Сопротивление человека току: Сопротивление тела человека в различных условиях

Электрическое сопротивление тела человека — презентация онлайн

Похожие презентации:

Влияния состава и размера зерна аустенита на температуру фазового превращения и физико-механические свойства сплавов

Информационная безопасность. Методы защиты информации

Оказание первой доврачебной помощи

Контрацепция. Методы контрацепции

Эндокринная система

Коронавирус Covid-19

Электробезопасность

Анатомо — физиологические особенности сердечно — сосудистой системы детей

Хронический панкреатит

Топографическая анатомия верхних конечностей

1. Электрическое сопротивление человека

Цель работы:
— изучить особенности влияния
человеческого организма при
прохождении через него электрического
тока
Задачи:
изучить влияние электрического тока на
организм человека;
Предмет исследования: человеческий
организм.
Гипотеза исследования:
электрическое сопротивление человека
зависит от возраста, от особенностей
строение кожи, от пола.
Зависимость сопротивления тела человека от
физиологических факторов и окружающей среды
Пол и возраст:
•Сопротивление тела у женщин меньше, чем у мужчин.
•Сопротивление тела у детей меньше, чем у взрослых.
•Сопротивление тела у молодых людей меньше, чем у пожилых.
Физические раздражения: болевые, звуковые, световые и
др. раздражения могут вызвать на несколько минут снижение
сопротивления на 20-50%.
Уменьшение/увеличение парциального давления
кислорода соответственно снижает/повышает сопротивление
человека. Отсюда в закрытых помещениях (где парциальное
давление меньше) опасность поражения током при прочих равных
условиях выше, чем на открытом воздухе.
Повышенная температура окружающего воздуха (3045°С) вызывает некоторое понижение сопротивления тела
человека.

5. Электрическое сопротивление отдельных участков тканей зависит преимущественно от сопротивления слоя кожи. Через кожу ток

проходит главным
образом по каналам
потовых и от части
сальных желез; сила
тока зависит от толщины
и состояния
поверхностного слоя
кожи.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Удельное объемное сопротивление
при токе частотой 50 Гц
Тело человека можно рассматривать
как
проводник
особого
рода,
имеющий переменное сопротивление
и обладающий в какой-то мере
свойствами
проводников
первого
рода (полупроводники) и второго
рода (электролиты).
Для
крови
Для кожи (сухой)
3 103 2 104 Ом м
Для кости (без
надкостницы)
Для
жировой
ткани
Для мышечной
ткани
Для
спинномозговой
жидкости
Сопротивление тела человека зависит от:
—
состояния кожи
Сопротивление тела человека уменьшается при повреждении рогового слоя кожи, увлажнении
кожи, потовыделении и загрязнении кожи.
— места приложения электродов
Сопротивления кожи у одного и того же человека неодинаково на разных участках тела. Разница
в значениях сопротивления объясняется различной толщиной рогового слоя, неравномерным
распределением потовых желез на поверхности тела, неодинаковой степенью наполнения
кровью сосудов кожи. Наименьшим сопротивлением обладает кожа лица, шеи, рук на участке
выше ладоней, подмышечных впадин, тыльной стороны кисти руки.
— увеличения тока, проходящего через тело человека, что рефлекторно вызывает быструю
ответную реакцию организма в виде расширения сосудов кожи, а следовательно, усиления
снабжения ее кровью и повышению потоотделения, что приводит к снижению сопротивления.
— повышения напряжения, приложенного к телу человека, что вызывает уменьшение в десятки
раз полного сопротивления тела человека, которое в пределе приближается к наименьшему
значению сопротивления внутренних тканей человека (примерно 300 Ом).
— рода и частоты тока
Сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты.
— площади электродов
Чем больше площадь электродов,тем меньше полное сопротивление человека. Однако при частоте
10 – 20 кГц влияние площади электродов на сопротивление утрачивается.
— длительности протекания тока
При увеличении времени протекания тока через тело человека сопротивление уменьшается.
Причины поражения человека
электрическим током
прикосновение к неизолированным
токоведущим частям;
к металлическим частям
оборудования, оказавшимся под
напряжением вследствие
повреждения изоляции;
к неметаллическим предметам,
оказавшимся под напряжением;
поражение током напряжения шага
и через дугу.
Виды поражений человека
электрическим током
Электрические травмы — это местные
поражения тканей и органов: электрические
ожоги, электрические знаки и
электрометаллизация кожи.
Электрические ожоги возникают в
результате нагрева тканей человека
протекающим через него электрическим
током силой более 1 А. Ожоги могут быть
поверхностные, когда поражаются кожные
покровы, и внутренние — при поражении
глубоколежащих тканей тела. По условиям
возникновения различают контактные,
дуговые и смешанные ожоги.
Сила ток, мА
До 0.5
0.6-1.5
2-3
5-10
12-15
20-25
50-80
90-100
Переменный ток,
Постоянный ток
частотой 50 Гц
Не ощущается
Не ощущается
Легкое дрожание
Не ощущается
пальцев
Сильное дрожание
Не ощущается
пальцев
Судороги в руках Зуд, ощущение нагрева
Руки трудно оторвать
Усиление нагрева
от электродов. Сильная
боль
Мгновенная судорога Сокращение мышц рук
мышц. Затрудняется
дыхание.
Судорога в руках,
Паралич дыхания
затруднение дыхания
«мнимая смерть».
Паралич дыхания.
Паралич дыхания. При
действии более 3 с
паралич сердца.

English    
Русский
Правила

Карта сайта || Филиал КузГТУ г.Прокопьевск

Университет Университет Сведения об образовательной организации История филиала Новости Новости Медиацентр Оценка качества образовательной деятельности Внутренний контроль результатов обучения Открытые международные Интернет-олимпиады Федеральный интернет-экзамен в сфере профессионального образования (ФЭПО) Для сотрудников Стоп коронавирус Студенту Расписание Внеучебная работа СНС «СИСТЕМА» Автошкола КузГТУ Портфолио Шаблоны документов Практико-ориентированное обучение Социальная поддержка Личный кабинет студента Реквизиты Трудоустройство Вакансии для выпускников Трудоустройство иностранных студентов Трудоустройство лиц с ограниченными возможностями здоровья Полезные ссылки Поступающему Бакалавриат Специалитет Среднее профессиональное Политехнический лицей Дополнительное образование Подготовительные курсы Плата за обучение

Научная работа Отдел научно-технического развития Сборники и публикации Контакты Контакты

3.

4: Закон Ома (снова) — Workforce LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

697

• Tony R. Kuphaldt
• Schweitzer Engineering Laboratories via All About Circuits

Принцип «текущие убийства» по сути верен. Это электрический ток, который сжигает ткани, замораживает мышцы и вызывает фибрилляцию сердца. Однако электрический ток не возникает сам по себе: должно быть напряжение, чтобы заставить электроны течь через жертву. Тело человека также оказывает сопротивление току, что необходимо учитывать.

Взяв закон Ома для напряжения, тока и сопротивления и выразив его через ток при заданных напряжении и сопротивлении, мы получим следующее уравнение:

Величина тока, протекающего через тело, равна величине напряжения, приложенного между двумя точками на этом теле, деленной на электрическое сопротивление тела между этими двумя точками. Очевидно, что чем большее напряжение может заставить электроны течь, тем легче они будут течь через любую заданную величину сопротивления. Отсюда и опасность высокого напряжения: высокое напряжение означает возможность протекания большого количества тока через ваше тело, что может ранить или убить вас. И наоборот, чем большее сопротивление тело оказывает току, тем медленнее будут течь электроны при любой заданной величине напряжения. То, насколько опасно напряжение, зависит от того, насколько велико общее сопротивление в цепи, противодействующее потоку электронов.

Сопротивление тела не является фиксированной величиной. Это варьируется от человека к человеку и время от времени. Существует даже методика измерения телесного жира, основанная на измерении электрического сопротивления между пальцами ног и пальцев человека. Различное процентное содержание жира в организме обеспечивает различное сопротивление: всего лишь одна переменная, влияющая на электрическое сопротивление в организме человека. Чтобы метод работал точно, человек должен регулировать потребление жидкости за несколько часов до теста, что указывает на то, что гидратация тела является еще одним фактором, влияющим на электрическое сопротивление тела.

Сопротивление тела также варьируется в зависимости от того, как осуществляется контакт с кожей: от руки к руке, от руки к ноге, от стопы к стопе, от руки к локтю и т. д.? Пот, будучи жидкостью, богат солями и минералами, является отличным проводником электричества. Как и кровь с таким же высоким содержанием проводящих химических веществ. Таким образом, контакт с проводом потной рукой или открытой раной будет оказывать гораздо меньшее сопротивление току, чем контакт с чистой сухой кожей.

Измеряя электрическое сопротивление чувствительным измерителем, я измеряю сопротивление примерно в 1 миллион Ом (1 МОм) между двумя руками, держа между пальцами металлические щупы измерителя. Измеритель показывает меньшее сопротивление, когда я сильно сжимаю щупы, и большее сопротивление, когда я держу их слабо. Я сижу здесь за своим компьютером, печатая эти слова, и мои руки чисты и сухи. Если бы я работал в какой-то жаркой, грязной промышленной среде, сопротивление между моими руками, вероятно, было бы намного меньше, что представляло бы меньшее сопротивление смертельно опасному току и большую угрозу поражения электрическим током.

А сколько тока вредно? Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов. Индивидуальная химия тела оказывает значительное влияние на то, как электрический ток влияет на человека. Некоторые люди очень чувствительны к току, испытывая непроизвольные сокращения мышц при ударах статическим электричеством. Другие могут высекать большие искры от разряда статического электричества и почти не ощущать этого, не говоря уже о мышечном спазме. Несмотря на эти различия, приблизительные рекомендации были разработаны с помощью тестов, которые показывают, что для проявления вредного воздействия требуется очень небольшой ток (опять же, см. в конце главы информацию об источнике этих данных). Все значения тока даны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):

Таблица воздействия электричества на организм

«Гц» обозначает единицу измерения Герц , меру того, как быстро меняется переменный ток, меру, также известную как частота . Итак, столбец цифр с надписью «60 Гц переменного тока» относится к току, который чередуется с частотой 60 циклов (1 цикл = период времени, когда электроны движутся в одном направлении, затем в другом) в секунду. Последний столбец, помеченный как «10 кГц переменного тока», относится к переменному току, который совершает десять тысяч (10 000) циклов туда и обратно каждую секунду.

Имейте в виду, что эти цифры приблизительны, так как люди с разным химическим составом тела могут реагировать по-разному. Было высказано предположение, что тока всего 17 миллиампер переменного тока через грудную клетку достаточно, чтобы вызвать фибрилляцию у человека при определенных условиях. Большая часть наших данных об индуцированной фибрилляции получена в результате испытаний на животных. Очевидно, что проводить тесты индуцированной фибрилляции желудочков на людях нецелесообразно, поэтому имеющиеся данные отрывочны. О, и если вам интересно, я понятия не имею, почему женщины более восприимчивы к электрическому току, чем мужчины!

Предположим, я кладу две руки на клеммы источника переменного напряжения с частотой 60 Гц (60 циклов или чередований вперед и назад в секунду). Какое напряжение потребуется при таком чистом, сухом состоянии кожи, чтобы произвести ток в 20 миллиампер (достаточно, чтобы я не смог отпустить источник напряжения)? Мы можем использовать закон Ома (E = IR), чтобы определить это: необходимо ли в этом чистом, сухом состоянии кожи производить ток в 20 миллиампер (достаточно, чтобы я не мог отпустить источник напряжения)? Мы можем использовать закон Ома (E=IR), чтобы определить это:

Э = ИК

E = (20 мА)(1 МОм)

E = 20 000 вольт или 20 кВ

Имейте в виду, что это «наилучший сценарий» (чистая, сухая кожа) с точки зрения электробезопасности, и что это значение напряжения представляет собой величину, необходимую для индукции столбняка. Гораздо меньше потребуется, чтобы вызвать болевой шок! Также имейте в виду, что физиологические эффекты любой конкретной силы тока могут значительно различаться от человека к человеку, и что эти расчеты грубые оценки только .

Побрызгав на пальцы водой для имитации пота, я смог измерить сопротивление рукопашного боя всего 17 000 Ом (17 кОм). Имейте в виду, что только один палец каждой руки касается тонкой металлической проволоки. Пересчитав напряжение, необходимое для возникновения тока в 20 миллиампер, получим такую ​​цифру:

Э = ИК

E = (20 мА)(17 кОм)

Е = 340 вольт

В этом реалистичном состоянии достаточно 340 вольт потенциала от одной моей руки к другой, чтобы вызвать 20 миллиампер тока. Тем не менее, все еще можно получить смертельный удар от меньшего напряжения, чем это. При гораздо более низком значении сопротивления тела, увеличенном за счет контакта с кольцом (золотая полоса, обернутая по окружности пальца, составляет превосходный контакт для поражения электрическим током) или полный контакт с крупным металлическим предметом, таким как труба или металлическая ручка инструмента, значение сопротивления тела может упасть до 1000 Ом (1 кОм), что позволяет еще более низкому напряжению представляют потенциальную опасность:

Э = ИК

E = (20 мА)(1 кОм)

Е = 20 вольт

Обратите внимание, что в этом состоянии 20 вольт достаточно, чтобы через человека прошел ток силой 20 миллиампер: этого достаточно, чтобы вызвать столбняк. Помните, было высказано предположение, что ток силой всего 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию желудочков (сердца). При сопротивлении рукопашного боя 1000 Ом потребуется всего 17 вольт, чтобы создать это опасное состояние:

Э = ИК

E = (17 мА)(1 кОм)

Е = 17 вольт

Семнадцать вольт — это не очень много для электрических систем. Конечно, это «наихудший» сценарий с переменным напряжением 60 Гц и отличной проводимостью тела, но он показывает, насколько малое напряжение может представлять серьезную угрозу при определенных условиях.

Условия, необходимые для создания сопротивления тела 1000 Ом, также не обязательно должны быть такими экстремальными, как то, что было представлено (потная кожа с контактом на золотом кольце). Сопротивление тела может уменьшаться при приложении напряжения (особенно если столбняк заставляет пострадавшего сильнее сжимать проводник), так что при постоянном напряжении удар может усилиться после первого контакта. То, что начинается как легкий шок — достаточно, чтобы «заморозить» жертву, чтобы она не могла отпустить, — может перерасти во что-то достаточно серьезное, чтобы убить ее, поскольку сопротивление их тела уменьшается, а ток соответственно увеличивается.

Исследования предоставили приблизительный набор значений электрического сопротивления точек контакта человека в различных условиях (информацию об источнике этих данных см. в конце главы):

• Провод, к которому прикоснулся палец: от 40 000 до 1 000 000 Ом сухой, от 4 000 до 15 000 Ом влажный.
• Провод, удерживаемый рукой: от 15 000 до 50 000 Ом сухой, от 3 000 до 5 000 Ом влажный.
• Металлические плоскогубцы, удерживаемые рукой: от 5000 до 10 000 Ом в сухом состоянии, от 1000 до 3000 Ом во влажном состоянии.
• Контакт с ладонью: от 3000 до 8000 Ом в сухом состоянии, от 1000 до 2000 Ом во влажном состоянии.
• Металлическая труба диаметром 1,5 дюйма, удерживаемая одной рукой: от 1000 до 3000 Ом в сухом состоянии, от 500 до 1500 Ом во влажном состоянии.
• 1,5-дюймовая металлическая труба, удерживаемая двумя руками: от 500 до 1500 кОм в сухом состоянии, от 250 до 750 Ом во влажном состоянии.
• Рука, погруженная в проводящую жидкость: от 200 до 500 Ом.
• Ножка, погруженная в проводящую жидкость: от 100 до 300 Ом.

Обратите внимание на значения сопротивления для двух условий с использованием металлической трубы диаметром 1,5 дюйма. Сопротивление, измеренное двумя руками, сжимающими трубу, составляет ровно половину сопротивления одной руки, сжимающей трубу.

Двумя руками площадь контакта с телом в два раза больше, чем одной рукой. Это важный урок: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях. Держа трубку двумя руками, электроны имеют два параллельных пути, по которым текут из трубки в тело (или наоборот).

Как мы увидим в одной из последующих глав, параллельных цепных пути всегда приводят к меньшему общему сопротивлению, чем любой отдельный путь, рассматриваемый отдельно.

В промышленности 30 вольт обычно считаются консервативным пороговым значением для опасного напряжения. Осторожный человек должен расценивать любое напряжение выше 30 вольт как опасное, не полагаясь на нормальное сопротивление тела для защиты от удара. При этом держать руки чистыми и сухими, а также снимать все металлические украшения при работе с электричеством — отличная идея. Даже при более низком напряжении металлические украшения могут представлять опасность, проводя ток, достаточный для того, чтобы обжечь кожу, если они соприкасаются между двумя точками цепи. Металлические кольца, в частности, были причиной более чем нескольких обожженных пальцев, устанавливая мосты между точками в низковольтной, сильноточной цепи.

