Что такое сопротивление человека

При попадании человека под электрическое напряжение, через его тело начинает течь электрический ток, и величина этого тока зависит не только от величины приложенного напряжения, но и от сопротивления тела человека. Между тем, сопротивление тела человека — величина отнюдь не постоянная, ее значение зависит от многих факторов: от состояния человека на момент контакта (психического и физического), от параметров замкнутой цепи, от внешних условий среды, в которой человек на момент удара находится.

Человеческая кожа имеет сложную структуру. Ее наружный слой — эпидермис — включает в себя несколько структурных частей: наружный роговой слой, который не содержит ни нервов, ни кровеносных сосудов, от того и обладает наибольшим сопротивлением, и другие слои, сопротивление которых значительно меньше рогового слоя. Дальше идет дерма — внутренний слой, сопротивление которого также сильно меньше, а значит именно сопротивление рогового слоя имеет решающее значение в полном сопротивлении кожи.

На сопротивление кожи влияет ее состояние. Если кожа сухая и чистая, не имеет повреждений, то ее сопротивление лежит в пределах от 10 до 100 кОм. Если же на коже есть порезы, царапины, микротравмы, они способны сильно снизить сопротивление тела человека до сопротивления лишь внутренних тканей. Очевидно, наличие на коже вышеназванных повреждений делает поражение электрическим током более опасным. Загрязненная и влажная кожа также имеет сопротивление более низкое.

Общее сопротивление человеческого тела, попавшего под напряжение, можно представить состоящим из трех сопротивлений, включенных последовательно: два слоя эпидермиса и одно — сопротивление дермы и внутренних тканей. Таким образом, внутренние ткани служат вместе с приложенными электродами как бы обкладками конденсатора, а эпидермис — диэлектриком.

В результате, если снаружи к телу приложены электроды, то получается цепь из активного сопротивления внутренних тканей и почти емкостного сопротивления эпидермиса. То есть можно сказать, что речь идет о диэлектрической проницаемости от 100 до 200, и об удельном сопротивлении от 10 до 100 кОм/м в цепи, состоящей из конденсатора и резистора.

Внутренние ткани имеют сопротивление активное Rв с небольшой емкостной составляющей, которая почти не зависит ни от площади электродов, ни от частоты, и находится в пределах от 500 до 700 Ом.

Но оно зависит от протяженности и поперечного сечения участков тела, и от удельного сопротивления внутренних органов. То есть в эквивалентном виде общее сопротивление Zт тела человека можно представить так:

При малом сопротивлении тела человека емкостная составляющая утрачивает значение:

Итак, электрическое сопротивление тела человека зависит от следующих пяти факторов:

От общего психологического и физиологического состояния (индивидуальные особенности);

От пола — от толщины кожи (у мужчин сопротивление выше, чем у женщин);

От возраста — от грубости кожи (у взрослых сопротивление выше, чем у детей);

От внешних условий (температура, давление, влажность, плотность);

От общего состояния кожи (раны, грязь, увлажненность и т. д.);

Легко видеть, что электрическое сопротивление человеческого тела не постоянно и не линейно, однако для расчетов его принимают равным 1 кОм. Тем не менее, сопротивление тела человека зависит и от приложенного напряжения, поскольку в момент поражения током может оказаться, что цепь включает в себя еще и поверхность пола, грунт, обувь, одежду и т. д. Ток тогда будет определять не только сопротивление собственно тела человека, но и схема его включения в цепь.

Двухфазное прикосновение

При двухфазном прикосновении человек стоит на изолированном основании, касаясь одновременно двух фаз трехфазной сети, либо двух проводников однофазной сети переменного или постоянного тока. В этом случае ток потечет через руки и через жизненно важные органы, что весьма опасно, и еще опаснее, если замыкание происходит по пути рука — голова. При таком прикосновении человек может попасть либо под линейное межфазное напряжение, либо под полное рабочее напряжение электроустановки.

Если человек прикоснулся открытыми частями тела, то сопротивление определяется сопротивлением тела, сопротивлением кожи, если же произошло соприкосновение с полюсами через одежду, то в схему добавляется последовательно сопротивление одежды.

