Живая ткань как проводник электрического тока

V. Особенности живой ткани как проводника переменного тока. Дисперсия электропроводности и ее количественная оценка.

Живая ткань как проводник переменного тока имеет следующие особенности:

1. Полное сопротивление живой ткани Z зависит от ее вида, физиологического состояния (кровенаполнения) и от частоты тока.
2. Сопротивление живой ткани переменному току меньше чем постоянному.
3. С увеличением частоты импеданс живой ткани не линейно уменьшается до определенного значения, а затем остается постоянным.

При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается дисперсия электропроводности – это явление зависимости удельного сопротивления живой ткани от частоты переменного тока. Это явление связывают с наличием в живых тканях поляризации, которая с увеличением  меньше влияет на удельное сопротивление.

Рассмотрим дисперсионные кривые.

 — частота,  — удельное сопротивление живой ткани.

Интервал частот  = 10 2  10 6 – один из интервалов на котором дисперсия ярко выражена. Таких интервалов существует несколько.

1. Дисперсия присуща только живым тканям и отсутствует у мертвых тканей.
2. Наиболее выражена на частотах до 1 МГц.
3. На практике используется для оценки физиологического состояния и жизнеспособности ткани.

Для количественной оценки дисперсии используют коэффициент дисперсии «К_д» – это безразмерная величина, равная отношению удельного сопротивления на частоте  = 10 2 Гц к удельному сопротивлению при  = 10 6 Гц.

• Вида ткани
• Ее физиологического состояния
• Эволюционной стадии развития организма (для печени млекопитающих К_Д = 9 – 10 относительных единиц, для печени лягушки К_Д = 2 – 3 относительных единицы).

При умирании ткани К_Д стремится к 1.

VI. Виды действия переменного тока на живые ткани. Законы раздражающего действия переменного тока и их характеристика.

Переменный ток оказывает на организм лечебное и поражающее действие. Его действие определяется следующими факторами:

• Видом ткани и ее физиологическим состоянием;
• Силой и плотностью тока;
• Временем его действия;
• Частотой;
• Скоростью изменения тока.

Виды действия:

1. Тепловое (определятся плотностью и временем действия). Лежит в основе терапии.
2. Специфическое физиологическое действие. Лежит в основе терапии.
3. Раздражающее – это действие проявляется только для возбудимых тканей (нервной, мышечной и железистой). Виды этого действия зависят от физиологического состояния клетки, от характеристик тока. Раздражающее действие лежит в основе диагностического применения и подчиняется трем законам.

Р_Д – величина, характеризующая раздражающее действие.

Закон –закон Дюбуа – Реймона.

“Р_Д” прямопропорционально скорости изменения тока.

Р_Д   i /  t ( i /  t – скорость изменения тока)

 — коэффициент пропорциональности, характеризующий конкретную ткань.

Наибольшая скорость изменения тока у прямоугольных импульсов, Следовательно они обладают наибольшим Р_Д. Такие токи можно получить размыканием (замыканием) ключа электрического тока.

21. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей

Проводники – это вещества, которые имеют свободные заряды, способные перемещаться под действием электрического поля. Примеры: плазма крови, лимфа, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость, цитоплазма.

Диэлектрики (изоляторы) – это вещества, которые не имеют свободных зарядов, поэтому не проводят электрический ток. Примеры: сухая кожа, связки, сухожилия, костная ткань, клеточная мембрана.

22. Биологические ткани различны по электропроводности, табл. 1. Например, электрическое сопротивление мембран клеток, костной и жировой ткани достаточно велико. Они подобны диэлектрикам. Внутриклеточная жидкость является проводником, так как содержит положительные и отрицательные ионы. Внутри организма ток распространяется в основном по: 1) кровеносным и лимфатическим сосудам; 2) мышцам; 3) оболочкам нервных стволов.

Измерение электропроводимости (кондуктометрия) используется:

при изучении процессов в клетках и тканях во время изменений физиологического состояния;

при исследовании патологических процессов (например, при воспалении увеличивается электрическое сопротивление);

для нахождения активных точек рефлексотерапии;

для выявления кожно-гальванических реакций, в которых отражаются эмоции, утомляемость и другие состояния организма.

В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому ткани человека не обладают индуктивностью. Полное сопротивление (импеданс) живой ткани переменному току определяется только омическим (R) и емкостным сопротивлениями (X_C):

, [Z] = Ом;

где С – электрическая емкость, [С] = Ф;

–циклическая частота переменного тока, [] = .

Омические и емкостные свойства биологических тканей моделируют на основе сочетания параллельного и последовательного соединение элементов (рис. 24):

Рис. 24. Упрощенная эквивалентная схема живой ткани

При прохождении переменного тока через живые ткани полное сопротивление ткани увеличивается с уменьшением частоты тока до некоторой максимальной величины Z_max и стремится к некоторому минимальному значению Z_min при увеличении частоты (рис. 25).

