И снова Закон Ома!

Довольно часто нам приходится слышать такие фразы, как "Ударило током" или "Убило током", и ни какого упоминания о напряжении. Исходя из этого, у вас может сложиться впечатление, что для человека опасен ток, а не напряжение. Какой-то элемент истины здесь имеет место быть. Однако, если напряжение не представляет никакой опасности, то зачем пишутся предупреждающие таблички примерно такого содержания: "ОСТОРОЖНО - ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!"?

По большому счету принцип "опасности тока" верен. Электрический ток вызывает ожоги тканей тела, блокирует мышцы и останавливает сердце, но он не может возникнуть сам по себе. Чтобы создать поток электронов через тело человека, к нему нужно приложить напряжение. При выполнении расчетов мы так же должны учесть сопротивление, которое тело человека оказывает электрическому току.

Если с помощью Закона Ома мы выразим силу тока через известные значения напряжения и сопротивления, то получим следующее уравнение:

Сила тока, проходящего через тело человека прямопропорциональна величине напряжения, приложенного к двум его точкам, и обратнопропрорциональна сопротивлению между этими точками. Очевидно, чем больше величина напряжения, создающего поток электронов, тем легче эти электроны будут проходить через конкретную величину сопротивления. Следовательно, высокое напряжение опасно для жизни, потому что оно создает большой ток, который может травмировать или убить человека. И наоборот, чем большее сопротивление оказывает тело электрическому току, тем медленнее будут течь через него электроны при заданной величине напряжения. Проще говоря, опасность того или иного напряжения зависит от величины сопротивления, оказываемого телом человека потоку электронов.

Сопротивление тела не является фиксированной величиной. Оно изменяется от человека к человеку, и время от времени. На измерении электрического сопротивления между пальцами рук и ног основывается метод определения процентного содержания жира в организме. Разные проценты содержания жира обеспечивают разные сопротивления, и это только одна из величин, влияющая на электрическое сопротивление тела человека. Чтобы метод работал точно, человек за несколько часов до теста должен регулировать потребление жидкости, а это говорит о том, что гидратация является еще одним фактором, влияющим на сопротивление человеческого тела.

Сопротивление так же зависит от того, между какими частями тела мы его будем измерять: между руками, между ногами, между рукой и ногой и т.д. Необходимо учесть и тот фактор, что прекрасными проводниками электричества являются пот, богатый солями и минералами, а также кровь, с ее высоким содержанием проводящих химических элементов. Таким образом, контакт между проводом и потными руками или руками с кровоточащей раной будет обладать гораздо меньшим сопротивлением, чем контакт между проводом и руками с сухой, чистой кожей.

Измеряя сопротивление своего тела чувствительным измерительным прибором, путем сжимания его щупов пальцами рук,  я получил значение 1 миллион Ом (1 МОм). При этом прибор показывает меньшее сопротивление, когда я плотно сжимаю щупы, и большее сопротивление - когда я ослабляю пальцы. Руки мои при этом чисты и сухи. Если бы я работал во влажной и грязной производственной среде, то сопротивление между моими руками было бы намного меньше, представляя большую угрозу поражения электрическим током.

Итак, какая же величина тока опасна для человека?. Ответ на этот вопрос зависит от нескольких факторов. Значительное влияние на то, как электрический ток воздействует на человека, оказывает химический состав его тела. Некоторые люди очень чувствительны к току, и поэтому испытывают непроизвольное сокращение мышц даже от разряда статического электричества, который другие люди могут и не почувствовать. Несмотря на эти различия, посредством тестов были выведены примерные значения тока (очень небольшие), которые могут оказать вредное воздействие на организм человека. Все значения в таблице даны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):

"Гц" является сокращенным обозначением единицы измерения Герц, которая служит мерой скорости чередования направлений переменного тока. Эта мера иначе известна как частота. Так, заголовок "60 Гц АС" одного из столбцов таблицы означает что все значения этого столбца относятся к переменному току, который чередуется с частотой 60 циклов в секунду (1 цикл равен периоду времени, в течении которого поток электронов сначала движется в одном направлении, а потом в другом). Последняя колонка, с надписью "10 кГц АС", относится к переменному току, который совершает десять тысяч циклов в секунду.

Следует иметь ввиду, что все вышеприведенные цифры являются приблизительными, поскольку реакция на ток  людей с разным химическим составом тела будет различной. Существует предположение, что достаточно пропустить переменный ток величиной в 17 миллиампер через грудь человека, чтобы при определенных условиях вызвать у него аритмию сердца. Большинство данных таблицы, касающихся аритмии сердца, взяты из опытов над животными. И это естественно, ведь никто не будет проводить такие эксперименты на людях, в связи с чем имеющиеся данные весьма приблизительны. Если вас интересует вопрос, почему женщины более восприимчивы к электрическому току чем мужчины, то здесь мы вам не поможем - для нас это тоже загадка.

