Сопротивление току человека: Электрическое сопротивление

Содержание

«В каких случаях снижается электрическое сопротивление тела человека?» — Яндекс Кью

Сопротивление тела человека

Тело человека
является проводником электрического
тока. Как уже говорилось, разные ткани
тела проводят ток по разному: наибольшее
сопротивление Эл. Току оказывает кожа
человека. Мышечная и жировая ткани,
спинной и головной мозг, а также кровь
имеют по сравнению с кожой весьма малое
сопротивление. То есть можно считать,
что сопротивление тела человека тока
определяется сопротивлением кожи
человека

Как вы помните,
что кожа состоит из двух основных слоев:
наружного — эпидермиса и внутреннего —
дермы.

Что представляет
собой электрическое сопротивление
тела человека
это сопротивление току, проходящему
по участку тела между двумя электродами,
приложенными к поверхности тела человека.
Состоит из двух одинаковых сопротивлений
наружного слоя тела, т.е эпидермиса и
одного внутреннего сопротивления тела,
которое включает в себя два сопротивления
внутреннего слоя кожи, т.е дермы и
сопротивления внутренних тканей тела
человека.

Наружное
сопротивление тела
состоит их двух наружных слоев кожи,
прилегающих к электродам: активного и
емкостного. Емкостное сопротивление
образуется в месте контакта электрода
с телом человека и образует своего рода
конденсатор.

Внутреннее
сопротивление тела человека
– сопротивление внутренних слоев кожи
и внутренних тканей тела – считается
активным, оно зависит от длины и
поперечного сечения участка тела и не
зависит от частоты тока.

Полное сопротивление
тела человека
складывается из трех последовательно
включенных сопротивлений: двух одинаковых
сопротивлений наружного слоя кожи и
внутреннего сопротивления тела человека,
которое включает в себя внутреннее
сопротивление руки, внутреннее
сопротивление корпуса и емкостное
сопротивление руки.

Теперь все выше
сказанное изобразим на рисунке:

В практике обычно
пренебрегают емкостью, которая, как
правило незначительная и считают
сопротивление тела человека чисто
активным и равным 1000 Ом.

От чего зависит
сопротивление тела человека?

основные

— от состояния
рогового слоя (порезы, царапины, ссадины,
микротравмы), т.е от целостности кожи

— увлажнения кожи
(при длительном увлажнении наружный
слой кожи разрыхляется, насыщается
влагой)

— потовыделения

-загрязнения кожи
различными веществами и в особенности
хорошо проводящими электрический ток
(металлическая или угольная пыль,
окалина).

дополнительные

— с увеличением
частоты тока сопротивление тела человека
падает, это объясняется тем, что в
сопротивление тела человека входит
электрическая емкость, сопротивление
которой уменьшается с увеличением
частоты.

— с увеличением
силы тока и времени его прохождения
сопротивление тела падает. Так как при
этом усиливается местный нагрев кожи,
а это приводит к расширению сосудов и,
следовательно, к усилению снабжения
этого участка кровью и к увеличению
потовыделения.

Случайное
прикосновение
к токоведущим частям, находящимся под
напряжением. Это может быть в результате:
ошибочных действий при производстве
работ вблизи или непосредственно на
частях, находящихся под напряжением;
неисправности защитных средств,
посредством которых пострадавший
прикасался к токоведущим частям и т. д.

Появления
напряжения на металлических конструктивных
частях Э/О(корпусах,
кожухах, ограждениях),
которые
нормально не находятся под напряжением.
Напряжение на этих частях может появиться
как результат: повреждения изоляции
токоведущих частей э/о(от естественного
старения изоляции, электрического
пробоя, в следствии механических
воздействий; падения провода, находящегося
под напряжением. На конструктивные
части электрооборудования

Появление
напряжения на отключённых токопроводящих
частях, на
которых производится работа. Это может
быть в результате: ошибочного включения
отключенной э/у под напряжение; разряд
молнии непосредственно на установку
или вблизи ее; наведения напряжения от
влияния соседних Э/У, находящихся в
работе; замыкание между отключенными
и находящимися под напряжением
токоведущими частями.

Возникновение
напряжения шага
на участке земли, где находится человек.
Это может возникнуть в результате:
замыкания фазы на землю, выноса потенциала
протяжённым токопроводящим предметом
(трубопроводом, железнодорожными
рельсами и т.п.) неисправностей в
устройствах рабочего или защитного
заземления, а также повторного заземления
нулевого защитного провода.

Наличие остаточного
заряда. Это
может быть результатом наличия элементов
цепи, которые могут накапливать энергию,
то есть при снятии напряжения на них
остается остаточный заряд

Основные меры
защиты от поражения эл.током.

— обеспечение
доступности токоведущих частей,
находящихся под напряжением, для
случайного прикосновения;

— контроль за
состоянием изоляции э/у

— защитное разделение
сети;

Устранение опасности
поражение током при появление напряжение
на корпусах, кожухах и др. нетоковедущих
частях э/о.Это опасность устраняется с
помощью защитного заземления, зануления,
защитного отключения, а также благодаря
применения малых напряжений

— применение
специальных защитных средств – переносных
приборов и приспособлений

— организации
безопасной эксплуатации э/у

Растекание тока
в земле

Напряжение
прикосновения

При замыкании
токоведущих частей электроустановок
на землю вблизи точки замыкания появляется
разность потенциалов м\у отдельными
точками поверхности почвы.

