С увеличением частоты переменного тока проходящего через тело человека полное сопротивление тела
Обновлено: 15.05.2024
При попадании человека под электрическое напряжение, через его тело начинает течь электрический ток, и величина этого тока зависит не только от величины приложенного напряжения, но и от сопротивления тела человека. Между тем, сопротивление тела человека — величина отнюдь не постоянная, ее значение зависит от многих факторов: от состояния человека на момент контакта (психического и физического), от параметров замкнутой цепи, от внешних условий среды, в которой человек на момент удара находится.
Тело человека состоит из различных тканей, и каждый вид тканей обладает своим сопротивлением. Так например, сухожилия, кожа, жировая ткань, хрящи и кости имеют удельное сопротивление порядка 3 - 20 кОм/м. Кровь, мышцы, лимфа, головной и спинной мозг — всего от 0,5 до 1 Ом/м. Из всех этих тканей наибольшим сопротивлением отличается кожа, поэтому именно кожа в значительной степени определяет сопротивление человеческого тела электрическому току.
Человеческая кожа имеет сложную структуру. Ее наружный слой — эпидермис — включает в себя несколько структурных частей: наружный роговой слой, который не содержит ни нервов, ни кровеносных сосудов, от того и обладает наибольшим сопротивлением, и другие слои, сопротивление которых значительно меньше рогового слоя. Дальше идет дерма — внутренний слой, сопротивление которого также сильно меньше, а значит именно сопротивление рогового слоя имеет решающее значение в полном сопротивлении кожи.
На сопротивление кожи влияет ее состояние. Если кожа сухая и чистая, не имеет повреждений, то ее сопротивление лежит в пределах от 10 до 100 кОм. Если же на коже есть порезы, царапины, микротравмы, они способны сильно снизить сопротивление тела человека до сопротивления лишь внутренних тканей. Очевидно, наличие на коже вышеназванных повреждений делает поражение электрическим током более опасным. Загрязненная и влажная кожа также имеет сопротивление более низкое.
Общее сопротивление человеческого тела, попавшего под напряжение, можно представить состоящим из трех сопротивлений, включенных последовательно: два слоя эпидермиса и одно — сопротивление дермы и внутренних тканей. Таким образом, внутренние ткани служат вместе с приложенными электродами как бы обкладками конденсатора, а эпидермис — диэлектриком.
В результате, если снаружи к телу приложены электроды, то получается цепь из активного сопротивления внутренних тканей и почти емкостного сопротивления эпидермиса. То есть можно сказать, что речь идет о диэлектрической проницаемости от 100 до 200, и об удельном сопротивлении от 10 до 100 кОм/м в цепи, состоящей из конденсатора и резистора.
Внутренние ткани имеют сопротивление активное Rв с небольшой емкостной составляющей, которая почти не зависит ни от площади электродов, ни от частоты, и находится в пределах от 500 до 700 Ом.
Но оно зависит от протяженности и поперечного сечения участков тела, и от удельного сопротивления внутренних органов. То есть в эквивалентном виде общее сопротивление Zт тела человека можно представить так:
При малом сопротивлении тела человека емкостная составляющая утрачивает значение:
Итак, электрическое сопротивление тела человека зависит от следующих пяти факторов:
От общего психологического и физиологического состояния (индивидуальные особенности);
От пола — от толщины кожи (у мужчин сопротивление выше, чем у женщин);
От возраста — от грубости кожи (у взрослых сопротивление выше, чем у детей);
От внешних условий (температура, давление, влажность, плотность);
От общего состояния кожи (раны, грязь, увлажненность и т. д.);
От внешних раздражителей (внезапные удар, укол, свет или звук), способных снизить сопротивление на 20 — 50 % за несколько минут.
Легко видеть, что электрическое сопротивление человеческого тела не постоянно и не линейно, однако для расчетов его принимают равным 1 кОм. Тем не менее, сопротивление тела человека зависит и от приложенного напряжения, поскольку в момент поражения током может оказаться, что цепь включает в себя еще и поверхность пола, грунт, обувь, одежду и т. д. Ток тогда будет определять не только сопротивление собственно тела человека, но и схема его включения в цепь.
Двухфазное прикосновение
При двухфазном прикосновении человек стоит на изолированном основании, касаясь одновременно двух фаз трехфазной сети, либо двух проводников однофазной сети переменного или постоянного тока. В этом случае ток потечет через руки и через жизненно важные органы, что весьма опасно, и еще опаснее, если замыкание происходит по пути рука — голова. При таком прикосновении человек может попасть либо под линейное межфазное напряжение, либо под полное рабочее напряжение электроустановки.
Если человек прикоснулся открытыми частями тела, то сопротивление определяется сопротивлением тела, сопротивлением кожи, если же произошло соприкосновение с полюсами через одежду, то в схему добавляется последовательно сопротивление одежды.
Можно сравнить эти два варианта. Сопротивление сухой одежды — от 10 до 15 кОм, а для влажной — от 0,5 до 1,5 кОм. Очевидно, сопротивление одежды так или иначе ограничивает ток через тело человека, хотя и падает в 10 — 30 раз в случае если одежда влажная.
При сухой одежде удар ощутится в сильном дрожании от пальцев до запястья, это 20мА при 220 вольтах. Если же одежда сырая, то при 140мА руки можно будет лишь с определенными усилиями оторвать от мест контакта. Сопротивление обуви и пола здесь не учитываются, поскольку в цепь они не включены.
Однофазное или однополюсное прикосновение
Человек стоит на земле, и только одной частью тела прикоснулся к электроустановке под напряжением, причем потенциал электроустановки отличается от потенциала земли или другой опорной поверхности. В этом случае человек попадает под напряжение относительно земли, и ток через тело будет током замыкания на землю.
Путь тока по петле голова — ноги или рука — ноги, при том через жизненно важные органы. В цепь окажутся включены сопротивления: тела, одежды, обуви, опоры. Сопротивления обуви и опоры включены между собой параллельно.
В зависимости от материала подошвы, от того влажная ли она или сухая, сопротивление обуви будет разным. Немаловажную роль играет и материал пола (опорной поверхности):
Влажная кожаная подошва обладает сопротивлением 500 Ом, сухая — 100 кОм;
Влажная резиновая подошва — 1,5 кОм, сухая резиновая подошва — 500 кОм;
Металлический пол — от 0 (сухой) до 10 Ом (влажный);
Земля сухая — 20 кОм, влажная — 800 Ом;
Бетон сухой — 2 МОм, влажный бетон — 900 Ом;
Линолеум сухой — 1,5 МОм, линолеум влажный — 50 кОм;
Камень сухой — 8,5 кОм, камень влажный — 5 кОм;
Снег или лед — от 300 Ом до 2 МОм;
Песок сухой — 8 кОм, песок влажный — 1,6 кОм;
Чернозем сухой — 160 Ом, влажный чернозем — 50 Ом.
Как видно, сопротивления опоры и обуви играют важную роль, и часто во много раз превосходят сопротивление тела человека, особенно в сухом состоянии, что может порой спасти жизнь.
При прикосновении к корпусу установки, который по какой-то причине оказался под напряжением, если заземления нет, то весь ток пойдет через тело. Если заземление присутствует, то основная часть тока пойдет через землю, а через тело — лишь малая часть, это представляет меньшую опасность для жизни.
Шаговое напряжение
Если человек стоит на земле неподалеку от заземлителя, и по грунту протекает ток, то частично этот ток может потечь через ноги по телу человека - по петле нога — нога, то есть человек попадет под шаговое напряжение. Образуется последовательная цепь, состоящая из сопротивлений опоры, обуви и тела. Сопротивления обуви и опоры играют здесь решающую роль, и способны в сухом виде принять на себя большее напряжение, чем примет голое тело.