Кроме того, напряжение ниже 30 В может быть опасным, если его достаточно, чтобы вызвать неприятные ощущения, которые могут вызвать рывок и случайный контакт с более высоким напряжением или какую-либо другую опасность. Я помню, как однажды жарким летним днем ​​работал над автомобилем. Я был в шортах, моя голая нога касалась хромированного бампера автомобиля, когда я подтягивал контакты аккумулятора. Когда я коснулся металлическим ключом положительной (незаземленной) стороны 12-вольтовой батареи, я почувствовал покалывание в том месте, где моя нога касалась бампера. Сочетание плотного контакта с металлом и моей потной кожи позволило ощутить удар всего 12-вольтовым электрическим потенциалом.

К счастью, ничего страшного не произошло, но если бы двигатель работал и удар ощущался не в ноге, а в руке, я мог бы рефлекторно дернуть руку на пути вращающегося вентилятора или уронить металлический ключ на клеммы аккумулятора ( производя больших количества тока через гаечный ключ с большим количеством сопровождающих искр). Это иллюстрирует еще один важный урок, касающийся электробезопасности; что электрический ток сам по себе может быть косвенной причиной травмы, заставляя вас прыгать или сокращать части вашего тела, нанося вред.

Путь, который ток проходит через человеческое тело, влияет на то, насколько он вреден. Ток воздействует на все мышцы, находящиеся на его пути, и, поскольку мышцы сердца и легких (диафрагмы), вероятно, являются наиболее важными для выживания, пути удара, пересекающие грудную клетку, являются наиболее опасными. Это делает путь ударного тока из рук в руки очень вероятным способом получения травм и летального исхода.

Во избежание подобных ситуаций рекомендуется работать только одной рукой с цепями под напряжением, находящимися под опасным напряжением, а другую руку держать в кармане, чтобы случайно ничего не задеть. Конечно, это всегда безопаснее работать с обесточенной цепью, но это не всегда практично или возможно. При работе одной рукой правая рука обычно предпочтительнее левой по двум причинам: большинство людей правши (что обеспечивает дополнительную координацию при работе), а сердце обычно расположено слева от центра в грудной полости.

Для левшей этот совет может оказаться не самым лучшим. Если такой человек недостаточно координирует свою правую руку, он может подвергать себя большей опасности, используя руку, с которой ему наименее комфортно, даже если ударный ток через эту руку может представлять большую опасность для его сердца. Относительная опасность удара током одной рукой или другой, вероятно, меньше, чем опасность работы с менее чем оптимальной координацией, поэтому выбор руки лучше оставить на усмотрение человека.

Наилучшей защитой от поражения электрическим током от цепи под напряжением является сопротивление, а сопротивление телу можно повысить с помощью изолированных инструментов, перчаток, обуви и другого снаряжения. Ток в цепи представляет собой функцию доступного напряжения, деленную на общее сопротивление на пути потока. Как мы рассмотрим более подробно позже в этой книге, сопротивления имеют аддитивный эффект, когда они сложены таким образом, что существует только один путь для движения электронов:

.

Теперь увидим эквивалентную схему для человека в утепленных перчатках и сапогах:

Поскольку электрический ток должен проходить через ботинок и тело и перчатку, чтобы завершить свою цепь обратно к батарее, сумма ( сумма ) этих сопротивлений противодействует потоку электронов в большей степени, чем любое сопротивлений, рассматриваемых индивидуально.

Безопасность — это одна из причин, по которой электрические провода обычно покрывают пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы значительно увеличить сопротивление между проводником и кем-либо или чем-либо, кто может с ним соприкасаться. К сожалению, было бы чрезмерно дорого заключать проводники линий электропередач в достаточную изоляцию, чтобы обеспечить безопасность в случае случайного контакта, поэтому безопасность поддерживается за счет того, что эти линии находятся достаточно далеко от досягаемости, чтобы никто не мог случайно коснуться их.

• Вред для тела зависит от величины ударного тока. Более высокое напряжение позволяет производить более высокие и опасные токи. Сопротивление противодействует току, что делает высокое сопротивление хорошей защитой от ударов.
• Обычно считается, что любое напряжение выше 30 может создавать опасные ударные токи.
• Металлические украшения определенно нельзя носить при работе с электрическими цепями. Кольца, ремешки для часов, ожерелья, браслеты и другие подобные украшения обеспечивают превосходный электрический контакт с вашим телом и могут сами проводить ток, достаточный для того, чтобы вызвать ожоги кожи, даже при низком напряжении.
• Низкое напряжение все еще может быть опасным, даже если оно слишком низкое, чтобы непосредственно вызвать поражение электрическим током. Их может быть достаточно, чтобы напугать жертву, заставив ее дернуться назад и коснуться чего-то более опасного в непосредственной близости.
• При необходимости работы на «живой» цепи лучше выполнять работу одной рукой, чтобы не допустить смертельного рукопашного (через грудную клетку) пути ударного тока.

---

Эта страница под названием 3.4: Закон Ома (снова) распространяется в соответствии с лицензией GNU Free Documentation License 1.3 и была создана, изменена и/или курирована Тони Р. Купхалдтом (Все о цепях) через исходный контент, который был отредактирован для стиль и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Тони Р. Купхалдт

   Лицензия

   ГНУ ФДЛ

   Версия лицензии

   1,3

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. источник@https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current
   2. источник@https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current

Эксперименты по сопротивлению человеческого тела постоянному току I

Примечание редактора — Документ, на котором основана эта статья, был первоначально представлен на симпозиуме IEEE Product Safety Engineering Society 2018, где он был признан лучшим симпозиумным докладом. Он перепечатан здесь с разрешения из материалов Международного симпозиума IEEE Product Safety Engineering Society 2018 по проектированию соответствия продукции. Авторское право IEEE, 2018.

---

Физиологические последствия поражения электрическим током в основном вызываются током [1], поэтому ограничения по току часто указываются в стандартах безопасности для защиты человеческого тела от опасности поражения электрическим током [2]. Однако для определенных стандартов или приложений часто предпочтительны пределы напряжения. В таких случаях импеданс человеческого тела можно использовать для оценки предела напряжения на основе безопасных пределов тока. Кроме того, импеданс человеческого тела можно использовать для построения моделей электрических цепей, представляющих пути проводимости через тело человека, для оценки токов прикосновения. Например, как указано в UL 101 [2], импеданс человеческого тела моделируется сопротивлением 1500 Ом, подключенным параллельно с конденсатором 0,22 мкФ, включенным последовательно с другим резистором 500 Ом. Такая измерительная схема используется для оценки тока прикосновения ударных воздействий на уровне восприятия для синусоидального переменного тока частотой 60 Гц.

Применения постоянного тока, особенно при опасном напряжении, становятся все более распространенными из-за более широкого использования возобновляемых источников энергии (таких как фотогальваника), систем накопления энергии и т. д. Поэтому полезно изучить сопротивление человеческого тела при постоянном токе, чтобы лучше понять его влияние на физиологические эффекты поражения электрическим током для приложений постоянного тока. В стандарте IEC 60479-1 [3] указано сопротивление человеческого тела для сопротивления человеческого тела постоянному току в диапазоне от 25 В до 1000 В. Однако значения сопротивления постоянному току, включенные в [3], основаны на экспериментальных данных, проведенных только при 25 В, а остальные значений, математически экстраполированных на основе сопротивления тела человека переменному току. Это делает предположение, что импеданс тела масштабируется одинаково с постоянным током, как и с переменным током, что может быть, а может и не быть. Кроме того, сопротивление тела постоянному току, приведенное в [3], относится только к сухим условиям. Насколько известно авторам, в настоящее время отсутствуют данные о стойкости организма человека к постоянному току во влажных условиях, основанные непосредственно на экспериментальных наблюдениях. Предполагается, что для влажных условий значения сопротивления тела постоянному току, указанные в стандарте IEC [3], идентичны сопротивлению тела переменному току во влажных условиях при каждом напряжении. Опять же, это делает предположения, которые не имеют твердого подтверждения экспериментальными данными.

Поскольку постоянное напряжение при опасном напряжении и возможность воздействия таких опасностей на человека становятся все более распространенными, крайне важно иметь исчерпывающие данные об импедансе человеческого тела при постоянном токе. Такой набор данных потребует измерения многих людей, чтобы иметь какую-либо статистическую значимость (например, 50 или более). Конечной целью авторов является разработка типичных значений импеданса тела при постоянном токе на основе экспериментальных данных, аналогичных тем, которые в настоящее время доступны для переменного тока.

Тем не менее, пока неясно, какой уровень влияния будут иметь различные параметры измерения, а также на сегодняшний день неясно, насколько воспроизводимым будет какое-либо данное измерение для конкретного человека. Авторы пришли к выводу, что поэтому было преждевременно продвигать крупномасштабную экспериментальную программу с участием значительного числа людей-добровольцев, прежде чем будет установлено лучшее понимание согласованности измерений для любого конкретного человека. Например, было неясно, достижимы ли воспроизводимые значения при измерении одного и того же человека в разное время в одних и тех же условиях испытаний. Насколько известно авторам, никакая предыдущая работа не оценивала это. Кроме того, не было обнаружено никаких опубликованных данных о влиянии контактного материала на измерение импеданса человеческого тела, которое, как предполагается, оказывает влияние на измеренное импеданс тела и может лучше объяснить взаимосвязь между измеренным импедансом тела и приложенным напряжением. (В [3] сообщалось, что сопротивление тела уменьшается линейно по мере увеличения приложенного напряжения.) Рассмотрев эти неизвестные эффекты измерения сопротивления тела постоянному току, авторы сделали первый шаг к более глубокому пониманию этих факторов; результаты которого сообщаются здесь. Поэтому крупномасштабная программа испытаний была отложена и стала вторым этапом нашей работы.

Первоначальная работа, о которой сообщается здесь, изучала влияние трех тестовых переменных (материал контакта, влажные или сухие условия и время суток) на трех испытуемых. Медные и алюминиевые контактные материалы использовались для лучшего понимания потенциального влияния на измеряемый импеданс тела и для проверки гипотезы о том, что нелинейное поведение, наблюдаемое в поведении импеданса тела, аналогично тому, что наблюдается в контактах металл-полупроводник. [6] Влажные и сухие условия использовались для оценки влияния на измеряемый импеданс тела, а также для определения относительной повторяемости измерений в каждом состоянии. В целях безопасности эта работа ограничила область исследования напряжениями 60 В и ниже.0032

Рисунок 1: Схема измерения тока прикосновения

Обзор порогового значения напряжения постоянного тока

Существует четыре различных физиологических эффекта поражения электрическим током как при постоянном, так и при переменном токе: восприятие, невозможность отпустить, фибрилляция желудочков и ожог. Согласно экспериментам, проведенным Далзилом в 1940-х годах [1], порог поражения электрическим током при постоянном токе выше, чем при переменном токе. Другими словами, человеческое тело менее уязвимо для поражения электрическим током при постоянном токе по сравнению с сигналами переменного тока с частотой 50/60 Гц аналогичной величины. Что касается предела напряжения, предел постоянного тока составляет 60 В в сухих условиях и 30 В во влажных условиях, как указано в UL 1310 [4], предназначенный для защиты от неспособности ударных воздействий отпускания. Этот предел был выбран с намерением защитить 95% населения, включая детей. Обратите внимание, что этот предел определяется на основе пути от руки к обеим ногам: для других путей тока допустимый предел напряжения может быть другим. Для сбора более широкого диапазона экспериментальных данных предел напряжения был установлен на уровне 60 В вместо 30 В как для сухих, так и для влажных условий в этой работе, хотя 60 В — это предел невозможности отпускания только в сухих условиях. . Однако отмечается, что эти ограничения были установлены с учетом детей, и в этой работе испытуемыми были только взрослые (и, следовательно, они могут выдерживать более высокие напряжения). В целях безопасности и комфорта испытуемых каждый испытуемый мог разорвать цепь в любое время во время теста, подняв руку от электрода (рис. 2), если ощущение восприятия становилось слишком неудобным. Ток был ограничен до уровня ниже 20 мА как за счет настройки ограничения тока на источнике питания, так и за счет включения быстродействующего предохранителя на 20 мА, включенного последовательно с источником тока для испытуемого.

Рисунок 2. Фотография экспериментальной установки с объектом

.

Оборудование и экспериментальная установка

Прецизионная модель BK 9183B использовалась для подачи постоянного тока для испытаний. Во время теста выходное напряжение источника питания контролировалось портативным компьютером. Модель Dewetron DEWE-50-USB2-8 использовалась для сбора данных, включая выходное напряжение и ток от источника питания постоянного тока. Соединения тока и напряжения с металлическими пластинами были физически разделены, чтобы свести к минимуму влияние контактного сопротивления. Сопротивление тела рассчитывали по показаниям напряжения и силы тока по закону Ома.

На рис. 2 показана экспериментальная установка, показанная с субъектом в положении во время тестирования. Испытуемый стоял на металлической пластине, на которой чередовались медь и алюминий. Испытуемых просили встать на плиту босиком. Каждый испытуемый клал правую руку на металлическую пластину из того же материала, что и пластина у ног. Перед каждым сеансом тестирования руки протирали спиртовой салфеткой, чтобы удалить поверхностные масла и грязь, а также высушить руки. Не было предпринято никаких усилий, чтобы очистить или высушить ноги. Размер металлической пластины для ручного контакта составлял 100 мм на 100 мм. Этот размер определяется стандартом IEC 60479 как «большая площадь контакта».-1 [2]. В соответствии с этим стандартом ожидается, что большая площадь контакта приведет к наименьшему сопротивлению телу, что считается «наихудшим случаем» по сравнению с аналогичными «средними» и «малыми» площадями контакта. В этой работе предполагается большая площадь контакта или «наихудший случай», поскольку условия наихудшего случая представляют наибольший интерес для приложений, связанных с безопасностью.

Известно, что на сопротивляемость организма человека влияет уровень влажности поверхности кожи [3]. В этой работе поверхность рук тестировалась в двух условиях: сухая и имитирующая мокрая вода от пота. Концентрация натрия в поте находится в пределах от 6 до 85 мэкв. на л [5], что эквивалентно 13,8 мг/дл до 195,5 мг/дл. Для этой работы выбрана концентрация натрия на верхнем конце этого диапазона, так как это приведет к наименьшему сопротивлению и, следовательно, к «наихудшей» опасности для электробезопасности. Тест проводился при солености 80 мэкв на л воды, что приблизительно соответствует 95-му процентилю максимальной концентрации натрия 85 мэкв. Это соответствует 1,85 г NaCl на литр воды. Человеческий пот также содержит калий и другие соли, но эти концентрации значительно ниже по сравнению с концентрацией натрия [5]; поэтому эффекты, связанные с калием, в этом исследовании игнорировались.

Как показано на рисунке 2, на тыльную сторону кисти накладывали два мешка, каждый из которых содержал по 0,5 кг металлической дроби. Испытуемых проинструктировали расслабить руку с тем намерением, чтобы давление оказывалось только за счет веса мешков. Это была попытка контролировать переменное давление на металлические пластины, которое могло повлиять на контактное сопротивление тела.

Результаты

Напряжение питания подавалось линейно от 0 В до 60 В с линейным изменением со скоростью 1 В/с. Ток был ограничен до 20 мА, и когда либо ток, либо напряжение достигали предела, источник питания переключался на источник постоянного тока при 20 мА. Каждый тест продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто 60 В или испытуемый не уберет руку с планшета из-за дискомфорта. На рисунке 3 показан пример измеренного напряжения и тока в сухих условиях для одного субъекта. В этом случае приложенное постоянное напряжение достигло 60 В, а затем снова снизилось до 0 В, при этом наблюдалось, что ток составляет около 12 мА при приложенном напряжении 60 В. На рисунке 3 x — это временной шаг, который представляет собой выборку измерений, сделанных в течение 60-секундного теста.

Рисунок 3: Пример измеренного выходного сигнала и тока в сухих условиях для одного субъекта

 

	Тест 1	Тест 2	Тест 3	Тест 4
Рука	Сухой	Сухой	Влажный	Влажный
Материал электрода	Медь	Алюминий	Алюминий	Медь

Таблица 1: Условия испытаний

Были измерены четыре комбинации условий испытаний: В таблице 1 показаны условия, которые использовались для каждого испытания. Для каждого условия теста и добровольца тест повторялся 20 раз в течение нескольких недель. На рисунке 4 показаны результаты измерения тока для каждого из четырех тестов и трех добровольцев при приложенном напряжении 25 В. Верхний край внешнего прямоугольника светло-голубого цвета представляет первый квартиль (Q1), а нижний край представляет собой третий квартиль (Q3). Таким образом, эта внешняя часть графика представляет межквартильный диапазон (IQR) или средние 50 % наблюдений. Внутренняя коробка представляет 95% доверительный интервал. Вертикальные линии представляют собой верхние и нижние усы, которые расширяются наружу, чтобы указать самые низкие и самые высокие значения в наборе данных (исключая выбросы). Горизонтальная линия в рамке представляет собой среднее значение; кружок с крестиком представляет среднее значение.

Рисунок 4: Ток (мА) при 25 В для трех добровольцев и четырех условий испытаний

Данные на рисунке 4 показывают, что вариабельность сопротивления тела во влажных условиях (испытания 3 и 4) была значительно меньше, чем в сухих условиях (испытания 1 и 2). Кроме того, сопротивление во влажном состоянии было ниже, чем в соответствующем сухом состоянии, что означает, что влажное состояние является худшим случаем (т. е. более опасным) с точки зрения безопасности. Поскольку при анализе безопасности, как правило, предпочтение отдается консерватизму, а также тому факту, что данные во влажных условиях показали меньшую изменчивость, результаты предполагают, что в будущем испытания импеданса тела будут проводиться только во влажных условиях.