Z

Z_min ЧАС Рис. 25. График зависимости импеданса мышцы от частоты переменного тока

23. Биопотенциалы

Биопотенциалы – это потенциалы электрических полей, созданных живыми системами от клеток до органов.

Существует разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями плазматической мембраны. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом.

Биопотенциалы покоя – это постоянная разность потенциалов между внешней и внутренней средой клетки. Внеклеточная среда имеет высокую концентрацию ионов натрия (Na+) и хлора (Cl–). Внутриклеточная среда – калия (K+). Натрий-калиевый насос позволяет поддерживать различие концентраций ионов натрия и калия по обе стороны плазматической мембраны.

Потенциал покоя – разность потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Мембранный потенциал покоя: МПП = 75 – 100 мВ. МПП определяется разностью концентраций ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

При определенных физиологических условиях могут происходить изменения мембранного потенциала.

Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Принцип суперпозиции полей: суммарный потенциал органа или ткани равен алгебраической сумме потенциалов, созданных каждой клеткой в отдельности.

.

Электрическое сопротивление человеческого тела

Все мы знаем, как может быть опасен ток. Наше тело, к сожалению, довольно неплохой проводник, и в некоторых обстоятельствах оно может стать звеном электрической цепи, вызвав опасность для здоровья. Сегодня мы поговорим о том, какова электропроводимость живой ткани, как и по каким причинам она может изменяться и что произойдёт с организмом в этих случаях.

Если случится так, что человек попадёт под воздействие напряжения, величина силы электрического тока в разных условиях будет отличаться. Причиной тому выступает сопротивление нашего тела, которое является не фиксированной величиной, а зависящей от рода ткани, точки приложения провода или кабеля под напряжением, возраста человека, его веса, пола и даже настроения. Безусловно, накладывают отпечаток и условия внешней среды: влажность воздуха, температура окружения, атмосферное давление и наличие разных видов волн в области воздействия.

Тело против электротока

Пожалуй, наиболее очевидное и значимое влияние на итог поражения оказывает вид ткани, через которую будет проходить ток. Каждый её участок имеет различное строение и претерпевает весьма непохожие комплексы биофизических процессов, влияющих на проводимость. Согласно результатам исследований учёных, фундаментальный вклад в увеличение суммарного электрического сопротивления тела вносит опорно-двигательный аппарат. Кости, хрящи и сухожилия могут обладать сопротивлением в 3-20 кОм/м, что достаточно много в сравнении с другими системами. К примеру, жировая ткань и органы уже имеют значение около 1,5-3 кОм/м, а мозг, мышцы, кровь и лимфа – вообще на два порядка меньше, всего лишь 0,5-1,5 Ом/м. При этом в инженерных расчётах всегда в первую очередь используется проводимость кожи – наружного слоя эпидермиса. Наиболее вероятно, что прикосновение к токоведущим участкам произойдёт пальцами рук, так что в зависимости от того, сухие ладони или влажные, тёплые они или холодные, итог будет кардинально отличаться.

Структура кожи человека чрезвычайно сложна и неоднородна. Каждый основной слой содержит в себе подслои, которые определяют проводимость всего покрова. К примеру, тот же эпидермис включает в себя роговой слой, на который нам и приходится полагаться при взаимодействии с электротоком, поскольку он не содержит ни кровеносных сосудов, ни нервов, ни других непосредственно проводящих сигналы структурных элементов, а также ряд внутренних подслоёв, у которых сопротивление в разы меньше. Сразу следом за эпидермисом идёт дерма – слой с очень малым сопротивлением, который непосредственно переходит в другие системы организма. Таким образом, определяющими в данном контексте будут именно свойства наиболее «бронированного» рогового слоя.

Состояние кожных покровов также имеет колоссальное значение. Если Вас хотя бы несколько раз в жизни при разных обстоятельствах настигал разряд статического электричества, то, скорее всего, Вы успели отметить, насколько различаются ощущения, когда удар приходится на ровный участок кожи, на ноготь или на порез. Наилучшие изоляционные свойства имеет чистая сухая кожа без повреждений – её электрическое сопротивление обычно оценивается в диапазоне 10-100 кОм. В случае появления на ней царапин, травм, порезов до более глубоких слоёв, данная величина может быть снижена в 2-10 раз, поскольку фактическое сопротивление уже будет определяться внутренними тканями, а не роговым слоем эпидермиса. Влажная кожа, как многие понимают, наоборот, обладает повышенной проводимостью из-за тонкой плёнки жидкости, а площадь контакта в подобной ситуации возрастает. Грязные руки тоже сильно увеличивают шансы на то, что поражение будет серьёзным: они создают островную проводимость с весьма непредсказуемым профилем и фактически формируют огромное множество точек контакта тела и проводника под напряжением. Последняя ситуация условно сравнима с кедами футболистов: за счёт наличия шипов сцепление с поверхностью заметно выше, то есть контакт лучше, что в рассматриваемых обстоятельствах плохо.

