Исследование электрического сопротивления тела человека

4.1 Цель работы:

Экспериментально и теоретически определить параметры электрического сопротивления тела человека.

4.2 Содержание работы:

- определить полное сопротивление тела человека при разной час­тоте тока;

- рассчитать параметры электрического сопротивления тела человека.

4.3 Теоретические сведения

Тело человека является проводником электрического тока. Однако проводимость живой ткани в отличие от обычных проводни­ков обусловлена не только её 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 среди /10/.

Для выработки критериев электробезопасности, являющихся основой для проектирования и разработки защитных средств и уст­ройств, необходимо знать параметры сопротивления тела человека.

При прикосновении к частям, находящимся под напряжением, тело человека включается в электрическую цепь и может рассмат­риваться как элемент этой цепи.

Электрическое сопротивление цепи человека (R_h) представ­ляет собой эквивалентное сопротивление нескольких элементов, включающихся последовательно: сопротивление тела человека (R_h), сопротивление обуви (R_oe) и сопротивление опорной поверхности ног (R_on).

Электрическое сопротивление тела человека является глав­ной составляющей в схеме цепи человека. Различные ткани тела по разному проводят электрический ток. Наибольшим электри­ческим сопротивлением обладает кожа и особенно верхний ро­говой ее слой, лишенный кровеносных сосудов. Удельное сопро­тивление наружного слоя кожи составляет 10⁶ - I0⁷ Ом-м и толщина 0,05 - 0,2 мм /11/. Сопротивление кожи зависит от её состояния, плотности и площади контактов, величины при­ложенного напряжения, протекающего тока и времени воздейст­вия тока. Наибольшее сопротивление оказывает чистая сухая, неповрежденная кожа. Увеличение площади и плотности контак­тов с токоведущими частями снижает сопротивление кожи. С увеличением приложенного напряжения сопротивление кожи умень­шается в результате пробоя верхнего слоя. Увеличение силы тока или времени его протекания вызывает увеличение нагрева верхнего слоя кожи и потовыделения в местах контакта, что также снижает электрическое сопротивление кожи.

Характер сопротивления кожи - активно-емкостный. С физической точки зрения место прикосновения к токоведущей части представляет собой металлический электрод, в непосред­ственном контакте с которым находится слой кожи и затем подкожные ткани, являющиеся хорошим проводником. Внутрен­нее сопротивление считается чисто активным, хотя, строго го­воря, оно также обладает емкостной составляющей. Однако эта емкость незначительна и ею можно пренебречь. Внутреннее со­противление равно примерно 500 - 700 Ом. Следовательно, место контакта электрода с телом человека представляет собой как бы конденсатор, имеющий в качестве обкладок с одной сто­роны электрод, а с другой - подкожные токопроводящие тка­ни, а диэлектриком служит тонкий наружный слой кожи, актив­ное сопротивление которого подключено параллельно этому конденсатору (рис. 4.1).

Так как сопротивление тела человека нелинейно и неста­бильно и вести расчеты с такими сопротивлениями сложно, ус­ловились считать, что сопротивление тела человека стабильно, линейно, активно и составляет 1000 Ом. С учетом данных до­пущений прикосновение человека к двум электродам, находящимся под различными потенциалами, можно представить в виде электрической схемы замещения (рис. 4.2).

Рисунок 4.1 - Электрическая схема замещения наружного слоя кожи

Активное сопротивление R_H и емкость С составля­ют полное сопротивление наружного слоя кожи Z_n. Если по­верхности электродов одинаковы и условия их наложения симметричны, то для случая прохождения тока по пути рука - рука, сопротивле­ния Z_н будут равны, и полное сопротивление тела человека (Z_n) может быть выражено:

Z_n 2 Z_H+R_в , (4.1)

где R_в - внутреннее сопротивление в кОм.= 0,5 кОм

Рисунок 4.2 - Электрическая схема человека

R_вр, R_вк, R_вн – соответственно внутренние сопротивления руки, корпуса, ноги;

R_нр, R_нн – соответствующие сопротивления наружного слоя кожи руки и ноги;

С_р, С_н – емкость наружного слоя руки и ноги соответственно.

Так как емкостное сопротивление зависит от частоты, то для определения основных параметров тела человека обычно применяют частотный метод.

Известно, что емкостное сопротивление наружного слоя кожи равно

Ом, (4.2)

где f - частота, Гц;

С - емкость наружного слоя кожи, мкФ;

- круговая частота.

Из формулы (4.2) видно, что с возрастанием частоты емкостное сопротивление уменьшается, т.е. при f →, х→о, шунтируем активное сопротивление наружного слоя кожи (рис 4. 2).

На частоте порядка 10-20 кГц полное сопротивление наружно­го слоя кожи мало и его можно принять с некоторыми допущениями равным нулю.

Тогда при f=10-20 кГц полное сопротивление тела чело­века будет равно внутреннему сопротивлению, т.е.

кОм. (4.3)

Как говорилось ранее, внутреннее сопротивление является чисто активным и не зависит от частоты тока /12/.

При уменьшении частоты емкостное сопротивление возрастает, т.е. при f 0, X_c →, и не оказывает шунтирующего действия на активное сопротивление наружного слоя. В этом случае формула (4.1) примет вид:

кОм, (4.4)

откуда

, кОм, (4.5.)

где Z₀ - полное сопротивление тела человека при f =0.

Величину полного сопротивления тела человека при постоянном токе находят методом экстраполяции. В линейном мас­штабе строится график зависимости полного сопротивления тела человека от частоты тока (рисунок 4.3).

С некоторыми допущениями можно принять, что на частотах в пределах от 10 до 100 Гц полное сопротивление тела человека находится в линейной зависимости от частоты тока

, кОм. (4.6)

Значение Z₀ определяется путем экстраполяции полученной линии до пересечения ее с осью ординат.

Величина полного сопротивления наружного слоя кожи может быть определена

, кОм (4.7)

Рисунок 4.3 - График зависимости полного сопротивления тела человека от частоты.

Преобразуя выражение (4.7), получим формулу для расчета ве­личины емкости "С" наружного слоя кожи

, (4.8)

где R_H- активное сопротивление наружного слоя кожи, кОм;

Zн - полное сопротивление наружного слоя в кОм на частоте f;

f - частота, кГц.

Выведенные соотношения справедливы до напряжения прикосно­вения порядка 100-150 В. При напряжении прикосновения больше ука­занных величин может наступить пробой наружного слоя кожи, что резко уменьшит полное сопротивление тела человека.

4.4 Экспериментальная часть

4.4.1 Аппаратура, применяемая в лабораторной работе:

а) звуковой генератор типа ЗГ-10 представляет собой источ­ник синусоидальных электрических колебаний звуковой частоты в
диапазоне от 20 до 20000 Гц;

Установка частоты производится по диапазонам 20-200 Гц, 200-2000 Гц, 2000-20000 Гц переключателем «МНОЖИТЕЛЬ».

Частоты первого диапазона 20-200 Гц устанавливаются поворо­том шкалы, при этом переключатель "МНОЖИТЕЛЬ" находится в поло­жении XI. Частота в герцах соответствует отсчету шкалы. Частоты других диапазонов устанавливаются также поворотом шкалы, а пере­ключатель "МНОЖИТЕЛЬ" находится в положении XIO для второго диа­пазона и XIOO для третьего диапазона. В этом случае показание шкалы умножается на 10 или 100 соответственно. Регулировка амп­литуды выходного напряжения производится ручкой "РЕГУЛЯТОР ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ". Нормальное положение этой ручки - крайнее левое, а регуляторов "ЗАТУХАНИЕ" - 0 дб.

б) миллиамперметр Ц 367, класс точности 1,5;

в) ламповый милливольтметр типа ВЗ-3 класса точности 4,0
предназначен для измерения напряжения синусоидальной формы. Для
расширения пределов измерения к прибору подключен внешний дели­тель напряжения 1:100, в связи с чем показания милливольтметра надо умножить на 100:

Предел измерения прибора ВЗ-З	МВ
Предел измерения с делителем напряжения 1:1000	в

Выбор предела измерения необходимо производить с учетом получения наиболее точных показаний прибора, т.е. при положе­нии стрелки милливольтметра в правой части шкалы.

4.4.2 Электрическая схема испытаний

Для снятия зависимости полного сопротивления тела челове­ка от частоты используется следующая.электрическая схема, пол­ностью собранная на стенде. Руки одного из испытуемых накладываются на дискоэлектроды, на которые подается от звукового ге­нератора напряжение исследуемой частоты. Для получения правиль­ных значений сопротивления плотность прижатия рук к дискам долж­на быть постоянна в течение опыта. С целью улучшения контакта на электроды могут быть наложены прокладки из марли, пропитан­ные раствором поваренной соли.

Рисунок 4.4 - Схема включения приборов для снятия частотной характеристики сопротивления тела человека

ЗГ - звуковой генератор;

А - миллиамперметр;

V - вольтметр;

S₁ - диски -электроды площадью 25 см³;

S₂ - диски – электроды площадью 12,5 см²

Данная схема позволяет определить зависимость приложенного к телу человека напряжения от частоты тока. По значению напряжения, измеренного милливольтметром ВЗ-3, и величине тока, измеренной миллиамперметром Ц 367, по закону Ома определяется полное сопротивление тела человека на данной частоте.

4.4.3 Порядок выполнения работы:

а) поставить тумблер «Сеть» звукового генератора ЗГ-10 в положение «ВКЛ»;

б) включить ламповой милливольтметр ВЗ-3 с делителем напряжения;

в) установить ручку «РЕГУЛЯТОР ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ» в крайнее левое положение, при этом милливольтметр и миллиамперметр должны показывать 0;

г) переключателем II_I подключить к схеме соответствующие диски – электроды (S₁=25см²; S₂ = 12,5 см²);

д) один из испытуемых накладывает руки на диски –электроды;

е) лимбом настройки и переключателем «МНОЖИТЕЛЬ» установить соответствующую частоту тока;

ж) медленно поворачивая вправо «РЕГУЛЯТОР ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ», установить в цепи ток I МА;

з) произвести отсчет показаний вольтметра ВЗ – 3;

и) ручку «РЕГУЛЯТОР ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ» возвратить в крайнее левое положение;

к) установить следующую исследуемую частоту и продолжить эксперимент;

л) после выполнения выключить приборы.

Таблица 4.1 – Результаты измерения электрического сопротивления тела человека

Частота	S1=25см^2	S2=12,5см^2
f, Гц	Сgf	Vв, мВ	J, мА	Zn ком	Vв, мВ	J, мА	Zn ком
	1,4
	1,5
	1,6
	1,7
	1,9
	2,0
	2,4
	2,7
	2,9
	3,0
	3,4
	3,7
	3,9
	4,0
	4,3

4.4.4 Обработка экспериментальных данных

а) показания вольтметра и миллиамперметра для токов соответствующей частоты и значения полного сопротивления тела человека, рассчитанные по закону Ома, записываются в табл. 4.1;

б) по данным табл. 4.1 построить кривые

при S₁= 25 см²,

при S₂ = 12,5см²

Примечание - На графике частота откладывается в логарифмическом масштабе;

в) на частоте 10 – 20 кГц определить внутреннее сопротивление тела человека R_в по формуле (4.3);

г) по данным таблицы 4.1. построить график зависимости полного сопротивления тела человека от частоты в интервале от 10 до 100 Гц и экстраполяцией определить Z_o на f = 0;

д) по формуле (4.5) рассчитать активное сопротивление наружного слоя кожи Rн;

е) на частоте 1000 Гц определить полное сопротивление наружного слоя кожи Zн по формуле (4.1);

ж) рассчитать величину емкости наружного слоя кожи для электродов S₁ и S₂ по формуле (4.8);

з) по формуле (4.2) рассчитать емкостное сопротивление наружного слоя кожи;

и) результаты расчета основных параметров электрической схемы замещения сопротивления тела человека для f = 1000 Гц внести в табл. 4.2.

Таблица 4.2 - Параметры электрической схемы замещения сопротивления тела человека

Параметры Площадь, см^2	Zn кОм	Zн кОм	Rн кОм	Rв кОм	С кОм	Хс кОм
S1= 25
S2 = 12,5

к) начертить электрическую схему замещения сопротивления тела человека для условий проведенного эксперимента и указать в ней найденные значения основных параметров для одного из электродов;

л) сделать выводы о влиянии площади прикосновения к токоведущим частям и частоты тока на электрическое сопротивление тела человека.

4.5 Контрольные вопросы:

4.5.1 Схема замещения сопротивления тела человека при постоянном и переменном токе.

4.5.2 Действие тока на организм человека.

4.5.3 Факторы, влияющие на исход поражения электрическим током.

4.5.4 Виды электрических травм.

4.5.5 Что такое электрический удар?

4.5.6 Что такое фибрилляция сердца?

4.5.7 Первая помощь при поражении электрическим током.

4.5.8 Схемы замещения сопротивления тела человека при различных частотах.

4.5.9 Пороговые токи.

Приложение А

Таблица 1 - Зависимость давления насыщенных паров от температуры по сухому и влажному термометру

Температура по сухому и влажному термометру, °С	Давление насыщенных водяных паров, мм. Рт. ст.
	12.79
	13.68
	14.63
	15.46
	16.43
	17.53
	18.63
	19.83
	21.07
	22.38
	23.76
	25.21
	26.74
	28.35
	30.04
	31.84
	33.7

Таблица 2 - Оптимальные и допустимые нормы микроклимата в зависимости от категории работ

Период года	Категория работ	Температура, °С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
опт.	доп.	ОПТ.	ДОП.	опт. 1 доп.
Холодный	Легкая 1а	22-24	18-26	40-60		0,1 0,1
	Легкая 16	21-23	17-25	40-60		0,1 0,2
	Средней
	тяжести 2а	18-20	15-24	40-60		0,1 0,3
	Средней
	тяжести 26 Тяжелая 3	17-19 16-18	13-23 12-20	40-60 40-60	75 75	0,1 0,4 0,1 0,5
Теплый	Легкая 1а	23-25	20-30	40-60		0,1 0.1 –0.2
	Легкая 16	22-24	19-30	40-60		0,2 0.1-0.3
	Средней
	тяжести 2а	21-23	17-23	40-60		0,3 0.2-0.4
	Средней
	тяжести 26	20-22	15-23	40-60		0.3 0,2-0,5
	Тяжелая 3	J8-20	13-28	40-60		0,4 0,2-0,6

Приложение Б

Таблица 3 - Величина тока опасная для человека

Ток в мА	Характер восприятия
Переменный ток 50-60 Гц	Постоянный ток
0,6-1,5	Начало ощущения, легкое дрожание пальцев рук.	Не ощущается.
2-3	Сильное дрожание пальцев рук.	Не ощущается.
5-10	Судороги рук.	Зуд, ощущение нагрева.
12-15	Руки трудно оторвать от электродов. Сильные боли в пальцах, в кистях рук. Состояние терпимо 5-10 секунд.	Усиление нагрева.
20-25	Руки парализуются немедленно, оторвать их от электродов невозможно. Очень сильные боли. Затрудняется дыхание. Состояние терпимо не более 5 секунд.	Еще больше усиление нагрева, незначительное сокращение мышц рук.
50-80	Паралич дыхания. Начало трепетания желудочков сердца.	Сильное ощущение нагрева. Сокращение мышц рук. Судороги, затруднение дыхания. Паралич дыхания.
90-110	Паралич дыхания при длительности 3 секунды и более, установившиеся трепетания желудочков – паралич сердца.
300 и более	Паралич дыхания и сердца при воздействии тока более 0,1 секунд. Разрушение тканей тела теплом тока.

Содержание

Общие методические указания…………………………………………3

1 Лабораторная работа №1 Исследование характеристик

искусственного производственного освещения……………………….4

2 Лабораторная работа №2 Определение содержания

вредных газов в воздухе производственных помещений

экспрессным линейно-колористическим методом……………………14

3 Лабораторная работа №3 Исследование метеорологических

условий производственных помещений……………………………….25

4 Лабораторная работа №4 Исследование электрического

сопротивления тела человека…………………………………………..30

Приложение А…………………………………………………………...39

Приложение Б……………………………………………………………40

План 2004 г., поз.55

Байзакова Асель Амангельдиевна,

Бегимбетова Айнур Серикбаевна,

Дюсебаев Марат Канафиевич,

Санатова Тоты Сабыровна

Охрана труда

Методические указания к выполнению лабораторных работ

(для студентов всех специальностей очно - заочной форм обучения)

Редактор Ж.М. Сыздыкова

Специалист

по стандартизации Н.М. Голева

Подписано в печать Формат 60х84 1/16

Тираж 50 экз. Бумага типографская №1

Объем 2,5 уч.-изд.л. Заказ № Цена тг.

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013 Алматы, Байтурсынова 126

Дата добавления: 2015-07-10