Oddziaływanie prądu elektrycznego na organizm ludzki

Prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz i napięciu 400/230 V jest najbardziej rozpowszechnionym środkiem przenoszenia energii elektrycznej. Z tego powodu większość porażeń i oparzeń ludzi prądem elektrycznym, nazywanych wypadkami elektrycznymi, występuje przy styczności człowieka z urządzeniami elektroenergetycznymi prądu przemiennego, przy czym najczęstsze są rażenia na drodze ręka - nogi lub ręka - ręka. Ponadto prąd przemienny o częstotliwości od 15 do 100 Hz powoduje najgroźniejsze dla życia reakcje organizmu, stąd skutki rażenia nim rozpatruje się szczególnie wnikliwie.

Działanie prądu elektrycznego na organizm ludzki może być pośrednie lub bezpośrednie.

Działanie pośrednie, powstające bez przepływu prądu przez ciało człowieka, powoduje takie urazy, jak:
- oparzenia ciała wskutek pożarów wywołanych zwarciem elektrycznym lub spowodowane dotknięciem do nagrzanych elementów
- groźne dla życia oparzenia ciała łukiem elektrycznym, a także metalizacja skóry spowodowana osadzaniem się roztopionych cząstek metalu
- uszkodzenia wzroku wskutek dużej jaskrawości łuku elektrycznego
- uszkodzenia mechaniczne ciała w wyniku upadku z wysokości lub upuszczenia trzymanego przedmiotu.

Działanie bezpośrednie - porażenie elektryczne wskutek przepływu prądu elektrycznego przez ciało ludzkie (tzw. prądu rażeniowego) może wywołać
wiele zmian fizycznych, chemicznych i biologicznych w organizmie (a nawet śmierć człowieka) poprzez oddziaływanie na układ nerwowy oraz w wyniku elektrolizy krwi i płynów fizjologicznych.

Porażenie elektryczne może objawiać się:
- odczuwaniem bólu przy przepływie prądu, kurczami mięśni (skurcz mięśni dłoni może uniemożliwić samouwolnienie się porażonego)
- zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi
- zaburzeniami wzroku, słuchu i zmysłu równowagi
- utratą przytomności
- migotaniem komór sercowych (fibrylacja) - bardzo groźnym dla życia człowieka, gdyż zazwyczaj prowadzi ono do zejścia śmiertelnego
- oparzeniami skóry i wewnętrznych części ciała, do zwęglenia włącznie.

Bezpośrednio po rażeniu prądem, tzn. po przerwaniu przepływu prądu, może wystąpić wstrząs elektryczny, objawiający się przerażeniem, bladością, drżeniem ciała lub kończyn, nadmiernym wydzielaniem potu, stanem apatii lub euforii. Może również wystąpić obrzęk mózgu i utrata przytomności, połączona z zatrzymaniem krążenia krwi i brakiem oddechu. Skutki te mogą się ujawnić także po pewnym czasie - od kilku minut do kilku miesięcy.

Zjawisko porażenia ma miejsce wówczas, gdy występuje droga dla prądu rażeniowego i istnieje źródło napięcia wymuszającego przepływ takiego prądu. W praktyce dochodzi do tego, gdy człowiek styka się jednocześnie z dwoma punktami znajdującymi się pod różnymi potencjałami i zamyka się w ten sposób elektryczny obwód dla prądu rażeniowego.

Napięcie dotykowe jest to napięcie między dwoma punktami nie należącymi do obwodu elektrycznego, z którymi mogą się zetknąć jednocześnie obie ręce lub ręka i noga człowieka.

Napięcie dotykowe spodziewane jest to największa wartość napięcia dotykowego w urządzeniach lub w instalacji elektrycznej w razie uszkodzenia izolacji, gdy wartość impedancji w miejscu zwarcia jest pomijalna.

Napięcie rażeniowe dotykowe jest to spadek napięcia wzdłuż drogi przepływu prądu przez ciało człowieka (czyli spadek napięcia na rezystancji ciała, na drodze ręka-nogi lub ręka-noga albo ręka-ręka).

Napięcie krokowe jest to napięcie między dwoma punktami na powierzchni ziemi lub na powierzchni stanowiska pracy, odległymi od siebie o 1 m (jeden krok).

Napięcie rażeniowe krokowe jest to spadek napięcia wzdłuż drogi przepływu prądu przez obie nogi człowieka (czyli spadek napięcia na rezystancji ciała na drodze noga-noga).

