Часть II. Действие постоянного тока на организм Первичное действие постоянного тока на биологические ткани
Биологические жидкости являются электролитами, электропроводимость которых имеет сходство с электропроводимостью металлов: в обеих средах, в отличие от газов, носители тока существуют независимо от наличия электрического поля.
Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах.
Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов, их разделением и изменением их концентрации в разных элементах тканей.
Постоянный электрический ток вызывает в тканях организма следующие физико-химические эффекты: электролиз, поляризацию, электродиффузию и электроосмос.
Перемещение ионов под действием постоянного электрического тока вызывает изменение их соотношения в клетках и межклеточном пространстве. Такие сдвиги изменяют поляризацию возбудимых тканей.
Наряду с перемещением ионов электрический ток изменяет проницаемость мембран возбудимых тканей и увеличивает пассивный транспорт крупных белковых молекул (амфолитов) и других веществ (явление электродиффузии).
Под действием электрического поля в тканях возникает разнонаправленное движение молекул свободной и захваченной в гидратные оболочки ионов (главным образом Na+, K+, Cl-) воды примембранного слоя относительно клеток. Из-за того, что количество молекул воды в гидратных оболочках катионов больше, чем у анионов, содержание воды под катодом увеличивается, а под анодом – уменьшается (электроосмос).
Действие электрического тока на организм человека
Все нормальные функции организма обусловлены электрическими взаимодействиями. Работа мышц, в том числе дыхание и удары сердца, контролируется электрическими токами. Информация, получаемая различными органами чувств, передается в мозг с помощью электрических сигналов. Хотя электрические токи и участвуют в функционировании организма, токи от внешних источников при прохождении через жизненно важные органы могут вызвать их повреждение или даже смерть человека.
Электрический ток, проходя через тело человека, может оказывать биологическое, механическое и химическое действия. Биологическое действие заключается в способности электрического тока раздражать и возбуждать живые ткани организма. Тепловое действие – в способности вызывать ожоги тела, приводить к разрыву тканей, а химическое – к электролизу крови.
К факторам, влияющим на исход поражения электрическим током, относятся:
величина тока,
величина напряжения,
время действия,
род и частота тока,
путь замыкания,
сопротивление тела человека,
окружающая среда,
фактор внимания.
Величина тока. По величине ток подразделяется на:
неощущаемый (0,6 – 1,6 мА);
ощущаемый (3 мА) – ток, вызывающий в организме ощутимые раздражения, при этом человек может самостоятельно отключиться от электрической цепи;
отпускающий (6 мА);
неотпускающий (10 - 15 мА) – ток, вызывающий непреодолимые судорожные сокращения мышц, в результате чего человек не может самостоятельно освободиться от действия тока;
удушающий (25 – 50 мА);
фибрилляционный (100 – 200 мА) – ток, вызывающий фибрилляцию сердца, т.е. беспорядочное сокращение сердечной мышцы;
тепловые воздействия (5 А и выше).
Минимальные значения рассмотренных токов называются пороговыми: пороговый ощутимый ток, пороговый неотпускающий и пороговый фибрилляционный токи.
Величина напряжения. Время действия. Факторы величины напряжения и время воздействия электрического тока, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Время действия, с |
Длительно |
До 30 |
1 |
0,5 |
0,2 |
0,1 |
Величина тока, мА |
1 |
6 |
50 |
100 |
250 |
500 |
Величина напряжения, В |
6 |
36 |
50 |
100 |
250 |
500 |
При кратковременном воздействии (0,1 - 0,5 с) ток порядка 100 мА не вызывает фибрилляции сердца. Если увеличить длительность воздействия до 1 с, то этот же ток может привести к смертельному исходу. С уменьшением длительности воздействия значение допустимых для человека токов существенно увеличивается. При изменении времени воздействия от 1 до 0,1 с допустимый ток возрастает в 16 раз.
