Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica

w Krakowie

Działanie fizjologiczne prądu

na organizm ludzki

Arkadiusz Champel

Piotr Latowski

Rok: II

Wydział: EAIiE

Kierunek: Elektrotechnik

Spis treści:

1.1. Wiadomości ogólne

Porażenie prądem elektrycznym może nastąpić na skutek:

- dotknięcia części znajdującej się stale pod napięciem,

- dotknięcia części urządzeń, które znalazły się pod napięciem na skutek uszkodzenia izolacji (np. obudowa silnika),

- znalezienia się na powierzchni ziemi mającej różne potencjały.

Rys. 1 Schemat obwodu porażeniowego przy dotknięciu przez człowiek przewodu jednej fazy w sieci z uziemionym punktem neutralnym (np. 230/400 V)

R_c - rezystancja ciała ludzkiego, U_r, I_r - napięcie i prąd rażenia.

Skutki działania prądu na organizm człowieka można rozpatrywać jako fizyczne (np. cieplne), chemiczne (np. zmiany elektrolityczne) lub biologiczne (np. zaburzenia czynności).

Prąd stały działa na człowieka inaczej niż prąd zmienny. Jedną z różnic jest działanie prądu na obdarzone ładunkiem elektrycznym cząsteczki będące składnikami komórek. Pod wpływem doprowadzonego napięcia cząsteczki te przemieszczają się, co prowadzi do zmian stężenia jonów w komórkach i przestrzeniach międzykomórkowych. Im dłuższy jest czas przepływu prądu w tym samym kierunku, tym większych przemieszczeń jonów należy oczekiwać. Od właściwych stężeń jonów zależy czynność wielu komórek, między innymi komórek mięśni i komórek nerwowych, dlatego też, zmieniające się stężenia jonów w wyniku przepływu prądu prowadzą do zaburzenia czynności tych komórek. Prądy przemienne o dużej częstotliwości nie wywołują zaburzeń przewodnictwa w nerwach, skurczów mięśni i zaburzeń w czynnościach mięśnia sercowego, mogą jednak doprowadzić do poważnych uszkodzeń wskutek wytwarzania ciepła na drodze przepływu przez ciało. Prądy o bardzo wielkich częstotliwościach (rzędu kilku tysiąc Hz) mają stosunkowo małą zdolność przenikania w głąb tkanek. Im częstotliwości są większe, tym działanie prądu jest bardziej powierzchniowe.

Przy wyższych częstotliwościach zakres natężeń bezpośrednio śmiertelnych przesuwa się w stronę wyższych wartości prądu i tak np. przy 5000 Hz dopiero natężenie 1 A jest śmiertelne. To samo zjawisko występuje przy częstotliwościach niższych, do 10 Hz, zaś przepływ prądu stałego powoduje śmierć dopiero przy natężeniu około 1,2 A.

Droga przepływu prądu przez ciało ludzkie ma istotny wpływ na skutki rażeń, przy czym największe znaczenie ma to, jaka część prądu przepływa przez serce i przez układ oddechowy.

Według niektórych danych, przy przepływie prądu na drodze:

- ręka - ręka - przez serce przepływa 3,3% prądu ogólnego,

- lewa ręka - nogi - przez serce przepływa 3,7% prądu ogólnego,

- prawa ręka - nogi - przez serce przepływa 6,7% prądu ogólnego,

- noga - noga - przez serce przepływa 0,4% prądu ogólnego.

Ciało ludzkie składa się z różnych tkanek, które stanowią większą lub mniejszą rezystancję dla przepływającego przez nie prądu. Ponieważ naskórek w porównaniu z innymi tkankami posiada rezystancję o wiele większą, możemy ciało ludzkie uważać za zestaw dwóch elementów. Są to: rezystancja skóry i rezystancja wewnętrzna ciała. Rezystancja skóry nie ma jednak stałej wartości, lecz zmienia się w zależności od: stanu skóry, wielkości elektrod stykających się ze skórą oraz ich nacisku, natężenia i czasu trwania przepływu prądu oraz wartości doprowadzonego napięcia. Ponadto rezystancja skóry znacznie się zmniejsza wskutek zawilgocenia: czy to poprzez bezpośrednie zetknięcie się z wilgocią czy też wskutek wydzielania się potu. Rezystancja skóry jest tym mniejsza, im większa jej powierzchnia styka się z elektrodami wywołującymi przepływ prądu.

