деятельности и сохранения здоровья и самой жизни!

Каково электрическое сопротивление организма человека | Энергофиксик

Здравствуйте уважаемые подписчики и гости моего канала. А вы знаете, каково реальное электрическое сопротивление организма человека, а так же от чего его величина зависит? Интересно? Тогда сейчас я все расскажу.

Измеряю сопротивление тела с помощью мультиметра

Измеряю сопротивление тела с помощью мультиметра

От чего зависит сопротивление клеток человека

Широко известен тот факт, что наше с вами тело состоит на 65% из жидкости. И по составу человеческий организм — это не что иное, как проводник электричества.

Именно по этой причине живые ткани сравнивают с электролитом (его принимают еще за раствор), который химически разлагается после прохождения электрического тока через него.

На самом деле определить точно величину электрического сопротивления тела человека крайне сложно (в первую очередь из-за его неоднородности).

При этом реальное сопротивление организма динамически изменяется по нелинейным законам.

Но самым главным фактором, влияющим на сопротивление тела, является состояние кожного покрова человека. Затем нужно учитывать все параметры электрической цепи и физиологические особенности.

При этом также не забываем про окружающие условия.

Закон Ома нам поможет

Для того, чтобы измерить сопротивление, необходимо будет подать на заранее определенный участок через специальные контактные площадки откалиброванное напряжение Uэл, которое сформирует условия для протекания электрического тока Ih.

Измерив силу тока, можно воспользоваться законом Ома и получить текущее сопротивление конкретно данного участка тела.

Rорг = Uэл/Ih

При этом полученная величина будет различна не только для разных людей, но даже у одного и того же человека она будет сильно изменяться.

Экспериментальным путем было установлено, что при напряжении 15-20 Вольт сопротивление может изменяться от 3 Ом до 100 Ом и даже более.

При этом высокое сопротивление показывает чистая и сухая кожа, без явных дефектов и повреждений.

Для того, чтобы выполнять приблизительные расчеты, было принято считать сопротивление человеческого организма 1 кОм как при постоянном токе, так и при переменном токе с частотой 50 Герц.

Хотя в отдельных случаях сопротивление может быть выше принятого значения в сотни раз.

За счет чего создается такое сопротивление

Вполне логичным будет звучать вопрос: Так за счет чего создается такое сопротивление?

Так вот в основном сопротивление создается за счет ороговевших клеток эпидермиса. Он играет роль диэлектрика и обладает самым высоким сопротивлением. Все остальные слои кожи – отлично проводят ток.

Но есть один важный нюанс. По факту эпидермис — диэлектрик между токопроводящими областями, а это значит, что он есть не что иное, как обычный конденсатор и тем самым добавляет емкостную составляющую параллельно активному сопротивлению.

И эта составляющая начинает показывать себя с ростом частоты.

Так вот, если человек прикоснется к токоведущим частям, находящимся под напряжением с частотой больше чем 10 кГц, то изолирующие свойства эпидермиса будут равны нулю.

А это значит, что общее сопротивление организма будет сильно ниже обычного и будет обусловлено только сопротивлением тканей внутренних органов.

Как вы уже поняли электрическое сопротивление человеческого тела — это штука абсолютно непредсказуемая, поэтому нужно относиться к электричеству со всей серьезностью и максимально беречь себя.

Если понравилась статья, тогда ставим палец вверх и не забываем подписываться! Спасибо за внимание!

Электрическое сопротивление тела человека

Конспект по безопасности жизнедеятельности

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.

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. Электрическое сопротивление различных тканей тела человека не одинаково: кожа, кости, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа, пот и особенно нервные пути, спинной и головной мозг – малое сопротивление.

Электрическое сопротивление тела человека, т.е. сопротивление между двумя электродами, наложенными на поверхность тела, в основном определяется сопротивлением кожи. Кожа состоит из двух основных слоёв: наружного (эпидермис), и внутреннего (дерма). Эпидермис состоит из мёртвых ороговевших клеток, лишён кровеносных сосудов и нервов и поэтому является слоем неживой ткани. Толщина этого слоя 0,05 – 0,2 мм. В сухом и незагрязнённом состоянии его можно рассматривать как диэлектрик, обладающий большим удельным сопротивлением. Дерма состоит из волокон соединительной ткани. В этом слое находятся кровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания, корни волос, потовые и сальные железы. Дерма обладает малым сопротивлением току.

Полное сопротивление тела человека есть сумма сопротивлений тканей, расположенных на пути тока. Основным фактором, определяющим величину полного сопротивления, является состояние кожного покрова в цепи тока. При сухой, чистой и неповреждённой коже сопротивление тела человека, измеренное при напряжении до 15 В, составляет 3…100 кОм. Если на участке кожи, где прикладываются электроды, удалить эпидермис, сопротивление тела составит 500…700 Ом. Если под электродами полностью удалить кожу, то будет измерено сопротивление внутренних тканей, которое составит 300…500 Ом.

Электрическое сопротивление тела человека зависит от ряда факторов. Его могут снизить повреждения рогового слоя, увлажнение кожи, тепловое облучение, повышенная температура воздуха.

Сопротивление наружного слоя кожи Rн уменьшается с увеличением площади электродов и зависит от места их приложения, что объясняется различной толщиной эпидермиса, неравномерным распределением потовых желёз, неодинаковой степенью наполнения кровью сосудов кожи. Повышение напряжения, приложенного к телу человека, вызывает уменьшение его сопротивления, которое при напряжениях более 200 В соответствует сопротивлению внутренних тканей (Rвн).

При оценке опасности поражения электрическим током и расчёте защитных мер в электроустановках сопротивление тела человека (Rh)принимают равным 1 кОм.

Рис. Эквивалентная схема электрического сопротивления тела человека

На рис. 4.1 приведён упрощённый вариант эквивалентной схемы цепи протекания электрического тока через тело человека.

На рисунке обозначено: 1 – электроды; 2 – эпидермис; 3 – внутренние ткани и органы тела человека, включая дерму; Ih – ток, протекающий через тело человека; Uh – напряжение, приложенное к электродам; Rн – активная составляющая сопротивления наружного слоя кожи; Cн – ёмкость условного конденсатора, обклад ка ми которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, расположен ные под эпидермисом, а диэлектриком – эпидермис; Rвн – активное сопротивление внутренних тканей, включая дерму.

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

где Xн = 1/ jw Cн – величина ёмкостной составляющей сопротивления тела человека;

w=2p f , f – частота действующего тока.

Для практических применений используют модуль комплексного сопротивления тела человека:

Конспект по безопасности жизнедеятельности

Электрическое сопротивление человека.

Факторы состояния человека, существенно увеличивающие вероятность смертельного поражения человека электрическим током:

всё, что увеличивает темп работы сердца – усталость, возбуждение, принятие алкоголя, наркотиков, некоторых лекарств, курение, болезни;

все, что уменьшает сопротивление кожи – потливость, порезы, принятие алкоголя.

Общее электрическое сопротивление между двумя электродами, наложенными на тело одного и того же человека, следует разделить на две части: сопротивление кожи и кровеносных сосудов и сопротивление нервов. Сопротивление тела человека являйся активной величиной, состоящей из внутренней и наружной составляющих. Внутреннее сопротивление у всех людей примерно одинаково и составляет 600 – 800 Ом. Сопротивление тела человека определяется в основном величиной наружного сопротивления, а конкретно – состоянием кожи рук толщиной всего лишь 0.2 мм (в первую очередь ее наружным слоем –

эпидермисом).

Примеров тому немало, вот один из них. Рабочий опускает в электролитическую ванну средний и указательный пальцы руки и получает смертельный удар. Оказалось, что причиной гибели явился имевший место порез кожи на одном из пальцев. Эпидермис не оказал своего защитного действия, и поражение произошло при явно безопасной петле тока.

Если принять сопротивление кожи за 1, то сопротивление внутренних тканей, костей, лимфы, крови составит 0,15 – 0,20, а сопротивление нервных волокон – всего лишь 0,025 («нервы» – отличные проводники электрического тока!)

.

Сопротивление тела не является постоянной величиной: в условиях повышенной влажности оно снижается в 12 раз, в воде – в 25 раз, резко снижает его принятие алкоголя.

Зато во время сна оно возрастает в 15-17 раз. В качестве минимального сопротивления тела человека принимают величину 1000 Ом, но вообще эта величина может колебаться от нескольких сотен Ом до нескольких МОм. Таким сопротивлением обладает сухая, неповрежденная, чистая кожа.

 

Фаза кардиоцикла.

Опасность совпадения момента прохождения тока через сердце с фазой Т кардиоцикла

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.

Наиболее уязвимым сердце оказывается в фазе Т, 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 Т, то вероятность возникновения фибрилляции резко уменьшается.

Т – период, когда заканчивается сокращение желудочков и они переходят в расслабленное состояние.

При длительности прохождения тока, равной или превышающей время кардиоцикла (0,75 – 1 с), ток “встречается” со всеми фазами работы сердца, в том числе с наиболее уязвимой фазой Т; это весьма опасно для организма. Если же время воздействия тока меньше продолжительности кардиоцикла на 0,2 с или более, то вероятность совпадения момента прохождения тока с фазой Т, а следовательно и, опасность поражения резко уменьшается.

Если время прохождения тока совпадает с фазой Т, то и в этом случае вероятность возникновения фибрилляции сердца зависит от длительности воздействия тока.

 

Узнать еще:

Радиосхемы. — Измерение сопротивления тела человека

категория
Схемы для медицинского применения
материалы в категории

Как известно,

электрическое сопротивление организма конкретного человека может быть от 100 Ом до сотен кОм и даже МОм. Такие данные получены в ходе медицинских исследований и объясняются строением тела, состоянием психики, образом жизни, половыми отличиями и также другими составляющими. Известно, что при изменении в психофизическом состоянии человека (недомогании, алкогольном и наркотическом опьянениях, в период похмельного синдрома, при стрессах) электрическое сопротивление организма ощутимо снижается даже у здоровых людей.

На рисунке представлена схема простого чувствительного датчика, реагирующего на изменение сопротивления кожного покрова человека.

Очень простой прибор, доступный в сборке любому радиолюбителю, позволит контролировать изменение сопротивления организма при различных воздействиях на человека и, соответственно, различном психофизическом состоянии. Еще один интересный факт: сопротивление тела человека меняется в незначительных пределах и при потоотделении, а также при внутреннем волнении, дискомфорте. То есть диапазон возможного применения устройства весьма широк — от сфер психологических исследований до «детекторов лжи». Для последнего случая схему нужно незначительно доработать. Рассмотрим принцип действия схемы.

На транзисторах VT1, VT2 собран усилитель по току со смещением. Все транзисторы (кремниевые) — широко распространенные типа КТ3102, КТ3107. Именно они имеют очень большой коэффициент усиления по току h31э, и это позволяет обойтись в данной схеме без каких либо дополнительных усилителей и микросборок. Применять аналоги вместо показанных на схеме транзисторов в данном варианте нежелательно (в крайнем случае можно применить КТ342В и КТ373А—КТ373Б).

Стрелочный миллиамперметр с током полного отклонения 0,01—0,1 мА можно использовать имеющийся в наличии, например от авометра Ц20, корректировка его показаний осуществляется резистором R6. Перед установкой в схему миллиамперметр с последовательно соединенным переменным резистором (с линейной характеристикой) сопротивлением 10—22 кОм подключают (соблюдая полярность) к источнику питания данной схемы.

Источник может быть с выходным напряжением 6—12 В, обязательно стабилизированный, так как от этого будет зависеть и точность считываемых показаний прибора. Изменением сопротивления переменного резистора нужно добиться того, чтобы стрелка прибора отклонилась чуть больше максимальной отградуированной риски, но не зашкаливала совсем, упираясь в ограничитель стрелки миллиамперметра. После этого схему обесточить, сопротивление переменного резистора замерить и заменить потенциометр постоянным резистором R6 соответствующего сопротивления.

Контакты XI, Х2 представляют собой два одинаковых браслета из токопроводящего материала (меди), одеваемые на запястья соответственно левой и правой рук. Вместо браслетов можно использовать кольца, одеваемые на пальцы. Соединительные провода необходимы одинаковой длины и состава, удобно для этой цели использовать монтажный провод типа МГТФ-1 диаметром 0,8—1,0 мм.

Для обеспечения точности показаний длина проводов к датчикам не должна превышать 1,2 м каждый. Главное, чтобы был хороший контакт с кожей человека и движения исследуемого не имели влияния на контактные датчики. В этом смысле применение в качестве датчиков плоских предметов или штырей будет неэффективно, так как сжиманием пальцами руки датчиков человек может даже непроизвольно вносить погрешность в показания прибора.

Резистор R2 регулирует смещение напряжения на базу транзистора VT1, то есть чувствительность схемы. Как показала практика, чувствительность лучше устанавливать максимальную. Перед использованием прибор необходимо отградуировать (нанести на шкалу соответствующие значения). Для этого нужно иметь рядом проверенный высокоточный омметр.

Поочередно подключая к датчикам XI, Х2 и щупам проверенного омметра разные сопротивления от 50 Ом до единиц МОм, замеряя сопротивления, наносят риски на шкалу миллиамперметра. Соответственно чем ниже сопротивление тела человека, тем более отклонится стрелка в стрелочном приборе. «Выход» — контакт ХЗ — позволяет расширить и дополнить базовую схему, например подключив ее на вход цифрового анализатора с индикаторами в виде «линейки» светодиодов. В этом случае цепочка R6P1 исключается, и вместо нее устанавливается постоянный резистор 10 кОм.

Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.

Исследовательская работа, «Сопротивление тела человека»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Бардымская средняя общеобразовательная школа №2»

Муниципальная научно-практическая конференция учащихся

«Юный исследователь»

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Работу выполнил:

Мансуров Данил

Ученик 9б класса МБОУ «Бардымская СОШ №2»

Руководитель:

Халитова Гюзель Феликсовна

Учитель физики МБОУ «Бардымская СОШ №2»

с.Барда

2016 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Используя электротехнические изделия в быту или на производстве, человек может попасть под действие электрического тока. Одним из факторов, влияющие на исход поражения человека электрическим током, является сопротивление тела человека. Поэтому проблема защиты человека от воздействия электрического тока была и остаётся актуальной.

Все чаще учащихся проявляют интерес к изучению физики тела человека. Все чаще они пробуют объяснить те или иные изменения состояния человека с точки зрения науки. Но в курсе физики, изучаемом в школе, практически не уделяется внимания физическим параметрам, характеризующим человека. Законы рассматриваются в основном на неживых объектах. Именно поэтому было принято решение провести исследование одного из физических параметров, а именно, сопротивление тела человека. И на этих исследованиях показать, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны.

Существуют теоретические утверждения о зависимости сопротивления тела от кожного покрова, не исключено и влияние пути протекания электрического тока по телу, а также влияние физического и психоэмоционального состояния [2].

Цель исследования: провести измерение сопротивления тела человека электрическому току и выяснить от каких факторов оно зависит.

Объект исследования: учащиеся МБОУ БСОШ №2 (в возрастной категории от 6 до 9 класса) , семья Мансуровых.

Предмет исследования – руки человека.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:

• научиться работать с научной литературой, отбирать, анализировать, систематизировать информацию;

• научиться правильно пользоваться мультиметром;

• исследовать зависимость сопротивления тела человека:

1. от состояния кожного покрова,

2. от времени суток,

3. от физиологических факторов .

В процессе данной исследовательской работы использовались следующие теоретические и эмпирические методы:

• сравнение и сопоставление теоретических данных с результатами эксперимента;

• анализ различных информационных источников и результатов исследования по данному вопросу;

• систематизация приведения в систему полученных теоретических и практических знаний.

• наблюдение за экспериментом

• исследование – выявление зависимости сопротивления тела от различных факторов.

Новизна исследований заключалась в проведении измерение сопротивления тела человека:

• в разное время суток,

• с различным состоянием поверхности кожи,

• с различным эмоциональным состоянием,

• у детей и подростков разного возраста (от12 до 16 лет)

• у детей и подростков разных полов.

В ходе работы, рассматривались вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. Я познакомился с методами исследования в физике и биологии, получил краткие данные о медицинской и биологической аппаратуре. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов помогли мне установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформировали интерес не только к физике, но и биологии. Навыки, полученные при работе с измерительным прибором, при постановке эксперимента пригодятся в дальнейшем в научно-технической деятельности.

1. 1. Электричество и кожа

Существование и развитие человека невозможно без непрерывного взаимодействия с окружающей средой. Влияние внешней среды на человека обычно рассматривается на примере действия электрического тока и магнитного поля. Причем это не случайно. Энергия любого из этих факторов, так или иначе, преобразуется в электрическую, которая, взаимодействуя с электричеством человека, обуславливает реакцию человека на действие внешнего фактора[6].

Преобразование энергии взаимодействующих факторов в электрическую подчиняется определенной передаточной функции. Основные процессы преобразования, описываемые передаточной функцией, происходят через кожу. Кожа является источником информации о состоянии органов и тканей человека и в то же время – защитной оболочкой человека от вредного воздействия среды.

Кожа, осуществляющая связь в системе «среда – человек» (рис. 1.1), представляет собой трехкомпонентную структуру, образованную эпидермисом, дермой и подкожной жировой клетчаткой, которые находятся в функциональном разрезе. Самым тонким слоем является эпидермис. Несмотря на незначительные размеры, он обладает наиболее ответственными функциями – защитной и информационной. Информация необходима для саморегуляции ряда биофизических процессов в организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.

Рис.1.1. Кожа человека

Эпидермис плоский, тонкий, ороговевший слой, представляет собой пограничную часть с разнообразными сложными барьерно-информативными функциями. Одна из основных функций – защита от проникновения в организм чужеродных, не свойственных ему микробов, аэрозольной пыли. Он способствует защите тканей и органов от проникновения ультрафиолетового и коротковолнового рентгеновского излучения. Структурные особенности эпидермиса обеспечивают ему высокую упругость, эластичность. Он имеет большую механическую прочность, что позволяет ему выдерживать большие механические нагрузки. Обладая высокими регенерационными свойствами, способен при повреждениях быстро восстанавливаться. Благодаря удивительным и многообразным видам электропроводимости он имеет исключительно высокую рецепторную защитную способность[2].

Кожу многие ученые представляют, как топографическую связь отдельных участков эпидермиса со всеми органами человека. В эпидермисе находятся акупунктуры – точки и участки кожи, обладающие отличным от основного состава эпидермиса значением проводимости. Значит, есть различие и в свойствах этих точек. Через эти зоны в основном и осуществляется связь эпидермиса с внутренними органами. Возникновение электрической цепи через область эпидермиса в акупунктурных зонах может привести к смертельному исходу даже при очень маленьком напряжении. В то же время очень популярно воздействие на эти точки иглами с целью лечения или усиления некоторых функций организма – иглотерапия.

Свойства кожи уникальны и удивительны. Уже давно было обнаружено, что клетки чистой кожи убивают болезнетворные бактерии и микробы, попадающие на ее поверхность, на воздухе, и в то же время через мокрую кожу могут свободно проходить эти же микробы. Чем это вызвано?

Эпидермис – поверхностный слой кожи относится к диэлектрикам, обладающим огромным удельным сопротивлением и большим значением диэлектрической проницаемости. Под влиянием разности температур внутренних органов и окружающей среды возникает диффузия «электрического газа». При прохождении газа через место ранения, обладающего высоким удельным сопротивлением и большой диэлектрической проницаемостью, появляется статическое электричество. Напряженность поля может достигнуть десятка киловольт на 1 квадратный сантиметр. При такой напряженности клеточные мембраны разрушаются и бактерии погибают. Для разрушения нейрона или клетки достаточна электрическая энергия поля в пределах 10-20 Дж. Это свидетельствует о том, что кожа является своеобразным электростатическим фильтром, подобным электростатическому фильтру, применяемому в системах жизнеобеспечения для замкнутых помещений, представляя собой стерилизатор. Но все это происходит при условии, что сопротивление кожи поддерживается на очень высоком уровне. При наличии воды на коже или повышенной влажности кожи такое электростатическое поле возникнуть не может – нет и «стерилизатора». Следовательно, электричество человека служит очень хорошим стражем от поражения микроорганизмами – бактериями окружающей человека воздушной среды[5].

1.2. Электрические свойства тела человека

Человек – существо многогранное: он покорил высочайшие горные вершины, опустился в самые глубокие точки Мирового океана, побывал на Луне, расщепил атомное ядро. Но чаще всего мы не задумываемся, а что же мы представляем собой, что мы можем сделать, какими возможностями и ресурсами обладаем? Человеческий организм представляет собой сложные биологические системы, поэтому, изучая происходящие в нем процессы, мы обратились к методам, которые используются в таких точных науках, как физика и химия. Ведь человек состоит из атомов и молекул, подчиняющихся физическим и химическим закономерностям. По нервному волокну распространяется электрический импульс. Профессор кафедры анатомии в Болонье (Италия) Луиджи Гальвани в книге «Трактат о силах электричества при мышечном движении» пишет: «Я разрезал и препарировал лягушку… Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги… Я зажегся страстным желанием исследовать это явление…» Но ответ на этот вопрос дал соотечественник Гальвани – Алессандро Вольта: живой организм проводит, пропускает через себя электрический ток. Именно Вольта и создал первый источник. Такой источник тока можно продемонстрировать. Нужно взять по пять пластинок из меди и цинка размером 30х30х4 мм и сложить их стопкой, чередуя и перекладывая промокательной бумагой, смоченной крепким раствором поваренной соли. Если взять столбик мокрыми пальцами за торцы, то почувствуешь слабый, но явственный электрический удар! Если этот элемент подключить к гальванометру, он покажет наличие тока в цепи. Прошел 121 год после статьи Гальвани, и в 1912 г. было обнаружено, что внутри человеческого организма протекают токи, хотя и очень слабые. Исследователи доказали, что любой процесс внутри человека: работа сердца и мозга, прохождение нервных сигналов, мышечные сокращения – сопровождаются биологическими электрическими сигналами.

Электропроводность – один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются при гибели живого существа. Человек при этом не является исключением. Тело человека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор (раствор электролита)[2].

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

Большинство тканей тела человека содержит значительное количество воды (до 65% по весу). Поэтому живую ткань можно рассматривать как электролит, обладающий ионной проводимостью. Иначе говоря, можно полагать, что перенос электрических зарядов в живой ткани осуществляется не свободными электронами, как это имеет место в металлических проводниках, а заряженными атомами или группами атомов – ионами.

В живой ткани наблюдается явление межклеточной миграции (перемещение) энергии, т.е. резонансный перенос энергии электронного возбуждения между возбужденной и невозбужденной клетками. Поэтому можно предположить, что живая ткань обладает также электронно-дырочной проводимостью, свойственной полупроводникам, в которых перенос зарядов осуществляется электронами проводимости и дырками.

Таким образом, тело человека можно рассматривать как проводник особого рода, имеющий переменное сопротивление и обладающий в какой-то мере свойствами проводников первого рода (полупроводники) и второго рода (электролиты).

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

Следовательно, 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.

Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений (рис 1.3.): двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи, т. е. эпидермиса, 2R_н (которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека) и одного, называемого внутренним сопротивлением тела R_в (которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела).

Рис. 1.3. Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека

Сопротивление наружного слоя кожи R_н состоит из активного и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Полное сопротивление наружного слоя кожи R_н зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и при площади электродов в несколько квадратных сантиметров может достигать весьма больших значений.

Внутреннее сопротивление тела считается чисто активным, хотя, оно также обладает емкостной составляющей. Внутреннее сопротивление Rв практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и равно примерно 500 – 700 Ом [5].

Омметр – это измерительный прибор специализированного назначения, предназначенный для определения сопротивления электрического тока. Так как сопротивление выражается в Омах (Ом), то и прибор, его измеряющий получил название омметра.

Омметр – это прибор непосредственного отсчета. Его основная функция – определение активных сопротивлений электрического тока. Как правило, омметр преобразует переменный ток в постоянный и производит измерения. Однако некоторые модели могут измерять сопротивление непосредственно переменного тока, без его преобразования. Омметры являются довольно полезными, а в ряде случаем и незаменимыми приборами, в зависимости от предъявляемых требований к диапазону производимых ими измерений.

Цифровые омметры. Микроомметр MOM600A представляет собой измерительный мост с автоматическим уравновешиванием. Уравновешивание производится цифровым управляющим устройством методом подбора прецизионных резисторов в плечах моста, после чего измерительная информация с управляющего устройства подаётся на блок.

Аналоговые электронные омметры. Принцип действия электронных омметров основан на преобразовании измеряемого сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью операционного усилителя. Измеряемый объект включается в цепь обратной связи (линейная шкала) или на вход усилителя.

Действие магнитоэлектрического омметра основано на измерении силы тока, протекающего через измеряемое сопротивление при постоянном напряжении источника питания.

Мультиме́тр (от англ. multimeter), те́стер (от англ. test — испытание), аво́метр (от ампервольтомметр) — комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе включает функции вольтметра, амперметра и омметра. Иногда выполняется мультиметр в виде токоизмерительных клещей. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры.

Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей.

3.1. Исследование зависимости сопротивления тела человека от состояния кожного покрова

При исследовании зависимости сопротивления кожного покрова были использованы следующие приборы и материалы: мультиметр М-830, (см. приложение рис. 1) дистиллированная и подсоленная вода, салфетки.

Порядок выполнения работы:

1. С помощью мультиметра измерили сопротивление своего тела при чистой, сухой и неповрежденной коже. Электроды приложили от ладони одной руки к ладони другой руки R_лп. Повторили измерения 10 раза и вычислили среднее значение сопротивления. Полученные результаты занесли в таблицу 1(см. приложение на стр.18).

2. Дистиллированной водой увлажнили руки, провели измерения, сопротивление уменьшилось. Данные измерений занесли в таблицу 2(см. приложение на стр.18).

3. Сильно подсоленной водой увлажнили руки, провели измерения, сопротивление тела понизилось еще больше. Данные измерений занесли в таблицу 3(см. приложение на стр.18).

Сопротивление кожи понижается при её увлажнении даже в том случае, если влага обладает большим удельным сопротивлением. 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. 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 – тонким трубочкам, пронизывающим всю толщу кожи.

Выделение пота происходит непрерывно, даже на холоде, но особенно обильно при высокой температуре окружающего воздуха, напряжённой физической работе, местном нагреве кожи, болезни человека и т. п.[3].

