Лабораторная  работа №1.

    Определение электрического сопротивления

    тела  человека

    Цель  работы

 

    Используя физическую модель, определить зависимость  сопротивления тела человека от параметров электрической цепи (напряжение, род  и частота тока) и определить параметры элементов его эквивалентной схемы.

    Содержание  работы

 

    1. Определить значения пороговых  ощутимых токов - переменного  с частотой 50 Гц, постоянного и выпрямленных - однополупериодного и двухполупериодного.

    2. Определить зависимость сопротивления  тела человека от частоты приложенного напряжения

3. Определить зависимость сопротивления тела человека от значения приложенного напряжения
4. Определить значения параметров эквивалентной схемы, сопротивления тела человека, используя результаты экспериментов.

    Действие электрического тока на организм человека

 

    Степень отрицательного воздействия электрического тока на организм человека зависит от значения тока, протекающего через него, длительности его воздействия, пути прохождения в теле человека и некоторых других факторов.

    Сопротивление тела человека и значение приложенного к нему напряжения также влияют на исход поражения, но лишь постольку, поскольку они определяют значения тока, проходящего через тело человека. 

    Таблица 1

 
 

    Человек начинает ощущать воздействие проходящего  через него тока при значениях 0,6 - 1,5 мА при переменном токе с частотой 50 Гц и 5 - 7 мА при постоянном токе (табл. 1). Эти значения являются границами или порогами, с которых начинаются области ощутимых токов, и носят название пороговых ощутимых токов. Выпрямленные токи одно- и двух – полупериодные по порогам ощутимого тока занимают промежуточное значение между переменным и постоянным токами.

    Ток, вызывающий при прохождении через  тело человека непреодолимые судорожные сокращения мышц руки, в которой  зажат проводник, называется неотпускающим током, а наименьшее его значение пороговым неотпускающим током. Значения пороговых неотпускающих токов у различных людей различны. Они различны также у мужчин и женщин.

    Средние их значения составляют: для мужчин 16 мА при 50 Гц и 80 мА при постоянном токе, для женщин (соответственно) - 11 и 50 мА.

    Ток, вызывающий при прохождении через организм фибрилляцию сердца, называется фибрилляционным током, а наименьшее его значение пороговым фибрилляционным током. Фибрилляция сердца заключается в беспорядочном сокращении и расслаблении мышечных волокон сердца. Сердце затрачивает значительную энергию, и не производит полезной работы, кровообращение прекращается. Пороговый фибриляционный ток зависит от многих факторов, в том числе от массы тела человека и колеблется в пределах 50 - 400 мА (при 50 Гц). Среднее его значение принято считать равным 100 мА при 50 Гц и 300 мА при постоянном токе.

    Поскольку человек при меньшей продолжительности  воздействия может выдержать  больший ток, то ГОСТом 12.1.038-82 (с изменениями  от 01.07.88) установлены предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов, протекающих через человека в зависимости от времени воздействия. Значения пороговых токов являются исходными данными для разработки критериев электробезопасности в первую очередь - допустимых значений напряжений прикосновения и токов, проходящих через тело человека. Значения напряжений прикосновения и токов частотой 50 Гц при аварийном режиме производственных электроустановок до 1000 В с любым режимом нейтрали и выше 1000 В с изолированной нейтралью приведены в табл. 2.

    Таблица 2

 

    При прикосновении к токоведущим  частям, находящимся под напряжением, человек включается в электрическую цепь и может рассматриваться как элемент этой цепи. Сопротивление тела человека - величина нелинейная, колеблющаяся в широких пределах и зависящая от ряда факторов: состояния кожи (сухая, влажная, чистая и т.п.); площади и плотности контактов; значения силы тока, протекающего через человека; значения приложенного напряжения; рода и частоты тока и продолжительности его воздействия. Значение сопротивления тела человека требуется знать при разработке защитных мер от поражения электрическим током, анализе условий электробезопасности, а также расследований несчастных случаев.