I_з
ток замыкания на землю

R_з—
сопротивление заземлителя

Обратимся к
рисунку 1

Экспериментально
установлено, что на расстоянии 1 м от
места стекания тока на землю потенциал
снижается на 68%, в конце 10 метра – на
92%, а на расстоянии 20 метров от места
замыкания на землю – практически равен
нулю

При этом плотность
тока равна δ = I_з/2πx²(А/м²)

х – расстояние от
заземлителя

По закону Ома в
дифференциальной форме (δ =σЕ, σ= 1/g)

δ =1/gЕ, где g –
удельное сопротивление Ом на м

Падение напряжение
на участке dх

dU=Еdх= gdх

Потенциал в точке
А определится (рисунок
2 и формула)

Потенциальная
кривая имеет форму гиперболы.

Если в электроустановке
прошел пробой изоляции на корпус,
присоединенной к заземлителю R_з,то все
установки и оборудование, имеющие связь
с этим корпусом, приобретают потенциал
относительно земли, равный потенциалу
заземлителя. φ_з=
I_зR_з
При прикосновении человека к корпусу
э/у он приобретает потенциал заземлителя.

Одновременно ноги
человека касаются точек почвы с другим
потенциалом

φ_н,,величина
которого зависит от расстояния этих
точек от заземлителя.

В результате м/у
рукой и ногами человека возникает
разность потенциалов. которая называется
напряжением
прикосновения
– Uпр= φ_з—
φ_н

Зависимость
напряжения прикосновения от расстояния

Рисунок 3

По мере удаления
от заземлителя напряжение прикосновения
увеличивается

При х больше 20
метров φ_нравно нулю,
напряжение прикосновение равно

φ_з=
I_зR_з

В
общем случае _з
Uпр=αI_зR_з,где

коэффициент
прикосновения, учитывающий форму
потенциальной кривой

φ_н
и падение напряжения в сопротивлении
растеканию тока по почве у ног человека,
в расчетах принимают равным 1

Напряжение шага.

Человек, идущий
по поверхности земли в зоне растекания
тока, оказывается под напряжением, даже
не касаясь каких-либо частей э/у. Это
происходит потому, что удаленные от
заземлителя точки почвы, которых
одновременно касаются ноги человека,
имеют разные потенциалы

х- расстояние от
заземлителя до одной ноги

а- шаг человека
(0,8м)

Рисунок 4

Разность потенциалов,
под которой оказываются ноги человека,
называется напряжением
шага.

При напряжении
шага равным 100В наступают судороги ног,
и он может упасть на землю, что приведет
к увеличению разности потенциалов,
поскольку ток пойдет по пути руки-ноги.

Поэтому при
обнаружении упавшего на землю провода
не разрешается приближаться к нему
ближе 6-7 м (в помещениях4-5 метров).

Защитные меры в
электроустановках

Недоступность
токоведущих частей для случайного
прикосновения достигается:

— изоляцией
токоведущих частей, основная функция
которой препятствовать прохождению
тока нежелательными путями;

— ограждение
токоведущих частей, которые бывают
сплошными и сетчатыми. Сплошные ограждения
обязательны для Э/У, размещаемых в
местах, где могут находиться люди, не
связанные с обслуживанием Э/У.

Сетчатые ограждения
применяются в Э/У, доступных лишь
квалифицированному персоналу;

— размещение
токоведущих частей на недоступной для
прикосновения высоте производится в
тех случаях, когда изоляция и ограждения
их оказываются невозможными или
нецелесообразными. Нецелесообразно их
и изолировать, т.к. изоляция проводов
быстро разрушается под атмосферным
воздействием. Для линий напряжение до
1000В минимальной высотой считается 6м,
7м для линий до 110кВ, 7,5 м для 150кВ и 8м для
линий более высокого напряжения. Внутри
производственных зданий неограждённые
голые токоведущие части – троллейные
провода, контактные сети должны
прокладываться на высоте не менее 3,5 м
от пола.

Контроль состояния
изоляции Э/У

Состояние изоляции
характеризуется её электрической
прочностью, диэлектрическими потерями
и электрическим сопротивлением.

Состояние изоляции
проверяется перед вводом в эксплуатацию
вновь смонтированной или вышедшей из
ремонта установки, а также после
длительного пребывание её в нерабочем
состоянии. Кроме того, периодически
проводится профилактический контроль
изоляции. Существует и непрерывный
(постоянный) контроль сопротивления
изоляции, который осуществляется в Э/У
до 1000В. В Э/У выше 1000В осуществляется
все виды испытания изоляции: повышенным
напряжением, определение диэлектрических
потерь, измерение сопротивления. В Э/У
до 1000В контроль состояния изоляции
ограничивается измерением её сопротивления
и испытанием изоляции некоторых элементов
повышенным напряжением.

Периодическое
измерение сопротивления изоляции
производится, как правило, на отключенной
установке с помощью омметра или мегомметра

Непрерывный
контроль сопротивления изоляции сети
с изолированной нейтралью можно
осуществить в простейшем случае с
помощью трёх вольтметров, включенных
между проводами и землёй. Если сопротивление
изоляции всех проводов одинаковы, то
показания всех трёх вольтметров будет
одинаково, и будет показывать фазное
напряжение. При снижении сопротивления
изоляции одного из проводов будет
снижаться показания вольтметра,
подключенному к этому проводу. Показания
двух других вольтметров будет возрастать.
В Э/У до 1000В контроль должен осуществляться
не реже 1 раза в 3 года.

