Лекция 4. Параметры электрической цепи, влияние напряжения, тока, частоты, времени действия, сопротивления тела человека и петли прохождения тока на тяжесть исхода электротравм.

Условимся под электрической цепью через тело человека по­нимать цепь последовательно и параллельно соединенных со­противлений, образовавшуюся в момент появления на человеке напряжения и находящуюся между двумя «электродами». Под «электродами» мы понимаем здесь, во-первых, какую-нибудь поверхность, находящуюся под напряжением (например, поверх­ность детали машины, оголенную поверхность провода и т. д.), и, во-вторых, какую-либо заземленную поверхность (например, заземляющую шипу, заземленную часть оборудования, соору­жения, пола и т. д.).

Если между этими двумя «электродами» оказываются вклю­ченными, помимо человека, еще и предметы, обладающие элек­трическим сопротивлением (например, одежда, обувь, пол, краска, которой покрыто оборудование, и т. д.), то касание по­лучается однополюсным, и человек подвергается действию не­полного напряжения. Если же оба «электрода» прикасаются непосредственно к телу человека, то касание получается двух­полюсным, электрическая цепь состоит лишь из одного сопро­тивления человеческого тела, в результате чего человек оказы­вается под линейным, фазным пли полным напряжением уста­новки.

Рис. 6-1. Схемы поражения электрическим током: а, б, в — однополюсное касание; г — двухполюсное

касание

Z_чел - сопротивление тела человека; Z₁ - сопротивление обуви или одежды;

Z₂ - сопротивление пола или площадки, на которой находился человек;

Z₃— сопротивление земли и сопротивление заземления заземлителей;

Z₄ - сопротивле­нии заземляющего провода; Z₅ - сопротивление элементов оборудовании, оказавшихся в электрической цепи с телом человека

 

На рис. 1 показаны наиболее типичные схемы электриче­ской цепи при поражении человека электрическим током. Из рисунка видно, что в цепи последовательно с телом пострадав­шего могут оказаться самые различные «наборы» сопротивле­ний. Но можно в целях ускорения и облегчения расследования пользоваться готовыми данными, полученными нами на основе результатов измерения электропроводности обуви с подошвами из различных материа­лов. Измерения производились следующим образом: внутрь обуви закладывался электрод, своими размерами и формой со­ответствовавший ступне человека; вторым электродом служила металлическая пластинка; на обувь накладывался груз 25—30 кГ, после чего измерялось сопротивление между двумя электродами. Данные были получены для влажной и сухой подошвы методом вольтметра - амперметра, позволяющим оценить сопротивление обуви в функции напряжения. Результаты изучения приведены в таблице. 1

 

Таблица 1

Ориентировочные значения сопротивления обуви, полученные по результатам измерений

(рекомендуются для предварительных расчетов)

 

Помещение	Материал подошвы	Сопротивление, ком При напряжении в сети, в
	До 65			Выше 220
Влажные и сырые     Сухие	Кожа Кожимит Резина   Кожа Кожимит Резина	1,6 2,0 2,0	0,8 1,0 1,8	0,5 0,7 1,5	0,2 0,5 1,0

 

Подобному изучению подверглись и другие «сопротивления», обычно оказывающиеся включенными в электрическую цепь через тело человека. Электрическое сопротивление лоскута влажной хлопчатобумажной ткани оказалось равным 0,5—1,0 ком, сухой — 10—15 ком (при площади электрода 100 см2).

Остается определить электрическое сопротивление наиболее важного и основного элемента рассматриваемой электрической цепи-тела человека.

Задача осложняется тем, что явления, возникающие в этой цепи, обусловлены совокупностью многих свойств человека – таких, как электропроводность, диэлектрическая проницаемость и поляризация, и притом не только тела в целом, но и отдельных его тканей и органов в частности.

 

Реакции человека на возникшую через его тело электрическую цепь зависят от величины приложенного напряжения и, соответственно, от тока в цепи, определяемого полным электрическим сопротивлением; от соотношения между активной и реактивной составляющими тока; от величины сопротивлений; от времени существования электрической цепи; от общей величины поглощенной энергии и от слагаемых этой величины, т. е. от величины энергий, поглощенных отдельными звеньями цепи; от максимальной и минимальной напряженности электрического поля; от плотности тока на отдельных участках тела и в жизнеопределяющих системах; от особенностей тех участков тела, через которые непосредственно возникла цепь.

Электрическая цепь через тело человека относится к цепям с активными параметрами. Всякой живой ткани, будь то слож­нейшая жизнеопределяющая система или отдельная клетка, присуща электрическая активность. Величина характеризующих ее биопотенциалов свидетельствует о нормальном или ненор­мальном состоянии ткани (клетки, системы или организма че­ловека в целом). Подавление или усиление электрической ак­тивности в результате возникновения электрической цепи через тело человека может само по себе предопределить развитие реакций организма человека и тяжесть исхода.

Приведем пример, касающийся важнейшего фермента крови,- гемоглобина, функция которого транспортировать кис­лород из легких в ткани, а углекислый газ — из организма во внешнюю среду. Гемоглобин содержится в эритроцитах, число и состояние которых предопределяют нормальное кровообраще­ние. Эритроциты обладают постоянно меняющейся поляриза­цией, а следовательно, и постоянно меняющейся величиной элек­трических зарядов. Поляризация и определенная величина за­рядов свидетельствуют о выполнении эритроцитом его функций. Электрический ток, распространяясь по системе кровеносных сосудов (а такое распространение происходит практически при каждой электротравме), может привести к изменению электри­ческой активности эритроцитов, нарушить их деятельность.

В ряде исследований допускается, что раздражающим, болевым действием можно изменить кривую э. д. с. Сердечной мышцы. Так, из работы А. И. Ильиной и С. И. Теплова следует, что биотоки «взаимодействуют» с током в электриче­ской цепи, возникающей через тело человека. Это взаимодей­ствие может оказать специфическое влияние на физиологические функции человека и на величину его полного электрического сопротивления.

Таких специфических примеров, характеризующих электрическую цепь через тело человека, можно привести множество. Но эта цепь подчиняется и общим электрофизическим законо­мерностям, свойственным любой электрической цепи с нелиней­ными параметрами. Эти закономерности описывают тепловые электролитические, электродинамические и любые иные явления, возникающие при том или ином перемещении электрических зарядов. Непростыми по природе и происходящим в них явле­ниям могут быть и другие элементы, оказавшиеся в цепи, воз­никшей через тело человека.

Изучать электрическую цепь можно по-разному, с разных позиции. В данной работе это изучение подчинено необходи­мости развить понимание основ электробезопасности. Достиже­ния биофизики, физиологии и патофизиологии электротравмы, представляющих собой самостоятельные научные направления, используются только в той степени, в которой они могут помочь формированию правильных взглядов, касающихся электро­безопасности.

Влияние центральной нервной системы человека на электрическое сопротивление его тела

Примерно в 30-х годах нашего столетия отечественные ав­торы начинают интенсивно изучать влияние нервной системы на электрическое сопротивление живого организма. В своих исследованиях Ю. С. Сергеева, Л. Б. Минор, Ф.М. Лисица и X. С. Ривлина показали, что величина электрического сопротив­ления между двумя электродами, соприкасающимися с телом, во многом зависит от состояния нервной системы.

Эти исследования, далеко еще не доведенные до конца, уже сильно обогатили наши представления о сопротивлении чело­веческого тела. Ю. С. Сергеева нашла, что электрическое со­противление организма связано с состоянием зрительного бугра и вегетативных образований продолговатого мозга, а также с состоянием спинного мозга. Л. Б. Минор констатировал у больных с раздражением шейного симпатического нерва по­ниженное сопротивление кожи постоянному току. В работах других авторов отмечалось, что каждое кожное раздражение, вызывающее болевое ощущение, сопровождается строго лока­лизованным снижением сопротивления. Кертис обнаружил изме­нение емкостей в изолированном нервном волокне при распро­странении по нему первого импульса; он объяснил это измене­нием кожной проницаемости клеточной оболочки.

Кервран показывает, что лица с симпатикотонической вегетативной конституцией обладают значительно меньшим сопротивлением, чем лица с ваготоническои вегетативной конституцией. Электрическое сопротивление тела симпатикотоника, измеренное переменным током напряжением

3,5 в при 50 гц, составило около 2 ком, а емкость оказалась равной 1,2 мкф.

У ваготоника такие же измерения показали 16 ком и 0,15 мкф. Исходя из прямой зависимости опасности электрического тока о его величины, Кервран делает вывод о том, что симпатикотоники значительно более чувствительны к току, чем ваготоники.

Но действительные зависимости значительно более сложны, и поэтому с подобным обоснованием опасности тока согласиться нельзя.

 

Рис 2. Зависимость величины электрического сопро­тивления тела человека от вида раздражителя 1- укол; 2 - неожиданный звук; 3 - легкий удар по руке. Моменты раздражения обозначены точками

Очень продуктивным оказалось открытие так называемого психогальванического рефлекса, который заключается в возник­новении колебаний электрического сопротивления кожи чело­века и животного под влиянием всякого рода эмоциональных состоянии и, в частности, болевых раздражителей.

На рис.2 приведены полученные нами кривые изменения электрического сопротивления тела человека под влиянием внешних раздражителен. Как показывает рассмотрение кривых, изменение электрического сопротивления, возникшее рефлекторно, сохраняется длительное время. Исходное значение сопро­тивления восстанавливается в некоторых случаях не ранее чем через 10 мин. Коль и Кертис также установили, что элек­трическое сопротивление тела человека начинает резко умень­шаться при различных физических раздражениях.

Ко всему сказанному следует добавить, что перечисленные изменения электрического сопротивления обусловлены, глав­ным образом, биофизическими, а не физико-химическими факторами.

Электропроводность живой ткани

Начнем с общих соображений, относящая к электропроводности живой ткани. Основной особенностью каждой живой ткани, как и организма в целом, является непрерывно совершающийся обмен веществ, подчиненный биофизическим и биохимическим закономерностям и сопровождающийся

образованием и рекомбинацией ионов. Новообразование и ионорекомбинация лежат в основе биоэнергетики молекулярного клеточного уровня. Ссылаясь на это обстоятельство Г Ю Белицкий и ряд других авторов предлагают считать электропроводность тела человека только ионной. Опираясь на свои исследования, а также на работу Гельфериха Белицкий утверждает, например, что «особенности электропроводности биологических объектов (нелинейность, эффект вы­прямления) определяются наличием в их мембранах, в отличие от синтетических ионитовых мембран, поперечного градиента концентрации фиксированных ионов».

Не отрицая ценности экспериментальных данных Г. Ю. Белицкого, мы все же не можем счесть их достаточными для по­добного утверждения. Признанию столь категорически выра­женной формулировки мешает то обстоятельство, что существо явлений, происходящих в тканях и живом организме в целом, известно еще далеко не полностью. Ведь мы вправе предполо­жить, что в живой ткани вовсе нет «свободных электронов» (по терминологии Я. И. Френкеля) и, стало быть, не они обуслов­ливают ее проводимость. Вместе с тем вряд ли мы можем от­рицать факты, указывающие на наличие в живой ткани элек­тронно-дырочной проводимости, поскольку лишь существование такой проводимости может объяснить явление межклеточной миграции энергии. Впрочем, не исключена и более сложная, специфическая проводимость, присущая только живой ткани. В пользу этой гипотезы говорит, например, наличие внутрикле­точных потенциалов, величина которых достигает 50-70 мв. Исследования природы электропроводности живой ткани в разных странах продолжаются. Но уже сейчас можно в первом приближении считать, что, оказавшись в электриче­ской цепи под напряжением, молекулы живой ткани возбуж­даются; это нарушает обмен веществ и изменяет электрические характеристики ткани. Одним из обстоятельств, говорящих в пользу подобного объяснения, служит влияние напряженности поля на реакции организма.

Таким образом, электрическое сопротивление живой ткани обусловлено в первую очередь не тепловыми и электрохимическими процессами, как об этом часто пишут, а сложнейшими биохимическими и биофизическими явлениями. Немаловажная особенность этих явлений состоит в том. что они могут возникать как под непосредственным действием тока, так и через нервную систему. На это обращал внимание еще в 1935 г. Еллинек показавший, что «... электрические характеристики живой ткани являются результатом действия двух компонентов - динамического (приведение электричества) и психогенного (приведение возбуждения)». Электрическое сопротивление тела человека тем и отличается от электрического сопротивления неживой ткани, что является параметром переменным, существенно меняющимся при изменении не только свойств объекта, но и его состояния, причем это последнее легко поддается изменению и по желанию экспериментатора.

Ошибка таких исследователей-электриков, как Л. П. Подоль­ский Гильдемейстер и Франбергер, изучавших действие элек­трического тока на человека, состоит в том, что они рассматри­вали сопротивление человеческого тела без достаточного учета биологических влияний. Иными словами, они исследовали не биофизику, а только физику явлений.

В свою очередь физиологи и патофизиологи Н. А. Вигдорчик, И. Р. Петров, занимавшиеся этими вопросами, допу­скали другую ошибку, оставляя без рассмотрения такие слож­нейшие физические явления, как нелинейные зависимости эле­ментов, составляющих электрическую цепь через тело человека.

Только в 40-х годах у нас и за рубежом стали появляться исследования, в которых делается попытка рассмотреть элек­трическое сопротивление тела человека как многообразный ком­плекс биофизических, биохимических, физических и физиологи­ческих явлении. К таким исследованиям следует прежде всего отнести самобытные труды Н. Б. Познанской, а также работу Б. Н. Тарусова. Н. Б. Познанская убедительно раскрывает законы электрического сопротивления тела человека, особенно его кожи.

В известной степени эти закономерности вскрываются и в настоящей главе, хотя ее задача намного более узка: рас­смотреть электрическое сопротивление тела человека между двумя наложенными на него электродами, определить состав­ляющие этого сопротивления и, наконец, выяснить его зависи­мость от некоторых физических и физиологических факторов. Эту задачу автор сознательно ограничил кругом вопросов, свя­занных с оценкой параметров электрической цепи, вызывающих электрические поражения, и с разработкой соответствующих профилактических мероприятий.

Топографическое распределение электрического сопротивления

Приступив к изучению электрического сопротивления тканей и органов

И. М. Сеченов особое внимание уделил коже. Благодаря его работам, а также трудам позднейших авторов так называемые кожные потенциалы стали предметом тщательных клинических исследований.

Разница в величинах сопротивления кожи на различных участках неоднократно отмечалась в физиологической литературе (И. Р. Тарханов, Рихтер и др.). Эти наблюдения, интересные как в теоретическом, так и в практическом отношении, побудили Н. Б. Познанскую заняться выявлением топографического распределения численных значении электрического сопротивления тела человека. Уже первые ее поисковые опыты показали, что внимания заслуживают не столько численные значения электрического сопротивления на различных участках кожи, сколько соотношения этих численных значений. Проведя обширное число измерений, Н.Б. Познанская установим эти относительные величины и в соотношении с ними выявила так называемое контрольное сопротивление (контроль­ный участок) кожи.

В качестве такого контрольного участка ею выбрана треть вентральной поверхности бедра. Измерения показали, что этот участок характеризуется стабильным электрическим сопротив­лением, что, впрочем, можно было предугадать, поскольку он почти не имеет потовых желез, защищен одеждой от воздействия окружающей среды и сравнительно редко подвергается механи­ческим раздражениям. Электрическое сопротивление этого уча­стка было принято за 100%, и относительно него стало оцени­ваться электрическое сопротивление всех остальных участков тела и определяется так называемый топографический коэффициент.

Полученные результаты измерений позволили установить на­личие весьма значительных топографических изменений элек­трического сопротивления. Численные величины сопротивлений варьировались как у различных субъектов, так и у одних и тех же субъектов в зависимости от различных условий, например, от окружающей температуры, влажности, времени года и вре­мени суток. Соотношения же между сопротивлениями различ­ных участков оставались при этом почти постоянными. Получен­ные в результате измерений топографические коэффициенты для различных испытуемых достаточно хорошо совпали друг с дру­гом. На основе этих исследований

Н.Б. Познанская предложила топографическую схему распределения электрических сопротив­лений, представленную на рис. 3 и с некоторыми отклонениями действительную как для женщин, так и для мужчин.

Исследования показали, что наименьшим сопротивлением обладают поверхности лица (особенно, лба), ладоней, подошв и подмышечных впадин. Прежде считалось, что различия в элек­трическом сопротивлении отдельных участков кожи обусловлены тремя факторами: 1) ороговением кожи (на ладонях и подошвах); 2) неравномерным распределением потовых желез на поверхности тела; 3) локальными особенностями психогальванического рефлекса, обусловленными деятельностью определенных желез внутренней секреции. Н.Б. Познанская показала, что это не так. Составленная ею топографическая схема весьма мало совподает с топографией потовых желез и со схемой распределения психогальванического рефлекса. Электрическое сопротивление, по- видимому, обусловлено и рядом других факторов. Одним из них несомненно является васкуляризация (степень наполнения сосудов кровью). Лишь различной васкуляризацией можно объяснить дифференциацию сопротивлении в об­ласти спины: большое сопротивление на нижней поверхности лопаток, под лопатками и на пояснице, несколько меньшее сопротивление в верхнем углу лопаток и между лопатками и, наконец, весьма малое сопротивление на ягодицах.

1- 0-20%; 2- 20-40%; 3- 40-60%; 4- 60-85%; 5- 85- 110%; 6- 110-140%;

7- 140-180%; 8- 180-230%. Цифры означают чувствительность человеческого тела к электри­ческому току (за 100% принята чувствительность вентральной поверхности бедра).

Все без исключения указанные участки спины скудно снабжены потовыми железами и следовательно, не это обстоятельство может быть причиной названных различий. Некоторые повторяющиеся от испытуемого к испытуемому топографические особенности не находят еще объяснения. Так, еще не выяснено почему электрическое сопротивление кожи нижней конечности увеличивается сверху вниз (от бедра к голени и далее к щиколотке)

Н. Б. Познанская обнаружила и другое очень интересное яв­ление, показывающее, насколько перспективна работа исследо­вателя, занятого поисками новых путей информации о жизне­деятельности человека. Она установила, что проницаемость кожи различна для катионов и анионов и не находится в прямой за­висимости от величины электрического сопротивления, как это, на первый взгляд, должно было бы быть. Например, через кожу ладони, несмотря на сравнительно небольшое значение ее элек­трического сопротивления, ионы диффундируют плохо. Это на­блюдается и на коже лба. В то же время на других участках кожи избирательная проницаемость выражается отчетливо. Далее было показано, что нарушение типовых топографических "коэффициентов распределения электрического сопротивления свидетельствует об отклонении физиологических процессов че­ловека от нормы и даже может служить симптомом тех или иных заболеваний. Применение топографических коэффициентов, по-видимому, поможет диагностированию некоторых нервно-сосудистых заболеваний, в первую очередь, при профессиональ­ном отборе.