7 Лабораторна робота №7

“Дослідження електричного опору тіла людини”

Мета роботи:

1 Дослідження параметрів опору тіла людини, що визначає струм, який проходить через нього в електричному колі.

Рекомендована література:

1. Правила устройства електроустановок. – М.: Энергоиздат, 1988.

2. Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів. – Київ, 1998.

3. Клименко Н.А. Практикум по электробезопасности. – Киев, 1989.

4. Лабораторный практикум по охране труда /Под ред. Н.Д, Золотницкого. М.: Высшая школа, 1979.

5. Охрана труда в электроустановках /Под ред. Б.А. Князевского. М.: Энергоиздат, 1983.

6. Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу “Охорона праці”. – Львів, 1980.

7.1 Теоретичні відомості

Статистика електротравматизму показує, що смертельне ураження електричним струмом складає близько 16 % від загальної кількості нещасних випадків з летальним наслідком. Нещасних випадків в електроустановках напругою до 1000 В приблизно в 3 рази більше, ніж в електроустановках напругою вище 1000 В. Причому із загальної кількості смертельних електротравм 2,5 % припадає на електроустановки напругою до 90 В.

При проходженні через організм людини електричний струм спричиняє термічну, електролітичну і біологічну дію. Термічна дія проявляється в опіках зовнішніх і внутрішніх ділянок тіла, електролітична – в розкладі крові та іншої органічної рідини тіла, біологічна – в подразненні та збудженні живих тканин організму, що може супроводжуватися судомним скороченням м’язів, а також і м’язів серця і легенів. При цьому порушується кровообіг і робота органів дихання або ж повністю припиняється їх діяльність.

В результаті дії електричного струму виникає два види ураження: електричні травми і електричні удари.

Електричні травми – це чітко виражені місцеві пошкодження тканин організму. Розрізняють наступні електричні травми: електричні опіки, електричні знаки, металізація шкіри і механічні пошкодження.

Електричні опіки виникають або безпосередньо від проходження електричного струму в результаті тепла, що виділяється на різних ділянках тіла, або в результаті дії електричної дуги.

Електричні знаки – це чітко виражені плями сірого чи блідо-жовтого кольору на поверхні тіла людини, що зазнала дію струму.

Металізація шкіри – це проникнення в верхні шари шкіри найменших частинок металу, що розплавився під дією електричної дуги.

Механічні пошкодження є результатом різких невимушених судомних скорочень м’язів під дією струму, що проходить через людину. В результаті можуть виникнути розриви шкіри, зв’язок, кровоносних судин і нервових тканин, а також вивихи суглобів і навіть переломи кісток.

Електричні удари – це збудження живих тканин організму електричним струмом, що проходить через нього, і що супроводжується невимушеним скороченням м’язів.

В залежності від результату дії струму на організм, електричні удари можна умовно поділити на наступні три ступені:

І – судомне скорочення м’язів без втрати свідомості;

II – судомне скорочення м’язів із втратою свідомості, але із збереженням дихання і роботи серця;

III – втрата свідомості і порушення серцевої діяльності або дихання (або ж того і іншого разом).

Результат ураження електричним струмом залежить від струму, що проходить через людину, тривалості його дії, шляхів проходження струму в тілі людини, роду і частоти струму, а також від індивідуальних особливостей людини.

Струм, що проходить через людину – основний фактор, що обумовлює результат ураження.

Опір тіла людини і прикладена до нього напруга також впливають на результат ураження, але тільки тому що вони визначають струм, що проходить через людину.

Тіло людини є провідником електричного струму. При цьому різні ділянки тіла чинять різний опір струму: шкіра, кістки, жирова тканина – більший, а м'язова тканина, кров і особливо спинний та головний мозок – менший. Питомі об’ємні опори окремих ділянок тіла наведені в таблиці 7.1.

Таблиця 7.1 – Питомі об’ємні опори окремих ділянок тіла .

№ п/п	Ділянка тіла	Питомий об'ємний опір ρv , Ом · м
1	Суха, чиста шкіра	3· 103. ..2· 104
2	Кісткова тканина	103...2· 104
3	Жирова тканина	3· 10 ...6· 10
4	М'язова тканина	1,5 ...3
5	Кров	1 ...2
6	Спинномозкова рідина	0,5 ... 0,6

Як видно з таблиці 7.1, шкіра, що має найбільший питомий опір, в основному, визначає електричний опір всього тіла людини.

Шкіра складається із двох основних шарів: зовнішнього, що називається епідерміс, і внутрішнього, що є власне шкірою і має назву – дерма (рис.7.1). Зовнішній шар шкіри – епідерміс, в свою чергу, має роговий і ростковий шар.

Роговий шар складається з багатьох рядів ороговілих клітин, він не містить кровоносних судин і нервів. Його товщина на різних ділянках тіла різна і складає 0,05 ... 0,2 мм. В сухому і незабрудненому стані роговий шар можна розглядати як діелектрик, його питомий опір досягає 10⁵ ... 10⁶ Ом · м. Електричний опір росткового шару і дерми відносно невеликий.

Опір людини при сухій, чистій і непошкодженій шкірі (виміряний при напрузі 15... 20 В) коливається приблизно від 3000 до 100000 Ом. Якщо на ділянках шкіри, де прикладаються електроди, видалити роговий шар, то опір тіла впаде до 1000...5000 Ом, а при видаленні всього верхнього шару шкіри (епідермісу) – до 500...700 Ом. Якщо ж під електродами повністю видалити шкіру, то опір складе лише 300...500 Ом. Опір тіла людини, тобто опір між двома електродами, що накладені на поверхню тіла, можна умовно вважати складеним з трьох послідовно ввімкнених опорів: двох однакових опорів зовнішнього шару шкіри (епідермісу) і одного, що називається внутрішнім опором тіла, який включає в себе два опори внутрішнього шару шкіри (дерми) і опору внутрішніх тканин тіла (рис.7.1).

а – зовнішній шар шкіри – епідерміс; б – внутрішній шар шкіри – дерма; 1 – роговий шар; 2 – ростковий шар

Рисунок 7.1 – Будова шкіри людини (у розрізі)

Опір зовнішнього шару шкіри має не тільки активну R_н, але й ємнісну складову x_н=1/(ω · C_н), яка зумовлена тим, що в місці дотику електродів до тіла людини ніби утворюються конденсатори, обкладками яких є електроди і добре провідні тканини тіла людини, що лежать під зовнішнім шаром шкіри, а діелектрик – зовнішній шар (епідерміс). Повний опір тіла людини, згідно з схемою заміщення (див. рис. 7.2), визначається за формулою:

д е Z_h – повний опір тіла людини, кОм; R_н – активний опір зовнішнього шару шкіри, кОм; R_В – внутрій опір шкіри, кОм; ω – кутова частота, Гц; С_н – ємність між вимірювальним електродом і внутрішніми шарами, мкФ.

Кутова частота визначається за формулою:

д е f – частота струму, що вимірюється, Гц.

а – схема вимірювання опору; б – еквівалентна схема опору тіла людини; 1 – електроди; 2 – зовнішній шар шкіри (епідерміс); 3 – внутрішні тканини тіла (включаючи нижній шар шкіри – дерму); R_н – активний опір зовнішнього шару шкіри; С_н –ємність утвореного конденсатора; R_В – внутрішній опір тіла

Рисунок 7.2 – Схема заміщення тіла людини в електричному колі

Електричний опір тіла людини, виходячи із викладеного, залежить від наступних факторів:

1. стану шкіри. Пошкодження рогового шару у вигляді різних мікротравм можуть знизити повний опір тіла до значення, близького до внутрішнього опору. Такий самий вплив має і зволоження шкіри водою або за рахунок поту, а також забруднення шкіри струмопровідним пилом чи брудом;

2. місця прикладання електродів і їх площі, оскільки на різних ділянках тіла опір шкіри неоднаковий і залежить від товщини верхнього шару;

3. струму і тривалості його проходження через тіло людини. Із збільшенням струму і часу його проходження опір падає, оскільки при цьому збільшується місцевий нагрів шкіри, що призводить до розширення судин, а відповідно, до підсилення постачання цієї ділянки кров’ю і збільшення потовиділення;

4. напруги, що прикладена до тіла людини (напруга дотику). Із ростом напруги дотику електричний опір тіла людини падає за рахунок відповідного збільшення струму і настання теплового електричного пробою верхнього шару шкіри, що відбувається при напрузі 50..20 В;

5. частоти електричного струму. Зі збільшенням частоти повний електричний опір тіла падає. При збільшенні частоти до ∞ опір тіла зменшується до R_В, що видно із формули (7.1). В дійсності при частотах 15…20 кГц практично Z_h= R_В.

Параметри електричної схеми заміщення опору тіла людини (рис. 7.2) можна визначити із наступних міркувань:

а ) із збільшенням частоти до 15...20 кГц повний опір тіла людини практично рівний внутрішньому опору R_В, тобто:

б ) із зменшенням частоти повний опір Z_h зростає і досягає максимуму при f=0. Із формули (7.1) при f=0 отримаємо:

з відки

д е Z₀ – опір тіла людини при f=0. Із деяким припущенням можна прийняти, що повний опір тіла людини на частотах 0…100 Гц знаходиться в лінійній залежності від частоти струму і може бути визначений методом екстраполяції. В лінійному масштабі будується графік залежності повного опору від частоти струму, як показано на рис. 7.3. Значення Z₀ розташовано на осі ординат при перетині з прямою Z₁…Z₅;

Р исунок 7.3 – Графік екстраполяції.

в ) із формули (7.1) при відомому Z_h для певної частоти f можна визначити ємність зовнішнього шару, мкФ:

Вищенаведені співвідношення справедливі для напруг до 50 В. При напрузі вище вказаного значення наступає тепловий електричний пробій зовнішнього шару шкіри, що різко зменшує повний опір людини;

г) при відомих значеннях R_н і С_н можна визначити повний зовнішній опір Z_н . Для паралельного ланцюга R_н і С_н справедливе співвідношення

з відки

де R_н – повний зовнішній опір, кОм.

Ємнісний зовнішній опір X_Cн визначається за формулою, кОм: