Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрическое сопротивление человека

Автор: Береснева Алина

Руководитель: Ветюков Дмитрий Алексеевич

Введение

Основные физическое законы

Закон Ома

Расчет сопротивления проводника, удельное сопротивление

Законы последовательного и параллельного соединения

Проводники и диэлектрики

Электрический ток в растворах солей

Электрический конденсатор

Электрическое сопротивление различных частей человека

Заключение

Список литературы

Введение

Каждое человеческое тело имеет некоторое электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление -- это физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока. Из-за того, что при напряжении 40 - 45В происходит частичный пробой наружного слоя кожи (что уменьшает сопротивление человека), а с увеличением электрического напряжения до 120 - 140В - и полный пробой наружного слоя кожи (сопротивление падает до значения внутреннего сопротивления), то мы будем рассматривать сопротивление человека при небольшом напряжении электрического тока (меньше 40 В).

В практических расчетах, с учетом наиболее неблагоприятных условий, сопротивление тела человека приблизительно равно 1000 Ом. Однако, при более детальном рассмотрении можно заметить и различия в сопротивлении разных людей. При этом, эти различия можно обнаружить даже у одного человека. Это происходит потому, что сопротивление зависит от некоторых биологических факторов, например, от пути прохождения электрического тока (рука - рука, рука - нога и т.д.) и длины этого пути, состояния здоровья человека или даже от его настроения. И, изучив эти факторы, мы возможно даже сможем получить новую информацию о теле человека.

Итак, в этом исследовании будет изучаться сопротивление человека и факторы на него влияющие.

Главной целью этой работы является изучение зависимости сопротивления человека от различных факторов. Из этого вытекают такие задачи, как, нахождение факторов, влияющих на сопротивление человека и изучение их.

Основные физические законы

Закон Ома

Как и все предметы, человеческое тело подчиняется физическим законам, в том числе закону Ома. Закон Ома определяет связь между электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

В своей оригинальной форме он был записан его автором в виде: ,

Здесь X -- показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I, a -- величина, характеризующая свойства источника тока, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС) , l -- величина, определяемая длиной соединяюших проводов. Чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R и, наконец, b параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r ^[1]

В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает

Закон Ома для полной цепи:

, где:

-- ЭДС источника напряжения(В),

-- сила тока в цепи (А),

-- сопротивление всех внешних элементов цепи(Ом),

-- внутреннее сопротивление источника напряжения(Ом).

Из Закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

При r<<R Сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения

При r>>R Сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.

Расчет сопротивления проводника

Удельное сопротивление

Для того, чтобы рассмотреть от чего зависит сопротивление человека, для начала рассмотрим удельное электрическое сопротивление. Удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток. Единица измерения удельного сопротивления в СИ -- Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·ммІ/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 метр и площадью токоведущего сечения 1 мІ.

В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·ммІ/м, равная 10^?6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1Ч10⁶ Ом·ммІ/м. Физический смысл удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв.мм.

Величина удельного сопротивления обозначается символом с (ро).

Сопротивление проводника с удельным сопротивлением с, длиной l и площадью сечения S может быть рассчитано по формуле:

Законы последовательного и параллельного соединения

Разные части человека имеют различное сопротивление и составляют электрические цепи последовательного и параллельного соединения.

Рассмотрим эти два типа соединения

Последовательное и параллельное соединения в электротехнике -- два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.

При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова.

При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. При этом величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

1) Сила тока во всех последовательно соединенных проводниках одинакова:

I₁ = I₂ = I.

2) Общее напряжение в последовательной цепи равно сумме напряжений на последовательных участках.

U₁ = IR₁, U₂ = IR₂.

U = U₁ + U₂ = I(R₁ + R₂) = IR,

где R - электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

R = R₁ + R₂.

3) При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников. Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.

4) Напряжения на всех параллельных проводниках одинаковы. В случае соответствующем рисунку 3.2.3.2., напряжения U₁ и U₂ на обоих проводниках одинаковы:

U₁ = U₂ = U.

5) Сумма токов, протекающих по параллельным проводникам, равна току в неразветвленной цепи. Действительно, в точках разветвления токов (узлы A и B, рис 3.2.3.2) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Дt подтекает заряд IДt, а утекает от узла за то же время заряд I₁Дt + I₂Дt. Следовательно,

I = I₁ + I₂.

Записывая на основании закона Ома

где R - электрическое сопротивление всей цепи, получим

6) При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников. При параллельном соединении проводников действует простое правило - общее сопротивление параллельного участка, меньше меньшего. Т.е. если параллельный участок составляют резисторы сопротивлениями 3 и 5 Ом, то общее сопротивление будет меньше 3 Ом. Простой подсчет, по приведенной выше формуле, дает результат: 1,875 Ом. Этот результат справедлив для любого числа параллельно включенных проводников.

Проводники и диэлектрики

С точки зрения электричества, вещества делятся на проводники и диэлектрики.

Проводники -- это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях -- ртуть, электролиты, при высоких температурах -- расплавы металлов. Пример проводящих газов -- ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.

Диэлектрики - вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц - электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем.

Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул):

1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают ( спирты, вода и др.);

2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).

Электрический ток в растворах солей

Чем же объясняется способность электролитов проводить электрический ток? В твердом виде атомы поваренной соли -- натрий Na и хлор Сl -- сильно притягиваются друг к другу и не могут свободно перемещаться. Поэтому поваренная соль в твердом виде тока не проводит.

При растворении поваренной соли в воде силы взаимодействия между атомами соли ослабевают и молекула соли распадается на две заряженные частицы -- ионы: положительно заряженный ной Na+ и отрицательно заряженный ион С1-. Раствор становится электропроводным.

Электрический конденсатор

Конденсамтор (от лат. condensare -- «уплотнять», «сгущать») -- двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения

С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

где j -- мнимая единица, щ -- циклическая частота (рад/с) протекающего синусоидального тока, f -- частота в Гц, C -- ёмкость конденсатора (фарад). Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно:. Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров -- собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью C, собственной индуктивностью LC и сопротивлением потерь Rn.

Резонансная частота конденсатора равна

При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2--3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где U -- напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.

Электрическое сопротивление различных частей человека

Кожа обладает малой электропроводностью, т.к. роговой слой эпидермиса плохо проводит электрический ток. На электропроводность кожи влияют разные факторы. Так, влажные участки кожи проводят электроток лучше, чем сухие; у спящего человека электрическое сопротивление кожи в 3 раза выше, чем у бодрствующего человека; в состоянии нервного возбуждения человека, его кожа менее электроустойчива.

Сопротивление кожи к токам высокой частоты выражено слабо, и наоборот - велико сопротивление кожи к токам низкой частоты и постоянному току. Кожа женщин лучше проводит переменный электроток, чем кожа мужчин.

Электрическое сопротивление различных тканей тела человека неодинаково: кожа, кости, жировая ткань, сухожилия и хрящи имеют относительно большое сопротивление, а мышечная ткань, кровь, лимфа и особенно спинной и головной мозг -- малое сопротивление. Например, удельное объемное сопротивление сухой кожи составляет 3*103 - 2 *104 Ом*м, а крови 1 - 2 Ом * м при частоте тока 50 Гц.

Из этих данных следует, что кожа обладает очень большим удельным сопротивлением, которое является главным фактором, определяющим сопротивление тела человека в целом. Строение кожи весьма сложно. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного, называемого эпидермисом, и внутреннего, являющегося собственно кожей и носящего название дермы.

Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений наружного слоя кожи, т. е. эпидермиса, 2zн (которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека ) и одного, называемого внутренним сопротивлением тела Rв (которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела) (рис. 1).

Рис. 1 1 - электроды; 2 - наружный слой кожи - эпидермис (роговой и ростковый слои); 3 - внутренние ткани тела (включая внутренний слой кожи - дерму )

Сопротивление наружного слоя кожи zн состоит из активного и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Полное сопротивление наружного слоя кожи zн зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и при площади электродов в несколько квадратных сантиметров может достигать весьма больших значений (десятков и сотен тысяч Ом).

Внутреннее сопротивление тела считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает емкостной составляющей.

Активное сопротивление -- сопротивление электрической цепи или её участка, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие виды энергии (в тепловую энергию).

Внутреннее сопротивление Rв практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения и равно примерно 500 - 700 Ом.

Эквивалентная схема сопротивления тела человека для рассмотренных условий показана на рис. 2/

Рис. 2 Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека

На основании этой схемы выражение для определения полного сопротивления тела человека в комплексной форме Zh, Ом, имеет вид

или после соответствующих преобразований - в действительной форме zh, Ом

где ZН - сопротивление наружного слоя кожи в комплексной форме, Ом; w =2p f - угловая скорость, рад/с; f - частота тока, Гц.

Эту схему можно упростить, представив сопротивление тела человека как параллельное соединение сопротивления Rh и емкости Сh которые назовем соответственно активным сопротивлением и емкостью тела человека (рис. 3). При этом

Рис. 3 Упрощенная схема замещения сопротивления тела человека

В этом случае выражение полного сопротивления тела человека в действительной форме будет, Ом,

При малой емкости (когда ее можно принять равной нулю) полное сопротивление тела человека оказывается равным сумме активных сопротивлений обоих слоев эпидермиса и внутреннего сопротивления тела, Ом, т. е.

Расчетное электрическое сопротивление тела человека переменному току частотой 50 Гц при анализе опасности поражения человека током принимается равным 1000 ом.

Исход поражения электрическим током во многом зависит и от физического и психического состояния человека. Электрическое сопротивление тела человека, находящегося в состоянии опьянения или нервного возбуждения, а также с дефектами кожного покрова, значительно уменьшается.