Электрическое сопротивление тела человека представляет собой многообразный комплекс биофизических, биохимических и физиологических явлений. При попадании под напряжение человек становится неоднородной полупроводящей структурой. Нелинейность электрического сопротивления непостоянна и для каждой ткани и органа различна. Если рассматривать удельные сопротивления различных органов, то они оказывают различные сопротивления току. Так, удельное сопротивление сухой чистой кожи рук при протекании тока промышленной частоты (50 Гц) составляет от (3-20) · 10 3 Ом·м.
Таким образом, кожа обладает наибольшим удельным сопротивлением, что является главным фактором, определяющим сопротивление всего тела человека. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного, называемого эпидермисом, и внутреннего, называемого дермой. Наружный слой кожи (эпидермис) имеет несколько слоев, из которых самый верхний называется роговым. Роговой слой лишен кровеносных сосудов и нервов. Кроме того, сопротивление тела человека может изменяться от ряда физиологических факторов и влияния окружающей среды.
Если рассматривать двухполюсное прикосновение человека к токоведущим частям, то тело человека условно можно рассматривать как часть электрической цепи, состоящей из трех последовательных участков: кожа - внутренние органы и ткани - кожа.
Сопротивление участка цепи, представленного слоем кожи, обладает не только активной составляющей, но и из-за тонкого рогового слоя кожи, являющегося диэлектриком, имеет емкостную составляющую.
Таким образом, полное сопротивление тела человека, Ом, при любой частоте
где Ζκ- полное сопротивление наружного слоя кожи, Ом;
Rвн - внутреннее сопротивление тела человека, Ом. Полное сопротивление наружного слоя кожи может быть определено из формулы
где RK- активное сопротивление наружного слоя кожи, Ом;
Хк - емкостное сопротивление наружного слоя кожи, Ом. Емкостное сопротивление Хк изменяется в зависимости от частоты по формуле
где ω - круговая или циклическая частота, рад/с;
f - частота тока, Гц;
С - емкость наружного слоя кожи, Ф.
Электрическая емкость С наружного слоя кожи пропорциональна площади поверхности соприкосновения S с токоведущей частью и обратно пропорциональна толщине рогового слоя кожи d.
где εο- электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Ф/м;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость рогового слоя кожи, равная 200-250.
Из анализа формулы для вычисления Хк следует, что с увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и шунтирует активное сопротивление наружного слоя кожи RK. Следовательно, при больших частотах порядка 5-20 кГц полное сопротивление можно считать равным внутреннему сопротивлению тела человека.
С уменьшением частоты емкостное сопротивление возрастает, вследствие чего на частотах от 20 до 500 Гц емкостной составляющей можно пренебречь. В этом случае полное сопротивление тела человека Ζκ рассчитывается как
Таким образом, вследствие значительного сопротивления кожи наблюдаются чаще всего поверхностные ожоги.
Тяжесть поражения электрическим током зависит от целого ряда факторов: значения силы тока, электрического сопротивления тела человека и длительности протекания через него тока, рода и частоты тока, индивидуальных свойств человека и условий окружающей среды.
Основным фактором, обуславливающим ту или иную степень поражения человека, является сила тока (путь: рука - рука, рука - ноги). В табл. 11.1 приведены данные по опасности переменного и постоянного тока.
Пороговый ощутимый ток, мА
Пороговый неот пускающий ток, мА
Пороговый фибрилляционный ток, мА
Фибрилляцией называется хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы, полностью нарушающие ее работу как насоса. (Для женщин пороговые значения тока в 1,5 раза меньше, чем для мужчин.)
Постоянный ток примерно в 4-5 раз безопаснее переменного тока частотой 50 Гц. Однако это характерно для относительно небольших напряжений (до 250-300 В). При более высоких напряжениях опасность постоянного тока возрастает.
В интервале напряжений 400-600 В опасность постоянного тока практически равна опасности переменного тока с частотой 50 Гц, а при напряжении более 600 В постоянный ток опаснее переменного.
Электрическое сопротивление тела человека. Электрическое сопротивление организма человека при сухой, чистой и неповрежденной коже при напряжении 15-20 В находится в пределах от 3000 до 100 000 Ом, а иногда и больше. С удалением верхнего слоя кожи сопротивление снижается до 500-700 Ом. При полном удалении кожи сопротивление внутренних тканей тела составляет всего лишь 300-500 Ом. В расчетах принимают сопротивление организма человека, равное 1000 Ом.
При наличии на коже различных повреждений (потертостей, порезов, ссадин) резко уменьшается ее электрическое сопротивление в этих местах.
Электрическое сопротивление организма человека падает при увеличении тока и длительности его прохождения вследствие усиления местного нагрева кожи, что приводит к расширению сосудов, а следовательно, к усилению снабжения этого участка кровью и увеличению выделения пота.
С повышением напряжения, приложенного к телу человека, сопротивление кожи уменьшается, а следовательно, и полное сопротивление тела, которое приближается к своему наименьшему значению 300-500 Ом Это объясняется пробоем рогового слоя кожи, увеличением тока, проходящего через нее, и другими факторами.
Сопротивление тела человека зависит от пола и возраста людей: у женщин это сопротивление меньше, чем у мужчин, у детей - меньше, чем у взрослых, у молодых людей меньше, чем у пожилых. Это объясняется толщиной и степенью огрубления верхнего слоя кожи. Кратковременное (на несколько минут) снижение сопротивления тела человека (20-50%) вызывает внешние, неожиданно возникающие физические раздражения: болевые (удары, уколы), световые и звуковые.
На электрическое сопротивление влияют также род тока и частота его. При частотах 10-20 кГц верхний слой кожи практически утрачивает сопротивление электрическому току.
Кроме того, есть особенно уязвимые участки тела к действию электрического тока. Это так называемые акупунктурные зоны (область лица, ладони и др.) площадью 2-3 мм 2 . Их электрическое сопротивление всегда меньше электрического сопротивления зон, лежащих вне акупунктурных зон.
Длительность протекания тока через тело человека очень сильно влияет на исход поражения в связи с тем, что с течением времени падает сопротивление кожи человека, более вероятным становится поражение сердца.
Путь тока через тело человека также имеет существенное значение. Наибольшая опасность возникает при непосредственном прохождении тока через жизненно важные органы. Статистические данные показывают, что число травм с потерей сознания при прохождении тока по пути правая рука - ноги составляют 87%; по пути нога - нога 15%. Наиболее характерные цепи тока через человека: рука - ноги, рука - рука, рука-туловище (соответственно 56,7; 12,2 и 9,8% травм). Более опасными считаются те цепи тока, при которых вовлекаются обе руки - обе ноги, левая рука - ноги, рука - рука, голова - ноги.
Род и частота тока также влияют на степень поражения. Наиболее опасным является переменный ток частотой от 20 до 1 000 Гц. Переменный ток опаснее постоянного, но это характерно только для напряжений до 250-300 В; при больших напряжениях становится опаснее постоянный ток. С повышением частоты переменного тока, проходящего через тело человека, полное сопротивление тела уменьшается, а проходящий ток увеличивается. Однако уменьшение сопротивления возможно лишь в пределах частот от 0 до 50-60 Гц. Дальнейшее же повышение частоты тока сопровождается снижением опасности поражения, которая полностью исчезает при частоте 450-500 кГц. Но эти токи могут вызывать ожоги как при возникновении электрической дуги, так и при прохождении их непосредственно через тело человека. Снижение опасности поражения током с повышением частоты практически заметно при частоте 1000-2000 Гц.
Индивидуальные свойства человека и состояние окружающей среды оказывают заметное влияние на тяжесть поражения.
1.4.1. Увеличение тока, проходящего через тело человека, сопровождается усилением местного нагрева кожи и раздражающего действия, что в свою очередь вызывает рефлекторную ответную реакцию организма в виде расширения сосудов кожи а, следовательно, усиление потоотделения, которое приводит к снижению электрического сопротивления кожи в этом месте.
Изменение сопротивления тела в зависимости от величины тока (до 6 мА) приближенно описывается следующими эмпирическими формулами:
для постоянного тока
,кОм (2)
-для переменного тока
,кОм (3)
где Iч - сила тока в мА, проходящего через тело человека;
K - поправочный коэффициент, учитывающий возраст испытуемого человека;
K = 6-8, при возрасте до 25 лет
K = 10-12 при возрасте 25 ÷35 лет
K = 15-20 при возрасте 35 ÷ 45 лет
K = 25-30 при возрасте более 45 лет
1.4.2. Увеличение напряжения, как при постоянном, так и переменном токе, приложенного к телу человека, вызывает уменьшение сопротивления тела, которое в пределе приближается к сопротивлению внутренних органов (тканей).
Такое явление объясняется пробоем рогового слоя кожи (эпидермиса), наличием в ней влаги и ростом тока. Пробой рогового слоя наступает, как правило при напряжении более 50 В.
1.4.3 Род тока (постоянный или переменный)
Экспериментально установлено, что при небольших напряжениях сопротивление тела человека постоянному току выше, чем переменному любой частоты.
Действительно, согласно формуле (1) сопротивление тела Zч будет максимальным при ω = 0 и равным 2Rн+ Rв.. С ростом приложенного напряжения разница в сопротивлении тела человека постоянному и переменному току уменьшается и начиная с 40-50 В практически исчезает, т.е. сопротивление тела человека становится одинаковым как постоянному, так и переменному току.
1.4.4 Частота тока.
С ростом частоты тока полное сопротивление тела человека уменьшается, приближаясь в пределе к значению его внутреннего сопротивления. Этот вывод следует из уравнения (1): с увеличением частоты ω, растет знаменатель дроби, что вызывает уменьшение сопротивленияZч. Когда ω → ∞, Zч = Rв.
Характер изменения сопротивления тела от частоты тока приближенно описывается эмпирической зависимостью:
,кОм (4)
где f - частота тока, Гц.
1.4.5. Влияние времени воздействия тока на сопротивление
С увеличением времени прохождения тока через тело человека, усиливается потовыделение через микрокапиляры живой ткани, повышается кровоснабжение участков кожи под электродами, расширяется зона пробоя рогового слоя кожи. Все это вызывает уменьшение сопротивления тела человека.
1.4.6. Влияние площади контакта проводника на сопротивление
Площадь контакта S оказывает непосредственное влияние на сопротивление тела человекаZч. Чем больше площадь, тем меньше сопротивление. С ростом частоты тока зависимость сопротивления от площади электродов уменьшается, а при 10-20 кГц когдаZч=Rв, исчезает полностью.
1.4.7. Влияние места приложения электродов на сопротивление
Место приложения электродов влияет на сопротивление тела, так как роговой слой кожи (эпидермис) имеет неодинаковую толщину на коже человека, неравномерно распределены потовые железы и кровеносные сосуды в теле человека. Например, наименьшим сопротивлением обладает кожа лица, шеи, рук выше ладони и т.д.
1.4.8 Состояние поверхности кожи и внутренних органов
влияют на сопротивление тела человека
Повреждение кожи, особенно ее рогового слоя, наличие влаги и грязи на ее поверхности резко уменьшается сопротивление тела человека. Сопротивление резко снижается также при заболеваниях внутренних органов особенно язвенных болезней органов дыхания, пищеварения и т.д.
1.4.9 Психофизиологические факторы оказывают влияние
на сопротивление тела.
У женщин сопротивление обычно меньше, чем у мужчин, а у детей - меньше чем у взрослых, причем сопротивление увеличивается с возрастом, достигая максимума к старости. Алкогольное и наркотическое опьянение. чувство неуверенности и страха снижает сопротивление
1.4.10. Условия окружающей средытакже влияет на сопротивление тела человека. Например, возникшие неожиданно внешние раздражители (усталость, болевые, звуковые, световые и т.п.) могут на некоторое время снизить сопротивление на 20-50%. Уменьшение кислорода в воздухе, увеличение температуры, атмосферного давления значительно снижают сопротивление тела человека.
Читайте также: