Электроника:Постоянный ток/Правила электробезопасности/Закон Ома (снова!)

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Максим Кузьмин (Cubewriter) Контакты:</br>* Skype: cubewriter</br>* E-mail: cubewriter@gmail.com</br>* Максим Кузьмин на freelance.ru
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Правила электробезопасности[1]

Одна из самых распространённых фраз, которую я слышу в отношении электрической безопасности, звучит как «убивает не напряжение, а сила тока!» И хотя в этом есть доля правды, об опасности электрического удара стоит судить не только по поговоркам. Если бы высокое напряжение было неопасно, никто бы никогда не писал на предупреждающих знаках: «ОСТОРОЖНО! ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!»

Принцип «убивает сила тока» по своей сути верен. Именно электрический ток вызывает ожоги тканей, заставляет мышцы судорожно дёргаться и ввергает сердце в состояние фибрилляции. Но электрический ток не появляется сам по себе: чтобы заставить ток пройти по телу жертвы, также должно присутствовать напряжение. Кроме того, тело человека обладает некоторым сопротивлением, что тоже нельзя сбрасывать со счетов. Взяв закон Ома о напряжении, силе тока и сопротивлении и выразив через него силу тока, мы получим следующее:

8 ohms-law-equation.jpg

Сила тока, проходящего через человеческое тело, равна напряжению между двумя точками этого тела, поделённому на электрическое сопротивление этого тела между двумя этими точками. Разумеется, чем выше напряжение, мотивирующее ток пробежаться по телу, тем проще току будет преодолеть противостоящее ему сопротивление. Следовательно, опасность высокого напряжения в том, что благодаря ему сила тока может получиться достаточно высокой, чтобы нанести травму или даже привести к летальному исходу. И наоборот, если тело обладает высоким сопротивлением, по нему пройдёт меньше тока на каждую единицу имеющегося напряжения. То есть, опасность напряжения зависит от того, насколько велико в цепи сопротивление, мешающее току пройти по цепи.

Сопротивление человеческого тела – это не какая-то фиксированная величина. Она варьируется от времени к времени и от человека к человеку. Есть даже способ измерения человеческого жира, основанный на измерении электрического сопротивления между пальцами ног и рук человека. Разный процент жира даёт разное сопротивление – и это лишь одна из переменных, влияющих на электрическое сопротивление человеческого тела. Но чтобы этот метод сработал как надо, человеку необходимо в течение несколько часов до замера контролировать приём жидкости, что говорит о том, что процент воды в организме – это ещё один фактор, влияющий на электрическое сопротивление тела.

Сопротивление тела также зависит от того, через какие точки происходит контакт тела с электрической цепью: от руки к руке, от руки к ступне, от ступни к ступне, от руки ко лбу и т.д. Пот, богатый на соли и минералы, по меркам жидкости является отличным проводником электричества. То же самое касается и крови, богатой на содержание проводниковых химических веществ. Следовательно, если человек дотронется до провода потной ладонью или открытой раной, то электрическое сопротивление будет меньше, чем если бы он коснулся его чистой, сухой ладонью.

Я попробовал измерить электрическое сопротивление на себе с помощью омметра. Я взял левой рукой один щуп омметра, правой рукой – второй щуп, затем зажал их между пальцами, и прибор показал примерно 1 МОм. Когда я сжимал щупы покрепче, сопротивление становилось меньше, а когда начинал держать их более свободно, сопротивление усиливалось. Но я перед тестом сидел за компьютером, печатая слова, т.е. мои руки были сухими и чистыми. А вот если бы я работал в каком-то жарком, грязном промышленном месте, сопротивление моего тела было бы гораздо меньше, усиливая опасность электрического удара.

Какая сила тока опасна для человека?

Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов. Индивидуальный химический состав тела человека серьёзно влияет на то, как на него действует электричество. Некоторые люди очень восприимчивы к электричеству и испытывают непроизвольные мышечные сокращения даже от ударов статическим электричеством. От некоторых отлетают большие снопы искр от разрядов статического электричества, но они едва это чувствуют, в лучшем случае испытывая мышечный спазм. Впрочем, специалистами были проведены тесты, на основе которых были выработаны руководства, которые дают некоторое общее представление о том, какова минимальная сила тока для возникновения пагубных последствий от удара электрическим током (опять же, источник этих данных смотрите в конце раздела). Все цифры в этой таблице даны в миллиамперах (это 1/1000 ампера):

A table of the effects of electricity on the body.PNG

Аббревиатура «Гц» означает «герцы». Это единица измерения того, как быстро меняет направление переменный ток (её также называют частотой). То есть в столбце под названием «Переменный ток (60 Гц)» показаны данные по току, направление которого меняется с частотой в 60 циклов (1 цикл – это период времени, когда ток течёт сначала в одном, а потом в другом направлении) в секунду. А в последнем столбце «Переменный ток (100 кГц)» показаны данные по току, который меняет направление 100,000 раз каждую секунду.

Но учтите, что это примерные цифры, т.к. люди с разным химическим составом тела могут реагировать на одну и ту же силу тока по-разному. Предполагается, что при определённых условиях к груди человека достаточно приложить ток в 17 миллиампер переменного тока, чтобы вызвать у него фибрилляцию сердца. Большинство наших данных о фибрилляции получены от тестов на животных. Очевидно, тесты на принудительную брюшную фибрилляцию на людях выполнять нецелесообразно, поэтому имеющиеся данные стоит принимать с некоторой оговоркой. О, и если вы вдруг задались таким вопросом, то я не имею ни малейшего понятия, почему женщины более восприимчивы к электричеству, чем мужчины.

Давайте предположим, что я положил свои чистые, сухие руки на терминалы источника 60-герцного (c 60 циклами в секунду) переменного тока. Сколько понадобится напряжения для того, чтобы сгенерировать силу тока в 20 миллиампер (т.е. достаточного для того, чтобы человек не смог отпустить провод)? Мы можем рассчитать это с помощью закона Ома:

E = IR = 20 мА х 1 Мом = 20,000 вольт или 20 кВ

Таково напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать тетанус, но помните, что это с точки зрения электрической безопасности «идеальный» сценарий (чистая и сухая кожа). Для того чтобы вызвать боль, требуется гораздо меньше вольт. Также имейте в виду, что психологический эффект от вольтажа варьируется от человека к человеку, и наши расчёты – лишь приблизительные.

Затем я побрызгал на свои пальцы водой, чтобы симулировать пот, и в результате сопротивление межу правой и левой руками составило лишь 17,000 Ом (17 кОм). Но учтите, что в данном случае с металлическим проводом контактируют только по одному пальцу на каждой руке. Если при помощи этих новых цифр пересчитать вольтаж, необходимый для того, чтобы вызвать силу тока в 20 миллиампер, то получится следующее:

E = IR = 20 мА х 17 кОм = 340 вольт

Таким образом, в этой, более приближённой к реальности ситуации, оказывается, что для того, чтобы по мне прошёл ток (от одной руки к другой) в 20 миллиампер, необходимо всего 340 вольт. Но и это не предел – из-за дополнительных обстоятельств сопротивление (а вместе с ним и напряжение) может упасть ещё ниже и даже привести к летальному исходу. Например, в ситуации, если контакт с электрической цепью произойдёт через кольцо на пальце человека (золотой «ободок», плотно обхватывающий палец человек – это идеальная контактная точка для электрического удара) или если человек схватится за большой металлический объект вроде трубы или ручки инструмента, сопротивление тела может упасть аж до 1,000 Ом (1 кОм), из-за чего потенциальную опасность будет таить даже очень небольшое напряжение:

E = IR = 20 мА х 1 кОм = 20 вольт

То есть в данном случае уже 20 вольт будет достаточно для того, чтобы вызвать силу тока в 20 миллиампер, чего достаточно для тетануса. Более того, сила тока в 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию сердца. Таким образом, при сопротивлении в 1,000 Ом понадобится лишь 17 вольт для того, чтобы привести к этой опасной ситуации.

E = IR = 17 мА х 1 кОм = 17 вольт

И если мы говорим об электрических системах, то 17 вольт – это уже совсем мало. Конечно, речь о наихудшем сценарии с переменным током частотой в 60 Гц и очень высокой электропроводимостью тела, но этот пример всё же показывает, что при определённых условиях нужно очень мало напряжения, чтобы создать серьёзную угрозу для здоровья человека.

Условия для возникновения сопротивления в 1,000 Ом необязательно должны быть столь экстремальными, как было показано выше (контакт через золотое кольцо + потная кожа). Сопротивление тела может снизиться из-за продолжительного воздействия тока (особенно, если из-за тетануса жертва продолжает удерживать проводник), и в результате ущерб здоровью может стать ещё сильнее, чем если бы это просто был короткий одиночный контакт. То, что могло бы стать ударом умеренной силы – достаточным для того, чтобы «заморозить» жертву и заставить её удерживать проводник – может превратиться в нечто более опасное и даже убить человека, поскольку во время воздействия тока сопротивление тела уменьшается, а сила тока возрастает.

Вот данные исследования о приблизительном сопротивлении человеческого тела при контакте с проводником при разных условиях (источник этих данных смотрите в конце раздела):

  • Провода касаются пальцем: 40,000-1,000,000 ом (сухой); 4,000-15,000 ом (мокрый)
  • Провод держат рукой: 15,000-50,000 ом (сухая); 3,000-5,000 ом (мокрая)
  • Металлические плоскогубцы держат рукой: 5,000-10,000 ом (сухая); 1,000-3,000 ом (мокрая)
  • Контакт всей ладонью: 3,000-8,000 ом (сухая); 1,000-2,000 ом (мокрая)
  • Трубу диаметром в 3.8 см держат одной рукой: 1,000-3,000 ом (сухая); 500-1,500 ом (мокрая)
  • Трубу диаметром в 3.8 см держат двумя руками: 500-1,500 ом (сухие); 250-750 ом (мокрые)
  • Рука погружена в токопроводящую жидкость: 200-500 ом
  • Ступня погружена в токопроводящую жидкость: 100-300 ом

Обратите внимание на пункты, касающиеся 3.8-сантиметровой трубы. Сопротивление в ситуации, когда человек держится за трубу двумя руками, в половину меньше того, когда он держится за трубу одной рукой.

9 one-hand-resistance-metal-pipe.jpg

Когда человек держит трубу двумя руками, контактная поверхность между телом и проводником увеличивается в 2 раза. И я советую хорошо это запомнить: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается по мере увеличения контактной поверхности (при прочих равных). Когда человек держит трубу обеими руками, у тока появляется два параллельных маршрута, через которые он может проникнуть из трубы в тело (и наоборот).

10 two-hand-resistance-metal-pipe.jpg

Как мы узнаем в последнем разделе, в параллельной электроцепи общее сопротивление всегда ниже, чем в ситуации, когда электричеству приходится идти лишь по одной «тропинке».

В промышленности, как правило, порогом для опасного напряжения считаются 30 вольт. Таким образом, в целях безопасности любое напряжение выше 30 вольт следует считать опасным и не надеяться на то, что нормальное сопротивление вашего тела спасёт вас от электрического удара. Кроме того, рекомендуем при работе с электричеством всегда держать руки сухими и чистыми и снять все металлические ювелирные изделия. Они могут быть опасны даже при низком напряжении, т.к. если человек коснётся двух точек цепи, это может привести к ожогу. К примеру, в моём случае металлические кольца несколько раз становились причиной ожогов на пальцах, т.к. послужили «мостиком» между двумя точками низковольтной, но высокоамперной электрической цепи.

Кроме того, для человека может быть опасно и напряжение ниже 30 вольт – оно может вызвать неприятное чувство, из-за которого вы можете дёрнуться и случайно коснуться высоковольтной цепи или чего-нибудь опасного. В моей биографии есть случай, когда я одним жарким солнечным днём ремонтировал автомобиль: на мне были шорты, мои голые ноги контактировали с хромированным бампером машины, а я в это время держал контакты батареи. Когда я коснулся своим металлическим ключом положительного (незаземлённого) конца 12-вольтной батареи, то почувствовал покалывание в месте, где мои ноги касались бампера. В результате из-за того, что мои ноги обливались потом плюс то, что они плотно касались бампера, даже 12 вольт оказалось достаточно, чтобы я испытал электрический удар.

К счастью, ничего плохого не случилось, но если бы двигатель был запущен, я бы почувствовал удар не в ногах, а в руке, она могла бы рефлексивно дёрнуться в сторону вентилятора или бы я уронил металлический ключ на терминалы батареи (из-за чего через ключ прошёл бы ток большой силы, вызвав немало искр). Это иллюстрирует ещё один важный урок электрической безопасности: электроток может нанести травму косвенно, заставив подпрыгнуть или судорожно дёрнуть конечностью в сторону чего-то опасного.

Ущерб от тока, проходящего по телу человека, зависит от того, какой именно путь он внутри него пройдёт. Ток подействует на все мышцы, которые будут находиться у него на пути, и поскольку мышцы сердца и лёгких, возможно, наиболее важны для жизни человека, то ток, идущий через грудь, по праву можно считать наиболее опасным. Поэтому весьма вероятно, что ток, идущий от одной руки к другой, может привести к травме или даже смерти. Поэтому, чтобы защититься от этой напасти, советуем вам использовать только одну руку при работе с цепями под опасным напряжением, а другую руку держать в кармане, чтобы случайно ничего не тронуть. Разумеется, всегда безопаснее работать с цепью, которая не находится под напряжением, но на практике такое получается далеко не всегда. При работе одной рукой лучше всего использовать правую руку, и тому есть две причины: 1) большинство людей – правши (следовательно, координация при работе будет лучше); 2) сердце у человека, как правило, находится в левой стороне груди.

Но для левшей это, разумеется, не самый лучший совет. Если человек плохо управляется правой рукой, то может поставить себя в очень опасную ситуацию, и она будет даже опаснее, чем если бы он работал левой рукой (т.е. той рукой, которая ближе к сердцу). Относительная опасность от электрического удара при работе левой рукой, возможно, ниже, чем при работе рукой, чья координация хуже, поэтому то, какой рукой лучше работать, вам, наверно, лучше определять самостоятельно. Наилучшая защита от электрического удара при работе с цепью под напряжением – это сопротивление, а сопротивление можно добавить к телу через использование изолированных инструментов, перчаток, ботинок и прочей экипировки. Сила тока в цепи равна напряжению, поделённому на общее сопротивление, стоящее на пути потока электронов. Объекты, добавляющие в цепь сопротивление, обладают кумулятивным эффектом, если помещать их друг за другом на пути электротока:

11 body-resistance-direct-contact.jpg

А теперь взгляните на ту же цепь, но теперь на человека, работающего с электричеством, надеты изолирующие перчатки и обувь:

12 body-resistance-with-glove-and-boots-wearing.jpg

Поскольку электротоку, чтобы пройти полный путь от одного терминала батареи до другой, нужно пересечь обувь, потом тело, а потом перчатки, их суммарное сопротивление будет гораздо эффективнее препятствовать перемещению тока, чем каждое из этих препятствий по отдельности.

Безопасность – это одна из причин, по которой токопроводящие провода, как правило, покрыты пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы повысить сопротивление между проводником и тем/кем, что может с ним контактировать. К сожалению, было бы невероятно дорого покрывать изоляцией провода на линиях электропередач, чтобы избежать случайного контакта с чем-либо. Поэтому безопасность в данном случае достигается за счёт того, что эти провода помещаются как можно дальше, чтобы до них никто случайно не дотронулся.

Итого

  • Вред, наносимый телу электрическим ударом, зависит от силы этого удара. Чем выше напряжение, тем выше и опаснее будет сила тока. Поскольку сопротивление препятствует перемещению тока, высокое сопротивление станет хорошей защитой от электрического удара.
  • Считается, что любое напряжение выше 30 вольт, как правило, способно привести к опасному удару током.
  • Перед работой с электричеством металлические ювелирные украшения лучше снять. Кольца, ремешки, ожерелья, браслеты и так далее способны создать хороший электрический контакт между цепью и телом и привести к ожогам и другим травмам даже при низком напряжении.
  • Низкое напряжение тоже может быть опасным, и эта опасность может быть не только прямой, но и косвенной. Его может быть достаточно, чтобы жертва удара испугалась, дёрнулась и наткнулась какой-нибудь частью тела на что-либо опасное рядом.
  • Если вам необходимо работать с цепью под напряжением, лучше работать одной рукой, чтобы случайно не создать для электротока смертельную (через грудь) «тропинку» от одной руки к другой.

См.также

Внешние ссылки