Следовательно, работа в условиях, вызывающих интенсивное потовыделение, увеличивает опасность поражения человека током, работа сырыми руками или в условиях, вызывающих увлажнение каких-либо участков кожи, создает предпосылки для тяжелого исхода в случае попадания человека под напряжение.

4. Соскоблили роговой слой на сухих участках кожи, где прикладываются электроды, измерили сопротивление, оно снизилось еще больше.

Полученные результаты занесли в таблицу 4(см. приложение на стр.19).

Порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы, т.е. повреждения рогового слоя – снижают сопротивление тела человека что, бесспорно, увеличивает опасность поражения током человека.

5. Потерли руки пылью, взятой от мебели. Приложили электроды на загрязненную кожу рук и измерили сопротивление. Полученные результаты занесли в таблицу 5(см. приложение на стр.19).

По результатам исследования, используя Microsoft PowerPoint построили диаграмму «Исследование зависимости сопротивления тела человека от состояния кожного покрова» (см. приложение рис.2)

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.

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

Вывод: сопротивление кожи, а, следовательно, и тела в целом резко уменьшается при наличии влаги на ее поверхности, сильном потовыделении, загрязнении и повреждении ее рогового слоя.

3.2. Исследование зависимости сопротивления тела человека от времени суток

Сопротивление тела человека у разных людей различно. Различным оказывается оно и у одного и того же человека в разное время суток. В качестве испы-

туемого выступил Данил Мансуров. Измерения проводились: рано утром – после пробуждения R₁, после завтрака R₂, в обед R₃, вечером R₄, ночью R₅.

Данные измерений занесли в таблицу 6(см. приложение стр.19).

По полученным данным построили диаграмму (см. приложение рис.3).

Вывод: в результате этого исследования выяснено, что наименьшим сопротивлением тело обладает ночью и рано утром, наибольшим – сразу после завтрака (зарядки) и ближе к вечеру. Это объясняется тем, что утором организм отдохнул и после завтрака получил большой запас энергии. Следовательно, завтрак – полезный и важный прием пищи, пренебрегать которым не стоит. Завтрак является своеобразным аккумулятором, который заряжает человека энергией на весь день.

3.3. Исследование зависимости сопротивления тела человека от физиологических факторов

На значение сопротивления влияют и другие факторы, хотя и в значительно меньшей степени, например пол и возраст.

1. Для проведения опыта были приглашены близкие мне люди разного пола и возраста – мужчина (папа), женщина (мама), девочка (сестра – 9 лет) и я (мальчик 15 лет) . Измерения проводились с помощью мультиметра при одинаковых начальных условиях – ежедневно в 18.00 по местному времени в течении 3 дней. Электроды прикладывались от одной руки к другой. Полученные результаты занесли в таблицу 7(см. приложение стр.20) и построили диаграмму (см. приложение рис.4).

У мужчин сопротивление тела больше, чем у женщин, а у девочек – меньше, чем у мальчиков. У взрослых больше, чем у детей. Объясняется это, очевидно, тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, у других – толще и грубее. Расчитали среднее значение сопротивления и отобразили данные в виде диаграммы (см. приложение рис. 4)

2. Для доказательства того, что сопротивление человека меняется с возрастом и полом провели эксперименты с учащимися разных классов (от 6 по 9). Были приглашены девочки и мальчики, юноши и девушки в равных количествах с разной возрастной категории 5 девушек (девочек) и 5 юношей (мальчиков). Всего испытуемых – 60 человек. Результаты измерений занесли в таблицу 8(см. приложение стр.21).

Как видно из опытов кожа учащихся старших классов обладают большим сопротивление нежели младших, это объясняется тем, что с возрастом кожа становится толще, её защитные функции становятся более совершенными. По данным исследований построили диаграмму (см. приложение рис.5)

При проведении было замечено что сопротивление кожи девочек меньше нежели сопротивление мальчиков, что обусловлено физиологическими особенностями – кожа мальчиков имеет более толстый роговой слой, а дерма богаче коллагеном, поэтому она более плотная и упругая (см. приложение рис. 5). Хотя были случаи, когда сопротивление кожи мальчиков было очень маленьким.

3. Для определения зависимости сопротивления человеческого тела от настроения, проверялся мальчик Дамир — 10 мес. Измерили сопротивление тела прикладывая электроды к ладоням испытуемого. Результаты внесли в таблицу 9(см. приложение стр.22).

По полученым результатам построили диаграмму (см. приложение рис.6).

Максимальное сопротивление тела оказалось у Дамира, когда он был зол и раздражен. Минимальным соротивлением обладал Дамир , когда он был грустным. У Дамира , когда он был в радостном настроениии сопротивление изменилось мало, но повысилось. Испытуемый Дамир подвергался и физическим раздражениям, возникающим неожиданно это световые, звуковые, болевые.Все перечисленные раздражения привели к снижению сопротивления на 20-50%

Вывод: на сопротивление кожи человека влияют физиологические особенности организма, а также эмоциональное состояние. С возрастом наша кожа становится более защищенной.

При анализе полученного материала выявляется четко выраженная зависимость сопротивления тела человека от:

— состояния кожного покрова,

— физического и психического состояния человека,

— от времени суток.

Таким образом, наша гипотеза о зависимости сопротивления тела от кожного покрова, физиологических факторов была подтверждена экспериментальным путем.

На величину сопротивления, а, следовательно, и на исход поражения электрическим током, большое влияние также оказывает повышенная потливость кожного покрова, переутомление, нервное возбуждение, физические раздражители.

Все перечисленные факторы приводят к резкому уменьшению сопротивления тела человека (до 800–1000 Ом). Поэтому, даже сравнительно небольшие напряжения могут привести к поражению электрическим током. Также значение полного сопротивления тела человека зависит и от параметров электрической цепи – места приложения электродов к телу человека, значений тока и приложенного напряжения, рода и частоты тока, площади электродов, длительности прохождения тока. Это дальнейшее продолжение изучение данной темы.

Каждый работающий с электро-радиоаппаратурой должен помнить, что человеческий организм поражает не напряжение, а величина тока. При неблагоприятных условиях даже низкие напряжения (30–40 В) могут быть опасными для жизни. Если сопротивление тела человека равно 700 Ом, то опасным будет напряжение 35 В.

Данная работа может быть применена для профилактики несчастных случаев при поражении электрическим током, а также поможет при подготовке к проведению занятий по ОБЖ.

1. Беркинблит М.Б. и др. Электричество в живых организмах. – М.: Наука, 1988.

2. Богданов К.Ю. Физика в гостях у биолога. – М., 1986.

3. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. – М.: «Знак», 2000.

4. Охрана труда в энергетике / под ред. Б.А. Князевского. – М.: “Энергоатомиздат”, 1985. – 200с.

5. Энциклопедия для детей [том 16]. Физика Ч.1 Биография физиков. Путешествия вглубь материала. Механическая картина мира. – 2-е изд. Испр. /ред. Коллегия: М. Аксёнова, В. Володин, А. Элиович и др. – М.: Мир энциклопедий Аванта+, 2007. – 448с.: ил.

6. Энциклопедия для детей [том 16]. Физика Ч.2 Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. /ред. Коллегия: М. Аксёнова, А. Элиович, В. Санюк и др. – М.: Мир энциклопедий Аванта+, 2007. – 432с.: ил

7. Информационный сайт

http://ftemk.mpei.ac.ru/bgd/bgd_.htm#deistvie_toka – Безопасность жизнедеятельности Московский энергетический институт (ТУ) Кафедра инженерной экологии и охраны труда.

Рис.1.1 Мультиметр М830BZ

Таблица 1

опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R_лп, кОм

1,9

2

1,8

1,9

1,8

1,8

1,9

1,9

1,8

1,9

R_ср, кОм

1,87

Таблица 2

Таблица 3

опыта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R_лп, кОм

1,3

1,2

1,1

1,4

1,2

1,2

1,1

1,1

1,3

1,1

R_ср, кОм

1,2

Таблица 4

Таблица 5

Рис.2. Зависимости сопротивления тела человека от состояния кожного покрова

. Таблица 6

R_1,

кОм

R_ср1, кОм

R_{2 ,} кОм

R_ср2, кОм

R₃,

кОм

R_ср3,

кОм

R₄,

кОм

R_ср4,

кОм

R_5,

кОм

R_ср5,

кОм

1

1,6

1,6

1,7

1,7

1,6

1,63

1,7

1,7

1,5

1,51

2

1,7

1,7

1,6

1,6

1,5

3

1,8

1,6

1,5

1,8

1,5

4

1,6

1,8

1,65

1,8

1,4

5

1,5

1,9

1,7

1,7

1,6

6

1,5

1,6

1,7

1,8

1,6

7

1,5

1,6

1,65

1,6

1,5

Рис.3. Зависимости сопротивления тела человека от времени суток.

Таблица 7

мужчина

женщина

мальчик

девочка

№ опыта

R_1,

кОм

R_ср1, кОм

R_{2 ,} кОм

R_ср2, кОм

R₃,

кОм

R_ср3,

кОм

R₄,

кОм

R_ср4,

кОм

1

1,9

1,97

1,8

1,72

1,9

1,84

1,5

1,48

2

2

1,7

1,8

1,5

3

1,9

1,8

1,8

1,4

4

2

1,6

1,9

1,5

5

1,9

1,7

1,8

1,5

6

1,9

1,6

1,9

1,5

7

2

1,7

1,8

1,5

Рис.4. Зависимости сопротивления тела человека от физиологических факторов

Таблица 8

5 класс

6 класс

7 класс

8 класс

9 класс

10 класс

№ оп.

R_5,

кОм

R_ср5,

кОм

R_6,

кОм

R_ср6,

кОм

R_7,

кОм

R_ср7,

кОм

R_8,

кОм

R_ср8,

кОм

R_9,

кОм

R_ср9,

кОм

R_10,

кОм

R_ср10,

кОм

1

1,2

1,23

1,1

1,12

1,1

1,21

1,3

1,44

1,4

1,46

1,4

1,51

2

1,2

1,2

1,2

1,3

1,3

1,5

3

1,3

1

1

1,6

1,6

1,6

4

1,2

1,2

1,2

1,4

1,4

1,5

5

1,3

1

1,2

1,5

1,5

1,5

6

1,3

0,8

1,3

1,6

1,6

1,6

7

0,9

1,3

1,4

1,3

1,2

1,4

8

1,3

1,1

1,1

1,5

1,6

1,6

9

1,2

1,2

1,3

1,4

1,6

1,6

10

1,4

1,3

1,3

1,5

1,4

1,4

Рис.5. Зависимость сопротивления человеческого тела от возраста

Таблица 9

раздражение

радость

грусть

злость

№ опыта

R_1,

кОм

R_ср1, кОм

R_{2 ,} кОм

R_ср2, кОм

R₃,

кОм

R_ср3,

кОм

R₄,

кОм

R_ср4,

кОм

1

0,9

0,88

0,9

0,78

0,7

0,67

0,8

0,83

2

1

0,7

0,6

1

3

0,8

0,7

0,7

0,9

4

0,8

0,9

0,6

0,8

5

0,9

0,8

0,6

0,8

6

0,8

0,8

0,6

0,7

7

0,9

0,8

0,7

0,7

8

1

0,6

0,7

0,8

9

0,9

0,7

0,7

0,9

10

0,8

0,9

0,8

0,9

Рис.6. Зависимость сопротивления человеческого тела от настроения

Рис.8. Зависимость сопротивления человеческого тела от окружающей среды

Рис. 7. Факторы влияющие на исход поражения электрическим током

Проведение электрического тока к телу человека и через него: обзор

Эпластика. 2009; 9: e44.

Опубликовано в Интернете 12 октября 2009 г.

, PhD, MD, FACEP ^a и, MS, PhD, DSc ^b

Raymond M. Fish

^a Исследовательская лаборатория биоакустики и отделение хирургии Университета Иллинойс, Урбана-Шампейн,

Лесли А. Геддес

^b Школа биомедицинской инженерии Уэлдона, Университет Пердью, У-Лафайет, штат Индиана

^a Лаборатория биоакустических исследований и отделение хирургии, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн,

^b Школа биомедицинской инженерии Велдона, Университет Пердью, W Lafayette, Ind

Это статья открытого доступа, в которой авторы сохраняют авторские права на работу.Статья распространяется под лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Цель: Цель этой статьи — объяснить, каким образом электрический ток проходит через тело человека и как это влияет на характер травм. Методы: Эта междисциплинарная тема объясняется путем первого обзора электрических и патофизиологических принципов.Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Также обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен расслабления, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током. После обзора основных принципов обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий.Темы, связанные с высоковольтными ожогами, включают замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатый и контактный потенциалы, дуги и молнии. Результат: Практикующий врач будет лучше понимать электрические механизмы повреждения и их ожидаемые клинические эффекты. Выводы: Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему происходят конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

В этой статье объясняется, каким образом электрический ток проходит через человеческое тело и как это влияет на характер травм. Эта междисциплинарная тема объясняется в части A путем сначала обзора электрических и патофизиологических принципов, а затем в части B путем рассмотрения конкретных типов несчастных случаев. Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен отпускания, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током.После обзора основных принципов в части B обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий. К темам, связанным с высоковольтными ожогами, относятся замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатые потенциалы и потенциалы прикосновения, дуги и молнии. . Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь понять, как и почему происходят определенные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

ЧАСТЬ A: ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И КАК ЭТО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ТЕЛОМ ЧЕЛОВЕКА

Поражение электрическим током определяется как внезапная резкая реакция на электрический ток, протекающий через любую часть тела человека. Удар электрическим током — смерть от поражения электрическим током. Первичное поражение электрическим током — повреждение тканей, вызванное прямым воздействием электрического тока или напряжения. Вторичные травмы, такие как падения, являются обычным явлением. Если не указано иное, эта статья относится к токам и напряжениям 60 (или 50) Гц переменного тока (среднеквадратичное значение). Кроме того, под сопротивлением мы на самом деле подразумеваем величину импеданса. Высокое напряжение относится к среднеквадратичному значению переменного тока 600 В или более.

Очень небольшое количество электрического тока приводит к серьезным физиологическим эффектам.

Ток означает количество электричества (электронов или ионов), протекающего в секунду.Ток измеряется в амперах или миллиамперах (1 мА = 1/1000 ампера). Количество электрического тока, протекающего через тело, определяет различные эффекты поражения электрическим током. Как указано в таблице, различные величины тока вызывают определенные эффекты. Большинство эффектов, связанных с током, возникает в результате нагревания тканей и стимуляции мышц и нервов. Стимуляция нервов и мышц может привести к проблемам, начиная от падения из-за отдачи от боли до остановки дыхания или сердца. Чтобы вызвать физиологические эффекты, требуется относительно небольшой ток.Как показано в таблице, для отключения автоматического выключателя на 20 А требуется в тысячу раз больше тока, чем для остановки дыхания.

Таблица 1

Расчетное влияние переменного тока 60 Гц ^*

1 мА	Едва заметное
16 мА	Максимальный ток, который средний человек может схватить и «отпустить»
20 мА	Паралич дыхательных мышц
100 мА	Порог фибрилляции желудочков
2 A	Остановка сердца и повреждение внутренних органов
15/20 A	Общий предохранитель размыкает цепь †

Сопротивление кожи защищает тело от электричества

Тело имеет сопротивление току.Более 99% сопротивления тела прохождению электрического тока приходится на кожу. Сопротивление измеряется в Ом. Мозолистая, сухая рука может иметь сопротивление более 100000 Ом из-за толстого внешнего слоя мертвых клеток в роговом слое. Внутреннее сопротивление тела составляет около 300 Ом по отношению к влажным, относительно соленым тканям под кожей. Сопротивление кожи можно эффективно обойти, если есть повреждение кожи от высокого напряжения, порез, глубокое истирание или погружение в воду (таблица). Кожа действует как электрическое устройство, такое как конденсатор, в том смысле, что пропускает больший ток, если напряжение быстро меняется.Быстро меняющееся напряжение будет приложено к ладони и пальцам руки, если он держит металлический инструмент, который внезапно касается источника напряжения. Этот тип контакта даст намного большую амплитуду тока в теле, чем это могло бы произойти в противном случае. ²

Таблица 2

Способы значительного снижения защитного сопротивления кожи

•	Существенные физические повреждения кожи: порезы, ссадины, ожоги
•	Разрушение кожи при напряжении 500 В или более
•	Быстрое приложение напряжения к участку кожи
•	Погружение в воду

Напряжение

Напряжение можно рассматривать как силу, проталкивающую электрический ток через тело .В зависимости от сопротивления будет течь определенный ток при любом заданном напряжении. Именно ток определяет физиологические эффекты . Тем не менее, напряжение действительно влияет на результат поражения электрическим током несколькими способами, как описано ниже.

Разрыв кожи

При напряжении 500 В или более высокое сопротивление внешнего слоя кожи выходит из строя. ³ Это значительно снижает сопротивление тела току. В результате увеличивается сила тока, протекающего при любом заданном напряжении.Области разрыва кожи иногда представляют собой раны размером с булавочную головку, которые легко не заметить. Они часто являются признаком того, что в тело может проникнуть большой ток. Можно ожидать, что этот ток приведет к повреждению глубоких тканей мышц, нервов и других структур. Это одна из причин, по которой при высоковольтных повреждениях часто возникают серьезные повреждения глубоких тканей, а не ожоги кожи.

Электропорация

Электропорация (повреждение клеточной мембраны) происходит из-за приложения большого напряжения к длине ткани.Это могло произойти при 20 000 В из рук в руки. Электропорация также может происходить при напряжении 120 В, когда конец шнура питания находится во рту ребенка. В этой ситуации напряжение невелико, но вольт на дюйм ткани такое же, как и в случае, когда высокое напряжение прикладывается от руки к руке или с головы до ног. В результате электропорации даже кратковременный контакт может привести к серьезным травмам мышц и других тканей. Электропорация — еще одна причина возникновения глубоких повреждений тканей.

Нагрев

При прочих равных, тепловая энергия, передаваемая тканям, пропорциональна квадрату напряжения (увеличение напряжения в 10 раз увеличивает тепловую энергию в 100 раз).

Переменный и постоянный ток

Мембраны возбудимых тканей (например, нервных и мышечных клеток) будут передавать ток в клетки наиболее эффективно при изменении приложенного напряжения. Кожа в чем-то похожа тем, что пропускает больше тока при изменении напряжения. Следовательно, при переменном токе происходит непрерывное изменение напряжения с 60 циклами изменения напряжения в секунду. При использовании переменного тока, если уровень тока достаточно высок, будет ощущение удара электрическим током, пока сохраняется контакт.Если есть достаточный ток, клетки скелетных мышц будут стимулироваться настолько быстро, насколько они могут ответить. Эта скорость меньше 60 раз в секунду. Это вызовет тетаническое сокращение мышц, что приведет к потере произвольного контроля над мышечными движениями. Клетки сердечной мышцы будут получать 60 стимуляций в секунду. Если амплитуда тока достаточная, произойдет фибрилляция желудочков. Сердце наиболее чувствительно к такой стимуляции в «уязвимый период» сердечного цикла, который происходит во время большей части зубца T.

Напротив, при постоянном токе ощущение шока возникает только тогда, когда цепь замкнута или разорвана, если только напряжение не относительно высокое. ⁴ Даже если амплитуда тока велика, это может не произойти в уязвимый период сердечного цикла. При переменном токе длительность разряда более 1 сердечного цикла определенно даст стимуляцию в уязвимый период.

Как связаны ток, напряжение и сопротивление

Закон Ома выглядит следующим образом:

На рисунке показаны источник напряжения и резистор.Например, сопротивление 1000 Ом, подключенное к источнику электроэнергии на 120 В, будет иметь значение

. Напряжение вызывает протекание тока ( I ) через заданное сопротивление. Несколько круговой путь тока называется цепью.

Токовый путь (-а)

Электроэнергия течет из (как минимум) одной точки в другую. Часто это происходит от одной клеммы к другой клемме источника напряжения. Соединение между выводами источника напряжения часто называют «нагрузкой».«Нагрузкой может быть что угодно, проводящее электричество, например лампочка, резистор или человек. Это показано на рисунке.

Чтобы проиллюстрировать некоторые важные моменты, эту схемную модель можно применить к автомобилю. Например, отрицательная клемма автомобильного аккумулятора подключена («заземлена») к металлическому шасси автомобиля. Положительный вывод подключается к красному кабелю, состоящему из отдельных проводов, идущих к стартеру, фарам, кондиционеру и другим устройствам. Электрический ток проходит по множеству параллельных путей: радио, стартер, свет и многие другие пути тока.Ток в каждом пути зависит от сопротивления каждого устройства. Отсоединение положительного или отрицательного полюса батареи остановит прохождение тока, хотя другое соединение не повреждено.

Применение модели к человеческому телу

На примере автомобиля легче понять, как протекает ток в человеческом теле. Человек, получивший удар электрическим током, будет иметь (как минимум) 2 точки контакта с источником напряжения, одна из которых может быть заземлением. Если либо соединение отключено, ток не будет течь.Аналогия также объясняет, как ток может проходить по множеству параллельных путей, например, через нервы, мышцы и кости предплечья. Сила тока в каждом автомобильном приборе или типе ткани зависит от сопротивления каждого компонента.

Рисунок развивает модель еще дальше. Он показывает аккумулятор и фары на велосипеде. Ржавые контакты на положительной и отрицательной клеммах аккумуляторной батареи. Общее сопротивление, через которое напряжение должно протекать током, равно сопротивлению двух ржавых контактов в дополнение к сопротивлению фар. Чем больше сопротивление, тем меньше ток . Ржавое соединение аналогично сопротивлению кожи, а фара аналогична внутреннему сопротивлению кузова. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи .

Ржавые контакты добавляют сопротивление току. Фары аналогичны внутреннему сопротивлению кузова, а ржавые соединения аналогичны сопротивлению кожи. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи.

На рисунке изображен человек, подключенный к источнику напряжения. Есть соединения с левой рукой и левой ногой. «Общее сопротивление тела» человека складывается из очень низкого (приблизительно 300 Ом) внутреннего сопротивления тела плюс 2 сопротивления при контакте с кожей. Сопротивление контакта с кожей обычно составляет от 1000 до 100000 Ом, в зависимости от площади контакта, влажности, состояния кожи и других факторов. Таким образом, кожа обеспечивает большую часть защиты тела от электрического тока.

Схема человека, подключенного к источнику напряжения.

Высоковольтный контакт

Высоковольтные (≥600 В) контакты иногда кажутся парадоксальными. Птица удобно сидит на высоковольтной линии электропередачи. Но человек в рабочих ботинках, стоящий рядом с грузовиком, погибает при прикосновении к его стороне, потому что приподнятое навесное оборудование грузовика касалось линии электропередачи. Высокое напряжение разрушает электрические изоляторы, включая краску, кожу и большую часть обуви и перчаток. Специальная обувь, перчатки и инструменты считаются защитными при определенных уровнях напряжения.Эти элементы необходимо периодически проверять на наличие (иногда точного размера) разрывов изоляции. Изоляция может оказаться неэффективной, если на поверхности предмета есть влага или загрязнения.

Как отмечалось выше, для протекания тока требуется 2 или более точек контакта, находящихся под разным напряжением. Многие электрические системы подключены («заземлены») к земле. Опорные конструкции часто бывают металлическими, а также физически находятся в земле.

Рабочий был электрически подключен к линии электропередачи через металлические части своего грузовика.Высокое напряжение (7200 В) было достаточно высоким, чтобы пройти через краску на грузовике и его обуви. Птица не находилась достаточно близко к земле или чему-либо еще, чтобы замкнуть цепь на землю. Есть птицы с большим размахом крыльев, которые действительно получают удар током, когда перекрывают разрыв между проводами и конструкциями, находящимися под разным напряжением.

ЧАСТЬ B: ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Шаговый и контактный потенциалы

Земля (земля) под нашими ногами обычно находится под напряжением 0 В.Линии электропередач и радиоантенны заземляют путем соединения их с металлическими стержнями, вбитыми в землю. Если человек идет босиком по земле с расставленными ногами, между двумя ступнями должно быть напряжение 0 В. Это нормальное состояние нарушается, если проводник высоковольтной линии электропередачи достигает земли или если молния ударяет по земле.

Напряжение от воздушных линий электропередачи может достигать земли несколькими способами. Линия может порваться или отсоединиться от своих изолированных опор и вступить в контакт с самой землей или с конструкциями, которые сами связаны с землей.Опорные провода (растяжки) могут отсоединяться от своих соединений у земли и становиться под напряжением, когда они соприкасаются с линией электропередачи. В этом случае растяжка под напряжением находится под высоким напряжением. Если растяжка контактирует с землей, напряжение на земле в точке контакта и вокруг нее больше не равно 0 В.

Когда провод под напряжением контактирует с землей напрямую или через проводник, это называется замыканием на землю. Уменьшение напряжения с расстоянием от точки контакта с землей объекта под напряжением называется градиентом потенциала земли .Падения напряжения, связанные с этим рассеянием напряжения, называются потенциалами земли.

На рисунке показана типичная кривая распределения градиента напряжения. Этот график показывает, что напряжение уменьшается с увеличением расстояния от заземляющего объекта. Слева от заземленного объекта, находящегося под напряжением, есть разница напряжений между двумя ногами человека, называемая ступенчатым потенциалом. Справа есть разница напряжений между рукой человека и двумя ногами, называемая потенциалом прикосновения.Также существует ступенчатый потенциал между двумя ногами человека справа. (Рисунок и этот раздел являются модификациями части правил OSHA [Standards-29 CFR].)

Ступенчатые и сенсорные потенциалы. Фактические цифры могут варьироваться в зависимости от типа почвы и влажности, а также других факторов.

Мгновенное горение, нагрев электрическим током или и то и другое

Дуги высокого напряжения связаны с прохождением электричества по воздуху. В некоторых случаях дуга не касается человека. В этой ситуации от тепла дуги могут возникнуть серьезные ожоги (мгновенный ожог).Также возможны ожоги от горящей одежды и других веществ. Ожоги также могут быть вызваны прикосновением к предметам, которые термически горячие, но не находятся под напряжением.

