Федеральное агентство железнодорожного транспорта
федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Омский государственный университет
путей сообщения» (ОмГУПС (ОмИИТ))
Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
ИНМВ. 600002.001
Отчет по лабораторной работе № 1по дисциплине «Безопасность технологических процессов и технических средств на железнодорожном транспорте»
СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Студент гр. 44 А
Адаменко О. О.
Руководитель -
доцент кафедры ЭЖТ
Скоков Р. Б.
Омск 2018
Введение
Цель работы: изучить факторы, определяющие сопротивляемость организма человека воздействию электрического тока, дать оценку влиянию значения приложенного напряжения, частоты тока, площади электродов на сопротивление тела человека электрическому току.
1. Краткие теоретические сведения
Тело человека является проводником электрического тока. Проводимость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В результате 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.
Кожа человека обладает наибольшим удельным сопротивлением и поэтому ее характеристики определяют сопротивление тела человека в целом. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного, называемого эпидермисом, и внутреннего, являющегося собственно кожей и носящего название дермы. Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений эпидермиса 2Zн (рисунок 1), которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека, и одного, называемого внутренним сопротивлением тела Rв, которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела.
Сопротивление наружного слоя кожи Zн состоит из активного и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Активное сопротивление наружного слоя кожи Rн, зависит от удельного объемного сопротивления эпидермиса , площади электрода S (мм2) и толщины эпидермиса d (мм), Ом:
.
а б
Рисунок 1 - Строение кожи (а) и упрощенная электрическая схема замещения (б) тела человека
Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется условный конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком - наружный слой кожи (эпидермис). Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода, толщины эпидермиса и диэлектрической проницаемости эпидермиса ?, которая, в свою очередь, зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. Емкость наружного слоя кожи человека определяется выражением, Ф:
,
где ?0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, ?0 = 8,8510-9 Ф/мм.
Внутреннее сопротивление тела Rв считается чисто активным. Оно зависит от длины и поперечного сечения участка тела, по которому проходит ток, а также от удельного объемного сопротивления внутренних тканей организма и практически не зависит от площади электродов, частоты тока, а также от значения приложенного напряжения.
Сопротивление тела человека в основном зависит от приложенного напряжения, частоты тока, площади электродов и состояния кожи.
Повышение напряжения, приложенного к телу человека, вызывает уменьшение полного сопротивления тела человека Zh, которое приближается к наименьшему значению сопротивления внутренних тканей тела Rв. Уменьшение Zh с ростом приложенного напряжения происходит за счет уменьшения сопротивления кожи и объясняется ростом тока, проходящего через кожу, и пробоем рогового слоя кожи под влиянием приложенного напряжения.
Пробой рогового слоя кожи возможен, если напряженность возникшего в нем электрического поля превысит его пробивную напряженность . Поскольку сопротивление эпидермиса преобладает в сопротивлении всей остальной цепи, с некоторым приближением можно считать, что напряжение, подведенное к телу человека, практически целиком прикладывается последовательно включенным слоям эпидермиса. При этом допущении нетрудно определить напряжение, которое, будучи приложенным к телу человека, вызывает эпидермиса, тогда пробивное напряжение эпидермиса Uпр, В:
,
где - напряженность электрического поля, при которой происходит пробой эпидермиса, В/мм.
Сопротивление тела человека постоянному току больше, чем переменному току любой частоты. При частоте f = 0 сопротивление имеет наибольшее значение, а с ростом частоты уменьшается за счет уменьшения емкостного части сопротивления эпидермиса и в пределе стремиться к внутреннему сопротивлению тела Rв.
Площадь электродов S оказывает непосредственное влияние на полное сопротивление тела человека: чем больше площадь, тем меньше активное сопротивление наружного слоя кожи. Вместе с тем при увеличении частоты электрического тока зависимость Zh(S) уменьшается, и при частоте 10 - 20 кГц влияние площади электродов утрачивается полностью. Это объясняется тем, что при больших частотах (более 10 кГц) сопротивление эпидермиса приобретает значение, близкое к нулю, и Zh становится равным Rв.
Рисунок 2 - Модель сопротивления тела человека
2. Исходные данные
Исходные данные согласно варианту 02.