    Разные  ткани по разному проводят ток: одни лучше, другие хуже. Наибольшее сопротивление электрическому току оказывает кожа. Другие ткани, в том числе мышечная и жировая, спинной и головной мозг, а также кровь имеют по сравнению с кожей весьма малое сопротивление.

    Кожа  состоит из двух основных слоев: наружного - эпидермиса, обладающего большим сопротивлением, и внутреннего - дермы, имеющего относительно малое сопротивление, близкое по значению к сопротивлению внутренних подкожных тканей тела. сопротивление тела человека, т.е. сопротивление между двумя электродами, наложенными на поверхность тела (рис. 1а), условно можно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений Z_н, R_в, Z_н (рис.1б). два одинаковых сопротивления Z_н наружного слоя кожи - эпидермиса называются наружным сопротивлением тела человека. сопротивление R_в внутренних тканей тела называется внутренним сопротивлением и состоит из сопротивления внутреннего слоя кожи - дермы и сопротивления подкожных тканей тела.

    Сопротивление каждого наружного слоя кожи состоит  из двух параллельно включенных сопротивлений: активного R_н, кОм, и емкостного, которое обусловлено тем, что в месте прикосновения токоведущей части (электрода) к телу человека образуется структура, эквивалентная конденсатору с некоторой        емкостью С_н, мкФ (рис.1б).

     

Рис.1 К определению  сопротивления тела человека: а) схема измерения сопротивления, б) эквивалентная схема сопротивления тела человека, в) упрощенная схема;

1 - электроды, 2 - наружный слой кожи (эпидермис),

3 - внутренние ткани  тела (включая нижний  слой кожи - дерму), R_н - активное сопротивление наружнего слоя, С_н - емкость образовавшегося конденсатора, R_в - сопротивление внутренних тканей, R_h – активное сопротивление тела, С_h - емкость тела человека.

    Обкладками  этого конденсатора являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком, разделяющим обкладки, является слой эпидермиса.

    Полное  сопротивление тела человека в комплексной форме Z_h, кОм, в соответствии с эквивалентной схемой, показанной на рис.1б, выражается следующей зависимостью: 

Z_h = 2Z_н + R_в =     (1.1) 

а в  действительной форме 

     (1.2) 

Здесь Z_н - полное сопротивление наружного слоя кожи в комплексной форме, Ом; w =2pf - угловая частота, 1/с; f - частота тока, Гц.

      Из  выражений (1.1) и (1.2) видно, что с уменьшением  частоты сопротивление тела человека возрастает и при f = 0, т.е. при постоянном токе, сопротивление тела человека имеет наибольшее значение и оказывается равным сумме активных сопротивлений обоих слоев эпидермиса и внутренних тканей тела: 

Z_h = 2 R_н + R_в = R_ho    (1.3) 

где R_ho - сопротивление тела человека постоянному току, кОм.

      С ростом частоты Z_h уменьшается (за счет уменьшения емкостного сопротивления) и при f = 2,5 - 5 кГц ненамного отличается от внутреннего сопротивления R_в, а при 10 кГц можно считать, что наружный слой кожи практически утрачивает сопротивление электрическому току, и, следовательно,

Z_h = R_в      (1.4) 

      Эквивалентную схему (рис. 1.1б) можно упростить, представив сопротивление тела человека как параллельное соединение R_h = 2 R_н + R_в и емкости C_h = 0,5C_н, которые назовем соответственно активным сопротивлением и емкостью тела человека (рис.1.1в). В этом случае выражение полного сопротивления тела человека в действительной форме будет, Ом, 

Z_h =      (1.5) 

Из этого  выражения можно определить значение C_н, мкФ,  

C_н » 2С_h =      (1.6)

      Повышение напряжения, приложенного к телу человека, сопровождается уменьшением полного сопротивления тела человека Z_h, которое в пределе приближается к наименьшему значению сопротивления внутренних тканей тела R_в. Уменьшение Z_h происходит в основном за счет уменьшения сопротивления кожи, что в свою очередь объясняется влиянием ряда факторов, в том числе ростом тока, проходящего через кожу, пробоем наружного слоя кожи и др.