Физика и последствия поражения электрическим током

Природное электричество всегда было источником опасности для человека — одни только молнии ответственны за гибель множества людей. Искусственное не приводило к трагедиям до 1879 года, пока плотник из Лиона не получил поражение электрическим током напряжением в 250 В, созданным динамо Siemens, и умер через 20 минут. С появлением электроэнергии в быту и на производстве опасность увеличилась.

Физиологические эффекты

Током называется движение электронов или ионов в проводнике. Его количество, протекающее через человеческое тело, определяет реакцию на электроудар. Большинство воздействий на организм связано с нагревом тканей и стимуляцией нервов и мышц.

Потеря контроля над нервно-мышечной деятельностью может привести к травмирующим последствиям от падений до остановки дыхания или сердца. Примерный список поражающих воздействий выглядит следующим образом:

• 1 мА — порог чувствительности, ощущается как лёгкое покалывание;
• 10—20 мА — начало устойчивого мышечного сокращения (невозможно отпустить источник);
• 50—150 мА — экстремальные боли, остановка дыхания;
• 100—300 мА — фибрилляция желудочков сердца без летального исхода при кратковременном воздействии;
• около 2А — остановка сердца и необратимые повреждения внутренних органов.

Точки входа и сопротивление

Человеческое тело обладает сопротивлением току. Поскольку оно состоит почти целиком из воды, наименьшая проводимость присуща его оболочке — кожному покрову. Для мозолистой сухой руки этот показатель может иметь значения, превышающие сотню тысяч ом, благодаря толстому внешнему слою ороговевших мёртвых клеток.

Сопротивление кожи зависит от возраста, потливости, индивидуальных особенностей и резко падает в результате высоковольтного пробоя, разреза, глубокого истирания или при погружении в воду.

Электричество протекает из одной точки в другую. Человек, получающий электроудар, имеет как минимум две точки контакта с источником напряжения, одна из которых может быть заземлением. Ток в теле способен пройти через несколько путей одновременно, в этом случае его прохождение описывается законами Ома для параллельного и последовательного соединения.

Приблизительные показатели сопротивления человека:

• рука-рука: 1300 Ом;
• рука-нога: 1000 Ом;
• руки-ноги: 650 Ом;
• нога-нога: 1300 Ом.

Поражение может возникнуть от электрической дуги, вызванной прохождением тока через воздух. Если она не контактирует с человеком, то последствиями будут ожоги от её тепла в точке входа.

Высокоэнергетические дуги могут сопровождаться взрывами, вызывающими ударную волну, которая способна отбросить человека, разорвать барабанные перепонки и повредить внутренние органы.

Напряжение и частота

Напряжение можно рассматривать как силу, которая проталкивает электрический ток через тело. При прочих равных условиях тепловой нагрев тканей от прохождения тока прямо пропорционален квадрату приложенного напряжения. Кости, сухожилия и жир обладают большим сопротивлением. Максимальная проводимость у нервов и сосудистых тканей.

Мембраны возбудимых тканей, таких как нервные и мышечные клетки, реагируют на изменение напряжения. При прохождении переменного тока достаточной силы они будут стимулироваться с максимально доступной для них частотой (предел их реакций ниже 50 Гц). Подобное воздействие приводит к полной потере контроля над судорожно сокращающимися мышцами.

Сердце в определённых периодах цикла сокращений чувствительно к такой стимуляции, поэтому уязвимо для воздействий, длительностью более одного цикла. В отличие от переменного тока, постоянный вызывает подобные эффекты только в момент размыкания и замыкания цепи. Поэтому даже если амплитуда велика, угроза попадания в уязвимый сердечный цикл незначительна.

Сила воздействия

Решающее значение для последствий ударов током человека имеет время его воздействия и плотность тока (количество на единицу площади), прошедшего через ткани и органы, а также количество выделенного при этом тепла.

Не стоит недооценивать вероятность несчастных случаев, вызванных падениями и связанных с ними последствиями. К факторам, влияющим на масштабы прямого поражения, относят:

• тип тока (переменный или постоянный);
• частоту (для импульсного или переменного);
• состояние здоровья человека и его возраст;
• наличие в теле медицинских имплантов;
• путь протекания через тело (например, рука-рука или левая рука — правая нога);
• величину шагового напряжения.

Травмы от низкого напряжения чаще носят фатальный характер, чем от высокого. Взрывной эффект от образования плазмы при воздействии источников свыше 1000 В отбрасывает жертву от проводников, ограничивая время контакта.

В таких случаях повреждения могут быть удивительно ничтожными. В противоположность этому, бытовой ток частотой в 50 Гц способен стимулировать сокращение мышц и вызвать непроизвольный захват, продлевая воздействие электричества, что существенно усугубляет последствия.

Аналогичный эффект возникает при попадании в человека молнии. Это природное явление можно описать в таких цифрах:

• потенциал электрического поля между облаками и поверхностью земли достигает миллиарда вольт;
• разряд длится около 0,02 сек;
• сила тока разряда может составлять до 100000 А;
• температура в плазменном канале может составлять 10 000 °C.

Однако большинство жертв выживает после контакта с грозовым разрядом по причине его косвенного воздействия, которое можно сравнить с эффектом взрывной волны. Прямое попадание также редко смертельно по причине кратковременности электрического тока.

Контакты с высоким напряжением иногда могут выглядеть парадоксально. Например, птица способна комфортно сидеть на линиях электропередач с высоким напряжением. В то же время последнее способно разрушать электрические изоляторы, такие как краски, кожа, обычная обувь и перчатки. Это происходит потому, что птица, в отличие от человека, не имеет возможности быть достаточно близко к земле, чтобы замкнуть цепь на грунт или подвергнуть изоляцию своих покровов разрушительному воздействию дуги.

Причины поражения

Основная причина поражения электрическим током — непосредственный контакт с токоведущими частями электрических сетей или оборудования.

Это может произойти вследствие:

• несоблюдения техники безопасности на производстве;
• использования неисправных приборов;
• соприкосновения электротехники с водой;
• неосторожность в обращении с электрооборудованием;
• непрофессионального вмешательства в работу электроустановок;
• ложных сообщений об обесточивании;
• действий, основанных на предполагаемом отсутствии тока на контактах;
• аварий на оборудовании под напряжением;
• пожаров и неверного их тушения.

Немало поражений происходит из-за явления, называемого шаговым потенциалом. Потенциал земли равен 0, то есть в присутствии фазы (электрода, откуда ток может идти) и проводника или нагрузки между ними поток электронов пойдёт в землю. Описанный процесс нашёл отражение в термине заземление. Если человек, шагнув, зафиксирует голые стопы на земле, то разность потенциалов между ними при нормальных условиях составит 0 В.

Такое положение дел меняется, если проводник от линии электропередач высокого напряжения проконтактирует с землёй. В этом случае он замыкает цепь трансформатор — ЛЭП — грунт — трансформатор. Поскольку земля плохой проводник, напряжение будет уменьшаться с увеличением расстояния от упавшего провода. В этом случае разность потенциала между стопами шагнувшего человека может достигать значительных величин и привести к поражению электрическим током по пути нога-нога. Подобное явление также наблюдается во время удара в землю грозового разряда.

Кроме молнии, существуют и другие природные источники электрического тока, с которыми не без последствий контактируют люди. Электрические скат, угорь и сом способны генерировать напряжение в сотни вольт при токах в десятки и сотни миллиампер. И хотя летальных случаев после электроудара этих рыб не зафиксировано, им можно оглушить человека до потери сознания

Возможные последствия

Упрощённо можно выделить два вида последствий от серьёзных электротравм: смертельные и не смертельные. Для выживших непосредственные повреждения, как правило, очевидны и часто требуют обширного медицинского вмешательства.

В долгосрочной перспективе нарушения в органах вследствие поражения электротоком не так чётко определяются, но могут включать в себя не только физические, но и психологические симптомы. Немедленные признаки поражения наглядны:

• ожоги;
• сердечные аритмии;
• судороги;
• остановка дыхания;
• поражение органов слуха и зрения;
• потеря сознания.

Характерными для электротравм являются метки или знаки тока. Они возникают на месте контакта кожи с токопроводящим электродом как следствие электрохимического и теплового воздействия. Могут быть разнообразной формы и цвета, в зависимости от того, какое воздействие было причиной, чаще всего это бледные серо-жёлтые овальные пятна с чёткими границами. Проходят самостоятельно, благодаря регенерации кожи. Электрические знаки на теле безболезненны с момента появления до исчезновения.

Тяжесть поражения током не всегда пропорциональна видимым повреждениям. Электрические травмы уникальны тем, что редко приводят к смерти, но обладают высокими показателями краткосрочных и долгосрочных нарушений. Прежде всего, это развитие неврологических проблем из-за повреждения нервных тканей. Пострадавших долго могут преследовать непроизвольные сокращения мышц.

Главной проблемой у некоторых жертв становятся разнообразные не проходящие боли. Велики риски развития катаракты глаза в течение первого года после удара. Крайне неблагоприятный прогноз на сохранение полноценного зрения в отношении пострадавших, голова которых была в качестве точки контакта. Однако глазные изменения никогда не происходят при воздействии напряжения менее 220 В.

Трудности с распознаванием долгосрочных осложнений связаны с тем, что жалобы пострадавших часто не пропорциональны степени острого повреждения, силе воздействия или пути тока через тело. Неполный перечень возникающих через время или не проходящих нарушений, описанных в медицинской литературе, выглядит так:

• Психологические: депрессия, бессонница, кошмары, тревожность, страх электричества, перевозбуждение, ухудшение памяти, панические атаки, снижение концентрации внимания.
• Неврологические: онемения, хронические боли, потери равновесия, ишиас, судорожные расстройства, головокружения, ухудшение координации, звон в ушах, тремор.
• Физические: боли, чувство усталости, истощение, изменения в подвижности частей тела, зуд, мышечные спазмы, мигрень, ночная потливость, лихорадка, озноб.

Поражения электрическим током относятся к наиболее серьёзным поражающим воздействиям, способным нанести непоправимый ущерб здоровью или привести к смерти.

Основная причина гибели от электротравмы — это остановка сердца и прекращение кровообращения. Своевременное и квалифицированное оказание первой помощи после удара значительно увеличивает шансы на выживание.