Siłą rzeczy, elektronik w swojej codziennej praktyce ma do czynienia z prądem elektrycznym. Czasami są to prądy o znacznych natężeniach czy napięcia o dużych wartościach. Intuicyjnie wyczuwamy, że elektryczność to niebezpieczna siła, ale tak naprawdę nie zawsze wiemy, czy akurat te jej parametry z którymi aktualnie się stykamy przekraczają wartości bezpieczne. Często w ogóle nie znamy progów bezpieczeństwa. W niniejszym artykule chciałbym zamalować te białe plamy w wiedzy elektronicznej i przytoczyć kilka faktów na temat oddziaływania prądu elektrycznego na organizm ludzki.
Od czego to zależy?
W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym nie sposób jest przewidzieć jednoznacznie jego skutków, gdyż te zależą od dużej liczby najróżniejszych czynników. Każda sytuacja jest inna i nie istnieją kryteria pozwalające z całą pewnością stwierdzić, że stanie się tak czy inaczej. Możemy jedynie w przybliżeniu wnioskować czy przewidywać potencjalne zagrożenia, analizując następujące czynniki:
a) rodzaj prądu (stały, przemienny) i jego wartość
Prąd stały jest generalnie bezpieczniejszy. Napięcie dotykowe dopuszczalne długotrwale wynosi w jego przypadku 120V dla warunków normalnych (sucha skóra, nieprzewodzące stanowisko), 60V dla warunków zwiększonego zagrożenia (mokra skóra, przewodzące stanowisko) i 30V dla warunków szczególnego zagrożenia. Graniczna wartość natężenia takiego prądu to 70mA. Progi dla prądu przemiennego są dużo niższe i wynoszą: napięcia dotykowe dopuszczalne długotrwale to 50V (warunki normalne), 25V (zwiększone zagrożenie) i tylko 12V przy szczególnym zagrożeniu, natomiast niebezpieczny prąd rażeniowy to już 30mA. Z tego zestawienia widać, że najczęściej elektronicy (a zwłaszcza hobbyści) stykają się z wartościami bezpiecznymi jeśli chodzi o napięcia. Napięcia w ich przypadku rzadko przekraczają 24VDC (chyba że mają do czynienia z urządzeniami zasilanymi przez transformator sieciowy). Nieco gorzej może być z prądami, gdyż 70mADC to nie jest duża wartość.
b) częstotliwość prądu
Prądy o wyższych częstotliwościach są uważane za bardziej bezpieczne. Wynika to z tzw. efektu naskórkowości, czyli ze zjawiska polegającego na tym, że im większą częstotliwość ma prąd tym płycej wnika w materiał (w tym w ciało ludzkie). Dzięki temu jest szansa że prąd nie dotrze do serca ale pozostanie tylko w wierzchniej warstwie ciała.
c) czas przepływu
W punkcie b) przytoczyłem parametry odnośnie wartości prądów i napięć. Są to wartości dopuszczalne długotrwale. Oczywiście człowiek jest w stanie przeżyć więcej, ale wszystko zależy wówczas od czasu oddziaływania energii elektrycznej na organizm. Jak podpowiada logika, im krótszy czas tym „zniesiemy” większe wartości. W tym kontekście napięcia i prądy oraz czasy powinny być rozpatrywane łącznie a analiza wpływu np. samego czasu przepływu prądu w oderwaniu od jego wielkości nie ma większego sensu. Z tej przyczyny tworzy się specjalne wykresy czasowo-prądowe zarówno dla prądu stałego jak i zmiennego, na których dodatkowo zaznaczane są strefy przynoszące określone oddziaływania (o czym później).
d) droga przepływu
Najniebezpieczniejsze są te prądy, które płyną przez serce, a jak wiemy prąd zawsze płynie najkrótszą (o najmniejszym oporze) drogą. Dlatego też porażenie w przypadku gdy np. trzymamy przewód fazowy w jednej ręce a neutralny w drugiej niesie dużo większe zagrożenie niż sytuacja gdy prąd płynie z przewodu fazowego trzymanego w ręce przez ciało do ziemi. W pierwszym przypadku droga przepływu wiedzie przez serce, a w drugim istnieje spora szansa że ten organ zostanie ominięty.
e) indywidualne cechy człowieka
Człowiek, z punktu widzenia prądu elektrycznego, stanowi jakąś impedancję. O ile dla prądu stałego jest to jedynie rezystancja, o tyle dla przemiennego wchodzą jeszcze w grę pojemności (reaktancje). Impedancja ciała nie jest stała i zależy m.in. od wilgotności powietrza, stanu naskórka (wilgotność, uszkodzenia), napięcia dotykowego (dlatego można stwierdzić że człowiek jest w pewnym sensie… warystorem), częstotliwości prądu, drogi przepływu itd. W dodatku impedancja ta nie jest jednakowa dla wszystkich i wykazuje dużą zmienność osobniczą. Dla większości populacji przy częstotliwości technicznej (50-60Hz) zawiera się ona przedziale 1500-4500 Ohm.
f) warunki środowiskowe i cechy otoczenia
Na to, że warunki środowiskowe są ważne, wskazuje chociażby punkt b) gdzie wartości napięć dotykowych dopuszczalnych długotrwale są zróżnicowane m.in. ze względu na otoczenie oraz punkt e) w którym stwierdziliśmy, że na impedancję ciała człowieka wpływa także wilgotność powietrza. Dodatkowo można powiedzieć że otoczenie (podłoże) wnosi własną rezystancję (tzw. rezystancję przejścia) stanowiącą dodatkową przeszkodę dla przepływu prądu i zależną od rodzaju podłoża (np. 1 GOhm dla drewna czy tylko 100 Ohm dla betonu).
