Закон Ома (снова!)

Распространенная фраза в отношении электробезопасности звучит примерно так: «Убивает не напряжение, а ток!». Хотя в этом есть доля правды, об опасности поражения электрическим током нужно понимать больше, чем эта простая пословица. Если бы напряжение не представляло опасности, никто бы никогда не распечатал и не вывесил надписи: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ! ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!

Принцип «убивает ток», по сути, верен. Это электрический ток сжигает ткани, заставляет мышцы замереть и вызывает фибрилляцию сердца. Однако электрический ток не возникает сам по себе: должно быть доступно напряжение, чтобы заставить ток протекать через пострадавшего. Тело человека также оказывает сопротивление току, что тоже необходимо учитывать.

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

\[I=\frac{E}{R} \qquad Ток = \frac{Напряжение}{Сопротивление}\]

Сила тока, проходящего через тело человека, равна величине напряжения, приложенного между двумя точками этого тела, деленной на электрическое сопротивление, оказываемое телом между этими двумя точками. Очевидно, что чем большее напряжение доступно, тем легче ток будет проходить через любое заданное сопротивление.

Следовательно, существует опасность высокого напряжения, которое может создавать ток, достаточный для получения травмы или смерти. И наоборот, если тело имеет более высокое сопротивление, то при любом заданном напряжении будет протекать меньший ток. Насколько опасно напряжение, зависит от полного сопротивления цепи, препятствующего прохождению электрического тока.

Сопротивление тела человека не является фиксированной величиной. Оно варьируется от человека к человеку и время от времени. Существует даже метод измерения жировых отложений, основанный на измерении электрического сопротивления между пальцами рук и ног.

Разный процент жира в организме обеспечивает разное сопротивление: эта переменная влияет на электрическое сопротивление в организме человека. Чтобы методика работала 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 человека.

Сопротивление тела человека также зависит от того, как происходит контакт с кожей: от руки к руке, от руки к ноге, от ступни к ступне, от кисти руки к ее локтю и т.д. Пот, богатый солью и минералами, будучи жидкостью, является отличным проводником электричества. То же самое и с кровью с таким же высоким содержанием проводящих химикатов.

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 прибором, я получаю в результате примерно 1 миллион Ом (1 МОм) между руками, держась за металлические щупы измерителя пальцами. Прибор показывает меньшее сопротивление, когда я плотно сжимаю щупы, и большее сопротивление, когда я держу их свободно.

Я сижу за компьютером и печатаю эти слова, мои руки чистые и сухие. Если бы я работал в жаркой, грязной промышленной среде, сопротивление между моими руками, вероятно, было бы намного меньше, представляя меньшее сопротивление смертельному току и большую опасность поражения электрическим током.

Насколько опасен электрический ток?

Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов. Химический состав тела человека оказывает значительное влияние на то, как электрический ток влияет на человека. Некоторые люди очень чувствительны к току и испытывают непроизвольное сокращение мышц от ударов статического электричества.

Другие могут получить большой разряд статического электричества и почти не почувствовать его, не говоря уже о мышечном спазме. Несмотря на эти различия, с помощью тестов были разработаны приблизительные руководящие принципы, которые показывают, что для проявления вредных эффектов требуется очень небольшой ток (опять же, информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы).

Все значения силы тока даны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):

«Гц» обозначает единицу измерения герц. Это параметр того, насколько быстро изменяется переменный ток, известный как частота. Таким образом, столбец значений, обозначенный «Переменный ток, 60 Гц», относится к току, который меняется с частотой 60 циклов (1 цикл = период времени, когда ток сначала течет в одном направлении, а затем в другом в направлении) в секунду.

Последний столбец, обозначенный «Переменный ток, 10 кГц», относится к переменному току, который совершает десять тысяч (10 000) циклов каждую секунду.

Имейте в виду, что эти цифры являются приблизительными, поскольку люди с различным химическим составом тела могут реагировать по-разному. Было высказано предположение, что для переменного тока при протекании поперек грудной клетки достаточно всего 17 мА, чтобы при определенных условиях вызвать у человека фибрилляцию. Большинство данных относительно вызванной фибрилляции получены в результате испытаний на животных. Очевидно, что проводить тесты на вызов фибрилляции желудочков на людях непрактично, поэтому имеющиеся данные отрывочны.

И если вам интересно, я понятия не имею, почему женщины более восприимчивы к электрическому току, чем мужчины!

Предположим, я положил руки на клеммы источника переменного напряжения с частотой 60 Гц (60 циклов в секунду). Какое напряжение потребуется при чистой, сухой коже, чтобы получить ток в 20 миллиампер (достаточно, чтобы я не мог отпустить источник напряжения)? Чтобы определить его, мы можем использовать закон Ома:

\[E = IR = (20 \ мА)(1 \ МОм) = 20 000 \ вольт = 20 кВ\]

Имейте в виду, что с точки зрения электробезопасности это «идеальный случай» (чистая, сухая кожа), и что это значение напряжения представляет собой величину, необходимую для вызова оцепенения. Чтобы вызвать болезненный удар, потребуется гораздо меньшее напряжение! Кроме того, имейте в виду, что физиологические эффекты любой конкретной силы тока могут значительно отличаться от человека к человеку, и что эти расчеты являются приблизительными.

Обрызгав пальцы водой, чтобы имитировать пот, я смог измерить сопротивление «рука-рука» – всего 17000 Ом (17 кОм). Имейте в виду, что это касается только одного пальца каждой руки, касающегося тонкой металлической проволоки. Пересчитав напряжение, необходимое для возникновения тока в 20 мА, мы получим следующее значение:

\[E = IR = (20 \ мА)(17 \ кОм) = 340 \ вольт\]

В этом реалистичном состоянии, чтобы вызвать ток 20 миллиампер на пути «рука-рука», потребуется напряжение всего 340 вольт. Тем не менее, всё же возможно получить смертельный удар от меньшего напряжения, чем это. При условии гораздо более низкого значения сопротивления тела, увеличенного за счет, например, контакта с кольцом на пальце (полоса из золота, обернутая по окружности пальца, является отличной точкой контакта для поражения электрическим током) или полного контакта с большим металлическим предметом, таким как труба или металлическая ручка инструмента, сопротивление тела может упасть до 1000 Ом (1 кОм), что приведет к тому, что даже более низкое напряжение может представлять потенциальную опасность.

\[E = IR = (20 \ мА)(1 \ кОм) = 20 \ вольт\]

Обратите внимание, что в этом состоянии 20 вольт достаточно, чтобы вызвать через человека ток в 20 миллиампер; достаточно, чтобы вызвать оцепенение. Помните, было высказано предположение, что сила тока всего 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию желудочков (сердца). При сопротивлении «рука-рука» 1000 Ом для создания этого опасного состояния потребуется всего 17 вольт.

\[E = IR = (17 \ мА)(1 \ кОм) = 17 \ вольт\]

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

Условия, необходимые для создания сопротивления тела 1000 Ом, не должны быть такими экстремальными, как те, которые были представлены (потная кожа при контакте с золотым кольцом). Сопротивление тела может уменьшаться при прикладывании напряжения (особенно если оцепенение заставляет пострадавшего крепче держать проводник), поэтому при длительном прикладывании напряжения удар может усилиться после первого контакта.

То, что начинается как легкий шок (ровно настолько, чтобы «заморозить» пострадавшего, чтобы он не мог двигаться), может перерасти в нечто, достаточно серьезное, чтобы убить человека, поскольку сопротивление его тела уменьшается, а сила тока соответственно увеличивается.