На рисунке 5 показана диаграмма измеренного тока для обоих тестов 3 (алюминий) и 4 (медь, оба проводились с влажной кожей) при 5 В. Было замечено, что металлический электрод влияет на измеренный ток. Для всех испытуемых медь продемонстрировала более высокий измеренный ток при 5 В и 10 В, причем этот эффект уменьшался по мере увеличения напряжения. Отмечается, что это вряд ли связано с более высокой электропроводностью меди по сравнению с алюминием, поскольку четырехзондовая конфигурация, используемая для измерения сопротивления, включает в измерение только контакт металл-кожа и не включает объемное сопротивление металла. контакт. Кроме того, любой вклад общего сопротивления будет наблюдаться при всех напряжениях и не будет уменьшаться при увеличении напряжения.

Рисунок 5: Гистограмма измеренного тока для теста 3 и теста 4 (влажное состояние) при 5 В

Метод дисперсионного анализа (ANOVA) может помочь в определении значимости фактора для конкретного выходного параметра. В этом исследовании он использовался для определения статистической значимости металлического материала электрода для измерения сопротивления тела в зависимости от напряжения. На рис. 6 показаны значения R , рассчитанные для влияния материала электрода на измеряемый ток: выше Значение R предполагает большее влияние на выходной параметр. Было обнаружено, что значение R высокое при низких напряжениях, а затем быстро падает при увеличении напряжения от 10 В до 20 В. Это говорит о том, что металлический электрод оказывает статистически значимое влияние на измеренный импеданс при напряжениях ниже 20 В. , что согласуется с наличием барьера Шоттки на границе металл-кожа. [6]

Рисунок 6: Значение R (в процентах), рассчитанное с помощью ANOVA во влажных условиях, с оценкой влияния материала электрода на каждого из трех добровольцев.

На рисунке 7 показано среднее значение сопротивления напряжению для теста 4 (влажное состояние, медный электрод). Было замечено, что сопротивление тела обычно уменьшалось по мере увеличения напряжения прикосновения. Также было обнаружено, что сопротивление тела имеет нелинейную зависимость от напряжения, наблюдения соответствуют стандарту IEC 60479-1. IEC 60479-1 отмечает это нелинейное поведение, а также упоминает дальнейшее увеличение по мере возникновения электрического пробоя кожи [3]. Природа этого нелинейного поведения не описана в IEC 60479.-1. Авторы предполагают, что эту нелинейность можно объяснить в контексте барьера Шоттки, где контакт кожи с металлической пластиной образует переход металл-полупроводник, что приводит к неомическому поведению тока и напряжения. Тогда разница в измеренном сопротивлении между алюминием и медью будет зависеть от работы выхода (которая для двух металлов составляет приблизительно 4,3 и 4,7 эВ соответственно) [6]. Обосновать или опровергнуть эту гипотезу помогли бы измерения с использованием дополнительных металлических поверхностей, например проведение измерений с использованием материалов с меньшей работой выхода (т. е. магний, 3,7 эВ) и с более высокой работой выхода (т. е. никель и платина, 5,2 и 5,7 эВ соответственно). ), оба потенциальных предмета будущей работы.

Рисунок 7: Среднее значение сопротивления в зависимости от напряжения для теста 4 (влажное состояние)

Коэффициент дисперсии (CV) представляет собой отношение стандартного отклонения к среднему, что полезно для сравнения степени вариации измеренного сопротивления для каждого отдельного добровольца. Поскольку установление повторяемости измерения импеданса тела для одного и того же человека было ключевой целью этой работы, CV помогает количественно оценить эту изменчивость. На рисунке 8 показан CV для всех трех добровольцев, использующих медные электроды во влажных условиях (тест 4), при сравнении относительной дисперсии данных среди добровольцев. Было замечено, что добровольец № 3 демонстрировал гораздо большую вариацию сопротивления тела по сравнению с двумя другими добровольцами (это также можно наблюдать на рисунке 4). У добровольца № 2 измеренное сопротивление тела было менее постоянным при более низких напряжениях, но при повышении напряжения выше 20 В CV сопротивления тела падает примерно до 10%, что согласуется с данными добровольца № 1.

Рисунок 8: Коэффициент дисперсии для трех добровольцев, использующих медь во влажных условиях

Для дальнейшего изучения большей вариации, наблюдаемой в результатах добровольца № 3, данные были разделены по времени суток (утро и день). Утром считаются измерения, проведенные в течение обычного рабочего дня до 12:00 по местному времени, а днем ​​— измерения, завершенные после 12:00. На протяжении всей этой работы, как правило, каждый день проводились два измерения на каждом испытуемом: одно утром и одно днем. Эталон времени определялся как время, когда результаты теста были завершены и сохранены в компьютере. Рисунок 9показывает коэффициент дисперсии для утреннего (а) и дневного (б). Как и в случае, показанном на рисунке 8, на рисунке 9 также показаны данные с медными электродами и кожей во влажных условиях. Интересно отметить, что CV значительно различается для добровольца № 3 между утром и днем, тенденция, которая была неизменной для этого субъекта при всех приложенных напряжениях, использованных в этом исследовании. Для двух других добровольцев разница между утренним и дневным периодом оказалась менее значимой, особенно для добровольца № 1. Отмечается, что для тестов, проведенных утром, разброс данных для добровольца № 3 был фактически ниже, чем для добровольца № 3. для добровольца № 2 при напряжении менее 25 В. И утром, и днем ​​CV уменьшается по мере увеличения напряжения. Точная природа статистически значимых различий утренних и дневных данных для добровольца № 3 в настоящее время неизвестна. Поскольку эта разница в поведении наблюдалась при 20 измерениях в течение нескольких недель, маловероятно, что проблемы были связаны с ошибкой измерения и, скорее, с каким-то метаболическим или другим состоянием организма, затронутым в течение полудня (например, во время обеда). Другая, хотя и менее вероятная, возможность заключается в каком-то бессознательном изменении поведения добровольца № 3 между утром и днем, хотя было бы трудно постоянно влиять на такое изменение в течение 20 тестовых сеансов. Независимо от причины, здесь важна не столько конкретная причина, сколько общее влияние на сопротивляемость организма. Эти наблюдения предполагают, что будущие измерения, возможно, потребуется проводить как утром, так и днем, и для каждого испытуемого следует отметить соответствующее время измерения для будущих исследований.

