Oddziaływanie prądu
elektrycznego
i pól elektromagnetycznych
na organizm człowieka
13 listopada 2006
Elektrostatyka
• Rozróżniamy ładunki dodatnie i ujemne.
• W atomie:
• jądro +
• elektron -
• Ładunek elektronu e [C] to ładunek
elementarny, każdy ładunek elektryczny jest
wielokrotnością e.
• q = ne
• e = 1,6·10
-19
C, m
e
= 9,11·10
-31
kg
Elektrostatyka
• Elektrony odłączają się od atomów i
tworzą gaz elektronowy wypełniający
przestrzeń między dodatnimi jonami.
• Elektrony swobodne to elektrony
przewodnictwa.
• Metale – typowe przewodniki.
• Szkło, bawełna, jedwab, sztuczne
tworzywa – izolatory.
Elektrostatyka
• Prawo Coulomba (Karol
August Coulomb 1785):
• k
0
= 9·10
9
Nm
2
/C
2
• k = 1/4π
ε
0
• ε
0
– przenikalność el. próżni
• ε
0
= 1/4πk
0
= 8,9·10
-12
C
2
/Nm
2
ε
=
ε
0
ε
r
ε
r
– stała dielektryczna
2 – nafta,
1,00 – powietrze,
5 ÷ 10 – szkło
1 – próżnia
81 - woda
2
2
1
r
q
kq
F
Elektrostatyka
• Prawo Coulomba: siła
wzajemnego oddziaływania dwóch
naelektryzowanych kulek jest
wprost proporcjonalna do iloczynu
wartości ich ładunków i odwrotnie
proporcjonalna do kwadratu
odległości między ich środkami.
Zależy ona także od ośrodka.
Elektrostatyka
• Zasada zachowania ładunku, w
układzie izolowanym elektrycznie,
ładunek może być przemieszczany z
jednego ciała na drugie, ale jego
całkowita wartość (suma algebraiczna)
nie może ulec zmianie.
Elektrostatyka
• Natężeniem pola elektrostatycznego E w danym
punkcie nazywamy stosunek siły elektrycznej
działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek
próbny do wartości tego ładunku.
C
N
q
F
E
2
r
kQq
F
2
2
0
4
r
kQ
qr
q
F
E
Elektrostatyka
•Wypadkowe natężenie pola
elektrostatycznego oblicza się
stosując zasadę superpozycji
– sumowania wektorów
natężeń od poszczególnych
ładunków punktowych.
Elektrostatyka
• Potencjałem pola elektrostatycznego
V nazywamy iloraz energii potencjalnej
punktowego ciała naelektryzowanego
ładunkiem q i wartości tego ładunku
r
kQ
rq
kQq
q
E
V
pot
Prąd elektryczny
• Napięciem między zaciskami danego
odbiornika energii elektrycznej
nazywamy iloraz mocy P wydzielanej
w tym odbiorniku i natężenia prądu I
płynącego przez ten odbiornik:
• U = P/I [V] ; P = UI
Prąd elektryczny
•Ruch elektronów to prąd
elektryczny
•I = Δq/Δt
•[1A] = [1C/1s]
Prąd elektryczny
• Prawo Ohma, sformułowane w 1827
roku, w oparciu o doświadczenia,
mówi o prostej proporcjonalności
prądu I płynącego przez przewodnik
do napięcia U przyłożonego na jego
końcach:
• I = U/R = (V
1
– V
2
)/R ; U = IR
Prąd elektryczny
• R oznacza współczynnik proporcjonalności
zwany oporem elektrycznym (rezystancją).
• 1Ω = 1V/1A. Opór przewodnika równa się 1
omowi, jeżeli niezmienne napięcie równe 1
woltowi istniejące na końcach przewodnika
wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera.
• Opór przewodnika R o długości l, powierzchni
przekroju S i oporze właściwym ρ jest równy:
• R = ρl/S
Prąd elektryczny
•I Prawo Kirchhoffa: W
dowolnym punkcie W obwodu
( węźle) suma algebraiczna
natężeń prądów stałych
dopływających i
odpływających równa się zeru.
•ΣI = 0
Prąd elektryczny
• II Prawo Kirchhoffa: W dowolnie
wydzielonej zamknietej części obwodu
elektrycznego, w tzw. oczku, suma
algebraiczna wszystkich napięć elektrycznych
panujących na poszczególnych elementach
oczka równa się zeru.
• ΣU = ΣE + ΣIR = 0
• E – czynne siły elektromotoryczne
• IR – spadki potencjałów
Prąd zmienny
• Zjawisko powstawania prądu
indukcyjnego w zamkniętym obwodzie
pod wpływem zmian strumienia indukcji
magnetycznej nazywamy zjawiskiem
indukcji elektromagnetycznej. Powstające
prądy nazywamy prądami indukcyjnymi.
• Ε = E
m
sinωt.
Prąd zmienny
• Źródło napięcia, w którym siła
elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie,
nazywamy źródłem napięcia przemiennego.
• W Europie f = 50 Hz, E
m
= 230 V
2
m
sk
I
I
2
m
sk
U
U
Porażenie prądem
elektrycznym
R
0
J
Z
- J
R
U
D
U
R
R
C
R
P
R
P
R
C
– rezystancja ciała
człowieka
R
P
– rezystancja
przejścia prądu do
ziemi
U
D
- napięcie
dotykowe
U
R
– napięcie
rażeniowe
J
Z
– prąd zwarcia
J
R
– prąd rażeniowy
Porażenie prądem
elektrycznym
• Napięcie dotykowe – jest to napięcie
między dwoma punktami nie
należącymi do obwodu elektrycznego,
z którymi mogą zetknąć się
jednocześnie ręce lub ręka i stopy, albo
inne części ciała człowieka U
D
=
(0,5R
P
+ R
C
)J
R
• Napięcie
rażeniowe – jest to spadek
napięcia na drodze przepływu prądu
przez ciało człowieka
U
R
= R
C
J
C
Porażenie prądem elektrycznym
• Najbardziej niebezpieczny jest dla
człowieka prąd przemienny o częstotliwości
50 – 60 Hz
• Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na
działanie prądu stałego niż przemiennego.
Dotyczy to natężeń do 20 mA
• Przy prądzie przemiennym 50 – 60 Hz
wyprostowanie palców i samodzielne
oderwanie ich od przewodu możliwe jest
przy natężeniu prądu: dla kobiet ≤ 10,5
mA, dla mężczyzn ≤ 16 mA
Porażenie prądem
elektrycznym
• Zatrzymanie krążenia krwi na czas dłuższy niż
3-5 minut prowadzi nieodwołalnie do śmierci.
Spowodowane jest ono zawsze wstrzymaniem
lub niedostateczną pracą serca, albo też
migotaniem (fibrylacją) komór sercowych.
Migotanie komór polega na
niesynchronicznych skurczach poszczególnych
części mięśnia sercowego dokonujących się z
częstotliwością 300-500 skurczów na minutę.
• Czynnikiem decydującym o wystąpieniu
migotania jest obok wartości natężenia prądu
czas przepływu. Przy czasach krótszych od
0.2s możliwość wystąpienia migotania jest
niewielka
Objawy działania prądu przemiennego 50 – 60 Hz na człowieka przy
przepływie na drodze ręka – ręka lub noga – ręka. Wartość skuteczna
prądu [mA]
• 0 – 0,5
Prąd niewyczuwalny
• 0,6 – 1,6
Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie)
• 1,6 – 3,5
Cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie rąk
• 3,5 – 15
Silne sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni
i drżenie rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze
skurcze mięśni palców i ramion, zaciskanie się rąk
obejmujących przedmiot i niemożność samodzielnego
oderwania się
• 15 – 25
Niekontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost
ciśnienia krwi; prąd nie powoduje groźnych następstw przy
czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund
• 25 – 50
Bardzo silne skurcze mięśni rak i klatki piersiowej;
nieregularność pracy serca, przy dłuższym działaniu prądu w
górnym zakresie – migotanie komór sercowych
• 50 – 70
Migotanie komór sercowych, porażenie mięśni
oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierć przez uduszenie
• > 70
Przy dłuższym działaniu zwykle kończy się śmiercią
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Istnienie pól magnetycznych jest
traktowane jako objaw wtórny, jako
skutek ruchu ładunków elektrycznych.
• Ziemia jest wielkim magnesem.
• Indukcję magnetyczną B definiuje się
wykorzystując siłę oddziaływania pola
magnetycznego na poruszający się
ładunek próbny q
0
:
• F = q
0
(v¤B)
• B = F
max
/q
0
v [T]
Indukcja magnetyczna
• 1T - duża jednostka [N/Am]
• 10 T - uzyskuje się w laboratoriach
• 100 T – bardzo krótko
• B = 10
-4
T – na powierzchni Ziemi
• Prąd 100 mA w odległości 1 cm B =
2·10
-3
T
• Układ nerwowy w okolicy klatki
piersiowej B = 10
-11
T
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Pola elektromagnetyczne powstają:
wokół stacji nadawczych radiowych i
TV, radarów, urządzeń
przemysłowych, zgrzewarek, pieców
indukcyjnych, silników, telewizorów…
• Długotrwałe przebywanie powoduje:
bóle i zawroty głowy, zaburzenia snu,
zaburzenia pamięci, dolegliwości
sercowe, szybkie męczenie, choroby
oczu (zaćma).
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Efekty termiczne – część energii jest
pochłonięta i zamieniona na ciepło.
Progowa gęstość mocy wynosi około
10mW/cm
2.
.
• Ze wzrostem długości fali wartości te
wyraźnie wzrastają co wiąże się z
zależnością współczynnika
pochłaniania energii
elektromagnetycznej od
częstotliwości.
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Ciepło powstające w tkankach pod
wpływem pola elektromagnetycznego
wytwarzane jest w dwóch procesach:
przepływu nośników ładunku przez
ośrodek o pewnym oporze i obrotu
dipoli cząsteczkowych w ośrodku
lepkim
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Efekty termiczne w tkankach wywołane
przepływem prądów wysokiej
częstotliwości są wykorzystywane w
praktyce medycznej jako diatermia.
• Obecnie prawie wyłącznie stosowane
są aparaty krótkofalowe i mikrofalowe.
• Zastosowanie diatermii: przewlekłe
stany zapalne mięśni, tkanki łącznej,
stawów i nerwów.
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Różnica między diatermią a innymi metodami
ciepłolecznictwa polega na tym, że w
przypadku diatermii ciepło wytwarzane jest
przede wszystkim wewnątrz tkanek, a nie
doprowadzane z zewnątrz.
• Skutki diatermii: rozszerzenie naczyń
krwionośnych, zmniejszenie pobudliwości
nerwowo- mięśniowej, zmniejszenie napięcia
mięśni, przyspieszenie procesów wchłaniania
tkankowego, działanie przeciw bólowe i inne.
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Doświadczenia wykazały, że
promieniowanie elektromagnetyczne
wpływa na przebieg wielu procesów
biologicznych nawet znacznie poniżej
efektu termicznego (10 mW/cm
2
)
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Zmiany morfologiczne
• Oparzenia, martwice tkanek, degeneracja
komórek
• Najwrażliwsze są tkanki obwodowego i
ośrodkowego UN
• Zmiany w układzie sercowo-naczyniowym
• Działanie mutagenne
• Zmniejszenie płodności
Metody ochrony
• Bierne: organizacja pracy, automatyzacja,
skracanie czasu pracy, zakaz pracy poniżej 18 l.,
kobiet w ciąży, okresowe badania lekarskie.
• Czynne: Ekranowanie za pomocą blach, siatek,
anteny, odzież ochronna konstrukcja urządzeń.
• Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na
cztery zakresy – w zależności od częstotliwości i
dla każdego zakresu określa się dopuszczalny
czas przebywania w zależności od
występującego w danej strefie natężenia
Oddziaływanie pól
elektromagnetycznych
• Należy pamiętać, że pola
elektromagnetyczne generowane są przez:
• Radiotelefony (komórki)
• Odbiorniki radiowe i telewizyjne
• Kuchenki mikrofalowe
• Komputery
Biopotencjały
• Funkcjonowaniu żywych narządów
towarzyszy występowanie potencjałów
elektrycznych. Różnice potencjałów
występuje pomiędzy wewnętrzną i
zewnętrzną stroną błony komórkowej.
• Różnica ta w zależności od rodzaju
komórki wynosi około 40-100 mV.
• Dla większości neuronów wynosi ona
od -40 do -75mV.
Metody badania
biopotencjalów
• Elektrokardiografia EKG – metoda
rejestrowania zmian prądów i różnic
potencjałów czynnościowych wytwarzanych
przez układ bodźcotwórczo-przewodzący w
mięśniu sercowym w czasie jego czynności.
• Elektroencefalografia EEG – metoda badania
polegająca na odbiorze prądów
czynnościowych mózgu z różnych okolic
czaszki lub mózgu.
• Elektromiografia EMG – metoda badania i
rejestracji zjawisk bioelektrycznych (prądów
czynnościowych) zachodzących w mięśniach
podczas ich pracy.
-0,003
-0,002
-0,001
0
0,001
0,002
0,003
0
0,5
1
1,5
2
Czas [s]
E
M
G
[V
]
-0,003
-0,002
-0,001
0
0,001
0,002
0,003
0
0,5
1
1,5
2
Czas [s]
E
M
G
[V
]
AMPLITUDA EMG
AMPLITUDA EMG
kilka
kilka
µ
µ
V do kilku mv
V do kilku mv
0
0,001
0,002
0,003
0
0,5
1
1,5
2
Czas [s]
A
E
M
G
[V
]
Wyprostowany sygnał EMG
AEMG - wyprostowany i uśredniony sygnał EMG
0
0,001
0,002
0,003
0
0,5
1
1,5
2
Czas [s]
A
E
M
G
[V
]
Wyprostowany sygnał EMG
AEMG - wyprostowany i uśredniony sygnał EMG
AMPLITUDA EMG
AMPLITUDA EMG
0,0000
0,0005
0,0010
0
0,5
1
1,5
2
Czas [s]
A
E
M
G
[V
]
0,0000
0,0005
0,0010
0
0,5
1
1,5
2
Czas [s]
A
E
M
G
[V
]
AMPLITUDA EMG
AMPLITUDA EMG
po aproksymacji jako sygnał
po aproksymacji jako sygnał
sterujący pracą mieśni
sterujący pracą mieśni