Можно сравнить эти два варианта. Сопротивление сухой одежды — от 10 до 15 кОм, а для влажной — от 0,5 до 1,5 кОм. Очевидно, сопротивление одежды так или иначе ограничивает ток через тело человека, хотя и падает в 10 — 30 раз в случае если одежда влажная.

Однофазное или однополюсное прикосновение

Человек стоит на земле, и только одной частью тела прикоснулся к электроустановке под напряжением, причем потенциал электроустановки отличается от потенциала земли или другой опорной поверхности. В этом случае человек попадает под напряжение относительно земли, и ток через тело будет током замыкания на землю.

Путь тока по петле голова — ноги или рука — ноги, при том через жизненно важные органы. В цепь окажутся включены сопротивления: тела, одежды, обуви, опоры. Сопротивления обуви и опоры включены между собой параллельно.

В зависимости от материала подошвы, от того влажная ли она или сухая, сопротивление обуви будет разным. Немаловажную роль играет и материал пола (опорной поверхности):

Влажная кожаная подошва обладает сопротивлением 500 Ом, сухая — 100 кОм;

Влажная резиновая подошва — 1,5 кОм, сухая резиновая подошва — 500 кОм;

Металлический пол — от 0 (сухой) до 10 Ом (влажный);

Земля сухая — 20 кОм, влажная — 800 Ом;

Бетон сухой — 2 МОм, влажный бетон — 900 Ом;

Линолеум сухой — 1,5 МОм, линолеум влажный — 50 кОм;

Камень сухой — 8,5 кОм, камень влажный — 5 кОм;

Снег или лед — от 300 Ом до 2 МОм;

Песок сухой — 8 кОм, песок влажный — 1,6 кОм;

Чернозем сухой — 160 Ом, влажный чернозем — 50 Ом.

Как видно, сопротивления опоры и обуви играют важную роль, и часто во много раз превосходят сопротивление тела человека, особенно в сухом состоянии, что может порой спасти жизнь.

При прикосновении к корпусу установки, который по какой-то причине оказался под напряжением, если заземления нет, то весь ток пойдет через тело. Если заземление присутствует, то основная часть тока пойдет через землю, а через тело — лишь малая часть, это представляет меньшую опасность для жизни.

Шаговое напряжение

Источник

Электрическое сопротивление тела человека

Проводимость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В результате сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и состояния окружающей среды. Большинство тканей тела человека содержит значительное количество воды (до 65% по весу). Поэтому живую ткань можно рассматривать как электролит, т. е. раствор, разлагающийся химически при прохождении по нему тока, и, таким образом, считать, что она обладает ионной проводимостью.

Рис. 1. Структура сопротивления тела человека

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

В целом сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений: двух сопротивлений наружного слоя кожи z_н, которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека, и внутреннего сопротивления телаR_в, которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела.

Сопротивление наружного слоя кожи z_н можно рассматривать, как два включенных параллельно сопротивления: активного и емкостного, как это представлено на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенная электрическая схема наружного слоя кожи

r_н – активное сопротивление наружного слоя кожи;

С – емкость, образующаяся между поверхностью контакта с проводящей частью электроустановки и внутренними тканями.

Активное сопротивление наружного слоя кожи r_н,Ом, зависит от удельного объемного сопротивления ρ_н, толщины эпидермиса d, иплощади электрода S:

, (1)

Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется как бы конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком – наружный слой кожи (эпидермис). Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода S, толщины эпидермиса d и диэлектрической проницаемости эпидермиса ε, которая в свою очередь зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. При токе 50 Гц значения ε находятся в пределах от 100 до 200. Емкость конденсатора, Ф:

, (2)

где: ε₀=8,8510 12 Ф/м—электрическая постоянная.

Как показывают опыты, С_нколеблется в пределах от нескольких сотен пикофарад до нескольких микрофарад.

Внутреннее сопротивление тела считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает емкостной составляющей. Внутреннее сопротивление R_в практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения.