Теперь давайте предположим, что я взялся сухими и чистыми руками за контакты источника напряжения переменного тока частотой 60 Гц. Какое напряжение должно быть у этого источника, чтобы создать ток величиной 20 миллиампер (при таком токе я не смогу самостоятельно отпустить контакты источника)? Ответ на этот вопрос можно найти в Законе Ома (U = IR):

U = IR

U = (20 мA)(1 МОм)

U = 20,000 вольт, или 20 кВ

Имейте в виду, что это сценарий "лучшего случая" с точки зрения электробезопасности (чистая, сухая кожа), а полученная величина напряжения, с огромной долей вероятности, вызовет оцепенение человека. Гораздо меньшее напряжение потребуется для вызова болевых ощущений. Следует учесть так же и тот момент, что физиологические эффекты воздействия различных токов на разных людей могут значительно отличаться, поэтому наши расчеты являются только приблизительной оценкой действительности.

Если я смочу пальцы своих рук водой, имитируя пот, то сопротивление моего тела между руками составит всего 17000 Ом (17 кОм). Обратите внимание, что в нашем случае с тонкими металлическими щупами измерительного прибора контактирует по одному пальцу каждой руки. Повторно вычислив напряжение, необходимое для получения тока величиной 20 мА, мы получим следующее значение:

U = IR

U = (20 мA)(17 kОм)

U = 340 вольт

В этом случае достаточно напряжения 340 вольт, чтобы создать ток 20 миллиампер через тело человека. Однако, смертельный удар током можно получить и от меньшего напряжения если увеличить площадь контакта, уменьшив тем самым его сопротивление. Примером такого контакта служит кольцо на пальце (золото обернутое вокруг пальца создает превосходный контакт для поражения электрическим током) или большой металлический предмет, такой как труба или ручка инструмента. Сопротивление организма при этом понизится до 1000 Ом (10 кОм), что создаст реальную угрозу поражения низкими значениями напряжения:

U = IR

U = (20 мA)(1 kОм)

U = 20 вольт

Таким образом, чтобы создать ток величиной 20 мА и вызвать оцепенение человека, достаточно напряжения 20 вольт. Ранее мы упомянули предположение, что сила тока 17 мА, пропущенная через грудь человека, при определенных условиях может вызвать аритмию сердца. Так вот, если сопротивление между руками человека будет равно 1 кОм, то для создания этого опасного условия потребуется всего 17 вольт:

U = IR

U = (17 мA)(1 kОм)

U = 17 вольт

В этих расчетах мы показали вам "наихудший" сценарий для напряжения переменного тока частотой 60 Гц и отличной проводимости человеческого тела. Данный пример дает наглядную картину опасности даже небольших значений напряжения.

Понизить сопротивление человеческого тела до 1000 Ом можно не только путем воздействия рассмотренных выше экстремальных факторов (например плотным контактом золотого кольца с пальцем). Оно может уменьшиться при длительном воздействии напряжения (например, когда человек под действием тока не может разжать руку, и только крепче сжимает проводник). Одновременно с уменьшением сопротивления увеличивается сила тока при фиксированном напряжении.

Ниже приведены примерные значения сопротивлений точек контакта человека с различными предметами в различных условиях:

• Контакт пальца с проводом: от 40 000 Ом до 1 000 000 Ом (сухой палец), от 4 000 Ом до 15 000 Ом (влажный палец).
• Контакт руки с проводом: от 15 000 Ом до 50 000 Ом (сухая рука), от 3 000 Ом до 5 000 Ом (влажная рука).
• Контакт руки с металлическими плоскогубцами: от 5 000 Ом до 10 000 Ом (сухая рука), от 1 000 Ом до 3 000 Ом (влажная рука).
• Контакт с ладонью: от 3 000 Ом до 8 000 Ом (сухая ладонь), от 1 000 Ом до 2 000 Ом (влажная ладонь).
• Контакт (обхват) одной руки с 1,5-дюймовой металлической трубой: от 1 000 Ом до 3 000 Ом (сухая рука), от 500 Ом до 1 500 Ом (влажная рука).
• Контакт (обхват) двух рук с 1,5-дюймовой металлической трубой: от 500 Ом до 1 500 Ом (сухие руки), от 250 Ом до 750 Ом (влажные руки).
• Контакт руки, погруженной в проводящую жидкость, с этой жидкостью: от 200 Ом до 500 Ом.
• Контакт ноги, погруженной в проводящую жидкость, с этой жидкостью: от 100 Ом до 300 Ом.       

   

Обратите внимание на значения сопротивлений в двух случаях с 1,5-дюймовой металлической трубой. Если трубу обхватить двумя руками, то сопротивление будет ровно в два раза меньше, чем при обхвате этой же трубы одной рукой.

Две руки, сжимающие металлическую трубу, увеличивают площадь контакта в два раза по сравнению с одной рукой. Это очень важное обстоятельство: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях. В этом случае электроны текут из трубы в тело (или наоборот) по двум параллельным маршрутам.

Как вы увидите позже, общее сопротивление параллельной цепи всегда меньше (или равно) любого из сопротивлений этой цепи.

В промышленности пороговым значением опасного напряжения считается, как правило, напряжение величиной 30 вольт. Осторожный человек должен рассматривать любое напряжение, превышающее это значение, как опасное. Работая с электричеством он должен содержать свои руки чистыми и сухими, а так же снять все металлические украшения, которые представляют опасность и при более низких значениях напряжения. Такие украшения, выступая в качестве контактов между двумя точками цепи, способны провести достаточный ток, чтобы сжечь кожу.

Опасными могут быть и напряжения менее 30 вольт, если они достаточны чтобы вызвать неприятные ощущения, в результате которых человек может совершить резкое движение и вступить в контакт с другим, более высоким напряжением или иным источником повышенной опасности. Автор статьи вспоминает, как однажды он ремонтировал свой автомобиль в жаркий летний день. По причине теплой погоды он был в шортах, и работая с аккумуляторной батареей прислонился оголенной частью ног к хромированному бамперу машины. Когда он коснулся металлическим ключом положительного контакта 12-вольтовой батареи, то почувствовал покалывание в точке контакта ноги с бампером. Таким образом, надежный контакт с металлом и потная кожа позволили почувствовать удар током  от электрического потенциала значением всего-лишь 12 вольт.

К счастью, в этом случае ничего плохого не случилось. Но, если бы двигатель автомобиля был запущен, и воздействие тока почувствовала рука а не нога, то автор, возможно, рефлексивно дернул бы ее в сторону вращающегося вентилятора или уронил бы ключ на клеммы аккумулятора (вызвав тем самым короткое замыкание и сноп искр). Этот пример иллюстрирует еще один важный урок электробезопасности - электрический ток может послужить косвенной причиной травмирования.

Очень важное значение имеет путь, по которому ток течет через тело человека. Благодаря тому, что электрический ток оказывает влияние на все мышцы организма находящиеся на его пути, в том числе и на такие жизненно-важные, как сердце и легкие, наиболее опасным будет такой ток, который проходит через грудь человека. Это сценарий возможен в том случае, если человек соприкоснется с источником напряжения двумя руками.

В целях недопущения такого сценария, при работе со схемой (находящейся под напряжением) желательно использовать только одну руку, засунув вторую при этом в карман (чтобы случайно ничего ей не тронуть). Конечно, безопаснее было бы работать с обесточенной схемой, но на практике это не всегда возможно. Если схема находится под напряжением, то работать с ней предпочтительнее правой рукой. А почему правой, спросите вы. Во-первых, если человек правша (каких большинство), то ему удобнее будет работать именно этой рукой, а во-вторых - сердце расположено в левой части грудной клетки.

Лучшей защитой от удара электрическим током является сопротивление, которое может быть добавлено к телу при помощи изолированных инструментов, перчаток, сапог и других приспособлений. Как вы уже знаете, ток в цепи равен напряжению деленному на общее сопротивление потоку электронов. Наибольший эффект сопротивления будут иметь при расположении их таким образом, чтобы создать только один путь для потока электронов (подробнее на этом мы остановимся в последующих статьях):

Ниже представлена эквивалентная схема человека, экипированного перчатками и сапогами:

В этом случае суммарное (общее) сопротивление сапог, тела и перчаток потоку электронов будет больше, чем сопротивление каждого из компонентов по отдельности.

Безопасность является одной из причин, по которой электрические провода покрываются пластмассовой или резиновой изоляцией, которая значительно увеличивает сопротивление между проводником и прикоснувшемуся к нему человеком. Однако покрывать изоляцией высоковольтные провода линий электропередач слишком дорого, поэтому безопасность в этом случае достигается путем подвешивания их на столбы высоко над землей.

Краткий обзор:

• Электрический ток оказывает вредное воздействие на организм человека. Чем больше напряжение, тем больший и опасный ток оно производит. Уменьшить силу тока может сопротивление. Высокое сопротивление является хорошей защитой от удара электрическим током.
• Напряжение величиной выше 30 вольт способно создать опасный ток.
• Не нужно надевать металлические украшения при работе с электрическими схемами. Кольца, ремешки часов, ожерелья, браслеты и другие подобные вещи обеспечивают отличный электрический контакт с телом человека и способны провести достаточный ток, чтобы вызвать ожог кожи даже при низких напряжениях.
• Опасность несет и такое низкое напряжение, которое непосредственно не может поразить человека. Его может быть достаточно, чтобы человек отдернул руку и вступил в контакт с другим, находящимся вблизи источником опасности.
• В целях предотвращения прохождения опасного тока через грудь человека, работать с запитанной схемой необходимо одной рукой (по возможности - правой).