Применение малого
напряжения

При производстве
работ с помощью ручных переносных
электроинструментов (дрели, рубанки и
т.д.), а также при пользовании ручной
переносной лампой человек имеет
длительный контакт с корпусом этого
электрооборудования. В результате для
него резко повышается опасность поражения
током в случае повреждения изоляции и
появления напряжения на корпусе, особенно
когда работа производится в помещении
с повышенной опасностью. Среди мер,
устраняющих эту опасность, наиболее
эффективной мерой является применение
для питания малого напряжения – не
более 42В. В особо опасных помещениях
при особо неблагоприятных условиях
работы применяется напряжение 12В. Такими
особо неблагоприятными условиями
являются: теснота, соприкосновение
работающего с большими металлическими
заземлениями, наличие сырости.

Часто как источники
малых напряжений применяются понижающие
трансформаторы. Слабое место этих
трансформаторов — возможность перехода
высшего напряжения первичной обмотки
на вторичную обмотку. В этом случае
прикосновение к токоведущим частям или
к незаземлённому корпусу, оказавшемуся
под напряжением, в сети малого напряжения
равноценно такому же прикосновению в
сети высшего напряжения. С целью
уменьшения опасности при переходе
первичного напряжения на сторону
вторичного малого напряжения корпус
трансформатора , а также один из выводов,
нейтраль или средняя точка вторичной
обмотки должны быть заземлены. Стр.
137 Кн.

Защитное разделение
сетей.

Разветвленная
сеть большой протяжённости имеет
значительную ёмкость и небольшое
сопротивление исправной изоляции. Ток
замыкания на землю в такой сети может
достичь большой величины. В сетях
напряжением до 1000В большой протяжённости
прикосновение к фазе становится опасным
, так как человек оказывается под
напряжением, близким к фазному.

Если единую, сильно
разветвлённую сеть с большой ёмкостью
и малым сопротивлением изоляции разделить
на ряд небольших сетей такого же
напряжения, которые будут обладать
незначительной ёмкостью и высоким
сопротивлением изоляции, опасность
поражения значительно снизится. Ток
через человека, прикоснувшегося к одной
из фаз, будет определяться высоким
сопротивлением фаз относительно земли

Ih
= 3U/
Rиз

И если в сети
напряжением 380В Rиз
> 63кОм, а сопротивление цепи человека
1кОм, ток через человека не превысит
10мА.

Поскольку основная
цель этой защиты – уменьшить величину
тока замыкания на землю за счёт высоких
сопротивлениё фаз относительно земли,
не допускается заземление нейтрали или
обратного провода за разделительным
трансформатором или преобразователем.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ. | JAMA

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ. | ДЖАМА | Сеть ДЖАМА

[Перейти к навигации]

Эта проблема

Скачать PDF
Полный текст
Поделиться
Твиттер
Фейсбук
Эл. адрес
LinkedIn
Процитировать это
Разрешения

Артикул

7 января 1888 г.

ДЖАМА. 1888;Х(1):18-19. дои: 10.1001/jama.1888.02400270034006

Полный текст

Эта статья доступна только в формате PDF. Загрузите PDF-файл, чтобы просмотреть статью, а также связанные с ней рисунки и таблицы.

Абстрактный

Общеизвестно, что тело оказывает значительное сопротивление прохождению электрического тока. И то, что это сопротивление существует у разных людей и даже у одного и того же человека в разное время, было давно доказано. Эта изменчивость, как известно, частично связана с использованием токов разной силы, электродов разного размера, с различиями во влажности или сухости кожи, с толщиной кожи, с расстоянием между электродами и т.д. и т. д. При сравнении резистентности у многих людей необходимо уделять большое внимание устранению этих различных источников ошибок.

Зарегистрировано очень мало наблюдений над людьми в патологическом состоянии, сделанных с точностью. Год назад Шарко обратил внимание на то, что электрическое сопротивление в организме постоянно снижается при болезни Грейвса и при некоторых сердечных заболеваниях, особенно при асистолии ( Gaz.

Предварительный просмотр первой страницы
Просмотреть большой

Полный текст

Добавить или изменить учреждение

Академическая медицина
Кислотно-основное, электролиты, жидкости
Аллергия и клиническая иммунология
Анестезиология
Антикоагулянты
Искусство и изображения в психиатрии
Кровотечение и переливание
Кардиология
Уход за тяжелобольным пациентом
Проблемы клинической электрокардиографии
Клиническая задача
Поддержка принятия клинических решений
Клинические последствия базовой нейронауки
Клиническая фармация и фармакология
Дополнительная и альтернативная медицина
Заявления о консенсусе
Коронавирус (COVID-19)
Медицина интенсивной терапии
Культурная компетентность
Стоматология
Дерматология
Диабет и эндокринология
Интерпретация диагностических тестов
Разнообразие, равенство и инклюзивность
Разработка лекарств
Электронные медицинские карты
Скорая помощь
Конец жизни
Гигиена окружающей среды
Этика
Пластическая хирургия лица
Гастроэнтерология и гепатология
Генетика и геномика
Геномика и точное здоровье
Гериатрия
Глобальное здравоохранение
Руководство по статистике и методам
Рекомендации
Заболевания волос
Модели медицинского обслуживания
Экономика здравоохранения, страхование, оплата
Качество медицинской помощи
Реформа здравоохранения
Медицинская безопасность
Медицинские работники
Различия в состоянии здоровья
Неравенства в отношении здоровья
Информатика здравоохранения
Политика здравоохранения
Гематология
История медицины
Гуманитарные науки
Гипертония
Изображения в неврологии
Наука внедрения
Инфекционные болезни
Инновации в оказании медицинской помощи
JAMA Инфографика
Право и медицина
Ведущее изменение
Меньше значит больше
ЛГБТК-медицина
Образ жизни
Медицинский код
Медицинские приборы и оборудование
Медицинское образование
Медицинское образование и обучение
Медицинские журналы и публикации
Меланома
Мобильное здравоохранение и телемедицина
Нарративная медицина
Нефрология
Неврология
Неврология и психиатрия
Примечательные примечания
Сестринское дело
Питание
Питание, Ожирение, Упражнение
Ожирение
Акушерство и гинекология
Гигиена труда
Онкология
Офтальмологические изображения
Офтальмология
Ортопедия
Отоларингология
Лекарство от боли
Патология и лабораторная медицина
Уход за больными
Информация для пациентов
Педиатрия
Повышение производительности
Показатели эффективности
Периоперационный уход и консультации
Фармакоэкономика
Фармакоэпидемиология
Фармакогенетика
Фармация и клиническая фармакология
Физическая медицина и реабилитация
Физиотерапия
Руководство врача
Поэзия
Здоровье населения
Профилактическая медицина
Профессиональное благополучие
Профессионализм
Психиатрия и поведенческое здоровье
Общественное здравоохранение
Легочная медицина
Радиология
Регулирующие органы
Исследования, методы, статистика
Реанимация
Ревматология
Управление рисками
Научные открытия и будущее медицины
Совместное принятие решений и общение
Медицина сна
Спортивная медицина
Трансплантация стволовых клеток
Наркомания и наркология
Хирургия
Хирургические инновации
Хирургический жемчуг
Обучаемый момент
Технологии и финансы
Искусство JAMA
Искусство и медицина
Рациональное клиническое обследование
Табак и электронные сигареты
Токсикология
Травмы и травмы
Приверженность лечению
УЗИ
Урология
Руководство пользователя по медицинской литературе
Вакцинация
Венозная тромбоэмболия
Здоровье ветеранов
Насилие
Женское здоровье
Рабочий процесс и процесс
Уход за ранами, инфекция, лечение

Сохранить настройки

Политика конфиденциальности | Условия использования

Опыты сопротивления человеческого тела постоянному току I

Примечание редактора —Доклад, на котором основана эта статья, был первоначально представлен на симпозиуме IEEE Product Safety Engineering Society 2018, где он был признан лучшим симпозиумным докладом. Он перепечатан здесь с разрешения из материалов Международного симпозиума IEEE Product Safety Engineering Society 2018 по проектированию соответствия продукции. Авторское право IEEE, 2018.

Физиологические эффекты поражения электрическим током в основном вызываются током [1], поэтому ограничения тока часто указываются в стандартах безопасности для защиты человеческого тела от опасности поражения электрическим током [2]. Однако для определенных стандартов или приложений часто предпочтительны пределы напряжения. В таких случаях импеданс человеческого тела можно использовать для оценки предела напряжения на основе безопасных пределов тока. Кроме того, импеданс человеческого тела можно использовать для построения моделей электрических цепей, представляющих пути проводимости через тело человека, для оценки токов прикосновения. Например, как указано в UL 101 [2], импеданс человеческого тела моделируется сопротивлением 1500 Ом, подключенным параллельно с конденсатором 0,22 мкФ, включенным последовательно с другим резистором 500 Ом. Такая измерительная схема используется для оценки тока прикосновения ударных воздействий на уровне восприятия для синусоидального переменного тока частотой 60 Гц.

Применения постоянного тока, особенно при опасном напряжении, становятся все более распространенными из-за более широкого использования возобновляемых источников энергии (таких как фотогальваника), систем накопления энергии и т. д. Поэтому полезно изучить сопротивление человеческого тела при постоянном токе, чтобы лучше понять его влияние на физиологические эффекты поражения электрическим током для приложений постоянного тока. В стандарте IEC 60479-1 [3] указано сопротивление человеческого тела для сопротивления человеческого тела постоянному току в диапазоне от 25 В до 1000 В. Однако значения сопротивления постоянному току, включенные в [3], основаны на экспериментальных данных, проведенных только при 25 В, а остальные значений, математически экстраполированных на основе сопротивления тела человека переменному току. Это делает предположение, что импеданс тела масштабируется одинаково с постоянным током, как и с переменным током, что может быть, а может и не быть. Кроме того, сопротивление тела постоянному току, приведенное в [3], относится только к сухим условиям. Насколько известно авторам, в настоящее время отсутствуют данные о стойкости организма человека к постоянному току во влажных условиях, основанные непосредственно на экспериментальных наблюдениях. Предполагается, что для влажных условий значения сопротивления тела постоянному току, указанные в стандарте IEC [3], идентичны сопротивлению тела переменному току во влажных условиях при каждом напряжении. Опять же, это делает предположения, которые не имеют твердого подтверждения экспериментальными данными.

По мере того, как постоянное напряжение при опасном напряжении и потенциальное воздействие таких опасностей на человека становится все более распространенным явлением, крайне важно иметь исчерпывающие данные об импедансе человеческого тела при постоянном токе. Такой набор данных потребует измерения многих людей, чтобы иметь какую-либо статистическую значимость (например, 50 или более). Конечной целью авторов является разработка типичных значений импеданса тела при постоянном токе на основе экспериментальных данных, аналогичных тем, которые в настоящее время доступны для переменного тока.

Однако пока неясно, какой уровень влияния будут иметь различные параметры измерения, а также на сегодняшний день неясно, насколько воспроизводимым будет какое-либо данное измерение для конкретного человека. Авторы пришли к выводу, что поэтому было преждевременно продвигать крупномасштабную экспериментальную программу с участием значительного числа людей-добровольцев, прежде чем будет установлено лучшее понимание согласованности измерений для любого конкретного человека. Например, было неясно, достижимы ли воспроизводимые значения при измерении одного и того же человека в разное время в одних и тех же условиях испытаний. Насколько известно авторам, никакая предыдущая работа не оценивала это. Кроме того, не было обнаружено никаких опубликованных данных о влиянии контактного материала на измерение импеданса человеческого тела, которое, как предполагается, оказывает влияние на измеренное импеданс тела и может лучше объяснить взаимосвязь между измеренным импедансом тела и приложенным напряжением. (В [3] сообщалось, что сопротивление тела уменьшается линейно по мере увеличения приложенного напряжения.) Рассмотрев эти неизвестные эффекты измерения сопротивления тела постоянному току, авторы сделали первый шаг к более глубокому пониманию этих факторов; результаты которого сообщаются здесь. Поэтому крупномасштабная программа испытаний была отложена и стала вторым этапом нашей работы.

Первоначальная работа, о которой сообщается здесь, изучала влияние трех тестовых переменных (материал контакта, влажные или сухие условия и время суток) на трех испытуемых. Медные и алюминиевые контактные материалы использовались для лучшего понимания потенциального влияния на измеряемый импеданс тела и для проверки гипотезы о том, что нелинейное поведение, наблюдаемое в поведении импеданса тела, аналогично тому, что наблюдается в контактах металл-полупроводник. [6] Влажные и сухие условия использовались для оценки влияния на измеряемый импеданс тела, а также для определения относительной повторяемости измерений в каждом состоянии. В целях безопасности эта работа ограничила область исследования напряжениями 60 В и ниже.0003

Рисунок 1: Схема измерения воспринимаемого тока прикосновения

Обзор порогового значения напряжения постоянного тока

Существует четыре различных физиологических эффекта поражения электрическим током как при постоянном, так и при переменном токе: восприятие, невозможность отпустить, фибрилляция желудочков и ожог. Согласно экспериментам, проведенным Далзилом в 1940-х годах [1], порог поражения электрическим током при постоянном токе выше, чем при переменном токе. Другими словами, человеческое тело менее уязвимо для поражения электрическим током при постоянном токе по сравнению с сигналами переменного тока с частотой 50/60 Гц аналогичной величины. Что касается предела напряжения, предел постоянного тока составляет 60 В в сухих условиях и 30 В во влажных условиях, как указано в UL 1310 [4], предназначенный для защиты от невозможности ударных воздействий отпускания. Этот предел был выбран с намерением защитить 95% населения, включая детей. Обратите внимание, что этот предел определяется на основе пути от руки к обеим ногам: для других путей тока допустимый предел напряжения может быть другим. Для сбора более широкого диапазона экспериментальных данных предел напряжения был установлен на уровне 60 В вместо 30 В как для сухих, так и для влажных условий в этой работе, хотя 60 В — это предел невозможности отпускания только в сухих условиях. . Однако отмечается, что эти ограничения были установлены с учетом детей, и в этой работе испытуемыми были только взрослые (и, следовательно, они могут выдерживать более высокие напряжения). В целях безопасности и комфорта испытуемых каждый испытуемый мог разорвать цепь в любое время во время теста, подняв руку от электрода (рис. 2), если ощущение восприятия становилось слишком неудобным. Ток был ограничен до уровня ниже 20 мА как за счет настройки ограничения тока на источнике питания, так и за счет включения быстродействующего предохранителя на 20 мА, включенного последовательно с источником тока для испытуемого.

Рисунок 2. Фотография экспериментальной установки с объектом

Оборудование и экспериментальная установка

Прецизионная модель BK 9183B использовалась для подачи постоянного тока для испытаний. Во время теста выходное напряжение источника питания контролировалось портативным компьютером. Модель Dewetron DEWE-50-USB2-8 использовалась для сбора данных, включая выходное напряжение и ток от источника питания постоянного тока. Соединения тока и напряжения с металлическими пластинами были физически разделены, чтобы свести к минимуму влияние контактного сопротивления. Сопротивление тела рассчитывали по показаниям напряжения и силы тока по закону Ома.

На рис. 2 показана экспериментальная установка, показанная с субъектом в положении во время тестирования. Испытуемый стоял на металлической пластине, на которой чередовались медь и алюминий. Испытуемых просили встать на плиту босиком. Каждый испытуемый клал правую руку на металлическую пластину из того же материала, что и пластина у ног. Перед каждым сеансом тестирования руки протирали спиртовой салфеткой, чтобы удалить поверхностные масла и грязь, а также высушить руки. Не было предпринято никаких усилий, чтобы очистить или высушить ноги. Размер металлической пластины для ручного контакта составлял 100 мм на 100 мм. Этот размер определяется стандартом IEC 60479 как «большая площадь контакта».-1 [2]. В соответствии с этим стандартом ожидается, что большая площадь контакта приведет к наименьшему сопротивлению телу, что считается «наихудшим случаем» по сравнению с аналогичными «средними» и «малыми» площадями контакта. В этой работе предполагается большая площадь контакта или «наихудший случай», поскольку условия наихудшего случая представляют наибольший интерес для приложений, связанных с безопасностью.

Известно, что на сопротивляемость организма человека влияет уровень влажности поверхности кожи [3]. В этой работе поверхность рук тестировалась в двух условиях: сухая и имитирующая мокрая вода от пота. Концентрация натрия в поте находится в пределах от 6 до 85 мэкв. на л [5], что эквивалентно 13,8 мг/дл до 195,5 мг/дл. Для этой работы выбрана концентрация натрия на верхнем конце этого диапазона, так как это приведет к наименьшему сопротивлению и, следовательно, к «наихудшей» опасности для электробезопасности. Тест проводился при солености 80 мэкв на л воды, что приблизительно соответствует 95-му процентилю максимальной концентрации натрия 85 мэкв. Это соответствует 1,85 г NaCl на литр воды. Человеческий пот также содержит калий и другие соли, но эти концентрации значительно ниже по сравнению с концентрацией натрия [5]; поэтому эффекты, связанные с калием, в этом исследовании игнорировались.

Как показано на рисунке 2, на тыльную сторону кисти накладывали два мешка, каждый из которых содержал по 0,5 кг металлической дроби. Испытуемых проинструктировали расслабить руку с тем намерением, чтобы давление оказывалось только за счет веса мешков. Это была попытка контролировать переменное давление на металлические пластины, которое могло повлиять на контактное сопротивление тела.

Результаты

Напряжение питания подавалось линейно от 0 В до 60 В с линейным изменением со скоростью 1 В/с. Ток был ограничен до 20 мА, и когда либо ток, либо напряжение достигали предела, источник питания переключался на источник постоянного тока при 20 мА. Каждый тест продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто 60 В или испытуемый не уберет руку с планшета из-за дискомфорта. На рисунке 3 показан пример измеренного напряжения и тока в сухих условиях для одного субъекта. В этом случае приложенное постоянное напряжение достигло 60 В, а затем снова снизилось до 0 В, при этом наблюдалось, что ток составляет около 12 мА при приложенном напряжении 60 В. На рисунке 3 показано, как x — это временной шаг, который представляет собой выборку измерений, сделанных в течение 60-секундного теста.

Рисунок 3: Пример измеренного выходного сигнала и тока в сухих условиях для одного субъекта

	Тест 1	Тест 2	Тест 3	Тест 4
Рука	Сухой	Сухой 904:00	Влажный	Влажный
Материал электрода	Медь	Алюминий	Алюминий	Медь

Таблица 1: Условия испытаний

Были измерены четыре комбинации условий испытаний: В таблице 1 показаны условия, которые использовались для каждого испытания. Для каждого условия теста и добровольца тест повторялся 20 раз в течение нескольких недель. На рисунке 4 показаны результаты измерения тока для каждого из четырех тестов и трех добровольцев при приложенном напряжении 25 В. Верхний край внешнего прямоугольника светло-голубого цвета представляет первый квартиль (Q1), а нижний край представляет собой третий квартиль (Q3). Таким образом, эта внешняя часть графика представляет межквартильный диапазон (IQR) или средние 50 % наблюдений. Внутренняя коробка представляет 95% доверительный интервал. Вертикальные линии представляют собой верхние и нижние усы, которые расширяются наружу, чтобы указать самые низкие и самые высокие значения в наборе данных (исключая выбросы). Горизонтальная линия в рамке представляет собой среднее значение; кружок с крестиком представляет среднее значение.

Рисунок 4: Ток (мА) при 25 В для трех добровольцев и четырех условий испытаний

Данные на рисунке 4 показывают, что вариабельность сопротивления тела во влажных условиях (испытания 3 и 4) была значительно меньше, чем в сухих условиях (испытания 1 и 2). Кроме того, сопротивление во влажном состоянии было ниже, чем в соответствующем сухом состоянии, что означает, что влажное состояние является худшим случаем (т. е. более опасным) с точки зрения безопасности. Поскольку при анализе безопасности, как правило, предпочтение отдается консерватизму, а также тому факту, что данные во влажных условиях показали меньшую изменчивость, результаты предполагают, что в будущем испытания импеданса тела будут проводиться только во влажных условиях.

На рисунке 5 показана диаграмма измеренного тока для обоих тестов 3 (алюминий) и 4 (медь, оба проводились с влажной кожей) при 5 В. Было замечено, что металлический электрод влияет на измеренный ток. Для всех испытуемых медь продемонстрировала более высокий измеренный ток при 5 В и 10 В, причем этот эффект уменьшался по мере увеличения напряжения. Отмечается, что это вряд ли связано с более высокой электропроводностью меди по сравнению с алюминием, поскольку четырехзондовая конфигурация, используемая для измерения сопротивления, включает в измерение только контакт металл-кожа и не включает объемное сопротивление металла. контакт. Кроме того, любой вклад общего сопротивления будет наблюдаться при всех напряжениях и не будет уменьшаться при увеличении напряжения.