Pod wpływem odpowiednio wysokiego napięcia skóra ulega częściowemu lub całkowitemu przebiciu. Wyraźny wpływ tego zjawiska ujawnia się przy napięciu przekraczającym wartość 250 V. Jeśli wskutek podanych tu przyczyn rezystancja skóry zostanie wyeliminowana, to pozostanie tylko oporność wewnętrzna ciała. Przeprowadzone pomiary oporności wewnętrznej ciała dały wyniki w granicach około 1000 Ω przy napięciu 250 V, przy czym droga przepływu prądu nie miała istotnego znaczenia.

W praktyce najbardziej niebezpieczne dla człowieka są prądy przemienne o częstotliwości 50, 60 Hz, a więc częstotliwości przemysłowej.

Progowe wartości odczucia przepływu prądu przez elektrodę trzymaną w ręku wynoszą:

- dla mężczyzn:

prąd stały 5,0 mA

prąd przemienny (50 ÷ 60 Hz) 1,1 mA

- dla kobiet:

prąd stały 3,5 mA

prąd przemienny (50 ÷ 60 Hz) 0,7 mA

Prąd przemienny przepływając przez mięśnie, powoduje ich silne skurcze. Człowiek obejmujący ręką przewód doznaje skurczu mięśni zginających palce, co powoduje powstanie zjawiska zwanego „przymarzaniem” (nie udaje się oderwać ręki od przewodu). Wartości prądu „oderwania” (samouwolnienia) wynoszą:

- dla mężczyzn - ok. 16 mA,

- dla kobiet - ok. 10,5 mA.

Przyjęto wiec górną granicę prądu oderwania wynoszącą 10 ÷ 12 mA przy prądzie przemiennym 50 ÷ 60 Hz.

Objawy działania prądu przemiennego 50 ÷ 60 Hz na człowieka przy przepływie na drodze ręka-ręka lub ręka-noga

Wartość skuteczna prądu	Objawy
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	nie kontrolowane 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 rąk 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
powyżej 70	przy dłuższym działaniu prądu zwykle śmierć

Skutki przepływu prądu przez ciało zależą od wartości, drogi i czasu przepływu prądu oraz stanu zdrowia porażonego. Decydujący wpływ, gdy chodzi o niebezpieczeństwo porażenia, ma wartość prądu i czas przepływu.

Rys.2

Powyższy wykres (Rys. 2) przedstawia zależność pomiędzy wartością prądu rażeniowego a czasem przebywania w stanie porażenia. Skutki wywołane przepływem prądu o większej wartości ale w krótszym czasie są podobne do skutków wywołanych przepływem prądu rażeniowego o mniejszej wartości ale w dłuższym czasie. Krzywa obrazująca ową zależność maleje asymptotycznie do wartości I_g, poniżej której prąd w nieskończoność może przepływać przez organizm człowieka bez wywoływania w nim jakichkolwiek skutków negatywnych.

1.2. Działanie prądu elektrycznego na krążenie krwi i oddychanie

Przepływ krwi w naczyniach krwionośnych jest wywołany pracą serca. Mimo że przez serce przepływa niewielka część prądu rażenia, może ona spowodować śmiertelne skutki. Przy porażeniu prądem przemiennym o częstotliwości 50 ÷ 60 Hz najczęściej występuje

migotanie komór serca. Stan ten należy do najtrudniej odwracalnych. Istotnym czynnikiem decydującym o wystąpieniu migotania komór jest czas przepływu prądu, a w wypadku krótkotrwałych przepływów, moment, na jaki przypadł przepływ prądu. Jeśli przypada on na początek rozkurczów (przerwa w pracy serca), to prawdopodobieństwo wystąpienia migotania jest duże. Przy czasie przepływu krótszym niż 0,2 s, wystąpienie migotania komór jest rzadkie.