Исследования предоставили примерный набор значений электрического сопротивления для точек контакта человека в различных условиях (информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы):

• контакт пальца с проводом: от 40 000 Ом до 1 000 000 Ом в сухом состоянии, от 4 000 Ом до 15 000 Ом во влажном состоянии;
• удерживание провода рукой: от 15 000 Ом до 50 000 Ом в сухом состоянии, от 3 000 Ом до 5 000 Ом во влажном состоянии;
• удерживание рукой металлических плоскогубц: от 5 000 Ом до 10 000 Ом в сухом состоянии, от 1 000 Ом до 3 000 Ом во влажном состоянии;
• контакт с ладонью: от 3 000 Ом до 8 000 Ом в сухом состоянии, от 1 000 Ом до 2 000 Ом во влажном состоянии;
• удержание одной рукой 1,5-дюймовой металлической трубы: от 1 000 Ом до 3 000 Ом в сухом состоянии, от 500 Ом до 1 500 Ом во влажном состоянии;
• удержание двумя руками 1,5-дюймовой металлической трубы: от 500 Ом до 1 500 Ом в сухом состоянии, от 250 Ом до 750 Ом во влажном состоянии;
• рука погружена в токопроводящую жидкость: от 200 Ом до 500 Ом.
• нога погружена в токопроводящую жидкость: от 100 Ом до 300 Ом.

Обратите внимание на значения сопротивления для двух условий с 1,5-дюймовой металлической трубой. Сопротивление, измеренное при захвате трубы двумя руками, составляет ровно половину того сопротивления, когда трубу держит одна рука.

При удержании двумя руками площадь контакта с телом будет вдвое больше, чем с одной рукой. Это важный урок: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях. Если держать трубу двумя руками, у тока будет два параллельных пути, по которым он течет из трубы в тело человека (или наоборот).

Как мы увидим в следующей главе, пути в параллельной цепи всегда приводят к меньшему общему сопротивлению, чем любой отдельный путь, рассматриваемый отдельно.

В промышленности консервативным пороговым значением для опасного напряжения обычно считается 30 вольт. Осторожный человек должен рассматривать любое напряжение выше 30 вольт как опасное, не полагаясь на нормальное сопротивление тела для защиты от удара. Тем не менее, при работе с электричеством всё же хорошо бы держать руки чистыми и сухими и снимать все металлические украшения.

Даже при более низком напряжении металлические украшения могут представлять опасность, поскольку проводят ток, достаточный для ожога кожи, при контакте между двумя точками цепи. В частности, металлические кольца были причиной нескольких ожогов пальцев из-за замыкания между точками в низковольтной, сильноточной цепи.

Кроме того, напряжение ниже 30 может быть опасным, если его достаточно, чтобы вызвать неприятное ощущение, которое может вызвать вздрагивание и случайное соприкосновение с более высоким напряжением или другой опасностью. Я вспоминаю, как однажды жарким летним днем работал над автомобилем.

Я был в шортах, и моя голая нога касалась хромированного бампера автомобиля, когда я затягивал контакты аккумулятора. Когда я прикоснулся металлическим ключом к положительной (незаземленной) стороне 12-вольтовой батареи, я почувствовал покалывание в том месте, где моя нога касалась бампера. Сочетание плотного контакта с металлом и моей вспотевшей кожи позволило ощутить удар всего лишь при напряжении 12 вольт.

К счастью, ничего страшного не произошло, но если бы двигатель работал и удар ощущался в моей руке, а не в ноге, я мог бы рефлекторно дернуть руку в сторону вращающегося вентилятора или уронить металлический ключ на клеммы аккумулятора (создав больший ток через гаечный ключ с большим количеством искр).

Это иллюстрирует еще один важный урок, касающийся электробезопасности; электрический ток может быть косвенной причиной травмы, заставляя вас дернуться или вызывать спазмы частей вашего тела.

Опасность электрического тока также зависит от пути его протекания через человеческое тело. Ток будет влиять на все мышцы, находящиеся на его пути, а поскольку мышцы сердца и легких (диафрагмы), вероятно, являются наиболее важными для выживания, пути протекания тока, проходящие через грудную клетку, являются наиболее опасными. Поэтому при протекании электрического тока по пути «рука-рука» есть больше шансов для получения травм и летального исхода.

Во избежание подобных ситуаций рекомендуется работать с цепями, находящимися под напряжением, только одной рукой. Конечно, всегда безопаснее работать в цепи, когда она отключена, но это не всегда практично или возможно.

При работе одной рукой, как правило, предпочтение отдается правой руке по двум причинам: большинство людей правши (что обеспечивает дополнительную координацию при работе), и сердце расположено в грудной полости слева от центра.

Для левшей этот совет может быть не лучшим. Если такой человек недостаточно ловко работает правой рукой, он может подвергнуть себя большей опасности, используя руку, с которой ему менее всего комфортно, даже если электрический ток через другую руку может представлять большую опасность для его сердца. Относительная опасность между электрическим ударом через одну руку или через другую, вероятно, меньше, чем опасность работы с менее оптимальной координацией, поэтому выбор руки для работы лучше всего оставить на усмотрение человека.

Лучшая защита от ударов цепи под напряжением – это сопротивление, а сопротивление может быть добавлено к телу с помощью изолированных инструментов, перчаток, обуви и других средств. Ток в цепи является функцией доступного напряжения, деленного на общее сопротивление на пути протекания тока. Как мы рассмотрим более подробно позже в этой книге, сопротивления складываются, когда они составляются так, что ток течет только по одному пути:

Человек напрямую прикасается к источнику напряжения: ток ограничен только сопротивлением тела человека.

\[I = \frac{E}{R_{тела}}\]

Далее мы увидим эквивалентную схему для человека в изолирующих перчатках и ботинках:

Человек одет в изолирующие перчатки и ботинки: ток теперь ограничен полным сопротивлением цепи.

\[I = \frac{E}{R_{перчаток}+R_{тела}+R_{ботинок}}\]

Поскольку, чтобы замкнуть цепь обратно к источнику напряжения, электрический ток должен пройти через ботинок и тело и перчатку. И общая сумма этих сопротивлений противодействует прохождению тока в большей степени, чем любое из этих сопротивлений, рассматриваемое отдельно.

Безопасность – одна из причин, по которой электрические провода обычно покрывают пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы значительно увеличить сопротивление между проводником и тем, что может с ним контактировать.

К сожалению, изолировать проводники линии электропередачи, чтобы обеспечить безопасность в случае случайного контакта, было бы непомерно дорого. Таким образом, в этом случае безопасность обеспечивается за счет того, что эти линии должны находиться достаточно далеко, вне зоны досягаемости, чтобы никто не мог случайно их коснуться.

Резюме

• Вред для тела зависит от силы электрического тока. Более высокое напряжение позволяет создавать более высокие и опасные токи. Сопротивление противодействует току, поэтому хорошей защитой от электрических ударов является высокое сопротивление.
• Любое напряжение выше 30 вольт обычно считается способным создавать опасные токи электрического удара.
• При работе с электрическими цепями определенно не стоит носить металлические украшения. Кольца, ремешки для часов, ожерелья, браслеты и другие подобные украшения обеспечивают отличный электрический контакт с вашим телом и сами могут проводить ток, достаточный для возникновения ожогов кожи даже при низком напряжении.
• Низкое напряжение всё еще может оставаться опасным, даже если оно слишком низкое, чтобы напрямую вызвать поражение электрическим током. Его может быть достаточно, чтобы напугать пострадавшего, заставив ее вздрогнуть и коснуться чего-то более опасного, находящегося в непосредственной близости.
• Когда необходимо работать с «живой» цепью (находящейся под напряжением), лучше всего выполнять работу одной рукой, чтобы предотвратить возможность возникновения опасного пути протекания электрического тока, «рука-рука» (через грудь).

Теги