Дія електричного струму на організм людини

Електричний струм, який проходить через живий організм, чинить термічну, електролітичну та біологічну дії, які детально описані В.Є. Манойловим [34].

Проходження струму через тіло людини спричиняє термічну дію, а саме нагрівання тканин і органів, випаровування вологи, що викликає опіки, обвуглювання тканин та їх розриви парою. Це пов’язано з тим, що робота струму перетворюється в теплову енергію (тепло). Чим більше сила електричного струму, електричний опір тіла людини та проміжок часу проходження струму, тим складніші наслідки для людини. Термічна дія струму викликає серйозні функціональні розлади організму людини в цілому.

При доторканні людини до неізольованого провідника (зокрема, проводу), який знаходиться під напругою, створюється електричне коло, що проходить через тіло людини. У першому наближенні будемо вважати, що опір тіла людини R_телектричному струму є лінійним (не залежить від прикладеної напруги U або різниці потенціалів j₁ – j₂). Як відомо з фізики, при проходженні постійного струму сили Iчерез тіло людини за проміжок часу tвиділяється тепло (закон Джоуля-Ленца):

W = I × (j₁ – j₂) × t = I² × R _т × t(2.1)

Розглянемо змінний у часі t струм i, який створюється змінною напругою u. У техніці зазвичай під змінним струмом розуміють періодичний (синусоїдальний) струм, в якому середнє за період значення сили струму і напруги рівні нулю.

Використаємо такі позначення: f– промислова частота струму (f = 50 Гц); ω – кругова частота; T – період змінного струму (ω = 2pf = 2p/T), I_mі U_m– амплітудні значення сили струму і напруги; Iі U– діючі значення сили струму і напруги або з точки зору математики середньоквадратичне значення сили змінного струму чи напруги:

I = = I_m / ; U = U_m / . (2.2)

Тоді якщо a і b– початкові фази струму і напруги, то миттєві значення сили струму та напруги визначаються виразами: i = I_m sin (ωt + a), u = U_m sin (ωt + b). Як наслідок, миттєва потужність струму після нескладних перетворень визначається так:

p = ui = UI cos j – UI cos (2ωt + y),(2.3)

де cos j– коефіцієнт потужності; j – кут зсуву фаз між векторами струмів і напруг однойменних фаз (j = b – a, y = b + a).

І нарешті, тепло W, що виділяється в провіднику, роль якого виконує тіло людини, за проміжок часу Dt, визначається як добуток середнього значення потужності на вказаний час:

W = P_с × Dt = × Dt = U×I × cos j × Dt,(2.4)

де P_а = U×I × cos j– активна потужність однофазного змінного струму, Вт; S = U ×I – повна потужність однофазного змінного струму, В×А.

Електролітична дія струму проявляється в електролізі органічних рідин, зокрема крові та лімфи, що призводить до зміни їх фізико-хімічних і біохімічних властивостей. Як наслідок, порушуються біохімічні процеси в тканинах й органах, які є основою забезпечення життєдіяльності організму.

Органічні рідини переважно (біля 60 – 65 %) складаються з полярних молекул води, які відіграють роль розчинника. Проходження струму через органічну рідину (електроліт) супроводжується ослабленням зв’язків між іонами та розривом цих зв’язків, а також пов’язано з переносом речовини в постійному електричному полі (постійний струм) або з коливаннями електризованої речовини з частотою 50 Гц (змінний струм).

Питома електропровідність g живої тканини, а саме величина, яка обернено пропорційна питомому електричному опору r, тобто g = 1/r, має досить складний характер. Електричний опір тіла людини відрізняється від опору неживих об’єктів тим, що є параметром змінним, тобто суттєво змінюється при зміні властивостей і стану тіла та центральної нервової системи. Нелінійність електричного опору притаманна шкірі, різним тканинам і органам людського тіла.

Для струмів промислової частоти питомий об’ємний опір сухої шкіри складає 3 ×10³ – 2 ×10⁴ Ом ×м, жирової тканини 30 – 60 Ом ×м, м’язової тканини 1,5 – 3 Ом ×м, крові 1,5 – 2 Ом ×м, спино-мозкової рідини 0,5 – 0,6 Ом ×м. Питомий опір нервового ствола майже на два порядки менше питомого опору крові та майже на чотири порядки менше питомого опору тіла людини в цілому, яке умовно оцінюється значенням (1,5 – 2,0) ×10² Ом ×м [32; 58].

Питомий опір нервового ствола майже на два порядки менше питомого опору крові. Ось чому кровоносна система і м’язи не вважаються основними провідниками струму: основну роль в каналізації струму відіграють нервові стволи. Проте вони під дією електричного струму розчіплюються на нервові волокна, відбувається розрив аксонів, змінюються електрохімічні процеси на мембранах нервових клітин. Значить, найбільш суттєву роль в наслідках електротравм відіграє нервова система.

Дослідники розглядають електронну, іонну та електронно-діркову провідність. Біофізичні досліди показали збудження молекул живої тканини, яка знаходиться в електричному колі під напругою. Згідно з законом Дюбуа-Раймона, дія на живу тканину (м’язи) обумовлена не стільки значенням сили електричного струму, як подразника, скільки його змінами у часі (збудження м’язу є функцією зміни густини струму в часі). Вказане збудження є причиною паралічу м’язів при певних значеннях сили змінного струму.

Проходження струму по артеріальним і венозним артеріям призводить до агрегації тромбоцитів і лейкоцитів у конгломерати, які викликають тромбоз кров’яних судин. Як наслідок, порушується кровопостачання живих тканин і можлива осередкова пневмонія та навіть інфаркт легенів чи серця.

Біологічна дія струму пов’язана зі збуренням і подразненням живих клітин і тканин організму, порушенням біоелектричних процесів. Це проявляється на рівні периферійної нервової системи як збудження рецепторів, мимовільного непередбачуваного скорочення м’язів. У свою чергу відбуваються зміни у діяльності центральної нервової системи, що можуть призвести до порушення функціонування легенів і серця. Окрім того, зовнішній струм порушує нормальний характер дії біострумів в організмі та викликає специфічні розлади в організмі.

Вказані дії електричного струму можуть призвести до різних електротравм, які умовно можна звести до двох видів: місцевих електротравм (електричні опіки, електричні знаки, металізація шкіри, електрофтальмія, механічні пошкодження), коли виникає місцеве пошкодження організму, і загальних електротравм (електричних ударів),коли уражається весь організм, порушуючи нормальну діяльність життєво важливих органів і систем організму.

До місцевих електротравм відносяться:

1. Електричні опіки. За умовами виникнення електричні опіки поділяються на контактні, дугові та змішані.

Контактні струмові опіки, як правило, є опіком шкіри при проходженні через тіло людини струму силою більше 1 А. Відносно значний опір сухої шкіри спричиняє до виділення тепла, яке змінює структуру шкіри та її функції. Контактні струмові опіки виникають у місцях контакту ділянки шкіри та струму.

Дугові опіки частіше є результатом коротких замикань при виконанні робіт в електроустановках. При цьому людина може попасти під теплову дію дуги (дуга виникає безпосередньо між струмопровідними елементами електроустановки) або теплова дія дуги поєднується з проходженням струму через тіло людини (дуга між струмопровідними елементами та тілом людини). Тяжкість уражень зростає зі збільшенням напруги, зокрема це проявляється в електроустановках 6 – 10 кВ. Дугові опіки значно небезпечні, ніж контактні, та нерідко призводять до літальних наслідків.

Розрізняють чотири ступеня опіків [57]:

I – еритема (почервоніння шкіри);

II – утворення пухирів;

III А – частковий некроз (відмирання) шкіри зі збереженням камбіальних елементів дерми (від гр. derma – шкіра);

III Б – некроз усієї товщі шкіри;

IV – некроз шкіри та глибше лежачих тканин, їх обвуглювання.

Опіки I, II, III А ступеню є поверхневі, шкіра після них регенерує (відновлюється) самостійно. Опіки III Б і IV степені глибокі та вимагають хірургічної корекції. Тяжкість пошкодження організму визначається площею поверхні тіла, ураженою опіками, глибиною ушкодження шкіри та підлеглих тканин, наявність супровідних опіків дихальних шляхів, отруєння продуктами неповного згоряння, віком людини. Як правило, ураження опіками 60 – 70% шкіри призводить до літального наслідку.

2. Електричні знаки. Виникають електричні знаки (мітки струму) в місцях контакту зі струмопровідними елементами та мають вигляд різко окреслених плям сірого чи блідно-жовтого кольору. Найчастіше знаки мають круглу або овальну форму діаметром 1– 5 мм, які, як правило, є безболісними.

3. Металізація шкіри виникає під дією електричної дуги, яка переносить частинки металу при його розбризкуванні та проникає глибоко в шкіру. При цьому забарвлення пошкодженої ділянки шкіри визначається видом металу: зелений – при контакті з міддю, сірий – з алюмінієм, синє-зелений – з латунню, жовто-сірий –зі свинцем. Найбільш небезпечно є металізація очей. Тому за умови ймовірного виникнення електричної дуги необхідно користуватися захисними окулярами.

4. Електроофтальмія – запалення зовнішніх оболонок очей (рогівки) у результаті впливу потоку ультрафіолетових променів електричної дуги після 2 – 6 годин після опромінення. Проявляється електрофтальмія у формі запалення слизових оболонок повік, сльозовиділенні, світло болях, різях в очах. Профілактичним засобом є застосування окулярів зі звичайними скельцями, які майже не пропускають ультрафіолетові промені.

5. Механічні пошкодження – непередбачуване судомне скорочення м’язів в результаті подразнюючої дії струму, що може викликати розриви сухожиль, кровоносних судин, нервових тканин, а також вивихи суглобів, переломи кісток тощо (сюди не відносяться механічні ушкодження, пов’язані з падінням з висоти під дією електричного струму).

Загальні електротравми (електричні удари) – це порушення функціонування життєво важливих органів (насамперед, серця та легенів) чи всього організму людини шляхом збудження живих тканин електричним струмом, що супроводжується мимовільним судомним скороченням м’язів. В залежності від наслідків ураження електричні удари діляться на чотири групи [57]:

I – судомні скорочення м’язів без втрати свідомості, потерпілий зазнає різкого переляку, шкіра бліда, озноб, судомний крик;

II – судомні скорочення м’язів зі втратою свідомості без порушення дихання та кровообігу, свідомість швидко відновлюється, різкий переляк, крик про допомогу, самостійне вивільнення із під дії струму неможливо;

III – судомні скорочення м’язів зі втратою свідомості, порушення серцевої діяльності чи дихання, або серцевої діяльності та дихання разом, спазм голосових зв'язок (потерпілий не може кричати), дихання утруднене, тони роботи серця глухі, брахікардія (зменшення частоти серцевих скорочень до 30 – 50 ударів в хвилину) або фібриляція шлуночків серця (ненормальний стан роботи серця, при якому окремі групи м’язових волокон скорочуються розрізнено та не скоординовано);

IV– клінічна смерть: серцева діяльність відсутня або фібриляція шлуночків серця, відсутність дихання та кровообігу (пульсу), а як наслідок, синювато-блідий шкіряний покрив, різко розширені зіниці очей, які не реагують на світло.