Рисунок 9: Коэффициент дисперсии при использовании медных электродов во влажных условиях (тест 4), (а) утром (б) днем ​​

Заключение

Данные показали влияние материала контакта на измеренное сопротивление тела и могут быть связаны с образованием барьера Шоттки, подобно тому, что наблюдается в устройствах металл-полупроводник. Это могло бы объяснить природу неомического поведения, которое давно известно для импеданса человеческого тела, хотя для подтверждения этой гипотезы необходимы дальнейшие исследования. Результаты показывают, что необходимо сообщать состав контактных материалов, используемых для измерения импеданса тела, вместе с результатами, и что для обоих контактов следует использовать только один тип контактного материала.

Во влажных условиях результаты испытаний сопротивления кузова были более стабильными, чем в сухих условиях. Принимая это во внимание, а также тот факт, что сопротивление тела во влажных условиях ниже, чем в соответствующих сухих условиях, будущая работа будет сосредоточена на использовании только влажных условий. Это исследование также показало, что измеренное сопротивление может значительно различаться в разное время суток, а именно утром и днем, как было исследовано здесь. Также было замечено, что это изменение в зависимости от времени суток наблюдалось не у всех испытуемых и имело неизвестное происхождение. Независимо от причины, результаты показывают, что время суток является потенциальной переменной для импеданса тела, и его необходимо продолжать включать в будущие исследования, желательно получать данные в разное время суток для одного и того же добровольца. Когда этот эффект времени суток отделен от данных, наблюдается, что коэффициент дисперсии имеет тенденцию составлять около 10%, причем более высокие значения наблюдаются при более низких напряжениях.

Экспериментальная работа, описанная здесь, показывает, что сопротивление человеческого тела, измеренное для конкретного испытуемого в одних и тех же условиях, должно быть воспроизводимым во времени. Ожидается, что данные будут нормально распределены со стандартными отклонениями примерно в 10% от среднего значения для большинства испытуемых и условий, хотя для некоторых испытуемых возможна большая вариабельность (в частности, из-за изменений, связанных со временем суток, с пока неизвестным происхождения).

Эти результаты подтверждают, что данные, полученные от большей выборки добровольцев, скорее всего, будут репрезентативными для сопротивления тела каждому человеку в пределах предсказуемого уровня неопределенности, даже если на добровольце был проведен только один сеанс измерения. Тем не менее, измерения, проведенные несколько раз на дополнительных добровольцах, были бы полезны для лучшего понимания влияния тестовых переменных на отдельных людей. Это предполагает, что в будущей работе часть добровольцев попросят вернуться для повторных измерений в течение нескольких дней, в то время как большую группу можно будет попросить принять участие только в одной или двух тестовых сессиях (предпочтительно в двух, одна из которых проводится утром, а второй в тот же день). Для дальнейшего изучения природы неомического контактного поведения трем первоначальным испытуемым будет предложено повторить тестирование с использованием дополнительных контактных материалов. Также могут быть запрошены дополнительные испытуемые для проведения тестов с использованием нескольких контактных материалов. Предполагается, что для всех испытаний будут использоваться только влажные условия, поскольку измеренные течения были выше, а изменчивость данных ниже. Ожидается, что испытания будут продолжены с использованием того же пути тока тела (от правой руки к обеим ногам), хотя было бы полезно провести дополнительные исследования с другими путями тока тела.

Каталожные номера

1. 1. К.Ф. Далзил, Э. Огден и К. Эбботт, «Влияние частоты на токи отпускания», Труды Американского института инженеров-электриков,
      , том. 62 1943.
   2. UL 101, «Ток утечки для устройств», Underwriters Laboratories Inc.
   3. IEC Технический комитет 64, рабочая группа 4, «Воздействие тока на людей и домашний скот –
      , часть 1: общие аспекты», IEC 60479-1.
   4. UL 1310, «Энергоблок класса II», Underwriters Laboratories LLC.
   5. И. Шварц и др., «Выделение натрия и калия в человеческом поте», Осеннее собрание Американского физиологического общества, стр. 114-119, Мэдисон, Висконсин.
   6. Р. Стейм, Ф. Рене Коглер и Кристоф Дж. Брабек, «Интерфейсные материалы для органических солнечных элементов»,
      J. Mater. хим., 2010, 20, 2499-2512.
   7. Р. Т. Тунг, (2014). «Физика и химия высоты барьера Шоттки», Applied Physics Reviews , 1 (1).

 

Хай Цзян получил докторскую степень. и магистр электротехники Дейтонского университета (Огайо). В настоящее время он является старшим инженером-исследователем и глобальным экспертом по поражению электрическим током и току утечки в Underwriters Laboratories (UL). Цзян является старшим членом Общества IEEE и профессиональным инженером в США. Он также является основным назначенным инженером (инженером стандарта UL) по току утечки UL101 для устройств. С Цзяном можно связаться по адресу [email protected].

 

Пол В. Бразис-младший . является менеджером по исследованиям и почетным членом технического персонала отдела корпоративных исследований UL в UL LLC (Нортбрук, Иллинойс, США). Он имеет опыт работы в области электрических и тепловых характеристик, электронных материалов и физики устройств, получив степень бакалавра, магистра и доктора наук в области электротехники в 1995, 1997 и 2000 годах соответственно в Северо-Западном университете (Эванстон, Иллинойс, США).