Эквивалентная схема сопротивления тела человекадля рассмотренных условий показана на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема замещения сопротивления тела человека

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

Принимая значения емкости С в мкФ, частоты тока f в кГц и активного сопротивления кожи r_н в кОм можно записать выражение для полного сопротивления наружного слоя кожи в виде:

(4)

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

Известно, что с увеличением частоты тока сопротивление конденсатора уменьшается обратно пропорционально частоте:

(5)

(6)

Многие известные методики рекомендуют для измерения внутреннего сопротивления rв использовать токи высокой частоты. Считается, что при f ≈ 20 ∙ 10 3 Гц полное сопротивление наружного слоя кожи Zн становится близким к нулю, тогда:

rв = Zн, при f ≥ 20 ∙ 10 3 Гц (7)

Полная величина наружного сопротивления кожи Z_н на частоте f может быть определена по формуле (3) с учетом результата измерения общего сопротивления тела:

(8)

Глубину проникновения δ переменного магнитного поля в проводящую среду называют толщиной скин-слоя. Для промышленной частоты f = ω∕2π = 50Гц толщина скин-слоя в меди примерно равна 1см. При f = 5kГц она составляет 1мм, а при f = 50МГц становится микроскопически малой, δ = 10мкм.

С учетом сказанного, очевидно, что ранее используемые методики измерения внутреннего сопротивления на частотах более 10 кГц могут давать существенные искажения реальной величины сопротивления.

По известным значениям r_н и Z_н(f) используя формулу (4) можно оценить величину емкости С:

(9)

Непосредственное измерение r_н при постоянном токе связано с возникновением эффекта поляризации, что негативно сказывается на общей точности измерений.

Поэтому активную составляющую наружного сопротивления кожи r_н определяют, используя результаты измерения Z при токах низкой частоты.

В целях определения r_н: необходимо прогнозировать изменения величины полного сопротивления тела Z(f→0)

(10)

Указанный прогноз может быть выполнен различными методами.

Поскольку в электрической схеме сопротивления тела человека нет элементов, параметры которых могли бы вызвать скачкообразное изменение функции Z(f) при f →0, то можно применить метод экстраполяции результатов измерений величины Z(f) на низких частотах 20 – 200 Гц.

Для этого в линейном масштабе строится график зависимости Z(f) по полученным данным. Затем определяется вид зависимости Z = φ(f) для этого частотного диапазона. Если учесть, что процесс измерений неизбежно связан с определенными погрешностями, то сами результаты могут рассматриваться, как случайные величины, а общая тенденция наиболее точно отражается уравнением регрессии.

После выбора математической модели, описывающий изучаемый процесс Z = φ(f), определяют наиболее вероятные значения постоянных параметров при переменной f путем минимизации следующей целевой функции:

, для i = 1, n

где Z(f) и z_i(f) – соответственно теоретическое и фактически измеренное значение z на частоте f.

Для частного случая линейной зависимости Z(f) уравнения регрессии имеет вид:

где Z( 0) и b – искомые параметры.

Условием экстремума (в данном случае минимума) функции Q является обращение в нуль частных производных Q по Z( 0) и b.

Промежуточные результаты вычислений удобно заносить в табл.3.

По данным табл.3 составляем систему двух уравнений:

Решая систему относительно Z( 0) и b получим:

Однако, применение вычислительной техники существенно упрощает описанную выше процедуру определения Z(0) и параметров уравнения регрессии Z(f). В частности, можно воспользоваться стандартными программным обеспечением, например, электронными таблицами Excel входящими в пакет программ Microsoft Office.

Источник

Электрическое сопротивление человека

Электрическое сопротивление человека

Автор: Береснева Алина 10А

Оглавление

2. Основные физическое законы. 4

2.2. Расчет сопротивления проводника, удельное сопротивление. 6

2.3. Законы последовательного и параллельного соединения. 7

2.4. Проводники и диэлектрики. 10

2.4.1. Электрический ток в растворах солей. 12

2.4.2. Электрический конденсатор. 13

3. Электрическое сопротивление различных частей человека. 15

5. Список литературы. 23

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

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),

Из Закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

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

Расчет сопротивления проводника.

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·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 метр и площадью токоведущего сечения 1 м².
В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1×106 Ом·мм²/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 ρ (ро).
Сопротивление проводника с удельным сопротивлением ρ, 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:

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

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

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:

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 Δt подтекает заряд IΔt, а утекает от узла за то же время заряд I1Δt + I2Δt. Следовательно,

Записывая на основании закона Ома

где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим

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) :

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.

Конденса́тор (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

,

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

Источник