Skutki rażenia prądem elektrycznym zależą od:
- rodzaju prądu, a więc czy jest to rażenie: prądem przemiennym o małej częstotliwości (15 -100Hz), prądem przemiennym o dużej częstotliwości, krótkotrwałymi, jednokierunkowymi impulsami prądowymi, prądem stałym,
- wartości napięcia i natężenia prądu rażeniowego oraz czasu jego przepływu
- drogi przepływu prądu przez ciało człowieka,
- stanu psychofizycznego porażonego.
- czasu przepływu prądu rażenia,
- temperatury i wilgotności skóry,
- powierzchni styku z przewodnikiem,
- siły docisku przewodnika do naskórka.

Impedancja naskórka (skóry) w dużym stopniu zależy od stanu fizycznego naskórka (gruby, cienki, zdarty, suchy, wilgotny, mokry) i od powierzchni styku z zewnętrznym obwodem elektrycznym.
Wartość impedancji naskórka nie jest stała i zależy od:
- wartości napięcia dotykowego,
- zatrzymaniem oddechu, zaburzeniami krążenia krwi
- wartości natężenia prądu,
- częstotliwości prądu,
- czasu przepływu prądu rażenia,
- temperatury i wilgotności skóry,
- powierzchni styku z przewodnikiem,
- siły docisku przewodnika do naskórka.

Wartość impedancji naskórka zawiera się w szerokich granicach - od kilkuset do kilkunastu tysiecy omów. Przy małych napięciach dotykowych (od 0 do 150 V) ma ona znaczny wpływ na impedancję ciała. W miarę wzrostu wartości napięcia wpływ ten jest coraz mniejszy, aż do pomijalnie małego przy napięciach większych niż 150 V.

Rezystancja wewnętrzna ciała zależy głównie od drogi przepływu i jest największa przy przepływie prądu na drodze ręka - ręka i ręka - noga (stopa), przy czym jej wartość jest równa około kilkuset omów. Najmniejsza wartość impedancji jest na drodze przepływu prądu ręka - kark.

Zależność impedancji naskórka od stopnia zawilgocenia skóry czy częstotliwości prądu też jest zmienna, a więc zmienna jest też impedancja ciała. Przy wilgotności względnej otaczającego powietrza powyżej 75% impedancja ciała nie zależy od impedancji naskórka i jest równa praktycznie tylko rezystancji wewnętrznej.

Wartości impedancji ciała człowieka w zależności od napięcia dotykowego Ud dla różnych części badanej populacji ludzi dorosłych (wg Raportu IEC 479)
Napięcie dotykowe,V
Graniczne wartości impedancji człowieka dla różnych części populacji, Ω

Z powyższych rozważań wynika fakt, że należy do rozpatrywania zjawiska porażenia przyjąć dwie podstawowe klasy warunków środowiskowych oznaczonych jako W1 i W2:

W1 warunki normalne, w których wartość rezystancji ciała ludzkiego mierzonej w stosunku do ziemi jest nie mniejsza niż 1000 Ω; do środowisk normalnych zalicza się: lokale mieszkalne, biurowe, sale widowiskowe, szpitalne, szkolne itp.,

W2 warunki szczególne, w których wartość rezystancji ciała człowieka mierzona w stosunku do ziemi jest mniejsza niż 1000 Ω; do środowisk szczególnych zalicza się: tereny otwarte, łazienki i natryski, sauny, obory, chlewnie, pomieszczenia produkcyjne o wilgotności względnej większej niż 75 % oraz o temperaturze wyższej niż 35o C lub mniejszej niż -5o C. W takich warunkach środowiskowych pomieszczenia są zwykle wilgotne, wilgotna jest również skóra człowieka, a podłogi (podłoża) charakteryzują się małą rezystancją.

Dodatkowo wyróżnia się warunki środowiskowe specjalne (W3), np. baseny kąpielowe lub wnętrza metalowych zbiorników, dla których dopuszczalne wartości napięć rażeniowych dotykowych powinny być mniejsze niż dla klasy W2.

W raporcie IEC-479 przedstawiono w formie wykresu krzywe graniczne reakcji organizmu człowieka przy porażeniu prądem elektrycznym o częstotliwości 50 Hz na drodze lewa dłoń - stopy. Krzywe te, oznaczone literami a, b, c1, c2 i c3, są granicami stref różnych skutków przepływu prądu rażenia.

Zasadniczo większość ludzi dorosłych nie odczuwa przepływu prądu o wartości natężenia do 0,5 mA - strefa 1 i jej granica - prosta a na wykresie. Dlatego minimalną wartość prądu, która wywołuje takie odczucia, nazywa się wartością progową prądu odczuwania lub percepcji, która nie zależy od czasu przepływu prądu.

Krzywe graniczne reakcji organizmu człowieka przy porażeniu prądem elektrycznym o częstotliwości 50 Hz na drodze lewa dłoń - stopy, wg IEC 479-1
a, b, c1, c2, c3 - krzywe graniczne reakcji organizmu,
1, 2, 3, 4 - strefy różnych skutków przepływu prądu rażenia,
tr - czas rażenia, Ir - wartość natężenia prądu rażenia

W miarę wzrostu natężenia prądu występują: mrowienie w palcach i drętwienie, skurcze włókien mięśniowych i uczucie bólu. Im wyższa wartość prądu rażeniowego i dłuższy czas jego przepływu, tym liczniejsze włókna mięśni dłoni ulegają skurczowi, również tzw. skurczowi tężcowemu, który trwa tak długo, jak długo płynie prąd. Jest to strefa 2 ograniczona krzywymi a i b.
Wartość progowa natężenia prądu, przy której jest jeszcze możliwe rozwarcie palców przez samego porażonego, nazywana jest prądem samouwolnienia i wg IEC jest to wartość 10 mA.
Widoczna jest tu zależność reakcji organizmu zarówno od wartości prądu, jak i od czasu jego przepływu - przy większym natężeniu prądu płynącego w krótszym czasie te same lub podobne odczucia i reakcje, co przy mniejszym natężeniu, ale w czasie dłuższym. W tej strefie prąd rażeniowy zwykle nie powoduje żadnych skutków fizjologicznych.

W strefie 3 - pomiędzy krzywymi b i c1 - obserwuje się nasilenie bólu, wzrost ciśnienia krwi oraz skurcze tężcowe mięśni poprzecznie prążkowanych i skurcze mięśni oddechowych (mięśni płuc - powyżej 20 mA), co może wywołać niedotlenienie organizmu, trudności z oddychaniem, zwiększenie ilości dwutlenku węgla we krwi i zakwaszenie tkanek, skutkiem czego może być sinica skóry i błon śluzowych. Zwykle są to odwracalne skutki fizjologiczne - bez uszkodzeń organizmu. Istnieje jednak duże prawdopodobieństwo pojawienia się odwracalnych zakłóceń powstawania i przewodzenia impulsów w sercu, włącznie z migotaniem przedsionków serca (fibrylacją) i przejściową blokadą pracy serca bez wystąpienia migotania komór, nasilające się wraz ze wzrostem natężenia prądu i czasem jego przepływu. W skrajnych przypadkach mogą występować skurcze naczyń wieńcowych i w efekcie zawał mięśnia sercowego.
Przyjmuje się, że prąd o wartości natężenia 30 mA powoduje początek paraliżu dróg oddechowych. Krzywa c1 oznacza graniczne wartości prądów niefibrylacyjnych.
W strefie 4 - na prawo od krzywej granicznej c1 - można zaobserwować te same skutki prądu rażenia, co w strefie 3, nasilające się wraz ze wzrostem natężenia prądu i czasu jego przepływu, ale dodatkowo może wystąpić migotanie (fibrylacja) komór serca. Prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komór serca rośnie do około 5% - krzywa c2, 50% - krzywa c3 i ponad 50% - w obszarze powyżej krzywej c3. W chwili rażenia zamiast miarowych, okresowych skurczów komór pojawiają się niemiarowe, nieokresowe skurcze, o częstotliwości 400 do 600 na min. Jednocześnie ciśnienie krwi gwałtownie maleje i jej przepływ może być zatrzymany, co spowoduje w pierwszej kolejności niedotlenienie mózgu, a po czasie około 10 s - utratę przytomności. Jeżeli proces będzie trwał dłużej, po dalszych 20 s nastąpi zatrzymanie oddychania i początek śmierci klinicznej.

Rażonego człowieka można jeszcze uratować, jeżeli udzieli mu się skutecznej pomocy przed upływem 3 do 5 min, tzn. przed upływem czasu, jaki bez dopływu tlenu może przeżyć kora mózgowa.
Śmierć człowieka rażonego prądem elektrycznym o wartości wywołującej migotanie komór serca lub skurcz tężcowy mięśni oddechowych następuje nie na skutek bezpośredniego uszkodzenia tych organów, ale z powodu zakłócenia naturalnych procesów życiowych. Przy prądach rażenia o wartości większej (około 1 A) śmierć może nastąpić z powodu zatrzymania akcji serca i krążenia krwi.

Wystąpienia migotania komór, nasilające się wraz ze wzrostem natężenia prądu i czasem jego przepływu. W skrajnych przypadkach mogą występować skurcze naczyń wieńcowych i w efekcie zawał mięśnia sercowego.

Przyjmuje się, że prąd o wartości natężenia 30 mA powoduje początek paraliżu dróg oddechowych. Krzywa c1 oznacza graniczne wartości prądów niefibrylacyjnych.

W strefie 4 - na prawo od krzywej granicznej c1 - można zaobserwować te same skutki prądu rażenia, co w strefie 3, nasilające się wraz ze wzrostem natężenia prądu i czasu jego przepływu, ale dodatkowo może wystąpić migotanie (fibrylacja) komór serca. Prawdopodobieństwo wystąpienia migotania komór serca rośnie do około 5% - krzywa c2, 50% - krzywa c3 i ponad 50% - w obszarze powyżej krzywej c3. W chwili rażenia zamiast miarowych, okresowych skurczów komór pojawiają się niemiarowe, nieokresowe skurcze, o częstotliwości 400 do 600 na min. Jednocześnie ciśnienie krwi gwałtownie maleje i jej przepływ może być zatrzymany, co spowoduje w pierwszej kolejności niedotlenienie mózgu, a po czasie około 10 s - utratę przytomności. Jeżeli proces będzie trwał dłużej, po dalszych 20 s nastąpi zatrzymanie oddychania i początek śmierci klinicznej.

Rażonego człowieka można jeszcze uratować, jeżeli udzieli mu się skutecznej pomocy przed upływem 3 do 5 min, tzn. przed upływem czasu, jaki bez dopływu tlenu może przeżyć kora mózgowa.
Śmierć człowieka rażonego prądem elektrycznym o wartości wywołującej migotanie komór serca lub skurcz tężcowy mięśni oddechowych następuje nie na skutek bezpośredniego uszkodzenia tych organów, ale z powodu zakłócenia naturalnych procesów życiowych. Przy prądach rażenia o wartości większej (około 1 A) śmierć może nastąpić z powodu zatrzymania akcji serca i krążenia krwi.

Działanie termiczne prądu

Przepływający przez ciało człowieka prąd rażeniowy powoduje wydzielanie się w tkankach organizmu energii cieplnej, gdyż mają one określoną rezystancję (impedancję). Ilość wydzielonej energii cieplnej zależy od wartości natężenia prądu, rezystancji tkanek oraz od czasu przepływu prądu przez ciało lub jego część.

W zależności od pojemności cieplnej tkanki (ciepła właściwego) na skutek wydzielonej energii cieplnej następuje wzrost temperatury. Gdy nie przekracza 5 K, nie występują zmiany patologiczne, jeżeli jednak temperatura wzrasta o 10 i więcej K, tkanki ulegają zniszczeniu wskutek martwicy. Nazywa się to oparzeniem elektrycznym.

Najbardziej niebezpieczne dla zdrowia i życia człowieka są tzw. rażenia skojarzone, kiedy przez ciało człowieka przepływa prąd łuku elektrycznego.

Łuk elektryczny albo wyładowanie łukowe może powodować urazy:
- uszkodzenia ciała odłamkami zniszczonych urządzeń elektrycznych lub podczas upadku, wskutek działania fali uderzeniowej
- oparzenia ciała, których rozległość i głębokość są zależne od gęstości energii cieplnej łuku oraz uszkodzenia siatkówki oka, z powodu wzrostu temperatury płynu soczewkowego, jako wynik oddziaływania termicznego
- metalizację nieosłoniętych części ciała oraz uszkodzenia rogówki oka, wywołane roztopionymi, gorącym cząstkami metali i materiałów izolacyjnych, unoszonymi gorącym strumieniem gazów, jako wynik oddziaływania termiczno-mechanicznego
- uszkodzenia rogówki oka na skutek promieniowania nadfioletowego
- ogrzanie płynu soczewkowego oka na skutek promieniowania podczerwonego
- rozległe oparzenia, a nawet spalenia kończyn i innych części ciała ludzkiego, często kończące się śmiercią na skutek rażenia skojarzonego (prąd łuku elektrycznego przepływa przez ciało ludzkie). Rażenia skojarzone zdarzają się w stacjach elektroenergetycznych wysokiego napięcia, gdy człowiek zbliży się do urządzenia elektroenergetycznego na odległość, przy której możliwe jest przebicie warstwy izolacyjnej powietrza. Wtedy następuje wyładowanie iskrowe, które inicjuje wystąpienie łuku elektrycznego pomiędzy tym urządzeniem i najbliższą od urządzenia częścią ciała ludzkiego