Воздействие постоянного тока на организм человека

Таблица 8

Ток, мА	Физиологическое воздействие
1	2
0,6 – 1,5	Не ощущается
2 – 3	Не ощущается
5 – 7	Зуд ощущение нагрева
8 – 10	Усиление ощущения нагрева
20 – 25	Еще большее усиление ощущения нагрева. Незначительные сокращения мышц рук
50 – 80	Сильное ощущения нагрева. Судороги мышц рук. Затруднение дыхания
90 – 100	Паралич дыхания
3000 и более	Сведения отсутствуют

Физиологическое воздействие переменного тока на организм человека приведено в таблице 9.

Воздействие переменного тока на организм человека

Таблица 9

Ток, мА	Физиологическое воздействие переменного тока частотой 50 – 60 Гц
1	2
0,6 – 1,5	Начало ощущения, легкое дрожание пальцев рук
2 – 3	Сильное дрожание пальцев рук
5 – 7	Судороги в руках
8 – 10	Руки с трудом можно оторвать от электродов. Сильные боли в кистях рук
20 – 25	Паралич рук, невозможно оторваться от электродов. Сильные боли затрудняется дыхание
50 – 80	Паралич дыхания
90 – 100	Паралич дыхания. При длительности воздействия 3 с и более – паралич сердца
3000 и более	При воздействии более 01 с – паралич дыхания и сердца. Разрушение тканей тела теплом тока

5.2. Задачи качественного характера

Задача 39.

Почему при электромонтажных работах, производимых под напряжением, по правилам техники безопасности необходимо иметь обувь на резиновой подошве?

Решение: В случае включения электромонтажника в электрическую цепь наличие резиновой обуви значительно увеличит его электрическое сопротивление. Сопротивление тела человека обычно составляет единицы кОм, а хорошая обувь – 50…60 кОм.

Задача 40.

Для чего на электрифицированных дорогах на стыках рельсов устраиваются соединители в виде жгутов толстой медной проволоки, приваренных к концам обоих рельсов?

Решение: Сопротивление определяется , следовательно, чем больше площадь поперечного сечения медного жгута, тем меньше его сопротивление и больше электропроводимость .

Задача 41.

Диагностика является важным элементом контроля состояния работоспособности любой электрической цепи. Работник по ошибке включил амперметр вместо вольтметра при измерении напряжения на горящей лампочке. Объясните, что произошло с величиной тока в цепи?

Решение: Работник включил амперметр параллельно (по схеме вольтметра). Так как сопротивление амперметра очень мало, то при параллельном включении этого прибора в цепь сила протекающего в нем тока может достичь очень большого значения. Резкое увеличение силы тока в цепи может привести к короткому замыканию. Следствие короткого замыкания – мгновенное повышение температуры на многих участках цепи (что может вызвать возгорание, воспламенение) и, конечно, перегорание обмотки амперметра, не рассчитанного на такие высокие токи.

Задача 42.

На ваттметре имеются три пары клемм: токовые и напряжения 127 В и 220 В. Как, имея омметр, узнать, какие это клеммы, если надписи на приборе стерты и необходимо осуществить правильное безопасное подключение?

Решение: При измерении сопротивлений обмоток, соединенных с соответствующими клеммами, находят, что токовая обмотка та, у которой наименьшее сопротивление. Обмотка напряжения на 220 В имеет самое большое сопротивление.

Задача 43.

Елочная гирлянда имеет пять ламп, включенных последовательно. Уменьшится ли расход электроэнергии, если уменьшить число ламп до четырех?

Решение: Рассмотрим цепь последовательно соединенных пяти ламп. Общее сопротивление в цепи равно . Найдем энергию, выделенную в данном случае . Рассмотри цепь из четырех ламп соединенных последовательно и . Следовательно, убирая одну из нескольких ламп, соединенных последовательно, увеличиваем расход электроэнергии при тех же условиях.

Задача 44.

Почему плавкий предохранитель выходит из строя раньше, чем какой-либо другой участок электрической цепи?

Решение: Электрический предохранитель – компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа.

Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении им номинального тока – тока, на который рассчитан предохранитель. Предохранитель делают из легкоплавкого провода, во много раз более тонкого, чем вся остальная цепь. Из-за большой плотности тока и малой поверхности охлаждения этот провод быстро нагревается, плавится, что и обеспечивает защитное отключение установки (или участка электрической цепи).

Задача 45.

В сеть параллельно включены две лампы. Сопротивление одной из ламп больше другой. В которой из ламп выделится большее количество теплоты за равное время, какая лампа скорее перегорит и потребует замены?