В инженерных расчётах, особенно для проектирования технически верных условий труда человека, совокупное сопротивление тела представляют в виде трёх последовательно соединённых сопротивлений: слой эпидермиса, дерма с внутренними тканями и ещё один слой эпидермиса. За счёт того, что внутренние органы имеют очень высокую проводимость, их вклад в задачу защиты оказывается минимален, то есть вся ответственность ложится именно на наружные слои. В определённом смысле это хорошо, поскольку человек вряд ли смог бы научиться направленно управлять внутренними процессами, в то время, как защитить внешние покровы ему вполне под силу.

Как уже было сказано ранее, огромное значение имеет и то, о каком участке кожи идёт речь. Чаще всего в розетку попадают пальцы рук, и на них уровень сопротивления в сравнении с общим довольно высок. При этом уже тыльная сторона ладони гораздо более уязвима, поскольку кожа там заметно тоньше. Наряду с ней самым маленьким сопротивлением обладают другие нежные участки – шея, лицо, паховая область, подмышки, середина стопы, где нет утолщения тканей от постоянного хождения. Вместе с тем, все указанные здесь сведения считаются оценочно-прогностическими, ведь в реальной ситуации будут иметь огромное значение и сопровождающие факторы.

Известно, что у мужчин сопротивление тела выше, чем у женщин, поскольку их кожа толще и грубее. По тем же причинам, а также в силу превосходства по весу, взрослые люди чуть больше защищены, чем дети. Психологическое состояние также оказывает некоторое влияние посредством воздействия на физиологические процессы: известно, что человек в хорошем настроении менее уязвим, чем в подавленном или уставшем. Вдобавок, изменить сопротивление могут и внешние раздражители: если человека ударить, испугать, ослепить ярким светом лампочки или оглушить громким резким звуком, проводимость его тела начнёт меняться в реальном времени, снижаясь на 20-50% всего за пару минут. Когда раздражитель наконец исчезнет, а нервная система сделает вывод, что жизни ничего не угрожает, сопротивление тела снова нормализуется.

Для учёных одним из самых важных и интересных аспектов при изучении подобных вопросов является то, что функция изменения собственного сопротивления тела нелинейна. Таким образом, её возможно предсказать до определённой степени, но для того, чтобы точно оценить, придётся изучить несколько десятков факторов. Если высокая точность не требуется, в расчётах сопротивление тела человека принимают равным 1000 Ом. Но всегда остаётся актуальным, о каком напряжении идёт речь при рассмотрении возможного случая поражения электротоком. Важен не только сам вольтаж, но и условия: обувь и материал подошвы, поверхность пола и её характеристики, наличие заземления и пр. С учётом этих данных ток будет определяться не только сопротивлением организма, но и схемой его включения в электрическую цепь.

В быту речь зачастую идёт о касании к однофазной сети. Чаще всего это происходит в моменты включения вилок питания приборов в розетки или манипуляциях с распределительным щитком. Человек обычно просто стоит на полу и прикасается к токопроводящей части одной точкой-конечностью. В данной ситуации через тело будет течь ток замыкания на землю, а путь его будет самым коротким: от руки к ногам через туловище и жизненно важные органы в нём. Сопротивлением выступит как само тело, так и одежда на человеке, его обувь, возможная опора и пр. Чаще всего доминирующее влияние оказывает связка подошва-пол. Для сравнения используем чистую математику: кожаная подошва домашних тапочек или огрубевшая оголённая кожа самого человека в сухом состоянии могут продемонстрировать сопротивление в 100 кОм, в то время, как в присутствии влаги значение для тех же поверхностей составит 500 Ом. Резиновая подошва на сухом полу обеспечит 500 кОм, а на влажном – 1,5 кОм. На металлическом полу результат будет математически противоположный, но в целом итог один: сухой металл имеет бесконечную проводимость с сопротивлением в пределах погрешности, а влажный формально обеспечит «защиту» в 10 Ом. Контактируя с проводами на сухой земле, можно рассчитывать на сопротивление в 20 кОм, а на влажной – лишь на 800 Ом. Лучше всего в быту себя показывает линолеум: будучи сухим, он имеет огромное сопротивление в 1,5 МОм, и даже во влажном состоянии обеспечивает целых 50 кОм. В подавляющем большинстве случаев именно сопротивление опоры и обуви спасают человеческую жизнь, а не собственная низкая проводимость тела. Конечно же, играет роль и защитная автоматика, но только в том случае, если она исправна и верно укомплектована.

Прикосновение к двум фазам на практике встречается намного реже и является своеобразной прерогативой электриков и электромонтажников. В таких случаях человек разными руками или рукой и ногой касается разных проводников трёхфазной сети, стоя на каком-либо основании. Основная опасность здесь в том, что токи потекут через внутренние органы, в том числе, через сердце. Ввиду специфики ситуации, с подобным столкнуться можно только при монтаже электрических агрегатов, но вряд ли человеку, который занимается подобными работами, придёт в голову сознательно касаться двух фаз: зачастую первой точкой контакта является рабочая рука, а второй – случайный участок тела через одежду. Если она сухая, её сопротивление составит 10-15 кОм, а если влажная – всего 500-1500 Ом. Важно обратить внимание, что при прикосновении к двум разным фазам нет никакого смысла учитывать сопротивление подошвы и пола, поскольку ток течёт по телу именно между фазными проводниками. В сухой одежде всё ещё можно отделаться неприятным дрожанием рук, от которого достаточно легко избавиться, отпустив провода, а в сырой самостоятельно оторвать конечности даже от плоской токопроводящей поверхности может быть проблематично.

В свете всего вышесказанного следует задуматься о том, насколько важно заземление. Если человек вдруг прикоснётся к кожуху агрегата на производстве или электрочайнику с пробоем на корпус в быту, и заземления не будет, весь ток потечёт через тело. Если же будут использованы розетки с заземлением, доминирующая часть тока уйдёт в землю, а через организм пройдёт лишь малая толика, представляющая минимальную угрозу для здоровья.

Отдельный вид опасности представляет собой шаговое напряжение. Оно может возникнуть, если случился обрыв высоковольтного провода и он теперь лежит прямо на земле; если фазная жила оказалась закорочена на металлический корпус уличного фонарного столба, вблизи которого идёт человек; если люди стоят на грунте рядом с местом закопанной рамки заземления. Во всех этих ситуациях по наружной поверхности земли проходит ток, который может потечь и через ноги прохожих. В подобной ситуации образуется цепь грунт-нога-нога-грунт, а сопротивление движению тока оказывает лишь часть тела, элементы одежды и обуви. Контакт подошвы и основания играет столь же значительную роль, как и ширина шага, а потому в большинстве таких случаев итог будет зависеть от того, был грунт влажным или нет.

Печальный опыт многих электриков показывает, что в конечном итоге на сопротивлении тела сказывается целый комплекс факторов, а не один-два. К примеру, сухие руки без повреждений эпителия под воздействием тока могут резко начать потеть, что только ухудшит ситуацию. Кроме того, термическое воздействие тока на кожу провоцирует её нагрев, а животные ткани при более высокой температуре и так лучше проводят электричество. Наконец, тонкие участки кожи при длительном поражении начинают лопаться и у тока появляется доступ к более глубоким слоям, которые имеют низкое сопротивление. Как видим, человеческий организм устроен таким образом, что продолжительность контакта с токоведущими объектами провоцирует только усугубление ситуации. Поэтому очень важно всеми силами постараться оторвать конечность от источника тока поскорее – как только было обнаружено касание. Ещё правильнее, конечно, использовать диэлектрические перчатки и спецодежду при работе, но место для случайных событий, к сожалению, всегда остаётся.

Подключение сварочного аппарата в обычной сети

Факторы, влияющие на исход поражения электрическим током

Тело человека является проводником электрического тока. Однако проводимость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, протекающими лишь в живой материи.

В живой ткани нет свободных электронов, и поэтому она не может быть уподоблена металлическому проводнику, электрический ток в котором представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

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 %). 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. Иными словами, можно полагать, что перенос электрических зарядов в живой ткани осуществляется не свободными электронами, как в металлических проводниках, а заряженными атомами или группами атомов — ионами, подобно тому, как это происходит в электролитах.

В живой ткани наблюдается явление межклеточной миграции (перемещения) энергии, т. е. резонансного переноса энергии электронного возбуждения между возбужденной и невозбужденной клетками. Поэтому можно предположить, что живая ткань обладает также электронно-дырочной проводимостью, свойственной полупроводникам, в которых перенос зарядов осуществляется электронами проводимости и дырками.

Таким образом, тело человека можно рассматривать как проводник особого рода, имеющий переменное сопротивление и обладающий в какой-то мере свойствами проводников первого (полупроводники) и второго (электролиты) рода. При поражении человека электрическим током основным поражающим фактором является ток, проходящий через его тело. Однако имеется и ряд других не менее опасных факторов. Классификация факторов, влияющих на исход поражения электрическим током, представлена на рис. 1.7.