Граничні значення струмів
Головним і визначальним фактором впливу є величина електричного струму. Чим більше величина струму, тим небезпечніше його дія.
Людина починає відчувати вплив проходить через нього струму при наступних значеннях:
Iощ = (0,6 - 1,5) мА - для змінного струму частотою f = 50 Гц;
Iощ = (5 - 7) мА - для постійного струму.
Ці значення називаються пороговими відчутними струмами. Для змінного струму характер відчуття проявляється у вигляді пощипування, тремтіння пальців, для постійного струму - у вигляді свербежу, відчуття нагріву.
При подальшому збільшенні величини струму виникає другий порогове значення - це неминучий або утримують струми. При цьому відбувається судорожне скорочення м'язів рук, і людина не в змозі розтиснути пальці і відпустити токопровод, за який він взявся.
Для змінного струму частотою f = 50 Гц - Iнеотп = (10 - 15) мА, для постійного струму Iнеотп = (50 - 80) мА. Причому у різних людей значення неотпускающих струмів будуть різні. Нижні значення неотпускающих струмів наведені для жінок, верхні значення - для чоловіків.
При значеннях струмів 20 - 25 мА (змінна напруга f = 50 Гц) дію струму поширюється і на м'язи грудної клітки, що веде до утруднення і навіть припинення дихання, а при тривалому впливі таких величин струмів можливий летальний результат.
При значеннях змінного струму 100 мА його вплив передається безпосередньо на м'яз серця. При тривалості впливу 0,5 с може наступити зупинка або фібриляція серця. В останньому випадку, за рахунок безладного (хаотичного) скорочення волокон серцевого м'яза (фібрил), серце перестає виконувати функцію насоса, що веде до припинення в організмі кровообігу. Це третє порогове значення струмів - струмів фібриляції: для змінної напруги, f = 50 Гц - Iф = 100 мА, для постійної напруги - Iф = 300 мА.
Імовірність настання фібриляції серця залежить від тривалості протікання струму. Здорове серце скорочується 60 - 80 разів на хвилину, тобто тривалість одного кардиоцикла становить одну секунду. Кожен цикл серцевої діяльності складається з двох періодів: діастоли, коли шлуночки серця знаходяться в розслабленому стані і заповнюються кров'ю, і систоли, коли серце, скорочуючись, виштовхує кров в артеріальні судини. Експериментально встановлено, що чутливість серця до подразника в формі електричного струму неоднакова в різні фази його діяльності. Найбільш вразливим серце виявляється в фазі Т, тривалість якої дорівнює 0,2 с (рис. 1).
Якщо час дії струму не збігається з фазою Т, великі величини струмів не викликають фібриляцію, але можуть призвести до зупинки серця. При тривалості протікання струму, сумірною з періодом кардиоцикла, струм через серце проходить також і протягом фази Т. При цьому ймовірність настання фібриляції найбільша. І чим менше тривалість дії струму, тим менше ймовірність настання фібриляції серця.
Мал. 1. Імовірність виникнення фібриляції серця з моменту проходження через нього струму
Електричний опір тіла людини
При дотику до струмоведучих частин, що знаходяться під напругою, людина включається в електричний ланцюг і може розглядатися як елемент ланцюга. Тіло людини є провідником електричного струму. Однак на відміну від звичайних провідників провідність живої тканини обумовлена не тільки її фізичними властивостями, але і складними біохімічними і біофізичними процесами, притаманними лише живої матерії. В силу цього опір тіла людини є змінною величиною, що має нелінійну залежність від безлічі факторів, у тому числі від стану шкіри, параметрів електричного кола, фізіологічних факторів, стану навколишнього середовища.
Електричний опір різних тканин тіла людини неоднаково. Шкіра, кістки, жирова тканина мають відносно велике значення: ρкож ≈ ρкост = 310 3 -310 4 Омм. М'язова тканина, кров, лімфа і, особливо, спинний і головний мозок - мале значення питомого опору - ρмишц = 1,5-3 Омм; ρкр = 1-2 Омм; ρмозг = 0,5-0,6 Омм.
Таким чином, володіючи великим питомим опором, шкіра визначає опір тіла людини в цілому. Шкіра складається з двох основних шарів: зовнішнього - епідермісу (верхній шар шкіри товщиною 0,2 мм, що складається з мертвих ороговілих клітин), що володіє великим опором і внутрішнього - дерми, що має відносно малий опір, близьке за значенням до опору внутрішніх тканин.
Мал. 2. До визначення опору тіла людини:
а - схема вимірювання опору; б. в - еквівалентні схеми опору тіла людини; г - спрощена еквівалентна схема.
1 - електроди; 2 - зовнішній шар шкіри - епідерміс (роговий і паростковий шари); 3 - внутрішні тканини тіла (внутрішній шар шкіри і підшкірні тканини)
Таким чином, відповідно до наведеної на рис. 2, а схемою включення людини в електричний ланцюг між двома електродами, опір тіла людини складається з трьох послідовно включених опорів: двох однакових опорів зовнішнього шару шкіри - епідермісу (роговий і паростковий шари) і одного опору внутрішніх підшкірних тканин, званого внутрішнім опором. Воно включає два опору внутрішнього шару шкіри і опору підшкірних тканин тіла і становить величину - Rвн = 300-500 Ом. Опір тіла у різних людей, виміряний в різний час і в різних умовах, неоднаково. Електричний опір сухою, чистою, непошкодженою шкіри, виміряний при напрузі 15 - 20 В, становить (3 - 100) 10 3 Ом.
Якщо на ділянках, де прикладаються електроди, зняти роговий шар, опір тіла впаде до (1-5) · 10 3 Ом; при видаленні всього зовнішнього шару епідермісу - 500-700 Ом. Еквівалентні схеми опору тіла людини представлені на рис. 2, б. в. Опір епідермісу Zе складається з активного Rе і ємнісного
,
або в дійсній формі:
З наведеного виразу випливає, що зі зменшенням частоти опір тіла зростає, а на постійному струмі має найбільші значення:
,
де
Еквівалентну схему можна спростити, уявивши опір тіла як паралельне з'єднання опору Rh = 2Rе + R в і ємності Сh = 0,5Cе (рис. 2, г). Для цього випадку:
При частоті f = 50 Гц змінного напруги враховується лише активна складова повного опору і при раcчетах приймається Rh = 1000 Ом. Однак насправді Zh величина змінна і залежить від багатьох факторів. Так, в залежності від місця докладання електродів зі збільшенням площі торкання опір зменшується. Значення струму і тривалість його проходження через тіло людини безпосередньо впливають на електричний опір Zh. . Зі збільшенням струму і часу його проходження опір зменшується, що пов'язано з порушенням процесів терморегуляції в організмі: за рахунок посилення місцевого нагріву шкіри і внутрішніх органів судини розширюються, посилюється постачання цих ділянок кров'ю, що збільшує потовиділення. Опір вологою шкіри зменшується, струм ще більш зростає, посилюючи нагрів і т.д.
Аналогічним чином поводиться залежність опору від величини прикладеної напруги. Підвищення напруги зменшує опір тіла людини в десятки разів: по-перше, за рахунок порушення процесів терморегуляції через збільшення струму, як це було розглянуто вище; по-друге, за рахунок розвитку процесів пробою шкіри при величині прикладеної напруги вище 50 В. При цьому величина опору Zh прагне до значення Rвн = 300-500 Ом.
Встановлено, що для відпускають струмів: Zh = (2-3) 10 3 Ом;
при неотпускающих токах: Zh = 1000 Ом;
при смертельному струмі: Zh = 500 Ом.