Кроме того, сокращение длительности воздействия электрического тока уменьшает опасность поражения человека исходя из некоторых особенностей работы сердца. Полный цикл работы сердца составляет около 1 с (рис.1), причем в каждом цикле в течение 0,15 - 0,2 с сердце наиболее чувствительно к току (фаза Т), а в остальное время цикла сравнительно большие токи не вызывают фибрилляцию сердца, т.к. при кратковременном действии тока уменьшается вероятность совпадения с фазой Т.
Рис.1
Род и частота тока. 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. Считают, что напряжение 120 В постоянного тока при одинаковых условиях эквивалентно по опасности напряжению 40 В переменного тока промышленной частоты. При напряжении 500 В и выше различий в воздействии постоянного и переменного токов практически не наблюдаются.
Самыми неблагоприятными для человека являются токи промышленной частоты (50 Гц). При увеличении частоты (более 50 Гц) значения неотпускающего тока возрастает. С уменьшением частоты (от 50 Гц до 0) значения неотпускающего тока тоже возрастает и при частоте, равной нулю (постоянный ток – болевой эффект), они становятся больше примерно в три раза.
Значения фибрилляционного тока при частотах 50-100 Гц равны, с повышением частоты до 200 Гц этот ток возрастает примерно в 2 раза, а при частоте 400 Гц – почти в 3,5 раза.
Сопротивление организма. Величина тока, проходящего через какой-либо участок тела человека, согласно закону Ома зависит от приложенного напряжения (напряжения прикосновения) и электрического сопротивления оказываемого току данным участком тела.
Сопротивление тела человека зависит от состояния кожи (сухая, влажная, чистая и т.п.); плотности и площади контакта; величины и частоты тока и приложенного напряжения; времени воздействия тока на человека.
Между воздействующим током и напряжением существует нелинейная зависимость: с увеличением напряжения ток растет быстрее. Это объясняется главным образом нелинейностью электрического сопротивления тела человека. На участке между двумя электродами электрическое сопротивление тела человека в основном состоит из сопротивлений двух тонких наружных слоев кожи, касающихся электродов, и внутреннего сопротивления остальной части тела. Плохо проводящий ток наружный слой кожи, прилегающий к электроду, и внутренняя ткань, находящаяся под плохо проводящим слоем, как бы образуют обкладки конденсатора емкостью С и сопротивлением его изоляции R. С увеличением частоты тока сопротивление тела человека уменьшается и при больших частотах практически становится равным внутреннему сопротивлению.
При напряжении на электродах 40 – 45 В в наружном слое кожи возникают значительные напряженности поля, которые полностью или частично нарушают полупроводящие свойства этого слоя. При увеличении напряжения сопротивление тела уменьшается и при напряжении 100 – 200 В падает до значения внутреннего сопротивления тела. Это сопротивление для практических расчетов может быть принято равным 1000 Ом.
В таблице 2 приведены значения удельного сопротивления различных тканей и жидкостей организма.
Таблица 2
|
, Ом м |
|
, Ом м |
Спинномозговая жидкость |
0,55 |
Ткань жировая |
33,3 |
Кровь |
1,66 |
Кожа сухая |
105 |
Мышцы |
2 |
Кость без надкостницы |
107 |
Ткань мозговая и нервная |
14,3 |
|
|
Электропроводимость тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель.
Так, например, при воспалении, когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление; физиологические явления, вызывающие потливость, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи и т.д.
Путь замыкания тока (петля тока). При прикосновении человека к токоведущим частям путь тока может быть различным. Всего существует 18 вариантов путей замыкания тока через человека. Основные из них: рука – рука; рука – ноги; голова – ноги.
Степень поражения в этих случаях зависит от того, какие органы человека подвергаются воздействию тока, и от величины тока, проходящего непосредственно через сердце. Наиболее тяжелое поражение вероятно, если на пути тока оказывается сердце, грудная клетка, головной или спинной мозг, нервные центры, которые контролируют дыхание и сердце.
Окружающая среда. Влажность и температура воздуха, наличие заземленных металлических конструкций и полов, токопроводящая пыль и другие факторы окружающей среды оказывают дополнительное влияние на условие электробезопасности.
Фактор внимания также имеет значение, т.к. воздействие тяжелее, когда оно неожиданно.