Таблица 1 - Значение параметров верхнего слоя кожи человека
|
Удельное сопротивление эпидермиса с,кОм·мм |
Толщина эпидермиса d, мм |
Диэлектрическая проницаемость эпидермиса е |
Внутреннее сопротивление тела человека Rв, Ом |
|
|
5 |
1,9 |
178 |
450 |
Таблица 2 - Значение параметров зоны контакта «токоведущая часть - тело человека»
|
Площадь электродов S, мм |
Пробивное напряжение эпидермиса Uпр, В |
|
|
400 |
100 |
3. Расчетная часть
Таблица 3 - Результаты моделирования влияния напряжения прикосновения на сопротивление тела человека
|
Параметры |
Напряжение прикосновения, Uh, В |
||||||||||
|
12 |
24 |
36 |
42 |
50 |
127 |
220 |
380 |
660 |
|||
|
50 Гц |
Uh, В |
12 |
24 |
36 |
42 |
50 |
127 |
220 |
380 |
660 |
|
|
Ih, мА |
2,48 |
9,7 |
21,21 |
28,39 |
39,28 |
277,5 |
484,1 |
839,5 |
1462 |
||
|
Zh, кОм |
4,84 |
2,47 |
1,7 |
1,48 |
1,27 |
0,46 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
||
|
400 Гц |
Uh, В |
12 |
24 |
36 |
42 |
50 |
127 |
220 |
380 |
660 |
|
|
Ih, мА |
15,9 |
44,12 |
72,76 |
86,85 |
105,4 |
282,4 |
485,1 |
840 |
1462 |
||
|
Zh, кОм |
0,76 |
0,54 |
0,5 |
0,48 |
0,47 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
||
|
0 Гц |
Uh, В |
12 |
24 |
36 |
42 |
50 |
127 |
220 |
380 |
660 |
|
|
Ih, мА |
0,26 |
1,02 |
2,25 |
3,04 |
4,27 |
277,4 |
484 |
839,5 |
1462 |
||
|
Zh, кОм |
45,80 |
23,65 |
16,04 |
13,84 |
11,72 |
0,46 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
Рисунок 3 - График зависимости сопротивления тела человека от приложенного переменного напряжения при частоте 50 Гц
Рисунок 4 - График зависимости сопротивления тела человека от приложенного переменного напряжения при частоте 400 Гц
Рисунок 5 - График зависимости сопротивления тела человека от приложенного постоянного напряжения
Таблица 4 - Влияние площади электродов на сопротивление тела человека
|
Параметры |
Площадь электродов, мм2 |
||||||||||
|
S |
2S |
3S |
4S |
5S |
6S |
7S |
8S |
9S |
|||
|
50 Гц |
Uh, В |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
|
Ih, мА |
39 |
65 |
80 |
89 |
95 |
98 |
101 |
102 |
104 |
||
|
Zh, кОм |
1,27 |
0,76 |
0,62 |
0,56 |
0,53 |
0,51 |
0,49 |
0,49 |
0,48 |
||
|
400 Гц |
Uh, В |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
|
Ih, мА |
105 |
109 |
110,3 |
110 |
110,8 |
110,9 |
110 |
111 |
111 |
||
|
Zh, кОм |
0,47 |
0,46 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
0,45 |
||
|
0 Гц |
Uh, В |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
|
Ih, мА |
4,26 |
8,1 |
11,8 |
15 |
18,3 |
21 |
24 |
26 |
28 |
||
|
Zh, кОм |
11,72 |
6,12 |
4,24 |
3,29 |
2,72 |
2,35 |
2,08 |
1,87 |
1,72 |
Рисунок 6 - График зависимости сопротивления тела человека от площади электродов при переменном напряжении частотой 50 Гц
Рисунок 7 - График зависимости сопротивления тела человека от площади электродов при переменном напряжении частотой 400 Гц
Рисунок 8 - График зависимости сопротивления тела человека от площади электродов при постоянном напряжении
Вывод: изучили факторы, определяющие сопротивляемость организма человека воздействию электрического тока, дали оценку влиянию значения приложенного напряжения, частоты тока, площади электродов на сопротивление тела человека электрическому току, которая заключается в том, что при повышении значения частоты и напряжения значение сопротивления снижается, то же самое можно сказать и про площадь контакта, т.е. с увеличением площади электродов сопротивление тела человека уменьшается.
4. Ответы на контрольные вопросы
1) Какие факторы относятся к физиологическим и как они оказывают влияние на сопротивление тела человека?
К физиологическим факторам относятся следующие:
Пол и возраст. У женщин сопротивление меньше, чем у мужчин; у детей - меньше, чем у взрослых; у молодых людей - меньше, чем у пожилых. Объясняется это тем, что у одних людей кожа тоньше и нежнее, а у других - толще и грубее. электрический ток напряжение сопротивление
Физические раздражения, возникающие неожиданно для человека. Болевые, звуковые, световые и прочие раздражения могут вызвать на несколько минут снижение сопротивления тела на 20 - 25 %.
Тело человека является проводником электрического тока. Проводимость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только ее физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи. В результате 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.
2) Как частота тока, протекающего через тело человека, влияет на зависимость сопротивляемости человека от приложенного напряжения, площади контакта «токоведущая часть - тело человека»?
Кожа человека обладает наибольшим удельным сопротивлением и поэтому ее характеристики определяют сопротивление тела человека в целом. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного, называемого эпидермисом, и внутреннего, являющегося собственно кожей и носящего название дермы. Сопротивление тела человека можно условно считать состоящим из трех последовательно включенных сопротивлений: двух одинаковых сопротивлений эпидермиса 2Zн (рис. 1), которые в совокупности составляют так называемое наружное сопротивление тела человека, и одного, называемого внутренним сопротивлением тела Rв, которое включает в себя сопротивление внутренних слоев кожи и сопротивление внутренних тканей тела.
Сопротивление наружного слоя кожи Zн состоит из активного и емкостного сопротивлений, включенных параллельно. Активное сопротивление наружного слоя кожи Rн, зависит от удельного объемного сопротивления эпидермиса , площади электрода S (мм2) и толщины эпидермиса d (мм), Ом:
. а б
Рисунок 9 - Строение кожи (а) и упрощенная электрическая схема замещения (б) тела человека
Емкостное сопротивление обусловлено тем, что в месте прикосновения электрода к телу человека образуется условный конденсатор, обкладками которого являются электрод и хорошо проводящие ток ткани тела человека, лежащие под наружным слоем кожи, а диэлектриком - наружный слой кожи (эпидермис). Обычно это плоский конденсатор, емкость которого зависит от площади электрода, толщины эпидермиса и диэлектрической проницаемости эпидермиса , которая, в свою очередь, зависит от многих факторов: частоты приложенного напряжения, температуры кожи, наличия в коже влаги и др. Емкость наружного слоя кожи человека определяется выражением, Ф: