Санкт-Петербургский Государственный

Агентство просвещения Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный

политехнический университет

В.Д. Маньков

Электробезопасность

Руководство к лабораторным работам

по дисциплине

«Безопасность жизнедеятельности»

 

 

 

Санкт-Петербург

Издательство СПб ГТУ

2011 г.

УДК 658.3.82.621.31

Маньков В.Д. Электробезопасность: Руководство к лабораторным работам по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности». - СПб.: Изд-во СПб ГПУ, 2011. – 103 с.

Настоящее руководство является практическим пособием для лабораторных работ по разделу «Электробезопасность» дисциплины «Безопасность жизнедеятельности». Руководство предназначено для укрепления, углубления полученных теоретических знаний и приобретения практических навыков по безопасной эксплуатации электроустановок и электрооборудования.

В руководстве изложен теоретический материал, необходимый для понимания физических процессов при выполнении лабораторных работ, а также конкретные рекомендации по их выполнению и оформлению результатов.

Выполнение лабораторных работ и изучение материала, изложенного в руководстве, позволяет студентам получить необходимые знания и навыки для практической деятельности по выбранной специальности.

Руководство предназначено для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского политехнического университета, изучающих дисциплину «Безопасность жизнедеятельности».

 

Печатается по решению редакционно-издательского

совета СПб ГПУ.

 

 

Предисловие

 

Настоящее Руководство по своей структуре и изложению материала несколько отличается от руководств по другим лабораторным работам и практическим занятиям дисциплины «Безопасность жизнедеятельности». Теоретический материал изложен достаточно подробно, с учётом того, что электротехника изучается не на всех факультетах и не всеми специальностями. Для понимания теоретических обоснований представленных в пособии в виде формул, графиков и таблиц, достаточно знаний из курса физики ВУЗа, раздела электричество.

Объём прорабатываемого теоретического материала студентами определяет преподаватель в зависимости от специальности и учебной программы по дисциплине. Перед проведением занятий студенты должны пройти инструктаж по правилам и мерам безопасности при выполнении лабораторных работ и поведении в лаборатории и получить задание по подготовке к выполнению лабораторных работ.

Студенты не прошедши инструктаж, не изучившие теоретические основы и порядок выполнения лабораторных работ к занятиям не допускаются. Включение и выключение лабораторных установок производится только с разрешения преподавателя.

При оформлении отсчётов по результатам выполнения лабораторной работы необходимо предоставить:

- заполненные таблицы;

- вычерченные необходимые графики измеряемых величин;

- необходимые расчёты;

- выводы по результатам анализа полученных результатов;

Отсчёт оформлять чернилами без помарок и зачёркиваний, графики расчёты и выводы допускается оформлять на отдельных листах формата А4, прикладываемых к отсчёту. Однако в зависимости от объёма дисциплины для данной специальности и общеобразовательной подготовки студентов преподаватель может определить иной порядок выполнения лабораторных работ и оформление отчётов.

Лабораторные установки изготовлены в разные годы, имеют различные обозначения одних и тех же параметров; так символы h, H, Ч - обозначают параметры, относящиеся к телу человека; а ток, протекающий через тело человека может обозначаться символами I_h, I_H, I_Ч. Для исключения путаницы с обозначениями далее по тексту сделаны необходимые ссылки.

 

Лабораторная работа

 

Исследования электрического сопротивления тела человека

и опасности поражения электрическим током

 

Цель работы: Изучение действия электрического тока на организм человека и роли сопротивления человека на исход поражения путем определения параметров его электрической схемы замещения.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАНЯТИЯ

Рассмотрим механизм действия электрического тока на тело человека.

Действие электрического тока на тело человека

Виды поражения электрическим током

 

Действие электрического тока на организм человека проявляется различными электротравмами[1]. Условно электротравмы можно свести к двум видам: местным электротравмам, когда возникает местное (локальное) повреждение организма, и общим электротравмам, так называемым электрическим ударам, когда поражается (или создается угроза поражения) весь организм из-за нарушения нормальной деятельности жизненно важных органов и систем.

Примерное распределение несчастных случаев от электрического тока в промышленности по указанным видам травм: 20 % - местные электротравмы; 25 % - электрические удары; 55 % - смешанные травмы, т.е. одновременно местные электротравмы и удары[2]. Оба вида травм часто сопутствуют друг другу. Тем не менее, они различны и должны рассматриваться раздельно.

На рис. 1 представлена классификация видов поражения электрическим током.

 

 

Рис. 1. Классификация видов поражения электрическим током

Местные электротравмы

Местная электротравма - ярко выраженное локальное нарушение целостности тканей тела, в том числе костных тканей, вызванное воздействием электрического тока или электрической дуги.

Чаще всего это поверхностные повреждения, т.е. поражения кожи, иногда других мягких тканей, а также связок и костей.

Опасность местных травм и сложность их лечения зависят от места, характера и степени повреждения тканей, а также от реакции организма на это повреждение. Как правило, местные травмы излечиваются, и работоспособность пострадавшего восстанавливается полностью или частично.

В редких случаях (обычно при тяжелых ожогах) человек погибает. При этом непосредственной причиной смерти является не электрический ток, а местное повреждение организма, вызванное током.

Характерные местные электротравмы - электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения и электроофтальмия.

Как указывалось, примерно 75 % случаев поражения людей током сопровождается возникновением местных электротравм. Распределение случаев поражения по видам травм в процентном отношении к общему числу электротравм представлено в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Распределение случаев поражения по видам электротравм

 

Вид травмы	% от общего числа электротравм
Электрические ожоги
Электрические знаки
Металлизация кожи
Механические повреждения	0,5
Электроофтальмия	1,5
Смешанные травмы, т.е. ожоги с другими местными травмами
Всего

Электрический ожог - самая распространенная электротравма: ожоги возникают у большей части (63 %) пострадавших от электрического тока, причем треть их (23 %) сопровождается другими травмами - знаками, металлизацией кожи и офтальмией.

Около 85 % всех электрических ожогов приходится на электромонтеров, обслуживающих действующие электроустановки.

В зависимости от условий возникновения различают два основных вида ожога: токовый (или контактный), возникающий при прохождении тока непосредственно через тело человека в результате его контакта с токоведущей частью, и дуговой, обусловленный воздействием на тело человека электрической дуги.

Токовый (контактный) ожог возникает в электроустановках относительно небольшого напряжения - не выше 2 кВ. При более высоких напряжениях, как правило, образуется электрическая дуга или искра, которые и обусловливают возникновение ожога другого вида - дугового.

Контактный ожог участка тела является следствием преобразования энергии электрического тока, проходящего через него, в тепловую. Поэтому такой ожог тем опаснее, чем больше величина тока, время его прохождения и электрическое сопротивление участка тела, подвергшегося воздействию тока.

Поскольку при таких ожогах напряжение, приложенное к телу человека, сравнительно невелико, то ток, проходящий через человека, также невелик: доли ампера или в худшем случае несколько ампер.

Однако в месте контакта тела с токоведущей частью плотность тока может достигать больших значений, так как площадь соприкосновения тела с токоведущей частью обычно невелика. Здесь же ток встречает и наибольшее сопротивление, а именно, сопротивление кожи, которое во много раз больше сопротивления внутренних тканей. Поэтому максимальное количество теплоты выделяется в месте контакта проводника с кожей, а точнее, в том участке кожи, который находится в контакте с токоведущей частью.

Этим и объясняется то, что токовый ожог является, как правило, ожогом кожи. Лишь в редких случаях, когда через тело человека проходит большой ток, при контактном ожоге могут быть поражены и подкожные ткани.

Кроме того, тяжелые повреждения внутренних тканей могут возникнуть при контактных ожогах, вызванных токами высокой частоты. При этом кожа может иметь незначительные повреждения.

Токовые ожоги образуются примерно у 38 % пострадавших от электрического тока, в большинстве случаев они являются ожогами I и II степеней; при напряжениях выше 380 В возникают и более тяжелые ожоги - III и IV степеней[3].

На рис. 2 показан тяжелый токовый ожог пальцев и ладони правой руки человека, взявшегося за оголенные провода квартирной электропроводки напряжением 220 В.

При этом пострадавший коснулся обоих проводов - фазного и нулевого рабочего: одного - пальцами, а другого - участком ладони вблизи большого пальца.

Дуговой ожог наблюдается в электроустановках различных напряжений. При этом в установках до 6 кВ ожог является следствием случайных коротких замыканий, например при работах под напряжением на щитах и сборках до 1000 В, измерениях переносными приборами (электроизмерительными клещами) в установках выше 1000 В (до 6 кВ) и т.п.

В установках более высоких напряжений дуга возникает при случайном приближении человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением, на расстояние, при котором происходит пробой воздушного промежутка между ними; при повреждении изолирующих защитных средств (штанг, указателей напряжения и т.п.), которыми человек касается токоведущих частей, находящихся под напряжением; при ошибочных операциях с коммутационными аппаратами (например, при отключении разъединителя под нагрузкой с помощью штанги), когда дуга нередко перебрасывается на человека, и т.п. Во всех этих случаях возникает мощная дуга, вызывающая обширные ожоги на теле человека и обусловливающая прохождение через него больших токов - в несколько ампер и даже десятков ампер.

Понятно, что в этих случаях поражения носят тяжелый характер и оканчиваются, как правило, смертью пострадавшего, причем тяжесть поражения возрастает обычно с увеличением напряжения электроустановки.

Электрическая дуга может вызвать обширные ожоги тела, выгорание тканей на большую глубину, обугливание и даже бесследное сгорание больших участков тела или конечностей.

Большой ток, проходящий через человека, вызывает тяжелые ожоги в месте входа и выхода. Ткани тела, находящиеся на пути тока, претерпевают серьезные изменения, а в случае большого количества тепла, выделяющегося в них, высушиваются и обугливаются.

Вместе с тем, большой ток, проходящий через человека, обычно вызывает фибрилляцию сердца.

Объяснение этого парадоксального явления еще не найдено. Смерть в таких случаях наступает, как правило, от паралича дыхания или в результате обширных ожогов поверхности тела человека.

На рис. 3 показан тяжелый случай дугового ожога, вызвавшего сквозной дефект грудной клетки и сопровождав-шегося прохождением тока непосред-ственно через сердце. Длительное и сложное лечение пострадавшего окон-чилось его выздоровлением.

Из общего числа учитываемых несчастных случаев от действия электрического тока дуговые ожоги составляют примерно 25 %.

Электрические знаки, именуемые также знаками тока или электрическими метками, представляют собой резко очерченные пятна серого или бледно-желтого цвета на поверхности тела человека, подвергшегося действию тока. Обычно знаки имеют круглую или овальную форму и размеры 1 - 5 мм с углублением (рис. 4).

Встречаются знаки и в виде царапин, небольших ран, бородавок, кровоизлияний в кожу, мозолей и мелкоточечной татуировки. Иногда форма знака соответствует форме участка токоведущей части, которого коснулся пострадавший, а при воздействии грозового разряда напоминает фигуру молнии (рис. 5).

Пораженный участок кожи затвердевает подобно мозоли. Происходит как бы омертвение верхнего слоя кожи. Поверхность знака сухая, не воспалена.

Обычно электрические знаки безболезненны и лечение заканчивается благополучно: с течением времени верхний слой кожи сходит и пораженное место приобретает первоначальный цвет, эластичность и чувствительность. Эти знаки появляются примерно у 11 % пострадавших от тока.

Электрометаллизация кожи - проникновение в верхние слои кожи мельчайших частичек металла, расплавившегося под действием электрической дуги. Такое явление встречается при коротких замыканиях, отключениях разъединителей, замене предохранителей под нагрузкой и т.п. При этом мельчайшие брызги расплавленного металла под влиянием возникших динамических сил и теплового потока разлетаются во все стороны с большой скоростью. Каждая из этих частичек имеет высокую температуру, малый запас теплоты и, как правило, не способна прожечь одежду.

Поэтому поражаются обычно откры-тые части тела - руки и лицо (рис. 6).

Пораженный участок кожи имеет шероховатую поверхность.

Пострадавший ощущает на поражен-ном участке боль от ожогов под действием теплоты занесенного в кожу металла и испытывает напряжение кожи от присут-ствия в ней инородного тела.

Обычно с течением времени больная кожа сходит, пораженный участок приобре-тает нормальный вид и эластичность, исчезают и все болезненные ощущения, связанные с этой травмой. Лишь при поражении глаз лечение может оказаться длительным и сложным, а в некоторых случаях и безрезультатным, т. е. пострадавший может лишиться зрения.

Поэтому работы, при которых возможно возникновение электрической дуги (например, при наложении переносных заземлений, при снятии и установке предохранителей и т.п.), должны выполняться в средствах защиты лица и глаз. Вместе с тем, одежда работающего должна быть застегнута на все пуговицы, ворот закрыт, а рукава опущены и застегнуты у запястьев рук.

Металлизация кожи наблюдается у 10 % пострадавших от электрического тока. В большинстве случаев одновременно с металлизацией возникает дуговой ожог, который почти всегда вызывает более тяжелые поражения, чем металлизация.

При постоянном токе металлизация кожи возможна и в результате электролиза, который возникает при плотном и относительно длительном контакте тела с токоведущей частью, находящейся под напряжением. В этом случае частички металла заносятся в кожу электрическим током, который одновременно разлагает органическую жидкость в тканях, образуя в ней основные и кислотные ионы. Металл, соединяясь с кислотными ионами, образует соответствующие соли, которые придают пораженному участку кожи специфическую окраску. Так, зеленый цвет свидетельствует о том, что в кожу занесена красная медь, сине-зеленый - латунь, а серо-желтый - свинец. Этот вид металлизации излечивается успешно.

Механические повреждения являются в большинстве случаев следствием резких непроизвольных судорожных сокращений мышц под действием тока, проходящего через тело человека. В результате могут произойти разрывы сухожилий, кожи, кровеносных сосудов и нервной ткани; могут иметь место вывихи суставов и даже переломы костей. Разумеется, электротравмами не считаются аналогичные травмы, вызванные падением человека с высоты, ушибами о предметы и т.п. в результате воздействия тока.

Механические повреждения происходят при работе в основном в установках до 1000 В при относительно длительном нахождении человека под напряжением. Это, как правило, серьезные травмы, требующие длительного лечения. К счастью, механические повреждения возникают довольно редко - примерно у 1,0 % лиц, пострадавших от тока. Такие повреждения всегда сопутствуют электрическим ударам, поскольку их вызывает ток, проходящий через тело человека. Некоторые из них сопровождаются, кроме того, контактными ожогами тела.

Электроофтальмия [4] - воспаление наружных оболочек глаз - роговицы и конъюнктивы (слизистой оболочки, покрывающей глазное яблоко), возникающее в результате воздействия мощного потока ультрафиолетовых лучей, которые энергично поглощаются клетками организма и вызывают в них химические изменения.

Такое облучение возможно при наличии электрической дуги, которая является источником интенсивного излучения не только видимого света, но и ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Электроофтальмия наблюдается примерно у 3 % пострадавших от тока.

Инфракрасные (тепловые) лучи также вредны для глаз, но лишь на близком расстоянии или при интенсивном и длительном облучении. В случае же кратковременной дуги основным фактором, воздействующим на глаза, являются ультрафиолетовые лучи, хотя и в этом случае не исключена опасность поражения глаз инфракрасными лучами, а также мощным потоком света и брызгами расплавленного металла.

Электроофтальмия развивается через 4 - 8 часов после ультрафиолетового облучения. При этом имеют место покраснение и воспаление кожи и слизистых оболочек век, слезотечение, гнойные выделения из глаз, спазмы век и частичная потеря зрения. Пострадавший испытывает головную боль и резкую боль в глазах, усиливающуюся на свету, т.е. у него возникает так называемая светобоязнь. В тяжелых случаях нарушается прозрачность роговой оболочки, сужается зрачок.

Обычно болезнь продолжается несколько дней. В случае поражения роговой оболочки лечение оказывается более сложным и длительным. Предупреждение электроофтальмии при обслуживании электроустановок обеспечивается применением защитных очков с обычными стеклами, которые почти не пропускают ультрафиолетовых лучей и одновременно защищают глаза от инфракрасного облучения и брызг расплавленного металла при возникновении электрической дуги.

Общие электротравмы

 

Электрический удар. Под электрическим ударом следует понимать возбуждение живых тканей организма протекающим через него электрическим током, проявляющееся в непроизвольных судорожных сокращениях различных мышц тела. Появляется рассеянность, ослабевают память и внимание. Если подобных ярко выраженных заболеваний не наступает, то и в этом случае считается, что электрический удар резко ослабляет сопротивляемость организма к болезням, в первую очередь к сердечно сосудистым и нервным, которые могут возникнуть у человека впоследствии по другим причинам.

Электрический удар является следствием протекания тока через тело человека; при этом под угрозой поражения оказывается весь организм из-за нарушения нормальной работы различных его органов и систем, в том числе сердца, легких, центральной нервной системы и пр.

Степень отрицательного воздействия на организм электрических ударов различна. Самый слабый электрический удар вызывает едва ощутимое сокращение мышц вблизи места входа или выхода тока; в худшем случае он приводит к нарушению и даже полному прекращению деятельности легких и сердца, т.е. к гибели организма. При этом внешних местных повреждений человек может и не иметь.

В зависимости от исхода поражения электрические удары можно условно разделить на следующие пять степеней:

I - судорожное едва ощутимое сокращение мышц;

II - судорожное сокращение мышц, сопровождающееся сильными, едва переносимыми болями, без потери сознания;

III - судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимися дыханием и работой сердца;

IV - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания;

V - клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Исход воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов, в том числе от значения и длительности прохождения тока через его тело, рода и частоты тока, а также от индивидуальных свойств человека. Роль этих факторов рассматривается в п. 1.2 настоящего руководства. Сопротивление тела человека и приложенное к нему напряжение также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значение тока, проходящего через человека.

Электрический удар, даже если он не приводит к смерти, может вызвать серьезные расстройства в организме, которые проявляются сразу после воздействия тока или через несколько часов, дней и даже месяцев. Так, в результате электрического удара, т.е. прохождения тока через тело человека, сопровождающегося непроизвольными судорожными сокращениями мышц, могут возникнуть или обостриться сердечно-сосудистые заболевания - аритмия сердца, стенокардия, повышение или понижение артериального давления и др., а также нервные болезни - невроз, эндокринные нарушения и пр. Нередко у пострадавших, подвергшихся воздействию тока, были отмечены различные расстройства в организме, в том числе сердечно-сосудистой системы. Этим больным потребовалось длительное и сложное лечение.

Электрическим ударам подвергается обычно более 80 % пострадавших из числа учитываемых случаев поражения током. При этом большая часть их (55 %) сопровождается местными электротравмами, в первую очередь - ожогами. Около 25 % случаев поражения током - это электрические удары без местных травм, хотя на теле пострадавших можно обнаружить места входа и выхода тока - весьма незначительные участки поврежденной кожи, которые за их малостью травмами не считаются.

Электрические удары являются грозной опасностью для жизни пострадавших; они вызывают 85 - 87 % смертельных поражений (считая за 100 % все случаи со смертельным исходом от действия тока). Правда, большая часть смертельных случаев (60 - 62 %) является результатом смешанных поражений, т.е. одновременного действия электрических ударов и местных электротравм (ожогов), однако и в этих случаях смертельный исход является, как правило, следствием электрического удара.

Электрический шок - своеобразная тяжелая нервно-рефлекторная реакция организма в ответ на чрезмерное раздражение электрическим током, сопровождающаяся глубокими расстройствами кровообращения, дыхания, обмена веществ и т.п.

При шоке непосредственно после воздействия тока наступает кратковременная фаза возбуждения, когда пострадавший не реагирует на возникшие боли, у него повышается кровяное давление и т.п. Вслед за этим приходит фаза торможения и истощения нервной системы, когда резко снижается кровяное давление, падает и учащается пульс, ослабевает дыхание, возникает депрессия - угнетенное состояние и полная безучастность к окружающему миру при сохранившемся сознании.

Шоковое состояние длится от нескольких десятков минут до суток. После этого может наступить или гибель человека в результате полного угасания жизненно важных функций, или выздоровление как результат своевременного активного лечебного вмешательства.

 

 

Условия окружающей среды

Атмосферные условия. Уменьшение или увеличение парциального давления кислорода в воздухе по сравнению с нормой соответственно снижает или повышает сопротивление тела человека. Следовательно, в закрытых помещениях, где парциальное давление кислорода, как правило, меньше, опасность поражения током при прочих равных условиях выше, чем на открытом воздухе.

Повышенная температура окружающего воздуха (30 - 45 °С) или тепловое облучение человека вызывают некоторое понижение сопротивления тела, даже если человек в этих условиях находится кратковременно (несколько минут) и у него не наблюдается усиления потовыделения. Одной из причин этого может быть усиление снабжения сосудов кожи кровью в результате их расширения, что является ответной реакцией организма на тепловое воздействие.

Углекислый газ. Чувствительность к току изменяется также с изменением содержания в воздухе углекислого газа. С увеличением содержания этого газа в воздухе чувствительность к току возрастает, среднее значение ощутимого тока при этом уменьшается на 30 - 40 %.

Если парциальное содержание углекислого газа превышает значение, допустимое по санитарно-гигиеническим нормам (1 %), то чувствительность к току возрастает в два раза.

Электрическое поле. На человека постоянно действует электрическое поле напряженностью 12 - 150 В/м, а в предгрозовой и грозовой периоды - еще более сильное. Физиологическое воздействие электрических полей на живой организм объясняется контактом электроаэросистем с тканями организма. Активные вещества, образующиеся при этом в процессе биоэлектрохимических реакций в тканях, воздействуют на нервные рецепторные зоны и рефлекторным путем вызывают те или иные сдвиги систем организма, а это сказывается и на изменении его чувствительности к электрическому току. Чем дольше человек находится в электрическом поле, тем ниже его чувствительность к действию электрического тока.

Магнитное поле. Само по себе магнитное поле не вызывает патологии. Нарушения здоровья обуславливаются токами, возникающими в теле организма в процессе изменения численных значений напряженности магнитного поля, и чем она выше, тем выше опасность поражения электрическим током. Анализ факторов, влияющих на исход поражения электрическим током, и последствий этих влияний, позволил разработать методику оказания первой помощи пострадавшему при поражении электрическим током.

Прежде чем изложить порядок проведения практических исследований рассмотрим дополнительные сведения об электрическом сопротивлении тела человека. Рассмотрим лишь те положения, которые не вошли в п. 1.3.

Предметом исследования в данной работе является электрическое сопротивление тела человека, рассмотрим от каких факторов зависит его величина более подробно Сопротивление тела человека - величина нелинейная, меняется в широких пределах и зависит от ряда факторов, действие которых будет изложено ниже; состояние кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная и т.п.), тока через человека и приложенного напряжения, рода и частоты тока, времени воздействия тока на человека, плотности и площади контакта и др.

Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости, жировая ткань - большое, а мышечная ткань, кровь и, особенно спинной и головной мозг - малое. Но кожа, по сравнению с другими тканями, обладает наибольшим удельным сопротивлением и поэтому сопротивление тела человека определяется, главным образом, сопротивлением кожи.

Строение кожи весьма сложно. Кожа, как было указано выше состоит из двух основных слоев: наружного - эпидермиса и внутреннего - дермы. В свою очередь, эпидермис состоит из рогового слоя толщиной 0,05 - 0,2 мм, представляющего в электрическом отношении диэлектрик, и росткового слоя (он в несколько раз тоньше рогового и обладает меньшим сопротивлением).

При сухой неповрежденной коже и приложенном напряжении до 15 - 20 В сопротивление тела равно 3 - 10 кОм и может достигать 100 кОм и больше. Если на участках кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела упадет до 1 - 5 кОм, а при удалении всего эпидермиса - до 500 - 700 Ом. Если под электродами удалить всю кожу, то будет измерено сопротивление внутренних тканей тела, которое составляет лишь 300 - 500 Ом.

При протекании электрического тока в теле человека происходят биофизические и биохимические процессы, значительно более сложные, чем в электролитах, металлах, проводниках. Однако при определенных допущениях тело человека можно представить в виде электрической схемы замещения. Чаще всего используется для анализа явлений при протекании тока через человека по пути рука - рука и расчета электрических параметров сопротивления человека - две схемы замещения: эквивалентная (рис. 14, а) и упрощенная (рис. 14, б). Здесь R_h и C_h - активное сопротивление и емкость тела человека.

Для упрощенной схемы можно принять R_h ≈ 2 r_Н + r_B, C_h ≈ 0,5 C_К, где r_Н, r_{B _}- сопротивление соответственно наружного слоя кожи и внутренних органов тела человека; C_К - емкость кожи тела человека, тогда полное сопротивление Z_h тела человека по пути рука - рука будет определяться по формуле

. (1)

Для эквивалентной схемы выражения для Z_h получается относительно сложным и здесь не приводится. Анализируя эквивалентную схему замещения, можно сделать несколько выводов:

а) Наличие емкости в схеме и соответственно реактивной составляющей в выражении для Z_h обусловливает влияние рода и частоты тока на значение сопротивления тела человека.

б) С увеличением частоты f емкостное сопротивление x_C = 1/2 π f c_H уменьшается и шунтирует активное сопротивление r_H. В пределе при ƒ→∞ полное сопротивление оказывается равным внутреннему сопротивлению r_B. Практически уже на частотах 10 - 20 кГц можно считать: Z_h ≈ r_{В .} Внутреннее сопротивление r_B является активным и от частоты не зависит.

в) При уменьшении частоты емкостное сопротивление возрастает и в пределе приƒ→0, т.е. при постоянном токе: Z_h = Z ₀ = 2 r_Н + r_В, откуда

. (2)

 

 

а) б)

 

Рис. 14. Электрическая схема замещения тела человека (рука-рука): а) эквивалентная;

б) упрощённая.

 

С некоторыми допущениями можно принять, что полное сопротивление тела человека на частотах 0 - 100 Гц находится в линейной зависимости от частоты тока и может быть определено методом экстраполяции. С этой целью в линейном масштабе строится график зависимости полного сопротивления от частоты, как показано на рис.15.

Значение Z ₀ находится при пересечении прямой z₁ - z₄ с осью координат.

Рис. 15. График экстраполяции при определении сопротивления

тела человека постоянному току

г) Значение полного сопротивления наружного слоя кожи Z_H при данной частоте может быть найдено из выражения

. (3)

Полное сопротивление наружного слоя кожи Z_H связано с r_H и 1/ ω c_H соотношением: 1/ Z_H ² = 1/ r_H ² + 1/ω² c_H ². Отсюда можно получить емкость наружного слоя кожи c_H из выражения:

. (4)

Приведенные выражения позволяют при наличии экспериментальной зависимости Z_h (f) определить расчетным путем для заданной частоты f значения r_B, z ₀, r_H, z_H, c_H.

Состояние кожи сильно влияет на значение электрического сопротивления тела человека. Так, повреждение рогового слоя, в том числе порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы, могут снизить Z_h до значения, близкого к значению внутреннего сопротивления, что, безусловно, увеличивает опасность поражения током. Такое же влияние оказывает и увлажнение кожи водой или потом, а также загрязнение кожи проводящей пылью или грязью.

Поскольку у одного и того же человека электрическое сопротивление кожи неодинаково на разных участках тела, то на сопротивление в целом влияют и место приложения, а также плотность и площадь контакта.

Значение тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на полное электрическое сопротивление Z_h: с ростом тока и времени его прохождения сопротивление падает, поскольку при этом усиливается местный нагрев кожи, что приводит к расширению ее сосудов, а следовательно, к усилению снабжения этого участка кровью и увеличению потовыделения.

И наконец, повышение напряжения, приложенного к телу человека, уменьшает в десятки раз сопротивление кожи, а следовательно, и полное сопротивление тела, которое в пределе приближается к своему наименьшему значению 300 - 500 Ом. Это объясняется рядом факторов, прежде всего, пробоем рогового слоя кожи, который наступает при напряжении 50 - 200 В, а также ростом тока, проходящего через кожу (за счет повышения напряжения) и др.

Необходимо отметить, что оценкой электрофизических характеристик кожи, и в первую очередь его сопротивления, можно получить важную информацию о состоянии человека в целом, а также отдельных его органов.

Кожа является не только источником информации о состоянии органов и тканей человека, но в то же время – первой защитной оболочкой человека от вредного действия среды. В частности, на поверхности тела, площадь которого 1,5м², действуют 15 триллионов микробов, проникновению которых в организм препятствует кожа.

Самым тонким слоем кожи является эпидермис. Эпидермис, несмотря на незначительные размеры, обладает наиболее ответственными функциями - защитной функцией и функцией информации о состоянии органов и тканей. Информация эта необходима для саморегуляции ряда биофизических процессов в организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.

Электрофизический метод диагностики о состоянии человека и деятельности его отдельных систем был предложен в 1928 году академиком Павловым И.П. и получил название реографического. Реография основана на оценке изменения значения полного электрического сопротивления между двумя электродами, расположенными на теле больного. С помощью реографии можно оценить функцию внешнего дыхания, представить работу системы периферического кровообращения и дать ряд других диагностических оценок.

Кожа человека не только позволяет оценивать состояние человека, но через нее можно ввести человеку лекарственные средства (электрофорез), а также воздействовать на центральную нервную систему через акупунктурные зоны, куда подходят нервные окончания и где электрическое сопротивление на несколько порядков ниже, чем на соседних участках кожи.

Новые возможности в диагностике появились в связи с созданием простого прибора, измеряющего при напряжении 2 В мостовым способом поверхностное электрическое сопротивление кожи, т.е. эпидермиса, который несет максимальную информацию о воспалительных процессах в органах и тканях человека.

 

 

Условия проведения работы

 

Для исследования зависимости сопротивления тела человека от частоты применяется экспериментальная установка (рис. 16), состоящая из звукового генератора со встроенным вольтметром, милливольтметра и стенда с