При снятом верхнем слое сопротивление кожи человека снижается до 1000 Ом/см2. Внутренние органы имеют сопротивление в среднем 1000 Ом/см2. Учитывая, что это значение наиболее стабильно, за расчетное сопротивление принимается 1000 Ом/см2, равное внутреннему сопротивлению тела человека. Влияет и род тока. Так, при частоте переменного тока 60Гц максимально выдерживаемый человеком ток, при котором можно преодолеть сокращение мышц рук, равен 10 мА (0,01 А), в то время как человек сохраняет ту же способность при постоянном токе 50...80 мА (0,05...0,08 А). Постоянный ток напряжением до 250В менее опасен, чем равный ему переменный. Однако с повышением напряжения постоянный ток становится более опасным. Частота тока оказывает влияние на степень поражения человека. Наиболее опасен переменный ток промышленной частоты 50...60 Гц. Одинаковое воздействие на человека оказывают токи 50...200 Гц--до 10 мА, 1000 Гц-- до 20 мА, 7000 Гц--до 35 мА. Чем дольше человек находится под воздействием тока, тем сильнее последствия поражения.

На основе исследований и практического опыта можно принять допустимый интервал времени прохождения электрической цепи через тело человека от 0,01 до 2 с.

Поражение человека не происходит при напряжении 12...16В и силе тока менее 0,01А при благоприятных окружающих условиях, а ток напряжением 36В, который некоторые исследователи считают безопасным, может оказаться смертельным.

Пример. Человек попал под напряжение 36В. Сопротивление человека может быть 400, 800, 1000 Ом.

Как видно, при напряжении 36В при определенных условиях может произойти несчастный случай со смертельным исходом. Следует помнить, что на теле человека есть уязвимые участки с пониженным сопротивлением тканей. И если провод касается уязвимых участков тела, то смерть может наступить при малых напряжениях и токе 10...70 мкА (0,000010--0,000070 А).

Известны случаи со смертельным исходом при напряжении 15-20В. В одном случае обнаружены метки на тыльной стороне кисти и большого пальца.

Опыты показывают, что сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному любой частоты. Разница в значениях сопротивлений постоянному и переменному (50 Гц) током особенно велико при малых напряжениях - до 10 В. С ростом приложенного напряжения эта разница уменьшается и начиная с 40-80 В сопротивление тела человека как постоянному, так и переменному току промышленной частоты становится практически одинаковым.

Повышенная температура окружающего воздуха (30-450 С) или тепловое облучение человека, вызывает некоторое понижение сопротивление тела.

Заключение

На сопротивление человеческого тела влияет множество факторов, главным из которых является напряжение, с ростом которого сопротивление человека уменьшается в десятки раз. Кроме этого, сопротивление зависит от таких факторов, как частота тока, путь прохождения, сопротивление человека, окружающая среда и т.п.

Постоянный и переменный токи оказывают различные воздействия на организм главным образом при напряжениях до 500 В. При таких напряжениях степень поражения постоянным током меньше, чем переменным той же величины.

Длительность воздействия тока на организм человека также имеет большое значение. С увеличением времени действия тока электрическое сопротивление тела человека уменьшается. Следовательно, возрастает и величина тока, проходящего через тело человека, поэтому чем дольше человек находится под током, тем более тяжелыми получаются последствия.

Исход поражения электрическим током так же во многом зависит и от физического и психического состояния человека. Электрическое сопротивление тела человека, находящегося в состоянии опьянения или нервного возбуждения, а также с дефектами кожного покрова, значительно уменьшается. У спящего человека электрическое сопротивление кожи в 3 раза выше, чем у бодрствующего человека. Влажные участки кожи проводят электрический ток лучше, чем сухие. Кожа женщин лучше проводит переменный электроток, чем кожа мужчин.

Таким образом, из-за огромного количества факторов, влияющих на сопротивление человеческого тела, точно предсказать какая сила тока смертельна для человека невозможно. Поэтому следует помнить что на теле человека есть уязвимые участки с пониженным сопротивлением тканей в следствие чего ток напряжением 36В, который некоторые исследователи считают безопасным, может оказаться смертельным.

Список литературы

1. Электрическое сопротивление человека. http://electrohobby.ru/elektr_soprot_chelov_soprot_tel.html.

2. Особенности воздействия электрического тока на организм человека. http://articles.excelion.ru/science/lifesecurity/04047951.html.

3. Воздействие электрического напряжения. http://elektrobezopasnost.narod.ru/medbez-1.htm.

4. Общие сведения о поражении электрическим током. http://www.electromonter.info/library/electric_shock.html.

5. Новиков С.Г Электрическое сопротивление тела человека. http://bgd.alpud.ru/_private/Sopr_tel_chel.htm.

6. Коробейников С.М. Электротехнические материалы http://sermir.narod.ru/lec/lect9.htm.

Размещено на Allbest.ru