Дуги высокой энергии могут вызывать взрывные ударные волны. ⁵ Сила тупой травмы, которая может вызвать ушиб человека, разрыв барабанных перепонок и ушиб внутренних органов.

Если электрическая дуга или провод под напряжением соприкасается с человеком и через него проходит электричество, может возникнуть травма из-за электрического тока, протекающего через тело, в дополнение к механизмам травмы, упомянутым выше.

Клинически важно определить, повлекло ли высоковольтное повреждение электрический ток, протекающий через тело. Ток, протекающий через тело из-за высокого напряжения, может привести к возникновению условий, за которыми необходимо следить с течением времени. Эти состояния включают миоглобинурию, коагулопатию и компартмент-синдромы. Несколько клинических и связанных с электрическим контактом проблем могут помочь определить, протекал ли ток через тело. Во-первых, для протекания электрического тока через тело требуется как минимум 2 точки контакта.При высоком напряжении это обычно ожоги на всю толщину. Они могут быть размером с булавочную головку, а иногда их может быть несколько из-за искрения. Если проводник, например кусок проволоки, соприкоснулся с кожей, это может привести к ожогу из-за формы соприкасающегося объекта.

Горение от вспышки при отсутствии тока через тело, напротив, имеет тенденцию быть диффузным и относительно однородным. Мгновенные ожоги на иногда на меньше полной толщины, тогда как ожоги от высоковольтных контактов будут на всю толщину.

Так называемые входные и выходные раны

Часто бывает всего 2 контактных ожога, которые обычно называют входными и выходными ранами.Эти термины относятся к тому факту, что электрический ток исходит от источника напряжения, входит в тело в одной точке, протекает через тело в другую точку контакта, где он выходит из тела и возвращается к источнику напряжения (или земле). Эта терминология несколько сбивает с толку, если учесть, что переменный ток меняет направление много раз в секунду. Терминология также может вводить в заблуждение, потому что она напоминает пулевые ранения, которые иногда имеют небольшие входные и более крупные выходные ранения. При поражении электрическим током размер раны будет зависеть от таких факторов, как размер и форма проводника, геометрия пораженной части тела и влажность.Аналогия с огнестрельными ранениями также вводит в заблуждение, поскольку не всегда имеется выходное ранение от пули, потому что пуля остается застрявшей в человеке. Таким образом, 2 отдельных ожога третьей степени предполагают протекание тока через тело. Диффузный ожог неполной толщины не предполагает протекания тока через тело.

Помимо особенностей, связанных с контактом, существуют клинические признаки, которые могут помочь определить, был ли ток через глубокие ткани. Например, можно ожидать, что высоковольтный контакт с рукой, связанный с током, протекающим в руку, будет вызывать твердость и нежность предплечья.При пассивных и активных движениях пальцев может возникнуть боль, а в руке может возникнуть сенсорная недостаточность.

Молния

Молния обычно сверкает над поверхностью тела, что приводит к удивительно небольшим повреждениям у некоторых людей. Влажная кожа и очень короткие электрические импульсы побуждают электрический ток проходить по поверхности тела. Тем не менее, молния иногда травмирует людей из-за протекания тока в теле, тупой механической силы, эффекта взрыва, который может разорвать барабанные перепонки и ушибить внутренние органы, а также интенсивный свет, который может привести к катаракте.

Контакт с проводниками

Низкое напряжение (

<600 В)

Влияние ударов низкого напряжения указано в таблице. Приведенные текущие уровни зависят от конкретного пути тока, продолжительности контакта, веса, роста и телосложения человека (особенно мускулатуры и костных структур) и других факторов. Эффекты, которые возникают в каждом конкретном случае, сильно зависят от нескольких факторов, связанных с тем, как осуществляется контакт с источником электричества. Эти факторы включают в себя путь тока, влажность, отсутствие возможности отпустить и размер областей контакта.

Путь тока

Если путь тока проходит через грудную клетку, непрерывные тетанические сокращения мышц грудной стенки могут привести к остановке дыхания. Далзил, ⁶ , проводивший измерения на людях, сообщает, что токи, превышающие 18 мА, стимулируют грудные мышцы, так что дыхание останавливается во время шока.

Другой эффект, который возникает при трансторакальном пути тока, — это фибрилляция желудочков. Трансторакальные пути тока включают руку в руку, руку к ноге и от передней части груди до задней части груди.Эксперименты на животных показали, что порог фибрилляции желудочков обратно пропорционален квадратному корню из продолжительности тока.

Явление отпускания при низком (

<600 В) контакте

Фактором, который имеет большое значение для травм, полученных при низковольтном разряде, является неспособность отпустить. Сила тока в руке, которая заставляет руку непроизвольно сжимать ее, называется отпускающим током. ⁷ Если, например, пальцы человека обхватить большой кабель или ручку пылесоса под напряжением, большинство взрослых смогут отпустить его с током менее 6 мА.При 22 мА более 99% взрослых не смогут отпустить. Боль, связанная с отпусканием тока, настолько сильна, что молодые мотивированные добровольцы могли терпеть ее всего несколько секунд. ⁷ При прохождении тока в предплечье стимулируются мышцы сгибания и разгибания. Однако сгибательные мышцы сильнее, и человек не может добровольно расслабиться. Практически во всех случаях неспособности отпускать руки используется переменный ток. Переменный ток многократно стимулирует нервы и мышцы, что приводит к тетаническому (устойчивому) сокращению, которое длится до тех пор, пока продолжается контакт.Если это приводит к тому, что субъект ужесточает хватку за проводник, результатом является продолжение электрического тока через человека и снижение контактного сопротивления. ⁸

При переменном токе возникает ощущение поражения электрическим током, пока сохраняется контакт. Напротив, с постоянным током возникает только ощущение шока, когда цепь замкнута или разорвана. Пока контакт поддерживается, ощущения шока не возникает. Ниже 300 мА постоянного тока (среднеквадратичное значение) явление отпускания отсутствует, потому что рука не зажата непроизвольно.Когда ток проходит через руку, возникает ощущение тепла. Замыкание или разрыв цепи приводит к болезненным неприятным ударам. При токе более 300 мА отпускание может быть невозможно. ⁴ Порог фибрилляции желудочков для разряда постоянного тока длительностью более 2 секунд составляет 150 мА по сравнению с 50 мА для разряда 60 Гц; для разрядов короче 0,2 секунды порог такой же, как и для разрядов 60 Гц, то есть примерно 500 мА. ⁴

Мощность обогрева также увеличивается, когда человек не может отпустить.Это связано с тем, что плотный захват увеличивает площадь кожи, эффективно контактирующую с проводниками. Кроме того, со временем между кожей и проводниками накапливается высокопроводящий пот. Оба эти фактора снижают контактное сопротивление, что увеличивает протекающий ток. Кроме того, нагревание сильнее, потому что продолжительность контакта часто составляет несколько минут по сравнению с долей секунды, необходимой для того, чтобы отказаться от болезненного раздражителя.

Неспособность отпустить приводит к увеличению тока в течение более длительного периода времени.Это увеличит повреждение из-за нагрева мышц и нервов. Также будет усиление боли и частота остановки дыхания и сердца. Также может быть вывих плеча с травмой связок и сухожилий, а также переломы костей в области плеч.

Явление отпускания для высокого (> 600 В) контакта

Несколько разных результатов могут произойти, когда человек схватится за провод, подающий из рук в руки напряжение 10 кВ переменного тока. Такой контакт занимает более 0,5 секунды, прежде чем большая часть клеток дистального отдела предплечья подвергнется тепловому повреждению.Однако в течение 10–100 миллисекунд мышцы на пути тока сильно сократятся. Человека можно стимулировать, чтобы он сильнее сжимал провод, создавая более сильный механический контакт. Или человека может оттолкнуть от контакта. Какое из этих событий произойдет, зависит от положения руки относительно проводника. Большинство очевидцев сообщают, что жертвы отталкиваются от проводника, возможно, из-за общих мышечных сокращений. В таких случаях время контакта оценивается примерно в 100 миллисекунд или меньше. ^{9 (стр. 57)}

Контакт с погружением: утопление электрическим током

Клинические проблемы

Утопление или близкое к утоплению может быть результатом попадания электричества в воду. Состояния, требующие лечения почти утопления, вызванного электричеством, в основном такие же, как и условия, связанные с неэлектрическим утоплением. Эти состояния включают повышение миоглобина, которое может привести к почечной недостаточности (обнаруживаемой по повышению креатинкиназы [КФК] и исследованию мочи), респираторному дистресс-синдрому у взрослых, гипотермии, гипоксии, электролитным нарушениям и аритмиям, которые включают желудочковую тахикардию и фибрилляцию желудочков.Считается, что уровни креатинкиназы и миоглобина в неэлектрических случаях утопления связаны с жестокой борьбой, а также иногда с длительной гипоксией и электролитным дисбалансом. Электричество в воде может стимулировать мышцы достаточно сильно, чтобы вызвать у человека сильную мышечную боль во время и после того, как он или она почти утонул. Это еще больше увеличит уровни КФК и миоглобина по сравнению с теми, которые могут возникнуть в результате неэлектрического воздействия на стол, близкий к утоплению. Уровень креатинкиназы иногда повышается в течение дня или более под влиянием проводимого лечения, продолжающейся гипоксии или гипотонии и других состояний, которые могут повлиять на продолжающийся некроз тканей.

Таблица 3

Почему погружение в воду при очень низких напряжениях может быть фатальным

1	Погружение очень эффективно увлажняет кожу и значительно снижает сопротивление кожи на единицу площади
2	Площадь контакта большой процент площади всей поверхности тела
3	Электрический ток также может проникать в организм через слизистые оболочки, такие как рот и горло.
4	Человеческое тело очень чувствительно к электричеству.Очень небольшое количество тока может вызвать потерю способности плавать, остановку дыхания и остановку сердца.

Воздействие электрического тока

Многие определения воздействия электрического тока на людей были сделаны Далзилом. ¹⁰ Для любого эффекта, такого как столбнячные мышечные сокращения, существует ряд текущих уровней, которые вызывают эффект в зависимости от индивидуальных особенностей субъектов. Например, ток, необходимый для возникновения тетанических сокращений мышц предплечья («отпускающий» ток), может составлять от 6 до 24 мА (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) в зависимости от пациента.Следовательно, текущие уровни, перечисленные в публикациях, могут быть максимальными, средними или минимальными уровнями, в зависимости от обсуждаемых вопросов. С точки зрения безопасности часто подходят значения, близкие к минимальным.

Как указано в таблице, Dalziel ⁷ обнаружил, что 10 мА может вызывать тетанические сокращения мышц и, следовательно, потерю мышечного контроля. Кроме того, Smoot and Bentel ¹² обнаружили, что 10 мА тока было достаточно, чтобы вызвать потерю мышечного контроля в воде. Они проводили измерения в соленой воде и не сообщали о приложенных напряжениях.

Таблица 4

Механизмы смерти при утоплении электрическим током

Механизм	Необходимый ток, мА	Необходимое напряжение, В переменного тока
Электрическая стимуляция сердца, вызывающего фибрилляцию желудочков	100	30
Тетаническое сокращение (эффективный паралич) мышц дыхания	20	6
Потеря мышечного контроля конечностей: 16 мА для среднего человека 1	16	4 .8
Потеря мышечного контроля конечностей: всего 10 мА для наиболее чувствительных женщин 7 , 11	10	3

Общее сопротивление тела в воде

Общее с учетом мер безопасности сопротивление тела от руки к ноге в воде считается равным 300 Ом. ^{13 — 15} Smoot ^{11 , 16} измерили полное сопротивление тела 400 Ом при погружении.Во многом это связано с внутренним сопротивлением тела. Таким образом, погружение устраняет большую часть сопротивления кожи.

Соленая вода обладает высокой проводимостью по сравнению с человеческим телом, поэтому поражение электрическим током в соленой воде является относительно редким явлением. Это связано с тем, что большая часть электрического тока проходит по внешней стороне тела.

Если есть разница напряжений, например, между одной рукой и другой, то через тело будет протекать электрический ток. Сила тока равна напряжению, деленному на общее сопротивление тела.

Какое напряжение в воде может быть смертельным?

В таблице указаны величины тока, необходимые для возникновения фибрилляции желудочков и других смертельных состояний. Общее сопротивление тела в воде составляет 300 Ом. Таким образом, известны необходимый ток и сопротивление, которое он должен испытывать. Таким образом, можно рассчитать необходимое напряжение. Для фибрилляции желудочков расчет выглядит следующим образом:

Требуемое напряжение = Ток × Сопротивление

Для того, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков, необходимое напряжение составляет:

Напряжение = 100 мА × 300 Ом = 30 В

Рисунки для других механизмов смерти указаны в табл.

Электрический контакт, связанный с водой, часто происходит двумя способами. Эти механизмы могут происходить в ваннах, бассейнах и озерах. Первый механизм контакта заключается в том, что человек в воде выходит из воды и контактирует с токопроводящим объектом, находящимся под напряжением. Например, человек чувствует себя хорошо, сидя в ванне. Сопротивление контакта его руки с объектом под напряжением за пределами ванны может быть достаточно высоким, чтобы защитить его или ее, особенно если его или ее рука не мокрая и площадь контакта небольшая.

Второй механизм контакта включает человека в воде, находящегося в электрическом поле из-за проводника под напряжением, который находится в воде. Например, в воду падает электрический нагреватель, подключенный к тёплому проводу розетки 120 В переменного тока. Заземленный слив находится близко к плечам человека, а обогреватель — у его или ее ног. Это дает разницу напряжений 120 В переменного тока от плеч до ступней. При общем сопротивлении тела 300 Ом протекает 360 мА, что более чем в 3 раза превышает величину, необходимую для фибрилляции желудочков.

В озерах, прудах и других водоемах источник электроэнергии может генерировать ток в воде. Местоположение напряжений в воде можно измерить. В воде могут присутствовать напряжения из-за того, что корпус лодки, подключенной к береговому источнику питания, находится под напряжением. В воде также могут присутствовать напряжения из-за находящихся под напряжением проводников в воде, которые пропускают электрический ток в воду.

Может существовать электрический градиент (или поле), аналогичный описанной выше ситуации для ступенчатого и касательного потенциалов.Ситуацию сложнее проанализировать в воде, потому что человек в воде принимает разные позы и ориентации в трех измерениях (вверх, вниз и в стороны — север, юг, восток и запад). Трансторакальное напряжение и напряжение на конечностях будут меняться по мере движения человека в зависимости от ориентации (направления) электрического поля.

Измерения потери мышечного контроля в воде

Измерения, аналогичные измерениям Smoot and Bentel ¹² , были выполнены с одобрения институционального наблюдательного совета Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.Металлические пластины помещали внутрь резиновых контейнеров. Металлические пластины были плоскими на дне контейнеров. Сверху на каждую металлическую пластину помещали резиновый коврик с отверстиями. (Изолированный) провод заземления источника питания был подключен к одной пластине, а напряжение переменного тока 60 Гц от источника питания было подключено к другой пластине. Испытуемый стоял, опираясь на каждый резиновый коврик по одной ноге, как показано на рисунке. Таким образом, субъект контактировал с электрическим током в основном через воду, контактирующую с ногами через отверстия, а также через воду, контактирующую с ногами выше.Эта траектория потока между ногами имитировала ситуации рукопашного боя и рукопожатия, которые могут возникнуть у пловцов в воде. Эта установка сводила к минимуму ток через грудную клетку. В исследовании участвовал всего 1 предмет.

Установка для измерения напряжения и тока в воде.

Свежая (не соленая) вода с проводимостью 320 мкм / см наполняла каждое ведро до уровня около бедра. Было обнаружено, что электрически индуцированные сокращения мышц сильно меняются положением ног в воде.

Первоначальные испытания показали, что при 3,05 В (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) между пластинами протекал ток 8,65 мА, что приводило к непроизвольному сгибанию колена на 90 °. Это сгибание нельзя было преодолеть произвольным усилием. Колено можно было произвольно сгибать дальше, но оно не выпрямлялось больше, чем на 90 °. Непроизвольное резкое сгибание произошло, когда нога была поднята (сгибанием бедра) так, чтобы бедро было горизонтальным, а колено находилось на уровне воды. Это похоже на ситуацию во время плавания.Мышечный контроль постепенно восстанавливался, когда ступня опускалась на дно ведра (путем разгибания бедра в нейтральное положение) и нога становилась вертикальной. Общее сопротивление корпуса рассчитывается следующим образом:

При 4,05 В протекает ток 12,6 мА. Колено было согнуто на 135 °, то есть пятка находилась рядом с ягодицами. Это нельзя было преодолеть добровольными усилиями. Опять же, это произошло, когда нога была поднята так, чтобы колено находилось на уровне воды, аналогично ситуации, когда кто-то плывет.Меньшее нарушение мышечного контроля было отмечено в других положениях ног. Контроль над мышцами постепенно восстанавливается, когда ступня опускается на дно ведра и нога становится вертикальной. Сопротивление составит 4,05 В / 12,6 мА = 332 Ом.

Текущие уровни, измеренные в этих экспериментах, согласуются с уровнями, о которых сообщают Dalziel, ⁷ Smoot, ¹¹ и NIOSH, ¹ , как указано в таблицах и. Общее сопротивление системы (вода плюс предмет) близко к 300 Ом, что часто упоминается в литературе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему произошли конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

Благодарности

Авторы благодарят Энди Фиша за иллюстрации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Национальный институт охраны труда.Смерть рабочих от удара током. Публикация NIOSH № 98-131. 2009 г. Доступно по адресу: http://www.cdc.gov/niosh/docs/98-131/overview.html. Проверено 20 марта. [Google Scholar] 2. Рыба Р. М., Геддес Л. А.. Электрофизиология всплесков тока подключения. Cardiovasc Eng. 2008. 8 (4): 219–24. [PubMed] [Google Scholar] 3. Гримнес С. Диэлектрический пробой кожи человека in vivo. Med Biol Eng Comp. 1983; 21: 379–81. [PubMed] [Google Scholar] 4. Бернштейн Т. Расследование предполагаемых случаев поражения электрическим током и возгораний, вызванных внутренним напряжением.IEEE Ind Appl. 1989. 25 (4): 664–8. [Google Scholar] 5. Капелли-Шеллпфеффер М, Ли RC, Тонер М, Диллер КР. Документ представлен на конференции IEEE PCIC. Филадельфия, Пенсильвания: 1996. Взаимосвязь между параметрами аварии и травмы. 23–25 сентября. [Google Scholar] 6. Далзил CF. Опасность поражения электрическим током. IEEE Spectr. 1972; 9 (2): 41–50. [Google Scholar] 7. Далзил CF. Воздействие электрического шока на человека. ИРЭ Транс Мед Электрон. 1956: 44–62. PGME-5. [Google Scholar] 8. Рыба РМ. Феномен отпускания. В: Рыба Р.М., Геддес Л.А., редакторы.Электрическая травма: медицинские и биоинженерные аспекты. Тусон, Аризона: Издательство юристов и судей; 2009. глава 2. [Google Scholar] 9. Ли Р. К., Кравальо Э. Г., Берк Дж. Ф., редакторы. Электрическая травма. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета; 1992. [Google Scholar] 10. Далзил Чарльз Ф., Ли В. Р. Переоценка смертельных электрических токов. IEEE Trans Indus Gen Appl. 1968; ИГА-4 (5): 467–476. D.O.I.10.1109 / TIGA.1968.4180929. [Google Scholar] 11. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна.IEEE Trans Power Apparat Sys. 1964. 83 (9): 945–964. [Google Scholar] 12. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна. Нью-Йорк. При поддержке Underwriter’s Laboratories Inc. Доклад представлен на: Зимнем совещании по энергетике IEEE; Февраль 1964 г .; Нью-Йорк (раздел на страницах 4 и 5) [Google Scholar] 13. ВМС США. Серия учебных курсов по электричеству и электронике для ВМФ. Модуль 1 — Введение в материю, энергию и постоянный ток. Иногородний учебный курс. Пенсакола, штат Флорида: Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения; 1998 г.С. 3–108. Доступно по адресу: www.hnsa.org/doc/neets/mod01.pdf. По состоянию на 26 марта 2009 г. [Google Scholar] 14. Управление военно-морского флота, канцелярия начальника военно-морских операций. Руководство по программе безопасности и гигиены труда ВМС США для сил на плаву. Том III. Вашингтон, округ Колумбия: военно-морское управление, канцелярия начальника военно-морских операций; 2007. С. D5–9. Доступно по адресу: http // doni.daps.dla.mil / Directive / 05000% 20General% 20Management% 20Security% 20and% 20Safety% 20Services / 05-100% 20Safety% 20and% 20Occupational% 20Health% 20Services / 5100.19E% 20-% 20Volume% 20III.pdf. [Google Scholar] 15. Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики. Паразитные напряжения — проблемы, анализ и смягчение последствий [окончательный вариант] Форест-Парк, штат Джорджия: Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики; 2001. С. 5–28. Проект NEETRAC № 00-092. [Google Scholar] 16. Smoot AW. Заседание панели по импедансу кузова В. В: Бриджес Ю.Э., Форд Г.Л., Шерман И.А., Вайнберг М., редакторы. Материалы Первого международного симпозиума по критериям защиты от поражения электрическим током.Нью-Йорк: Пергамон; 1985. с. 235. [Google Scholar]

Проведение электрического тока через человеческое тело: обзор

Эпластика. 2009; 9: e44.

Опубликовано в Интернете 12 октября 2009 г.

, PhD, MD, FACEP ^a и, MS, PhD, DSc ^b

Raymond M. Fish

^a Исследовательская лаборатория биоакустики и отделение хирургии Университета Иллинойс, Урбана-Шампейн,

Лесли А. Геддес

^b Школа биомедицинской инженерии Уэлдона, Университет Пердью, У-Лафайет, штат Индиана

^a Лаборатория биоакустических исследований и отделение хирургии, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн,

^b Школа биомедицинской инженерии Велдона, Университет Пердью, W Lafayette, Ind

Это статья открытого доступа, в которой авторы сохраняют авторские права на работу.Статья распространяется под лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Цель: Цель этой статьи — объяснить, каким образом электрический ток проходит через тело человека и как это влияет на характер травм. Методы: Эта междисциплинарная тема объясняется путем первого обзора электрических и патофизиологических принципов.Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Также обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен расслабления, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током. После обзора основных принципов обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий.Темы, связанные с высоковольтными ожогами, включают замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатый и контактный потенциалы, дуги и молнии. Результат: Практикующий врач будет лучше понимать электрические механизмы повреждения и их ожидаемые клинические эффекты. Выводы: Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему происходят конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

В этой статье объясняется, каким образом электрический ток проходит через человеческое тело и как это влияет на характер травм. Эта междисциплинарная тема объясняется в части A путем сначала обзора электрических и патофизиологических принципов, а затем в части B путем рассмотрения конкретных типов несчастных случаев. Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен отпускания, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током.После обзора основных принципов в части B обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий. К темам, связанным с высоковольтными ожогами, относятся замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатые потенциалы и потенциалы прикосновения, дуги и молнии. . Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь понять, как и почему происходят определенные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

ЧАСТЬ A: ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И КАК ЭТО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ТЕЛОМ ЧЕЛОВЕКА

Поражение электрическим током определяется как внезапная резкая реакция на электрический ток, протекающий через любую часть тела человека. Удар электрическим током — смерть от поражения электрическим током. Первичное поражение электрическим током — повреждение тканей, вызванное прямым воздействием электрического тока или напряжения. Вторичные травмы, такие как падения, являются обычным явлением. Если не указано иное, эта статья относится к токам и напряжениям 60 (или 50) Гц переменного тока (среднеквадратичное значение). Кроме того, под сопротивлением мы на самом деле подразумеваем величину импеданса. Высокое напряжение относится к среднеквадратичному значению переменного тока 600 В или более.

Очень небольшое количество электрического тока приводит к серьезным физиологическим эффектам.

Ток означает количество электричества (электронов или ионов), протекающего в секунду.Ток измеряется в амперах или миллиамперах (1 мА = 1/1000 ампера). Количество электрического тока, протекающего через тело, определяет различные эффекты поражения электрическим током. Как указано в таблице, различные величины тока вызывают определенные эффекты. Большинство эффектов, связанных с током, возникает в результате нагревания тканей и стимуляции мышц и нервов. Стимуляция нервов и мышц может привести к проблемам, начиная от падения из-за отдачи от боли до остановки дыхания или сердца. Чтобы вызвать физиологические эффекты, требуется относительно небольшой ток.Как показано в таблице, для отключения автоматического выключателя на 20 А требуется в тысячу раз больше тока, чем для остановки дыхания.

Таблица 1

Расчетное влияние переменного тока 60 Гц ^*

1 мА	Едва заметное
16 мА	Максимальный ток, который средний человек может схватить и «отпустить»
20 мА	Паралич дыхательных мышц
100 мА	Порог фибрилляции желудочков
2 A	Остановка сердца и повреждение внутренних органов
15/20 A	Общий предохранитель размыкает цепь †

Сопротивление кожи защищает тело от электричества

Тело имеет сопротивление току.Более 99% сопротивления тела прохождению электрического тока приходится на кожу. Сопротивление измеряется в Ом. Мозолистая, сухая рука может иметь сопротивление более 100000 Ом из-за толстого внешнего слоя мертвых клеток в роговом слое. Внутреннее сопротивление тела составляет около 300 Ом по отношению к влажным, относительно соленым тканям под кожей. Сопротивление кожи можно эффективно обойти, если есть повреждение кожи от высокого напряжения, порез, глубокое истирание или погружение в воду (таблица). Кожа действует как электрическое устройство, такое как конденсатор, в том смысле, что пропускает больший ток, если напряжение быстро меняется.Быстро меняющееся напряжение будет приложено к ладони и пальцам руки, если он держит металлический инструмент, который внезапно касается источника напряжения. Этот тип контакта даст намного большую амплитуду тока в теле, чем это могло бы произойти в противном случае. ²

Таблица 2

Способы значительного снижения защитного сопротивления кожи

•	Существенные физические повреждения кожи: порезы, ссадины, ожоги
•	Разрушение кожи при напряжении 500 В или более
•	Быстрое приложение напряжения к участку кожи
•	Погружение в воду

Напряжение

Напряжение можно рассматривать как силу, проталкивающую электрический ток через тело .В зависимости от сопротивления будет течь определенный ток при любом заданном напряжении. Именно ток определяет физиологические эффекты . Тем не менее, напряжение действительно влияет на результат поражения электрическим током несколькими способами, как описано ниже.

Разрыв кожи

При напряжении 500 В или более высокое сопротивление внешнего слоя кожи выходит из строя. ³ Это значительно снижает сопротивление тела току. В результате увеличивается сила тока, протекающего при любом заданном напряжении.Области разрыва кожи иногда представляют собой раны размером с булавочную головку, которые легко не заметить. Они часто являются признаком того, что в тело может проникнуть большой ток. Можно ожидать, что этот ток приведет к повреждению глубоких тканей мышц, нервов и других структур. Это одна из причин, по которой при высоковольтных повреждениях часто возникают серьезные повреждения глубоких тканей, а не ожоги кожи.

Электропорация

Электропорация (повреждение клеточной мембраны) происходит из-за приложения большого напряжения к длине ткани.Это могло произойти при 20 000 В из рук в руки. Электропорация также может происходить при напряжении 120 В, когда конец шнура питания находится во рту ребенка. В этой ситуации напряжение невелико, но вольт на дюйм ткани такое же, как и в случае, когда высокое напряжение прикладывается от руки к руке или с головы до ног. В результате электропорации даже кратковременный контакт может привести к серьезным травмам мышц и других тканей. Электропорация — еще одна причина возникновения глубоких повреждений тканей.

Нагрев

При прочих равных, тепловая энергия, передаваемая тканям, пропорциональна квадрату напряжения (увеличение напряжения в 10 раз увеличивает тепловую энергию в 100 раз).

Переменный и постоянный ток

Мембраны возбудимых тканей (например, нервных и мышечных клеток) будут передавать ток в клетки наиболее эффективно при изменении приложенного напряжения. Кожа в чем-то похожа тем, что пропускает больше тока при изменении напряжения. Следовательно, при переменном токе происходит непрерывное изменение напряжения с 60 циклами изменения напряжения в секунду. При использовании переменного тока, если уровень тока достаточно высок, будет ощущение удара электрическим током, пока сохраняется контакт.Если есть достаточный ток, клетки скелетных мышц будут стимулироваться настолько быстро, насколько они могут ответить. Эта скорость меньше 60 раз в секунду. Это вызовет тетаническое сокращение мышц, что приведет к потере произвольного контроля над мышечными движениями. Клетки сердечной мышцы будут получать 60 стимуляций в секунду. Если амплитуда тока достаточная, произойдет фибрилляция желудочков. Сердце наиболее чувствительно к такой стимуляции в «уязвимый период» сердечного цикла, который происходит во время большей части зубца T.

Напротив, при постоянном токе ощущение шока возникает только тогда, когда цепь замкнута или разорвана, если только напряжение не относительно высокое. ⁴ Даже если амплитуда тока велика, это может не произойти в уязвимый период сердечного цикла. При переменном токе длительность разряда более 1 сердечного цикла определенно даст стимуляцию в уязвимый период.

Как связаны ток, напряжение и сопротивление

Закон Ома выглядит следующим образом:

На рисунке показаны источник напряжения и резистор.Например, сопротивление 1000 Ом, подключенное к источнику электроэнергии на 120 В, будет иметь значение

. Напряжение вызывает протекание тока ( I ) через заданное сопротивление. Несколько круговой путь тока называется цепью.

Токовый путь (-а)

Электроэнергия течет из (как минимум) одной точки в другую. Часто это происходит от одной клеммы к другой клемме источника напряжения. Соединение между выводами источника напряжения часто называют «нагрузкой».«Нагрузкой может быть что угодно, проводящее электричество, например лампочка, резистор или человек. Это показано на рисунке.

Чтобы проиллюстрировать некоторые важные моменты, эту схемную модель можно применить к автомобилю. Например, отрицательная клемма автомобильного аккумулятора подключена («заземлена») к металлическому шасси автомобиля. Положительный вывод подключается к красному кабелю, состоящему из отдельных проводов, идущих к стартеру, фарам, кондиционеру и другим устройствам. Электрический ток проходит по множеству параллельных путей: радио, стартер, свет и многие другие пути тока.Ток в каждом пути зависит от сопротивления каждого устройства. Отсоединение положительного или отрицательного полюса батареи остановит прохождение тока, хотя другое соединение не повреждено.

Применение модели к человеческому телу

На примере автомобиля легче понять, как протекает ток в человеческом теле. Человек, получивший удар электрическим током, будет иметь (как минимум) 2 точки контакта с источником напряжения, одна из которых может быть заземлением. Если либо соединение отключено, ток не будет течь.Аналогия также объясняет, как ток может проходить по множеству параллельных путей, например, через нервы, мышцы и кости предплечья. Сила тока в каждом автомобильном приборе или типе ткани зависит от сопротивления каждого компонента.

Рисунок развивает модель еще дальше. Он показывает аккумулятор и фары на велосипеде. Ржавые контакты на положительной и отрицательной клеммах аккумуляторной батареи. Общее сопротивление, через которое напряжение должно протекать током, равно сопротивлению двух ржавых контактов в дополнение к сопротивлению фар. Чем больше сопротивление, тем меньше ток . Ржавое соединение аналогично сопротивлению кожи, а фара аналогична внутреннему сопротивлению кузова. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи .

Ржавые контакты добавляют сопротивление току. Фары аналогичны внутреннему сопротивлению кузова, а ржавые соединения аналогичны сопротивлению кожи. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи.

На рисунке изображен человек, подключенный к источнику напряжения. Есть соединения с левой рукой и левой ногой. «Общее сопротивление тела» человека складывается из очень низкого (приблизительно 300 Ом) внутреннего сопротивления тела плюс 2 сопротивления при контакте с кожей. Сопротивление контакта с кожей обычно составляет от 1000 до 100000 Ом, в зависимости от площади контакта, влажности, состояния кожи и других факторов. Таким образом, кожа обеспечивает большую часть защиты тела от электрического тока.

Схема человека, подключенного к источнику напряжения.

Высоковольтный контакт

Высоковольтные (≥600 В) контакты иногда кажутся парадоксальными. Птица удобно сидит на высоковольтной линии электропередачи. Но человек в рабочих ботинках, стоящий рядом с грузовиком, погибает при прикосновении к его стороне, потому что приподнятое навесное оборудование грузовика касалось линии электропередачи. Высокое напряжение разрушает электрические изоляторы, включая краску, кожу и большую часть обуви и перчаток. Специальная обувь, перчатки и инструменты считаются защитными при определенных уровнях напряжения.Эти элементы необходимо периодически проверять на наличие (иногда точного размера) разрывов изоляции. Изоляция может оказаться неэффективной, если на поверхности предмета есть влага или загрязнения.

Как отмечалось выше, для протекания тока требуется 2 или более точек контакта, находящихся под разным напряжением. Многие электрические системы подключены («заземлены») к земле. Опорные конструкции часто бывают металлическими, а также физически находятся в земле.

Рабочий был электрически подключен к линии электропередачи через металлические части своего грузовика.Высокое напряжение (7200 В) было достаточно высоким, чтобы пройти через краску на грузовике и его обуви. Птица не находилась достаточно близко к земле или чему-либо еще, чтобы замкнуть цепь на землю. Есть птицы с большим размахом крыльев, которые действительно получают удар током, когда перекрывают разрыв между проводами и конструкциями, находящимися под разным напряжением.

ЧАСТЬ B: ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Шаговый и контактный потенциалы

Земля (земля) под нашими ногами обычно находится под напряжением 0 В.Линии электропередач и радиоантенны заземляют путем соединения их с металлическими стержнями, вбитыми в землю. Если человек идет босиком по земле с расставленными ногами, между двумя ступнями должно быть напряжение 0 В. Это нормальное состояние нарушается, если проводник высоковольтной линии электропередачи достигает земли или если молния ударяет по земле.

Напряжение от воздушных линий электропередачи может достигать земли несколькими способами. Линия может порваться или отсоединиться от своих изолированных опор и вступить в контакт с самой землей или с конструкциями, которые сами связаны с землей.Опорные провода (растяжки) могут отсоединяться от своих соединений у земли и становиться под напряжением, когда они соприкасаются с линией электропередачи. В этом случае растяжка под напряжением находится под высоким напряжением. Если растяжка контактирует с землей, напряжение на земле в точке контакта и вокруг нее больше не равно 0 В.

Когда провод под напряжением контактирует с землей напрямую или через проводник, это называется замыканием на землю. Уменьшение напряжения с расстоянием от точки контакта с землей объекта под напряжением называется градиентом потенциала земли .Падения напряжения, связанные с этим рассеянием напряжения, называются потенциалами земли.

На рисунке показана типичная кривая распределения градиента напряжения. Этот график показывает, что напряжение уменьшается с увеличением расстояния от заземляющего объекта. Слева от заземленного объекта, находящегося под напряжением, есть разница напряжений между двумя ногами человека, называемая ступенчатым потенциалом. Справа есть разница напряжений между рукой человека и двумя ногами, называемая потенциалом прикосновения.Также существует ступенчатый потенциал между двумя ногами человека справа. (Рисунок и этот раздел являются модификациями части правил OSHA [Standards-29 CFR].)

Ступенчатые и сенсорные потенциалы. Фактические цифры могут варьироваться в зависимости от типа почвы и влажности, а также других факторов.

Мгновенное горение, нагрев электрическим током или и то и другое

Дуги высокого напряжения связаны с прохождением электричества по воздуху. В некоторых случаях дуга не касается человека. В этой ситуации от тепла дуги могут возникнуть серьезные ожоги (мгновенный ожог).Также возможны ожоги от горящей одежды и других веществ. Ожоги также могут быть вызваны прикосновением к предметам, которые термически горячие, но не находятся под напряжением.

Дуги высокой энергии могут вызывать взрывные ударные волны. ⁵ Сила тупой травмы, которая может вызвать ушиб человека, разрыв барабанных перепонок и ушиб внутренних органов.

Если электрическая дуга или провод под напряжением соприкасается с человеком и через него проходит электричество, может возникнуть травма из-за электрического тока, протекающего через тело, в дополнение к механизмам травмы, упомянутым выше.

Клинически важно определить, повлекло ли высоковольтное повреждение электрический ток, протекающий через тело. Ток, протекающий через тело из-за высокого напряжения, может привести к возникновению условий, за которыми необходимо следить с течением времени. Эти состояния включают миоглобинурию, коагулопатию и компартмент-синдромы. Несколько клинических и связанных с электрическим контактом проблем могут помочь определить, протекал ли ток через тело. Во-первых, для протекания электрического тока через тело требуется как минимум 2 точки контакта.При высоком напряжении это обычно ожоги на всю толщину. Они могут быть размером с булавочную головку, а иногда их может быть несколько из-за искрения. Если проводник, например кусок проволоки, соприкоснулся с кожей, это может привести к ожогу из-за формы соприкасающегося объекта.

Горение от вспышки при отсутствии тока через тело, напротив, имеет тенденцию быть диффузным и относительно однородным. Мгновенные ожоги на иногда на меньше полной толщины, тогда как ожоги от высоковольтных контактов будут на всю толщину.

Так называемые входные и выходные раны

Часто бывает всего 2 контактных ожога, которые обычно называют входными и выходными ранами.Эти термины относятся к тому факту, что электрический ток исходит от источника напряжения, входит в тело в одной точке, протекает через тело в другую точку контакта, где он выходит из тела и возвращается к источнику напряжения (или земле). Эта терминология несколько сбивает с толку, если учесть, что переменный ток меняет направление много раз в секунду. Терминология также может вводить в заблуждение, потому что она напоминает пулевые ранения, которые иногда имеют небольшие входные и более крупные выходные ранения. При поражении электрическим током размер раны будет зависеть от таких факторов, как размер и форма проводника, геометрия пораженной части тела и влажность.Аналогия с огнестрельными ранениями также вводит в заблуждение, поскольку не всегда имеется выходное ранение от пули, потому что пуля остается застрявшей в человеке. Таким образом, 2 отдельных ожога третьей степени предполагают протекание тока через тело. Диффузный ожог неполной толщины не предполагает протекания тока через тело.

Помимо особенностей, связанных с контактом, существуют клинические признаки, которые могут помочь определить, был ли ток через глубокие ткани. Например, можно ожидать, что высоковольтный контакт с рукой, связанный с током, протекающим в руку, будет вызывать твердость и нежность предплечья.При пассивных и активных движениях пальцев может возникнуть боль, а в руке может возникнуть сенсорная недостаточность.

Молния

Молния обычно сверкает над поверхностью тела, что приводит к удивительно небольшим повреждениям у некоторых людей. Влажная кожа и очень короткие электрические импульсы побуждают электрический ток проходить по поверхности тела. Тем не менее, молния иногда травмирует людей из-за протекания тока в теле, тупой механической силы, эффекта взрыва, который может разорвать барабанные перепонки и ушибить внутренние органы, а также интенсивный свет, который может привести к катаракте.

Контакт с проводниками

Низкое напряжение (

<600 В)

Влияние ударов низкого напряжения указано в таблице. Приведенные текущие уровни зависят от конкретного пути тока, продолжительности контакта, веса, роста и телосложения человека (особенно мускулатуры и костных структур) и других факторов. Эффекты, которые возникают в каждом конкретном случае, сильно зависят от нескольких факторов, связанных с тем, как осуществляется контакт с источником электричества. Эти факторы включают в себя путь тока, влажность, отсутствие возможности отпустить и размер областей контакта.

Путь тока

Если путь тока проходит через грудную клетку, непрерывные тетанические сокращения мышц грудной стенки могут привести к остановке дыхания. Далзил, ⁶ , проводивший измерения на людях, сообщает, что токи, превышающие 18 мА, стимулируют грудные мышцы, так что дыхание останавливается во время шока.

Другой эффект, который возникает при трансторакальном пути тока, — это фибрилляция желудочков. Трансторакальные пути тока включают руку в руку, руку к ноге и от передней части груди до задней части груди.Эксперименты на животных показали, что порог фибрилляции желудочков обратно пропорционален квадратному корню из продолжительности тока.

Явление отпускания при низком (

<600 В) контакте

Фактором, который имеет большое значение для травм, полученных при низковольтном разряде, является неспособность отпустить. Сила тока в руке, которая заставляет руку непроизвольно сжимать ее, называется отпускающим током. ⁷ Если, например, пальцы человека обхватить большой кабель или ручку пылесоса под напряжением, большинство взрослых смогут отпустить его с током менее 6 мА.При 22 мА более 99% взрослых не смогут отпустить. Боль, связанная с отпусканием тока, настолько сильна, что молодые мотивированные добровольцы могли терпеть ее всего несколько секунд. ⁷ При прохождении тока в предплечье стимулируются мышцы сгибания и разгибания. Однако сгибательные мышцы сильнее, и человек не может добровольно расслабиться. Практически во всех случаях неспособности отпускать руки используется переменный ток. Переменный ток многократно стимулирует нервы и мышцы, что приводит к тетаническому (устойчивому) сокращению, которое длится до тех пор, пока продолжается контакт.Если это приводит к тому, что субъект ужесточает хватку за проводник, результатом является продолжение электрического тока через человека и снижение контактного сопротивления. ⁸

При переменном токе возникает ощущение поражения электрическим током, пока сохраняется контакт. Напротив, с постоянным током возникает только ощущение шока, когда цепь замкнута или разорвана. Пока контакт поддерживается, ощущения шока не возникает. Ниже 300 мА постоянного тока (среднеквадратичное значение) явление отпускания отсутствует, потому что рука не зажата непроизвольно.Когда ток проходит через руку, возникает ощущение тепла. Замыкание или разрыв цепи приводит к болезненным неприятным ударам. При токе более 300 мА отпускание может быть невозможно. ⁴ Порог фибрилляции желудочков для разряда постоянного тока длительностью более 2 секунд составляет 150 мА по сравнению с 50 мА для разряда 60 Гц; для разрядов короче 0,2 секунды порог такой же, как и для разрядов 60 Гц, то есть примерно 500 мА. ⁴

Мощность обогрева также увеличивается, когда человек не может отпустить.Это связано с тем, что плотный захват увеличивает площадь кожи, эффективно контактирующую с проводниками. Кроме того, со временем между кожей и проводниками накапливается высокопроводящий пот. Оба эти фактора снижают контактное сопротивление, что увеличивает протекающий ток. Кроме того, нагревание сильнее, потому что продолжительность контакта часто составляет несколько минут по сравнению с долей секунды, необходимой для того, чтобы отказаться от болезненного раздражителя.

Неспособность отпустить приводит к увеличению тока в течение более длительного периода времени.Это увеличит повреждение из-за нагрева мышц и нервов. Также будет усиление боли и частота остановки дыхания и сердца. Также может быть вывих плеча с травмой связок и сухожилий, а также переломы костей в области плеч.

Явление отпускания для высокого (> 600 В) контакта

Несколько разных результатов могут произойти, когда человек схватится за провод, подающий из рук в руки напряжение 10 кВ переменного тока. Такой контакт занимает более 0,5 секунды, прежде чем большая часть клеток дистального отдела предплечья подвергнется тепловому повреждению.Однако в течение 10–100 миллисекунд мышцы на пути тока сильно сократятся. Человека можно стимулировать, чтобы он сильнее сжимал провод, создавая более сильный механический контакт. Или человека может оттолкнуть от контакта. Какое из этих событий произойдет, зависит от положения руки относительно проводника. Большинство очевидцев сообщают, что жертвы отталкиваются от проводника, возможно, из-за общих мышечных сокращений. В таких случаях время контакта оценивается примерно в 100 миллисекунд или меньше. ^{9 (стр. 57)}

Контакт с погружением: утопление электрическим током

Клинические проблемы

Утопление или близкое к утоплению может быть результатом попадания электричества в воду. Состояния, требующие лечения почти утопления, вызванного электричеством, в основном такие же, как и условия, связанные с неэлектрическим утоплением. Эти состояния включают повышение миоглобина, которое может привести к почечной недостаточности (обнаруживаемой по повышению креатинкиназы [КФК] и исследованию мочи), респираторному дистресс-синдрому у взрослых, гипотермии, гипоксии, электролитным нарушениям и аритмиям, которые включают желудочковую тахикардию и фибрилляцию желудочков.Считается, что уровни креатинкиназы и миоглобина в неэлектрических случаях утопления связаны с жестокой борьбой, а также иногда с длительной гипоксией и электролитным дисбалансом. Электричество в воде может стимулировать мышцы достаточно сильно, чтобы вызвать у человека сильную мышечную боль во время и после того, как он или она почти утонул. Это еще больше увеличит уровни КФК и миоглобина по сравнению с теми, которые могут возникнуть в результате неэлектрического воздействия на стол, близкий к утоплению. Уровень креатинкиназы иногда повышается в течение дня или более под влиянием проводимого лечения, продолжающейся гипоксии или гипотонии и других состояний, которые могут повлиять на продолжающийся некроз тканей.

Таблица 3

Почему погружение в воду при очень низких напряжениях может быть фатальным

1	Погружение очень эффективно увлажняет кожу и значительно снижает сопротивление кожи на единицу площади
2	Площадь контакта большой процент площади всей поверхности тела
3	Электрический ток также может проникать в организм через слизистые оболочки, такие как рот и горло.
4	Человеческое тело очень чувствительно к электричеству.Очень небольшое количество тока может вызвать потерю способности плавать, остановку дыхания и остановку сердца.

Воздействие электрического тока

Многие определения воздействия электрического тока на людей были сделаны Далзилом. ¹⁰ Для любого эффекта, такого как столбнячные мышечные сокращения, существует ряд текущих уровней, которые вызывают эффект в зависимости от индивидуальных особенностей субъектов. Например, ток, необходимый для возникновения тетанических сокращений мышц предплечья («отпускающий» ток), может составлять от 6 до 24 мА (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) в зависимости от пациента.Следовательно, текущие уровни, перечисленные в публикациях, могут быть максимальными, средними или минимальными уровнями, в зависимости от обсуждаемых вопросов. С точки зрения безопасности часто подходят значения, близкие к минимальным.

Как указано в таблице, Dalziel ⁷ обнаружил, что 10 мА может вызывать тетанические сокращения мышц и, следовательно, потерю мышечного контроля. Кроме того, Smoot and Bentel ¹² обнаружили, что 10 мА тока было достаточно, чтобы вызвать потерю мышечного контроля в воде. Они проводили измерения в соленой воде и не сообщали о приложенных напряжениях.

Таблица 4

Механизмы смерти при утоплении электрическим током

Механизм	Необходимый ток, мА	Необходимое напряжение, В переменного тока
Электрическая стимуляция сердца, вызывающего фибрилляцию желудочков	100	30
Тетаническое сокращение (эффективный паралич) мышц дыхания	20	6
Потеря мышечного контроля конечностей: 16 мА для среднего человека 1	16	4 .8
Потеря мышечного контроля конечностей: всего 10 мА для наиболее чувствительных женщин 7 , 11	10	3

Общее сопротивление тела в воде

Общее с учетом мер безопасности сопротивление тела от руки к ноге в воде считается равным 300 Ом. ^{13 — 15} Smoot ^{11 , 16} измерили полное сопротивление тела 400 Ом при погружении.Во многом это связано с внутренним сопротивлением тела. Таким образом, погружение устраняет большую часть сопротивления кожи.

Соленая вода обладает высокой проводимостью по сравнению с человеческим телом, поэтому поражение электрическим током в соленой воде является относительно редким явлением. Это связано с тем, что большая часть электрического тока проходит по внешней стороне тела.

Если есть разница напряжений, например, между одной рукой и другой, то через тело будет протекать электрический ток. Сила тока равна напряжению, деленному на общее сопротивление тела.

Какое напряжение в воде может быть смертельным?

В таблице указаны величины тока, необходимые для возникновения фибрилляции желудочков и других смертельных состояний. Общее сопротивление тела в воде составляет 300 Ом. Таким образом, известны необходимый ток и сопротивление, которое он должен испытывать. Таким образом, можно рассчитать необходимое напряжение. Для фибрилляции желудочков расчет выглядит следующим образом:

Требуемое напряжение = Ток × Сопротивление

Для того, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков, необходимое напряжение составляет:

Напряжение = 100 мА × 300 Ом = 30 В

Рисунки для других механизмов смерти указаны в табл.

Электрический контакт, связанный с водой, часто происходит двумя способами. Эти механизмы могут происходить в ваннах, бассейнах и озерах. Первый механизм контакта заключается в том, что человек в воде выходит из воды и контактирует с токопроводящим объектом, находящимся под напряжением. Например, человек чувствует себя хорошо, сидя в ванне. Сопротивление контакта его руки с объектом под напряжением за пределами ванны может быть достаточно высоким, чтобы защитить его или ее, особенно если его или ее рука не мокрая и площадь контакта небольшая.

Второй механизм контакта включает человека в воде, находящегося в электрическом поле из-за проводника под напряжением, который находится в воде. Например, в воду падает электрический нагреватель, подключенный к тёплому проводу розетки 120 В переменного тока. Заземленный слив находится близко к плечам человека, а обогреватель — у его или ее ног. Это дает разницу напряжений 120 В переменного тока от плеч до ступней. При общем сопротивлении тела 300 Ом протекает 360 мА, что более чем в 3 раза превышает величину, необходимую для фибрилляции желудочков.

В озерах, прудах и других водоемах источник электроэнергии может генерировать ток в воде. Местоположение напряжений в воде можно измерить. В воде могут присутствовать напряжения из-за того, что корпус лодки, подключенной к береговому источнику питания, находится под напряжением. В воде также могут присутствовать напряжения из-за находящихся под напряжением проводников в воде, которые пропускают электрический ток в воду.

Может существовать электрический градиент (или поле), аналогичный описанной выше ситуации для ступенчатого и касательного потенциалов.Ситуацию сложнее проанализировать в воде, потому что человек в воде принимает разные позы и ориентации в трех измерениях (вверх, вниз и в стороны — север, юг, восток и запад). Трансторакальное напряжение и напряжение на конечностях будут меняться по мере движения человека в зависимости от ориентации (направления) электрического поля.

Измерения потери мышечного контроля в воде

Измерения, аналогичные измерениям Smoot and Bentel ¹² , были выполнены с одобрения институционального наблюдательного совета Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.Металлические пластины помещали внутрь резиновых контейнеров. Металлические пластины были плоскими на дне контейнеров. Сверху на каждую металлическую пластину помещали резиновый коврик с отверстиями. (Изолированный) провод заземления источника питания был подключен к одной пластине, а напряжение переменного тока 60 Гц от источника питания было подключено к другой пластине. Испытуемый стоял, опираясь на каждый резиновый коврик по одной ноге, как показано на рисунке. Таким образом, субъект контактировал с электрическим током в основном через воду, контактирующую с ногами через отверстия, а также через воду, контактирующую с ногами выше.Эта траектория потока между ногами имитировала ситуации рукопашного боя и рукопожатия, которые могут возникнуть у пловцов в воде. Эта установка сводила к минимуму ток через грудную клетку. В исследовании участвовал всего 1 предмет.

Установка для измерения напряжения и тока в воде.

Свежая (не соленая) вода с проводимостью 320 мкм / см наполняла каждое ведро до уровня около бедра. Было обнаружено, что электрически индуцированные сокращения мышц сильно меняются положением ног в воде.

Первоначальные испытания показали, что при 3,05 В (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) между пластинами протекал ток 8,65 мА, что приводило к непроизвольному сгибанию колена на 90 °. Это сгибание нельзя было преодолеть произвольным усилием. Колено можно было произвольно сгибать дальше, но оно не выпрямлялось больше, чем на 90 °. Непроизвольное резкое сгибание произошло, когда нога была поднята (сгибанием бедра) так, чтобы бедро было горизонтальным, а колено находилось на уровне воды. Это похоже на ситуацию во время плавания.Мышечный контроль постепенно восстанавливался, когда ступня опускалась на дно ведра (путем разгибания бедра в нейтральное положение) и нога становилась вертикальной. Общее сопротивление корпуса рассчитывается следующим образом:

При 4,05 В протекает ток 12,6 мА. Колено было согнуто на 135 °, то есть пятка находилась рядом с ягодицами. Это нельзя было преодолеть добровольными усилиями. Опять же, это произошло, когда нога была поднята так, чтобы колено находилось на уровне воды, аналогично ситуации, когда кто-то плывет.Меньшее нарушение мышечного контроля было отмечено в других положениях ног. Контроль над мышцами постепенно восстанавливается, когда ступня опускается на дно ведра и нога становится вертикальной. Сопротивление составит 4,05 В / 12,6 мА = 332 Ом.

Текущие уровни, измеренные в этих экспериментах, согласуются с уровнями, о которых сообщают Dalziel, ⁷ Smoot, ¹¹ и NIOSH, ¹ , как указано в таблицах и. Общее сопротивление системы (вода плюс предмет) близко к 300 Ом, что часто упоминается в литературе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему произошли конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

Благодарности

Авторы благодарят Энди Фиша за иллюстрации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Национальный институт охраны труда.Смерть рабочих от удара током. Публикация NIOSH № 98-131. 2009 г. Доступно по адресу: http://www.cdc.gov/niosh/docs/98-131/overview.html. Проверено 20 марта. [Google Scholar] 2. Рыба Р. М., Геддес Л. А.. Электрофизиология всплесков тока подключения. Cardiovasc Eng. 2008. 8 (4): 219–24. [PubMed] [Google Scholar] 3. Гримнес С. Диэлектрический пробой кожи человека in vivo. Med Biol Eng Comp. 1983; 21: 379–81. [PubMed] [Google Scholar] 4. Бернштейн Т. Расследование предполагаемых случаев поражения электрическим током и возгораний, вызванных внутренним напряжением.IEEE Ind Appl. 1989. 25 (4): 664–8. [Google Scholar] 5. Капелли-Шеллпфеффер М, Ли RC, Тонер М, Диллер КР. Документ представлен на конференции IEEE PCIC. Филадельфия, Пенсильвания: 1996. Взаимосвязь между параметрами аварии и травмы. 23–25 сентября. [Google Scholar] 6. Далзил CF. Опасность поражения электрическим током. IEEE Spectr. 1972; 9 (2): 41–50. [Google Scholar] 7. Далзил CF. Воздействие электрического шока на человека. ИРЭ Транс Мед Электрон. 1956: 44–62. PGME-5. [Google Scholar] 8. Рыба РМ. Феномен отпускания. В: Рыба Р.М., Геддес Л.А., редакторы.Электрическая травма: медицинские и биоинженерные аспекты. Тусон, Аризона: Издательство юристов и судей; 2009. глава 2. [Google Scholar] 9. Ли Р. К., Кравальо Э. Г., Берк Дж. Ф., редакторы. Электрическая травма. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета; 1992. [Google Scholar] 10. Далзил Чарльз Ф., Ли В. Р. Переоценка смертельных электрических токов. IEEE Trans Indus Gen Appl. 1968; ИГА-4 (5): 467–476. D.O.I.10.1109 / TIGA.1968.4180929. [Google Scholar] 11. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна.IEEE Trans Power Apparat Sys. 1964. 83 (9): 945–964. [Google Scholar] 12. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна. Нью-Йорк. При поддержке Underwriter’s Laboratories Inc. Доклад представлен на: Зимнем совещании по энергетике IEEE; Февраль 1964 г .; Нью-Йорк (раздел на страницах 4 и 5) [Google Scholar] 13. ВМС США. Серия учебных курсов по электричеству и электронике для ВМФ. Модуль 1 — Введение в материю, энергию и постоянный ток. Иногородний учебный курс. Пенсакола, штат Флорида: Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения; 1998 г.С. 3–108. Доступно по адресу: www.hnsa.org/doc/neets/mod01.pdf. По состоянию на 26 марта 2009 г. [Google Scholar] 14. Управление военно-морского флота, канцелярия начальника военно-морских операций. Руководство по программе безопасности и гигиены труда ВМС США для сил на плаву. Том III. Вашингтон, округ Колумбия: военно-морское управление, канцелярия начальника военно-морских операций; 2007. С. D5–9. Доступно по адресу: http // doni.daps.dla.mil / Directive / 05000% 20General% 20Management% 20Security% 20and% 20Safety% 20Services / 05-100% 20Safety% 20and% 20Occupational% 20Health% 20Services / 5100.19E% 20-% 20Volume% 20III.pdf. [Google Scholar] 15. Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики. Паразитные напряжения — проблемы, анализ и смягчение последствий [окончательный вариант] Форест-Парк, штат Джорджия: Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики; 2001. С. 5–28. Проект NEETRAC № 00-092. [Google Scholar] 16. Smoot AW. Заседание панели по импедансу кузова В. В: Бриджес Ю.Э., Форд Г.Л., Шерман И.А., Вайнберг М., редакторы. Материалы Первого международного симпозиума по критериям защиты от поражения электрическим током.Нью-Йорк: Пергамон; 1985. с. 235. [Google Scholar]

Проведение электрического тока через человеческое тело: обзор

Эпластика. 2009; 9: e44.

Опубликовано в Интернете 12 октября 2009 г.

, PhD, MD, FACEP ^a и, MS, PhD, DSc ^b

Raymond M. Fish

^a Исследовательская лаборатория биоакустики и отделение хирургии Университета Иллинойс, Урбана-Шампейн,

Лесли А. Геддес

^b Школа биомедицинской инженерии Уэлдона, Университет Пердью, У-Лафайет, штат Индиана

^a Лаборатория биоакустических исследований и отделение хирургии, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн,

^b Школа биомедицинской инженерии Велдона, Университет Пердью, W Lafayette, Ind

Это статья открытого доступа, в которой авторы сохраняют авторские права на работу.Статья распространяется под лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Цель: Цель этой статьи — объяснить, каким образом электрический ток проходит через тело человека и как это влияет на характер травм. Методы: Эта междисциплинарная тема объясняется путем первого обзора электрических и патофизиологических принципов.Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Также обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен расслабления, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током. После обзора основных принципов обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий.Темы, связанные с высоковольтными ожогами, включают замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатый и контактный потенциалы, дуги и молнии. Результат: Практикующий врач будет лучше понимать электрические механизмы повреждения и их ожидаемые клинические эффекты. Выводы: Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему происходят конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

В этой статье объясняется, каким образом электрический ток проходит через человеческое тело и как это влияет на характер травм. Эта междисциплинарная тема объясняется в части A путем сначала обзора электрических и патофизиологических принципов, а затем в части B путем рассмотрения конкретных типов несчастных случаев. Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен отпускания, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током.После обзора основных принципов в части B обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий. К темам, связанным с высоковольтными ожогами, относятся замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатые потенциалы и потенциалы прикосновения, дуги и молнии. . Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь понять, как и почему происходят определенные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

ЧАСТЬ A: ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И КАК ЭТО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ТЕЛОМ ЧЕЛОВЕКА

Поражение электрическим током определяется как внезапная резкая реакция на электрический ток, протекающий через любую часть тела человека. Удар электрическим током — смерть от поражения электрическим током. Первичное поражение электрическим током — повреждение тканей, вызванное прямым воздействием электрического тока или напряжения. Вторичные травмы, такие как падения, являются обычным явлением. Если не указано иное, эта статья относится к токам и напряжениям 60 (или 50) Гц переменного тока (среднеквадратичное значение). Кроме того, под сопротивлением мы на самом деле подразумеваем величину импеданса. Высокое напряжение относится к среднеквадратичному значению переменного тока 600 В или более.

Очень небольшое количество электрического тока приводит к серьезным физиологическим эффектам.

Ток означает количество электричества (электронов или ионов), протекающего в секунду.Ток измеряется в амперах или миллиамперах (1 мА = 1/1000 ампера). Количество электрического тока, протекающего через тело, определяет различные эффекты поражения электрическим током. Как указано в таблице, различные величины тока вызывают определенные эффекты. Большинство эффектов, связанных с током, возникает в результате нагревания тканей и стимуляции мышц и нервов. Стимуляция нервов и мышц может привести к проблемам, начиная от падения из-за отдачи от боли до остановки дыхания или сердца. Чтобы вызвать физиологические эффекты, требуется относительно небольшой ток.Как показано в таблице, для отключения автоматического выключателя на 20 А требуется в тысячу раз больше тока, чем для остановки дыхания.

Таблица 1

Расчетное влияние переменного тока 60 Гц ^*

1 мА	Едва заметное
16 мА	Максимальный ток, который средний человек может схватить и «отпустить»
20 мА	Паралич дыхательных мышц
100 мА	Порог фибрилляции желудочков
2 A	Остановка сердца и повреждение внутренних органов
15/20 A	Общий предохранитель размыкает цепь †

Сопротивление кожи защищает тело от электричества

Тело имеет сопротивление току.Более 99% сопротивления тела прохождению электрического тока приходится на кожу. Сопротивление измеряется в Ом. Мозолистая, сухая рука может иметь сопротивление более 100000 Ом из-за толстого внешнего слоя мертвых клеток в роговом слое. Внутреннее сопротивление тела составляет около 300 Ом по отношению к влажным, относительно соленым тканям под кожей. Сопротивление кожи можно эффективно обойти, если есть повреждение кожи от высокого напряжения, порез, глубокое истирание или погружение в воду (таблица). Кожа действует как электрическое устройство, такое как конденсатор, в том смысле, что пропускает больший ток, если напряжение быстро меняется.Быстро меняющееся напряжение будет приложено к ладони и пальцам руки, если он держит металлический инструмент, который внезапно касается источника напряжения. Этот тип контакта даст намного большую амплитуду тока в теле, чем это могло бы произойти в противном случае. ²

Таблица 2

Способы значительного снижения защитного сопротивления кожи

•	Существенные физические повреждения кожи: порезы, ссадины, ожоги
•	Разрушение кожи при напряжении 500 В или более
•	Быстрое приложение напряжения к участку кожи
•	Погружение в воду

Напряжение

Напряжение можно рассматривать как силу, проталкивающую электрический ток через тело .В зависимости от сопротивления будет течь определенный ток при любом заданном напряжении. Именно ток определяет физиологические эффекты . Тем не менее, напряжение действительно влияет на результат поражения электрическим током несколькими способами, как описано ниже.

Разрыв кожи

При напряжении 500 В или более высокое сопротивление внешнего слоя кожи выходит из строя. ³ Это значительно снижает сопротивление тела току. В результате увеличивается сила тока, протекающего при любом заданном напряжении.Области разрыва кожи иногда представляют собой раны размером с булавочную головку, которые легко не заметить. Они часто являются признаком того, что в тело может проникнуть большой ток. Можно ожидать, что этот ток приведет к повреждению глубоких тканей мышц, нервов и других структур. Это одна из причин, по которой при высоковольтных повреждениях часто возникают серьезные повреждения глубоких тканей, а не ожоги кожи.

Электропорация

Электропорация (повреждение клеточной мембраны) происходит из-за приложения большого напряжения к длине ткани.Это могло произойти при 20 000 В из рук в руки. Электропорация также может происходить при напряжении 120 В, когда конец шнура питания находится во рту ребенка. В этой ситуации напряжение невелико, но вольт на дюйм ткани такое же, как и в случае, когда высокое напряжение прикладывается от руки к руке или с головы до ног. В результате электропорации даже кратковременный контакт может привести к серьезным травмам мышц и других тканей. Электропорация — еще одна причина возникновения глубоких повреждений тканей.

Нагрев

При прочих равных, тепловая энергия, передаваемая тканям, пропорциональна квадрату напряжения (увеличение напряжения в 10 раз увеличивает тепловую энергию в 100 раз).

Переменный и постоянный ток

Мембраны возбудимых тканей (например, нервных и мышечных клеток) будут передавать ток в клетки наиболее эффективно при изменении приложенного напряжения. Кожа в чем-то похожа тем, что пропускает больше тока при изменении напряжения. Следовательно, при переменном токе происходит непрерывное изменение напряжения с 60 циклами изменения напряжения в секунду. При использовании переменного тока, если уровень тока достаточно высок, будет ощущение удара электрическим током, пока сохраняется контакт.Если есть достаточный ток, клетки скелетных мышц будут стимулироваться настолько быстро, насколько они могут ответить. Эта скорость меньше 60 раз в секунду. Это вызовет тетаническое сокращение мышц, что приведет к потере произвольного контроля над мышечными движениями. Клетки сердечной мышцы будут получать 60 стимуляций в секунду. Если амплитуда тока достаточная, произойдет фибрилляция желудочков. Сердце наиболее чувствительно к такой стимуляции в «уязвимый период» сердечного цикла, который происходит во время большей части зубца T.

Напротив, при постоянном токе ощущение шока возникает только тогда, когда цепь замкнута или разорвана, если только напряжение не относительно высокое. ⁴ Даже если амплитуда тока велика, это может не произойти в уязвимый период сердечного цикла. При переменном токе длительность разряда более 1 сердечного цикла определенно даст стимуляцию в уязвимый период.

Как связаны ток, напряжение и сопротивление

Закон Ома выглядит следующим образом:

На рисунке показаны источник напряжения и резистор.Например, сопротивление 1000 Ом, подключенное к источнику электроэнергии на 120 В, будет иметь значение

. Напряжение вызывает протекание тока ( I ) через заданное сопротивление. Несколько круговой путь тока называется цепью.

Токовый путь (-а)

Электроэнергия течет из (как минимум) одной точки в другую. Часто это происходит от одной клеммы к другой клемме источника напряжения. Соединение между выводами источника напряжения часто называют «нагрузкой».«Нагрузкой может быть что угодно, проводящее электричество, например лампочка, резистор или человек. Это показано на рисунке.

Чтобы проиллюстрировать некоторые важные моменты, эту схемную модель можно применить к автомобилю. Например, отрицательная клемма автомобильного аккумулятора подключена («заземлена») к металлическому шасси автомобиля. Положительный вывод подключается к красному кабелю, состоящему из отдельных проводов, идущих к стартеру, фарам, кондиционеру и другим устройствам. Электрический ток проходит по множеству параллельных путей: радио, стартер, свет и многие другие пути тока.Ток в каждом пути зависит от сопротивления каждого устройства. Отсоединение положительного или отрицательного полюса батареи остановит прохождение тока, хотя другое соединение не повреждено.

Применение модели к человеческому телу

На примере автомобиля легче понять, как протекает ток в человеческом теле. Человек, получивший удар электрическим током, будет иметь (как минимум) 2 точки контакта с источником напряжения, одна из которых может быть заземлением. Если либо соединение отключено, ток не будет течь.Аналогия также объясняет, как ток может проходить по множеству параллельных путей, например, через нервы, мышцы и кости предплечья. Сила тока в каждом автомобильном приборе или типе ткани зависит от сопротивления каждого компонента.

Рисунок развивает модель еще дальше. Он показывает аккумулятор и фары на велосипеде. Ржавые контакты на положительной и отрицательной клеммах аккумуляторной батареи. Общее сопротивление, через которое напряжение должно протекать током, равно сопротивлению двух ржавых контактов в дополнение к сопротивлению фар. Чем больше сопротивление, тем меньше ток . Ржавое соединение аналогично сопротивлению кожи, а фара аналогична внутреннему сопротивлению кузова. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи .

Ржавые контакты добавляют сопротивление току. Фары аналогичны внутреннему сопротивлению кузова, а ржавые соединения аналогичны сопротивлению кожи. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи.

На рисунке изображен человек, подключенный к источнику напряжения. Есть соединения с левой рукой и левой ногой. «Общее сопротивление тела» человека складывается из очень низкого (приблизительно 300 Ом) внутреннего сопротивления тела плюс 2 сопротивления при контакте с кожей. Сопротивление контакта с кожей обычно составляет от 1000 до 100000 Ом, в зависимости от площади контакта, влажности, состояния кожи и других факторов. Таким образом, кожа обеспечивает большую часть защиты тела от электрического тока.

Схема человека, подключенного к источнику напряжения.

Высоковольтный контакт

Высоковольтные (≥600 В) контакты иногда кажутся парадоксальными. Птица удобно сидит на высоковольтной линии электропередачи. Но человек в рабочих ботинках, стоящий рядом с грузовиком, погибает при прикосновении к его стороне, потому что приподнятое навесное оборудование грузовика касалось линии электропередачи. Высокое напряжение разрушает электрические изоляторы, включая краску, кожу и большую часть обуви и перчаток. Специальная обувь, перчатки и инструменты считаются защитными при определенных уровнях напряжения.Эти элементы необходимо периодически проверять на наличие (иногда точного размера) разрывов изоляции. Изоляция может оказаться неэффективной, если на поверхности предмета есть влага или загрязнения.

Как отмечалось выше, для протекания тока требуется 2 или более точек контакта, находящихся под разным напряжением. Многие электрические системы подключены («заземлены») к земле. Опорные конструкции часто бывают металлическими, а также физически находятся в земле.

Рабочий был электрически подключен к линии электропередачи через металлические части своего грузовика.Высокое напряжение (7200 В) было достаточно высоким, чтобы пройти через краску на грузовике и его обуви. Птица не находилась достаточно близко к земле или чему-либо еще, чтобы замкнуть цепь на землю. Есть птицы с большим размахом крыльев, которые действительно получают удар током, когда перекрывают разрыв между проводами и конструкциями, находящимися под разным напряжением.

ЧАСТЬ B: ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Шаговый и контактный потенциалы

Земля (земля) под нашими ногами обычно находится под напряжением 0 В.Линии электропередач и радиоантенны заземляют путем соединения их с металлическими стержнями, вбитыми в землю. Если человек идет босиком по земле с расставленными ногами, между двумя ступнями должно быть напряжение 0 В. Это нормальное состояние нарушается, если проводник высоковольтной линии электропередачи достигает земли или если молния ударяет по земле.

Напряжение от воздушных линий электропередачи может достигать земли несколькими способами. Линия может порваться или отсоединиться от своих изолированных опор и вступить в контакт с самой землей или с конструкциями, которые сами связаны с землей.Опорные провода (растяжки) могут отсоединяться от своих соединений у земли и становиться под напряжением, когда они соприкасаются с линией электропередачи. В этом случае растяжка под напряжением находится под высоким напряжением. Если растяжка контактирует с землей, напряжение на земле в точке контакта и вокруг нее больше не равно 0 В.

Когда провод под напряжением контактирует с землей напрямую или через проводник, это называется замыканием на землю. Уменьшение напряжения с расстоянием от точки контакта с землей объекта под напряжением называется градиентом потенциала земли .Падения напряжения, связанные с этим рассеянием напряжения, называются потенциалами земли.

На рисунке показана типичная кривая распределения градиента напряжения. Этот график показывает, что напряжение уменьшается с увеличением расстояния от заземляющего объекта. Слева от заземленного объекта, находящегося под напряжением, есть разница напряжений между двумя ногами человека, называемая ступенчатым потенциалом. Справа есть разница напряжений между рукой человека и двумя ногами, называемая потенциалом прикосновения.Также существует ступенчатый потенциал между двумя ногами человека справа. (Рисунок и этот раздел являются модификациями части правил OSHA [Standards-29 CFR].)

Ступенчатые и сенсорные потенциалы. Фактические цифры могут варьироваться в зависимости от типа почвы и влажности, а также других факторов.

Мгновенное горение, нагрев электрическим током или и то и другое

Дуги высокого напряжения связаны с прохождением электричества по воздуху. В некоторых случаях дуга не касается человека. В этой ситуации от тепла дуги могут возникнуть серьезные ожоги (мгновенный ожог).Также возможны ожоги от горящей одежды и других веществ. Ожоги также могут быть вызваны прикосновением к предметам, которые термически горячие, но не находятся под напряжением.

Дуги высокой энергии могут вызывать взрывные ударные волны. ⁵ Сила тупой травмы, которая может вызвать ушиб человека, разрыв барабанных перепонок и ушиб внутренних органов.

Если электрическая дуга или провод под напряжением соприкасается с человеком и через него проходит электричество, может возникнуть травма из-за электрического тока, протекающего через тело, в дополнение к механизмам травмы, упомянутым выше.

Клинически важно определить, повлекло ли высоковольтное повреждение электрический ток, протекающий через тело. Ток, протекающий через тело из-за высокого напряжения, может привести к возникновению условий, за которыми необходимо следить с течением времени. Эти состояния включают миоглобинурию, коагулопатию и компартмент-синдромы. Несколько клинических и связанных с электрическим контактом проблем могут помочь определить, протекал ли ток через тело. Во-первых, для протекания электрического тока через тело требуется как минимум 2 точки контакта.При высоком напряжении это обычно ожоги на всю толщину. Они могут быть размером с булавочную головку, а иногда их может быть несколько из-за искрения. Если проводник, например кусок проволоки, соприкоснулся с кожей, это может привести к ожогу из-за формы соприкасающегося объекта.

Горение от вспышки при отсутствии тока через тело, напротив, имеет тенденцию быть диффузным и относительно однородным. Мгновенные ожоги на иногда на меньше полной толщины, тогда как ожоги от высоковольтных контактов будут на всю толщину.

Так называемые входные и выходные раны

Часто бывает всего 2 контактных ожога, которые обычно называют входными и выходными ранами.Эти термины относятся к тому факту, что электрический ток исходит от источника напряжения, входит в тело в одной точке, протекает через тело в другую точку контакта, где он выходит из тела и возвращается к источнику напряжения (или земле). Эта терминология несколько сбивает с толку, если учесть, что переменный ток меняет направление много раз в секунду. Терминология также может вводить в заблуждение, потому что она напоминает пулевые ранения, которые иногда имеют небольшие входные и более крупные выходные ранения. При поражении электрическим током размер раны будет зависеть от таких факторов, как размер и форма проводника, геометрия пораженной части тела и влажность.Аналогия с огнестрельными ранениями также вводит в заблуждение, поскольку не всегда имеется выходное ранение от пули, потому что пуля остается застрявшей в человеке. Таким образом, 2 отдельных ожога третьей степени предполагают протекание тока через тело. Диффузный ожог неполной толщины не предполагает протекания тока через тело.

Помимо особенностей, связанных с контактом, существуют клинические признаки, которые могут помочь определить, был ли ток через глубокие ткани. Например, можно ожидать, что высоковольтный контакт с рукой, связанный с током, протекающим в руку, будет вызывать твердость и нежность предплечья.При пассивных и активных движениях пальцев может возникнуть боль, а в руке может возникнуть сенсорная недостаточность.

Молния

Молния обычно сверкает над поверхностью тела, что приводит к удивительно небольшим повреждениям у некоторых людей. Влажная кожа и очень короткие электрические импульсы побуждают электрический ток проходить по поверхности тела. Тем не менее, молния иногда травмирует людей из-за протекания тока в теле, тупой механической силы, эффекта взрыва, который может разорвать барабанные перепонки и ушибить внутренние органы, а также интенсивный свет, который может привести к катаракте.

Контакт с проводниками

Низкое напряжение (

<600 В)

Влияние ударов низкого напряжения указано в таблице. Приведенные текущие уровни зависят от конкретного пути тока, продолжительности контакта, веса, роста и телосложения человека (особенно мускулатуры и костных структур) и других факторов. Эффекты, которые возникают в каждом конкретном случае, сильно зависят от нескольких факторов, связанных с тем, как осуществляется контакт с источником электричества. Эти факторы включают в себя путь тока, влажность, отсутствие возможности отпустить и размер областей контакта.

Путь тока

Если путь тока проходит через грудную клетку, непрерывные тетанические сокращения мышц грудной стенки могут привести к остановке дыхания. Далзил, ⁶ , проводивший измерения на людях, сообщает, что токи, превышающие 18 мА, стимулируют грудные мышцы, так что дыхание останавливается во время шока.

Другой эффект, который возникает при трансторакальном пути тока, — это фибрилляция желудочков. Трансторакальные пути тока включают руку в руку, руку к ноге и от передней части груди до задней части груди.Эксперименты на животных показали, что порог фибрилляции желудочков обратно пропорционален квадратному корню из продолжительности тока.

Явление отпускания при низком (

<600 В) контакте

Фактором, который имеет большое значение для травм, полученных при низковольтном разряде, является неспособность отпустить. Сила тока в руке, которая заставляет руку непроизвольно сжимать ее, называется отпускающим током. ⁷ Если, например, пальцы человека обхватить большой кабель или ручку пылесоса под напряжением, большинство взрослых смогут отпустить его с током менее 6 мА.При 22 мА более 99% взрослых не смогут отпустить. Боль, связанная с отпусканием тока, настолько сильна, что молодые мотивированные добровольцы могли терпеть ее всего несколько секунд. ⁷ При прохождении тока в предплечье стимулируются мышцы сгибания и разгибания. Однако сгибательные мышцы сильнее, и человек не может добровольно расслабиться. Практически во всех случаях неспособности отпускать руки используется переменный ток. Переменный ток многократно стимулирует нервы и мышцы, что приводит к тетаническому (устойчивому) сокращению, которое длится до тех пор, пока продолжается контакт.Если это приводит к тому, что субъект ужесточает хватку за проводник, результатом является продолжение электрического тока через человека и снижение контактного сопротивления. ⁸

При переменном токе возникает ощущение поражения электрическим током, пока сохраняется контакт. Напротив, с постоянным током возникает только ощущение шока, когда цепь замкнута или разорвана. Пока контакт поддерживается, ощущения шока не возникает. Ниже 300 мА постоянного тока (среднеквадратичное значение) явление отпускания отсутствует, потому что рука не зажата непроизвольно.Когда ток проходит через руку, возникает ощущение тепла. Замыкание или разрыв цепи приводит к болезненным неприятным ударам. При токе более 300 мА отпускание может быть невозможно. ⁴ Порог фибрилляции желудочков для разряда постоянного тока длительностью более 2 секунд составляет 150 мА по сравнению с 50 мА для разряда 60 Гц; для разрядов короче 0,2 секунды порог такой же, как и для разрядов 60 Гц, то есть примерно 500 мА. ⁴

Мощность обогрева также увеличивается, когда человек не может отпустить.Это связано с тем, что плотный захват увеличивает площадь кожи, эффективно контактирующую с проводниками. Кроме того, со временем между кожей и проводниками накапливается высокопроводящий пот. Оба эти фактора снижают контактное сопротивление, что увеличивает протекающий ток. Кроме того, нагревание сильнее, потому что продолжительность контакта часто составляет несколько минут по сравнению с долей секунды, необходимой для того, чтобы отказаться от болезненного раздражителя.

Неспособность отпустить приводит к увеличению тока в течение более длительного периода времени.Это увеличит повреждение из-за нагрева мышц и нервов. Также будет усиление боли и частота остановки дыхания и сердца. Также может быть вывих плеча с травмой связок и сухожилий, а также переломы костей в области плеч.

Явление отпускания для высокого (> 600 В) контакта

Несколько разных результатов могут произойти, когда человек схватится за провод, подающий из рук в руки напряжение 10 кВ переменного тока. Такой контакт занимает более 0,5 секунды, прежде чем большая часть клеток дистального отдела предплечья подвергнется тепловому повреждению.Однако в течение 10–100 миллисекунд мышцы на пути тока сильно сократятся. Человека можно стимулировать, чтобы он сильнее сжимал провод, создавая более сильный механический контакт. Или человека может оттолкнуть от контакта. Какое из этих событий произойдет, зависит от положения руки относительно проводника. Большинство очевидцев сообщают, что жертвы отталкиваются от проводника, возможно, из-за общих мышечных сокращений. В таких случаях время контакта оценивается примерно в 100 миллисекунд или меньше. ^{9 (стр. 57)}

Контакт с погружением: утопление электрическим током

Клинические проблемы

Утопление или близкое к утоплению может быть результатом попадания электричества в воду. Состояния, требующие лечения почти утопления, вызванного электричеством, в основном такие же, как и условия, связанные с неэлектрическим утоплением. Эти состояния включают повышение миоглобина, которое может привести к почечной недостаточности (обнаруживаемой по повышению креатинкиназы [КФК] и исследованию мочи), респираторному дистресс-синдрому у взрослых, гипотермии, гипоксии, электролитным нарушениям и аритмиям, которые включают желудочковую тахикардию и фибрилляцию желудочков.Считается, что уровни креатинкиназы и миоглобина в неэлектрических случаях утопления связаны с жестокой борьбой, а также иногда с длительной гипоксией и электролитным дисбалансом. Электричество в воде может стимулировать мышцы достаточно сильно, чтобы вызвать у человека сильную мышечную боль во время и после того, как он или она почти утонул. Это еще больше увеличит уровни КФК и миоглобина по сравнению с теми, которые могут возникнуть в результате неэлектрического воздействия на стол, близкий к утоплению. Уровень креатинкиназы иногда повышается в течение дня или более под влиянием проводимого лечения, продолжающейся гипоксии или гипотонии и других состояний, которые могут повлиять на продолжающийся некроз тканей.

Таблица 3

Почему погружение в воду при очень низких напряжениях может быть фатальным

1	Погружение очень эффективно увлажняет кожу и значительно снижает сопротивление кожи на единицу площади
2	Площадь контакта большой процент площади всей поверхности тела
3	Электрический ток также может проникать в организм через слизистые оболочки, такие как рот и горло.
4	Человеческое тело очень чувствительно к электричеству.Очень небольшое количество тока может вызвать потерю способности плавать, остановку дыхания и остановку сердца.

Воздействие электрического тока

Многие определения воздействия электрического тока на людей были сделаны Далзилом. ¹⁰ Для любого эффекта, такого как столбнячные мышечные сокращения, существует ряд текущих уровней, которые вызывают эффект в зависимости от индивидуальных особенностей субъектов. Например, ток, необходимый для возникновения тетанических сокращений мышц предплечья («отпускающий» ток), может составлять от 6 до 24 мА (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) в зависимости от пациента.Следовательно, текущие уровни, перечисленные в публикациях, могут быть максимальными, средними или минимальными уровнями, в зависимости от обсуждаемых вопросов. С точки зрения безопасности часто подходят значения, близкие к минимальным.

Как указано в таблице, Dalziel ⁷ обнаружил, что 10 мА может вызывать тетанические сокращения мышц и, следовательно, потерю мышечного контроля. Кроме того, Smoot and Bentel ¹² обнаружили, что 10 мА тока было достаточно, чтобы вызвать потерю мышечного контроля в воде. Они проводили измерения в соленой воде и не сообщали о приложенных напряжениях.

Таблица 4

Механизмы смерти при утоплении электрическим током

Механизм	Необходимый ток, мА	Необходимое напряжение, В переменного тока
Электрическая стимуляция сердца, вызывающего фибрилляцию желудочков	100	30
Тетаническое сокращение (эффективный паралич) мышц дыхания	20	6
Потеря мышечного контроля конечностей: 16 мА для среднего человека 1	16	4 .8
Потеря мышечного контроля конечностей: всего 10 мА для наиболее чувствительных женщин 7 , 11	10	3

Общее сопротивление тела в воде

Общее с учетом мер безопасности сопротивление тела от руки к ноге в воде считается равным 300 Ом. ^{13 — 15} Smoot ^{11 , 16} измерили полное сопротивление тела 400 Ом при погружении.Во многом это связано с внутренним сопротивлением тела. Таким образом, погружение устраняет большую часть сопротивления кожи.

Соленая вода обладает высокой проводимостью по сравнению с человеческим телом, поэтому поражение электрическим током в соленой воде является относительно редким явлением. Это связано с тем, что большая часть электрического тока проходит по внешней стороне тела.

Если есть разница напряжений, например, между одной рукой и другой, то через тело будет протекать электрический ток. Сила тока равна напряжению, деленному на общее сопротивление тела.

Какое напряжение в воде может быть смертельным?

В таблице указаны величины тока, необходимые для возникновения фибрилляции желудочков и других смертельных состояний. Общее сопротивление тела в воде составляет 300 Ом. Таким образом, известны необходимый ток и сопротивление, которое он должен испытывать. Таким образом, можно рассчитать необходимое напряжение. Для фибрилляции желудочков расчет выглядит следующим образом:

Требуемое напряжение = Ток × Сопротивление

Для того, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков, необходимое напряжение составляет:

Напряжение = 100 мА × 300 Ом = 30 В

Рисунки для других механизмов смерти указаны в табл.

Электрический контакт, связанный с водой, часто происходит двумя способами. Эти механизмы могут происходить в ваннах, бассейнах и озерах. Первый механизм контакта заключается в том, что человек в воде выходит из воды и контактирует с токопроводящим объектом, находящимся под напряжением. Например, человек чувствует себя хорошо, сидя в ванне. Сопротивление контакта его руки с объектом под напряжением за пределами ванны может быть достаточно высоким, чтобы защитить его или ее, особенно если его или ее рука не мокрая и площадь контакта небольшая.

Второй механизм контакта включает человека в воде, находящегося в электрическом поле из-за проводника под напряжением, который находится в воде. Например, в воду падает электрический нагреватель, подключенный к тёплому проводу розетки 120 В переменного тока. Заземленный слив находится близко к плечам человека, а обогреватель — у его или ее ног. Это дает разницу напряжений 120 В переменного тока от плеч до ступней. При общем сопротивлении тела 300 Ом протекает 360 мА, что более чем в 3 раза превышает величину, необходимую для фибрилляции желудочков.

В озерах, прудах и других водоемах источник электроэнергии может генерировать ток в воде. Местоположение напряжений в воде можно измерить. В воде могут присутствовать напряжения из-за того, что корпус лодки, подключенной к береговому источнику питания, находится под напряжением. В воде также могут присутствовать напряжения из-за находящихся под напряжением проводников в воде, которые пропускают электрический ток в воду.

Может существовать электрический градиент (или поле), аналогичный описанной выше ситуации для ступенчатого и касательного потенциалов.Ситуацию сложнее проанализировать в воде, потому что человек в воде принимает разные позы и ориентации в трех измерениях (вверх, вниз и в стороны — север, юг, восток и запад). Трансторакальное напряжение и напряжение на конечностях будут меняться по мере движения человека в зависимости от ориентации (направления) электрического поля.

Измерения потери мышечного контроля в воде

Измерения, аналогичные измерениям Smoot and Bentel ¹² , были выполнены с одобрения институционального наблюдательного совета Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.Металлические пластины помещали внутрь резиновых контейнеров. Металлические пластины были плоскими на дне контейнеров. Сверху на каждую металлическую пластину помещали резиновый коврик с отверстиями. (Изолированный) провод заземления источника питания был подключен к одной пластине, а напряжение переменного тока 60 Гц от источника питания было подключено к другой пластине. Испытуемый стоял, опираясь на каждый резиновый коврик по одной ноге, как показано на рисунке. Таким образом, субъект контактировал с электрическим током в основном через воду, контактирующую с ногами через отверстия, а также через воду, контактирующую с ногами выше.Эта траектория потока между ногами имитировала ситуации рукопашного боя и рукопожатия, которые могут возникнуть у пловцов в воде. Эта установка сводила к минимуму ток через грудную клетку. В исследовании участвовал всего 1 предмет.

Установка для измерения напряжения и тока в воде.

Свежая (не соленая) вода с проводимостью 320 мкм / см наполняла каждое ведро до уровня около бедра. Было обнаружено, что электрически индуцированные сокращения мышц сильно меняются положением ног в воде.

Первоначальные испытания показали, что при 3,05 В (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) между пластинами протекал ток 8,65 мА, что приводило к непроизвольному сгибанию колена на 90 °. Это сгибание нельзя было преодолеть произвольным усилием. Колено можно было произвольно сгибать дальше, но оно не выпрямлялось больше, чем на 90 °. Непроизвольное резкое сгибание произошло, когда нога была поднята (сгибанием бедра) так, чтобы бедро было горизонтальным, а колено находилось на уровне воды. Это похоже на ситуацию во время плавания.Мышечный контроль постепенно восстанавливался, когда ступня опускалась на дно ведра (путем разгибания бедра в нейтральное положение) и нога становилась вертикальной. Общее сопротивление корпуса рассчитывается следующим образом:

При 4,05 В протекает ток 12,6 мА. Колено было согнуто на 135 °, то есть пятка находилась рядом с ягодицами. Это нельзя было преодолеть добровольными усилиями. Опять же, это произошло, когда нога была поднята так, чтобы колено находилось на уровне воды, аналогично ситуации, когда кто-то плывет.Меньшее нарушение мышечного контроля было отмечено в других положениях ног. Контроль над мышцами постепенно восстанавливается, когда ступня опускается на дно ведра и нога становится вертикальной. Сопротивление составит 4,05 В / 12,6 мА = 332 Ом.

Текущие уровни, измеренные в этих экспериментах, согласуются с уровнями, о которых сообщают Dalziel, ⁷ Smoot, ¹¹ и NIOSH, ¹ , как указано в таблицах и. Общее сопротивление системы (вода плюс предмет) близко к 300 Ом, что часто упоминается в литературе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему произошли конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

Благодарности

Авторы благодарят Энди Фиша за иллюстрации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Национальный институт охраны труда.Смерть рабочих от удара током. Публикация NIOSH № 98-131. 2009 г. Доступно по адресу: http://www.cdc.gov/niosh/docs/98-131/overview.html. Проверено 20 марта. [Google Scholar] 2. Рыба Р. М., Геддес Л. А.. Электрофизиология всплесков тока подключения. Cardiovasc Eng. 2008. 8 (4): 219–24. [PubMed] [Google Scholar] 3. Гримнес С. Диэлектрический пробой кожи человека in vivo. Med Biol Eng Comp. 1983; 21: 379–81. [PubMed] [Google Scholar] 4. Бернштейн Т. Расследование предполагаемых случаев поражения электрическим током и возгораний, вызванных внутренним напряжением.IEEE Ind Appl. 1989. 25 (4): 664–8. [Google Scholar] 5. Капелли-Шеллпфеффер М, Ли RC, Тонер М, Диллер КР. Документ представлен на конференции IEEE PCIC. Филадельфия, Пенсильвания: 1996. Взаимосвязь между параметрами аварии и травмы. 23–25 сентября. [Google Scholar] 6. Далзил CF. Опасность поражения электрическим током. IEEE Spectr. 1972; 9 (2): 41–50. [Google Scholar] 7. Далзил CF. Воздействие электрического шока на человека. ИРЭ Транс Мед Электрон. 1956: 44–62. PGME-5. [Google Scholar] 8. Рыба РМ. Феномен отпускания. В: Рыба Р.М., Геддес Л.А., редакторы.Электрическая травма: медицинские и биоинженерные аспекты. Тусон, Аризона: Издательство юристов и судей; 2009. глава 2. [Google Scholar] 9. Ли Р. К., Кравальо Э. Г., Берк Дж. Ф., редакторы. Электрическая травма. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета; 1992. [Google Scholar] 10. Далзил Чарльз Ф., Ли В. Р. Переоценка смертельных электрических токов. IEEE Trans Indus Gen Appl. 1968; ИГА-4 (5): 467–476. D.O.I.10.1109 / TIGA.1968.4180929. [Google Scholar] 11. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна.IEEE Trans Power Apparat Sys. 1964. 83 (9): 945–964. [Google Scholar] 12. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна. Нью-Йорк. При поддержке Underwriter’s Laboratories Inc. Доклад представлен на: Зимнем совещании по энергетике IEEE; Февраль 1964 г .; Нью-Йорк (раздел на страницах 4 и 5) [Google Scholar] 13. ВМС США. Серия учебных курсов по электричеству и электронике для ВМФ. Модуль 1 — Введение в материю, энергию и постоянный ток. Иногородний учебный курс. Пенсакола, штат Флорида: Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения; 1998 г.С. 3–108. Доступно по адресу: www.hnsa.org/doc/neets/mod01.pdf. По состоянию на 26 марта 2009 г. [Google Scholar] 14. Управление военно-морского флота, канцелярия начальника военно-морских операций. Руководство по программе безопасности и гигиены труда ВМС США для сил на плаву. Том III. Вашингтон, округ Колумбия: военно-морское управление, канцелярия начальника военно-морских операций; 2007. С. D5–9. Доступно по адресу: http // doni.daps.dla.mil / Directive / 05000% 20General% 20Management% 20Security% 20and% 20Safety% 20Services / 05-100% 20Safety% 20and% 20Occupational% 20Health% 20Services / 5100.19E% 20-% 20Volume% 20III.pdf. [Google Scholar] 15. Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики. Паразитные напряжения — проблемы, анализ и смягчение последствий [окончательный вариант] Форест-Парк, штат Джорджия: Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики; 2001. С. 5–28. Проект NEETRAC № 00-092. [Google Scholar] 16. Smoot AW. Заседание панели по импедансу кузова В. В: Бриджес Ю.Э., Форд Г.Л., Шерман И.А., Вайнберг М., редакторы. Материалы Первого международного симпозиума по критериям защиты от поражения электрическим током.Нью-Йорк: Пергамон; 1985. с. 235. [Google Scholar]

Проведение электрического тока через человеческое тело: обзор

Эпластика. 2009; 9: e44.

Опубликовано в Интернете 12 октября 2009 г.

, PhD, MD, FACEP ^a и, MS, PhD, DSc ^b

Raymond M. Fish

^a Исследовательская лаборатория биоакустики и отделение хирургии Университета Иллинойс, Урбана-Шампейн,

Лесли А. Геддес

^b Школа биомедицинской инженерии Уэлдона, Университет Пердью, У-Лафайет, штат Индиана

^a Лаборатория биоакустических исследований и отделение хирургии, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн,

^b Школа биомедицинской инженерии Велдона, Университет Пердью, W Lafayette, Ind

Это статья открытого доступа, в которой авторы сохраняют авторские права на работу.Статья распространяется под лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Цель: Цель этой статьи — объяснить, каким образом электрический ток проходит через тело человека и как это влияет на характер травм. Методы: Эта междисциплинарная тема объясняется путем первого обзора электрических и патофизиологических принципов.Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Также обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен расслабления, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током. После обзора основных принципов обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий.Темы, связанные с высоковольтными ожогами, включают замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатый и контактный потенциалы, дуги и молнии. Результат: Практикующий врач будет лучше понимать электрические механизмы повреждения и их ожидаемые клинические эффекты. Выводы: Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему происходят конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

В этой статье объясняется, каким образом электрический ток проходит через человеческое тело и как это влияет на характер травм. Эта междисциплинарная тема объясняется в части A путем сначала обзора электрических и патофизиологических принципов, а затем в части B путем рассмотрения конкретных типов несчастных случаев. Есть дискуссии о том, как электрический ток проходит через тело через воздух, воду, землю и искусственные проводящие материалы. Обсуждаются сопротивление кожи (импеданс), внутреннее сопротивление тела, путь тока через тело, феномен отпускания, разрушение кожи, электрическая стимуляция скелетных мышц и нервов, сердечная аритмия и остановка, а также утопление при поражении электрическим током.После обзора основных принципов в части B обсуждается ряд клинически значимых примеров механизмов аварий и их медицинских последствий. К темам, связанным с высоковольтными ожогами, относятся замыкания на землю, градиент потенциала земли, ступенчатые потенциалы и потенциалы прикосновения, дуги и молнии. . Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь понять, как и почему происходят определенные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

ЧАСТЬ A: ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И КАК ЭТО ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ С ТЕЛОМ ЧЕЛОВЕКА

Поражение электрическим током определяется как внезапная резкая реакция на электрический ток, протекающий через любую часть тела человека. Удар электрическим током — смерть от поражения электрическим током. Первичное поражение электрическим током — повреждение тканей, вызванное прямым воздействием электрического тока или напряжения. Вторичные травмы, такие как падения, являются обычным явлением. Если не указано иное, эта статья относится к токам и напряжениям 60 (или 50) Гц переменного тока (среднеквадратичное значение). Кроме того, под сопротивлением мы на самом деле подразумеваем величину импеданса. Высокое напряжение относится к среднеквадратичному значению переменного тока 600 В или более.

Очень небольшое количество электрического тока приводит к серьезным физиологическим эффектам.

Ток означает количество электричества (электронов или ионов), протекающего в секунду.Ток измеряется в амперах или миллиамперах (1 мА = 1/1000 ампера). Количество электрического тока, протекающего через тело, определяет различные эффекты поражения электрическим током. Как указано в таблице, различные величины тока вызывают определенные эффекты. Большинство эффектов, связанных с током, возникает в результате нагревания тканей и стимуляции мышц и нервов. Стимуляция нервов и мышц может привести к проблемам, начиная от падения из-за отдачи от боли до остановки дыхания или сердца. Чтобы вызвать физиологические эффекты, требуется относительно небольшой ток.Как показано в таблице, для отключения автоматического выключателя на 20 А требуется в тысячу раз больше тока, чем для остановки дыхания.

Таблица 1

Расчетное влияние переменного тока 60 Гц ^*

1 мА	Едва заметное
16 мА	Максимальный ток, который средний человек может схватить и «отпустить»
20 мА	Паралич дыхательных мышц
100 мА	Порог фибрилляции желудочков
2 A	Остановка сердца и повреждение внутренних органов
15/20 A	Общий предохранитель размыкает цепь †

Сопротивление кожи защищает тело от электричества

Тело имеет сопротивление току.Более 99% сопротивления тела прохождению электрического тока приходится на кожу. Сопротивление измеряется в Ом. Мозолистая, сухая рука может иметь сопротивление более 100000 Ом из-за толстого внешнего слоя мертвых клеток в роговом слое. Внутреннее сопротивление тела составляет около 300 Ом по отношению к влажным, относительно соленым тканям под кожей. Сопротивление кожи можно эффективно обойти, если есть повреждение кожи от высокого напряжения, порез, глубокое истирание или погружение в воду (таблица). Кожа действует как электрическое устройство, такое как конденсатор, в том смысле, что пропускает больший ток, если напряжение быстро меняется.Быстро меняющееся напряжение будет приложено к ладони и пальцам руки, если он держит металлический инструмент, который внезапно касается источника напряжения. Этот тип контакта даст намного большую амплитуду тока в теле, чем это могло бы произойти в противном случае. ²

Таблица 2

Способы значительного снижения защитного сопротивления кожи

•	Существенные физические повреждения кожи: порезы, ссадины, ожоги
•	Разрушение кожи при напряжении 500 В или более
•	Быстрое приложение напряжения к участку кожи
•	Погружение в воду

Напряжение

Напряжение можно рассматривать как силу, проталкивающую электрический ток через тело .В зависимости от сопротивления будет течь определенный ток при любом заданном напряжении. Именно ток определяет физиологические эффекты . Тем не менее, напряжение действительно влияет на результат поражения электрическим током несколькими способами, как описано ниже.

Разрыв кожи

При напряжении 500 В или более высокое сопротивление внешнего слоя кожи выходит из строя. ³ Это значительно снижает сопротивление тела току. В результате увеличивается сила тока, протекающего при любом заданном напряжении.Области разрыва кожи иногда представляют собой раны размером с булавочную головку, которые легко не заметить. Они часто являются признаком того, что в тело может проникнуть большой ток. Можно ожидать, что этот ток приведет к повреждению глубоких тканей мышц, нервов и других структур. Это одна из причин, по которой при высоковольтных повреждениях часто возникают серьезные повреждения глубоких тканей, а не ожоги кожи.

Электропорация

Электропорация (повреждение клеточной мембраны) происходит из-за приложения большого напряжения к длине ткани.Это могло произойти при 20 000 В из рук в руки. Электропорация также может происходить при напряжении 120 В, когда конец шнура питания находится во рту ребенка. В этой ситуации напряжение невелико, но вольт на дюйм ткани такое же, как и в случае, когда высокое напряжение прикладывается от руки к руке или с головы до ног. В результате электропорации даже кратковременный контакт может привести к серьезным травмам мышц и других тканей. Электропорация — еще одна причина возникновения глубоких повреждений тканей.

Нагрев

При прочих равных, тепловая энергия, передаваемая тканям, пропорциональна квадрату напряжения (увеличение напряжения в 10 раз увеличивает тепловую энергию в 100 раз).

Переменный и постоянный ток

Мембраны возбудимых тканей (например, нервных и мышечных клеток) будут передавать ток в клетки наиболее эффективно при изменении приложенного напряжения. Кожа в чем-то похожа тем, что пропускает больше тока при изменении напряжения. Следовательно, при переменном токе происходит непрерывное изменение напряжения с 60 циклами изменения напряжения в секунду. При использовании переменного тока, если уровень тока достаточно высок, будет ощущение удара электрическим током, пока сохраняется контакт.Если есть достаточный ток, клетки скелетных мышц будут стимулироваться настолько быстро, насколько они могут ответить. Эта скорость меньше 60 раз в секунду. Это вызовет тетаническое сокращение мышц, что приведет к потере произвольного контроля над мышечными движениями. Клетки сердечной мышцы будут получать 60 стимуляций в секунду. Если амплитуда тока достаточная, произойдет фибрилляция желудочков. Сердце наиболее чувствительно к такой стимуляции в «уязвимый период» сердечного цикла, который происходит во время большей части зубца T.

Напротив, при постоянном токе ощущение шока возникает только тогда, когда цепь замкнута или разорвана, если только напряжение не относительно высокое. ⁴ Даже если амплитуда тока велика, это может не произойти в уязвимый период сердечного цикла. При переменном токе длительность разряда более 1 сердечного цикла определенно даст стимуляцию в уязвимый период.

Как связаны ток, напряжение и сопротивление

Закон Ома выглядит следующим образом:

На рисунке показаны источник напряжения и резистор.Например, сопротивление 1000 Ом, подключенное к источнику электроэнергии на 120 В, будет иметь значение

. Напряжение вызывает протекание тока ( I ) через заданное сопротивление. Несколько круговой путь тока называется цепью.

Токовый путь (-а)

Электроэнергия течет из (как минимум) одной точки в другую. Часто это происходит от одной клеммы к другой клемме источника напряжения. Соединение между выводами источника напряжения часто называют «нагрузкой».«Нагрузкой может быть что угодно, проводящее электричество, например лампочка, резистор или человек. Это показано на рисунке.

Чтобы проиллюстрировать некоторые важные моменты, эту схемную модель можно применить к автомобилю. Например, отрицательная клемма автомобильного аккумулятора подключена («заземлена») к металлическому шасси автомобиля. Положительный вывод подключается к красному кабелю, состоящему из отдельных проводов, идущих к стартеру, фарам, кондиционеру и другим устройствам. Электрический ток проходит по множеству параллельных путей: радио, стартер, свет и многие другие пути тока.Ток в каждом пути зависит от сопротивления каждого устройства. Отсоединение положительного или отрицательного полюса батареи остановит прохождение тока, хотя другое соединение не повреждено.

Применение модели к человеческому телу

На примере автомобиля легче понять, как протекает ток в человеческом теле. Человек, получивший удар электрическим током, будет иметь (как минимум) 2 точки контакта с источником напряжения, одна из которых может быть заземлением. Если либо соединение отключено, ток не будет течь.Аналогия также объясняет, как ток может проходить по множеству параллельных путей, например, через нервы, мышцы и кости предплечья. Сила тока в каждом автомобильном приборе или типе ткани зависит от сопротивления каждого компонента.

Рисунок развивает модель еще дальше. Он показывает аккумулятор и фары на велосипеде. Ржавые контакты на положительной и отрицательной клеммах аккумуляторной батареи. Общее сопротивление, через которое напряжение должно протекать током, равно сопротивлению двух ржавых контактов в дополнение к сопротивлению фар. Чем больше сопротивление, тем меньше ток . Ржавое соединение аналогично сопротивлению кожи, а фара аналогична внутреннему сопротивлению кузова. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи .

Ржавые контакты добавляют сопротивление току. Фары аналогичны внутреннему сопротивлению кузова, а ржавые соединения аналогичны сопротивлению кожи. Общее сопротивление тела равно внутреннему сопротивлению тела плюс 2 сопротивления кожи.

На рисунке изображен человек, подключенный к источнику напряжения. Есть соединения с левой рукой и левой ногой. «Общее сопротивление тела» человека складывается из очень низкого (приблизительно 300 Ом) внутреннего сопротивления тела плюс 2 сопротивления при контакте с кожей. Сопротивление контакта с кожей обычно составляет от 1000 до 100000 Ом, в зависимости от площади контакта, влажности, состояния кожи и других факторов. Таким образом, кожа обеспечивает большую часть защиты тела от электрического тока.

Схема человека, подключенного к источнику напряжения.

Высоковольтный контакт

Высоковольтные (≥600 В) контакты иногда кажутся парадоксальными. Птица удобно сидит на высоковольтной линии электропередачи. Но человек в рабочих ботинках, стоящий рядом с грузовиком, погибает при прикосновении к его стороне, потому что приподнятое навесное оборудование грузовика касалось линии электропередачи. Высокое напряжение разрушает электрические изоляторы, включая краску, кожу и большую часть обуви и перчаток. Специальная обувь, перчатки и инструменты считаются защитными при определенных уровнях напряжения.Эти элементы необходимо периодически проверять на наличие (иногда точного размера) разрывов изоляции. Изоляция может оказаться неэффективной, если на поверхности предмета есть влага или загрязнения.

Как отмечалось выше, для протекания тока требуется 2 или более точек контакта, находящихся под разным напряжением. Многие электрические системы подключены («заземлены») к земле. Опорные конструкции часто бывают металлическими, а также физически находятся в земле.

Рабочий был электрически подключен к линии электропередачи через металлические части своего грузовика.Высокое напряжение (7200 В) было достаточно высоким, чтобы пройти через краску на грузовике и его обуви. Птица не находилась достаточно близко к земле или чему-либо еще, чтобы замкнуть цепь на землю. Есть птицы с большим размахом крыльев, которые действительно получают удар током, когда перекрывают разрыв между проводами и конструкциями, находящимися под разным напряжением.

ЧАСТЬ B: ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Шаговый и контактный потенциалы

Земля (земля) под нашими ногами обычно находится под напряжением 0 В.Линии электропередач и радиоантенны заземляют путем соединения их с металлическими стержнями, вбитыми в землю. Если человек идет босиком по земле с расставленными ногами, между двумя ступнями должно быть напряжение 0 В. Это нормальное состояние нарушается, если проводник высоковольтной линии электропередачи достигает земли или если молния ударяет по земле.

Напряжение от воздушных линий электропередачи может достигать земли несколькими способами. Линия может порваться или отсоединиться от своих изолированных опор и вступить в контакт с самой землей или с конструкциями, которые сами связаны с землей.Опорные провода (растяжки) могут отсоединяться от своих соединений у земли и становиться под напряжением, когда они соприкасаются с линией электропередачи. В этом случае растяжка под напряжением находится под высоким напряжением. Если растяжка контактирует с землей, напряжение на земле в точке контакта и вокруг нее больше не равно 0 В.

Когда провод под напряжением контактирует с землей напрямую или через проводник, это называется замыканием на землю. Уменьшение напряжения с расстоянием от точки контакта с землей объекта под напряжением называется градиентом потенциала земли .Падения напряжения, связанные с этим рассеянием напряжения, называются потенциалами земли.

На рисунке показана типичная кривая распределения градиента напряжения. Этот график показывает, что напряжение уменьшается с увеличением расстояния от заземляющего объекта. Слева от заземленного объекта, находящегося под напряжением, есть разница напряжений между двумя ногами человека, называемая ступенчатым потенциалом. Справа есть разница напряжений между рукой человека и двумя ногами, называемая потенциалом прикосновения.Также существует ступенчатый потенциал между двумя ногами человека справа. (Рисунок и этот раздел являются модификациями части правил OSHA [Standards-29 CFR].)

Ступенчатые и сенсорные потенциалы. Фактические цифры могут варьироваться в зависимости от типа почвы и влажности, а также других факторов.

Мгновенное горение, нагрев электрическим током или и то и другое

Дуги высокого напряжения связаны с прохождением электричества по воздуху. В некоторых случаях дуга не касается человека. В этой ситуации от тепла дуги могут возникнуть серьезные ожоги (мгновенный ожог).Также возможны ожоги от горящей одежды и других веществ. Ожоги также могут быть вызваны прикосновением к предметам, которые термически горячие, но не находятся под напряжением.

Дуги высокой энергии могут вызывать взрывные ударные волны. ⁵ Сила тупой травмы, которая может вызвать ушиб человека, разрыв барабанных перепонок и ушиб внутренних органов.

Если электрическая дуга или провод под напряжением соприкасается с человеком и через него проходит электричество, может возникнуть травма из-за электрического тока, протекающего через тело, в дополнение к механизмам травмы, упомянутым выше.

Клинически важно определить, повлекло ли высоковольтное повреждение электрический ток, протекающий через тело. Ток, протекающий через тело из-за высокого напряжения, может привести к возникновению условий, за которыми необходимо следить с течением времени. Эти состояния включают миоглобинурию, коагулопатию и компартмент-синдромы. Несколько клинических и связанных с электрическим контактом проблем могут помочь определить, протекал ли ток через тело. Во-первых, для протекания электрического тока через тело требуется как минимум 2 точки контакта.При высоком напряжении это обычно ожоги на всю толщину. Они могут быть размером с булавочную головку, а иногда их может быть несколько из-за искрения. Если проводник, например кусок проволоки, соприкоснулся с кожей, это может привести к ожогу из-за формы соприкасающегося объекта.

Горение от вспышки при отсутствии тока через тело, напротив, имеет тенденцию быть диффузным и относительно однородным. Мгновенные ожоги на иногда на меньше полной толщины, тогда как ожоги от высоковольтных контактов будут на всю толщину.

Так называемые входные и выходные раны

Часто бывает всего 2 контактных ожога, которые обычно называют входными и выходными ранами.Эти термины относятся к тому факту, что электрический ток исходит от источника напряжения, входит в тело в одной точке, протекает через тело в другую точку контакта, где он выходит из тела и возвращается к источнику напряжения (или земле). Эта терминология несколько сбивает с толку, если учесть, что переменный ток меняет направление много раз в секунду. Терминология также может вводить в заблуждение, потому что она напоминает пулевые ранения, которые иногда имеют небольшие входные и более крупные выходные ранения. При поражении электрическим током размер раны будет зависеть от таких факторов, как размер и форма проводника, геометрия пораженной части тела и влажность.Аналогия с огнестрельными ранениями также вводит в заблуждение, поскольку не всегда имеется выходное ранение от пули, потому что пуля остается застрявшей в человеке. Таким образом, 2 отдельных ожога третьей степени предполагают протекание тока через тело. Диффузный ожог неполной толщины не предполагает протекания тока через тело.

Помимо особенностей, связанных с контактом, существуют клинические признаки, которые могут помочь определить, был ли ток через глубокие ткани. Например, можно ожидать, что высоковольтный контакт с рукой, связанный с током, протекающим в руку, будет вызывать твердость и нежность предплечья.При пассивных и активных движениях пальцев может возникнуть боль, а в руке может возникнуть сенсорная недостаточность.

Молния

Молния обычно сверкает над поверхностью тела, что приводит к удивительно небольшим повреждениям у некоторых людей. Влажная кожа и очень короткие электрические импульсы побуждают электрический ток проходить по поверхности тела. Тем не менее, молния иногда травмирует людей из-за протекания тока в теле, тупой механической силы, эффекта взрыва, который может разорвать барабанные перепонки и ушибить внутренние органы, а также интенсивный свет, который может привести к катаракте.

Контакт с проводниками

Низкое напряжение (

<600 В)

Влияние ударов низкого напряжения указано в таблице. Приведенные текущие уровни зависят от конкретного пути тока, продолжительности контакта, веса, роста и телосложения человека (особенно мускулатуры и костных структур) и других факторов. Эффекты, которые возникают в каждом конкретном случае, сильно зависят от нескольких факторов, связанных с тем, как осуществляется контакт с источником электричества. Эти факторы включают в себя путь тока, влажность, отсутствие возможности отпустить и размер областей контакта.

Путь тока

Если путь тока проходит через грудную клетку, непрерывные тетанические сокращения мышц грудной стенки могут привести к остановке дыхания. Далзил, ⁶ , проводивший измерения на людях, сообщает, что токи, превышающие 18 мА, стимулируют грудные мышцы, так что дыхание останавливается во время шока.

Другой эффект, который возникает при трансторакальном пути тока, — это фибрилляция желудочков. Трансторакальные пути тока включают руку в руку, руку к ноге и от передней части груди до задней части груди.Эксперименты на животных показали, что порог фибрилляции желудочков обратно пропорционален квадратному корню из продолжительности тока.

Явление отпускания при низком (

<600 В) контакте

Фактором, который имеет большое значение для травм, полученных при низковольтном разряде, является неспособность отпустить. Сила тока в руке, которая заставляет руку непроизвольно сжимать ее, называется отпускающим током. ⁷ Если, например, пальцы человека обхватить большой кабель или ручку пылесоса под напряжением, большинство взрослых смогут отпустить его с током менее 6 мА.При 22 мА более 99% взрослых не смогут отпустить. Боль, связанная с отпусканием тока, настолько сильна, что молодые мотивированные добровольцы могли терпеть ее всего несколько секунд. ⁷ При прохождении тока в предплечье стимулируются мышцы сгибания и разгибания. Однако сгибательные мышцы сильнее, и человек не может добровольно расслабиться. Практически во всех случаях неспособности отпускать руки используется переменный ток. Переменный ток многократно стимулирует нервы и мышцы, что приводит к тетаническому (устойчивому) сокращению, которое длится до тех пор, пока продолжается контакт.Если это приводит к тому, что субъект ужесточает хватку за проводник, результатом является продолжение электрического тока через человека и снижение контактного сопротивления. ⁸

При переменном токе возникает ощущение поражения электрическим током, пока сохраняется контакт. Напротив, с постоянным током возникает только ощущение шока, когда цепь замкнута или разорвана. Пока контакт поддерживается, ощущения шока не возникает. Ниже 300 мА постоянного тока (среднеквадратичное значение) явление отпускания отсутствует, потому что рука не зажата непроизвольно.Когда ток проходит через руку, возникает ощущение тепла. Замыкание или разрыв цепи приводит к болезненным неприятным ударам. При токе более 300 мА отпускание может быть невозможно. ⁴ Порог фибрилляции желудочков для разряда постоянного тока длительностью более 2 секунд составляет 150 мА по сравнению с 50 мА для разряда 60 Гц; для разрядов короче 0,2 секунды порог такой же, как и для разрядов 60 Гц, то есть примерно 500 мА. ⁴

Мощность обогрева также увеличивается, когда человек не может отпустить.Это связано с тем, что плотный захват увеличивает площадь кожи, эффективно контактирующую с проводниками. Кроме того, со временем между кожей и проводниками накапливается высокопроводящий пот. Оба эти фактора снижают контактное сопротивление, что увеличивает протекающий ток. Кроме того, нагревание сильнее, потому что продолжительность контакта часто составляет несколько минут по сравнению с долей секунды, необходимой для того, чтобы отказаться от болезненного раздражителя.

Неспособность отпустить приводит к увеличению тока в течение более длительного периода времени.Это увеличит повреждение из-за нагрева мышц и нервов. Также будет усиление боли и частота остановки дыхания и сердца. Также может быть вывих плеча с травмой связок и сухожилий, а также переломы костей в области плеч.

Явление отпускания для высокого (> 600 В) контакта

Несколько разных результатов могут произойти, когда человек схватится за провод, подающий из рук в руки напряжение 10 кВ переменного тока. Такой контакт занимает более 0,5 секунды, прежде чем большая часть клеток дистального отдела предплечья подвергнется тепловому повреждению.Однако в течение 10–100 миллисекунд мышцы на пути тока сильно сократятся. Человека можно стимулировать, чтобы он сильнее сжимал провод, создавая более сильный механический контакт. Или человека может оттолкнуть от контакта. Какое из этих событий произойдет, зависит от положения руки относительно проводника. Большинство очевидцев сообщают, что жертвы отталкиваются от проводника, возможно, из-за общих мышечных сокращений. В таких случаях время контакта оценивается примерно в 100 миллисекунд или меньше. ^{9 (стр. 57)}

Контакт с погружением: утопление электрическим током

Клинические проблемы

Утопление или близкое к утоплению может быть результатом попадания электричества в воду. Состояния, требующие лечения почти утопления, вызванного электричеством, в основном такие же, как и условия, связанные с неэлектрическим утоплением. Эти состояния включают повышение миоглобина, которое может привести к почечной недостаточности (обнаруживаемой по повышению креатинкиназы [КФК] и исследованию мочи), респираторному дистресс-синдрому у взрослых, гипотермии, гипоксии, электролитным нарушениям и аритмиям, которые включают желудочковую тахикардию и фибрилляцию желудочков.Считается, что уровни креатинкиназы и миоглобина в неэлектрических случаях утопления связаны с жестокой борьбой, а также иногда с длительной гипоксией и электролитным дисбалансом. Электричество в воде может стимулировать мышцы достаточно сильно, чтобы вызвать у человека сильную мышечную боль во время и после того, как он или она почти утонул. Это еще больше увеличит уровни КФК и миоглобина по сравнению с теми, которые могут возникнуть в результате неэлектрического воздействия на стол, близкий к утоплению. Уровень креатинкиназы иногда повышается в течение дня или более под влиянием проводимого лечения, продолжающейся гипоксии или гипотонии и других состояний, которые могут повлиять на продолжающийся некроз тканей.

Таблица 3

Почему погружение в воду при очень низких напряжениях может быть фатальным

1	Погружение очень эффективно увлажняет кожу и значительно снижает сопротивление кожи на единицу площади
2	Площадь контакта большой процент площади всей поверхности тела
3	Электрический ток также может проникать в организм через слизистые оболочки, такие как рот и горло.
4	Человеческое тело очень чувствительно к электричеству.Очень небольшое количество тока может вызвать потерю способности плавать, остановку дыхания и остановку сердца.

Воздействие электрического тока

Многие определения воздействия электрического тока на людей были сделаны Далзилом. ¹⁰ Для любого эффекта, такого как столбнячные мышечные сокращения, существует ряд текущих уровней, которые вызывают эффект в зависимости от индивидуальных особенностей субъектов. Например, ток, необходимый для возникновения тетанических сокращений мышц предплечья («отпускающий» ток), может составлять от 6 до 24 мА (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) в зависимости от пациента.Следовательно, текущие уровни, перечисленные в публикациях, могут быть максимальными, средними или минимальными уровнями, в зависимости от обсуждаемых вопросов. С точки зрения безопасности часто подходят значения, близкие к минимальным.

Как указано в таблице, Dalziel ⁷ обнаружил, что 10 мА может вызывать тетанические сокращения мышц и, следовательно, потерю мышечного контроля. Кроме того, Smoot and Bentel ¹² обнаружили, что 10 мА тока было достаточно, чтобы вызвать потерю мышечного контроля в воде. Они проводили измерения в соленой воде и не сообщали о приложенных напряжениях.

Таблица 4

Механизмы смерти при утоплении электрическим током

Механизм	Необходимый ток, мА	Необходимое напряжение, В переменного тока
Электрическая стимуляция сердца, вызывающего фибрилляцию желудочков	100	30
Тетаническое сокращение (эффективный паралич) мышц дыхания	20	6
Потеря мышечного контроля конечностей: 16 мА для среднего человека 1	16	4 .8
Потеря мышечного контроля конечностей: всего 10 мА для наиболее чувствительных женщин 7 , 11	10	3

Общее сопротивление тела в воде

Общее с учетом мер безопасности сопротивление тела от руки к ноге в воде считается равным 300 Ом. ^{13 — 15} Smoot ^{11 , 16} измерили полное сопротивление тела 400 Ом при погружении.Во многом это связано с внутренним сопротивлением тела. Таким образом, погружение устраняет большую часть сопротивления кожи.

Соленая вода обладает высокой проводимостью по сравнению с человеческим телом, поэтому поражение электрическим током в соленой воде является относительно редким явлением. Это связано с тем, что большая часть электрического тока проходит по внешней стороне тела.

Если есть разница напряжений, например, между одной рукой и другой, то через тело будет протекать электрический ток. Сила тока равна напряжению, деленному на общее сопротивление тела.

Какое напряжение в воде может быть смертельным?

В таблице указаны величины тока, необходимые для возникновения фибрилляции желудочков и других смертельных состояний. Общее сопротивление тела в воде составляет 300 Ом. Таким образом, известны необходимый ток и сопротивление, которое он должен испытывать. Таким образом, можно рассчитать необходимое напряжение. Для фибрилляции желудочков расчет выглядит следующим образом:

Требуемое напряжение = Ток × Сопротивление

Для того, чтобы вызвать фибрилляцию желудочков, необходимое напряжение составляет:

Напряжение = 100 мА × 300 Ом = 30 В

Рисунки для других механизмов смерти указаны в табл.

Электрический контакт, связанный с водой, часто происходит двумя способами. Эти механизмы могут происходить в ваннах, бассейнах и озерах. Первый механизм контакта заключается в том, что человек в воде выходит из воды и контактирует с токопроводящим объектом, находящимся под напряжением. Например, человек чувствует себя хорошо, сидя в ванне. Сопротивление контакта его руки с объектом под напряжением за пределами ванны может быть достаточно высоким, чтобы защитить его или ее, особенно если его или ее рука не мокрая и площадь контакта небольшая.

Второй механизм контакта включает человека в воде, находящегося в электрическом поле из-за проводника под напряжением, который находится в воде. Например, в воду падает электрический нагреватель, подключенный к тёплому проводу розетки 120 В переменного тока. Заземленный слив находится близко к плечам человека, а обогреватель — у его или ее ног. Это дает разницу напряжений 120 В переменного тока от плеч до ступней. При общем сопротивлении тела 300 Ом протекает 360 мА, что более чем в 3 раза превышает величину, необходимую для фибрилляции желудочков.

В озерах, прудах и других водоемах источник электроэнергии может генерировать ток в воде. Местоположение напряжений в воде можно измерить. В воде могут присутствовать напряжения из-за того, что корпус лодки, подключенной к береговому источнику питания, находится под напряжением. В воде также могут присутствовать напряжения из-за находящихся под напряжением проводников в воде, которые пропускают электрический ток в воду.

Может существовать электрический градиент (или поле), аналогичный описанной выше ситуации для ступенчатого и касательного потенциалов.Ситуацию сложнее проанализировать в воде, потому что человек в воде принимает разные позы и ориентации в трех измерениях (вверх, вниз и в стороны — север, юг, восток и запад). Трансторакальное напряжение и напряжение на конечностях будут меняться по мере движения человека в зависимости от ориентации (направления) электрического поля.

Измерения потери мышечного контроля в воде

Измерения, аналогичные измерениям Smoot and Bentel ¹² , были выполнены с одобрения институционального наблюдательного совета Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.Металлические пластины помещали внутрь резиновых контейнеров. Металлические пластины были плоскими на дне контейнеров. Сверху на каждую металлическую пластину помещали резиновый коврик с отверстиями. (Изолированный) провод заземления источника питания был подключен к одной пластине, а напряжение переменного тока 60 Гц от источника питания было подключено к другой пластине. Испытуемый стоял, опираясь на каждый резиновый коврик по одной ноге, как показано на рисунке. Таким образом, субъект контактировал с электрическим током в основном через воду, контактирующую с ногами через отверстия, а также через воду, контактирующую с ногами выше.Эта траектория потока между ногами имитировала ситуации рукопашного боя и рукопожатия, которые могут возникнуть у пловцов в воде. Эта установка сводила к минимуму ток через грудную клетку. В исследовании участвовал всего 1 предмет.

Установка для измерения напряжения и тока в воде.

Свежая (не соленая) вода с проводимостью 320 мкм / см наполняла каждое ведро до уровня около бедра. Было обнаружено, что электрически индуцированные сокращения мышц сильно меняются положением ног в воде.

Первоначальные испытания показали, что при 3,05 В (среднеквадратичное значение переменного тока 60 Гц) между пластинами протекал ток 8,65 мА, что приводило к непроизвольному сгибанию колена на 90 °. Это сгибание нельзя было преодолеть произвольным усилием. Колено можно было произвольно сгибать дальше, но оно не выпрямлялось больше, чем на 90 °. Непроизвольное резкое сгибание произошло, когда нога была поднята (сгибанием бедра) так, чтобы бедро было горизонтальным, а колено находилось на уровне воды. Это похоже на ситуацию во время плавания.Мышечный контроль постепенно восстанавливался, когда ступня опускалась на дно ведра (путем разгибания бедра в нейтральное положение) и нога становилась вертикальной. Общее сопротивление корпуса рассчитывается следующим образом:

При 4,05 В протекает ток 12,6 мА. Колено было согнуто на 135 °, то есть пятка находилась рядом с ягодицами. Это нельзя было преодолеть добровольными усилиями. Опять же, это произошло, когда нога была поднята так, чтобы колено находилось на уровне воды, аналогично ситуации, когда кто-то плывет.Меньшее нарушение мышечного контроля было отмечено в других положениях ног. Контроль над мышцами постепенно восстанавливается, когда ступня опускается на дно ведра и нога становится вертикальной. Сопротивление составит 4,05 В / 12,6 мА = 332 Ом.

Текущие уровни, измеренные в этих экспериментах, согласуются с уровнями, о которых сообщают Dalziel, ⁷ Smoot, ¹¹ и NIOSH, ¹ , как указано в таблицах и. Общее сопротивление системы (вода плюс предмет) близко к 300 Ом, что часто упоминается в литературе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существует множество типов электрических контактов, каждый из которых имеет важные характеристики. Понимание того, как электрический ток достигает и проходит через тело, может помочь врачу понять, как и почему произошли конкретные несчастные случаи и какие медицинские и хирургические проблемы могут возникнуть.

Благодарности

Авторы благодарят Энди Фиша за иллюстрации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Национальный институт охраны труда.Смерть рабочих от удара током. Публикация NIOSH № 98-131. 2009 г. Доступно по адресу: http://www.cdc.gov/niosh/docs/98-131/overview.html. Проверено 20 марта. [Google Scholar] 2. Рыба Р. М., Геддес Л. А.. Электрофизиология всплесков тока подключения. Cardiovasc Eng. 2008. 8 (4): 219–24. [PubMed] [Google Scholar] 3. Гримнес С. Диэлектрический пробой кожи человека in vivo. Med Biol Eng Comp. 1983; 21: 379–81. [PubMed] [Google Scholar] 4. Бернштейн Т. Расследование предполагаемых случаев поражения электрическим током и возгораний, вызванных внутренним напряжением.IEEE Ind Appl. 1989. 25 (4): 664–8. [Google Scholar] 5. Капелли-Шеллпфеффер М, Ли RC, Тонер М, Диллер КР. Документ представлен на конференции IEEE PCIC. Филадельфия, Пенсильвания: 1996. Взаимосвязь между параметрами аварии и травмы. 23–25 сентября. [Google Scholar] 6. Далзил CF. Опасность поражения электрическим током. IEEE Spectr. 1972; 9 (2): 41–50. [Google Scholar] 7. Далзил CF. Воздействие электрического шока на человека. ИРЭ Транс Мед Электрон. 1956: 44–62. PGME-5. [Google Scholar] 8. Рыба РМ. Феномен отпускания. В: Рыба Р.М., Геддес Л.А., редакторы.Электрическая травма: медицинские и биоинженерные аспекты. Тусон, Аризона: Издательство юристов и судей; 2009. глава 2. [Google Scholar] 9. Ли Р. К., Кравальо Э. Г., Берк Дж. Ф., редакторы. Электрическая травма. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета; 1992. [Google Scholar] 10. Далзил Чарльз Ф., Ли В. Р. Переоценка смертельных электрических токов. IEEE Trans Indus Gen Appl. 1968; ИГА-4 (5): 467–476. D.O.I.10.1109 / TIGA.1968.4180929. [Google Scholar] 11. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна.IEEE Trans Power Apparat Sys. 1964. 83 (9): 945–964. [Google Scholar] 12. Smoot AW, Bentel CA. Опасность поражения электрическим током осветительных приборов подводного плавательного бассейна. Нью-Йорк. При поддержке Underwriter’s Laboratories Inc. Доклад представлен на: Зимнем совещании по энергетике IEEE; Февраль 1964 г .; Нью-Йорк (раздел на страницах 4 и 5) [Google Scholar] 13. ВМС США. Серия учебных курсов по электричеству и электронике для ВМФ. Модуль 1 — Введение в материю, энергию и постоянный ток. Иногородний учебный курс. Пенсакола, штат Флорида: Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и обучения; 1998 г.С. 3–108. Доступно по адресу: www.hnsa.org/doc/neets/mod01.pdf. По состоянию на 26 марта 2009 г. [Google Scholar] 14. Управление военно-морского флота, канцелярия начальника военно-морских операций. Руководство по программе безопасности и гигиены труда ВМС США для сил на плаву. Том III. Вашингтон, округ Колумбия: военно-морское управление, канцелярия начальника военно-морских операций; 2007. С. D5–9. Доступно по адресу: http // doni.daps.dla.mil / Directive / 05000% 20General% 20Management% 20Security% 20and% 20Safety% 20Services / 05-100% 20Safety% 20and% 20Occupational% 20Health% 20Services / 5100.19E% 20-% 20Volume% 20III.pdf. [Google Scholar] 15. Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики. Паразитные напряжения — проблемы, анализ и смягчение последствий [окончательный вариант] Форест-Парк, штат Джорджия: Национальный центр испытаний и исследований в области электроэнергетики; 2001. С. 5–28. Проект NEETRAC № 00-092. [Google Scholar] 16. Smoot AW. Заседание панели по импедансу кузова В. В: Бриджес Ю.Э., Форд Г.Л., Шерман И.А., Вайнберг М., редакторы. Материалы Первого международного симпозиума по критериям защиты от поражения электрическим током.Нью-Йорк: Пергамон; 1985. с. 235. [Google Scholar]

ток — Истинное значение сопротивления кожи

ток — Истинное значение сопротивления кожи — Электротехника.

Сеть обмена стеками

Сеть Stack Exchange состоит из 177 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0
3. +0
6. Авторизоваться Зарегистрироваться

Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил 2 года, 8 мес назад

Просмотрено 3к раз

\ $ \ begingroup \ $

Когда я гуглил о сопротивлении кожи, я обнаружил, что люди упоминают значения от 500 Ом, но обычно около 10-100 кОм.Когда я измерил сопротивление собственной кожи, поместив датчики на внутреннюю сторону предплечья (чуть ниже запястья) на расстоянии 1-2 см между датчиками, сопротивление оказалось настолько высоким, что мультиметр даже не смог его измерить. Я попытался намочить руку слюной и получил сопротивление выше 1000 кОм, и да, я имею в виду 1 миллион Ом. Чтобы убедиться, что я не неправильно истолковал числа на мультиметре, я измерил резистор 100 кОм при той же настройке, и он показал мне «100», а затем снова мою кожу, и он показал мне примерно «1487».Это возможно?

Создан 18 сен.

Elec0Elec0

4722 серебряных знака66 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 2 \ $ \ begingroup \ $

Да, это возможно.Теперь попробуйте измерить сопротивление кожи на большей площади контакта. Также имейте в виду, что при поражении электрическим током от сети (высокого напряжения) кожа — это не просто пассивный резистор. Он может сломаться, и когда это произойдет, вы увидите сопротивление кровотока и жировой / мышечной ткани, которое значительно меньше.

Создан 18 сен.

Дирк БруэрDirk Bruere

11.1k77 золотых знаков4646 серебряных знаков8888 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 7 \ $ \ begingroup \ $

Да, это возможно. Не существует такого единого универсального понятия, как , истинное значение сопротивления кожи .

Реальное сопротивление кожи зависит от множества факторов, в том числе от того, насколько потная кожа, насколько грубая, чистая и т. Д.

Создан 18 сен.

Олин Латроп

301k3535 золотых знаков395395 серебряных знаков859859 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 0 Электротехнический стек Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой использования файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

экспериментов по изучению сопротивления человеческого тела постоянному току I

Примечание редактора — Документ, на котором основана эта статья, был первоначально представлен на симпозиуме IEEE Product Safety Engineering Society 2018 года, где получил признание как лучший доклад симпозиума.Он перепечатан здесь, с разрешения, из материалов Международного симпозиума IEEE Product Safety Engineering Society по разработке соответствия продукции требованиям 2018 года. Авторское право 2018 IEEE.

---

Физиологические эффекты поражения электрическим током в основном индуцируются током [1], поэтому ограничения по току часто устанавливаются в стандартах безопасности для защиты человеческого тела от опасности поражения электрическим током [2]. Однако для определенных стандартов или приложений часто предпочтительны пределы напряжения.В таких случаях импеданс человеческого тела можно использовать для оценки предельного напряжения на основе безопасных пределов тока. Кроме того, импеданс человеческого тела можно использовать для построения моделей электрических цепей, представляющих пути проводимости через человеческое тело, для оценки токов прикосновения. Например, согласно UL 101 [2], импеданс человеческого тела моделируется сопротивлением 1500 Ом, подключенным параллельно конденсатору 0,22 мкФ, включенному последовательно с другим резистором на 500 Ом. Такая измерительная схема используется для оценки силы тока прикосновения при воздействии шока на уровне восприятия для синусоидального переменного тока частотой 60 Гц.

Применение

постоянного тока, особенно с опасным напряжением, становится все более распространенным из-за более широкого использования возобновляемых источников энергии (например, фотоэлектрических), систем накопления энергии и т. Д. Следовательно, полезно проанализировать сопротивление человеческого тела при постоянном токе, чтобы лучше понять его влияние на физиологические эффекты поражения электрическим током для приложений постоянного тока. В стандарте IEC 60479-1 [3] указано сопротивление человеческого тела постоянному току для сопротивления человеческого тела от 25 В до 1000 В. Однако значения сопротивления постоянному току, включенные в [3], были основаны на экспериментальных данных, проведенных только при 25 В, а остальные значений, математически экстраполированных на основе сопротивления человеческого тела переменному току.Это делает предположение, что импеданс тела изменяется одинаково с постоянным током, как и с переменным током, что может или не может быть так. Кроме того, сопротивления корпуса постоянному току, приведенные в [3], относятся только к сухим условиям. Насколько известно авторам, в настоящее время отсутствуют данные о сопротивлении человеческого тела постоянному току во влажных условиях, основанные непосредственно на экспериментальных наблюдениях. Для влажных условий предполагается, что значения сопротивления корпуса постоянному току, указанные в стандарте IEC [3], идентичны сопротивлению корпуса переменного тока во влажных условиях при каждом напряжении.Опять же, это делает предположения, которые не имеют твердого подтверждения экспериментальными данными.

Поскольку постоянный ток при опасном напряжении и возможность воздействия на человека таких опасностей становится все более распространенным явлением, необходимо иметь исчерпывающие данные об импедансе человеческого тела при постоянном токе. Такой набор данных потребует, чтобы измерения на многих людях имели какую-либо статистическую значимость (т. Е. 50 или более). Конечной целью авторов является разработка типичных значений импеданса тела постоянного тока на основе экспериментальных данных, аналогичных тем, которые доступны в настоящее время для переменного тока.

Однако пока неясно, какой уровень влияния будут иметь различные параметры измерения, а также на сегодняшний день неясно, насколько воспроизводимым будет любое данное измерение для любого конкретного человека. Авторы пришли к выводу, что поэтому было преждевременно продвигаться вперед с крупномасштабной экспериментальной программой с участием значительного числа людей-добровольцев до того, как было установлено лучшее понимание согласованности измерений на каком-либо конкретном человеке. Например, было неясно, достижимы ли воспроизводимые значения при измерении одного и того же человека в разное время в одних и тех же условиях испытаний.Насколько известно авторам, ни в одной предыдущей работе это не оценивалось. Кроме того, не было обнаружено никаких опубликованных данных о влиянии контактного материала на тестирование импеданса человеческого тела, которое, как предполагается, влияет на измеренный импеданс тела и может лучше объяснить взаимосвязь измеренного импеданса тела и приложенного напряжения. (В [3] сообщалось, что сопротивление тела линейно уменьшается по мере увеличения приложенного напряжения.) Рассмотрев эти неизвестные эффекты на измерение импеданса тела постоянного тока, авторы сделали первый шаг к дальнейшему пониманию этих факторов; результаты которого представлены здесь.Поэтому более масштабную программу испытаний пришлось отложить до проведения в качестве второго этапа нашей работы.

Первоначальная работа, о которой сообщается здесь, исследовала влияние трех переменных теста (контактный материал, влажные или сухие условия и время дня) на трех испытуемых. Материалы для контактов из меди и алюминия использовались для лучшего понимания потенциального влияния на измеренный импеданс тела и для проверки гипотезы о том, что нелинейное поведение, наблюдаемое в поведении импеданса тела, аналогично тому, что наблюдается в контактах металл-полупроводник.[6] Влажные и сухие условия использовались для оценки влияния на измеренный импеданс тела, а также для определения относительной повторяемости измерений при каждом условии. В целях безопасности эта работа ограничила объем исследования до напряжений 60 В. и ниже.

Рисунок 1: Схема измерения силы восприятия тока прикосновения

Обзор порога ударного напряжения постоянного тока

Существует четыре различных физиологических эффекта электрического шока для постоянного или переменного тока: восприятие, неспособность расслабиться, фибрилляция желудочков и ожог.Согласно экспериментам, проведенным Далзилом в 1940-х годах [1], порог поражения электрическим током постоянного тока выше, чем переменного тока. Другими словами, человеческое тело менее уязвимо для поражения электрическим током при постоянном токе по сравнению с сигналами переменного тока 50/60 Гц аналогичной величины. Что касается предела напряжения, предел постоянного тока составляет 60 В в сухих условиях и 30 В во влажных условиях, как указано в UL 1310, [4] с целью защиты от неспособности отпустить ударные воздействия. Этот предел был выбран с целью защитить 95% населения, включая детей.Обратите внимание, что этот предел определяется на основе пути от руки к обеим ногам: для других путей тока допустимый предел напряжения может быть другим. Чтобы собрать более широкий диапазон экспериментальных данных, в этой работе предел напряжения был установлен на уровне 60 В вместо 30 В как для сухих, так и для влажных условий, хотя 60 В является пределом невозможности отпускания только в сухих условиях. . Однако следует отметить, что эти пределы были установлены с учетом интересов детей, и в этой работе испытуемыми были только взрослые (и поэтому они могут выдерживать более высокие напряжения).В целях безопасности и комфорта испытуемых каждый испытуемый мог разорвать цепь в любое время во время теста, оторвав руку от электрода (рис. 2), если ощущение восприятия становилось слишком неудобным. Ток был ограничен до уровня ниже 20 мА, как за счет настройки ограничения тока на источнике питания, так и за счет включения быстродействующего предохранителя на 20 мА, установленного последовательно с источником тока для испытуемого.

Рисунок 2: Фотография экспериментальной установки с субъектом

Оборудование и экспериментальная установка

Модель BK Precision 9183B использовалась для подачи постоянного тока во время испытаний.Во время теста выходное напряжение блока питания контролировалось портативным компьютером. Модель Dewetron DEWE-50-USB2-8 использовалась для сбора данных, включая выходное напряжение и ток от источника постоянного тока. Соединения по току и напряжению с металлическими пластинами были физически разделены, чтобы минимизировать влияние контактного сопротивления. Сопротивление тела рассчитывалось по показаниям напряжения и тока с использованием закона Ома.

На рис. 2 показана экспериментальная установка, на которой испытуемый находится в нужном положении во время тестирования.Испытуемый стоял на металлической пластине, которую чередовали между медью и алюминием. Испытуемым было предложено встать на тарелку босиком. Каждый испытуемый кладет правую руку на металлическую пластину из того же материала, что и пластина у ступней. Перед каждым сеансом тестирования руки очищали спиртовой салфеткой для удаления поверхностных масел и грязи, а также для сушки рук. Не было предпринято никаких усилий, чтобы очистить или высушить ноги. Размер металлической пластины для ручного контакта составлял 100 мм на 100 мм.Этот размер определяется как «большая площадь контакта» в стандарте IEC 60479-1 [2]. В соответствии с этим стандартом ожидается, что большая площадь контакта приведет к наименьшему сопротивлению к телу, что считается «наихудшим случаем» по сравнению с аналогичным определением «средних» и «малых» площадей контакта. В этой работе предполагается большая площадь контакта или «наихудший случай», поскольку наихудшие условия представляют наибольший интерес для приложений, связанных с безопасностью.

Известно, что на сопротивление человеческого тела влияет уровень влажности поверхности кожи [3].В этой работе поверхность рук тестировалась в двух условиях: сухой и имитирующий влажный пот и воду. Концентрация натрия в поте находится в диапазоне от 6 до 85 мэкв. на л [5], что эквивалентно от 13,8 мг / дл до 195,5 мг / дл. Для этой работы выбирается концентрация натрия на верхнем конце этого диапазона, так как это приведет к наименьшему сопротивлению и, следовательно, к «наихудшему случаю» опасности электробезопасности. Тест проводился при солености 80 мг-экв на литр воды, что приблизительно соответствует 95-му процентилю максимальной концентрации натрия 85 мг-экв.Это соответствует 1,85 г NaCl на литр воды. Человеческий пот также содержит калий и другие соли, но эти концентрации намного ниже по сравнению с концентрацией натрия [5]; поэтому в этом исследовании не учитывались эффекты калия.

Как показано на Рисунке 2, на тыльную сторону руки были приложены два мешка, каждый из которых был заполнен 0,5 кг металлической дроби. Испытуемые были проинструктированы расслабить руки с намерением, чтобы давление оказывалось только весом мешков.Это была попытка контролировать переменное давление на металлические пластины, которое может влиять на сопротивление контакту с телом.

Результаты

Напряжение питания подавалось линейно от 0 В до 60 В, линейно нарастало со скоростью 1 В / с. Ток был ограничен до 20 мА, и когда ток или напряжение достигали предела, источник питания переключался на источник постоянного тока на 20 мА. Каждое испытание продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто 60 В или пока испытуемый не уберет руку с пластины из-за дискомфорта.На рис. 3 показан пример измеренных напряжения и тока в сухих условиях для одного испытуемого. В этом случае приложенное напряжение постоянного тока достигало 60 В, затем снова снижалось до 0 В, при этом наблюдаемый ток составлял около 12 мА при приложенном напряжении 60 В. На рисунке 3 ось x — это временной шаг, который — это выборочный подсчет измерений, выполненных во время 60-секундного теста.

Рисунок 3: Пример измеренного выхода и тока в сухих условиях для одного объекта

	Тест 1	Тест 2	Тест 3	Тест 4
Рука	Сухой	Сухой	мокрый	мокрый
Материал электрода	Медь	Алюминий	Алюминий	Медь

Таблица 1: Условия испытаний

Были измерены четыре комбинации условий испытаний: Таблица 1 показывает условия, которые использовались для каждого испытания.Для каждого условия теста и каждого добровольца тест повторялся 20 раз в течение нескольких недель. На рисунке 4 показаны результаты прямоугольной диаграммы для измеренного тока для каждого из четырех тестов и трех добровольцев при приложенном напряжении 25 В. Верхний край внешнего прямоугольника светло-голубого цвета представляет первый квартиль (Q1), а нижний край представляет третий квартиль (Q3). Таким образом, эта внешняя часть графика представляет собой межквартильный диапазон (IQR) или средние 50% наблюдений.Внутреннее поле представляет 95% доверительный интервал. Вертикальные линии представляют собой верхние и нижние усы, которые выходят наружу, чтобы указать наименьшие и наибольшие значения в наборе данных (за исключением выбросов). Горизонтальная линия в рамке представляет собой среднее значение; кружок с крестиком представляет среднее значение.

Рисунок 4: Ток (мА) при 25 В для трех добровольцев и четырех условий испытаний

Данные на Рисунке 4 показывают, что изменчивость сопротивления тела во влажных условиях (тесты 3 и 4) была значительно меньше, чем наблюдаемая для сухих условий (тесты 1 и 2).Более того, сопротивление влажного состояния было ниже, чем соответствующего сухого состояния, что означает, что влажное состояние является худшим случаем (то есть более опасным) с точки зрения безопасности. Поскольку консерватизм обычно предпочтительнее при анализе безопасности, а тот факт, что данные о влажных условиях демонстрируют меньшую изменчивость, результаты предполагают, что в будущем тестирование импеданса тела будет проводиться только во влажных условиях.

На рис. 5 показан график измеренного тока для обоих тестов 3 (алюминий) и 4 (медь, оба проводились с использованием влажной кожи) при 5В.Было замечено, что металлический электрод влиял на измеряемый ток. Для всех испытуемых медь показывала более высокий измеренный ток при 5 В и 10 В, причем этот эффект, как было обнаружено, уменьшался с увеличением напряжения. Следует отметить, что это вряд ли связано с более высокой электропроводностью меди по сравнению с алюминием, поскольку конфигурация с четырьмя датчиками, используемая для измерения сопротивления, включает в измерение только контакт металла с кожей и не включает объемное сопротивление металла. контакт.Кроме того, любой вклад в объемное сопротивление будет наблюдаться при всех напряжениях и не будет уменьшаться при увеличении напряжения.

Рисунок 5: Коробчатая диаграмма измеренного тока для Теста 3 и Теста 4 (влажные условия) при 5 В

Метод дисперсионного анализа (ANOVA) может облегчить определение значимости фактора для конкретного выходного параметра. В этом исследовании он использовался для определения статистической значимости металлического материала электрода при измерении сопротивления тела как функции напряжения.На рисунке 6 показаны значения R , рассчитанные для влияния материала электрода на измеряемый ток: более высокое значение R предполагает большее влияние на выходной параметр. Было обнаружено, что значение R высокое при низких напряжениях, затем быстро падает при увеличении напряжения с 10 В до 20 В. Это говорит о том, что обнаружено, что металлический электрод оказывает статистически значимое влияние на измеренный импеданс при напряжениях ниже 20 В. , что согласуется с наличием барьера Шоттки на границе раздела металл-скин.[6]

Рисунок 6: Значение R (в процентах), рассчитанное с помощью дисперсионного анализа ANOVA во влажных условиях, оценивающее влияние электродного материала на каждого из трех добровольцев.

На рисунке 7 показано среднее значение сопротивления напряжения для испытания 4 (влажное состояние, медный электрод). Было замечено, что сопротивление тела обычно уменьшалось с увеличением напряжения прикосновения. Также было обнаружено, что сопротивление тела имеет нелинейную зависимость от напряжения, что соответствует стандарту IEC 60479-1.В стандарте IEC 60479-1 отмечается это нелинейное поведение, а также упоминается дальнейшее увеличение по мере того, как происходит электрический пробой кожи [3]. Природа этого нелинейного поведения не описана в IEC 60479-1. Авторы предполагают, что эту нелинейность можно объяснить в контексте барьера Шоттки, где контакт кожи с металлической пластиной образует переход металл-полупроводник, что приводит к неомическому вольт-амперному поведению. Тогда разница в измеренном сопротивлении между алюминием и медью будет зависеть от работы выхода (которая для двух металлов составляет примерно 4.3 и 4,7 эВ соответственно) [6]. Измерения с использованием дополнительных металлических поверхностей помогли бы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, например, проведение измерений с использованием материалов с более низкой работой выхода (например, магний, 3,7 эВ) и более высокой работой выхода (например, никель и платина, 5,2 и 5,7 эВ, соответственно. ), оба потенциальных объекта будущей работы.

Рисунок 7: Среднее значение сопротивления в зависимости от напряжения для Теста 4 (влажные условия)

Коэффициент вариации (CV) представляет собой отношение стандартного отклонения к среднему, что полезно для сравнения степени вариации измеренного сопротивления для каждого отдельного добровольца.Поскольку установление повторяемости измерения импеданса тела для одного и того же человека было ключевой целью этой работы, CV помогает количественно оценить эту изменчивость. На рисунке 8 показана CV для всех трех добровольцев, использующих медные электроды во влажных условиях (тест 4), сравнивая относительные различия данных среди добровольцев. Было замечено, что волонтер № 3 продемонстрировал гораздо больший разброс в сопротивлении тела по сравнению с двумя другими добровольцами (это также можно наблюдать на Фигуре 4). Для волонтера No.2, измеренное сопротивление тела было менее согласованным при более низких напряжениях, но при увеличении напряжения более 20 В CV сопротивления тела снижается примерно до 10%, что согласуется с данными добровольца № 1.

Рисунок 8: Коэффициент вариации для трех добровольцев, использующих медь во влажных условиях

Для дальнейшего исследования большего разброса, наблюдаемого в результатах добровольца № 3, данные были разделены по времени суток (утро и полдень). Утро определяется как измерения, проводимые в течение обычного рабочего дня до 12:00 по местному времени, а после полудня — как измерения, завершенные после 12:00.Во время этой работы, как правило, каждый день выполняли два измерения каждого испытуемого: одно утром и одно днем. За отсчетом времени понималось время, когда результаты теста были завершены и сохранены в компьютере. На рисунке 9 показан коэффициент вариации для утра (а) и после полудня (б). Как и в случае, показанном на рисунке 8, на рисунке 9 также показаны данные с медными электродами и кожей во влажных условиях. Интересно отметить, что CV значительно различается для волонтера No.3 между утром и днем, тенденция, которая была последовательной для этого объекта во всех приложенных напряжениях, используемых в этом исследовании. Для двух других добровольцев разница между утром и днем ​​оказалась менее значительной, особенно для добровольца № 1. Следует отметить, что для тестов, проводимых утром, разброс данных для добровольца № 3 фактически был ниже, чем для добровольца № 1. для добровольца № 2 — при напряжении менее 25 В. Как утром, так и днем, CV уменьшается с увеличением напряжения.Точная природа статистически значимых различий в утренних и дневных данных для добровольца № 3 в настоящее время неизвестна. Поскольку эта разница в поведении наблюдалась при 20 измерениях в течение нескольких недель, маловероятно, что проблемы были вызваны ошибкой измерения и, скорее, связаны с каким-либо метаболическим или другим состоянием организма, затронутым в полдень (т. Другая, хотя и менее вероятная, возможность — это какое-то неосознанное изменение в поведении добровольца No.3 между утром и днем, хотя было бы сложно повлиять на такое изменение постоянно в течение 20 тестовых сессий. Независимо от причины, здесь важна не конкретная причина, а общее влияние на сопротивляемость организма. Эти наблюдения действительно предполагают, что будущие измерения, возможно, потребуется проводить как утром, так и после обеда, и соответствующее время измерения должно быть отмечено для каждого испытуемого для будущих исследований.

Рисунок 9: Коэффициент вариации с использованием медных электродов во влажных условиях (тест 4), (а) утро (б) полдень

Заключение

Данные показали влияние материала контакта на измеряемое сопротивление тела и может быть связано с образованием барьера Шоттки, аналогичного тому, что наблюдается в приборах типа металл-полупроводник.Это объяснило бы природу давно известного неомического поведения импеданса человеческого тела, хотя для подтверждения этой гипотезы необходимы дальнейшие исследования. Результаты показывают, что обязательно указать состав контактных материалов, используемых для измерения импеданса тела, вместе с результатами, и что для обоих контактов следует использовать только один тип контактного материала.

Влажные условия показали более стабильные результаты испытаний на сопротивление тела, чем в сухих условиях.Учитывая это, а также тот факт, что влажные условия демонстрируют меньшее сопротивление тела, чем соответствующее сухое состояние, будущая работа будет сосредоточена на использовании только влажных условий. Это исследование также продемонстрировало, что измеренное сопротивление может значительно различаться в разное время дня, а именно утром и днем, как было исследовано здесь. Также было замечено, что эта вариация относительно времени суток наблюдалась не у всех испытуемых и имела неизвестное происхождение. Независимо от причины, результаты показывают, что время суток является потенциальной переменной для импеданса тела, и его необходимо продолжать включать в будущие исследования, желательно для получения данных в разное время суток для одного и того же добровольца.Если отделить этот эффект времени суток от данных, можно заметить, что коэффициент вариации имеет тенденцию составлять около 10%, причем более высокие значения наблюдаются при более низких напряжениях.

Экспериментальная работа, описанная здесь, показывает, что импеданс человеческого тела, измеренный для конкретного испытуемого и проведенный в одних и тех же условиях испытаний, будет воспроизводиться с течением времени. Ожидается, что данные будут нормально распределены со стандартными отклонениями примерно 10% от среднего значения для большинства испытуемых и условий, хотя для некоторых испытуемых возможна большая вариабельность (особенно из-за изменений из-за времени суток, но пока неизвестно. происхождение).

Эти результаты подтверждают, что данные более широкой выборки добровольцев, вероятно, будут репрезентативными для сопротивления тела постоянного тока каждого человека в пределах предсказуемого уровня неопределенности, даже если на добровольце был проведен только один сеанс измерения. Однако измерения, проведенные несколько раз на дополнительных добровольцах, будут полезны для лучшего понимания влияния переменных теста на людей. Это говорит о том, что в будущей работе часть добровольцев попросят вернуться для повторных измерений в течение нескольких дней, в то время как более широкую популяцию можно попросить принять участие только в одной или двух тестовых сессиях (желательно в двух, одна из которых будет проводиться утром, а другая — в второй в тот же день).Для дальнейшего изучения природы поведения при неомическом контакте трех исходных испытуемых попросят повторить тестирование с использованием дополнительных контактных материалов. Дополнительных испытуемых также могут попросить провести тесты с использованием нескольких контактных материалов. Предполагается, что для всех испытаний будут использоваться только влажные условия, поскольку измеренные токи были выше, а изменчивость данных была ниже. Ожидается, что испытания будут продолжены с тем же путем тока тела (правая рука к обеим ногам), хотя было бы полезно провести дополнительные исследования с другими путями тока тела.

Список литературы

1. 1. C.F. Далзил, Э. Огден и К. Эбботт, «Влияние частоты на отпускаемые токи», Труды Американского института инженеров-электриков,
      vol. 62 1943.
   2. UL 101, «Ток утечки для устройств», Underwriters Laboratories Inc.
   3. Технический комитет МЭК 64, рабочая группа 4, «Воздействие электрического тока на людей и домашний скот —
      Часть 1: Общие аспекты», IEC 60479-1.
   4. UL 1310, «Блок питания класса II», Underwriters Laboratories LLC.
   5. И. Шварц и др., «Экскреция натрия и калия в человеческом поту», Осеннее собрание Американского физиологического общества, стр. 114-119, Мэдисон, Висконсин.
   6. Р. Стейм, Ф. Рене Коглер и Кристоф Дж. Брабек, «Интерфейсные материалы для органических солнечных элементов»,
      J. Mater. Chem., 2010, 20, 2499-2512.
   9 1967 Р. Т. Тунг, (2014). «Физика и химия высоты барьера Шоттки», Обзоры прикладной физики , 1 (1).

Хай Цзян получил докторскую степень.D. и магистр электротехники Дейтонского университета (Огайо). В настоящее время он является старшим инженером-исследователем и глобальным экспертом по поражению электрическим током и токам утечки в Underwriters Laboratories (UL). Цзян является старшим членом IEEE Society и профессиональным инженером в США. Он также является основным назначенным инженером (инженер по стандартам UL) по току утечки UL101 для устройств. С Цзянем можно связаться по адресу [email protected].

Пол У.Бразис младший . является менеджером по исследованиям и заслуженным членом технического персонала UL по корпоративным исследованиям в UL LLC (Нортбрук, Иллинойс, США). Он имеет опыт работы в области электрических и тепловых характеристик, электронных материалов и физики устройств, получил степень бакалавра, магистра и доктора в области электротехники в 1995, 1997 и 2000 годах соответственно в Северо-Западном университете (Эванстон, Иллинойс, США). Бразис присоединился к UL в 2008 году и возглавляет группу электрических и механических исследований. С ним можно связаться по адресу [email protected].

БИОДИНАМИКА: Сопротивление

Сопротивление
Сопротивление и реактивное сопротивление — это термины из физики, которые являются частью сложной области материалов и их влияния на электричество. Однако на самом деле сопротивление и реактивное сопротивление легко понять.

Сопротивление — это отношение электрического потенциала (напряжения) к току в материале. Проще говоря, материал с высоким сопротивлением требует высокого потенциала для генерирования заданного количества тока в материале.Материал с низким сопротивлением требует низкого потенциала для генерации такого же количества тока.

Возможно, самый простой способ подумать об этом — сказать, что материал с низким сопротивлением проводит хорошо, а материал с высоким сопротивлением — плохо.

Сталь, которая хорошо проводит, считается, что она имеет низкое сопротивление. Говорят, что древесина с плохой проводимостью имеет высокое сопротивление. Из-за содержания электролита (заряженных ионов) соленая вода хорошо проводит и имеет низкое сопротивление, в то время как чистая вода плохо проводит и, как говорят, имеет высокое сопротивление.

Когда материал проводит, он выделяет энергию в виде тепла. Следовательно, сопротивление материала связано со способностью материала рассеивать энергию. Единицы сопротивления называются омами.

В организме человека низкое сопротивление связано с большим количеством обезжиренной массы. Высокая сопротивляемость связана с меньшим количеством обезжиренной массы.
Почему это так?
Основным проводником в организме человека является ионизированная вода.По мере того как процентное содержание воды в массе тела увеличивается, проводимость тела увеличивается. Поскольку вода в организме содержится исключительно в обезжиренной массе, проводимость тела пропорциональна количеству обезжиренной массы.