Podczas rażenia występują również zaburzenia oddychania. Przepływ prądu przez mózg może spowodować zahamowanie czynności ośrodka oddechowego sterującego czynnością oddychania, po krótkim czasie może nastąpić ustanie oddychania, krążenia krwi (z powodu braku tlenu) i śmierć.

Mówiliśmy, że przepływ prądu powoduje silne skurcze mięśni. Podczas przepływu prądu przez klatkę piersiową dochodzi więc do skurczu mięśni oddechowych i zaniku ruchów oddechowych, co w konsekwencji prowadzi do uduszenia.

1.3. Działanie prądu elektrycznego na układ nerwowy

Podczas przepływu prądu elektrycznego przez organizm ludzki następuje pobudzenie, a następnie porażenie układu nerwowego. Skutkiem tego jest utrata przytomności. Może być ona spowodowana:

- Zatrzymaniem krążenia wywołanym niedostateczną pracą serca, migotaniem komór lub zatrzymaniem serca.

- Przepływem prądu bezpośrednio przez czaszkę i mózg. Wytwarzanie się dużej ilości ciepła przy przepływie prądów o wysokim napięciu może w ciągu kilku sekund wywołać nieodwracalne uszkodzenie lub zniszczenie mózgu.

1.4. Uszkodzenie skóry, mięśni i kości

Przepływ prądu przez ciało powoduje wytwarzanie ciepła na drodze tego przepływu. Wzrost temperatury może prowadzić do nieodwracalnych uszkodzeń organizmu człowieka.

Najczęściej spotyka się uszkodzenia skóry. W miejscu „wejścia” prądu powstają oparzenia: od zaczerwienienia skóry, powstania pęcherzy oparzeniowych, po martwicę skóry, i zwęglenie. Produkty rozpadu oparzonych tkanek mogą spowodować śmierć porażonego nawet w kilka dni po wypadku.

Innym rodzajem uszkodzenia skóry są tzw. znamiona prądowe, które występują w czasie przepływu prądu, przy dobrej styczności z przewodnikiem.

Przepływ prądu elektrycznego może spowodować również uszkodzenia mięśni. W wyniku gwałtownych skurczów może nastąpić przerwanie włókien mięśnia, a więc mechaniczne zerwanie mięśnia. Mogą wystąpić również zmiany w strukturze włókien mięśniowych, a także uszkodzenia kości.

1.5 Działanie pośrednie prądu elektrycznego

Często spotyka się uszkodzenia ciała wywołane pośrednim działaniem prądu elektrycznego, gdy nie przepływa on przez ciało. Dzieje się to podczas powstania łuku elektrycznego, w wyniku zwarcia w urządzeniach elektrycznych.

Łuk elektryczny może spowodować mechaniczne uszkodzenia skóry, mające wygląd ran ciętych, kłutych lub postrzałowych. Towarzyszą temu często poważne oparzenia skóry powstałe w wyniku zapalenia się odzieży. Łuk elektryczny może wywołać również uszkodzenie cieplne i świetlne narządu wzroku.

Do urazów wywołanych pośrednio przez prąd należy zaliczyć także złamania i inne obrażenia wynikłe wskutek upadku z wysokości przy odruchowej reakcji na porażenie.

1.6 Pozytywne działanie prądu na organizm ludzki

Pomiędzy wszelkimi negatywnymi skutkami, jakie wywołuje prąd przepływając przez organizm człowieka znajdują się również takie jego właściwości, które wykorzystywane są w lecznictwie. Elektroterapia jest działem lecznictwa fizykalnego, w którym wykorzystuje się do celów leczniczych prąd stały oraz prądy impulsowe małej i średniej częstotliwości. Znalazło to szerokie zastosowanie w galwanoterapii, jontoforezie, elektroakustyce, kąpielach elektryczno-wodnych, elektrostymulacji, diatermii.