Решение: Количество теплоты определяется . Следовательно, в той лампе, которая имеет меньшее сопротивление, выделится больше теплоты и она перегорит быстрее.

Задача 46.

Если на волоске электрической лампы накаливания образовался изъян (утонение волоска), то место изъяна накаливается сильнее остальной части волоска. Почему?

Решение: Количество теплоты, выделяемое лампой , а сопротивление волоска накаливания определяется Единица длины изъяна (утонения) имеет большее сопротивление, так как площадь поперечного сечения проводника уменьшилась, поэтому на ней выделяется относительно большее количество теплоты. Происходит разогрев этого места волоска, и, в конце концов, он перегорает. Если у электрического провода образовался такой «слабый» элемент, он может стать причиной пожара.

Задача 47.

Для обеспечения достаточной освещенности на рабочих местах необходимо правильно выбирать тип и мощности ламп, а также знать их характеристики. Сопротивление 100 – ваттной лампы накаливания, работающей при напряжении 220 В, в накаленном состоянии в n = 15 раз больше, чем при температуре t₁ = 10 ⁰C. Найти сопротивление при этой температуре и температурный коэффициент сопротивления , если в накаленном состоянии температура нити t₂ = 2500 ⁰C.

Решение: Мощность ламп накаливания обратно пропорциональна сопротивлению нити накала, нагревающейся в процессе свечения. Величина сопротивления проводника зависит от степени его нагрева (вольфрама). Определим сопротивление при разных температурах:

R₀ – сопротивление лампы при 0⁰С,

R₁ – при 10 ⁰С, ;

R₂ – при 2500 ⁰С , .

Найдем отношение сопротивлений при разных температурах:

. Отсюда .

Зная мощность лампы P, можно найти её сопротивление R₂ в накаленном состоянии и R₁ при температуре t₁:

;

.

Задача 48.

Необходимо разработать систему, в которой электрические параметры не зависят от колебаний температур. Медный и графитовый стержни одинаковой толщины соединены последовательно. При каком соотношении их длин сопротивление этой системы не будет зависеть от температуры?

Решение: Для последовательного соединения проводников (медного и графитового) общее сопротивление стержней при температуре t определяется как сумма сопротивлений каждого участка

,

где – сопротивления стержней при 0⁰ С. Из приведенного уравнения видно, что общее сопротивление цепи R_t не будет зависеть от температуры тогда

или ,

отсюда .

При таком соотношении длин проводников электрическая система не зависит от температуры.

Задача 49.

Чему равно сопротивление линии от генератора с напряжением U , если при коротком замыкании предохранители из свинцовой проволоки сечением S и длиной l плавятся за определенное время.

_{Решение: Количество теплоты, необходимое, чтобы предохранитель расплавился}

,

где m = 20 г – масса свинца; T = 327 ⁰C– температура плавления; – плотность свинца; c = 140 Дж/кг – удельная теплоемкость свинца; .

Количество теплоты ,

где U₁ – падение напряжения на предохранителе, R₁ – сопротивление предохранителя.

Если считать, что все тепло, выделившееся в проводнике, идет на его нагревание и плавление, то , то есть

, откуда .

При последовательном соединении , где U₂ – падение напряжения на проводящих проводах; R₂ – их сопротивление. Отсюда

.

Задача 50.

Почему электрические лампы чаще всего «перегорают» в момент замыкания тока и редко в момент размыкания?

Решение: Известно, что сопротивление холодного металла меньше, чем раскаленного; закон изменения сопротивления металла при разных температурах описывается формулой . По этой причине в момент включения сила тока будет наибольшей. Лампа, долго находившаяся в употреблении, имеет более тонкую нить (вследствие испарения металла), поэтому в момент включения она окончательно разрушается.

Задача 51.

Для новой конструкции разработанного электрического нагревателя необходимо написать инструкцию по безопасной эксплуатации. Какова может быть максимальная температура никелиновой спирали электрического нагревателя, опушенного в стакан с водой, если нагреватель включить в сеть?

Решение: Температура кипения воды равна 100⁰С при нормальном атмосферном давлении, следовательно, максимальная температура никелиновой спирали электрического нагревателя должна быть такой же. В случае включения нагревателя в сухом сосуде он взрывается (перегорает).

Задача 52.

Работнику необходимо решить, каким образом лучше всего соединить оборванные концы спирали электроплитки: крепко скрутить концы и обмотать место соединения медной проволокой или ограничиться простым соединением концов обрыва. При каком варианте соединения спираль может скорее перегореть?

Решение: При втором варианте соединения из-за плохого контакта (большого сопротивления) кусков спирали в месте скрутки.

Задача 53.