Skutki
Oddziaływanie prądu elektrycznego na organizm ludzki jest bardzo złożone i dotyczy prawie wszystkich części ciała. Skutków przepływu prądu jest naprawdę dużo i nie sposób ich wszystkich wymienić w ramach krótkiego artykułu. Postaram się przytoczyć te najważniejsze.
Do efektów bezpośrednich zaliczyć można skórcze mięśni. Mięśnie do swego działania potrzebują impulsów elektrycznych dostarczanych z układu nerwowego. Z kolei już od czasów doktora Luigi Galvaniego i jego słynnego doświadczenia z żabimi udkami (1789r.) wiadomo, że stymulacja mięśni prądem powoduje ich skurcze. Zewnętrzne sygnały elektryczne niejako zastępują te płynące z mózgu. W przypadku porażenia może dochodzić do skurczy mięśni dłoni trzymającej przewód co utrudnia lub wręcz uniemożliwia jego puszczenie i uwolnienie się. Próg uwolnienia dla kobiet to 6mA AC a dla mężczyzn 10mA AC. Znacznie groźniejsze są skurcze mięśni klatki piersiowej, uniemożliwiające samodzielne oddychanie i mogące doprowadzić do uduszenia się, czy skurcze serca mogące spowodować zatrzymanie jego pracy (fibrylacja).
Prąd oddziałuje również na układ nerwowy i może powodować zaburzenia czucia, równowagi czy omdlenia.
Ciało człowieka stanowi pewną impedancję, w tym duży udział ma rezystancja. Ze znanych wzorów P=RI^2 i P=U^2/R wynika, że na tej rezystancji może wydzielić się moc w postaci ciepła, która dla dużych prądów i napięć może osiągnąć znaczne wartości. Nie trzeba chyba nikogo przekonywać, że duża ilość ciepła przepływająca przez organizm nie zdziała niczego dobrego. Pod wpływem wydzielanej mocy i wygenerowanego przez nią ciepła może dojść m.in. do oparzenia skóry, mięśni i organów wewnętrznych czy do pękania torebek stawowych.
Efekty pośrednie sprowadzają się m.in. do oddziaływania łuku elektrycznego, który może spowodować nie tylko oparzenia ale również uszkodzić wzrok. Drugą grupą efektów pośrednich są urazy mechaniczne. Dobrym przykładem jest sytuacja, gdy wkręcamy żarówkę do żyrandola stojąc na drabinie. Pod wpływem „kopnięcia” spadamy z drabiny i łamiemy rękę. Uraz mechaniczny a przyczyna elektryczna.
Powróćmy teraz do charakterystyk czasowo-prądowych. Przedstawiają one korelację między czasem przepływu prądu, jego wartością i wywoływanymi przezeń skutkami. Każdy wykres podzielony jest na cztery strefy, przy czym strefa ostatnia podzielona jest na trzy mniejsze.
Dla prądów i czasów ze strefy 1 żadne reakcje na przepływ prądu nie są obserwowane. Jest to więc strefa absolutnego bezpieczeństwa. W strefie 2 przepływ prądu jest już przez organizm wyczuwany jednak nie powoduje on jakichkolwiek skutków patofizjologicznych. W strefie 3 mogą już wystąpić skutki np. w postaci skurczów mięśni dłoni czy klatki piersiowej natomiast w strefie 4 dochodzi prawdopodobieństwo migotania komór serca. Dla strefy 4.1 wynosi ono mniej niż 5%, dla 4.2 mniej niż 50% a dla 4.3 przekracza 50%.
Podsumowanie
Prąd elektryczny to niebezpieczna siła i powinien być traktowany z wielkim respektem. Jednak, jak każda bestia daje się obłaskawić i zaprząc do pożytecznej pracy. Wszystko zależy jedynie od naszej ostrożności i umiejętności. Pamiętajmy, że prąd towarzyszy nam w sposób intensywny już od ponad 100 lat i przez ten czas wyrządził więcej dobrego niż złego. Nie bójmy się go, tylko starajmy się zrozumieć jego działanie.
Mam nadzieję, że dzięki temu krótkiemu artykułowi przybliżyłem czytelnikom nieco zagadnień dotyczących bezpieczeństwa i otworzyłem oczy na pomijane do tej pory sprawy.