1.7. Materiały dodatkowe

Galwanoterapia (galwanizacja), rodzaj elektroterapii polegający na wykorzystaniu prądu stałego (o niskim napięciu ok. 50 V i małym natężeniu ok. 0,01 ÷ 0,5 mA/cm²), wytwarzanego przez specjalne aparaty przetwarzające prąd zmienny na prąd stały.

Na powierzchnię ciała prąd doprowadzany jest za pomocą odpowiednich metalowych elektrod o różnych wielkościach, w kształcie płytek, krążków lub wałków. Działanie prądu zależy od rodzaju przyłożonego bieguna, stąd elektroda, za której pomocą jest przenoszony prąd nazywa się elektrodą czynną, zaś zamykająca obwód - bierną. Zastosowanie w nerwobólach, w zaburzeniach krążenia obwodowego, w porażeniach wiotkich.

Jontoforeza, metoda lecznicza polegająca na wprowadzeniu cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym - jonów - do organizmu przez skórę lub śluzówkę za pomocą prądu stałego.

Ilość wprowadzonego leku jest proporcjonalna do napięcia prądu i czasu jego przepływu. Od strony anody wprowadzane są jony metali, alkaloidy, od strony katody aniony.

Najczęściej stosowanymi środkami są: histamina, butapirazol, jod, wapń. Stosowana w leczeniu schorzeń narządów ruchu, w uszkodzeniach nerwów, zaburzeniach ukrwienia.

Elektroakustyka, elektrofonia, dział akustyki zajmujący się przetwarzaniem drgań akustycznych na impulsy elektryczne i odwrotnie, ich wzmacnianiem, korygowaniem i zapisem, za pomocą urządzeń elektrycznych i elektronicznych (adapterów, mikrofonów, głośników, wzmacniaczy, korektorów, magnetofonów itp.).

Elektrostymulacja,

1) metoda stosowania prądu elektrycznego jako bodźca w doświadczeniach fizjologicznych, badaniach klinicznych (badanie pobudliwości mięśni i nerwów) oraz w celach leczniczych (fizykoterapia),

2) zabieg elektroleczniczy (elektroterapia), w którym wykorzystuje się prąd impulsowy. Najczęściej wykonuje się elektrostymulację nerwów i mięśni.

Diatermia, leczenie prądem elektrycznym szybkozmiennym o wysokim napięciu, który zmieniając swą energię na ciepło, rozgrzewa ośrodek (staw, mięśnie itd.) przez który przepływa.

Migotanie komór serca,

Są to chaotyczne, niejednoczasowe, bardzo częste (340-600/min.) skurcze włókien lub pęczków włókien mięśnia serca, nie wywołujące skurczu komór jako całości, nie dające skutku hemodynamicznego - krew nie jest wyrzucana z serca do dużych naczyń.

Przyczyny: zaburzenia pobudliwości mięśnia serca, sprzyja im niedotlenienie, hiperkapnia, kwasica metaboliczna.

Migotanie komór serca jest statystycznie najczęstszą przyczyną zatrzymania krążenia. Występuje często przy zawale mięśnia sercowego i porażeniu elektrycznym.

Częstoskurcz komorowy (150-240/min.) i trzepotanie komór (240-340/min.) mogą być zapowiedzią migotania komór serca. Postępowanie: doraźne - masaż serca, definitywne - defibrylacja elektryczna, ewentualnie farmakologiczna.

1.8. Literatura

1. Bolkowski Stanisław; „Elektrotechnika”; Warszawa, WSiP 1995;

2. Praca zbiorowa, „Poradnik elektryka”; Warszawa, WSiP 1995;

3. Rączkowski Bogdan, „BHP w praktyce”; Gdańsk, ODiDK 1997;

4. Siwik Adam, Adamczyk Krzysztof, Ptasiński Leszek, „Laboratorium elektroenergetyki przemysłowej”; Kraków, Wydawnictwa AGH 1997;

3

czas przepływu prądu rażenia

wartość prądu rażenia

t₁

t₂

t₃

I₃

I₂

I₁

t₁ < t₂ < t₃

I₁ > I₂ > I₃

I_g

---