Коротка теорія та метод вимірювань

Електричний опір тіла людини

Тіло людини є провідником електричного струму. Воно складається, перш за все, з клітин, цитоплазма яких разом з міжклітинною рідиною являють собою електроліти, відокремлені напівпроникними мембранами. При цьому різні тканини тіла спричиняють струму різний опір. Найбільший опір має шкіра: її питомий опір досягає 3·10⁵-2·10⁶ Ом·см. Інші тканини, в тому числі м’язова тканина, кров і особливо спинний і головний мозок мають незначний електричний опір. Опір тіла людини визначається головним чином опором шкіри.

Шкіраскладається із двох основних шарів: зовнішнього - епідермісу і внутрішнього - дерми.

Епідерміс має декілька підшарів, із яких верхній (роговий) складається із багатьох рядів омертвілих (ороговівших) клітин, що не мають кровоносних судин і нервів - це шар неживої тканини, яка покриває зовні все тіло людини.

Роговий шар має товщину на різних ділянках тіла від 0,05 до 0,2 мм; на долонях і підошвах, потовщуючись він може утворювати мозолі значної товщини. Роговий шар погано проводить тепло і електрику. У сухому і незабрудненому стані роговий шар можна розглядати як діелектрик: його питомий опір досягає 10⁷-10⁸ Ом·см.

Інші шари епідерміса, які лежать під роговим шаром і утворені в основному із живих клітин, можна умовно об’єднати в один так званий ростковий шар. Звичайно він в декілька разів тонший, ніж роговий шар, і має значно менший опір.

Дерма є живою тканиною. У ній знаходяться кровоносні судини, нерви, корені волосся, а також потові і сальні залози, вивідні протоки яких виходять на поверхню шкіри, пронизуючи епідерміс. Електричний опір дерми незначний.

Опір тіла людини при сухій чистій і неушкодженій шкірі, виміряний при напрузі 15-20 В, коливається в межах наближено від 3000 до 1000000 Ом, а іноді і більше. Якщо на ділянках шкіри, де прикладаються електроди, зішкребти роговий шар, то опір тіла спаде до 1000–5000 Ом, а при видаленні всього верхнього шару шкіри (епідерміса) – до 500–700 Ом. Якщо ж під електродами повністю видалити шкіру, то опір складе всього лише 300–500 Ом.

Опір тіла людини Z, тобто опір між двома електродами, накладеними на поверхню тіла, можна умовно вважати (спрощена схема) складеним із двох послідовно з’єднаних опорів: опору зовнішнього шару шкіри (епідерміса) Z_E, і внутрішнього опору тіла Z_I, що включає в себе опір внутрішнього шару шкіри (дерми) і опір внутрішніх тканин тіла.

Зовнішній опір тіла має не тільки активну R_E, але і реактивну (ємнісну) складову X_E, яка обумовлена тим, що на ділянці опору електричному струму на тілі людини утворюються додаткові конденсатори з деякою ємністю С, обкладками яких виступають провідники з струмом і добре провідні тканини тіла, які лежать під зовнішнім шаром шкіри (епідермісом) - діелектриком, що відокремлює провідні обкладки.

Внутрішній опір тіла вважається чисто активним Z_I = R_I. Його значення залежить від довжини і поперечного перерізу ділянки тіла, по якому проходить струм, і складає наближено 500–700 Ом.

Повний опір тіла людини згідно спрощеної схеми виражається наступною формулою:

= , (1)

де R – результуючий активний опір тіла людини, C - електрична ємність людини, ν - частота струму (Гц).

На практиці звичайно нехтують ємністю C, яка, як правило, незначна, і в розрахунках вважають опір тіла людини чисто активним і незмінним, рівним R =1000 Ом.

Основні фактори, які впливають на результат ураження струмом

В реальних умовах опір тіла людини не є постійною величиною; він залежить від стану шкіри, параметрів електричного струму, фізіологічних факторів, стану оточуючого середовища та ін.

Із збільшенням струму і часу його проходження опір падає, оскільки при цьому підсилюється місцеве нагрівання шкіри, що призводить до розширення її судин, а значить, до підсилення постачання цієї ділянки кров’ю і підвищення потовиділення.

Із зростанням напруги (рис. 1), прикладеної до тіла людини, відбувається зменшення в десятки разів опору шкіри, а значить, і опору тіла в цілому до свого найменшого значення – 300-500 Ом. Це можна пояснити пробоєм рогового шару шкіри, що виникає при напрузі 50–200 В, збільшенням струму через шкіру, зростанням концентрації носіїв електричного заряду.

0 40 80 120 160 200 В

Рис. 1. Залежність опору тіла людини і струму, який проходить через нього, від прикладеної напруги (1 і 2 – змінний струм 50 Гц; 3 і 4 – постійний струм)

Опір тіла людини залежить від роду і частоти струму (1).

Практика експлуатації електроустановок показує що, постійний струм безпечніший змінного. Порівнюючи порогові значення відчутного постійного струму (5-7 мА) і відчутного змінного струму з частотою 50 Гц (0,6–1,5 мА), можна вважати, що постійний струм в 4–5 разів безпечніший змінного. Але це справедливо лише для напруг до 250–300 В. При більш високих напругах небезпека постійного струму зростає.

Із збільшенням частоти змінного струму повний опір тіла людини Z_h зменшується (1), що призводить до зростання струму через тіло людини. Але значна біологічна дія змінного струму зберігається лише для невеликих частот – до 100-1000 Гц, подальше зростання частоти струму не веде до серйозного ураження організму, зберігається небезпека лише виникнення опіків. На частотах вище 100 кГц дія струму переходить в чисто теплову. Небезпеки ураження повністю зникає при частоті 450–500 кГц.

Фізична дія електричного струму на організм зводиться до теплового і електролізного ефектів. Біологічна дія проявляється в спотворенні біопотенціалів мембран, порушенні обміну речовин, функцій саморегуляції та подразливості, розбалансуванням узгодженої взаємодії між усіма рівнями організму під впливом фізичних факторів. Зростання частоти зовнішнього електричного подразнення блокується інерційністю компонентів організму.