При включении в сеть нагревательных приборов (утюга, плитки) горящие лампы внезапно уменьшают свою яркость. Особенно заметно уменьшается яркость в первый момент; затем она несколько возрастает, но все равно остается меньше, чем до включения прибора. Объясните это явление, которое характерно только для маломощных генераторов или для случая токоподводящих проводов недостаточного сечения.

Решение: При включении в сеть приборов с малым сопротивлением (утюга, плитки) возрастает ток в цепи. Это вызывает возрастание падения напряжения внутри генератора и на подводящих проводах. Вследствие этого уменьшается падение напряжения на вводе в квартиру и яркость горящих ламп падает. С течением времени яркость ламп постепенно увеличивается потому, что по мере разогревания прибора его сопротивление увеличивается, а напряжение, вызванное его включением, уменьшается.

Задача 54.

Улицы в сельской местности освещены лампами, питаемыми генератором небольшой мощности. Почему в том конце улицы, который находится дальше от генератора, лампы дают меньше света?

Решение: Для генератора малой мощности существенным является падение напряжения на подводящих проводах. Поэтому напряжение на зажимах лампы будет тем меньше, чем дальше она находится от генератора.

Задача 55.

Обоснуйте, почему нельзя изготавливать емкости для жидкостей, в которых используются алюминий и медь в одном изделии?

Решение: В процессе эксплуатации емкости, состоящей из медного и алюминиевого материала, возникает электролиз. «Электроды», алюминиевый и медный, находящиеся в воде, создают гальванический элемент. Вода, благодаря имеющимся солям, является электролитом. При действии этого элемента происходит растворение металла (алюминия) и выделение водорода. Эксплуатация такой емкости опасна.

Задача 56.

При перегреве электродвигателя происходит его аварийное отключение (защитное). Объяснить, как работает система отключения электродвигателя, основанная на использовании биметаллических пластин?

Решение: Одним из элементов системы отключения электродвигателя является биметаллическая пластина. Данную часть системы выполняют из двух материалов – латуни и железоникелевого сплава. Один конец, как правило, неподвижно закреплён в устройстве, а другой – перемещается в зависимости от температуры пластины. Температурный коэффициент расширения латуни в 20 раз больше, чем у сплава железо – никель. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет выпрямление пластины. Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь, и отключает электропитание нагрузки. Схема аварийного отключения электродвигателя при его перегреве представлена на рисунке 25.

Рисунок 25. Схема аварийного отключения электродвигателя при перегреве.

1-обмотка электродвигателя; 2-биметаллическая пластина; 3-пружина на растяжение; 4-пружина на сжатие; 5-коромысло; 6- контакты, отключающие двигатель

Задача 57.

Щелочные аккумуляторы легче и прочнее кислотных, не боятся короткого замыкания. Однако они имеют большее внутреннее сопротивление и резко меняют напряжение при изменении температуры. Почему два последних обстоятельства не позволяют применять щелочные аккумуляторы в автомобиле?

Решение: При включении стартера, потребляющего большой ток (сотни ампер) происходила бы большая потеря напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока, роль которого играет аккумулятор. Большой ток приведет к недопустимому падению напряжения на клеммах аккумулятора.

При изменении температуры окружающего воздуха будет меняться и напряжение на полюсах аккумуляторной батареи.

Задача 58.

Перед зарядкой аккумулятора обнаружили, что уровень электролита в нем ниже нормального. Что нужно сделать: добавить готовый электролит или долить дистиллированной воды.

Решение: Главное условие прохождения электролиза – необходимая концентрация электролита. Поэтому, если электролит пролит, то его надо добавить, если он испарился, то достаточно долить дистиллированной воды.

Задача 59.

Конденсатор присоединен к аккумулятору. Раздвигая пластины конденсатора, мы преодолеваем силы электростатического притяжения между ними и, следовательно, совершаем положительную работу. В какой вид превращается при этом энергия сторонних сил? Что происходит с энергией конденсатора?

Решение: Энергия конденсатора определяется , а емкость . Работа сторонних сил увеличивает энергию аккумулятора. Поскольку пластины конденсатора все время остаются присоединенными к клеммам аккумулятора, разность потенциалов, приложенная к ним, остается постоянной: U=const. Так как при раздвижении пластин емкость конденсатора уменьшается , то заряд на них должен уменьшаться, происходит частичный разряд конденсатора, и в цепи протекает ток, вследствие чего аккумулятор заряжается.

Задача 60.

Почему прикосновение голыми руками к неизолированным электрическим проводам опасно для жизни? Что обеспечивает контакт между проводом и кожей рук человека?

Решение: Влага на руках содержит раствор различных солей и является электролитом, создавая хороший контакт между проводами и кожей.

Если кожа в зоне контакта с проводом сухая, то ток через человека будет меньше.

Задача 61.

Почему при заземлении пластины (металлические электроды системы заземления) стараются закапывать во влажный слой почвы, а закапывание, например, в сухой песок недостаточно эффективно?

Решение: При заземлении пластины закапывают во влажный слой почвы, так как ионы, содержащиеся в воде, обеспечивают хорошую электропроводность почвы.

Задача 62.

Специфическая металлическая пленка гальванического покрытия даже при минимальной толщине (не более пары сотен микрон) позволяет защитить металлические и неметаллические изделия от коррозии и окисления, одновременно с этим придавая дополнительную твердость, износостойкость, антифрикционные, декоративные и прочие свойства. Для чего изделия перед гальваническим покрытием тщательно очищают, обезжиривают, промывают и подвергают травлению («декапированию»)?

Решение: Осаждение металла в процессе электролиза может быть осуществлено только на чистую поверхность изделия. Всякие загрязнения нарушают нормальный процесс электролиза, ухудшают сцепление осаждаемого металла с основой.

Задача 63.

Какие металлы чаще всего используют для гальванического покрытия изделия?

Решение: Детали покрывают либо с декоративной целью (золочение, серебрение), либо для защиты от коррозии (хромирование, никелирование). Металлы никель и хром обладают большой химической стойкостью, механической прочностью и после полировки дают красивый блеск.

Задача 64.

Почему катод электронной лампы быстрее разрушается, если внутри находится небольшое количество воздуха?

Решение: Катод электронной лампы быстро разрушается, если внутри находится небольшое количество воздуха, так как проходит химическая реакция окисления. Положительные ионы воздуха бомбардируют и разрушают нить.

Задача 65.

Для чего каждый провод высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) делают тройным?

Решение: Острые и тонкие провода представляют собой электроды в неоднородном электрическом поле, между которыми возникает коронный разряд. Когда напряжённость электрического поля достигает предельного значения для воздуха (около 30 кВ/см), вокруг электрода возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны. Разряд начинается, когда напряжение U между электродами достигает «начального потенциала» короны U₀. Ток коронного разряда пропорционален разности (U – U₀) и подвижности образующихся в разряде ионов газа. При повышении U яркость и толщина коронирующих слоев растут. Третий провод нужен для уничтожения коронного разряда.

Задача 66.

Можно ли при помощи контактной сварки соединить медные или серебряные детали?

Решение: Контактная сварка – это метод, часто используемый в промышленности для соединения однотипных деталей.

Принцип работы контактной сварки – использование электрического тока высокого напряжения, который преобразуется в месте соединения в тепловую энергию и вместе с оказываемым на поверхности давлением обеспечивает появление надежного соединения. Технология контактной сварки известна уже давно. Чтобы соединить металлические детали их нагревали, прижимали друг к другу и ковали кузнечным молотом.

По сути, электрический ток создает тепловую энергию, необходимую для процесса, упрощая длительный и трудоемкий процесс нагрева. Неизменным в технологии остается необходимость создать достаточное для хорошего контакта между поверхностями давление.

Оно достигается с помощью механических частей такого аппарата. Получившийся шов при правильной технологии обеспечивает достаточную прочность и герметичность даже для очень интенсивных и постоянных нагрузок на деталь.

Контактно – прессовая сварка (чаще ее называют просто контактной сваркой) применяется очень широко в любых видах работ, когда необходимо соединение металлических деталей с образованием шва высокой прочности, в частности – в авиастроении.

Удельное сопротивление серебра , удельное сопротивление меди , то есть они имеют малое удельное сопротивление, и в месте контакта не будет достаточного для сварки нагрева.

Например, сталь обладает большим удельным сопротивлением , поэтому для соединения стальных деталей, активно используется контактная сварка.

Задача 67.

Обычный трамвайный провод, подвешенный между столбами, провисает. При таких условиях дуга вагона не всегда одинаково прижимается к проводу и может даже на время совсем от него отделиться. Что должно произойти в этот момент?

Решение: Дуга вагона и провода на определенном удалении представляют собой два электрода. При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Между проводом и дугой вагона вспыхивает электрическая дуга. Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. Для исключения этого явления дуга имеет пружины и длину, превышающую любую высоту провода на трассе

Задача 68.

Что произойдет с электрическим соединением троллейбуса при кусковом обледенении провода?

Решение: Разрыв электрической цепи на этом участке.

Задача 69.

Какой вред наносят искры и электрическая дуга ножам рубильников, контактам выключателей, токоснимателям трамваев, троллейбусов и электропоездов?

Решение: В ряде устройств рубильников, токоснимателей, контактных выключателей происходящие явления электрической дуги являются вредными. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга. Механизм возникновения дуги в данном случае следующий:

• уменьшение контактного давления – количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;

• начало расхождения контактов – образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);

• разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;

• образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);

• устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.

Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги теплота, выделяющаяся в ней, будет равномерно распределяться по телу контакта).

Задача 70.

Зачем на электроды свечи в цилиндре двигателя внутреннего сгорания подаётся высокое напряжение (до 20000В)?

Решение: Для возникновения искры между электродами свечи на них необходимо подать 18–20 тысяч вольт. Поэтому в конструкции автомобиля используются два вида напряжения: 12/24В для обеспечения света, звука, и 18–20 тысяч вольт в системе зажигания (т.е. имеются две электрические цепи – низкого и высокого напряжений).

Задача 71.

Линии высокого напряжения, кроме проводов, передающих ток, имеют еще один дополнительный провод, расположенный значительно выше первых и не изолированный от стальных опор линии. Для чего нужны эти провода?

Р ешение: Эти провода являются молниеотводами. Они имеют металлический контакт с заземленной опорой. При рассмотрении вопроса молниезащиты воздушных линий (ВЛ) могут быть следующие типы ударов молнии на воздушные линии:

1. Прямой удар молнии в вершину опоры.

2. Удар в трос.

3. Прорыв промежутка «трос-провод».

Рисунок 26. ВЛ с молниеотводами

Задача 72.

Найдите силу электрического переменного тока, который пройдет через организм человека, если он коснется рукой сетевого провода, находящегося под напряжением 220 В. Для простоты будем рассматривать однофазную электрическую сеть с изолированным выводом источника тока, сопротивление изоляции проводов принять равным R1=R2= 1000 Ом; 10000 Ом; 20000 Ом; 40000 Ом (предлагается оценить четыре варианта значений сопротивления изоляции проводов). Сопротивление тела человека принять равным 1000 Ом. Сопротивлением пола и обуви пренебрегаем. Режим работы сети нормальный (не аварийный). Сеть и схема включения человека в нее следующие:

Рисунок 27. Включение человека в цепь

Определите, является ли ток опасным для жизни человека, принимая во внимание, что переменный ток в 50–80 миллиампер вызывает паралич дыхания, а ток порядка 90–100 миллиампер считают минимальным пороговым смертельным током.

Решение: Составим схему замещения сети и прикасающегося человека

Рисунок 28. Схема цепи

Известны напряжение сети U, сопротивления изоляции проводов R1 и R2, сопротивление тела человека RЧ (1000 Ом). При нормальном режиме работы сети напряжение прикосновения, т.е. напряжение под которым оказывается человек, прикоснувшийся к одному из проводов сети, например, к проводу 1, можно определить следующим образом.

Из схемы замещения можно записать

тогда

где I₁ и I₂– токи, проходящие через сопротивления изоляции R₁ и R₂.

Согласно первому Закону Кирхгофа:

учитывая, что получаем

откуда искомое напряжение прикосновения,

Если принять, что R₁ = R₂ = R, то:

Из полученного выражения мы видим, что в нормальном режиме работы сети, чем больше сопротивление изоляции, тем меньше ток через тело человека.

Находим:

при R = 1000 Ом = 1000/(21000+1000) = /3; I_Ч = 0,073 А;

при R = 1010³ Ом = /12; I_Ч = 0,0183 А;

при R = 2010³ Ом = /22; I_Ч = 0,0100 А;

при R = 4010³ Ом = /42; I_Ч = 0,0052 А.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Часто при оценивании опасности поражения используют напряжение прикосновения.

Согласно требованиям правил эксплуатации электроустановок потребителей (ПЭЭП) сопротивление изоляции сетей освещения и силовых сетей должно быть не ниже 0,5 МОм.

В приведенных выше расчетах, мы исходили из того, что сопротивление пола, на котором стоит человек, и сопротивление его обуви близки к нулю.

В одних случаях сопротивление пола действительно ничтожно мало, а в других не включается последовательно с телом человека, например, когда путь тока проходит через руки. В большинстве случаев сопротивление пола существенно влияет на величину тока, проходящего через человека, особенно в случае однополюсного прикосновения (к зажиму, оголенному проводу и т.п.) человека, стоящего на полу, сопротивление которого включено последовательно с телом человека.

Немалое значение для ограничения поражающего тока имеет также сопротивление обуви. Увлажнение обуви и пола резко снижает их электрическое сопротивление, а значит, увеличивается при этом опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала.