Пороговые значения токов

Главным и определяющим фактором воздействия является величина электрического тока. Чем больше величина тока, тем опаснее его действие.

Человек начинает ощущать воздействие проходящего через него тока при следующих значениях:

I_ощ = (0,6 - 1,5) мА – для переменного тока частотой f = 50 Гц;

I_ощ = (5 - 7) мА – для постоянного тока.

Эти значения называются пороговыми ощутимыми токами. Для переменного тока характер ощущения проявляется в виде пощипывания, дрожания пальцев, для постоянного тока – в виде зуда, ощущения нагрева.

При дальнейшем увеличении величины тока возникает второе пороговое значение – это неотпускающие или удерживающие токи. При этом происходит судорожное сокращение мышц рук, и человек не в состоянии разжать пальцы и отпустить токопровод, за который он взялся.

Для переменного тока частотой f=50 Гц – I_неотп=(10 - 15) мА, для постоянного тока I_неотп=(50 - 80) мА. Причем у разных людей значения неотпускающих токов будут различны. Нижние значения неотпускающих токов приведены для женщин, верхние значения – для мужчин.

При значениях токов 20 - 25 мА (переменное напряжение f=50 Гц) действие тока распространяется и на мышцы грудной клетки, что ведет к затруднению и даже прекращению дыхания, а при длительном воздействии таких величин токов возможен летальный исход.

При значениях переменного тока 100 мА его воздействие передается непосредственно на мышцу сердца. При длительности воздействия 0,5 с может наступить остановка или фибрилляция сердца. В последнем случае, за счет беспорядочного (хаотичного) сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), сердце перестает выполнять функцию насоса, что ведет к прекращению в организме кровообращения. Это третье пороговое значение токов – токов фибрилляции: для переменного напряжения, f = 50 Гц – I_ф = 100 мА, для постоянного напряжения – I_ф = 300 мА .

Вероятность наступления фибрилляции сердца зависит от длительности протекания тока. Здоровое сердце сокращается 60 - 80 раз в минуту, то есть длительность одного кардиоцикла составляет одну секунду. Каждый цикл сердечной деятельности состоит из двух периодов: диастолы, когда желудочки сердца находятся в расслабленном состоянии и заполняются кровью, и систолы, когда сердце, сокращаясь, выталкивает кровь в артериальные сосуды. Экспериментально установлено, что чувствительность сердца к раздражителю в форме электрического тока неодинакова в разные фазы его деятельности. Наиболее уязвимым сердце оказывается в фазе Т, продолжительность которой равна 0,2 с (рис. 1).

Если время действия тока не совпадает с фазой Т, большие величины токов не вызывают фибрилляцию, но могут привести к остановке сердца. При длительности протекания тока, соизмеримой с периодом кардиоцикла, ток через сердце проходит также и в течение фазы Т. При этом вероятность наступления фибрилляции наибольшая. И чем меньше длительность действия тока, тем меньше вероятность наступления фибрилляции сердца.

Рис. 1.  Вероятность возникновения фибрилляции сердца с момента прохождения через него тока

Электрическое сопротивление тела человека

При прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, человек включается в электрическую цепь и может рассматриваться как элемент цепи. Тело человека является проводником электрического тока. Однако в отличие от обычных проводников проводимость живой ткани обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В силу этого сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов, состояния окружающей среды.

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково. Кожа, кости, жировая ткань имеют относительно большое значение: ρ_кож ≈ ρ_кост = 310³-310⁴ Омм. Мышечная ткань, кровь, лимфа и, особенно, спинной и головной мозг – малое значение удельного сопротивления – ρ_мышц = 1,5-3 Омм; ρ_кр = 1-2 Омм; ρ_мозг = 0,5-0,6 Омм.

Таким образом, обладая большим удельным сопротивлением, кожа определяет сопротивление тела человека в целом. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного – эпидермиса (верхний слой кожи толщиной 0,2 мм, состоящий из мертвых ороговевших клеток), обладающего большим сопротивлением и внутреннего – дермы, имеющего относительно малое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению внутренних тканей.

1 1

2 3 2

а

R_Н

R_Н

R_ВН

C_Н

C_Н

б

в

г

Рис. 2. К определению сопротивления тела человека:

а – схема измерения сопротивления; б, в – эквивалентные схемы сопротивления тела человека; г – упрощенная эквивалентная схема.

1 – электроды; 2 – наружный слой кожи – эпидермис (роговой и ростковый слои); 3 – внутренние ткани тела (внутренний слой кожи и подкожные ткани)

Таким образом, в соответствии с приведенной на рис. 2, а схемой включения человека в электрическую цепь между двумя электродами, сопротивление тела человека состоит из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи – эпидермиса (роговой и ростковый слои) и одного сопротивления внутренних подкожных тканей, называемого внутренним сопротивлением. Оно включает два сопротивления внутреннего слоя кожи и сопротивления подкожных тканей тела и составляет величину – R_вн = 300-500 Ом. Сопротивление тела у различных людей, измеренное в разное время и в различных условиях, неодинаково. Электрическое сопротивление сухой, чистой, неповрежденной кожи, измеренное при напряжении 15 - 20 В, составляет (3 – 100)10³ Ом.

Если на участках, где прикладываются электроды, снять роговой слой, сопротивление тела упадет до (1-5)·10³ Ом; при удалении всего наружного слоя эпидермиса – 500-700 Ом. Эквивалентные схемы сопротивления тела человека представлены на рис. 2, б, в. Сопротивление эпидермиса Z_э состоит из активного R_э и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие внутренние ткани тела, а диэлектриком – наружный слой кожи, обладающий большим сопротивлением. Эквивалентная схема рис. 2, в позволяет написать полное сопротивление тела человека в комплексной форме:

,

или в действительной форме:

.

Из приведенного выражения следует, что с уменьшением частоты сопротивление тела возрастает, а на постоянном токе имеет наибольшие значения:

,

где - сопротивление тела человека постоянному току. С ростом частоты сопротивленияZ_h уменьшается за счет уменьшения емкостного сопротивления и при 5-10 кГц можно считать, что Z_h = R_вн = 300-500 Ом.

Эквивалентную схему можно упростить, представив сопротивление тела как параллельное соединение сопротивления R_h=2R_э+R_в и емкости С_h=0,5C_э (рис. 2, г). Для этого случая:

.

При частоте f = 50 Гц переменного напряжения учитывается лишь активная составляющая полного сопротивления и при раcчетах принимается R_h = 1000 Ом. Однако на самом деле Z_h величина переменная и зависит от многих факторов. Так, в зависимости от места приложения электродов с увеличением площади касания сопротивление уменьшается. Значение тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на электрическое сопротивление Z_h.. С увеличением тока и времени его прохождения сопротивление уменьшается, что связано с нарушением процессов терморегуляции в организме: за счет усиления местного нагрева кожи и внутренних органов сосуды расширяются, усиливается снабжение этих участков кровью, что увеличивает потовыделение. Сопротивление влажной кожи уменьшается, ток еще более возрастает, усиливая нагрев и т.д.

Аналогичным образом ведет себя зависимость сопротивления от величины приложенного напряжения. Повышение напряжения уменьшает сопротивление тела человека в десятки раз: во-первых, за счет нарушения процессов терморегуляции из-за увеличения тока, как это было рассмотрено выше; во-вторых, за счет развития процессов пробоя кожи при величине приложенного напряжения выше 50 В. При этом величина сопротивления Z_h стремится к значению R_вн = 300-500 Ом.

Установлено, что для отпускающих токов: Z_h = (2-3)10³ Ом;

при неотпускающих токах: Z_h=1000 Ом;

при смертельном токе: Z_h=500 Ом.