Рисунок 5: Гистограмма измеренного тока для теста 3 и теста 4 (влажное состояние) при 5 В

Метод дисперсионного анализа (ANOVA) может облегчить определение значимости фактора для конкретного выходного параметра. В этом исследовании он использовался для определения статистической значимости металлического материала электрода для измерения сопротивления тела в зависимости от напряжения. На рисунке 6 показаны значения R , рассчитанные для влияния материала электрода на измеряемый ток: выше Значение R предполагает большее влияние на выходной параметр. Было обнаружено, что значение R высокое при низких напряжениях, а затем быстро падает при увеличении напряжения от 10 В до 20 В. Это говорит о том, что металлический электрод оказывает статистически значимое влияние на измеренный импеданс при напряжениях ниже 20 В. , что согласуется с наличием барьера Шоттки на границе металл-кожа. [6]

Рисунок 6: Значение R (в процентах), рассчитанное с помощью ANOVA во влажных условиях, с оценкой влияния материала электрода на каждого из трех добровольцев.

На рисунке 7 показано среднее значение сопротивления напряжению для теста 4 (влажное состояние, медный электрод). Было замечено, что сопротивление тела обычно уменьшалось по мере увеличения напряжения прикосновения. Также было обнаружено, что сопротивление тела имеет нелинейную зависимость от напряжения, наблюдения соответствуют стандарту IEC 60479-1. IEC 60479-1 отмечает это нелинейное поведение, а также упоминает дальнейшее увеличение по мере возникновения электрического пробоя кожи [3]. Природа этого нелинейного поведения не описана в IEC 60479.-1. Авторы предполагают, что эту нелинейность можно объяснить в контексте барьера Шоттки, где контакт кожи с металлической пластиной образует переход металл-полупроводник, что приводит к неомическому поведению тока и напряжения. Тогда разница в измеренном сопротивлении между алюминием и медью будет зависеть от работы выхода (которая для двух металлов составляет приблизительно 4,3 и 4,7 эВ соответственно) [6]. Обосновать или опровергнуть эту гипотезу помогли бы измерения с использованием дополнительных металлических поверхностей, например проведение измерений с использованием материалов с меньшей работой выхода (т. е. магний, 3,7 эВ) и с более высокой работой выхода (т. е. никель и платина, 5,2 и 5,7 эВ соответственно). ), оба потенциальных предмета будущей работы.

Рисунок 7: Среднее значение сопротивления в зависимости от напряжения для теста 4 (влажное состояние)

Коэффициент дисперсии (CV) представляет собой отношение стандартного отклонения к среднему значению, что полезно для сравнения степени вариации измеренного сопротивления для каждого отдельного добровольца. Поскольку установление повторяемости измерения импеданса тела для одного и того же человека было ключевой целью этой работы, CV помогает количественно оценить эту изменчивость. На рисунке 8 показан CV для всех трех добровольцев, использующих медные электроды во влажных условиях (тест 4), при сравнении относительной дисперсии данных среди добровольцев. Было замечено, что добровольец № 3 демонстрировал гораздо большую вариацию сопротивления тела по сравнению с двумя другими добровольцами (это также можно наблюдать на рисунке 4). У добровольца № 2 измеренное сопротивление тела было менее постоянным при более низких напряжениях, но при повышении напряжения выше 20 В CV сопротивления тела падает примерно до 10%, что согласуется с данными добровольца № 1.

Рисунок 8: Коэффициент дисперсии для трех добровольцев, использующих медь во влажных условиях

Для дальнейшего изучения большей вариации, наблюдаемой в результатах добровольца № 3, данные были разделены по времени суток (утро и день). Утром считаются измерения, проведенные в течение обычного рабочего дня до 12:00 по местному времени, а днем — измерения, завершенные после 12:00. На протяжении всей этой работы, как правило, каждый день проводились два измерения на каждом испытуемом: одно утром и одно днем. Эталон времени определялся как время, когда результаты теста были завершены и сохранены в компьютере. Рисунок 9показывает коэффициент дисперсии для утреннего (а) и дневного (б). Как и в случае, показанном на рисунке 8, на рисунке 9 также показаны данные с медными электродами и кожей во влажных условиях. Интересно отметить, что CV значительно различается для добровольца № 3 между утром и днем, тенденция, которая была постоянной для этого субъекта при всех приложенных напряжениях, использованных в этом исследовании. Для двух других добровольцев разница между утренним и дневным периодом оказалась менее значимой, особенно для добровольца № 1. Отмечено, что для тестов, проведенных утром, разброс данных для добровольца № 3 был фактически ниже, чем для добровольца № 3. для добровольца № 2 при напряжении менее 25 В. И утром, и днем CV уменьшается по мере увеличения напряжения. Точная природа статистически значимых различий утренних и дневных данных для добровольца № 3 в настоящее время неизвестна. Поскольку эта разница в поведении наблюдалась при 20 измерениях в течение нескольких недель, маловероятно, что проблемы были вызваны ошибкой измерения и, скорее, связаны с каким-то метаболическим или другим состоянием организма, затронутым в течение полудня (например, во время обеда). Другой, хотя и менее вероятной, возможностью является какое-то бессознательное изменение поведения добровольца № 3 между утром и днем, хотя было бы трудно постоянно влиять на такое изменение в течение 20 тестовых сеансов. Независимо от причины, здесь важна не столько конкретная причина, сколько общее влияние на сопротивляемость организма. Эти наблюдения предполагают, что будущие измерения, возможно, потребуется проводить как утром, так и днем, и соответствующее время измерения будет отмечено для каждого испытуемого для будущих исследований.

Рисунок 9: Коэффициент дисперсии при использовании медных электродов во влажных условиях (тест 4), (а) утром (б) днем

Заключение

Данные показали влияние материала контакта на измеренное сопротивление тела и могут быть связаны с образованием барьера Шоттки, подобно тому, что наблюдается в устройствах металл-полупроводник. Это могло бы объяснить природу неомического поведения, которое давно известно для импеданса человеческого тела, хотя для подтверждения этой гипотезы необходимы дальнейшие исследования. Результаты показывают, что необходимо сообщать состав контактных материалов, используемых для измерения импеданса тела, вместе с результатами, и что для обоих контактов следует использовать только один тип контактного материала.

Во влажных условиях результаты испытаний сопротивления кузова были более стабильными, чем в сухих условиях. Принимая это во внимание, а также тот факт, что сопротивление тела во влажных условиях ниже, чем в соответствующих сухих условиях, будущая работа будет сосредоточена на использовании только влажных условий. Это исследование также показало, что измеренное сопротивление может значительно различаться в разное время суток, а именно утром и днем, как было исследовано здесь. Также было замечено, что это изменение в зависимости от времени суток наблюдалось не у всех испытуемых и имело неизвестное происхождение. Независимо от причины, результаты показывают, что время суток является потенциальной переменной для импеданса тела, и его необходимо продолжать включать в будущие исследования, желательно получать данные в разное время суток для одного и того же добровольца. Когда этот эффект времени суток отделен от данных, наблюдается, что коэффициент дисперсии имеет тенденцию составлять около 10%, причем более высокие значения наблюдаются при более низких напряжениях.

Экспериментальная работа, описанная здесь, показывает, что сопротивление человеческого тела, измеренное для конкретного испытуемого в одних и тех же условиях, должно быть воспроизводимым во времени. Ожидается, что данные будут нормально распределены со стандартными отклонениями примерно в 10% от среднего значения для большинства испытуемых и условий, хотя для некоторых испытуемых возможна большая вариабельность (в частности, из-за изменений, связанных со временем суток, с пока неизвестным происхождения).

Эти результаты подтверждают, что данные, полученные от большей выборки добровольцев, скорее всего, будут репрезентативными для сопротивления тела каждому человеку в пределах предсказуемого уровня неопределенности, даже если на добровольце был проведен только один сеанс измерения. Тем не менее, измерения, проведенные несколько раз на дополнительных добровольцах, были бы полезны для лучшего понимания влияния тестовых переменных на отдельных людей. Это предполагает, что в будущей работе часть добровольцев попросят вернуться для повторных измерений в течение нескольких дней, в то время как большую группу можно будет попросить принять участие только в одной или двух тестовых сессиях (предпочтительно в двух, одна из которых проводится утром, а второй в тот же день). Для дальнейшего изучения природы неомического контактного поведения трем первоначальным испытуемым будет предложено повторить тестирование с использованием дополнительных контактных материалов. Также могут быть запрошены дополнительные испытуемые для проведения тестов с использованием нескольких контактных материалов. Предполагается, что для всех испытаний будут использоваться только влажные условия, поскольку измеренные течения были выше, а изменчивость данных ниже. Ожидается, что испытания будут продолжены с использованием того же пути тока тела (от правой руки к обеим ногам), хотя было бы полезно провести дополнительные исследования с другими путями тока тела.

Каталожные номера

1. К.Ф. Далзил, Э. Огден и К. Эбботт, «Влияние частоты на токи отпускания», Труды Американского института инженеров-электриков,
  , том. 62 1943.
2. UL 101, «Ток утечки для приборов», Underwriters Laboratories Inc.
3. IEC Технический комитет 64, рабочая группа 4, «Воздействие тока на людей и домашний скот –
  , часть 1: общие аспекты», IEC 60479-1.
4. UL 1310, «Энергоблок класса II», Underwriters Laboratories LLC.
5. И. Шварц и др., «Экскреция натрия и калия в человеческом поте», Осеннее собрание Американского физиологического общества, стр. 114-119, Мэдисон, Висконсин.
6. Р. Стейм, Ф. Рене Коглер и Кристоф Дж. Брабек, «Интерфейсные материалы для органических солнечных элементов»,
  J. Mater. хим., 2010, 20, 2499-2512.
7. Р. Т. Тунг, (2014). «Физика и химия высоты барьера Шоттки», Applied Physics Reviews , 1 (1).

Хай Цзян получил докторскую степень. и магистр электротехники Дейтонского университета (Огайо). В настоящее время он является старшим инженером-исследователем и глобальным экспертом по поражению электрическим током и току утечки в Underwriters Laboratories (UL). Цзян является старшим членом Общества IEEE и профессиональным инженером в США. Он также является основным назначенным инженером (инженером стандарта UL) по току утечки UL101 для устройств. С Цзяном можно связаться по адресу [email protected].

Пол В. Бразис-младший . является менеджером по исследованиям и почетным членом технического персонала отдела корпоративных исследований UL в UL LLC (Нортбрук, Иллинойс, США). Он имеет опыт работы в области электрических и тепловых характеристик, электронных материалов и физики устройств, получив степень бакалавра, магистра и доктора наук в области электротехники в 1995, 1997 и 2000 годах соответственно в Северо-Западном университете (Эванстон, Иллинойс, США).

Сопротивление току человека: Электрическое сопротивление — урок. Физика, 8 класс.