Лабораторна робота № 11

Тема: Вивчення впливу електричного струму на організм людини

Мета роботи: вивчити теоретичний матеріал, визначити власний опір тіла, розрахувати напруги дотику, кроку і силу струму та зробити відповідні висновки.

План самостійної підготовки до вивчення і виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал теми.

2. Вивчити зовнішню будову і принцип роботи приладу, що використовується в даній роботі.

3. Засвоїти методику проведення експерименту.

4. Дати відповіді на питання для контролю та самоконтролю.

Теоретичні відомості

Електрична енергія широко використовується в промисловості, сільському господарстві, на транспорті, в побуті. Але крім благ, які створює електрика, вона є джерелом високої небезпеки, а інтенсивність її використання підвищує загрозу цієї небезпеки. Небезпека, пов’язана з використанням електричного струму, зростає швидше, ніж створення людиною відповідних запобіжних засобів захисту від дії електричного струму.

Електричний струм – це упорядкований (спрямований) рух електрично заряджених частинок.

Струм у металах зумовлений наявністю вільних електронів, у електролітах – іонів. Сила з боку електричного поля усередині провідника викликає рух електронів, що визначається електричною напругою на кінцях провідника. Електричний струм представляє для людини велику потенційну (приховану) небезпеку. Людина не має органу чуття на нього, не може ідентифікувати небезпеку електричної напруги на відстані, тобто відсутні зовнішні ознаки небезпеки та існує раптовість ураження електричним струмом. Тому захисна реакція організму виявляється лише після безпосереднього потрапляння під його дію. Другою особливістю дії електричного струму на організм людини є те, що струм, проходячи через людину, діє не лише на шляху протікання через організм, але й викликає рефлекторні порушення нормальної діяльності окремих органів (серцево-судинної системи, системи дихання). Третя особливість – це можливість отримання електротравм без безпосереднього контакту із струмопровідними частинами, що опинились під напругою, наприклад, у випадку ураження людини через електричну дугу.

Проходячи через тіло людини, електричний струм зумовлює термічну, електролітичну, біологічну та механічну дію.

Термічна дія струму спричиняє опіки тіла, нагрівання і пошкодження кровоносних судин, нервів, мозку та інших органів і систем, що викликає серйозний функціональний розлад. При проходженні через тіло людини електричного струму в тканинах виділяється тепло (Дж) в кількості:

Q =Iл² · Rл · τ (11.1.)

де Іл - сила струму, що проходить через тіло людини, А; Rл - опір тіла людини, Ом; τ - час проходження струму, с.

Опіки можливі при проходженні через тіло людини струму силою більше 1А.При великому струмі тканини, які уражаються, нагріваються до температури 60-70°С і вище, при якій згортається білок і з'являються опіки. Найчастіше спостерігаються опіки контактного виду при дотику тіла людини до струмопровідних або струмоведучих частин. На тілі людини і в місцях дотику спостерігаються " електричні знаки" сірого, блідо-жовтого кольорів круглої або овальної форми, заглиблені на 1-1, 5 мм, найчастіше у вигляді подряпин, ран, порізів, синяків, мозолів, блискавок (коріння розгалуженого дерева). Травми болісні, шкіра твердне, але травми швидко лікуються.

При опіках під дією електричної дути можлива металізація шкіри, тобто проникнення в шкіру людини дрібних частинок розплавленого металу. Уражена ділянка шкіри стає твердою, набуває кольору солей металу, який потрапляє під шкіру. Електрична дуга може виникнути при короткому замиканні.

Електролітична дія струму супроводжується розкладом крові (електроліт), плазми та інших рідин в організмі людини, порушенні їх фізично-хімічного складу,

Біологічна дія струму виявляється через подразнення і збудження живих тканин організму, що викликають судоми м'язів, тканин серця і легенів, а також порушенням внутрішніх біологічних процесів.

Механічна (динамічна) дія - це розриви, розшарування та подібні ушкодження тканин організму, в тому числі м'язової тканини, стінок кровоносних судин, судин легеневої тканини внаслідок електродинамічного ефекту, а також миттєвого вибухоподібного утворення пари від перегрітої струмом тканинної рідини та крові. Можливі також вивихи суглобів та переломи кісток.

Розрізняють два види ураження організму електричним струмом: електричні травми та електричні удари.

Електричні травми - це місцеві ураження тканин та органів (опіки, електричні знаки, металізація шкіри, механічні пошкодження, електрофтальмія - запалення зовнішніх оболонок очей внаслідок дії інтенсивного випромінювання ультра­фіолетових променів електричної дуги).

Електричні удари - це ураження всього організму, його систем, судоми і подразнення, збудження м'язів. Електричні удари в залежності від наслідку ураження поділяються на наступні ступені:

- судомне скорочення м'язів без втрати свідомості;

- судомне скорочення м'язів з втратою свідомості, але дихання і робота серця не порушена;

- втрата свідомості та порушення серцевої діяльності або дихання (або одного і другого разом);

- клінічна смерть (ознаки: зупинка та фібриляція серця, відсутність дихання, шкіра синювата, зіниці очей різко розширені внаслідок кисневого голодування кори головного мозку і не реагують на світло).

Фібриляція серця - безладні скорочення волокон серцевого м'яза (фібрил), при яких серце не в стані гнати кров по судинах. Медичною практично встановлено, що через 5- 6 хвилин після кисневого голодування гинуть клітини центральної нервової системи, відбувається втрата свідомості. Отже, якщо відразу після звільнення людини від дії електричного струму, не пізніше перших 5-6 хвилин, приступити до долікарської допомоги шляхом штучного дихання і непрямого масажу серця, то існує імовірність запобігти смерті потерпілого.

Небезпека ураження людини електричним струмом залежить від багатьох факторів, основними з яких являються: величина струму, що проходить через тіло людини; опір тіла людини; рід струму і частота; шлях проходження струму; тривалість дії струму; індивідуальні особливості організму людини та умов навколишнього середовища. Для характеристики дії електричного струму на організм людини встановлені три критерії (при частоті 50 Гц змінного струму):

- пороговий відчутний струм - 0, 5 - 1, 5 мА (початок болісних відчуттів);

- пороговий невідпускний струм - 10 - 15 мА (нездоланні судомні скорочення мязів руки, в якій затиснено провідник, важке дихання);

- пороговий фібриляційний струм - 90 - 100 мА (фібриляція серця при тривалості дії струму 2 -3 с, параліч дихання).

Наслідок ураження залежить від тривалості протікання струму через тіло людини. Допустимими величинами безпечного струму є: 6 мА при дії до ЗО с; 65 мА при дії до 1 с; 100 мА при дії до 0.5 с; 250 мА при дії до 0.2 с.

Суттєве значення має шлях проходження струму через тіло людини і особливо місця входу і виходу струму. Найбільш небезпечним є той шлях, при якому уражається головний мозок (голова-руки, голова-ноги), серце і легені (руки-ноги, руки-руки). Якщо струм не проходить через ці органи, то його дія на них лише рефлекторна і вірогідність ураження менша. Потрапляючи в коло струму (під напругу), на поверхні тіла людини можна визначити дві точки з різними потенціалами, до яких одночасно вона дотикається. Наприклад, дотик людини, яка стоїть на землі, до фазного провідника приведе до виникнення напруги дотику, що прокладена між рукою (фазний провід) і ногами (земля}, бо одночасний дотик людини до двох різних фаз руками (напруга дотику буде прикладена по колу " рука-рука"). Наприклад, при дотиканні руки людини до корпуса електроустановки, на якій замкнула фаза, рука людини набуває потенціал корпуса. Ноги, торкаючись землі, набудуть потенціал точок землі. В результаті цього між рукою та ногами людини виникає різниця потенціалів, яка і називається напругою дотика. Ця напруга буде тією електрорушійною силою, яка викликає протікання струму. Чинником ураження є електричний струм, а не напруга. Птахи на проводах високовольтних ліній електропередач не уражаються електричним струмом через відсутність кола для його протікання (немає дотику другого провідника, а від землі вони ізольовані повітрям). При однофазному дотику сила струму Іл, що протікає через людину, визначається за формулою

Іл=Uф/Rл, (11.2)

де Uф - фазна напруга, В; Rл - опір тіла людини, Ом (при розрахунках Rл = 1000 Ом);

При двофазному дотику

Iл = Uл ⁄ Rл (11.3)

де Uл - лінійна напруга, В (Uл = 380 В).

Людина, яка опинилась в зоні напруги кроку, повинна швидко поставити ноги разом і виходити із зони дрібними кроками, або послідовною перестановкою обох п'яток і носків, або стрибками на двох ногах. Знаходження людей біля обірваних проводів повітряних ліній електропередачі при дотику їх до землі може привести до ураження напругою кроку (напру­га дотику по колу " нога-нога"). Утворюється так звана зона розтікання струму, яка простягається на віддаль до 20 м від місця замикання провідника землі. Найбільший електричний потенціал буде в місці дотику провідника землі, з віддаленням від провідника він зменшується. Якщо в цій зоні опиняється людина, то при довжині кроку 0, 8 м виникає різниця потенціалів, яка утворює напругу кроку. Під дією напруги виникає струм, який замикається через ноги людини. М'язи ніг людини судомно скорочуються і людина падає. Ланцюг замикається вздовж тіла людини через життєво важливі органи, так як ріст людини більший довжини кроку, що приведе до виникнення ще більшої різниці потенціалів.

Напруга кроку (Uкр) розраховується за формулою

Uкр = Із•ρ / 2π • (1/х – 1/(х+а)) (11.4.)

де Із - струм замикання на землю, А; ρ - питомий опір ґрунту, Ом • м; а - крок людини, м (для практичних розрахунків а = 0, 8 м), х - віддаль між точкою замикання провідника землі до ноги людини, м.

Струм, зумовлений напругою, кроку визначається за формулою

Іл = Uкр/Rл (11.5.)

Тіло людини є чудовим провідником електричного струму, але електропровідність біологічної тканини своєрідно відрізняється від провідності металів, електролітів та газів. Це зумовлено не тільки фізичними властивостями живої тканини, але й дуже складними біохімічними і біофізичними процесами, властивим біологічній субстанції.

Більшість тканин тіла людини містять значну кількість вологи (до 65-70% маси). Тому живу тканину можна розглядати як електроліт і відповідну провідність як іонну. Водночас орга­нізм людини можна віднести і до групи своєрідних полімерів-біополімерів, що мають надзвичайно складний характер провідності, який при певному спрощенні можна прирівняти до провідності напівпровідників. Встановлено, що під дією електричного струму молекули біологічної тканини збуджуються, що приводить до порушення обміну речовин і зміни електричних властивостей тканини.

При проходженні струму через тіло людини воно стає додатковою гілкою електричної мережі. Струм в любій частині кола визначається за законом Ома:

І = Uд / Rл (11.6.)
де Uд - напруга дотику., В; Rл - опір тіла людини. Ом.

Формула закону Ома в такому записі дійсна для кіл постійного струму, але в загальному з формули видно, що між струмом і напругою є прямо пропорційна залежність, тобто, чим більша напруга дотику, тим більша сила струму буде проходити через тіло людини. А між опором тіла людини і відповідним струмом існує обернено пропорційна залежність, тобто, чим менший опір тіла людини, тим більша сила струму буде проходити через нього. Струм через тіло людини протікає шляхом найменшого опору, який не завжди збігається з найкоротшим геометричним шляхом. Це пояснюється значною різницею питомих опорів різних тканин тіла людини. Опір тіла- людини електричному струму в основному визначається опором шкіри. Шкіра має великий питомий опір, особливо самий верхній роговий шар, який складається з відмерлих зроговілих клітин, позбавлених кровоносних судин та нервів. Тому шкіру можна розглядати як тонкий діелектрик, а м’язи і кров - як провідник.

Електричний опір тіла людини - це опір струму, що проходить по ділянці тіла між двома електродами, прикладеними до поверхні тіла людини. Він складається з опору зовнішніх шарів шкіри, що контактують з електродами, і з опору внутрішніх тканин тіла.

Величина електричного опору тіла залежить від стану рогового шару шкіри, наявності на її поверхні вологи та забруднень, від місця прикладання електродів, від сили та частоти струму, тривалості його дії. Опір шкіри також залежить від прикладеної напруги, оскільки вже при напрузі 10 - 35 В пробивається верхній роговий шар шкіри, вона втрачає властивості діелектрика і стає провідником (через тіло людини проходить струм). При напрузі 127-220 В і вище шкіра вже майже не впливає на опір тіла. Опір тіла людини у різних людей не­однаковий; неоднаковий він і у тієї ж самої людини в різний час та за різних обставин. При сухій, чистій і неушкодженій шкірі опір тіла людини, виміряний при напрузі 15-20 В, коливається в межах від 3000 до 100000 Ом. При розрахунках опір тіла людини приймають за 1000 Ом.

Індивідуальні особливості людини, фізичний і психологічний стан людини суттєво впливають на наслідок ураження електричним струмом. Захворювання шкіри, серцево-судинної системи, органів внутрішньої секреції, легенів, нервові хвороби, втома, голод, сп'яніння та емоційне збудження приводять до зниження опору.

Суттєве значення має і фактор уваги. Якщо людина підготовлена до електричного удару, то ступінь небезпеки різко знижується.

Несприятливий мікроклімат (підвищена температура, вологість, струмопровідний пил) збільшують небезпеку ураження струмом. Наприклад, підвищена вологість створює на руках струмопровідні містки на окремих ділянках шкіри і через це збільшує її провідність.

Забруднення рук окалиною, вугільним пилом знижують опір тіла людини. Деревний пил на руках столяра менш небезпечний і столяр має вищу опірність до струму. Підошви, мозолисті долоні в 20-50 разів мають вищий опір, ніж зап’ястя.